Polityka prywatności - poznaj szczegóły » [ X ]
PODZIEL SIĘ


OCEŃ
4.0

Układ i wał korbowy

Mówiąc najprościej, silnik twojego motocykla zamienia ruch posuwisty tłoków na ruch obrotowy wału korbowego. Odbywa się to tak, że ogromne siły – powstałe w wyniku spalania mieszanki paliwowej – napierające na tłoki działają przez korbowody na wał korbowy.  

Kiedy tłoki niemal całą energię, jaka została wytworzona przez spalającą się mieszankę, zaczynają przekazywać wałowi korbowemu, w silniku powstają siły i momenty bezwładności. Są one tak wielkie, że gdyby konstruktorzy ich nie okiełznali, po kilku kilometrach motocykl zamieniłby się w kupę złomu. Jak wiemy z poprzedniego odcinka, na tłok silnika beemki S 1000 RR, kręcącego 12 000 obr/min, działa siła rzędu 6000 N, co odpowiada sytuacji, gdy na tłok naciska odważnik o masie 600 kg. W dodatku każdy pełny obrót oznacza, że siła zmienia kierunek dwa razy – gdy tłok przechodzi przez górny i dolny martwy punkt. Wtedy wyhamowuje ze 130 km/h do zera, a następnie ponownie ostro przyspiesza. I tak 400 razy na sekundę.

Największym problemem towarzyszącym tak nagłym zmianom prędkości ruchu (posuwistego i obrotowego) jest to, że siły i momenty bezwładności układu korbowego są przekazywane elementom konstrukcyjnym silnika, a dalej także do podwozia. W zależności od liczby cylindrów i ich układu, wywołują mniejsze lub większe wibracje. Nawet jeśli są one częściowo wyrównoważone przez przeciwwagi na wale korbowym, pozostaje ich niemało. W nowoczesnych silnikach łagodzą je wałki wyrównoważające.

Siły bezwładności
Dwucylindrowe silniki rzędowe, z czopami korbowodowymi przesuniętymi względem siebie o 180°, charakteryzują się dobrym wyrównoważeniem sił bezwładności, ale problemem są momenty obrotowe, które chcą przechylić silnik poprzecznie do osi wału korbowego. Wspomniane momenty obrotowe powstają przez to, że dwie siły, pochodzące od dwóch przeciwbieżnie pracujących tłoków, są przesunięte względem siebie o odległość równą odległości między cylindrami. Odległość ta jest spowodowana konstrukcją silnika.

Tłok najpierw rozpędza się do 130 km/h, potem wyhamowuje do zera, aby znów ostro ruszyć. I tak 400 razy na sekundę.

Dzięki niewielkiemu przesunięciu czopów korbowodowych, silniki typu bokser mają z tym mniej problemów. W silnikach czterocylindrowych, z czopami korbowodowymi przesuniętymi o 180° siły bezwładności pierwszego rzędu i momenty bezwładności są całkowicie neutralizowane przez pracujące przeciwbieżnie tłoki i korbowody.

Inaczej natomiast rzecz się ma w silniku typu big bang Yamahy YZF-R1 z asymetrycznym przesunięciem czopów korbowych i odpowiadającymi mu odstępami zapłonu. Tutaj wałek wyrównoważający jest niezbędny w celu zapewnienia silnikowi kultury pracy.

Tym, co zostaje w jedno-, dwu-, trzy i czterocylindrowych silnikach rzędowych, są siły bezwładności drugiego rzędu. Przyczyna leży w kinematyce mechanizmu korbowego (współpraca korbowodu i ramienia wału korbowego). Tłok rozpoczynający ruch z dolnego martwego punktu do góry ma inne wartości przyspieszeń niż tłok poruszający się z górnego martwego punktu w dół. Odpowiednio do zmiennych wartości przyspieszeń zmieniają się wartości sił bezwładności. Można je zmniejszyć tylko przez zastosowanie wałka wyrównoważającego, który obraca się z prędkością dwa razy większą niż wał korbowy, jak na przykład w silniku Kawasaki Z 1000.

