پوشش حرارتی لاستیکی مقاوم: کاربردها در حجره موتور

چرا محفظه موتور به واشرهای لاستیکی مقاوم در برابر حرارت تخصصی نیاز دارد

تنش حرارتی و تخریب مکانیکی در محفظه‌های مدرن موتور

درون مدرن محفظه موتور اساساً شبیه یک سونای مواد است که دماها به‌طور منظم در اطراف مانیفولد خروجی و توربوشارژرها از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود. تمام این گرما به مرور زمان تأثیر شدیدی بر قطعات می‌گذارد. لاستیک به دلیل اکسیداسیون و پدیده‌ای به نام «ست فشردگی» که در آن تحت فشار طولانی‌مدت به‌صورت دائمی تغییر شکل می‌دهد، سریع‌تر تخریب می‌شود. علاوه بر این، لرزش‌های مداوم موتور باعث ایجاد ترک‌های ریز در ترکیبات لاستیکی می‌شود. افزودن تماس با روغن موتور، نشتی مایع خنک‌کننده و هرگونه مواد نامطبوعی که از جاده به بالا پاشیده می‌شود، باعث متورم شدن قطعات لاستیکی و در نهایت تجزیه آنها در سطح مولکولی می‌گردد. این تنش‌های ترکیبی باعث می‌شود بیشتر واشرها در بسیاری از خودروها، به‌ویژه خودروهای مجهز به سیستم تزریق اجباری یا پیکربندی هیبریدی، بیش از شش ماه دوام نیاورد. ما شاهد موارد بی‌شماری بوده‌ایم که خرابی واشرها منجر به مشکلات اساسی در ادامه سیستم انتقال قدرت شده است.

چگونه واشرهای لاستیکی استاندارد دچار خرابی می‌شوند: محدودیت‌های EPDM، NR و SBR در دمای بالای 120°C

مواد لاستیکی که معمولاً در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند، مانند EPDM (اتیلن پروپیلن دی‌ان مونومر)، لاستیک طبیعی (NR) و استیرن بوتادیان لاستیک (SBR)، زمانی که دما از حدود ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد عبور کند، شروع به تجزیه می‌کنند. به عنوان مثال، EPDM سفت می‌شود و تمام آن خاصیت کشسانی خوبی که نیاز داریم را از دست می‌دهد. لاستیک طبیعی هم چندان جلوتر نیست و به سرعت اکسید می‌شود. بر اساس برخی تحقیقات منتشر شده در سال ۲۰۲۲ توسط مطالعات تخریب پلیمرها، NR می‌تواند حدود ۸۰ درصد از استحکام کششی خود را تنها پس از ۵۰۰ ساعت قرار گرفتن مداوم در دمای ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد از دست بدهد. و سپس SBR که تمایل دارد در محیط‌های نفتی بین ۲۵ تا ۴۰ درصد متورم شود. بعد چه اتفاقی می‌افتد؟ همه این مواد در نهایت در اثر چرخه‌های مکرر گرم و سرد شدن، ترک‌های سطحی آزاردهنده‌ای ایجاد می‌کنند. این ترک‌ها به نقطه ورود مایعات تبدیل شده و باعث فرسودگی سیم‌ها در طول زمان می‌شوند. نتیجه چیست؟ احتمال بیشتر اتصال کوتاه‌های الکتریکی، مشکلات نشت مایعات و عملکرد ضعیف‌تر حفاظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در مناطقی که سطح حرارت به طور منظم از حدی که لاستیک‌های استاندارد برای تحمل آن طراحی شده‌اند، فراتر می‌رود.

مقایسه مواد: انتخاب واشر لاستیکی مناسب برای عملکرد در دمای بالا

سیلیکون، FKM (فلوئوروالاستومر) و TPV: مقاومت در برابر حرارت، سازگاری با روغن و تغییر شکل پس از فشار در دمای بالای 200°C

گاهی اوقات محفظه موتور بسیار داغ می‌شود و اغلب دما از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود که در آن شرایط مواد معمولی دیگر کارایی ندارند. به عنوان مثال، سیلیکون تا حدود ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند و حتی پس از ۱۰۰۰ ساعت قرار گرفتن در این دمای بالا، همچنان حدود ۸۰ درصد استحکام کششی اولیه خود را بر اساس استاندارد ASTM D573 حفظ می‌کند. مشکل چیست؟ سیلیکون تمایل دارد در معرض هیدروکربن‌ها تا ۳۰ درصد منبسط شود که باعث می‌شود برای قطعاتی که ممکن است با روغن یا سوخت تماس پیدا کنند، گزینه‌ای ایده‌آل نباشد. فلوروالاستومرها (FKM) گزینه دیگری هستند. این مواد توانایی تحمل دمایی بسیار فراتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد را دارند و در آزمون روغن شماره ۳ ASTM، معمولاً کمتر از ۱۰ درصد متورم می‌شوند. این ویژگی آن‌ها را به انتخابی عالی برای محیط‌های شیمیایی سخت تبدیل می‌کند. اما در اینجا نیز یک معامله وجود دارد. پس از چرخه‌های مکرر گرمایشی در دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، مواد FKM معمولاً دارای مقدار تغییر شکل پسماند فشاری (compression set) بین ۱۵ تا ۲۵ درصد می‌شوند. ترموپلاستیک ولکانیزه‌شده‌ها (TPV) تعادل خوبی ایجاد می‌کنند. درجات باکیفیت بالای TPV می‌توانند دماهای تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند و در عین حال تغییر شکل پسماند فشاری زیر ۴۰ درصد داشته باشند. علاوه بر این، امکان پردازش آن‌ها مانند پلاستیک‌ها و خاصیت سختی قابل تنظیم، باعث می‌شود تا این مواد به‌ویژه برای تولید طراحی‌های پیچیده درپوش‌های لاستیکی (grommet) که هم دوام و هم انعطاف‌پذیری نیاز دارند، بسیار مفید باشند.

