Преимущества жидких прокладок

П

Преимущества жидких прокладок.

Одной из задач проектировщиков агрегатов является снижение веса узла, уровня вибрации и шума. При решении этой задачи конструктор сталкивается с такими проблемами как снижение «жесткости» конструкции и обеспечение полного отсутствия утечек рабочих жидкостей. Для решения этих проблем конструктор должен использовать новые решения и прогрессивную технологию герметизации.

Современные конструкции требуют точных допусков фланцевых поверхностей. Жесткие прокладки, традиционно использовавшиеся в соединениях, создают зазор между прилегающими поверхностями, что уменьшает жесткость, и имеют высокую стоимость.

Жидкие прокладки

Использование жидких анаэробных прокладок обеспечивает контакт по металлическим поверхностям фланцев, тем самым устраняя зазор в соединении и повышая его жесткость, снижая количество деталей в узле. Жидкие прокладки практически всегда имеют меньшую стоимость по сравнению с жесткими (из металла или неметаллических материалов). В течение длительного времени жидкие прокладки используются в конструкции двигателей, коробок передач и ведущих мостов в качестве решения проблем, связанных с недостатками, присущими жестким прокладкам.

Для обеспечения абсолютного отсутствия утечек рабочих жидкостей достаточно учитывать особенности технологии жидких прокладок, которые зависят от типа прокладки. Наиболее распространены два типа жидких прокладок:

Анаэробные (Anaerobic)

Силиконовые (Room temperature vulcanising (RTV) silicone)

Анаэробные прокладки

Анаэробные герметики – это однокомпонентные продукты, которые отверждаются на металлических поверхностях при комнатной температуре при отсутствии кислорода воздуха в соединении. После полимеризации они превращаются в термореактивную пластмассу, которая может быть жесткой или эластичной (до 100% удлинения при разрыве изначально, с уменьшением до 20% после длительной эксплуатации при повышенных температурах в масле). Эти продукты наилучшим образом подходят для герметизации жестких узлов, имеющих минимальные взаимные перемещения. При сборке узла возникает контакт «металл-металл» и создается пленка герметика незначительной толщины – это означает, что даже продукт, имеющий 20% удлинения при разрыве, допускает очень незначительные перемещения. В общем случае для эффективной герметизации анаэробными продуктами фланцевых соединений необходимы следующие условия:

• - давление прижатия поверхностей более 2,5 МПа

• - жесткие литые детали

• - достаточное количество и правильное расположение болтов

• - обработанные поверхности

• - минимальные зазоры в «Т» образном соединении

А

Рис. 1 Пример распределения давления на поверхности фланцев 5-ти ступенчатой коробки передач автомобиля.

наэробные продукты широко используются в автомобильной промышленности, особенно на больших жестких фланцах. Они увеличивают структурную жесткость соединения посредством склеивания поверхностей. Типичным случаем использования высокой прочности на сдвиг анаэробных продуктов для увеличения жесткости на кручение является сборка коробки передач. Как установлено, для эффективной герметизации анаэробным продуктом соединения, необходимо обеспечить достаточное усилие прижима фланцев. Это необходимо определить на ранней стадии процесса проектирования. Эффективным методом определения давления на поверхности в статическом положении является специальная пленка фирмы Fuji, чувствительная к давлению. При приложении усилия различной величины пленка окрашивается в разные цвета посредством разрушения микрокапсул с краской. Цветовая картинка показывает распределение усилий в соединении.

Современные системы автоматизированного проектирования могут использоваться для определения усилия прижима фланцев в «динамике».

Особенность анаэробных продуктов полимеризоваться только при отсутствии воздуха позволяет изменять в широких пределах время между нанесением продукта и сборкой узла.

Нанесение анаэробных продуктов.

Неотъемлемой частью производственного процесса с использованием анаэробных продуктов является метод нанесения. Для обеспечения стабильного качества и характеристик продуктов необходимо использовать автоматизированные методы нанесения продуктов.

Процесс контроля качества нанесения может происходить с помощью UV лучей (большинство анаэробных продуктов флюоресцентны в UV свете) и с помощью полностью автоматических систем контроля, интегрированных в установку для нанесения продукта.

Имеется множество различных методов нанесения продуктов на поверхность фланцев. Выбор способа зависит от производственной программы.

Распространенные методы:

Непосредственно из картриджа с помощью пистолета или дозатора. Этот способ применяется при небольшом объеме или в ремонтных целях.

Трафаретная печать применяется при массовом производстве.

При крупносерийном производстве используются роботизированные системы нанесения.

Силиконовые герметики, полимеризующиеся при комнатной температуре.

Если эластичность анаэробных продуктов ограничена 20% удлинения при разрыве, то решением для «легковесных» конструкций с большим взаимным перемещением фланцев являются силиконовые герметики. Эластичность от 150% до 550% удлинения при разрыве допускает взаимные перемещения деталей до 80 мм, при правильном выборе продукта и конструкции узла. Силиконы полимеризуются в результате реакции с атмосферной влажностью и превращаются в силиконовый эластомер. Механизм полимеризации относительно длительный, отверждение происходит поэтапно, от наружного слоя к внутреннему. По механизму полимеризации продукт аналогичен обычному бытовому силиконовому герметику. Но на этом сходства заканчиваются.

