Liberec 2015
VYHODNOCENÍ DEFORMACÍ TĚSNÍCÍCH ELEMENTŮ U AUTOMOBILOVÉHO TĚSNĚNÍ
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2301T048 – Strojírenská technologie a materiály Autor práce: Bc. Karel Hnídek
Vedoucí práce: prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld
Liberec 2015
Tento list nahraďtě
originálem zadání
Liberec 2015
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Liberec 2015
VYHODNOCENÍ DEFORMACÍ TĚSNÍCÍCH ELEMENTŮ U AUTOMOBILOVÉHO TĚSNĚNÍ
Anotace:
Diplomová práce se zabývá vyhonocením deformací těsnících elementů (vnitřních „jazýčků“ ke sklu) 3 různých profilů (profil A-sloupku, B-sloupku a střešního profilu) pro 5 různých dílů vedení skla předních dveří (Škoda, VW a GM). Kromě samotného vyhodnocení výsledků obsahuje práce také návrh přípravků pro měření, vyhodnocení simulačním softwarem, krátkou diskusi výsledků a závěr.
Klíčová slova:
Deformace, těsnící element, profil, A-sloupek, B-sloupek, střešní profil, termoplastický vulkanizát, EPDM, přípravek
DEFORMATION EVALUATION OF SEALING ELEMENTS FOR CAR SEALING
Annotation:
Diploma thesis examines evaluation of permanent set of sealing elements (inner glass lips) for 3 different profiles (a-pillar, b-pillar and header profile) for 5 different parts of glass run front door (Škoda, VW and GM). Besides the evaluation itself, the thesis includes also desing of testing equipments for test, evaluation by simulation software, short discussion about results and conclusion.
Keywords:
deformation, sealing element, profile, a-pillar, b-pillar, header profile, thermoplastic vulcanizate, EPDM, specimen
Liberec 2015
PODĚKOVÁNÍ
Tímto bych rád poděkoval za veškerou pomoc, rady, postřehy i kritiku během řešení práce panu prof. Dr. Ing. Petru Lenfeldovi, Mgr. Pavlu Doubkovi. V neposlední řadě panu Ing. Stanislavu Žákovi, MBA. Díky patří také panu Dr. Kenu Ogilvie a Fan Shengovi.
Dále bych rád vyjádřil svůj dík své rodině a přítelkyni, kteří mě za dobu mého studia neustále podporovali a byli hnacím motorem, který mi neumožnil polevit.
Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21005/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.
Diplomová práce 6
Obsah:
1. ÚVOD ... 9
2. TEORETICKÁ ČÁST ... 12
2.1 Charakteristika jednotlivých dílů ... 14
2.1.1 Vedení skla a stírací těsnění vnější – černá verze ... 16
2.1.2 Pevná skla (vkládané obstřiky) ... 17
2.1.3 Lesklé díly ... 18
2.2 Plasty v automobilovém průmyslu, materiály pro těsnící aplikace ... 18
2.2.1 Termoplastické elastomery ... 25
2.2.1.1 Vulkanizované termoplastické elastomery ... 28
2.2.2 Pryže ... 30
2.2.2.1 Speciální syntetické kaučuky EPM/EPDM ... 33
2.3 Návrh a konstrukce profilů ... 35
2.3.1 Zásady navrhování těsnících profilů... 40
2.4 Zpracování vulk. termoplast. elastomerů... 43
2.4.1 Vytlačování, koextruze ... 45
2.4.2 Vstřikování, souběžné vstřikování, obstřikování ... 49
2.4.2.1 Spojování TPV profilů ve formě pomocí vstřikování ... 54
2.4.3 Technologie sametování ... 55
2.4.3.1 Postup sametování ... 56
2.4.3.2 Lepidlo pro sametování profilů z EPDM ... 58
2.4.3.3 Lepidlo pro sametování profilů z TPE/TPV ... 60
2.4.4 Lakování ... 61
2.5 Faktory ovlivňující deformaci (tlakovou) ... 64
2.5.1 Způsob zpracování... 64
2.5.2 Teplota ... 64
