Lämpöä kestävä kumirengas: Käyttökohteet moottoritiloissa

Miksi moottoritilat vaativat erityisiä lämpöä kestäviä kumitiivisteitä

Lämpöjännitys ja mekaaninen hajoaminen nykyaikaisissa moottoritiloissa

Moderni moottoritila on käytännössä materiaalien saunaa, jossa lämpötila nousee säännöllisesti yli 150 asteen Celsiusasteen varsinkin pakoputkijakajien ja turboturbiinien läheisyydessä. Kaikki tämä lämpö rasittaa osia huomattavasti ajan myötä. Kumi hajoaa nopeammin hapettumisen vuoksi sekä niin sanotun puristusjäätyneisyyden takia, jossa se pysyvästi litistyy muotoonsa pitkän aikaa paineen alaisena ollessaan. Lisäksi moottorin värähtely aiheuttaa jatkuvasti pieniä halkeamia kumin koostumuksessa. Kun tähän lisätään kosketus moottoriöljyyn, jäähdytinnesteiden vuotoihin ja kaikenlaiseen likaan, joka roiskuu tieltä ylös, kumikomponentit alkavat turpoilla ja käytännössä hajota molekyylitasolla. Nämä yhdistyneet rasitukset tarkoittavat, että useimmat tiivisteet eivät kestä paljon yli kuuden kuukauden, erityisesti ajoneuvoissa, joissa on pakkosyöttöjärjestelmä tai hybridiyhdistelmä. Olemme nähneet lukemattomia tapauksia, joissa rikkoutuneet tiivisteet johtavat merkittäviin ongelmiin voimansiirrossa.

Kuinka standardit kumitiivisteet epäonnistuvat: EPDM-, NR- ja SBR-materiaalien rajoitukset yli 120 °C:ssa

Kumimateriaaleja, joita käytetään yleisesti teollisissa sovelluksissa, kuten EPDM (etyylipropyleenidiene-monomeeri), luonnonkumi (NR) ja styreenibutaadieenikumi (SBR), alkavat hajota, kun lämpötila ylittää noin 120 astetta Celsius-asteikolla. Otetaan esimerkiksi EPDM, joka muuttuu jäykäksi ja menettää kaiken sen halutun kimmokkeisuuden. Luonnonkumi ei jää paljoa jälkeen, vaan hapettuu varsin nopeasti. Joidenkin vuonna 2022 julkaistujen Polymer Degradation Studies -tutkimusten mukaan NR voi menettää noin 80 prosenttia vetolujuudestaan jo 500 tunnin jälkeen 130 asteen lämpötilassa. Sitten on vielä SBR, joka usein turpoaa 25–40 prosenttia öljymaisissa olosuhteissa. Mitä tämän jälkeen tapahtuu? Kaikki nämä materiaalit kehittävät ärsyttäviä pintojen halkeamia toistuvien lämpenemis- ja viilentymissyklujen seurauksena. Nämä halkeamat muodostuvat nesteille sisäänpääsyn kohtiin ja aiheuttavat johdon kuluminen ajan myötä. Tuloksena? Korkeampi riski sähköisille oikosululuille, nestevuoto-ongelmille ja heikentyneelle EMI-suojausominaisuudelle lämpötiloissa, jotka säännöllisesti ylittävät standardikumien suunnitellut lämpötilarajat.

Materiaalivertailu: Oikean kuminen reikätiivisteen valinta korkean lämpötilan sovelluksiin

Silikoni, FKM (fluoroelastomeeri) ja TPV: Lämpönsieto, öljynsopusuhteisuus ja puristusmuodonmuutos 200 °C:ssa ja yli