Duże masy wirujące, w postaci masywnych przeciwwag albo ciężkiego wirnika alternatora, sprzyjają równomiernej i łagodnej pracy silnika, zwłaszcza przy niskich prędkościach obrotowych. Natomiast duże masy wirujące wału korbowego pogarszają poręczność: podczas skręcania powodują one konieczność użycia większej siły przy szybkich naprzemiennych złożeniach lub błyskawicznym wejściu w zakręt i złożeniu sprzęta. Jest to uwarunkowane dużymi stabilizującymi momentami żyroskopowymi.

Przy ustalaniu wielkości mas wirujących należy uwzględnić, jak tylne koło jest w stanie wykorzystać dostarczany mu moment obrotowy. Zbyt mała masa sprzyja jego podskakiwaniu podczas redukcji, może też wywoływać chattering, czyli wibracje przedniego koła o wysokiej częstotliwości, oraz ponad miarę eksploatować gumę tylnego kapcia z powodu zbyt dużych chwilowych wzrostów momentu obrotowego. Tak więc należy tutaj szukać kompromisu między maksymalną poręcznością a łagodnym rozwijaniem mocy. Dlatego inżynierowie zajmujący się sprzętami wyścigowymi chętnie wykorzystują dodatkowe masy obrotowe w postaci wirników alternatorów o różnych masach albo dokręcanych dodatkowych ciężarków.

Winne za wibracje silnika są wyłącznie siły i momenty bezwładności, czyli sam proces spalania mieszanki w cylindrach nie ma nic do tego. Siły gazowe rozchodzą się od punktu zapłonu świecy zapłonowej równomiernie we wszystkich kierunkach i płaszczyznach, znosząc się wzajemnie. Jednak tłoki, za pośrednictwem mechanizmu korbowego, przekazują siły na wał korbowy nie w sposób ciągły. Jego największa część jest oddawana w trakcie suwu pracy. W tym suwie jest również osiągana chwilowo wartość maksymalna. Ta zmienność momentu obrotowego jest źródłem drgań skrętnych.

Przenoszą się one na sprzęgło, skrzynię biegów, tylne koło i napędzany osprzęt silnika. W silnikach jedno- i dwucylindrowych mogą powodować nawet szarpanie łańcucha albo mocne mechaniczne uderzenia w układzie napędowym.

Pędzące tłoki
Szaleńcza gonitwa tłoków z góry na dół i z powrotem, w zależności od przesunięcia czopów korbowych, powoduje straty energii, które powstają przez to, że pędzące w dół tłoki wypierają powietrze, sprężając je w skrzyni korbowej. O ile w silniku z czopami korbowodowymi przesuniętymi o 180° udaje się nie sprężać powietrza znajdującego się pod tłokami, o tyle w dwucylindrowych współbieżnych silnikach rzędowych czy w widlakach o niezbyt wielkim kącie rozwarcia cylindrów tłoki bardzo mocno ściskają powietrze znajdujące się w skrzyni korbowej. To ujemnie wpływa na moment obrotowy, a więc i moc silnika. Niezbędne jest więc zastosowanie odpowietrzania silnika.

