Применение термоусадочных трубок в автомобиле

Отечественные производители автомобилей достаточно хорошо знакомы с применением термоусадочных трубок (термоусаживаемая трубка, ТУТ, термоусадка), производимая, в том числе, и несколькими российскими предприятиями. Для того, чтобы более подробно осветить многообразие существующих решений, основанных на применении продукта, кратко остановимся на технологии изготовления, материалах и основных технических характеристиках термоусадочных трубок.

Все возрастающее количество электрических и электронных компонентов в современном автомобиле накладывает дополнительные условия по обеспечению надежности и устойчивости работы элементов электрооборудования: приборов и устройств, жгутов, соединений, разъёмов и других составляющих электрических схем автомобиля. Повышенные требования к долговечности и качеству элементов электрооборудования особенно актуальны при проектировании и создании систем электрооборудования автомобилей новых поколений.

Одной из широко используемых и экономически оправданных технологий для изоляции и герметизации проводки, жгутов, защиты мест соединений проводов и различных элементов электрооборудования у ведущих мировых автомобилестроительных компаний стало применение термоусадочных материалов. Это различные виды термоусадочной трубки, термоусадочной трубки с клеевым слоем, термоусадочных изделий: (обжимные гильзы, клеммы, наконечники с термоусадочной клеевой трубкой, термоусадочные кабельные перчатки, термоусадочные кабельные муфты, кабельные оконцеватели/колпачки) и их комбинации с термо- и не термопластичными клеями и герметиками. Благодаря своим уникальным свойствам, около 50% производимых в Европе термоусадочных продуктов потребляется автомобильной промышленностью.

Технология изготовления термоусадочных материалов

Технология изготовления термоусадочных материалов Получение термоусадочных материалов основано на использовании характерного терморелаксационного свойства полимеров, так называемого "эффекта памяти". Он проявляется в том, что макромолекулы сшитого полимера, деформированные вблизи температуры плавления и зафиксированные в этом состоянии резким охлаждением, при повторном нагреве возвращаются в равновесное состояние с восстановлением размеров и формы материала. На рисунке  показано изменение диаметра отрезка термоусадочной трубки до и после нагрева. Трехмерную сшитую структуру полимеров получают радиационным модифицированием (облучением частицами высоких энергий) или химическим модифицированием (введением перекисных соединений). При изготовлении термоусадочных материалов, предназначенных для использования в электротехнике, автомобилестроении и электронике, применяется, главным образом, радиационное модифицирование, при котором материал облучают потоком быстрых электронов в ускорителе или воздействуют гамма-излучением радиоактивного кобальта Со60.

 

Основные технологические этапы производства термоусадочных трубок

  • Экструзия (выдавливание)
  • Радиационное модифицирование (облучение)
  • Ориентация (нагрев и раздувка)

Заготовки термоусадочных трубок получают экструзией на трубных агрегатах. Экструзия — метод изготовления профилированных изделий из пластмасс и резин, состоящий в непрерывном выдавливании размягченного материала шнеком или поршнем через профилирующее отверстие (матрицу) на специальной машине-экструдере. Температура подсушки сырья (для полиэтилена) 70…90°С, температурный режим экструзии 110…180°С. Скорость экструзии зависит от размеров и достигает 30 м/мин.

Следующей операцией при изготовлении термоусадочных трубок является радиационное модифицирование, при котором материал облучают потоком быстрых электронов или подвергают воздействию гамма-излучения. В результате этого происходит "запоминание" исходной формы и размеров заготовки. Первый метод пригоден для обработки тонкослойных материалов (главным образом, пленок), поскольку быстрые электроны сильно поглощаются полимерами. Большинство производителей термоусадочных трубок используют для модифицирования гамма-излучение. Сравнение характеристик радиационного модифицирования быстрыми электронами и гамма излучением показывает, что с увеличением плотности материала количество поглощаемой им энергии пучка электронов быстро уменьшается. Для гамма-излучения этот спад значительно более пологий. Способ модифицирования оказывает сильное влияние на свойства термоусадочных материалов. Материалы, обработанные гамма-излучением, отличаются более высоким коэффициентом усадки, более низкой температурой усадки и более высокой эластичностью по сравнению с облучением быстрыми электронами.

После радиационного модифицирования заготовки подвергаются ориентации, в результате которой приобретают заданные форму и размеры. Процесс ориентации состоит в нагревании модифицированных заготовок до необходимой температуры в "горячем" калибре электронагревательными элементами или в ванне с жидким теплоносителем и раздуве ее в радиальном направлении под действием внутреннего давления или внешнего вакуума с последующей фиксацией конструктивных размеров в "холодных" калибрах методом интенсивного охлаждения водой. Ориентацию заготовок малых размеров осуществляют непрерывно на специальных установках непрерывного раздува.

