硅膠制品在商用車動力系統(tǒng)的應(yīng)用

王鐵雷

三一集團(tuán)有限公司 湖南省長沙市 410000

商用車是由多種零部件、不同材料合理匹配的復(fù)雜機械，其中應(yīng)用了大量的不同材料的橡膠，硅膠就是其中應(yīng)用的比價多的一種特殊橡膠。硅膠又稱硅酸凝膠，主要成分二氧化硅，可分為有機硅膠和無機硅膠兩大類，其中，以硅氧鍵（-Si-O-Si-）為骨架的有機硅膠以其優(yōu)良的耐溫、耐候性能，是在車輛硅膠制品中應(yīng)用最多的一種。

1 商用車的性能需求

商用車上所需要的橡膠制品比較多，比如橡膠水管、橡膠氣管、密封膠條等，大部分零部件可采用EPDM 三元乙丙等普通橡膠能滿足要求，但是對于商用車的動力系統(tǒng)中冷管路來說（圖1），EPDM 等普通橡膠已難以滿足：

圖1 中冷膠管的應(yīng)用位置

（1）目前商用車大部分發(fā)動機采用渦輪增壓柴油發(fā)動機，增壓后的氣體溫度可達(dá)200℃以上，部分發(fā)動機的增壓氣體溫度可達(dá)230℃以上，普通橡膠難以滿足要求。

（2）對于渦輪增壓發(fā)動機，增壓壓力比較高，為防止增壓器出氣壓力過高導(dǎo)致膠管爆裂，膠管的耐壓性能應(yīng)根據(jù)發(fā)動機的增壓壓力設(shè)定。大部分發(fā)動機增壓后的氣體壓力可達(dá)200kPa 左右。需要所用的膠管的耐壓能力在300kPa 以上。

（3）國六車型由于大部分發(fā)動機采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)（PCV），曲軸箱內(nèi)的油氣需要引入中冷系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)入發(fā)動機，曲軸箱的油氣不可避免的會進(jìn)入中冷管路，要求中冷膠管還要有較好的耐油耐溶脹能力。

（4）硬度應(yīng)該適中，一般在邵氏硬度60左右，硬度過低，膠管的耐壓性能會下降，硬度過高，膠管的減震緩沖效果差，在發(fā)動機運行中容易造成脫落漏氣、拉扯開裂等問題。

（5）由于需要緩沖發(fā)動機的不斷振動，膠管還需要具有良好的柔性，以及耐老化、高強度等要求，否則在發(fā)動機的長期震動下，膠管容易疲勞開裂。

2 有機硅膠的主要類型及主要性能特點

2.1 二甲基硅橡膠（代號MQ）

二甲基硅橡膠是開發(fā)應(yīng)用最早的一種硅橡膠，可在-60～200℃范圍內(nèi)保持良好的彈性，耐老化性能好，有優(yōu)異的電絕緣性能以及防潮、防震等特性。二甲基硅橡膠可制成各種擠出及壓延制品用于機電、航空、汽車及醫(yī)療等行業(yè)。但由于二甲基硅橡膠硫化活性低，用于制造厚制品時，硫化困難，內(nèi)層易起泡且高溫壓縮永久變形大，故逐漸被甲基乙烯基硅橡膠所取代。

2.2 甲基乙烯基硅橡膠（代號VMQ）

在硅橡膠大分子結(jié)構(gòu)中引入少量乙烯基可大大改善硅橡膠的硫化加工性能，因此在目前應(yīng)用的硅橡膠中，大多含有乙烯基。甲基乙烯基硅橡膠是最通用的一種硅橡膠，目前在國內(nèi)外硅橡膠的生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。由于它在側(cè)鏈上引入部分不飽和的乙烯基，使它的加工性能和物理機械性能均優(yōu)于二甲基硅橡膠。它除具有二甲基硅橡膠一般特性外,還具有更好的耐高溫性能，可在一60～260℃范圍內(nèi)保持良好彈性，它比二甲基硅橡膠容易硫化，具有較小的壓縮永久變形，較好的耐溶劑的膨脹性和耐高壓蒸汽的穩(wěn)定性以及優(yōu)良的耐寒性等，而且又因為采用活性較低的過氧化物進(jìn)行硫化，從而減少了硫化時產(chǎn)生氣泡及橡膠穩(wěn)定性差的弱點。故一般用甲基乙烯基硅橡膠可制做厚度較大的制品。

2.3 甲基苯基乙烯基硅橡膠（代號PVMQ）

甲基苯基乙烯基硅橡膠是在甲基乙烯基硅橡膠的分子鏈中引入甲基苯基硅氧鏈節(jié)或二苯基硅氧鏈節(jié)而得的產(chǎn)品。在聚硅氧烷的側(cè)基上引入苯基，破壞了二甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，大大降低了聚合物的結(jié)晶溫度，擴(kuò)大了該聚合物材料的低溫應(yīng)用范圍。因此，甲基苯基乙烯基硅橡膠除了具有甲基乙烯基硅橡膠所有的優(yōu)良性能外，還具有卓越的耐低溫、耐燒蝕和耐輻照等性能。一般來說，苯基含量（苯基與硅原子之比）在5～10%時稱低苯基硅橡膠，它具有獨特的耐寒性能，在-70～-100℃仍能保持橡膠的彈性，是所有橡膠中低溫性能最好的一種，可滿足大部分超低溫應(yīng)用需求。

