Z jakých materiálů se obvykle vyrábějí klikové hřídele?

Z jakých materiálů se vyrábějí klikové hřídele?

Výběr materiálů pro klikové hřídele je především závislý na provozních podmínkách a je v podstatě abstraktní analýzou, neboť mohou být vystaveny mechanickému namáhání, vysokým teplotám, tření a/nebo několika dalším extrémním podmínkám; proto je odůvodněné posuzování provozního výkonu, životnosti a spolehlivosti. Existuje téměř nekonečný počet měřitelných parametrů, které je třeba vyvážit, a právě jako jsou protizávaží klikových hřídelí vybírána pro optimální výkon na základě konstrukce klikového hřídele a platných norem pro klikové hřídele, tak jsou vybírány i materiály pro protizávaží klikových hřídelí.

Stavební bloky z uhlíkové oceli.

Pro výrobu hlavního klikového hřídele pro motory základních automobilů a středně výkonných motorových systémů byla uhlíková ocel po mnoho let preferovaným materiálem pro výrobu klikových hřídelů. Uhlíková ocel je ceněna pro své obráběcí vlastnosti a mechanické vlastnosti při tepelném zpracování, stejně jako za svou cenovou výhodnost. Pokud jde o rovnováhu mezi pevností a tažností, upřednostňuje se středně uhlíková ocel s obsahem uhlíku 0,30 % až 0,50 %. I když kalení a popouštění zvyšují její tvrdost a houževnatost, zůstává schopna odolávat cyklickým zatížením během provozu motoru. Většina uhlíkových ocelových klikových hřídelů nabízených na trhu je určena pro osobní vozidla a lehká nákladní vozidla. To umožňuje jejich ekonomickou výrobu při zároveň zlepšení nejdůležitějších provozních vlastností. Mnoho průmyslových odvětví již dlouhodobě sériově vyrábí klikové hřídele z uhlíkové oceli, a proto má automobilový průmysl dlouhou historii používání uhlíkové oceli, která se osvědčila v konformním inženýrském řešení vyžadovaném pro bezpečné standardní provozní podmínky.

Slitinová ocel pro zvýšený výkon

Ocelové slitiny se v poslední době staly preferovaným materiálem pro klikové hřídele určené pro náročné a vysokovýkonné aplikace. Výrobci používají různé legující prvky ke zlepšení mikrostruktury oceli; přídavek chromu, niklu, molybdenu nebo vanadu umožňuje dosáhnout klíčových vylepšených vlastností, jako je pevnost v tahu, odolnost proti únavě a rázová houževnatost. Legující prvky také zlepšují zrnitou strukturu, celkovou kalitelnost a snižují pravděpodobnost opotřebení nebo deformace za extrémních podmínek. Klikové hřídele z ocelových slitin se nacházejí ve vysokovýkonných sportovních autech, nákladních autech pro náročný provoz a průmyslových dieselových motorech. Klikové hřídele z ocelových slitin se vyznačují schopností vydržet vyšší točivé momenty a odolat delším provozním obdobím, čímž zajišťují spolehlivý provoz v širší škále průmyslových provozních podmínek. Oproti uhlíkové oceli ukazují průmyslové studie, že ocelové slitiny vydrží o 30 % více cyklů únavy klikového hřídele a zvyšují efektivnost v náročných provozních prostředích. Pro svá premium i komerční vozidla dávají přední automobiloví výrobci přednost spolehlivosti motoru nad všemi ostatními vlastnostmi a uznávají ocelové slitiny jako nezbytnou součást.