Термоусадочные продукты Deray®

Далее, на примере продукции ведущего производителя термоусадочных трубок и изделий для автомобилестроения — компании DSG-Canusa® (торговая марка Deray®), приведен краткий обзор различных типов термоусадочных трубок и изделий и области применения их в автоэлектрике и автоэлектронике. В номенклатуру включенных в каталог продуктов Deray входит более пятидесяти типов термоусадочных трубок и изделий — с рабочими температурами до 260°С, устойчивых к топливу и маслам, негорючих, с подавлением горения и не выделяющие галогенов при горении, цветные, трубки с внутренним клеевым слоем и большое количество специальных изделий для автомобильной промышленности.

Диапазон основных характеристик термоусадочных трубок приведен в таблице:

Характеристика Минимальное значение Максимальное значение
Коэффициент усадки (отношение внутренних диаметров до/после усадки) 2/1 >5/1
Рабочие температуры (С) — 75 + 260
Диаметр до усадки (мм) 0,86 250,00
Толщина стенок до усадки (мм) 0,07 5,00
Усадка по длине, % 5 10
Температуры термоусаживания (С) 80 350
Разрушающее механическое напряжение при растяжении (Мпа) 10 45
Напряжение на пробой (кВ/мм) 6,0 40,0

 

Подробная информация и полные технические характеристики материалов размещена в Интернете на сайте www.dsgcanusa.com

Основные материалы применяемые для изготовления термоусадочных трубок и изделий:

  • поливинилхлорид — мягкий и жесткий
  • модифицированный полиэтилен
  • модифицированный полиолефин
  • модифицированный эластомер
  • флюорополимеры
  • тефлон

Продукция Deray соответствует всем современным стандартам качества — ISO 9001 и QS-9000, а многие изделия протестированы и соответствуют требованиям: VDA, VG, PAN, UL, CSA, VDE, DEF

 

Примеры использования. Электрическая изоляция. Защита

Самое известное применение термоусадочных трубок — электроизоляция и механическая защита мест соединений проводов, контактов, выводов, а также элементов приборов: стартеров, генераторов, электродвигателей (рисунок 2). Благодаря своим высоким диэлектрическим характеристикам и большому количеству типоразмеров (диаметров) использование трубки позволяет защищать любой провод или жгут в транспортном средстве. Преимущества использования термоусадочной трубки для этих целей перед другими способами изоляции и защиты- кембриками, изолентами и т.п. заключаются в следующем:

  • плотное облегание защищаемого участка — исключено смещение изоляции даже при механическом воздействии
  • дополнительная механическая прочности места изоляции
  • низкая трудоемкость при установке
  • долговечность
  • маркировка цветом — использование цветных трубок
  • возможность нанесения маркировки до установки — термотиснение, термотрансферный принтер, каплеструйный принтер.

В зависимости от условий эксплуатации защищаемого элемента всегда можно подобрать именно тот тип трубки, который будет наиболее полно отвечать заданным требованиям. Например, для использования в подкапотном пространстве необходимо выбирать трубку с эксплутационной температурой не ниже 135°С, не поддерживающую горения или с подавлением горения, а для изоляции проводов в салоне или багажном отсеке можно использовать типы трубок с более низкими рабочими характеристиками.

 

Герметизация мест соединений и разъемов

Все производители автомобилей стремятся улучшить рабочие характеристики электрических систем, в том числе и систем герметизации разъемов и мест соединений проводов, особенно для перспективных моделей автомобилей. Увеличение температур в отсеке двигателя и еще более длительный срок гарантийного обслуживания автомобиля означает, что инженеры-конструкторы электрических систем будут предъявлять к системам герметизации требования по температуре до 125 — 135 градусов Цельсия. При этом общая устойчивость жгутов и разъемов к проникновению воды должна быть повышена. Такие требования не могут быть выполнены с использованием таких изделий и процессов, как напыление пластмассы по пресс-форме, или резиновые фасонные детали.

Решение: применение термоусаживаемых трубок с термопластичным клеевым слоем, нанесенным на внутреннюю поверхность трубки и высоким коэффициентом усадки. Отрезок трубки легко одевается на заднюю сторону разъема или место соединения (спайки) проводов, затем под воздействием контролируемого нагревания надежно сжимается на месте. В зависимости от размеров разъема и диаметров входящих в него проводов используются трубки с различными коэффициентами усадки. Для надежной герметизации перехода "провод-разъем" специально разработаны и выпускаются термоусадочные трубки с высокими коэффициентами усадки и увеличенным слоем клея, нанесенного на внутреннюю поверхность. Например, серия продуктов Deray® Splisemelt имеет коэффициет усадки до 5 к 1. При нагревании клей плавится и затекает в пространство между проводами, а внешняя трубка сжимается, действуя как прессформа для расплавленного клея-термопласта.

