Wał korbowy napędza różne mechanizmy pomocnicze silnika: mechanizm rozrządu, pompę cieczy lub oleju oraz inne elementy wyposażenia pośredniego, np. mechaniczne systemy zmiennych faz rozrządu. Układ korbowy motocykla jest zbudowany z takich elementów jak tłok, sworzeń tłokowy, korbowód oraz wał korbowy. Tłok połączony jest z korbowodem za pomocą sworznia, który pozwala na ruch wahadłowy jednego elementu względem drugiego. W dolnej części łączy się z wałem korbowym na jego wykorbieniu. Między wałem a korbowodem znajdują się panewki wału. Wał korbowy najczęściej podparty jest łożyskami w co najmniej trzech miejscach.

Wyrównoważenie układu

Siły występujące w układzie korbowym – oprócz pożądanego działania, czyli obrotu wału korbowego – przenosząc się na zewnątrz silnika, są również źródłem obciążeń i drgań oddziałujących na cały motocykl. Najbardziej odczuwalne są siły odśrodkowe; mniejsze znaczenie mają siły bezwładności pierwszego rzędu. Do najmniej niebezpiecznych należą siły drugiego rzędu. W celu ograniczenia negatywnych skutków oddziaływań powyższych sił układy korbowe poddaje się wyrównoważeniu.

W motocyklu stosuje się wałki wyrównoważające drgania, pracujące z dwukrotnie większą prędkością obrotową niż wał korbowy silnika, co w przypadku silników wysokoobrotowych oznacza prędkości rzędu kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę. Wał korbowy jest obciążony głównie siłami pochodzącymi od ciśnienia w komorze spalania oraz siłami bezwładności mas w ruchu obrotowym i posuwisto-zwrotnym. Wał korbowy i korbowody wraz z łożyskami ślizgowymi tworzą wiązanie kinematyczne ślizgowe czop-panewka, które stanowi jedno z najistotniejszych układów decydujących o trwałości i niezawodności pracy tłokowego silnika spalinowego oraz jego sprawności mechanicznej.

Łożyska i ich smarowanie

Łożyska ślizgowe (panewki), powszechnie wykorzystywane do łożyskowania korbowodów i wałów korbowych, stanowią jeden z ważniejszych elementów silnika decydujący o możliwościach uzyskania określonych mocy maksymalnych silnika. Prosta budowa łożysk ślizgowych, przy odpowiedniej tolerancji ich wykonania i sposobie eksploatacji, zapewnia długą pracę silnika spalinowego nawet w ekstremalnych warunkach.

Nieprawidłowa eksploatacja silnika spalinowego, w tym głównie stosowanie oleju silnikowego o nieprawidłowej jakości i lepkości dynamicznej, może w krótkim czasie spowodować konieczność jego kosztownej naprawy. Nadmierne obciążanie czy też utrzymywanie wysokich prędkości obrotowych silnika w czasie, gdy olej nie osiągnął wymaganej temperatury, czyli lepkości dynamicznej eksploatacyjnej, powoduje nadmierne, szybkozmienne obciążenie mechaniczne elementów układu tłokowo-korbowego, w tym łożysk ślizgowych. Większość łożysk ślizgowych ma otwory technologiczne, przez które pod ciśnieniem doprowadzany jest olej do skojarzenia czop-panewka.

Uszkodzenie (ścięcie) występów ustalających panewki w kadłubie silnika lub w stopie korbowodu następuje głównie wskutek zacierania się skojarzenia czop-panewka. Jest to spowodowane nieosiągnięciem wymaganej grubości filmu olejowego między współpracującymi parami kinematycznymi. Warto nadmienić, że wzrost temperatury powoduje zmniejszenie lepkości dynamicznej oleju, a więc jego lepsze doprowadzenie do przestrzeni roboczej tych skojarzeń. Zapewnia to zachowanie ciągłości filmu olejowego przy określonej jego grubości. Jednym z ważniejszych parametrów decydujących o wystąpieniu warunków tarcia płynnego jest zapewnienie ciągłości filmu olejowego przy minimalnej jego grubości wynikającej z obliczeń numerycznych w trakcie projektowania złożeń głównych silnika.

Należy także wspomnieć, że zmniejszenie lepkości dynamicznej oleju czy stosowanie olejów energooszczędnych, np. 5W/30, 0W/30 zamiast np. olejów typu 5W/40, powoduje zmniejszenie grubości filmu olejowego w całym cyklu pracy silnika nie tylko w złożeniu korbowód-czop-panewka, ale także w innych podzespołach, np. tłok-pierścienie tłokowe-cylinder. W związku z tym, aby zapewnić poprawną pracę zespołu głównego silnika, należy stosować wyłącznie oleje o jakości i lepkości dynamicznej zalecanej przez producenta zapewniające minimalną dopuszczalną wartość grubości filmu olejowego. Dana minimalna wartość grubości filmu olejowego z kolei determinuje warunki wytwarzania poszczególnych części, rodzaj zastosowanych materiałów oraz tolerancje ich wyrobu.