В промышленном производстве используется большое количество силиконов с различными свойствами и механизмами полимеризации. Эти продукты в основном имеют ограниченную адгезию и малую или кратковременную стойкость в горячем масле. Большинство силиконов имеют коррозионноопасный кислотный механизм полимеризации и характеризуются легким уксусным запахом. В результате погружения в масло отвержденный силикон адсорбирует масло, разбухает и в дальнейшем теряет адгезию. По этим причинам такие продукты не могут использоваться в автомобилестроении.

Специальные силиконы для автомобильной промышленности лишены этих недостатков. Эти материалы имеют слабый запах и механизм полимеризации, отличный от кислотного. Значительная разница также имеется в характеристиках силиконового эластомера получающегося в результате полимеризации. Он имеет превосходную адгезию и долговременную стойкость в масле. При использовании на металлических фланцах эти продукты допускают большие взаимные перемещения деталей, нежели анаэробные продукты. Однако, имеется два противоречащих друг другу требования при герметизации силиконами:

1. Для использования эластичности силикона и возможности взаимного перемещения деталей необходим зазор между фланцами.

2. Узел должен выдерживать давление сразу после сборки, в то время как продукту требуется время для полимеризации. При наличии зазора силикон может быть выдавлен из соединения. Также может иметь место релаксация болтов (ослабление крепления).

Одними из первых решили эти проблемы японские моторостроители. Соединения были в основном жесткими по конструкции с плотной затяжкой и имели ограниченную подвижность. На поверхностях фланцев между болтами имелись канавки для удержания силикона. Понятно, что в местах крепления болтами перемещения ограничены и следовательно не требуется эластичность продукта. Силикон наносится непосредственно в канавку, узел собирается и продукт имеет возможность полимеризоваться.

Имеются ограничения, связанные с данным типом конструкции:

• Силикон полимеризуется дольше, т.к. ограничен доступ атмосферной влажности в канавку

• Излишки продукта могут попадать внутрь двигателя и нарушать его работу, блокируя фильтры или масляные каналы

• Большие канавки требуют увеличенного количества продукта, что влияет на стоимость прокладки.

Глобальный инженерный центр Loctite в Мюнхене провел экстенсивные исследования силиконовых герметиков для определения оптимальной конструкции фланцев для одновременного удовлетворения требованиям эластичности и удержания давления сразу после сборки. Решением является применение фаски на внутренней стороне фланца для создания клина из полимеризовавшегося продукта.

Рис. 2 Конструкция с фаской для силиконовых герметиков.

Преимущества конструкции с фаской:

· Мгновенное уплотнение благодаря наличию в соединении контакта «металл-металл».

· Быстрая полимеризация продукта

· Идеальная толщина слоя продукта

· Выдавливание продукта ограничено фаской

· Требуется малое количество продукта, следовательно снижается стоимость

· Поверхности можно не обрабатывать после литья

Аналогичная конструкция с использованием радиуса на штампованных деталях, таких как масляные картеры и передние крышки, была проверена и признана эффективной.

Сравнительные испытания.

Конструкция с применением фаски прошла испытания на безотказность для сравнения с конструкциями с канавками и контактом «металл-металл». Испытания проводились на стандартных образцах, которые подвергались воздействию определенных нагрузок перемещающих фланцы друг относительно друга с частотой 20 Гц до появления течи. Диаграмма Волера показывает 10% вероятность отказа для различных конструкций. Максимальное взаимное перемещение фланцев было зафиксировано на двигателе в условиях эксплуатации и составило 25 мм. График показывает, что конструкция с контактом «металл-металл» может отказать после 10 000 циклов, конструкция с канавками после 400 000, а конструкция с применением фаски не дает течи после 10 000 000 циклов.

Дальнейшее тестирование конструкции с применением фаски показало:

• Усилие прижима не критично

• Поверхность фаски и уплотняющая поверхность может не обрабатываться после литья.

Нанесение силиконовых герметиков

При любой конструкции с использованием силиконов нанесение более критично, чем при использовании анаэробов. Валик должен наносится точно в определенном положении по отношению к канавке или фаске. Трафаретная печать в данном случае неприменима, т.к. продукт будет полимеризоваться на трафарете. Единственное решение для массового производства: робот. При небольших объемах производства возможно нанесение непосредственно из картушей.

Тенденции в промышленности

Отверждающиеся на месте прокладки – наносятся на деталь в жидком виде, затем отверждаются при помощи ультрафиолета, смешивания компонентов или путем нагрева. Деталь с отвержденной прокладкой может поставляться на конвейер для установки в двигатель или коробку передач, может разбираться и собираться многократно.

Инжекционное уплотнение – эта технология позволяет сначала собрать фланцы и затем впрыснуть жидкий продукт в канавку между двумя поверхностями. Это означает, что отсутствует ограничение по времени образования поверхностной пленки как в случае с силиконовыми герметиками. Этот процесс технически возможен с использованием анаэробных продуктов нового поколения.

Выводы

Жидкие прокладки все больше используются конструкторами в качестве альтернативы традиционным прокладочным материалам. При правильном выборе герметика возможно достичь надежного уплотнения практически любого узла, но при этом важно следовать основным принципам проектирования уплотняемых конструкций для достижения оптимальных характеристик качества и цены.

Совместная разработка конструкторами автомобилей и производителями герметиков передовых конструкций узлов с использованием жидких прокладок позволит достичь цели «нулевые утечки».