Tepluvzdorný gumový kroužek: Použití v motorových prostorech

Proč vyžadují motorové prostory specializované tepelně odolné pryžové závlečky

Tepelné namáhání a mechanická degradace v moderních motorových prostorech

Moderní motorový prostor je pro materiály v podstatě jakousi saunou, kdy teploty v okolí sacích a výfukových kolektorů a turbodmychadel pravidelně přesahují 150 stupňů Celsia. Této velké teple se díly postupem času značně podřizují. Guma se rychleji rozkládá vlivem oxidace a takzvaného kompresního nastavení, kdy se trvale deformuje po delší době působení tlaku. K tomu přistupuje neustálé otřesy způsobené vibracemi motoru, které v gumových materiálech vytvářejí drobné trhliny. Přidejte k tomu kontakt s motorovým olejem, úniky chladicí kapaliny a dalšími nečistotami, které stříkají z vozovky, a gumové součásti začnou bobtnat a molekulárně se prakticky rozpadat. Tyto kombinované zátěže znamenají, že většina těsnicích manžet vydrží v mnoha vozidlech sotva déle než šest měsíců, zejména u vozidel s přeplňovanými motory nebo hybridními systémy. Viděli jsme bezpočet případů, kdy porušené těsnicí manžety vedly k vážným problémům v následných částech pohonu.

Jak selhávají standardní pryžové objímky: omezení EPDM, NR a SBR nad 120 °C

Gumové materiály běžně používané v průmyslových aplikacích, jako je EPDM (ethylén-propylén-dien monomer), přírodní kaučuk (NR) a styrénbutadienový kaučuk (SBR), začínají rozpadat, když teplota překročí přibližně 120 stupňů Celsia. Vezměme si například EPDM – ten ztvrdne a ztratí veškerou tu hezkou elastickou kvalitu, kterou potřebujeme. Přírodní kaučuk není o moc lepší, protože se velmi rychle oxiduje. Podle některých výzkumů publikovaných v roce 2022 v časopise Polymer Degradation Studies může NR ztratit až okolo 80 % své pevnosti v tahu, pouhým pobytem při 130 °C po dobu 500 hodin. A pak tu máme SBR, který má sklon nabobtnat odkudsi mezi 25 až 40 procent, když je vystaven olejovému prostředí. Co se stane dál? Všechny tyto materiály se nakonec začnou trhat na povrchu kvůli opakovaným cyklům ohřevu a chlazení. Tyto trhliny se stávají vstupními body pro tekutiny a způsobují opotřebení vodičů v průběhu času. Výsledek? Vyšší riziko elektrických zkratů, úniku kapalin a oslabení výkonu EMI stínění v oblastech, kde hladiny tepla pravidelně překračují to, co standardní guma byla navržena vydržet.

Porovnání materiálů: Výběr správného pryžového těsnění pro vysokoteplotní použití

Silikon, FKM (fluorelastomer) a TPV: Odolnost proti teplu, odolnost vůči olejům a stlačení při teplotách nad 200 °C

Motory dosahují docela vysokých teplot, často přesahujících 200 stupňů Celsia, kde běžné materiály již nestačí. Vezměme si například silikon. Zůstává pružný až do teploty kolem 250 stupňů Celsia a podle norem ASTM D573 si i po 1 000 hodinách strávených při těchto extrémních teplotách udrží zhruba 80 procent původní pevnosti v tahu. Háček je však ten, že silikon se při expozici uhlovodíkům může rozšířit až o 30 procent, což jej činí méně vhodným pro díly, které by mohly přijít do styku s oleji nebo palivy. Další možností jsou fluoroelastomery (FKM). Tyto materiály odolávají teplotám daleko přes 300 stupňů Celsia a v testech s ASTM Oil No. 3 se téměř nedeformují, obvykle expandují méně než o 10 procent. To je činí vynikající volbou pro agresivní chemická prostředí. I zde však existuje kompromis. Po opakovaných cyklech ohřevu na 200 stupňů Celsia obvykle FKM materiály vykazují stlačením způsobené trvalé deformace (compression set) v rozmezí 15 až 25 procent. Termoplastické vulkanizáty (TPV) představují rozumný kompromis. Vysoce kvalitní třídy TPV snesou teploty až do 200 stupňů Celsia a zároveň udrží stlačením způsobené trvalé deformace pod 40 procenty. Navíc jejich schopnost být zpracovávány jako plasty a nastavitelné vlastnosti tvrdosti je činí obzvláště užitečnými pro výrobu složitých konstrukcí těsnicích objímek, které vyžadují jak odolnost, tak pružnost.

Analýza kompromisu: Pružnost vs. odolnost vůči chemikáliím v mastných, vibracemi zatížených prostředích

Při práci s mastnými prostory motoru, které jsou vystaveny trvalým vibracím, vyžaduje výběr vhodných materiálů pečlivá rozhodnutí. Silikon velmi dobře tlumí vibrace ve srovnání s FKM, protože má měkčí strukturu (přibližně 50 až 70 na stupnici Shore A). To pomáhá chránit křehké dráty před poškozením tím, že se třou o jiné součásti. Ale existuje háček – pokud je silikon delší dobu vystaven palivu, ztratí zhruba polovinu své tažnosti, což znamená, že nemůže odolávat přímému kontaktu s olejem. Naopak FKM lépe odolává chemikáliím, ale stává se tuhým (obvykle 75 až 90 Shore A), a tato tuhost ve skutečnosti zvyšuje pravděpodobnost vzniku trhlin v oblastech, kde se součásti hodně pohybují. TPV nabízí kompromis s nastavitelnou tvrdostí (obvykle mezi 60 a 80 Shore A) a dobrým odoláváním proti uhlovodíkům. Pokud je ale dlouhodobě vystaven vysokým teplotám, začíná ztrácet svou pružnost. Pokud se podíváme na reálné aplikace, FKM je často preferovanou volbou pro připojení palivové lišty, protože tam je důležitější odolnost než pružnost. Mezitím zůstává silikon nejlepší volbou pro zapojení ECU umístěné mimo oblasti s olejem, díky své vysoké účinnosti při tlumení vibrací.

