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[橡胶与弹性体] 汽车冷却胶管的试验研究及质量改进方法

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发表于 2020-3-17 14:33:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【中国汽车材料网】汽车冷却胶管的试验研究及质量改进方法
王俊翔1 朱熠2 王泽庆2 麻文涛2
(1.中国第一汽车股份有限公司质量保证部检测中心,长春130011;2.中国第一汽车股份有限公司研发总院材料与轻量化所,长春130011)
摘要:为解决汽车冷却胶管经常出现的渗漏、爆裂、脱落等质量问题,进行试验研究,包括PVT试验、胶管性能试验、卡箍性能试验等,研究试验方法,剖析胶管损坏原因,提出质量改进方法,通过橡胶材料改进、增强层改进、卡箍改进、增加防护和装配改进等,解决了质量问题。
关键词:冷却胶管 卡箍 质量改进 试验研究
1 前言

[size=1em]汽车动力总成,无论是发动机还是电池,都需要将零件工作时吸收的热量及时散发出去,保证在最适宜的状态下工作。需要冷却的总成还有空调系统、选择性催化还原(SCR)系统、电机系统、缓速器系统等。因此汽车中都存在复杂的冷却系统,其中的零件通过管路进行连接。冷却系统管路包括金属管和软管,软管可以采用橡胶管、尼龙管、热塑性弹性体管或其它塑料管,但是采用橡胶管居多。橡胶管具有良好的弹性,减振性能好,一般采用卡箍连接,维修方便,深受用户欢迎。但是随着冷却系统温度和压力提升、用户使用要求提高等,冷却胶管质量问题增多,尤其是载货汽车和客车用户反馈胶管出现渗漏、膨胀甚至爆裂、脱落等质量问题较多。针对出现的质量问题,进行了大量试验,找出损坏原因和解决方法,大幅度提升胶管的可靠性和使用寿命。

2 胶管爆裂问题的解决

[size=1em]胶管爆裂会造成冷却液流失,发动机或其它需冷却的系统停止工作,汽车无法行驶,用户提出索赔,造成恶劣影响。

[size=1em]案例1,散热器胶管爆裂(图1)。该胶管为重型载货汽车散热器胶管,外径为60 mm,壁厚5 mm,工作压力最高0.2 MPa,工作温度最高120℃。胶管的内外橡胶层材料为三元乙丙橡胶(EPDM),增强层为芳纶线绳。对损坏胶管和同批次生产的胶管进行试验分析。

[size=0.8em]图1 爆裂的散热器胶管

[size=1em]首先对同批次新胶管进行压力试验。胶管爆破压力为0.6 MPa。一般要求胶管的爆破压力为工作压力的3~5倍,才能满足长期使用要求。按照最高工作压力0.2 MPa计算,胶管爆破压力为工作压力的3倍,有一定风险。

[size=1em]对损坏胶管进行分析,胶管爆裂位置为对偶面金属凸台位置,金属凸台存在尖角,对胶管内壁造成一定磨损,内胶层有损坏的痕迹。内胶层的磨损和开裂,降低了胶管的耐压性能,造成使用过程中爆裂。

[size=1em]对胶管进行质量改进,将胶管的线绳直径从800旦提高到1500旦,胶管的爆破压力从0.6 MPa上升到1.0 MPa以上。同时对对偶面的金属件进行凸台的倒角加工,凸台边缘倒圆角,防止损坏胶管。综合以上措施,该胶管爆裂问题解决。

[size=1em]案例2,空调冷却胶管爆裂(图2)。爆裂的空调冷却胶管外径为24 mm,壁厚3.5 mm,长度1.2 m,工作压力最高0.1 MPa,工作温度最高120℃。胶管的内外橡胶层材料为EPDM橡胶,增强层为聚酯线绳。

