Теплостійкий гумовий втулковий затичка: застосування в моторних відділеннях

Чому відсіки двигунів потребують спеціальних термостійких гумових ущільнювачів

Теплове навантаження та механічне старіння в сучасних моторних відділеннях

Сучасний відсік двигуна — це фактично сауна для матеріалів, де температура регулярно перевищує 150 градусів Цельсія біля випускних колекторів і турбокомпресорів. Весь цей жар з часом серйозно позначається на деталях. Гума починає швидше руйнуватися через окиснення та так зване стискове деформування, коли вона остаточно сплющується й втрачає форму після тривалого перебування під тиском. До того ж постійна вібрація двигуна призводить до утворення мікротріщин у гумових матеріалах. Додайте сюди контакт з моторним маслом, витіканням охолоджувальної рідини та іншими забруднюючими речовинами, які потрапляють з дороги, і гумові компоненти починають набухати й буквально руйнуватися на молекулярному рівні. Усі ці поєднані навантаження означають, що більшість заглушок не прослужать довше шести місяців у багатьох автомобілях, особливо тих, що мають системи примусового нагнітання або гібридні установки. Ми бачили безліч випадків, коли вихід з ладу заглушок призводив до серйозних проблем у трансмісії.

Як стандартні гумові втулки виходять з ладу: обмеження EPDM, NR та SBR понад 120°C

Гумові матеріали, які широко використовуються в промислових застосуваннях, такі як EPDM (етилен-пропілен-дієновий мономер), натуральний каучук (NR) та стирол-бутадієновий каучук (SBR), починають руйнуватися при температурах понад 120 градусів Цельсія. Візьмемо, наприклад, EPDM — він стає жорстким і втрачає ту еластичність, яка нам потрібна. Натуральний каучук теж не краще, швидко окислюючись. Згідно з дослідженням, опублікованим у 2022 році в журналі Polymer Degradation Studies, NR може втратити близько 80% своєї міцності на розтяг після 500 годин перебування при температурі 130 °C. А що до SBR, він схильний набухати на 25–40%, коли потрапляє в оливне середовище. Що далі? Усі ці матеріали в результаті багаторазових циклів нагрівання та охолодження утворюють неприємні тріщини на поверхні. Ці тріщини стають воротами для проникнення рідин і призводять до поступового зносу дротів. Результат? Зростає ймовірність коротких замикань, витоків рідини та погіршення ефективності електромагнітного екранування в областях, де рівень тепла регулярно перевищує межі, на які розраховані стандартні гумові матеріали.

Порівняння матеріалів: Вибір правильного гумового втулки для роботи при високих температурах

Силікон, FKM (фтореластомер) та TPV: стійкість до нагрівання, сумісність з маслами та залишкове стискання при 200°C+

Моторний відсік іноді нагрівається дуже сильно, часто перевищуючи 200 градусів Цельсія, де звичайні матеріали більше не справляються. Візьмемо, наприклад, силікон. Він залишається еластичним аж до приблизно 250 градусів Цельсія і зберігає близько 80 відсотків своєї початкової міцності на розтягнення навіть після 1000 годин перебування при таких екстремальних температурах, згідно зі стандартом ASTM D573. Проте є один недолік: силікон може розширюватися аж на 30 відсотків під впливом вуглеводнів, що робить його не найкращим варіантом для деталей, які можуть контактувати з мастилами або паливом. Іншою альтернативою є фтореластомери (FKM). Ці матеріали чудово витримують температури значно вищі за 300 градусів Цельсія і практично не набухають у тестах з маслом ASTM No. 3, зазвичай розширюючись менше ніж на 10 відсотків. Це робить їх чудовим вибором для агресивних хімічних середовищ. Однак тут теж є компроміс. Після повторюваних циклів нагрівання при 200 градусах Цельсія матеріали FKM зазвичай мають ступінь відновлення після стиснення (compression set) у межах від 15 до 25 відсотків. Термопластичні вулканізати (TPV) займають гарну проміжну позицію. Високоякісні марки TPV можуть витримувати температури до 200 градусів Цельсія, зберігаючи ступінь відновлення після стиснення менше 40 відсотків. Крім того, їхня здатність перероблятися як пластмаси, разом із регульованою твердістю, робить їх особливо корисними для виробництва складних конструкцій гумових втулок, які потребують як міцності, так і гнучкості.

Аналіз компромісу: гнучкість проти хімічної стійкості в жирних середовищах із вібрацією

При роботі з брудними моторними відсіками, які постійно піддаються вібрації, вибір правильних матеріалів вимагає складних рішень. Силікон добре поглинає вібрації порівняно з FKM, оскільки має м'якшу структуру (приблизно 50–70 за шкалою твердості Shore A). Це допомагає уникнути пошкодження чутливих дротів через тертя об інші деталі. Але є один недолік — при тривалому контакті з паливом силікон втрачає близько половини своєї розтяжності, а це означає, що він не може контактувати безпосередньо з маслом. Навпаки, FKM краще витримує хімічні впливи, але стає досить жорстким (зазвичай 75–90 за шкалою Shore A), і ця жорсткість насправді сприяє утворенню тріщин у місцях, де деталі часто рухаються. TPV пропонує компромісний варіант із регульованою твердістю (зазвичай між 60 і 80 за шкалою Shore A) і гарною стійкістю до вуглеводнів. Однак, якщо його надто довго тримати в гарячих умовах, він починає втрачати пружність. З огляду на реальні застосування, FKM зазвичай є основним вибором для з'єднань паливних рейок, оскільки там важливіша довговічність, ніж гнучкість. Тим часом силікон залишається найкращим варіантом для проводки ECU, розташованої вдалець від масляних плям, завдяки своїй ефективності у гасінні вібрацій.

