Z jakich materiałów wykonuje się zwykle wały korbowe?

Z jakich materiałów wykonuje się wały korbowe?

Wybór materiałów na wały korbowe zależy głównie od warunków eksploatacji i jest zazwyczaj analizą teoretyczną, ponieważ mogą one być narażone na naprężenia mechaniczne, wysokie temperatury, tarcie oraz/lub inne skrajne czynniki; uzasadnione jest więc ocenianie ich wydajności w eksploatacji, trwałości i niezawodności. Istnieje praktycznie nieskończona liczba mierzalnych parametrów, które należy zrównoważyć; podobnie jak materiały na wały korbowe do zastosowań przeciwważowych są dobierane tak, aby zapewnić optymalną wydajność zgodnie z projektem wału korbowego oraz obowiązującymi standardami dotyczącymi wałów korbowych, tak samo dobiera się materiały na wały korbowe do zastosowań przeciwważowych.

Budulce ze stali węglowej.

Do produkcji głównego wału korbowego stosowanego w silnikach samochodowych klasy wejściowej oraz w układach silnikowych średniego zakresu przez wiele lat stal węglowa była materiałem preferowanym do wyrobu wałów korbowych. Stal węglowa cieszy się uznaniem ze względu na swoje właściwości obrabialności oraz cechy mechaniczne w połączeniu z hartowaniem, a także ze względu na korzystny stosunek kosztów do efektów. W przypadku równowagi między wytrzymałością a plastycznością preferuje się stal węglową średniowęglową o zawartości węgla od 0,30% do 0,50%. Choć hartowanie i odpuszczanie mogą poprawić jej twardość i odporność udarną, pozwalają one również na skuteczne przenoszenie obciążeń cyklicznych występujących podczas pracy silnika. Większość wałów korbowych ze stali węglowej dostępnych na rynku jest przeznaczona do pojazdów osobowych oraz lekkich pojazdów komercyjnych. Dzięki temu możliwe jest ich opłacalne wytwarzanie przy jednoczesnej poprawie najważniejszych cech eksploatacyjnych. Wielu producentów przemysłowych masowo wytwarza wały korbowe ze stali węglowej, dlatego też istnieje długa historia zastosowania stali węglowej w przemyśle motocyklowym i samochodowym – materiał ten został szeroko wykorzystany w inżynierii zgodnej z wymaganiami zapewniającymi bezpieczne warunki standardowej eksploatacji.

Stal stopowa do zwiększenia wydajności

Stal stopowa stała się ostatnio materiałem preferowanym do wałów korbowych wymagających zastosowania w ciężkich warunkach eksploatacji oraz w układach o wysokiej wydajności. Producenti stosują różnorodne pierwiastki stopowe w celu poprawy struktury metalicznej stali; dodatek chromu, niklu, molibdenu lub wanadu pozwala uzyskać kluczowe ulepszenia właściwości, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, odporność na zmęczenie oraz odporność na uderzenia. Składniki stopowe poprawiają również strukturę ziarnistą, ogólną hartowność oraz zmniejszają prawdopodobieństwo zużycia lub odkształcenia w skrajnych warunkach. Wały korbowe ze stali stopowej stosowane są w wysokowydajnych samochodach sportowych, ciężarówkach o dużej nośności oraz przemysłowych silnikach wysokoprężnych. Wały korbowe ze stali stopowej wyróżniają się zdolnością do wytrzymywania wyższych momentów obrotowych i dłuższego okresu użytkowania, a także zapewniają niezawodność w szerszym zakresie przemysłowych warunków eksploatacyjnych. W porównaniu ze stalą węglową badania przemysłowe wykazują, że stal stopowa wytrzymuje o 30% więcej cykli zmęczeniowych wału korbowego i czyni wymagające warunki eksploatacji bardziej efektywnymi. Dla swoich pojazdów premium i komercyjnych wiodący producenci motocykli i samochodów kładą nacisk przede wszystkim na niezawodność silnika i uznają stal stopową za element nieodzowny.