Kujná litina, známá také jako kuličková litina, je pružnou a cenově výhodnou náhradou oceli pro výrobu klikových hřídelí. Liší se také od šedé litiny tím, že obsahuje kulovité grafitové částice. Tyto částice zvyšují její tažnost, odolnost proti nárazu, litelnost a odolnost proti opotřebení. Kromě těchto vlastností má kujná litina schopnost tlumit vibrace a hluk a zlepšovat celkovou hladkost chodu motoru. Vyvážená kombinace pevnosti, trvanlivosti a cenové efektivnosti je důvodem, proč se kujná litina běžně používá v námořních aplikacích, zemědělské technice a motorech střední zátěže. Díky pokročilým lití technologiím se výrazně zlepšila konzistence a kvalita součástí z kujné litiny. Dnešní lití procesy dosahují rozměrové přesnosti srovnatelné s ocelovými kovanými díly. Mnoho výrobců motorů se proto dnes rozhoduje pro klikové hřídele z kujné litiny místo dražších alternativ, neboť většina dnešních motorů je navržena pouze pro střední výkon.

Nejmodernější materiály ve specializovaných aplikacích

Extrémní požadavky na výkon vyžadují použití pokročilých materiálů ve specializovaných aplikacích motorů. I když jsou titanové slitiny drahé, mají vynikající poměr pevnosti k hmotnosti, čímž se stávají ideálními pro motory používané ve vysoce rychlostních závodních vozidlech i v leteckém průmyslu. Aby byly splněny požadavky na hmotnost, snižují titanové klikové hřídele celkovou hmotnost motoru a zlepšují jeho reakční schopnost i spotřebu paliva. Kromě toho některé specializované aplikace využívají nové kompozitní materiály, například uhlíková vlákna posílená titanem, které mají vynikající pevnost a odolnost proti korozi. Pokročilé materiály v technologii výroby klikových hřídelí jsou určeny k tomu, aby se staly běžnou součástí průmyslové výroby, avšak složitost výrobního procesu a vysoké náklady na materiály je stále omezují na vysoce specializovaná zařízení. Významní výrobci i výzkumné instituce se zaměřují na efektivní využití těchto materiálů pro různé typy motorů za co nejnižších nákladů.

Klíčové faktory ovlivňující výběr materiálů

Výběr materiálů pro klikové hřídele je ovlivněn mnoha faktory, například typem motoru a výkonem. U velkých výkonových motorů je kritická potřeba zvýšit mez pevnosti v tahu a únavovou odolnost. U menších motorů mohou mít přednost náklady a obráběnost. Kromě protichůdných požadavků na náklady a obráběnost je nutné vzít v úvahu i další faktory, jako jsou provozní podmínky, rozsah teplot a cykly zatížení. Například motory používané za extrémních povětrnostních podmínek mohou vyžadovat vyšší odolnost proti korozi a tepelnou odolnost. Způsoby výroby, jako jsou kování, lití nebo tepelné zpracování, rovněž určují volbu materiálů, neboť některé materiály lépe fungují s určitými výrobními procesy než s jinými. Náklady představují praktické omezení, protože výrobci hledají rovnováhu mezi výkonem a cenou. Nakonec musí použité materiály splňovat také průmyslové normy a předpisy. Tímto se zajišťuje výrobcům i koncovým uživatelům, že použité materiály jsou bezpečné a trvanlivé.

Závěry týkající se materiálů klikového hřídele

Výběr materiálů pro klikový hřídel je proces, který vyžaduje pochopení požadavků a cílů, stejně jako omezení a kompromisů, které s ním souvisejí. Každý materiál – například uhlíková ocel, legovaná ocel, tvárná litina a další – ať už je jakkoli pokročilý, nabízí výhody pro konkrétní aplikaci a specifické provozní podmínky motoru. Pokročilý vývoj motorů jde ruku v ruce s pokročilým vývojem materiálového inženýrství, což postupně otevírá cestu ke zvýšení výkonu a trvanlivosti komponentů. Výrobci kombinují znalosti vlastností materiálů s empirickým testováním a praktickou zkušeností, aby provedli hodnocení, které nejlépe vyvažuje výkon a spolehlivost motoru. Výrobci motorů, kteří usilují o konkurenceschopný a kvalitní produkt, by měli spolupracovat se specialisty na materiály a komponenty, aby zajistili nejmodernější řešení přizpůsobená konkrétním požadavkům a omezením dané aplikace.