2.5.3 Způsob namáhání ... 65
2.5.4 Materiál ... 65
2.5.5 Design profilu a vnitřního těsnícího elementu ... 66
Diplomová práce 7
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 69
3.1 Cíle experimentální části ... 70
3.1.1 Materiály profilů ... 71
3.1.2 Technologie výroby profilů ... 73
3.1.3 Design profilů pro experiment ... 75
3.2 Zkušební přípravky ... 78
3.2.1 Návrh zástavbového přípravku ... 80
3.3 Podstata zkoušky dle normy VW PV 3363 ... 81
3.4 Stanovení deformace v tlaku – těsnící elementy ... 82
3.4.1 Zkušební zařízení pro měření deformace ... 83
3.4.2 Zkušební tělesa ... 87
3.4.3 Zkušební podmínky ... 88
3.4.4 Postup zkoušky ... 88
3.4.5 Vyhodnocení deformace ... 89
3.5 Vyhodnocení výsledků experimentálního měření ... 90
3.5.1 Vyhodnocení deformací profilů A-sloupku – lab.teplota ... 90
3.5.2 Vyhodnocení deformací profilů A-sloupku – zvýšená teplota ... 94
3.5.3 Vyhodnocení deformací profilů B-sloupku – lab. teplota ... 95
3.5.4 Vyhodnocení deformací profilů B-sloupku – zvýšená teplota ... 98
3.5.5 Vyhodnocení deformací střešního profilu – lab. teplota ... 100
3.5.6 Vyhodnocení deformací střešního profilu – zvýšená teplota ... 103
3.6 Postup stanovení deformací v simulačním softwaru ... 105
3.6.1 Vyhodnocení deformací simulačním výpočtem ... 108
3.7 Diskuse výsledků ... 110
4. ZÁVĚR ... 121
5. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 123
6. SEZNAM PŘÍLOH ... 124
Diplomová práce 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ
3D Označení trojrozměrného prostoru 2D Označení dvourozměrného prostoru
FEM Finite element method - metoda konečných prvků TPO Termoplastické olefiny
TPE Termoplastický elastomer
TPS Termoplastické elastomery na bázi blok kopolymerů SEBS polystyren-etylenbutylen-polystyren
TPO Termoplastické polyolefiny s nevulkanizovanou elastickou fází TPV Vulkanizovaný termoplastický elastomer
TPU Termoplastické polyuretany
TPA Termoplastické elastomery na bázi polyester blok amidů CAD Computer Aided Design - počítačem podporované navrhování CAE Computer Aided Engineering – počítačem podporované výpočty R&D Research and development – výzkum a vývoj
ABS Akrylonitril-butadien-styren EPDM Etylen propylen dien terpolymer EPM Kopolymer etylenu a propylenu
PA Poylamid
PP Polypropylen
PE Polyetylen
NR Přirodní kaučuk
NBR Nitril-butadienový kaučuk
Diplomová práce 9
1. ÚVOD
Diplomová práce se zabývá vyhodnocením deformací vnitřních těsnících elementů automobilových těsnění. Pojem automobilové těsnění je poměrně široký pojem, nicméně v této práci se zabýváme vedením skla předních dveří pro automobil Škoda Octavia III generace, Fabia III generace, Rapid/Spaceback, VW Up a GM D2SC a tím pádem i profily spjatých s tímto dílem. Jedná se o profily A- sloupku, profily B-sloupku a střešní profily. Většina vedení skel se sestává právě z těchto profilů, no některé díly mají ještě v přední části napojený formovým dílem (technologie vstřikování) je také v práci stručně popsána) spárové těsnění A-sloupku. Jak je vidět na obrázku níže, kde je zachyceno vedení skla a také jednotlivé profily, ze kterých se toto vedení skládá. Podoba testovaných dílů je téměř totožná, profily jsou sice odlišné od těch, které jsou v obr. níže zobrazeny, nicméně jsou v práci všechny ukázány.