Základní funkční aplikace tepelně odolné pryžové vložky v motorových prostorech

Ochrana vodičů a kabelů: prevence otlaku, poškození izolace a zkratů

Gumové těsnění odolná vůči teplu jsou nezbytná pro ochranu kabelových svazků před ostrými hranami a těmi otravnými vibracemi motoru, které všichni moc dobře známe. Pokud zůstanou nechráněné, dráty začnou velmi rychle obrušovat, někdy se již po šesti měsících provozu podle dat SAE z roku 2023 objeví ohlazené vodiče. Když se tyto díly ocitnou blízko výfukového systému, teploty tam dosahují až 150 stupňů Celsia. Běžná guma s takovým teplem prostě nemůže vydržet, ztvrdne a postupně praská. Co se stane dál? Izolace selže, čímž vzniká prostor pro celou řadu problémů, jako jsou zkraty při proniknutí vlhkosti, nebezpečné elektrické oblouky a různé senzory, které začnou fungovat nesprávně. Proto jsou speciální těsnění tak důležitá – zůstávají pružná i při náhlém nárůstu teploty a zabraňují poruchám izolace, které dnes představují zhruba čtvrtinu všech elektrických problémů v motorovém prostoru.

Dynamické těsnění proti oleji, chladicí kapalině a prachu: Zajištění dlouhodobé integrity kabelových převážek

Kabelové převázky vytvářejí pružná těsnění kolem potrubí a konektorů, vyrovnávají tepelnou roztažnost a odolávají roztahování olejem, průniku chladicí kapaliny a různým druhům abrazivního prachu. Nejlepší materiály vykazují velmi dobrou odolnost proti stárnutí pod zatížením, přičemž deformace po stlačení zůstává pod 15 % i po 1 000 hodinách při teplotě 175 °C. Co to znamená? Tato těsnění dobře odolávají v motorových prostorech s neustálými pohyby, takže nedochází k únikům, které by mohly poškodit senzory nebo způsobit korozní problémy u elektrických spojů. Pokud výrobci správně nastaví specifikace těchto převázek, skutečně pozorují snížení záručních reklamací souvisejících s kapalinami o přibližně 34 % u robustnějších zařízení.

Budoucnost si žádá připravenost: Elektrifikace, tepelné zátěže a inovativní řešení pryžových převázek pro novou generaci

Nárůst počtu elektrických vozidel způsobil, že teploty v motorovém prostoru dnes často přesahují 200 stupňů Celsia. Bateriové bloky a všechny ty výkonové elektronické součástky prostě generují obrovské množství tepla. To znamená, že potřebujeme těsnicí objímky, které vydrží extrémní teplotní výkyvy den za dnem a zároveň odolají problémům s elektromagnetickým rušením. Nové směsi materiálů kombinují silikon s drobnými keramickými částicemi nebo přísadami dusičnanu boritého. Tyto kombinace zlepšují schopnost odvádět teplo přibližně o 15 až 25 procent a stále efektivně tlumí vibrace. Někteří odborníci ve svém odvětví jsou nadšení ze směsí fluorosilikonu, protože dobře odolávají jak chladivům na bázi glykolu, tak dielektrickým kapalinám vysokého napětí. S tím, jak se systémy 800 V stávají běžným standardem, většina inženýrů nyní hledá těsnicí objímky s certifikací UL94 V-0 z hlediska požární bezpečnosti a takové, které neuvolňují škodlivé plyny, jež by mohly poškodit citlivé senzory. Mluví se také o chytrých gumových směsích s integrovanými teplotními čidly uvnitř. Pokud se tyto materiály prosadí, mohly by pomoci předpovídat potřebu údržby, což by rozhodně zlepšilo spolehlivost elektrického zapojení v autonomních vozcích v budoucnu.

Často kladené otázky

Jaké jsou hlavní důvody, proč standardní pryžové těsnění selhávají v motorových prostorech?

Standardní pryžové těsnění selhávají v důsledku vysokých teplot, které vedou k degradaci pryže, oxidaci a mechanickému poškození způsobenému vibracemi motoru, což následně způsobuje praskliny a rozpad materiálu.

Jak se křemíkové a FKM pryžové těsnění porovnávají za vysokých teplot?

Křemík odolá teplotám až do 250 °C a zůstává pružný, ale může mít problémy při kontaktu s olejem. FKM odolává teplotám nad 300 °C a zůstává stabilní v agresivním chemickém prostředí, i když s časem může ztvrdnout.

Proč je výběr správného materiálu pro pryžová těsnění rozhodující?

Výběr vhodného materiálu zajišťuje dlouhodobou odolnost, pružnost a odolnost vůči provozním podmínkám v motorových prostorech, čímž se předchází zkratům a únikům kapalin.

Jaké se očekávají pokroky v materiálech pro pryžová těsnění u elektrických vozidel?

Budoucí vývoj zahrnuje kombinování materiálů, jako je silikon s keramikou pro lepší řízení tepla a vývoj hybridů fluorosilikonu pro zlepšenou odolnost vůči chemikáliím. Existuje také potenciál pro chytré materiály se zabudovanými senzory pro vylepšenou údržbu.