Gumena zaštitna navrtka otporna na toplinu: Primjena u motorima

Zašto motori zahtijevaju posebne gumene zaštitne navrtke otporne na toplinu

Toplinski napon i mehaničko degradiranje u modernim prostorima motora

Suvremeni motor prostor je zapravo poput saune za materijale, s temperaturama koje redovito prelaze 150 stupnjeva Celzijusova upravo oko izduvnih kolektora i turbo punjača. Sva ta toplina na duže staze znatno opterećuje dijelove. Guma brže počinje propadati zbog oksidacije i pojave koju zovemo stiskanje (compression set), kada se trajno deformira nakon što dugo vrijeme bude pod pritiskom. Zatim postoji stalno tresenje uslijed vibracija motora koje uzrokuje mikroskopske pukotine u gumiranim masama. Dodajte tome kontakt s motornim uljem, curenje rashladne tekućine i sve one neugodne tvari koje prskaju s ceste, te gumeni dijelovi počinju nabrekavati i praktički se raspadati na molekularnoj razini. Kombinirani učinci ovih naprezanja znače da većina gumena neće trajati duže od šest mjeseci u mnogim vozilima, osobito u onima s prisilnim punjenjem ili hibridnim sustavima. Vidjeli smo brojne slučajeve u kojima kvarovi gumena dovode do ozbiljnih problema kasnije u pogonskom lancu.

Kako standardni gumeni uštipljeni proizvodi ne uspijevaju: Ograničenja EPDM-a, NR-a i SBR-a iznad 120°C

Gumene materijale koje se često koriste u industrijskim primjenama, kao što su EPDM (etilen-propilen-dien monomer), prirodna guma (NR) i stirenski butadienska guma (SBR), počinju se razgrađivati kada temperature premašuju oko 120 stupnjeva Celzijevih. Uzmimo EPDM kao primjer – postaje krut i gubi sav taj dobar elastični kvalitet koji nam je potreban. Prirodna guma nije daleko zaostala, jer brzo oksidira. Prema istraživanju objavljenom 2022. godine u časopisu Polymer Degradation Studies, NR može izgubiti oko 80% svoje vlačne čvrstoće nakon što neprekidno stoji na 130°C tijekom 500 sati. Zatim imamo SBR koji ima sklonost nabrekavanju između 25 do 40 posto kada je izložen uljnim okolinama. Što se događa zatim? Svi ovi materijali razvijaju one dosadne pukotine na površini uslijed ponavljanih ciklusa zagrijavanja i hlađenja. Ove pukotine postaju ulazne točke za tekućine i uzrokuju trošenje žica tijekom vremena. Rezultat? Veća vjerojatnost električnih kratkih spojeva, problema s curenjem tekućina i slabija učinkovitost EMI zaštite u područjima gdje razine topline redovito premašuju granice za koje su standardne gumene materijale dizajnirane.

Usporedba materijala: Odabir pravog gumenog čepa za visokootpornu primjenu

Silikon, FKM (fluoroelastomer) i TPV: otpornost na toplinu, kompatibilnost s uljima i trajno stiskanje pri temperaturama iznad 200°C