Obr. 1.1: Díl vedení skla předních dveří a jednotlivé profily, ze kterých se sestává Experimentální měření bylo provedeno ve firmě Henniges Hranice s.r.o.
Samotné profily se zde vyrábějí technologií vytlačování na vytlačovacích linkách v závodě, který, jak je již z názvu firmy patrný je v Hranicích na Moravě. Závod je rozdělený do dvou větších oblastí, první je extruze (je to ta část závodu, kde jsou profily vytlačovány) a druhou je konfekce (to je část, kde se profily nasekají a formovými díly spojí v jeden celek). Dále je tu samozřejmě také laboratoř, pro účely testování profilů, kde se kromě deformací, měří třeba také narážecí a zádržné síly, tlakové tuhosti, vytrhování různých klipů atd.
Diplomová práce 10 Před samotným testováním následuje poměrně dlouhá cesta, než jsou profily pro testování vytlačeny. V technologickém středisku v Mladé Boleslavi dochází k jejich vývoji. Zkráceně to funguje tak, že se profily nejdříve navrhnou.
S ohledem na okolní díly, na které jsou poté montovány. Vychází se z definičních řezů, které poskytuje zpravidla zákazník. Tyto definiční řezy potom dodavatel musí upravit svým návrhem a to také s požadavkem redukce celkové plochy daného profilu. A samozřejmě také se zapracováním požadavků, zpravidla se jedná o tlakové tuhosti jednotlivých těsnících elementů, co možná nejjednodušší zástavbou a v neposlední řadě také narážecích a zádržných sil. Zákazníkem, je také stanoven materiál, ze kterého by se měli dané profily vyrábět. Tento materiál je poté platný víceméně pro všechny profily, pokud není právě zákazníkem stanoveno jinak. Koncern VW (kam mj. spadá i Škoda Auto a.s.) požaduje použití materiálu TPE nebo EPDM. Tyto materiály, respektive krátká rešerše těchto materiálů je také součástí práce. Na základě těchto údajů a po následném návrhu profilů, následuje jejich FEM analýza. Na základě FEM výsledků se dá předpokládat, jestli se design profilu ubírá správným směrem či nikoli. Proto většinou pro každý profil existuje x různých variant, dokud není dosaženo nejlepších výsledků. Pokud jsou výsledky uspokojivé, uvolní zákazník profily a na základě 3D dat dochází ke konstrukci vytlačovacích hubic a následné produkci profilů.
Další velmi důležitou částí je také návrh a konstrukce jednotlivých zástavbových přípravků, které se pro stanovení deformací (viz experimentální část) používají a nelze je bez nich vyhodnotit. Design přípravků byl vytvořen v programu CATIA V5-6. Konstrukce je velmi důležitá a je žádoucí, aby tvar přípravku odpovídal přesně návrhu, protože z hlediska vyhodnocení může i malé vychýlení mít negativní následky. To znamená, že tvar přípravku musí kopírovat okolní díly, minimálně ta část přípravku, na kterou se bude část profilu montovat.
Nejčastěji se jedná o vnitřní plech a výztuhu plechu, která právě vnitřní plech lemuje, aby byla tato část výrazně tužší.
Po návrhu a následné konstrukci již v podstatě nebrání nic tomu, abychom mohli zahájit experimentální měření. Důležité je znát také samozřejmě podmínky zkoušení. Jak již bylo zmíněno, probíhala tedy měření v Hranicích, v laboratořích
Diplomová práce 11 sloužící pro tyto účely. Měření byla provedena za standardní laboratorní teploty, což odpovídá zhruba 23°C, doba trvání byla 94 hodin. Dále byly pak také vnitřní těsnící elementy měřeny za zvýšené teploty 70°C a stejné době trvání. Tyto podmínky odpovídají normě automobilky VW, dle které byly právě jednotlivé profily testovány.