[size=0.8em]图2 爆裂的空调冷却胶管

[size=1em]通过对同批次新胶管进行压力试验,胶管爆破压力为0.8 MPa。之后在损坏胶管上截取300 mm未损坏的一段,进行压力试验,胶管在0.3 MPa时爆裂。胶管耐压性能降低的原因为聚酯线绳耐热性能较差,长期在高温下使用容易产生老化现象,强度大幅度降低。胶管的耐压性能,主要取决于增强层,增强材料强度下降,胶管的承压能力也会下降。

[size=1em]之后对胶管进行质量提升,将增强层由聚酯线绳改为芳纶线绳,提高了线绳的强度和耐热性能,也提高了胶管的长期耐热后的承压性能。

[size=1em]案例3,缓速器冷却胶管爆裂。缓速器对于经常在山区或丘陵地带行驶的汽车,能够使车辆在下长坡时长时间而持续地减低或保持稳定车速并减轻或解除行车制动器的负荷,适用于总质量在5 t以上的客车和12 t以上的货车。国外已经有强制性法规规定相关车型必须安装缓速器,国内用户也为了安全考虑越来越多地选择安装缓速器的车型。缓速器冷却胶管一般直径比较大,有些老车型加装缓速器后空间比较紧张,导致胶管布置出现一些问题,早期爆裂案例比较多。经过失效分析,干涉、磕碰、不匹配等问题逐步解决,胶管损坏逐渐减少。典型案例如图3。

[size=0.8em]图3 爆裂的缓速器冷却胶管

[size=1em]对同批次新胶管进行压力试验,胶管爆破压力为1.2 MPa左右,可以满足使用要求。胶管损坏件爆裂位置局部膨胀严重,但试验过程中并未发现局部膨胀现象。分析局部膨胀部分橡胶材料,发现石油基油脂的成分存在。胶管内外橡胶层采用EPDM橡胶,EPDM橡胶耐冷却液、制动液、水等介质性能较好,但耐油性非常差。通过试验,胶管在机油中浸泡后,体积增加300%,严重膨胀,见图4。

[size=0.8em]图4 胶管耐机油膨胀

[size=1em]通过胶管装车位置分析,胶管上方安装加机油标尺。司机在查看加机油标尺过程中,机油滴落到胶管上,造成胶管局部溶胀失效,产生爆裂现象。解决措施就是在胶管上增加一层防护层,普通聚丙烯或聚乙烯热收缩管在高温下长期使用会产生老化脱落,因此选用尼龙防护层,成本增加较多。因此,新车型设计时,缓速器冷却胶管的布置避开了容易产生污染的油脂,该问题解决。

[size=1em]胶管产生爆裂的原因还有很多。比如橡胶耐热性能较差,长期使用产生龟裂,见图5,也容易使胶管爆裂。胶管配合的金属件边缘有尖角毛刺,也会损伤胶管,造成胶管爆裂。如果胶管设计的局部变径较大,导致局部线绳强度降低,也容易产生爆裂。还有胶管安装扭曲或弯曲半径过小,也会降低胶管使用寿命,见图6。胶管的使用过程中有干涉现象,磨损胶管,也会产生早期损坏。因此深入用户调查、细致的失效分析、针对性的试验研究,才能找到胶管损坏的真因,及时解决质量问题。

[size=0.8em]图5 橡胶耐热龟裂

[size=0.8em]图6 胶管安装不当

3 胶管脱落问题的解决

[size=1em]胶管脱落比爆裂影响更为恶劣。而且胶管脱落原因比较复杂,涉及胶管、卡箍、连接的金属件等。

[size=1em]案例1,配合的金属件质量问题造成胶管脱落(图7),存在质量问题的金属管见图8。

[size=0.8em]图7 胶管与金属管脱落

[size=1em]胶管出现批量脱落现象,首先对胶管进行试验,没有发现明显质量问题。之后对卡箍进行试验,也没有质量问题。到装配现场进行失效分析,发现配合的钢管质量问题比较严重。钢管上的凸台高度明显不够,甚至没有形成可以限制胶管移动的凸台,只是局部变径,难以满足胶管的卡接要求。而且钢管端部存在凸凹不平,容易形成泄漏。

