Tepelne odolná gumová prietlač: Použitie v priestoroch motorov

Prečo priestory motora vyžadujú špecializované tepelne odolné gumové prietlače

Tepelné namáhanie a mechanické degradácie v moderných priestoroch motora

Súčasné motorové priestory sú pre materiály v podstate ako parná kúpeľňa, keďže teploty v okolí výfukových kolektorov a turbodmychadiel pravidelne presahujú 150 stupňov Celzia. Toto všetko teplo má časom značný vplyv na jednotlivé komponenty. Guma sa rýchlejšie rozkladá v dôsledku oxidačných procesov a javu známeho ako „kompresné ploštenie“, pri ktorom sa trvalo deformuje po dlhodobom pôsobení tlaku. Navyše neustále chvenie spôsobené vibráciami motora vytvára v gumových zmesiach malé trhliny. Ku všetkému tomu pristupuje kontakt s motorovým olejom, úniky chladiacej kvapaliny a inými škodlivinami zo silnice, čo spôsobuje natekanie gumových komponentov a ich doslova molekulárne rozpadanie. Kombinované účinky týchto zaťažení znamenajú, že väčšina tesnení vydrží len asi šesť mesiacov, najmä vo vozidlách s núteným prívodom vzduchu alebo hybridnými systémami. Videli sme nepočetné prípady, keď výpadok tesnení spôsobil vážne problémy v následných častiach pohonového ústrojenstva.

Ako zlyhávajú štandardné gumové priechody: obmedzenia EPDM, NR a SBR nad 120 °C

Gumové materiály bežne používané v priemyselných aplikáciách, ako napríklad EPDM (etylén-propylén-dién-monomér), prírodný kaučuk (NR) a styrén-butadiénový kaučuk (SBR), začínajú rozpadávať, keď teploty prekročia približne 120 stupňov Celzia. Vezmime si napríklad EPDM – tuhne a stráca všetku tú peknú elastickú kvalitu, ktorú potrebujeme. Prírodný kaučuk nie je oveľa lepší, oxiduje totiž pomerne rýchlo. Podľa niektorých výskumov publikovaných v roku 2022 v časopise Polymer Degradation Studies môže NR stratiť približne 80 % svojej pevnosti v ťahu už po 500 hodinách nepretržitého pôsobenia teploty 130 °C. A potom tu máme SBR, ktorý má tendenciu nafúknuť sa odkiaľko 25 do 40 percent, keď je vystavený olejovému prostrediu. Čo sa stane ďalej? Všetky tieto materiály sa nakoniec začnú trhlinať na povrchu v dôsledku opakovaných cyklov zohrievania a chladenia. Tieto trhliny sa stanú vstupnými bodmi pre tekutiny a spôsobia opotrebovanie vodičov v priebehu času. Výsledok? Vyššia pravdepodobnosť skratov, problémov s únikom tekutín a znížený výkon EMI ochrany v oblastiach, kde hladiny tepla pravidelne presahujú limity, pre ktoré boli štandardné gumené materiály navrhnuté.

Porovnanie materiálov: Výber správneho gumového rúrkového tesnenia pre vysokoteplotný prevádzkový výkon

Silikón, FKM (fluorelastomér) a TPV: odolnosť voči teplu, kompatibilita s olejmi a stlačenie pri teplote vyššej ako 200 °C

