橡胶在发动机上的应用及在低温环境中的选择.pdf

第3 期（总第1 9 1 期）2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.013橡胶在发动机上的应用及在低温环境中的选择薛芳1.2,袁竹林3.4（1.一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂，江苏无锡2 1 40 2 6;2.一汽解放动力总成事业部，江苏无锡2 1 40 2 6；3.中国一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡2 1 40 6 3;4.一汽解放商用车开发院，江苏无锡2 1 40 6 3）摘要：介绍了橡胶材料的分类、特性以及其在发动机上的应用，此外还介绍了发动机上的典型橡胶产品以及低温环境中橡胶材料的选用,并对不同低温AEM橡胶的密封性作了对比。关键词：橡胶；橡胶种类；材料特性；低温特性中图分类号：TQ336.5文献标志码：B文章编号：1 6 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 58-0 3引言橡胶是一种高分子材料,可以被硫化改性,硫化改性是化学改性，使橡胶分子相互结合。室温下,硫化改性的橡胶能拉伸到原来长度的2 倍,保持1 min后解除外力,其在1 min内可恢复到原来长度的1.5倍以下。这样,硫化改性的橡胶在较大的变形后能迅速恢复形状,或者在较大的变形后能提供反弹力。硫化改性的橡胶,其分子结构形成了三维网络结构，不溶于(会溶胀于)沸腾的苯、甲乙酮、乙醇-甲苯混合物等溶剂。橡胶材料具有高弹性、粘弹性、电绝缘性，易老化，需要加入配合剂进行硫化才能使用（热塑性弹性体除外）。此外，橡胶还具有比重小、硬度低、柔软性好、气密性好等特点 橡胶材料初始状态是生胶，即没有加入配合剂，且尚未交联的橡胶；生胶与配合剂经加工均匀混合且未被交联时形成混炼胶，常用的配合剂有硫化剂、促进剂、活性剂、补强填充剂、防老剂等；混炼胶在一定的温度、压力和时间作用后，经交联由线型大分子变成三维网状结构而得到橡胶，成为硫化胶,硫化胶一般不溶于溶剂。橡胶材料经过塑炼加工,可降低生胶的分子量,增加塑性，提高可加工性；混炼使配方中各个组分混合均匀，制成混炼胶；成型包括压延、挤出、模压和注射，即混炼胶通过压力和温度的作用,具有一定的产品形状;橡胶加工的最后一道工序,是通过一定的温度、压力和时间后，使橡胶大分子发生化学反应产生交联的过程 2 1橡胶材料的分类橡胶按来源可以分为天然橡胶和合成橡胶，发动机上使用的橡胶材料主要是合成橡胶，合成橡胶按照用途来划分，又可以分成通用合成橡胶和特种合成橡胶，具体分类如图1 所示。C丁苯橡胶（SBR）顺丁橡胶(BR)丁腈橡胶(NBR)厂通用合成橡胶氯丁橡胶(CR）乙丙橡胶（EPM,RPDM)丁基橡胶(IR)异戊橡胶（IR）合成橡胶氟橡胶(FKM)硅橡胶(VMQ)聚氨酯橡胶（PU)丙烯酸酯橡胶（ACM）特种合成橡胶人乙烯丙烯酸橡胶（AEN）聚硫橡胶（T）氯化聚乙烯橡胶（CPE）氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）氯醚橡胶或氯醇橡胶（CO，E C O）环氧化天然橡胶（ENR）图1 橡胶材料的分类2发动机上使用的橡胶种类和特性根据发动机的使用环境，要求在发动机上使用的橡胶具有较好的耐高低温特性以及耐油、耐冷却*收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 4作者简介：薛芳（1 9 7 1 一），女，江苏无锡人，高级工程师，目前主要从事发动机零部件前期采购及新产品项目管理。2023年第3 期液等的特点。发动机上的流体介质包括燃油或燃气（主要是汽油、柴油和天然气）、润滑油（机油）、冷却液(50%乙二醇或丙三醇加50%水）以及气体（空气或者油气混合物），所有发动机使用的橡胶均需适应这样的介质。发动机使用的橡胶种类和特性归纳如表1 所示。表1橡胶种类及特性一览表名称简称拉伸强度 耐高温性抗低温性氯丁橡胶CR丁睛橡胶NBR氯醇橡胶ECO氢化丁晴橡胶HNBR乙烯丙烯酸橡胶AEM丙烯酸橡胶ACM硅橡胶VMQ氟橡胶FKM耐油性耐冷却液特性适中差适中好适中差适中好适中较好好差较差差好较好3发动机上使用的典型橡胶产品发动机上使用的典型橡胶产品有油封、密封垫和密封圈、减振块、0 型圈，如图2 所示。