Należy pamiętać, że w przypadku występowania dużych obciążeń pochodzących od sił gazowych i sił mechanicznych minimalna grubość filmu olejowego może być mniejsza niż 1 mikrometr. Taki stan wymusza zastosowanie takich materiałów, których chropowatość powierzchni nie przekracza tej wartości, a tym samym zapewnia zachowanie ciągłości filmu olejowego i wystąpienie warunków tarcia płynnego. Wprowadzenie oleju silnikowego o mniejszej lepkości dynamicznej może wywołać warunki tarcia mieszanego, determinowanego stykaniem się wierzchołków mikronierówności powierzchni współpracujących.

Brak ciągłości filmu olejowego jest również przyczyną wzrostu temperatury w skojarzeniu czop-panewka, który powoduje dodatkowo niekorzystną i trwałą zmianę właściwości oleju silnikowego oraz lokalne przegrzewanie się warstwy wierzchniej materiału czopa wału i łożyska ślizgowego.

Zbyt duży luz w skojarzeniu, a dodatkowo obrót i/lub przesunięcie panewek względem kadłuba silnika lub względem stopy korbowodu mogą również spowodować niekorzystny efekt wypływania oleju pomiędzy panewkę a korbowód, zamiast do skojarzenia czop-panewka. Uszkodzenie panewki w efekcie końcowym może również spowodować następujące po sobie kolejno procesy, takie jak: skręcenie lub wygięcie wału korbowego czy też – w ekstremalnych przypadkach – uszkodzenie całego silnika.

Jak to jest zrobione?

Materiał wału korbowego powinien odznaczać się odpowiednią wytrzymałością i udarnością, odpornością zmęczeniową oraz zdolnością do tłumienia drgań. Dodatkowo powierzchnie wału współpracujące z innymi elementami, czyli czopy główne i korbowe, powinny wykazywać się dużą odpornością na zużycie.

Liczba czopów głównych może być różna. W starych konstrukcjach wał był ułożyskowany co dwa cylindry. Współczesne silniki charakteryzują się stałym wzrostem objętościowego wskaźnika mocy, ciśnienia użytecznego oraz prędkości obrotowej. Prowadzi to do zwiększania obciążeń układu korbowego. Dlatego współcześnie ułożyskowanie występuje między każdym cylindrem. Główną zaletą takiego rozwiązania jest polepszenie sztywności konstrukcji, co prowadzi do ograniczenia wymiarów wału, a tym samym jego masy. Aby zaistniał obrót wału korbowego w kadłubie silnika oraz obrót czopów wału korbowego, stosuje się łożyska ślizgowe.

Wały korbowe silników spalinowych są kute lub odlewane. Najczęściej stosowanym materiałem na wały kute motocyklowe jest stal konstrukcyjna węglowa wyższej jakości lub stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego. Przykładem takiej stali może być 41CrAlMo7, 41Cr4. Rodzaj stali na wał korbowy, a w konsekwencji rodzaj materiału czopa podyktowane są wytrzymałością mechaniczną wału – głównie jego sztywnością, a więc względami niezwiązanymi z własnościami ślizgowymi czopa. Sztywność wału zależy od jego wymiarów, a nie od gatunku stali, gdyż współczynnik sprężystości decydujący o wytrzymałości mechanicznej dla większości stali konstrukcyjnych jest bardzo zbliżony. Składniki stopowe znacznie poprawiające własności mechaniczne i uszlachetniające materiał wału dodawane są głównie w celu uzyskania bardziej równomiernej i drobnoziarnistej struktury po obróbce cieplnej.
Wały korbowe odlewane wykonywane są zazwyczaj z żeliwa sferoidalnego perlitycznego. Przykładowym materiałem wykorzystywanym w produkcji takich wałów jest żeliwo sferoidalne perlityczne, w którego skład wchodzą: 3,0–3,8% C, 1,8–2,0% Si, 0,1–0,2% Mn. Dodatki stopowe w wałach żeliwnych mają na celu polepszenie własności mechanicznych i właściwości wytrzymałościowych.

Łożyska ślizgowe

Łożysko ślizgowe składa się z dwóch panewek, które występują jako wymienne wkładki stalowe pokryte stopem łożyskowym. W konstrukcji silników spalinowych wyróżniamy dwa typy panewek: panewki grubościenne oraz cienkościenne. W silnikach motocyklowych występują tylko panewki cienkościenne.