Внешний вид разъема защищенного термоусадочной трубкой приведен на рисунке. Клей разработан таким образом, что имеет оптимальную вязкость, гарантирующую то, что клей не вытекает наружу и не затекает на электрические контакты во время нагревания. При охлаждении клей формирует упругую, водостойкую герметизацию между проводами и корпусом разъема, в то время как внешняя трубка создает дополнительную защиту от отрыва проводов из разъема и повреждения (отламывания) проводов в месте входа в разъем.

 

Герметизация пучка проводов

В электрические жгуты транспортных средств добавляется все большее количество электрических цепей. Становится труднее сконструировать и надежно установить системы герметизации, предотвращающие распространение воды или влаги в пространстве между соседними проводами, из одной зоны в другую, например, из отсека двигателя в пассажирский салон машины. Причем системы герметизации пучка проводов должны быть универсальными и обеспечивать быструю и надежную герметизации пучка до 100 и более проводов. Вручную наносимые мастики и герметики — трудоемки в производстве, а используемые в этом случае материалы имеют ограничения по верхнему пределу температуры. Применение двухкомпонентных эпоксидных смол и полиуретанов, все больше признается несоответствующим экологическим требованиям. Варианты решений Deray®: использование термопластичных профилей и термопластичных клеев и герметиков в комбинации с термоусадочными трубками.

Использование термопластичных профилей — Deray® Pressmelt. Такой профиль может быть изготовлен как для одиночного провода — в виде упругого разомкнутого кольца, так и для нескольких проводов — в виде гребенки. В последнем случае такой профиль служит и для закрепления проводов в процессе сборки жгута. Термоусаживаемая трубка с большим коэффициентом усадки и внутренним клеевым слоем надевается на профиль и завершает монтаж нагрев с помощью специального оборудования. Клей плавится и растекается с одновременным сжатием трубки, вследствие чего он хорошо затекает вокруг и между проводов. Пучок из 100 проводов может быть нагрет и герметизирован быстрее, чем за 50-70 секунд. При охлаждении, клей формирует водостойкую герметизацию между проводами, а внешняя трубка обеспечивает гладкий тонкий защитный слой. К недостаткам данного продукта стоит отнести необходимость заказа нового профиля при изменении количества или диаметров проводов в жгуте.

Применение клеев и герметиков, с последующим помещением обработанного герметиком жгута в термоусадочную трубку. DSG-Canusa® предлагает два типа продуктов такого рода — Deray® Coldmelt и Deray® Duomelt. Полоска термопластичного адгезива — Deray® Duomelt — используется для герметизации пучка проводов, устойчивых к высоким температурам. Для фиксации проводов при монтаже на полоску нанесен слой каучукового герметика. Собранные и зафиксированные таким образом провода помещаются в термоусадочную трубку, нагреваются, клей плавится и заполняет полости между проводами в пучке.

В тех случаях, когда излишний нагрев проводов в пучке недопустим — применяется каучуковый герметик — Deray® Coldmelt. В состоянии поставки это полоса липкого герметика, шириной 10-50 мм, покрытая с обеих сторон легко отделяющейся силиконизированной бумагой. Провода надежно фиксируются при вдавливании в герметик, собираются в пучок. После помещения в термоусадочную трубку и нагревания обжимаются специальным инструментом. Обжим необходим для гарантированного заполнения герметиком всех полостей. После охлаждения герметик не затвердевает, а остается таким же гибким, как и до установки. Deray® Coldmelt разработан таким образом, что возможно его применение практически с любыми материалами изоляции автомобильных проводов, при этом сила адгезии остается неизменной. Для герметизации концевых соединений проводов производятся нетермоусадочные колпачки Deray® BIOK, с нанесенным на внутреннюю поверхность слоем герметика.

 

Соединение проводов при помощи термоусадочных изделий

Для быстрого и надежного соединения проводов при проведении ремонтных и сборочных работ специально разработаны Deray® CrimpSeal — обжимные гильзы, клеммы, наконечники с термоусадочной клеевой трубкой. Это изделие представляет собой металлическую гильзу, помещенную внутрь отрезка термоусадочной трубки с клеевым слоем. Зачищенные провода вставляются в гильзу, гильза обжимается специальным инструментом. Далее изделие нагревается, при этом термоусадочная трубка с клеем обеспечивает полную герметичность места соединения проводов. Электрические характеристики такого соединения не уступают характеристикам, получаемым при пайке, а прочностные характеристики даже превосходят аналогичные характеристики при пайке или скрутке проводов.