Moottoritilat saattavat joskus kuumeta hyvin palaviksi, usein ylittäen 200 astetta Celsius-asteikolla, missä tavalliset materiaalit eivät enää kestä. Ota esimerkiksi silikoni. Se säilyy joustavana lämpötilaan saakka noin 250 astetta Celsius-asteikolla ja pitää kiinni noin 80 prosenttia alkuperäisestä vetolujuudestaan, vaikka sitä olisi pidetty 1 000 tuntia näissä äärimmäisissä lämpötiloissa ASTM D573 -standardin mukaan. Mutta siinä on haittapuolensa? Silikoni pystyy laajenemaan jopa 30 prosenttia hydrokarbonien vaikutuksesta, mikä tekee siitä vähemmän sopivan valinnan osille, jotka saattavat tulla kosketuksiin öljyjen tai polttoaineiden kanssa. Fluoroelastomeerit (FKM) ovat toinen vaihtoehto. Nämä kaverit kestävät lämpötiloja hyvin yli 300 astetta Celsius-asteikolla eivätkä juurikaan paisu lainkaan ASTM Oil No. 3 -testeissä, tyypillisesti alle 10 prosentin laajeneminen. Tämä tekee niistä erinomaisia vaihtoehtoja rajoissa oleviin kemiallisiin ympäristöihin. Mutta myös tässä on kompromissi. Toistuvien kuumentamissyklien jälkeen 200 asteen lämpötilassa FKM-materiaaleilla on tyypillisesti puristusjäännökset välillä 15–25 prosenttia. Termoplastiset vulkanisaatit (TPV) tarjoavat mukavan keskitason ratkaisun. Korkealaatuiset TPV-laatut voivat sietää lämpötiloja jopa 200 asteeseen asti samalla kun ne pitävät puristusjäännökset alle 40 prosentissa. Lisäksi niiden muovien tapainen prosessoitavuus yhdistettynä säädettäviin kovuusominaisuuksiin tekee niistä erityisen hyödyllisiä monimutkaisten letkustolioiden valmistukseen, joissa tarvitaan sekä kestävyyttä että joustavuutta.

Kompromissianalyysi: Joustavuus vs. Kemikaalikestävyys rasvaisissa ja värähtelyaltisissa ympäristöissä

Kun on kyse rasvaisista moottoritiloista, jotka kokevat jatkuvia värähtelyjä, oikeiden materiaalien valinta edellyttää vaikeita päätöksiä. Silikoni soveltuu erittäin hyvin värähtelyjen vaimentamiseen verrattuna FKM:ään, koska sillä on pehmeämpi rakenne (noin 50–70 Shore A -asteikolla). Tämä auttaa herkkiä johtoja välttämästä vahingoittumasta muiden osien vasten kitkemisestä. Mutta siinä on haittapuolensa – kun sitä altistetaan polttoaineelle pitkäksi aikaa, silikonin venymiskyky heikkenee noin puoleen, mikä tarkoittaa, että se ei kestä öljyn suoraa kosketusta. Toisaalta FKM kestää kemikaaleja paremmin, mutta muuttuu melko jäykäksi (tyypillisesti 75–90 Shore A:ssa), ja tämä jäykkyyden lisääntyminen itse asiassa lisää halkeamien syntymisen todennäköisyyttä alueilla, joissa osat liikkuvat paljon. TPV tarjoaa kompromissin näiden välillä säädettävällä kovuudella (yleensä 60–80 Shore A:ssa) sekä hyvällä hydrohiilivetyjen kestävyydellä. Kuitenkin jos sitä pidetään liian pitkään kuumissa olosuhteissa, se alkaa menettää kimmoisuuttaan. Katsottaessa todellisia sovelluksia, FKM on yleensä ensisijainen vaihtoehto polttoainesyöttöliitoksissa, koska kestävyys on siellä tärkeämpää kuin joustavuus. Samalla silikoni säilyy parhaana vaihtoehtona ECU-johdotuksessa, joka sijaitsee öljyaltaisten kohtien ulkopuolella, sen tehokkuuden ansiosta värähtelyjen vaimentamisessa.

Lämmönsiettävän kumitiivisteputken keskeiset toiminnot moottoritiloissa

Johdon ja kaapelin suojaus: Kitkavan, eristeen rikkoutumisen ja oikosulkujen ehkäisy

Lämmönkestävät kumitiivisteet ovat olennaisia suojatakseen kaapelimassoja teräviltä reunoilta ja niiltä ärsyttäviltä moottorin värähtelyiltä, joista olemme kaikki hyvin tietoisia. Jos suojaamattomia johdot alkavat kitkästä melko nopeasti, johtimet voivat paljastua jo noin kuuden kuukauden käytön jälkeen SAE:n vuoden 2023 tietojen mukaan. Kun nämä osat sijaitsevat lähellä pakoputkijärjestelmää, lämpötila nousee todella korkeaksi, noin 150 astetta Celsius-asteikolla. Tavallinen kumi ei kestä tällaista kuumuutta, vaan se kovettuu ja ajan myötä halkeilee. Mitä tämän jälkeen tapahtuu? Eristys epäonnistuu, mikä avaa tien monille ongelmille, kuten oikosulkuille kostean tullessa sisään, vaarallisille sähkökaareille ja erilaisten anturien toimintahäiriöille. Siksi erikoistuneet tiivisteet ovat niin tärkeitä: ne säilyttävät joustavuutensa, vaikka lämpötilat nousisivatkin, estäen eristyksen epäonnistumiset, jotka aiheuttavat noin neljännes kaikista nykyisin moottoritiloissa havaituista sähköongelmista.