Czterocylindrowy silnik rzędowy Kawy Z 1000 z niewielkim, obracającym się przed skrzynią korbową wałkiem wyrównoważającym. Ten wałek obraca się w kierunku przeciwnym w stosunku do wału korbowego i z dwa razy większą prędkością, redukując siły bezwładności drugiego rzędu oraz wibracje o wysokiej częstotliwości. Czop korbowy z otworem olejowym i bardzo dużymi promieniami na przejściu do tarczy oporowej (strzałka). Zapobiega to tak zwanemu działaniu karbu, czyli wzrostowi naprężeń pochodzących od sił zginających i momentów skręcających. Zbyt duże naprężenia zniszczą wał korbowy. Przeciwwagi wału korbowego mają duże gabaryty i dzięki otworom wyrównoważającym (strzałka) umożliwiają precyzyjne wyważenie wału. Podczas przygotowań do wyścigów przeciwciężary są często znacznie odchudzane; chodzi o redukcję masy wirującej i zmniejszenie momentów bezwładności.
Czterocylindrowy silnik rzędowy Kawy Z 1000 z niewielkim, obracającym się przed skrzynią korbową wałkiem wyrównoważającym. Ten wałek obraca się w kierunku przeciwnym w stosunku do wału korbowego i z dwa razy większą prędkością, redukując siły bezwładności drugiego rzędu oraz wibracje o wysokiej częstotliwości. Czop korbowy z otworem olejowym i bardzo dużymi promieniami na przejściu do tarczy oporowej (strzałka). Zapobiega to tak zwanemu działaniu karbu, czyli wzrostowi naprężeń pochodzących od sił zginających i momentów skręcających. Zbyt duże naprężenia zniszczą wał korbowy. Przeciwwagi wału korbowego mają duże gabaryty i dzięki otworom wyrównoważającym (strzałka) umożliwiają precyzyjne wyważenie wału. Podczas przygotowań do wyścigów przeciwciężary są często znacznie odchudzane; chodzi o redukcję masy wirującej i zmniejszenie momentów bezwładności.

 

Aby stawić czoło tym siłom i momentom zginającym, nowoczesne wały korbowe są wykuwane z bardzo wytrzymałej stali w specjalnych matrycach. Czopy główne i korbowodowe są szlifowane. Wszystkie miejsca zmiany średnic są wykończone tzw. promieniami przejściowymi, o możliwie dużej wartości. To zmniejsza ryzyko zniszczenia w tych miejscach wału korbowego, gdy jest on poddawany dużym, a jednocześnie zmiennym obciążeniom.

Wyważone wały
Współczesne wały korbowe obracają się przeważnie w łożyskach ślizgowych, tzw. panewkach, do których pompa dostarcza olej pod ciśnieniem 2 do 5 barów. Panewki są najczęściej zbudowane z dwóch (tzw. bimetaliczne) lub większej ilości materiałów. Na taśmę stalową, tzw. łuskę, w procesie produkcji są nanoszone kolejne warstwy. Łożyska główne (wału korbowego) i korbowodowe są wykonywane jako para półpanewek.

Do lat 80. wiele japońskich silników miało wały korbowe umieszczone w łożyskach tocznych. Te tzw. składane wały były wytwarzane z kilku elementów i obracały się w łożyskach rolkowych i przynajmniej jednym łożysku kulkowym. Zaletą takiego rozwiązania było niewielkie tarcie i niewielka wrażliwość na brak oleju. Wadą natomiast niesamowicie duża pracochłonność podczas składania wału i „szorstka” praca silnika, czemu winien był większy luz łożyskowy.

Wały korbowe, niezależnie od tego, dla ilu cylindrów są przewidziane, muszą być wyważone w celu zapewnienia odpowiedniej kultury pracy silnika. To zadanie spoczywa na specjalnie do tego celu służących maszynach. Aby osiągnąć odpowiednie wyważenie ramion wału, masa przeciwwag zamocowanych po przeciwległej stronie czopów korbowych może być w razie potrzeby zmniejszona za pomocą nawiercania otworów. Firmy specjalizujące się w tym wyważają wały korbowe z dokładnością do pół grama. Dopiero to zapewnia dobrą kulturę pracy silnika.

Hasło: big bang
Konstrukcja wału korbowego, oprócz skoku, decyduje o przesunięciu zapłonu w poszczególnych cylindrach wzglę dem siebie. W przypadku silników widlastych rozchylenie cylindrów – inaczej niż w silnikach rzędowych – powoduje asymetryczne przesunięcie zapłonu. To pozwala osiągnąć tzw. efekt big bang. Przykładem są rzędowe silniki seryjnej Yamahy YZF-R1 i startującej w MotoGP Yamahy YZR-M1.