Motory dosahujú veľmi vysoké teploty, často viac ako 200 stupňov Celzia, kde bežné materiály už nedokážu vydržať. Vezmite si napríklad silikón. Ten zostáva pružný až do teplôt okolo 250 stupňov Celzia a podľa štandardu ASTM D573 si po 1 000 hodinách vystavenia týmto extrémnym teplotám zachová približne 80 percent svojej pôvodnej pevnosti v ťahu. Háčik je v tom, že silikón má tendenciu roztvárať sa až o 30 percent pri kontakte s uhľovodíkmi, čo ho robí menej vhodným pre diely, ktoré môžu prichádzať do kontaktu s olejmi alebo palivami. Inou možnosťou sú fluoroelastoméry (FKM). Tieto materiály odolávajú teplotám ďaleko nad 300 stupňov Celzia a vo skúške s olejom č. 3 podľa ASTM sa prakticky neroztvárajú – zväčša expandujú menej než o 10 percent. To ich robí vynikajúcimi pre agresívne chemické prostredia. Tu však existuje kompromis. Po opakovaných cykloch zohrievania pri 200 stupňoch Celzia majú materiály FKM zvyčajne stlačenie (compression set) v rozmedzí 15 až 25 percent. Termoplastické vulkanizáty (TPV) predstavujú dobrý kompromis. Kvalitné sorty TPV vydržia teploty až do 200 stupňov Celzia a zároveň majú stlačenie pod 40 percent. Navyše ich schopnosť spracovávať ako plasty spolu s nastaviteľnými vlastnosťami tvrdosti ich robí obzvlášť užitočnými pri výrobe komplikovaných konštrukcií zdierok, ktoré vyžadujú trvanlivosť aj pružnosť.

Analýza kompromisu: Pružnosť vs. odolnosť voči chemikáliám v mastných, vibračne namáhaných prostrediach

Keď ide o mastné motory, ktoré sú vystavené neustálym vibráciám, výber vhodných materiálov si vyžaduje niekoľko náročných rozhodnutí. Silikón sa pri tlmení týchto vibrácií osvedčil oveľa lepšie ako FKM, pretože má mäkšiu štruktúru (približne 50 až 70 na stupnici Shore A). To pomáha zabrániť poškodeniu citlivých drôtov trením o iné súčasti. Existuje však jeden háčik – pri dlhodobom vystavení palivu stráca silikón približne polovicu svojej tažnosti, čo znamená, že nemôže odolávať priamemu kontaktu s olejmi. Naopak, FKM lepšie odoláva chemikáliám, ale stáva sa dosť tuhým (zvyčajne 75 až 90 Shore A), a táto tuhosť v skutočnosti zvyšuje pravdepodobnosť vzniku trhlín v oblastiach, kde sa súčasti často pohybujú. TPV ponúka kompromis s nastaviteľnou tvrdosťou (zvyčajne medzi 60 a 80 Shore A) a zároveň dobrou odolnosťou voči uhľovodíkom. Ak je však dlhodobo vystavený vysokým teplotám, začína strácať svoju pružnosť. Pritom pri reálnych aplikáciách sa FKM často uprednostňuje pre pripojenia palivových lišt, keďže tam dôležitejšia ako pružnosť je trvanlivosť. Silikón naopak zostáva najlepšou voľbou pre zapojenie ECU umiestnené mimo miest s olejovými škvrnami, a to vďaka jeho vynikajúcej schopnosti tlmiť vibrácie.

Základné funkčné aplikácie tepelne odolného gumového káblového priechodu v priestore motora

Ochrana vodičov a káblov: Zamedzenie poškodenia trením, porušenia izolácie a skratov

Gumové priechodky odolné voči teplu sú nevyhnutné na ochranu káblových zväzkov pred ostrými hranami a tými otravnými vibráciami motora, ktoré všetci dobre poznáme. Ak nie sú chránené, drôty začnú rýchlo pretrierať, niekedy už približne po šiestich mesiacoch prevádzky sa podľa údajov SAE z roku 2023 objavia odkryté vodiče. Keď sa tieto diely nachádzajú blízko výfukového systému, teploty tam dosahujú až okolo 150 stupňov Celzia. Štandardná guma jednoducho nie je schopná odolať takémuto teplu, postupne ztvrdne a následne praskne. Čo sa stane potom? Izolácia zlyhá, čo otvára priestor pre množstvo problémov, ako napríklad skraty pri preniknutí vlhkosti, nebezpečné elektrické oblúky a rôzne senzory, ktoré prestanú správne fungovať. Preto sú špecializované priechodky tak dôležité – zostávajú pružné aj pri náhlej zápalnej teplote a zabraňujú poruchám izolácie, ktoré predstavujú približne štvrtinu všetkých elektrických problémov pozorovaných v motorových priestoroch dnes.