تحلیل معامله: انعطاف‌پذیری در مقابل مقاومت شیمیایی در محیط‌های روغنی و مستعد ارتعاش

هنگام کار با محفظه‌های موتور پر از چربی که دائماً در معرض لرزش هستند، انتخاب مواد مناسب نیازمند تصمیمات سختی است. سیلیکون در مقایسه با FKM به خوبی لرزش‌ها را جذب می‌کند، زیرا بافت نرم‌تری دارد (حدود ۵۰ تا ۷۰ در مقیاس شور A). این ویژگی به جلوگیری از آسیب به سیم‌های ظریف در اثر اصطکاک با قطعات دیگر کمک می‌کند. اما یک مشکل وجود دارد — هنگامی که سیلیکون مدتی طولانی در معرض سوخت قرار می‌گیرد، حدود نیمی از توانایی کششی خود را از دست می‌دهد، بدین معنا که نمی‌تواند در تماس مستقیم با روغن عملکرد مناسبی داشته باشد. در مقابل، FKM در برابر مواد شیمیایی مقاومت بهتری دارد اما بسیار سفت می‌شود (معمولاً بین ۷۵ تا ۹۰ در مقیاس شور A)، و این سفتی در واقع احتمال تشکیل ترک در مناطقی که قطعات حرکت می‌کنند را افزایش می‌دهد. TPV گزینه‌ای میانی ارائه می‌دهد که سختی آن قابل تنظیم است (معمولاً بین ۶۰ تا ۸۰ شور A) و علاوه بر این مقاومت خوبی در برابر هیدروکربن‌ها دارد. با این حال، اگر مدت طولانی در شرایط داغ باقی بماند، انعطاف‌پذیری خود را از دست می‌دهد. در کاربردهای واقعی، FKM معمولاً انتخاب اول برای اتصالات ریل سوخت است، زیرا در اینجا دوام مهم‌تر از انعطاف‌پذیری است. در همین حال، سیلیکون بهترین گزینه برای سیم‌کشی ECU در مناطقی دور از نشتی روغن باقی می‌ماند، چرا که در کاهش لرزش بسیار مؤثر است.

کاربردهای اصلی عملکردی واشر لاستیکی مقاوم در برابر حرارت در محفظه موتور

حفاظت از سیم و کابل: جلوگیری از سایش، خرابی عایق و اتصال کوتاه

گرومتهای لاستیکی مقاوم در برابر حرارت برای محافظت از هارنس‌های سیم‌کشی در برابر لبه‌های تیز و آن لرزش‌های موتور که همه خوب می‌شناسیم، ضروری هستند. در صورت عدم محافظت، سیم‌ها به سرعت شروع به سایش می‌کنند و گاهی اوقات طبق داده‌های SAE از سال 2023، حدود شش ماه پس از بهره‌برداری، رساناها درون سیم‌ها قابل مشاهده می‌شوند. وقتی این قطعات نزدیک سیستم‌های خروجی قرار می‌گیرند، دما به شدت بالا می‌رود — تا حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد. لاستیک معمولی قادر به تحمل این دما نیست و با گذشت زمان سفت شده و ترک می‌خورد. بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟ عایق‌بندی دچار شکست می‌شود و این موضوع موجب بروز مشکلات مختلفی مانند اتصال کوتاه در صورت نفوذ رطوبت، تشکیل قوس‌های الکتریکی خطرناک و اختلال در عملکرد حسگرهای مختلف می‌شود. به همین دلیل است که استفاده از گرومتهای تخصصی بسیار مهم است؛ زیرا این گرومتها حتی در دمای بالا نیز انعطاف خود را حفظ می‌کنند و از شکست عایق‌بندی جلوگیری می‌کنند که امروزه حدود یک چهارم از تمام مشکلات الکتریکی در محفظه موتور را شامل می‌شود.