Jedno jest pewne – od silników Yamah M1 Jorge Lorenzo i Valentino Rossiego, z wałem korbowym obracającym się w przeciwnym kierunku, cechujących się wspaniałym dźwiękiem układu wydechowego zaczęła się era koncepcji big bang. Ta zasada konstrukcji silnika wymaga zastosowania wałka wyrównoważającego, a i tak strumienie spalin nie mogą być tak efektywnie wykorzystane, jak w symetrycznym silniku rzędowym.

W dwucylindrowych silnikach współbieżnych zapłon mieszanki następuje w tym samym momencie w obu cylindrach. Wyjątkami w grupie twinów są zmodyfikowany dla Husqvarny silnik BMW F 800 i jednostka napędowa Yamahy MT- 07. Oba silniki rzędowe z przestawionymi czopami wału korbowego naśladują gang i sposób przekazywania momentu obrotowego silnika widlastego. Czemu ma służyć ten cały olbrzymi nakład pracy?

Opona „odpoczywa”
Aby zrozumieć, co w bebechach sprzęta dzieje się np. na wyjściu z winkla, trzeba dokładniej przyjrzeć się przenoszeniu momentu obrotowego przez oponę na nawierzchnię drogi. Nie jest ona bowiem przez cały czas poddawana obciążeniu pełnym momentem obrotowym silnika. Między poszczególnymi suwami pracy, czyli w silniku czterosuwowym raz na dwa obroty wału korbowego (silnik czterocylindrowy), moment obrotowy pulsuje.

Ideą stojącą za silnikiem typu big bang jest to, by możliwie ciasno, jeden za drugim ustawić dwa suwy pracy, czyli dwa maksima wartości momentu obrotowego, które na krótko mocniej obciążą oponę i spowodują zwiększony jej uślizg.

Zaraz potem następuje faza „wypoczynku”, podczas której opona nie przenosi żadnych sił obwodowych, tzn. nie jest obciążona ani termicznie, ani mechanicznie. Takie działanie oszczędza oponę, a także sprawia, że jeździec może łatwiej zapobiec uślizgowi (np. w złożeniu).

Konstrukcja silnika wg koncepcji big bang ułatwia też zadanie układowi kontroli trakcji. W jaki sposób? Odstępy czasowe od jednego „podwójnego zapłonu” do następnego są większe niż w silnikach z czopami korbowymi przesuniętymi o 180°. Kiedy elektronika rozpoznaje za duży uślizg, pozostaje więcej czasu, aby przez selektywne odcięcie zapłonu zredukować uślizg obwodowy koła. Silnik Yamahy R1 oraz napęd V4 w Aprilii pracują w modelach seryjnych zgodnie z zasadą big bang.

Wyważenie i zapłon
Współczynnik wyrównoważenia mas: określa jakość wyrównoważenia. Podczas wyważania ważona jest masa tłoka i części korbowodu, a do czopu korbowego mocuje się ciężarek wyważający, stanowiący od 40 do 60% masy całkowitej. Współczynnik wyważenia zależy od stosunku skoku do długości korbowodu i zmienia się w zależności od zastosowania oraz kąta pochylenia cylindrów. Silniki z cylindrami ustawionymi pionowo są wyważane na wyważarkach (zdjęcie), inaczej niż silniki z cylindrami leżącymi (stare silniki Aermacchi, Ducati Supermono) lub ustawionymi pod kątem (seria BMW K 1300).

Przesunięcie zapłonu: w przypadku silników dwucylindrowych, typu bokser i rzędowych czterocylindrowców mamy do czynienia z jednakowym przesunięciem zapłonu, podobnie jak w silnikach trzy- i sześciocylindrowych. W przypadku widlaków i dwucylindrowców przeciwbieżnych przesunięcie jest różne.

zobacz galerię

Komentarze

 
 

Wypełnij to pole:

ZOBACZ RÓWNIEŻ Zamknij