 

Обеспечение герметичности жгутов в местах прохождения между отсеками автомобиля

Для обеспечения шумоизоляции и обеспечения герметичности в местах прохождения жгутов, кабелей, трубопроводов через панели между отсеками чаще всего сегодня используются детали из резины. Перед сборкой эти резиновые детали растягиваются, затем через них протягиваются жгуты вместе с разъемами и потом эти изделия устанавливаются на автомобиль. Большие трудозатраты при установке таких изделий, неремонтопригодность и невозможность растягиваться более чем в 3-4 раза ограничивают возможность их использования. Всех этих недостатков лишены изделия, имеющие общее название Deray® Coldmelt-2. Конструктивно это изделие состоит из двух одинаковых частей, соединяемых при помощи защелок или саморезов с выемкой для помещения жгутa. Изготовлен Deray® Coldmelt-2 из материала на основе каучука, при этом материал достаточно гибок и упруг, то есть имеется возможность зафиксировать изделие в технологическом отверстии в панели также, как для резиновых деталей. Предварительное нанесение на жгут герметика Deray® Coldmelt делает невозможным распространение воды между соседними проводами в пучке, тем самым исключая возможность коррозии проводников и нарушения нормальной работы электрической цепи.

 

Прочие применения термоусадочной трубки

  • цветовая маркировка электрических цепей термоусадочными трубками Deray® PBF.
  • тонкостенные цветные трубки — конструкционный материал — облицовка ручек и поручней, мест крепления ремней безопасности и других элементов.
  • защита шлангов и трубопроводов подверженных агрессивному воздействию окружающей среды с использованием абразивно- и химически стойких термотрубок — тормозные трубки, трубопроводы кондиционирования и охлаждения.
  • взаимофиксация трубопроводов — охлаждения, подачи топлива, кондиционирования и жгутов при использовании специальных термоусадочных изделий в форме цифры
  • защита ответвлений жгутов и проводов в местах вывода из рамы — специальные разветвители ("перчатки")
  • жесткие термоусадочные трубки с эффектом "памяти" — придают необходимую форму проводу или жгуту для удобства при прокладке в местах с ограниченным доступом, что значительно сокращает время сборки.

Оборудование для работы с термоусадочными трубками и изделиями

Для серийного производства с применением термоусадочных трубок и изделий, разработано и выпускается специальное оборудование для обеспечение наилучшего термоусаживания. Ниже приведены краткие сведения об оборудовании Deray®. При работе с малыми сериями потребности в оборудовании для нагревания трубок или изделий, вполне могут покрываться теплофенами. Данного рода оборудование выпускается как отечественными, так и зарубежными производителями в большом ассортименте. Для уменьшения времени, затрачиваемого на установку изделия необходимо выбирать термофен достаточной мощности, с насадкой (дефлектором), обеспечивающей равномерный нагрев по периметру трубки. Современные профессиональные теплофены имеют функции индикации и регулировкой температуры, что немаловажно, так как различные типы трубок имеют разные рекомендованные температуры усадки — от 80 до 350°C. Для серийного производства производится оборудование, основные типы которого приведены в таблице. Все типы представленного оборудования имеют функции температурного и временного контроля для создания оптимального режима процесса термоусадки.

Наименование Краткое описание Мощность нагревательного элемента (кВт) Наличие устройства обжима Наличие конвейерной ленты
Deray® Spliceman Настольное устройство для термоусадки 2,1
Deray® WorkMan Настольное устройство для термоусадки 3,0
Deray® Dockman Устройство для термоусадки на конвейерных линиях 3,0
Deray® Sealman Стационарное устройство термоусадки для работы с системой Deray® Coldmelt 2,8 +
Deray® HST 35100 (или 40170) Туннельная печь для термоусадки длинномерных изделий 6,0 (15,0) +
Deray® KST 100/1000 Туннельная печь для термоусадки длинномерных изделий 3,7 +

Заключение

В завершение статьи приведем некоторые экономические и технологические аспекты использования термоусадочных трубок.

Термоусаживаемые трубки одного и того же размера могут быть установлены на изделия разных диаметров, тем самым устраняя необходимость держать склад резиновых деталей разных размеров, что сокращает общие затраты на склад.

Процесс установки термоусадочных трубок на изделие более прост и занимает меньше времени, чем использование изолент или бандажных лент, выполняющих те же функции.

Использование термоусадочной трубки с внутренним клеевым слоем во многих случаях позволяет упростить и ускорить процесс сборки жгутов или операции по защите мест соединений проводов.

Применение термоусадочных изделий Derаy®, таких как соединительные гильзы или колпачки позволяет уменьшить количество технологических операций, таких как предварительное нанесение герметика или клея на место соединения проводов.

Повышение надежности и качества своей продукции при использовании термоусадочных материалов Deray® оценили такие производители как: Volvo, Ford, Renault, General Motor и другие, известные в мировом автомобилестроении компании.

 

Олейников М. П.
Москва