Motori ponekad postanu vrlo vrući, često prelazeći 200 stupnjeva Celzijevih gdje uobičajeni materijali više ne mogu izdržati. Uzmimo silikon, na primjer. On ostaje elastičan sve do otprilike 250 stupnjeva Celzijevih i zadržava oko 80 posto svoje izvorne vlačne čvrstoće čak i nakon 1.000 sati provedenih pri tim ekstremnim temperaturama, prema standardima ASTM D573. Nedostatak? Silikon se može proširiti za čak 30 posto kada je izložen ugljikovodikima, što ga čini manje pogodnim za dijelove koji bi mogli doći u kontakt s uljima ili gorivima. Fluoroelastomeri (FKM) su još jedna opcija. Ovi materijali podnose temperature znatno iznad 300 stupnjeva Celzijevih i gotovo se uopće ne šire u testovima s ASTM uljem broj 3, obično ispod 10 posto proširenja. To ih čini odličnim izborom za agresivna kemijska okruženja. No i ovdje postoji kompromis. Nakon višestrukih ciklusa zagrijavanja na 200 stupnjeva Celzijevih, FKM materijali obično imaju stiskanje (compression set) u rasponu od 15 do 25 posto. Termoplastični vulkanizati (TPV) predstavljaju dobar kompromis. Visokokvalitetni tipovi TPV-a mogu izdržati temperature do 200 stupnjeva Celzijevih i pritom imati stiskanje ispod 40 posto. Osim toga, njihova sposobnost obrade poput plastike, zajedno s prilagodljivim svojstvima tvrdoće, čini ih posebno korisnima za proizvodnju složenih dizajna gumenih uštekica koje zahtijevaju i izdržljivost i fleksibilnost.

Analiza kompromisa: Fleksibilnost naspram otpornosti na kemikalije u masnim okruženjima podložnim vibracijama

Kada se radi s masnim motorima koji su izloženi stalnim vibracijama, odabir pravih materijala zahtijeva neka ozbiljna odlučivanja. Silikon djeluje izuzetno dobro u apsorbiranju tih vibracija u usporedbi s FKM-om jer ima mekšu strukturu (oko 50 do 70 na ljestvici tvrdoće Shore A). To pomaže da se osjetljivi kabeli ne oštete trenjem o druge dijelove. No postoji jedan problem – kada je silikon izložen gorivu dulje vrijeme, gubi otprilike polovinu svoje elastičnosti, što znači da ne može izdržati direktni kontakt s uljem. S druge strane, FKM bolje podnosi kemikalije, ali postaje prilično krut (obično 75 do 90 Shore A), a ta krutost zapravo povećava vjerojatnost pojave pukotina u područjima gdje se dijelovi puno pomiču. TPV nudi nešto između toga s mogućnošću podešavanja tvrdoće (obično između 60 i 80 Shore A) te dobrim otporom prema ugljikovodikima. Međutim, ako se predugo nalazi u vrućim uvjetima, počinje gubiti elastičnost. Gledajući stvarne primjene, FKM je najčešći izbor za priključke gorivnih vodova jer tamo važi izdržljivost više nego fleksibilnost. U međuvremenu, silikon ostaje najbolji izbor za ECU kabele smještene dalje od uljnih mrlja zbog svoje učinkovitosti u prigušivanju vibracija.

Osnovne funkcionalne primjene toplinski otpornih gumiranih uštekica u motoru

Zaštita žica i kabela: sprečavanje istrošenosti, oštećenja izolacije i kratkih spojeva

Gumeni uplošci otporni na toplinu ključni su za zaštitu kabelskih snopova od oštrih rubova i onih dosadnih vibracija motora koje svi previše dobro poznajemo. Ako se ostave nezaštićeni, kabeli brzo počinju trljati, a u nekim slučajevima već otprilike šest mjeseci nakon puštanja u pogon provodiči unutar njih mogu biti izloženi, prema podacima SAE-a iz 2023. godine. Kada su ti dijelovi blizu izduvnih sustava, tamo postane vrlo vruće, oko 150 stupnjeva Celzijusovih. Standardna guma jednostavno ne može izdržati takvu toplinu – postaje tvrda, a zatim pukne s vremenom. Što se dogodi nakon toga? Izolacija propada, što otvara vrata raznim problemima poput kratkih spojeva kada uđe vlaga, opasnih električnih lukova koji nastaju i različitih senzora koji prestanu ispravno raditi. Zbog toga posebni uplošci toliko važe – ostaju elastični čak i kad temperature naglo porastu, sprječavajući kvarove izolacije koji čine otprilike četvrtinu svih električnih problema u motorima danas.