[size=0.8em]图8 存在问题的金属管

[size=1em]钢管生产厂接到整改通知后,配制了新的加工卡具,加工出符合要求的凸台,胶管批量脱落问题得到解决。

[size=1em]案例2,胶管的质量问题造成长期使用后脱落。

[size=1em]胶管长期使用后出现脱落,一般有两方面原因。一方面是橡胶的压缩永久变形比较大,导致胶管长期压缩后回弹小,胶管与卡箍之间出现松动,导致脱落。另一方面是胶管与线绳的粘接强度低,在长期振动、脉冲和高温的使用环境下,胶管出现膨胀,线绳在胶管内部产生收缩,胶管端部强度降低,脱落卡箍。

[size=1em]对出现问题的胶管进行压缩永久变形试验,试验温度为120℃,时间为24 h,压缩率为50%,样品在胶管端部裁切。试验结果胶管的压缩永久变形为92%,几乎不回弹。为了改善胶管的压缩永久变形性能,对橡胶材料进行改进,主要是改进了硫化体系,从硫磺硫化改为过氧化物硫化,使橡胶的耐高温性和压缩回弹性都明显提升,同时提高了橡胶配方中的含胶率,也选用了回弹性更好的原胶。改进后的橡胶材料挤出胶管,再次进行压缩永久变形试验,试验结果为75%,能够满足使用要求。

[size=1em]之后,进行了粘接强度试验。在常温、高温试验(120℃/96 h)后、耐冷却液试验(120℃/120 h)后,分别在胶管上取样,按GB/T 14905—2009标准裁切8型试样,进行粘接强度试验,试验结果分别为常温1.6 kN/m、高温试验后1.7 kN/m、耐冷却液试验后0.8 kN/m。试验结束后,观察剥离开的胶管试样,发现胶管的内胶层和外胶层的橡胶硫化粘接在一起,而芳纶线绳悬浮其中,与橡胶未粘接。所以虽然胶管内外胶层之间有一定的粘接强度,但芳纶线绳可以在一定范围内活动。芳纶线绳强度很高,伸长率非常低,胶管振动和膨胀过程中,活动的芳纶线绳切割橡胶,不断扩大活动范围,从端头位置抽离,造成胶管的脱落。

[size=1em]EPDM橡胶主要由乙烯和丙烯组成,分子主链是不含双键的饱和结构,只在侧链上含有少量的不饱和双键,因此分子惰性较强,粘接性较差,是一种难粘材料。而芳纶纤维大分子链上缺少活性基团,也属于粘接困难的材料。因此国内很多胶管生产企业对EPDM橡胶和增强的芳纶线绳都不粘接,短时间使用或在低温静止条件下使用没有问题。但是汽车冷却胶管使用条件恶劣,长期在高温下承受振动、脉冲等,胶管就会出现脱落等质量问题。解决问题的措施包括芳纶线绳浸渍胶黏剂处理、EPDM橡胶配方考虑粘接问题、在线涂胶等。通过以上措施的落实,芳纶线绳与EPDM橡胶粘接在一起,长期使用可靠性提升,脱落问题也逐渐减少。

[size=1em]引起胶管脱落的原因还有卡箍断裂或松动、异常受力干涉、装配扭曲等,比较少见,也容易解决。

4 胶管渗漏问题解决

[size=1em]胶管渗漏是比较常见的质量问题,见图9,属于汽车“三漏”质量问题中典型的漏液问题。导致胶管渗漏的原因很多,彻底解决的难度也比较大。

[size=0.8em]图9 胶管渗漏

[size=1em]为了解决胶管渗漏问题,设计了PVT(脉冲-振动-高低温综合)试验。根据胶管使用部位不同,脉冲压力不同,分为200 kPa、250 kPa、300 kPa三档。试验温度高温为120℃,低温为-40℃。振动频率和位移根据实际使用情况有所不同,分为3种情况:以8 mm的振幅和16 mm的总位移、10 Hz的频率进行振动;以12.5 mm的振幅和25 mm的总位移、0.5 Hz的频率进行振动;无振动,仅进行脉冲试验。