Dynaaminen tiivistys öljyä, jäähdytinnestettä ja pölyä vastaan: Taataan pitkäaikainen kumitiivisteiden toimivuus

Kumitiivisteet muodostavat joustavia tiiviisti ympärille näitä virtausputkia ja liittimiä, kestävät lämpölaajenemisongelmia sekä vastustavat öljyn aiheuttamaa paisumista, jäähdytinnesteen tunkeutumista ja kaikenlaista hankaavaa pölyä. Parhaat materiaalit kestävät puristusmuodonmuutoksia hyvin, pysyen alle 15 %:n tasolla jopa 1000 tunnin jälkeen 175 asteessa Celsius-asteikossa. Mitä tämä tarkoittaa? Nämä tiivisteet kestävät hyvin moottoreissa, jotka liikkuvat jatkuvasti, joten vuotoja ei tapahdu ja ne eivät aiheuta ongelmia antureihin tai sähköliitosten korroosioon. Kun valmistajat saavat nämä kumitiivisteet oikein mitoitettua, he todella havaitsevat noin 34 %:n laskun takuuvaateiden määrässä nesteisiin liittyvissä sovelluksissa raskaskalustoissa.

Tulevaisuudenvarmistus suunnittelussa: Sähköistyminen, lämpökuormat ja seuraavan sukupolven kumitiivisteratkaisut

Sähköajoneuvojen yleistyminen on nostanut moottoritilan lämpötiloja nykyään helposti yli 200 asteen Celsius-asteikolla. Akkupaketit ja kaikki ne tehoelektroniikkakomponentit tuottavat valtavasti hukkalämpöä. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan reikiin asennettavia tiivisteitä, jotka kestävät jatkuvia äärimmäisiä lämpötilan vaihteluita päivästä toiseen sekä sähkömagneettisen häiriön ongelmia. Uudet materiaaliseokset sekoittavat silikonia pieniin keramiikkahiukkasiin tai boorinitridiadditiiveihin. Nämä yhdistelmät parantavat lämmönjohtavuutta noin 15–25 prosenttia, ja ne säilyttävät kuitenkin tehokkaan värähtelyn vaimennuskyvyn. Jotkut alan toimijat ovat erityisen innostuneita fluorisilikoni-hybrideistä, koska ne toimivat hyvin sekä glykoli-jäähdytysnesteiden että korkeajänniteisten dielektristen nesteiden kanssa. Kun 800 voltin järjestelmät yleistyvät laajalti, useimmat insinöörit etsivät nyt tiivisteitä, joilla on tuliturvallisuusluokitus UL94 V-0, eikä ne vapauta haitallisia kaasuja, jotka saattaisivat vaarantaa herkkien anturien toiminnan. Puhutaan myös näistä älykkäistä kumiyhdisteistä, joihin on upotettu lämpötila-antureita. Jos ne saavat jalansijaa, ne voisivat auttaa ennustamaan huoltotarpeita, mikä parantaisi merkittävästi johtojen luotettavuutta tulevaisuuden ajamattomissa autoissa.

UKK

Miksi standardit kumitiivisteet usein hajoavat moottoritilassa?

Standardit kumitiivisteet hajoavat korkeiden lämpötilojen vuoksi, jotka johtavat kumin heikkenemiseen, hapettumiseen ja mekaaniseen hajoamiseen moottorin värähtelyjen seurauksena, mikä puolestaan aiheuttaa halkeamia ja materiaalin pilaantumista.

Miten siliconi- ja FKM-kumitiivisteet vertautuvat toisiinsa korkeissa lämpötiloissa?

Siliconi kestää lämpötiloja jopa 250 °C asti ja säilyy joustavana, mutta se saattaa toimia huonosti öljyn vaikutuksesta. FKM kestää yli 300 °C:n lämpötiloja ja säilyy stabiilina rajoissa kemikaaliympäristöissä, vaikka se voi jäykistyä ajan myötä.

Miksi oikean materiaalin valinta kumitiivisteille on niin tärkeää?

Oikean materiaalin valitseminen takaa pitkäaikaisen kestävyyden, joustavuuden ja vastustuskyvyn moottoritilan ympäristövaikutuksia vastaan, estäen näin oikosulut ja nesteiden vuodot.

Mitä odotetaan kumitiivistemateriaalien kehityksessä sähköautoihin?

Tulevaisuuden edistysaskeleisiin kuuluu materiaalien, kuten siliconin ja keramiikan, sekoittaminen paremman lämmönhallinnan saavuttamiseksi sekä fluorosiliconihybridien kehittäminen parantaakseen kemiallista kestävyyttä. On myös mahdollista, että älykkäisiin materiaaleihin integroidaan antureita huoltotoimintojen tehostamiseksi.