Dynamické tesnenie proti oleji, chladiacej kvapaline a prachu: Zabezpečenie dlhodobej integrity zástrčiek

Zástrčky vytvárajú pružné tesnenia okolo týchto potrubí a konektorov, čo umožňuje vyrovnať tepelné rozťaženie a zároveň odolávať natekanie oleja, prenikaniu chladiacej kvapaliny a rôznym druhom abrazívneho prachu. Najlepšie materiály vykazujú pomerne dobrú odolnosť voči stlačeniu, pričom hodnoty zostávajú pod 15 % aj po 1 000 hodinách pri teplote 175 °C. Čo to znamená? Tieto tesnenia vydržia aj v motoroch s neustálym pohybom, takže nedochádza k únikom, ktoré by mohli poškodiť snímače alebo spôsobiť koróziu elektrických spojov. Keď výrobcovia správne nastavia špecifikácie týchto zástrčiek, skutočne pozorujú pokles záruk o približne 34 % vo vzťahu k systémom tekutín v ich náročnejších zariadeniach.

Navrhovanie s výhľadom do budúcnosti: Elektrifikácia, tepelné zaťaženie a ďalšej generácie riešenia z gumových zástrčiek

Nárast elektrických vozidiel spôsobil, že teploty v priestore motora dnes často presahujú 200 stupňov Celzia. Batériové balíky a všetky tie výkonné elektroniky jednoducho generujú veľa tepla. To znamená, že potrebujeme priechodky, ktoré vydržia extrémne kolísanie teplôt deň po dni, a zároveň odolajú problémom s elektromagnetickým rušením. Nové zmesi materiálov kombinujú silikón s mikroskopickými keramickými časticami alebo prísadami na báze dusičnanu bóru. Tieto kombinácie zvyšujú schopnosť prenosu tepla približne o 15 až 25 percent a stále účinne tlmenia vibrácie. Niektorí odborníci v odvetví sú nadšení z hybridov fluorosilikónu, pretože dobre odolávajú nielen glykolovým chladiacim kvapalinám, ale aj dielektrickým kvapalinám s vysokým napätím. Keďže systémy s 800 V sa stávajú štandardom vo všeobecnosti, väčšina inžinierov teraz hľadá priechodky s hodnotením UL94 V-0 z hľadiska požiarnej bezpečnosti a také, ktoré neuväľujú škodlivé plyny, ktoré by mohli poškodiť citlivé snímače. Diskutuje sa tiež o inteligentných gumových zmesiach so zabudovanými teplotnými snímačmi. Ak sa uchytili, mohli by pomôcť predpovedať potrebu údržby, čo by určite zlepšilo spoľahlivosť elektrických rozvodov v autonómnych vozidlách v budúcnosti.

Často kladené otázky

Aké sú hlavné dôvody, prečo zlyhávajú štandardné gumové priechodky v priestore motora?

Štandardné gumové priechodky zlyhávajú v dôsledku vysokých teplôt, ktoré vedú k degradácii gumy, oxidácii a mechanickému poškodeniu spôsobenému vibráciami motora, čo následne spôsobuje praskliny a rozpad materiálu.

Ako sa porovnávajú silikónové a FKM gumové priechodky vo vysokoteplotných podmienkach?

Silikón vydrží teploty až do 250 °C a zostáva pružný, ale môže mať problémy pri kontakte s olejmi. FKM odoláva teplotám nad 300 °C a zachováva stabilitu v agresívnych chemických prostrediach, hoci s časom môže stratiť pružnosť.

Prečo je dôležitý výber správneho materiálu pre gumové priechodky?

Správny výber materiálu zabezpečuje dlhodobú trvanlivosť, pružnosť a odolnosť voči vonkajším podmienkam v priestore motora, čím sa predchádza skratom a úniku kvapalín.

Aké sa očakávajú pokroky v materiáloch gumových priechodiek pre elektrické vozidlá?

Budúce vylepšenia zahŕňajú kombinovanie materiálov ako je silikón s keramikou pre lepšiu tepelnú stabilitu a vývoj hybridov fluorosilikónu pre zvýšenú odolnosť voči chemikáliám. Existuje tiež potenciál pre inteligentné materiály so zabudovanými snímačmi, ktoré umožnia vylepšenú údržbu.