[size=1em]针对不同车型、不同部位使用的胶管,分别进行胶管和卡箍的PVT试验,并在试验后对胶管和卡箍进行失效分析;如未失效,则进一步进行试验分析,包括进行爆破试验、粘接强度试验等,对比胶管和卡箍性能衰减情况。经过多轮试验,不但掌握了PVT试验的试验方法和关键影响因素,而且总结出胶管渗漏的主要原因如下。

[size=1em]a.低温渗漏,PVT试验可以模拟低温实际使用条件下胶管的渗漏情况,试验过程中多次出现低温条件下冷却液从接头处渗出的情况,一般为微渗漏,试验温度恢复高温后停止渗漏。

[size=1em]橡胶具有一定弹性,在压缩条件下,利用橡胶的回弹力可以保持一定的密封力。在低温条件下,橡胶弹性降低,硬度增加,胶管与卡箍之间密封力减少,在振动情况下出现微小缝隙,导致微渗漏。

[size=1em]解决低温渗漏,一方面应改进橡胶耐低温性能,增加低温下的弹性。可以采用低温压缩永久变形试验来测试橡胶低温压缩回弹性能,这项试验需要在低温环境下进行测试,否则取出试样,橡胶的回弹性立即恢复,无法模拟低温环境的实际使用状况。

[size=1em]另一方面,需改进卡箍性能。卡箍如带有一定补偿功能,则可以有效避免低温渗漏。卡箍在低温条件下也应保持一定弹性,并保持拧紧力矩不会大规模衰减。

[size=1em]b.高温渗漏,高温情况下,橡胶硬度降低,耐压能力减弱。在压力的作用下,胶管会产生膨胀,胶管连接部位会受到拉伸力,导致胶管局部收缩并变薄,胶管与卡箍之间密封力降低,导致胶管渗漏。

[size=1em]对胶管进行高温膨胀率试验。在130℃高温下,压力为0.3 MPa,胶管的膨胀率为15%以下,可以满足使用要求。如果超过15%,胶管严重膨胀,甚至产生局部膨胀,如图10,就会出现渗漏、爆裂、脱落等质量问题。

[size=0.8em]图10 胶管高温压力下局部膨胀

[size=1em]c.胶管回弹性差导致渗漏,胶管在高温下压缩回弹性能下降,产生永久变形,如果卡箍不能适当补偿胶管的变形量,卡箍和胶管之间的密封力下降,就会产生渗漏。解决措施一方面提高橡胶的高温下压缩回弹性能,另一方面采用弹性较好或具有补偿结构的卡箍。

[size=1em]d.胶管或连接金属管局部不平整导致渗漏,胶管的口径较大并且壁厚较小时,如果硫化工艺控制不好,则容易产生凸楞,见图11。凸楞使胶管内表面产生凸凹不平,降低了卡箍紧固胶管的橡胶压缩量,使橡胶与金属管之间出现缝隙,使用时冷却液容易从缝隙渗漏。改进挤出和硫化工艺,同时适当增加胶管壁厚,可以避免凸楞产生。

[size=1em]如果胶管配合的金属管表面存在凸凹不平、划伤、孔隙等缺陷,也会导致渗漏现象,见图12。如果金属管是涂油漆防腐,应采用高温油漆,否则在高温使用环境下,油漆脱落,堆积在连接处,也容易导致胶管在连接处渗漏。

[size=0.8em]图11 胶管内表面凸楞

[size=0.8em]图12 金属管划伤

5 结束语

[size=1em]液压冷却是汽车关键发热部件冷却的主要方式。冷却管路中的胶管是承受高温高压和振动的薄弱环节,容易出现质量问题。完善质量管理体系,制定针对性的标准,合理选用材料和工艺,合理设计和安装使用,才能彻底解决质量问题。



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