气门油封和曲轴油封主要应用于气阀杆和曲轴的密封；大尺寸的密封垫主要用于气缸盖罩、油底壳和飞轮壳等场合的密封,较小尺寸的密封圈主要应用于冷却模块和凸轮轴孔盖板等场合的密封；减振块主要应用于气缸盖罩、油底壳、ECU模块等减振降噪使用；还有0 型圈主要用于中小尺寸孔的密封 3 Oa油封薛芳，等：橡胶在发动机上的应用及在低温环境中的选择适中差适中差较低较差高适中适中适中较低适中低好适中好应用场合备注夹子等0型圈、密封圈等减震垫等0型圈、密封圈等密封垫、静态油封等密封垫、减震垫等密封垫等0型圈、密封圈、密改进配方后可封垫、动态油封等提高低温性能59c减振块好较差好较差较好好好较差改进配方后可提高低温性能改进配方后可提高低温性能dO型圈图2 发动机使用的典型橡胶产品4低温场合使用的橡胶氟橡胶FKM、氢化丁腈橡胶HNBR、乙烯丙烯酸橡胶AEM和丙烯酸橡胶ACM具有耐油耐温的优点,其在发动机上有大量的应用。通过生胶聚合改性、硫化改性和配方改进,可以提高其低温性能,满足低温场合的使用要求,其性能特点如表2 所示。表2 低温使用的FKM,HNBR,AEM和ACM的性能橡胶品种低温改进措施MPa氟橡胶生胶和硫化(FKM)体系改进氢化丁睛橡胶配方改进(HNBR)乙烯丙烯酸橡胶生胶和硫化(AEM)体系改进丙烯酸橡胶生胶和硫化(ACM)体系改进耐冷却每千克工艺液特性成本/元模压/耐高温、耐油、耐冷却液,如O型良好1200优秀350较好200较好1505低温AEM橡胶的配合和性能强度/耐温性/耐油性15250201501517514150适合产品转注圈、密封圈模压/耐油、耐冷却液，如0 型圈、密封转注圈耐油的密封圈、密封垫（大尺注射寸）模压/耐油的密封圈、密封垫（大尺注射寸）优秀良好良好良好根据橡胶制品的性能要求，考虑加工工艺和成本等因素,把生胶和配合剂组合在一起。一般的配b密封垫、密封圈合体系包括生胶、硫化体系、补强体系、防护体系、增60塑体系等。有时还包括其他一些特殊的体系如阻燃、着色、发泡、抗静电、导电等体系。其中,生胶（或与其他高聚物并用)作为母体材料或基体材料，确定了橡胶材料的主要性能；硫化体系用来与橡胶大分子起化学反应，使橡胶由线型大分子变为三维网状结构,提高橡胶性能,稳定橡胶形态；补强填充体系,在橡胶中加入炭黑等补强剂或其它填充剂,或者提高其力学性能，改善工艺性能，或者降低制品成本；防护体系,通常加入防老剂,延缓橡胶的老化,提高橡胶制品的使用寿命；还有增塑体系,用于降低橡胶制品硬度和混炼胶的黏度,改善加工工艺。低温AEM橡胶材料需要使用特殊牌号的生胶Vamac Ultra LT来改善低温性能,以满足低温使用的需要。如表3 所示,与一般牌号的生胶Vamac G制备的橡胶材料比较，Vamac UltraLT制备的橡胶材料具有更低的玻璃化温度Tg，特别在长期使用老化之后,仍然能够保持-42 的 Tg,其中 TR10 为回缩百分比为1 0%时的温度；DSC为差示扫描量热法;ASTM1#为橡胶耐油试验测试用试验油。表3 生胶Vamac Ultra LT和Vamac G制备的橡胶材料对比肖氏拉伸强断裂伸150,7 0 h 后生胶硬度度/MPa长率/%永久压缩变形率/%Vamac Ultra LT63Vamac G64150,A S T M 1#,TR10/DSC168 h 后 Tg/-45-46-36-32以VamacUltraLT生胶和VamacG生胶制备混炼胶，使用制备得到的混炼胶成型0 型圈制品进行测试。采用气密性测试工装,分别对这2 种0 型圈（尺寸20.29mm2.62mm）进行气密性测试，气密性测试工装如图3 所示，发现在室温环境中，2进气接头现代车用动力进气接头图3 气密性测试工装示意图种成型0 型圈的泄漏压力降非常接近，分别为0.123Pa和0.1 2 6 Pa;但是在40 时,VamacUltra LT生胶和Vamac G生胶为基础的成型O型圈的泄漏压力降分别为0.3 7 5Pa和1.47 6 Pa，如表4所示。采用Vamac Ultra LT生胶的成型O型圈具有更加优异的密封性能。表4不同橡胶材料的气密性测试数据0型圈泄漏压力降/Pa温度/Vamac Ultra LT230.123-400.37511.035513.3411175 ,D S C 1 6 8 h后Tg/-47-32上座型圈下座a2023年第3 期上座一0型圈下座b2525Vamac G0.1261.4766丝结束语本文阐述了橡胶材料的分类、特性以及其在发动机上的应用,结合发动机对耐高低温、耐油等不同使用环境的需求,介绍了低温橡胶材料的选用,以满足本公司特殊产品的要求。另外，对更苛刻的使用环境，橡胶除了需耐高温、低温外,还有耐海水侵蚀等特殊要求，需要不断进行橡胶新材料的特性和工艺研究。参考文献：1 】冉帆,郎伟钦,黄兆春。汽油发动机密封系统的开发及应用 J.上海汽车,2 0 1 8(1 1):9-1 5.2陈巍.橡胶材料在航空发动机上的应用 J.特种橡胶制品,2 0 1 4,3 5(4):7 4-7 6.3 郭建华.特种橡胶在汽车密封制品中的应用 J.橡胶科技,2 0 1 4,1 2(1 1):1 5-2 0.