Основні функціональні застосування термостійкої гумової втулки в моторному відсіку

Захист дротів і кабелів: запобігання стиранню, пошкодженню ізоляції та короткому замиканню

Гумові втулки, стійкі до тепла, мають важливе значення для захисту дротів жгутів від гострих країв та знайомих усім неприємних вібрацій двигуна. Якщо залишити їх незахищеними, дроти починають швидко протиратися, іноді вже приблизно через шість місяців експлуатації оголюються провідники всередині — згідно з даними SAE за 2023 рік. Коли ці деталі розташовані близько до систем випуску, температура там підіймається дуже високо — близько 150 градусів Цельсія. Звичайна гума просто не витримує таких температур: вона тверзніє, а потім з часом тріскається. Що далі? Ізоляція виходить з ладу, що призводить до численних проблем: коротких замикань при потраплянні вологи, небезпечних електричних дуг та некоректної роботи різних датчиків. Саме тому спеціалізовані втулки так важливі — вони залишаються гнучкими навіть під час стрибків температури, запобігаючи пошкодженню ізоляції, яке становить приблизно чверть усіх електричних несправностей, що виникають у сучасних моторних відсіках сьогодні.

Динамічне ущільнення від масла, охолоджувача та пилу: забезпечення довготривалої цілісності заглушок

Заглушки створюють гнучкі ущільнення навколо ліній подачі рідини та з'єднувачів, компенсуючи проблеми, пов’язані з термічним розширенням, і водночас стійкі до набухання від масла, проникнення охолоджувача та різних видів абразивного пилу. Найкращі матеріали демонструють досить високу стійкість до залишкового стискання — менше 15%, навіть після 1000 годин перебування при температурі 175 °C. Що це означає? Такі ущільнення добре витримують навантаження в двигунах, які постійно рухаються, тому не виникає протікань, які можуть пошкодити датчики або спричинити корозію електричних з'єднань. Коли виробники правильно підбирають технічні характеристики цих заглушок, кількість гарантійних вимог, пов’язаних із витоками рідин, у важких умовах експлуатації обладнання, скорочується приблизно на 34%.

Передбачення майбутніх потреб у проектуванні: електрифікація, теплові навантаження та сучасні рішення для гумових заглушок

Зростання електромобілів призвело до того, що температура у моторному відсіку тепер постійно перевищує 200 градусів Цельсія. Акумуляторні батареї та всі ці потужні електронні компоненти просто генерують надзвичайно багато тепла. Це означає, що нам потрібні протектори, які можуть витримувати різкі коливання температур день за днем, а також протистояти проблемам електромагнітних перешкод. Нові суміші матеріалів поєднують силікон з дрібними керамічними частинками або домішками нітриду бору. Такі комбінації підвищують теплопровідність приблизно на 15–25 відсотків і при цьому ефективно гасять вібрації. Деякі фахівці в галузі дуже захоплені гібридами фторсилікону, адже вони добре протистоять як гліколевим охолоджувачам, так і діелектричним рідинам підвищеної напруги. Оскільки системи 800 В стають загальноприйнятими, більшість інженерів тепер шукають протектори з класом пожежної безпеки UL94 V-0, які не виділяють шкідливих газів, що можуть пошкодити чутливі датчики. Йде також мова про «розумні» гумові композиції з вбудованими датчиками температури. Якщо вони набудуть поширення, це допоможе прогнозувати потребу у технічному обслуговуванні, що значно покращить надійність проводки в автономних автомобілях у майбутньому.

ЧаП

Які основні причини виходу з ладу стандартних гумових заглушок у моторному відсіку?

Стандартні гумові заглушки виходять з ладу через високі температури, що призводять до деградації гуми, окиснення та механічного зносу від вібрацій двигуна, що, у свою чергу, спричиняє тріщини та руйнування матеріалу.

Як порівнюються силіконові та FKM-гумові заглушки в умовах високих температур?

Силікон витримує температури до 250°C і залишається гнучким, але може погано працювати при контакті з маслом. FKM витримує температури понад 300°C і залишається стабільним у жорстких хімічних середовищах, хоча з часом може ставати жорстким.

Чому важливо правильно обрати матеріал для гумових заглушок?

Правильний вибір матеріалу забезпечує тривалу довговічність, гнучкість і стійкість до умов навколишнього середовища в моторному відсіку, запобігаючи тим самим коротким замиканням і витокам рідин.

Які очікуються досягнення у матеріалах гумових заглушок для електромобілів?

Майбутній розвиток передбачає поєднання матеріалів, таких як силікон і кераміка, для покращення відведення тепла, а також створення гібридів фторсилікону для підвищення стійкості до хімічних впливів. Також існує потенціал для розробки «розумних» матеріалів із вбудованими датчиками, що забезпечують покращене обслуговування.