حلقة مطاطية مقاومة للحرارة: تطبيقاتها في حجرات المحرك

لماذا تتطلب حُجرات المحرك استخدام سدادات مطاطية مقاومة للحرارة ومخصصة

الإجهاد الحراري والتدهور الميكانيكي في حُجرات المحرك الحديثة

إن حجرة المحرك الحديثة تشبه إلى حد كبير ساونا للمواد، حيث تصل درجات الحرارة بانتظام إلى أكثر من 150 درجة مئوية بالقرب من أنابيب العادم والتوربينات. ويؤثر هذا الحرّ الشديد تأثيرًا كبيرًا على المكونات مع مرور الوقت. فالمطاط يبدأ في التحلل بشكل أسرع بسبب الأكسدة وظاهرة تُعرف باسم 'الانضغاط الدائم' (compression set)، التي تجعله يتشوه بشكل دائم بعد تعرضه للضغط لفترة طويلة. ثم هناك الاهتزازات المستمرة الناتجة عن اهتزازات المحرك والتي تُحدث شقوقًا صغيرة في مركبات المطاط. وإضافةً إلى ذلك، فإن التلامس المستمر مع زيت المحرك، وتسربات المبرد، وأي مواد ضارة تنطلق من الطريق يؤدي إلى تورم المكونات المطاطية وتتفككها جزيئيًا بشكل شبه كامل. ويعني هذا التآكل المشترك أن معظم الجروميتات لا تدوم أكثر من ستة أشهر في العديد من المركبات، خصوصًا تلك المزودة بأنظمة حقن قسري أو أنظمة هجينة. ولقد شهدنا حالات لا تحصى حيث أدت الجروميتات التالفة إلى مشكلات كبيرة لاحقة في ناقل الحركة.

كيف تفشل حلقات المطاط القياسية: محددات EPDM وNR وSBR فوق 120°م

تبدأ مواد المطاط المستخدمة عادةً في التطبيقات الصناعية مثل مطاط EPDM (إيثيلين بروبيلين ديين مونومر)، والمطاط الطبيعي (NR)، ومطاط ستايرين بوتادين (SBR) بالتحلل عندما تتجاوز درجات الحرارة حوالي 120 درجة مئوية. فعلى سبيل المثال، يصبح مطاط EPDM صلباً ويُفقد تلك الخاصية المرنة الجيدة التي نحتاجها. كما أن المطاط الطبيعي لا يقل خطورة، إذ يتأكسد بسرعة كبيرة. وفقًا لبعض الأبحاث المنشورة في عام 2022 من قبل دراسات تدهور البوليمرات، يمكن للمطاط الطبيعي أن يفقد نحو 80% من قوته الشدّية بعد التعرض فقط لدرجة حرارة 130م لمدة 500 ساعة متواصلة. أما بالنسبة لمطاط SBR، فهو يميل إلى الانتفاخ بنسبة تتراوح بين 25 إلى 40 بالمئة عند التعرض للزيوت. وماذا يحدث بعد ذلك؟ في النهاية، تتطور كل هذه المواد لتُشكّل تشققات سطحية مزعجة نتيجة دورات التسخين والتبريد المتكررة. وتتحول هذه التشققات إلى نقاط دخول للسوائل وتؤدي إلى تآكل الأسلاك مع مرور الوقت. والنتيجة؟ احتمالات أكبر لحدوث دوائر كهربائية قصيرة، ومشاكل تسرب السوائل، وضعف أداء الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في المناطق التي ترتفع فيها مستويات الحرارة باستمرار عن الحدود التي تم تصميم المطاطات القياسية للعمل بها.

مقارنة المواد: اختيار الغاسوس المطاطي المناسب لأداء في درجات الحرارة العالية

السليكون، FKM (الفلوروإلاستومر)، وTPV: مقاومة الحرارة، التوافق مع الزيوت، وانكماش الانضغاط عند 200°م فأكثر