Dinamičko brtvljenje protiv ulja, rashladne tekućine i prašine: Osiguravanje dugotrajne cjelovitosti gumena

Gumeni priključci stvaraju fleksibilne brtve oko tih cjevovoda i spojnica, radeći s problemima toplinskog širenja, a istovremeno otporni su na nabubrenost od ulja, prodor rashladne tekućine i različite vrste abrazivnog prašina. Najbolji dostupni materijali pokazuju prilično dobru otpornost na stiskanje, ostajući ispod 15% čak i nakon 1000 sati na temperaturi od 175 stupnjeva Celzijusovih. Što to znači? Ove brtve izdržavaju uvjete u motorima koji su u stalnom pokretu, pa ne dolazi do curenja koje bi moglo oštetiti senzore ili uzrokovati koroziju električnih spojeva. Kada proizvođači točno definišu specifikacije za ove gumenke, zapravo bilježe pad garancijskih reklamacija vezanih uz tekućine za otprilike 34% u primjenama opreme veće izdržljivosti.

Osiguranje dizajna za budućnost: Elektrifikacija, toplinski opterećenja i brtvena rješenja sljedeće generacije

Rast električnih vozila potisnuo je temperature motornog prostora daleko iznad 200 stupnjeva Celzijevih u današnje vrijeme. Baterijski paketi i sva ta elektronika za napajanje jednostavno proizvode ogromnu količinu topline. To znači da su nam potrebni umetci koji mogu izdržati drastične promjene temperatura dan za danom, te istovremeno otporni na probleme elektromagnetskog smetanja. Novi sastavi materijala miješaju silikon s mikroskopskim keramičkim česticama ili dodatcima borovog nitrida. Ove kombinacije povećavaju prijenos topline otprilike za 15 do 25 posto, a pritom i dalje učinkovito prigušuju vibracije. Neki stručnjaci u industriji izrazito su oduševljeni fluorosilikonskim hibridima jer djeluju vrlo dobro i protiv glikolskih rashladnih sredstava i visokonaponskih dielektričnih tekućina. S obzirom da 800V sustavi sve više postaju standard, većina inženjera sada traži umetke koji imaju UL94 V-0 certifikaciju po pitanju vatrostalnosti, te koji ne ispuštaju štetne plinove koji bi mogli ometati osjetljive senzore. Također se raspravlja o pametnim gumastim spojevima s ugrađenim senzorima temperature unutar njih. Ako dobiju na popularnosti, mogli bi pomoći predvidjeti kada je potrebno održavanje, čime bi se znatno poboljšala pouzdanost žica u samovozećim automobilima u budućnosti.

Česta pitanja

Koje su glavne razloge zbog kojih standardni gumeni čepovi propadaju u motoru?

Standardni gumeni čepovi propadaju zbog visokih temperatura koje dovode do degradacije gume, oksidacije i mehaničke degradacije uzrokovane vibracijama motora, što dalje uzrokuje pukotine i raspad materijala.

Kako se silikonski i FKM gumeni čepovi uspoređuju u uvjetima visoke temperature?

Silikon izdržava temperature do 250°C i ostaje fleksibilan, ali možda neće dobro funkcionirati pri izlaganju ulju. FKM podnosi temperature preko 300°C i ostaje stabilan u agresivnim kemijskim okolinama, iako može postati krut tijekom vremena.

Zašto je odabir pravog materijala za gumene čepove presudan?

Odabir pravog materijala osigurava dugotrajnu izdržljivost, fleksibilnost i otpornost na uvjete u motoru, time sprječavajući kratke spojeve i curenje tekućina.

Koja su predviđena napredovanja u materijalima gumenih čepova za električna vozila?

Budući napretci uključuju kombiniranje materijala poput silikona s keramikom za bolje upravljanje toplinom te razvoj fluorosilikonskih hibrida za poboljšanu otpornost na kemikalije. Također postoji potencijal za pametne materijale s ugrađenim senzorima za poboljšano održavanje.