2.4 氟硅橡膠 FVMQ

氟硅橡膠是指三氟丙基甲基聚硅氧烷。氟硅橡膠具有優(yōu)良的耐化學(xué)物質(zhì)、耐溶劑和耐潤滑油性能,此種硅橡膠在非極性溶劑中的膨脹率小,耐寒性及熱穩(wěn)定性好，抗著火性也好，故在機械、車輛、石油化工中用作與燃料油和潤滑油接觸的膠管、墊片、密封圈、燃料箱村里等。

根據(jù)上述發(fā)動機中冷系統(tǒng)的性能需求，結(jié)合不同類型硅膠制品的特性，現(xiàn)在一般使用甲基乙烯基硅橡膠VMQ 作為連接膠管的主要材料，同時內(nèi)層需要采用氟硅膠PVMQ。如果車輛的運行區(qū)域可能涉及高緯度地區(qū)或者極寒地區(qū)，需要考慮使用甲基苯基乙烯基硅橡膠PVMQ。

中冷系統(tǒng)膠管除了上述橡膠材料合理選擇，膠管結(jié)構(gòu)設(shè)計也至關(guān)重要，為了有效保證膠管的性能，應(yīng)注意以下結(jié)構(gòu)設(shè)計要點：為了保持膠管具有良好的柔性、緩沖發(fā)動機的振動，應(yīng)將膠管設(shè)計成波紋形狀，同時為了保證膠管耐高壓能力，需要在膠層中加入簾布加強層，簾布層一般采用芳綸或聚酯纖維，同時在膠管外表面增加若干防爆鋼環(huán)，如圖2。

圖2 中冷膠管的結(jié)構(gòu)示例

3 膠管成品性能指標(biāo)

如前所述，硅膠管的材質(zhì)種類較多，為滿足上述膠管成品性能，應(yīng)采用甲基乙烯基或更好的的膠質(zhì)材料，硅膠管材質(zhì)的性能包含硬度、拉伸強度、撕裂強度、粘合強度、拉斷伸長率、耐油、耐水等常規(guī)指標(biāo)，一般有較為明確的標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)實車應(yīng)用和驗證情況，探討中冷系統(tǒng)膠管的成品性能的指標(biāo)設(shè)定和試驗驗證：

表1

一般來說，對于膠管的硬度、耐溫能力、耐壓能力關(guān)注較多，測試實驗較多，而對于膠管的柔性、耐振動疲勞強度、壓縮永久變形等關(guān)注較少，但是這三項是評價膠管性能更為直觀的指標(biāo)，對于膠管的應(yīng)用效果影響較大，而試驗方法較少，進(jìn)行以下說明：

3.1 柔性測試

在膠管滿足耐溫耐壓等基本要求后，其柔性越好，越能減少發(fā)動機振動可能帶來的膠管撕裂、卡箍松動漏氣等問題。其柔性可按如下方法進(jìn)行測試（圖3）。

圖3 膠管柔性測試

將硅膠管豎直放置，上端置一平板，采用電子測力計（推力式），將測力計探頭壓在平板上，用力下壓，做好標(biāo)記，在膠管被下壓變形1cm 時，讀取測力計參數(shù)。一般要求膠管的位移抗阻小于60N/cm。

3.2 振動試驗

中冷膠管承受高溫高壓、振動扭轉(zhuǎn)的疊加影響，在頻繁的振動扭轉(zhuǎn)后可引起疲勞開裂，經(jīng)過試驗探索，可搭建專用試驗臺并按以下參數(shù)和步驟進(jìn)行振動模擬試驗，強化驗證膠管的耐振動疲勞能力，見表2。

表2

按試驗步驟測試完成后，重復(fù)溫度交變測試循環(huán)7 次。試驗完成后觀察膠管表面有無開裂、漏氣等異常變化，然后在250±2 保溫1h±0.2h,并在此溫度下對試驗樣品進(jìn)行爆破強度試驗。

3.3 壓縮永久變形

橡膠屬于彈性體，在較長時間受力壓迫后會發(fā)生塑性變形，塑性變形后其尺寸逐漸變小，如果膠管類產(chǎn)品在卡箍擰緊連接后尺寸發(fā)生變化，會對膠管卡箍的擰緊力矩產(chǎn)生負(fù)面影響，壓縮變形越大，膠管的直徑會變的越小，卡箍的擰緊力將大幅下降，因此為保證膠管卡箍擰緊力以及連接的密封性，要求膠管的厚度壓縮永久變形一般不小于25%。為避免膠管的塑性變形對密封性的不利影響，一般采用帶補償功能的彈簧卡箍對來進(jìn)行補償，見圖4。

圖4 彈簧卡箍

商用車的中冷膠管由于承受高溫、高壓、振動等惡劣工況，是容易產(chǎn)生故障的零部件，研究采用合適的材料、合理的結(jié)構(gòu)、充分的試驗驗證，能夠大大減少膠管的故障率，提升車輛的品質(zhì)。根據(jù)實車應(yīng)用情況，采用上述設(shè)計匹配方法開發(fā)的中冷膠管可靠性大大提高，實際故障率從2.6%降到了0.7%以下，取得了明顯的效果。