We współczesnych silnikach spalinowych motocyklowych na łożyska ślizgowe stosuje się stopy na osnowie aluminium, zawierające takie dodatki jak: miedź, cyna, ołów, krzem, magnez, nikiel, żelazo oraz antymon. Stan powierzchni roboczej łożyska uzależniony jest od metody nałożenia stopu i grubości uzyskanej warstwy ślizgowej. Powierzchnie ślizgowe łożysk ze stopów lanych, spiekanych czy nawalcowywanych są obrabiane mechanicznie wytaczaniem lub przeciąganiem. Chropowatość tych powierzchni mieści się w zakresie Ra = 0,08–0,16 μm. Warstwy ślizgowe uzyskane powlekaniem galwanicznym pozostają w stanie nieobrobionym. Orientacyjna chropowatość ich powierzchni ślizgowych wynosi Ra = 0,65 μm.

Procesy zachodzące w złożeniu kinematycznym w trakcie współpracy jego elementów wywołują odpowiednie zmiany w ich warstwie wierzchniej. Zmiany o podobnym charakterze zachodzą w warstwie wierzchniej również podczas procesu technologicznego wytwarzania elementów, np. ich obróbki powierzchniowej lub nakładania powłok przeciwzużyciowych. Występują one zarówno na powierzchni współpracującej warstw wierzchnich, jak i w strefie podpowierzchniowej.

Zmiany zachodzące na powierzchni tarcia związane są przede wszystkim z modyfikacją topografii powierzchni – głównie stereometrii kształtu i występowania asymetryczności. Uzyskana w wyniku procesu produkcji chropowatość wyjściowa powierzchni elementów tworzących skojarzenie przekształca się w chropowatość odpowiadającą ich optymalnej współpracy. Zmiany te niekoniecznie muszą prowadzić do obniżenia chropowatości. Największy wpływ na charakter przebiegu procesów zmiany kształtu i tworzenia odpowiedniej chropowatości mają warunki współpracy, wstępujące obciążenia mechaniczne i termiczne, jak również właściwości środka smarnego. Chropowatość zarówno czopa, jak i współpracującej z nim panewki po okresie docierania wzrasta. Następnie wygładzaniu powierzchni towarzyszy zużywanie ścierne, a wzrostowi chropowatości – zużywanie adhezyjne. Zużywanie ścierne panewki, wynikające z jej bezpośredniego kontaktu z powierzchnia czopa, powoduje wygładzanie powierzchni w efekcie mikroskrawania, natomiast zużywanie ścierne, spowodowane bruzdowaniem przez twarde zanieczyszczenia i produkty zużycia, powoduje znaczne pogorszenie gładkości powierzchni.

W okresie docierania należy przyjąć takie początkowe warunki eksploatacji, aby nie doszło do wystąpienia warunków tarcia mieszanego. Dopuszcza się chwilowe wystąpienie warunków tarcia mieszanego, o ile takie warunki prowadzą do korzystnej zmiany chropowatości powierzchni. Im mniejsza jest bowiem chropowatość powierzchni współpracujących, tym mniejsze ryzyko zerwania ciągłości filmu olejowego – nawet dla mniejszych lepkości dynamicznych olejów. Małe chropowatości powierzchni mogą w odpowiednich warunkach sprzyjać zmniejszeniu strat tarcia wewnętrznego w filmie olejowym oraz możliwości podniesienia maksymalnej mocy indykowanej silnika.
Panewka cienkościenna to panewka, w której stosunek grubości do średnicy wewnętrznej wynosi 0,02 do 0,04. Potocznie takie panewki nazywa się wiotkimi, ponieważ ich grubość nie zapewnia sztywności. Dlatego też tę funkcję przejmują gniazda łożysk w bloku silnika bądź korbowodzie. Materiały stosowane w produkcji panewek cechuje: duża wytrzymałość mechaniczna, dobre własności ślizgowe, wysoka temperatura topnienia, odporność na korozję oraz dobra przewodność cieplna. W starszych silnikach panewki wykonywane były w wymiarach nominalnych, a zestawy naprawcze stopniowane były co 0,2 lub 0,25 mm. W obecnych konstrukcjach – ze względu na wysokie obroty wału korbowego silnika – w celu uzyskania minimalnego luzu między łożyskiem a czopem panewki nominalne dzieli się na wymiarowe grupy selekcyjne. Grupę selekcyjną oznacza się numerem bądź symbolem na brzegu za pomocą farby w różnym kolorze.

Często producent nie przewiduje zestawów naprawczych, czyli ponadwymiarowych. Zużytych panewek nie naprawia się, lecz wymienia na nowe o odpowiednim wymiarze.