درزگیری پویا در برابر روغن، مایع خنک‌کننده و گرد و غبار: تضمین سلامت بلندمدت گرومت

گرومت‌ها درزهای انعطاف‌پذیری را در اطراف خطوط سیال و اتصالات ایجاد می‌کنند و مشکلات ناشی از انبساط حرارتی را مدیریت می‌کنند، در عین حال در برابر متورم شدن توسط روغن، نفوذ مایع خنک‌کننده و تمام انواع گرد و غبار ساینده مقاومت می‌کنند. بهترین مواد موجود مقاومت قابل توجهی در برابر تنظیم فشار دارند و حتی پس از 1000 ساعت در دمای 175 درجه سانتی‌گراد، کاهش حجم آن‌ها به کمتر از 15٪ می‌رسد. این به چه معناست؟ این درزگیرها در موتورهایی که دائماً در حال حرکت هستند عملکرد خوبی دارند، بنابراین هیچ نشتی وجود ندارد که موجب اختلال در سنسورها یا ایجاد مشکلات خوردگی در اتصالات الکتریکی شود. هنگامی که سازندگان مشخصات این گرومت‌ها را به درستی رعایت می‌کنند، در کاربردهای تجهیزات سنگین‌تر خود به طور متوسط حدود 34٪ کاهش در ادعاهای ضمانت مرتبط با نشت سیالات مشاهده می‌کنند.

طراحی آینده‌نگر: الکتریفیکاسیون، بارهای حرارتی و راه‌حل‌های نسل بعدی گرومت لاستیکی

افزایش وسایل نقلیه الکتریکی در دنیا باعث شده دمای محفظه موتور امروزه به راحتی از ۲۰۰ درجه سانتیگراد فراتر رود. بسته‌های باتری و تمام آن قطعات الکترونیک قدرت، حرارت زیادی تولید می‌کنند. این موضوع بدین معناست که به واشرهایی نیاز داریم که بتوانند روز به روز در برابر نوسانات شدید دما مقاومت کنند و همچنین در برابر مشکلات تداخل الکترومغناطیسی پایدار بمانند. ترکیب‌های جدید مواد، سیلیکون را با ذرات ریز سرامیکی یا افزودنی‌های نیترید بور مخلوط می‌کنند. این ترکیب‌ها ظرفیت انتقال حرارت را حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد افزایش می‌دهند و در عین حال همچنان به خوبی لرزش‌ها را کاهش می‌دهند. برخی افراد در صنعت به شدت به هیبریدهای فلوروسیلیکون علاقه‌مند هستند، چرا که این مواد در برابر مایعات خنک‌کننده گلیکول و همچنین مایعات دی‌الکتریک ولتاژ بالا عملکرد مناسبی دارند. با توجه به اینکه سیستم‌های ۸۰۰ ولتی به استاندارد عمومی تبدیل شده‌اند، اکثر مهندسان اکنون به دنبال واشرهایی هستند که از نظر ایمنی حریق دارای رتبه UL94 V-0 باشند و گازهای مضری تولید نکنند که ممکن است به سنسورهای حساس آسیب برساند. همچنین صحبت‌هایی درباره ترکیب‌های هوشمند لاستیکی با سنسورهای دمایی داخلی وجود دارد. اگر این فناوری گسترش یابد، می‌تواند در پیش‌بینی زمان نیاز به نگهداری کمک کند و قطعاً قابلیت اطمینان سیم‌کشی در خودروهای خودران در آینده را بهبود بخشد.

سوالات متداول

دلایل اصلی خرابی کلاف‌های لاستیکی استاندارد در دسته موتور چیست؟

کلاف‌های لاستیکی استاندارد به دلیل دماهای بالا که منجر به تخریب لاستیک، اکسیداسیون و تخریب مکانیکی ناشی از ارتعاشات موتور می‌شود، دچار شکست می‌گردند و در نتیجه باعث ایجاد ترک و تجزیه مواد می‌شوند.

کلاف‌های سیلیکونی و لاستیک FKM در شرایط دمای بالا چگونه با یکدیگر مقایسه می‌شوند؟

سیلیکون می‌تواند دماهای تا 250°C را تحمل کند و انعطاف‌پذیر باقی بماند، اما ممکن است در مواجهه با روغن عملکرد خوبی نداشته باشد. FKM دماهای بالای 300°C را تحمل می‌کند و در محیط‌های شیمیایی سخت پایدار باقی می‌ماند، هرچند ممکن است با گذشت زمان خشک شود.

چرا انتخاب ماده مناسب برای کلاف‌های لاستیکی حیاتی است؟

انتخاب ماده مناسب، دوام بلندمدت، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر شرایط محیطی موجود در دسته موتور را تضمین می‌کند و بدین ترتیب از ایجاد اتصال کوتاه و نشت سیال جلوگیری می‌شود.

پیشرفت‌های پیش‌بینی‌شده در مواد کلاف‌های لاستیکی برای خودروهای الکتریکی چیست؟

پیشرفت‌های آینده شامل ترکیب موادی مانند سیلیکون با سرامیک برای مدیریت بهتر حرارت و توسعه هیبریدهای فلوروسیلیکونی برای مقاومت شیمیایی بهتر است. همچنین امکان استفاده از مواد هوشمند با سنسورهای داخلی برای نگهداری و تعمیرات پیشرفته نیز وجود دارد.