يمكن أن تصبح محركات السيارات ساخنة جدًا في بعض الأحيان، وغالبًا ما تتجاوز درجات الحرارة 200 درجة مئوية، حيث لا يمكن للمواد العادية تحمل هذه الظروف بعد ذلك. خذ السيليكون على سبيل المثال. فهو يبقى مرنًا حتى حوالي 250 درجة مئوية، ويحتفظ بحوالي 80 بالمئة من قوته الشدّية الأصلية حتى بعد قضائه 1000 ساعة عند هذه درجات الحرارة القصوى وفقًا لمعايير ASTM D573. ولكن هناك مشكلة؟ يميل السيليكون إلى التمدد بنسبة تصل إلى 30 بالمئة عند تعرضه للهيدروكربونات، مما يجعله أقل مثالية للأجزاء التي قد تتعرض للزيوت أو الوقود. أما الفلوروإلاستومرات (FKM) فهي خيار آخر. فهذه المواد تتحمل درجات حرارة تفوق بكثير 300 درجة مئوية، ولا تتمدد إلا بشكل ضئيل جدًا في اختبارات الزيت رقم 3 حسب معيار ASTM، وعادةً لا يتجاوز التمدد 10 بالمئة. وهذا يجعلها خيارات رائعة للبيئات الكيميائية القاسية. لكن هناك أيضًا تنازلًا في هذا الخيار. إذ عادةً ما تنتهي الفلوروإلاستومرات (FKM) بعد دورات تسخين متكررة عند 200 درجة مئوية بمعدل انضغاط يتراوح بين 15 و25 بالمئة. أما المطاط الحراري الفلكّن (TPV) فيُعد حلقة وسطى جيدة. إذ يمكن للأصناف عالية الجودة من TPV تحمل درجات حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية مع الحفاظ على معدل انضغاط أقل من 40 بالمئة. بالإضافة إلى ذلك، فإن قدرتها على المعالجة كالمواد البلاستيكية مقترنة بخصائص صلابة قابلة للتعديل تجعلها مفيدة بشكل خاص في تصنيع تصاميم دعامات معقدة تحتاج إلى المتانة والمرونة معًا.

تحليل المفاضلة: المرونة مقابل مقاومة المواد الكيميائية في البيئات الزيتية والعرضة للاهتزاز

عند التعامل مع حجرات المحرك الدهنية التي تتعرض لاهتزازات مستمرة، فإن اختيار المواد المناسبة يتطلب اتخاذ قرارات صعبة. تعمل السليكونا جيدًا في امتصاص هذه الاهتزازات مقارنةً بـ FKM لأن لها قوامًا أكثر ليونة (حوالي 50 إلى 70 على مقياس شور A)، مما يساعد في حماية الأسلاك الرقيقة من التلف الناتج عن الاحتكاك مع الأجزاء الأخرى. ولكن هناك عيبًا يتمثل في أن السليكونا تفقد حوالي نصف قدرتها على التمدد عند تعرضها للوقود لفترة زمنية طويلة، ما يعني أنها لا يمكنها تحمل التلامس المباشر مع الزيت. من ناحية أخرى، يتحمل FKM المواد الكيميائية بشكل أفضل لكنه يصبح أكثر صلابة (عادة بين 75 و90 على مقياس شور A)، وهذه الصلابة تجعل من المرجح تشكل الشقوق في المناطق التي تتعرض فيها الأجزاء للحركة المتكررة. ويقدم TPV حلًا وسطًا بمستويات صلابة قابلة للتعديل (عادة بين 60 و80 على مقياس شور A) إضافة إلى مقاومة جيدة للمعادن الهيدروكربونية. ومع ذلك، إذا ظل لفترة طويلة في ظروف حرارة عالية، فإنه يبدأ في فقدان مرونته. وبالنظر إلى التطبيقات الفعلية، يُعد FKM الخيار المفضل عادةً لتوصيلات سكين الوقود، حيث تكون المتانة أكثر أهمية من المرونة في هذا الموقع. وفي الوقت نفسه، تظل السليكونا الخيار الأفضل لتوصيلات وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) الموجودة بعيدًا عن بقع الزيت، وذلك بفضل فعاليتها العالية في تخفيف الاهتزازات.

التطبيقات الوظيفية الأساسية لغطاء المطاط المقاوم للحرارة في حجرات المحرك

حماية الأسلاك والكابلات: منع التآكل، وانهيار العزل، والدوائر القصيرة

إن السدادات المطاطية المقاومة للحرارة ضرورية لحماية حُزَم الأسلاك من الحواف الحادة وتلك الاهتزازات المزعجة في المحرك التي نعرفها جيداً. فعند ترك الأسلاك غير محمية، تبدأ بالاحتكاك والانكشاف بسرعة كبيرة في الواقع، وأحيانًا تنكشف الموصلات الداخلية بعد نحو ستة أشهر فقط من الاستخدام وفقًا لبيانات جمعية مهندسي السيارات (SAE) لعام 2023. وعندما تكون هذه القطع قريبة من أنظمة العادم، ترتفع درجات الحرارة كثيرًا هناك لتصل إلى حوالي 150 درجة مئوية. ولا يمكن للمطاط العادي تحمل هذا النوع من الحرارة؛ إذ يصبح صلبًا ثم يتشقق مع مرور الوقت. وماذا يحدث بعد ذلك؟ تفشل العزلة الكهربائية، مما يؤدي إلى حدوث مشكلات عديدة مثل الدوائر القصيرة عند دخول الرطوبة، وتكوّن قوس كهربائي خطير، واختلال عمل أجهزة استشعار مختلفة. ولهذا السبب تُعد السدادات المتخصصة مهمة جدًا؛ فهي تبقى مرنة حتى عند ارتفاع درجات الحرارة، مما يمنع فشل العزل الذي يُسجَّل كسبب في نحو ربع جميع المشكلات الكهربائية التي تحدث في محركات اليوم.