Żeliwo sferoidalne, znane również jako żeliwo kuliste, jest elastyczną i przystępną cenowo alternatywą stalowych wałów korbowych. Różni się ono także od żeliwa szarego, ponieważ w żeliwie sferoidalnym występują kuliste cząstki grafitu. Cząstki te zwiększają jego ciągliwość, odporność na uderzenia, nadaje się do odlewania oraz odporność na zużycie. Poza tymi właściwościami żeliwo sferoidalne charakteryzuje się zdolnością tłumienia drgań i hałasów oraz poprawia ogólną gładkość pracy silnika. Zrównoważona wytrzymałość, trwałość i efektywność kosztowa w jednym materiale sprawiają, że żeliwo sferoidalne jest powszechnie stosowane w zastosowaniach morskich, maszynach rolniczych oraz silnikach średniego obciążenia. Dzięki nowoczesnym technologiom odlewniczym spójność i jakość elementów z żeliwa sferoidalnego znacznie się poprawiły. Obecne procesy odlewnicze zapewniają dokładność wymiarową porównywalną z wykonywanymi metodą kucia stalowym. Wiele producentów silników wybiera wały korbowe z żeliwa sferoidalnego zamiast droższych rozwiązań, ponieważ większość obecnie produkowanych silników przeznaczona jest wyłącznie do umiarkowanych mocy.

Najnowocześniejsze materiały w zastosowaniach specjalistycznych

Ekstremalne wymagania dotyczące wydajności wymuszają stosowanie zaawansowanych materiałów w silnikach przeznaczonych do zastosowań specjalistycznych. Choć stopy tytanu są drogie, charakteryzują się one wyjątkowym stosunkiem wytrzymałości do masy, co czyni je idealnym wyborem dla silników używanych w wyścigach wysokiej prędkości oraz w przemyśle lotniczym. Aby spełnić kryteria związane z masą, wały korbowe wykonane z tytanu zmniejszają całkowitą masę silnika i poprawiają jego reaktywność oraz zużycie paliwa. Ponadto niektóre zastosowania specjalistyczne wykorzystują nowe kompozyty, takie jak polimery węglowe wzmacniane tytanem, które charakteryzują się wyjątkową wytrzymałością i odpornością na korozję. Zaawansowane materiały w technologii wałów korbowych są skazane na stanie się standardem przemysłowym, jednak złożoność procesów produkcyjnych oraz wysokie koszty tych materiałów nadal ograniczają ich zastosowanie do najbardziej zaawansowanego, specjalistycznego sprzętu. Wiodący producenci i instytucje badawcze koncentrują swoje działania na wykorzystaniu tych materiałów w różnych typach silników w sposób opłacalny.

Kluczowe czynniki wpływające na wybór materiałów

Wybór materiałów do wałów korbowych zależy od wielu czynników, takich jak np. typ silnika i moc wyjściowa. W przypadku dużych silników kluczowe znaczenie ma zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie oraz odporności na zmęczenie. Dla mniejszych silników priorytetem mogą być koszty i łatwość obróbki skrawaniem. Oprócz sprzecznych wymagań dotyczących kosztów i obrabialności należy uwzględnić także inne czynniki, takie jak warunki eksploatacji, zakres temperatur oraz cykle obciążenia. Na przykład silniki stosowane w trudnych warunkach pogodowych mogą wymagać wyższej odporności na korozję i działanie wysokich temperatur. Metody wytwarzania – takie jak kucie, odlewanie czy obróbka cieplna – również mają wpływ na wybór materiałów, ponieważ niektóre materiały lepiej sprawdzają się przy określonych procesach produkcyjnych niż przy innych. Koszty stanowią praktyczne ograniczenie, gdyż producenci dążą do osiągnięcia równowagi między wydajnością a ceną. Ostatecznie stosowane materiały muszą również spełniać obowiązujące normy branżowe i przepisy prawne. Spełnienie tych wymogów zapewnia producentom i końcowym użytkownikom bezpieczeństwo oraz trwałość zastosowanych materiałów.

Podsumowanie materiałów stosowanych do wałów korbowych

Wybór materiału wału korbowego to proces wymagający zrozumienia wymagań i celów, a także ograniczeń i kompromisów związanych z jego zastosowaniem. Każdy materiał — takie jak stal węglowa, stal stopowa, żeliwo sferoidalne oraz inne — nawet jeśli jest zaawansowany technologicznie, oferuje określone zalety w konkretnym zastosowaniu i przy określonych warunkach pracy silnika. Postęp w konstrukcji silników idzie w parze z postępem w nauce o materiałach, co stopniowo otwiera drogę do osiągania wyższej wydajności i zwiększonej trwałości poszczególnych elementów. Producenti łączą wiedzę na temat właściwości materiałów z badaniami empirycznymi oraz doświadczeniem praktycznym, aby dokonać oceny zapewniającej najlepszy możliwy kompromis między wydajnością a niezawodnością silnika. Producenci silników dążący do oferowania konkurencyjnego i wysokiej jakości produktu powinni współpracować ze specjalistami od materiałów i komponentów, aby zapewnić najbardziej zaawansowane, dostosowane rozwiązania spełniające konkretne wymagania i ograniczenia związane z danym zastosowaniem.