الإغلاق الديناميكي ضد الزيت، السوائل المبردة، والغبار: ضمان سلامة الجروميت على المدى الطويل

تُنشئ الجروميت أختامًا مرنة حول خطوط السوائل والموصلات، وتتعامل مع مشكلات التمدد الحراري مع مقاومة متزائدة للتورم الناتج عن الزيت، وتسرب السوائل المبردة، وجميع أنواع الغبار الكاشط. أفضل المواد الموجودة تُظهر مقاومة جيدة جدًا لانكماش الضغط، حيث تبقى أقل من 15% حتى بعد التعرض لمدة 1000 ساعة عند درجة حرارة 175 مئوية. ما المقصود بذلك؟ هذه الأختام تظل فعّالة في المحركات التي تتعرض باستمرار للحركة، وبالتالي لا تحدث تسريبات قد تؤدي إلى إتلاف المستشعرات أو التسبب في مشكلات تآكل في الوصلات الكهربائية. عندما يتبع المصنعون المواصفات بدقة بالنسبة لهذه الجروميت، يلاحظون انخفاضًا بنسبة 34% تقريبًا في مطالبات الضمان المتعلقة بالسوائل في تطبيقات المعدات الثقيلة.

تصميم يضمن التوافق مع المستقبل: الكهربة، الأحمال الحرارية، وحلول الجروميت المطاطية من الجيل التالي

أدى صعود المركبات الكهربائية إلى دفع درجات حرارة محركات السيارات إلى أكثر من 200 درجة مئوية في الوقت الحاضر. فحزم البطاريات وكل تلك الإلكترونيات الكهربائية تولد كمية كبيرة من الحرارة. وهذا يعني أننا بحاجة إلى حلقات عازلة يمكنها تحمل التقلبات الشديدة في درجات الحرارة يوماً بعد يوم، بالإضافة إلى مقاومة مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي. وتتضمن خلطات المواد الجديدة السيليكون مع جزيئات سيراميكية صغيرة أو إضافات نيتريد البورون. وتعزز هذه التركيبات قدرة نقل الحرارة بنسبة تتراوح بين 15 إلى 25 بالمئة تقريباً، ومع ذلك ما زالت تحقق تخفيفاً فعالاً للإهتزازات. ويُبدي بعض الأشخاص في الصناعة حماساً كبيراً تجاه الهجين الفلوروسيليكوني لأنه يعمل بشكل جيد ضد سوائل التبريد القائمة على الجلايكول وكذلك السوائل العازلة عالية الجهد. ومع انتشار أنظمة 800 فولت كمعيار شائع، يبحث معظم المهندسين الآن عن حلقات عازلة تحمل تصنيف UL94 V-0 من حيث السلامة من الحرائق، وأخرى لا تطلق غازات ضارة قد تؤثر على أجهزة الاستشعار الحساسة. وهناك أيضاً حديث حول مركبات المطاط الذكية التي تحتوي على مستشعرات حرارية مدمجة داخلها. وإذا تم تبني هذه التقنية، فقد تساعد في التنبؤ بموعد الحاجة إلى الصيانة، مما سيحسن بالتأكيد موثوقية الأسلاك في السيارات ذات القيادة الذاتية مستقبلاً.

الأسئلة الشائعة

ما هي الأسباب الرئيسية لفشل السدادات المطاطية القياسية في حجرات المحرك؟

تفشل السدادات المطاطية القياسية بسبب درجات الحرارة العالية التي تؤدي إلى تدهور المطاط، والأكسدة، والتلف الميكانيكي الناتج عن اهتزازات المحرك، مما يسبب بدوره تشققات وتحللاً في المادة.

كيف تقارن السدادات السيليكونية وسدادات مطاط FKM في ظروف درجات الحرارة العالية؟

يمكن للسيليكون تحمل درجات حرارة تصل إلى 250°م ويظل مرنًا، لكنه قد لا يؤدي أداءً جيدًا عند التعرض للزيوت. بينما يتعامل مطاط FKM مع درجات حرارة تزيد عن 300°م ويظل مستقراً في البيئات الكيميائية القاسية، على الرغم من أنه قد يصبح صلبًا مع مرور الوقت.

لماذا يعتبر اختيار المادة المناسبة للسدادات المطاطية أمرًا بالغ الأهمية؟

يضمن اختيار المادة المناسبة متانة طويلة الأمد، ومرونة، ومقاومة للظروف البيئية في حجرات المحرك، وبالتالي الوقاية من حدوث دوائر كهربائية قصيرة وتسرب السوائل.

ما هي التطورات المتوقعة في مواد السدادات المطاطية للمركبات الكهربائية؟

تشمل التطورات المستقبلية مزج مواد مثل السيليكون مع السيراميك للحصول على إدارة أفضل للحرارة، وتطوير هجين الفلوروسيليكون لتحسين مقاومة المواد الكيميائية. كما توجد إمكانية لاستخدام مواد ذكية مزودة بأجهزة استشعار مدمجة للصيانة المحسّنة.