Cílem diplomové práce je stanovení a vyhodnocení deformací profilů respektive vnitřních těsnících elementů. Zde jde spíše o jakýsi benchmark, protože jednotlivé výsledky mezi sebou nelze porovnávat, jednak z důvodu materiálových a také z důvodu konstrukčních, protože všechny profily mají rozdílné geometrie těsnících elementů, a zde i opravdu malá změna hraje velkou roli v konečném výsledku. Nicméně byly tyto deformace také pro profily z TPV materiálů, na základě odpovídajících materiálových modelů stanoveny pomocí simulačního softwaru. Teoreticky je lze opravdu porovnávat pouze v případech, kdy mají těsnící elementy dvou profilů stejnou geometrii, ale i zde je riziko, že hodnoty nebudou podobné nýbrž stejné, protože zde hraje roli i hodnota stlačení a ta se může právě u daných profilů lišit.
Diplomová práce 12
2. TEORETICKÁ ČÁST
Firma Henniges je inovativním dodavatelem komplexních těsnících systémů dveří a rámů oken včetně obstřiku skel pro automobilový průmysl z ekologicky čistého, recyklovatelného a lehkého TPV materiálu. [9]
Společnost Henniges vznikla v říjnu 2011 spojením firem Henniges Automotive (tradičního výrobce těsnění automobilů z EPDM, anti-vibračních komponentů a obstřiků skel automobilů) a Nomaseal s.r.o. (dříve Jyco Europe), která se od doby svého založení v roce 2006 stala velmi rychle inovativním a spolehlivým dodavatelem těsnění z TPE pro evropský automobilový průmysl.
Hlavní činností společnosti Henniges je vývoj, výroba a podpora zákazníků s cílem zajištění jejich maximální spokojenosti a splnění vysokých jakostních požadavků dnešního automobilového průmyslu. Henniges je dynamicky se rozvíjející společností regionu severní Moravy, která neustále investuje do nového moderního výrobního zařízení s cílem zvýšit výrobní kapacity a vytvořit nové pracovní příležitosti a posílit své postavení na konkurenčním trhu. [9]
Součástí aktuálního výrobního programu jsou např. vedení skel pro Škoda Octavia III generace, Škoda Fabia III generace, těsnění pro model Yeti, stírací těsnění pro vozy VW a Audi. Společnost je dále nominovaným vývojovým dodavatelem na připravované projekty ve Škodě Auto, Volkswagen a v dalších automobilkách. [9]
Z důvodu maximální podpory svých zákazníků působí R&D oddělení ve dvou lokalitách: v německém Viersenu a v Mladé Boleslavi. Vývoj výrobku je prováděn v obou vývojových kancelářích, zatímco vývoj výrobních procesů a optimalizace výroby je dokončen v Hranicích. Vývojový tým v Německu a Mladé Boleslavi se specializuje na vývoj těsnění karoserie s TPV a EPDM. Těsnění karoserie zahrnuje nejen těsnění, které chrání pasažéry proti vodě, prachu a hluku, ale i těsnění chránící zavazadla před vlhkostí a prachem zvenčí. [9]
Fa Henniges se nezabývá jen výrobou statických automobilových těsnění, ale i také i těch dynamických a v neposlední řadě také výrobou anti-vibračních systémů. [9]
Diplomová práce 13 Obr. 2.1: Ilustrační ukázka jednotlivých dílů, které fa Henniges produkuje [9]
1) Těsnění dveří
Těsnění dveří (namontované na karoserii a dveřích) jsou hlavním těsněním, které brání pronikání vody, vzduchu, prachu a hluku pro cestující. Těsnění dveří může být upevněno na dveřích nebo na karoserii vozidla. Vyšší účinnosti se dosahuje, pokud jsou obě tato těsnění použita společně, čímž poskytují primární a sekundární bariéru. Těsnění montovaná na dveře mohou mít barvu, která se hodí ke stylu interiéru. [9]
2) Těsnění kapoty
Těsnění kapoty jsou těsnění, která řídí průtok vzduchu mezi kapotou a prostorem motoru. [9]
3) Těsnění zadního úložného prostoru
Těsnění zadního úložného prostoru jsou těsnění, která brání průniku vody, vzduchu a prachu do kufru vozidla nebo zadního úložného prostoru vozidla SUV nebo crossover. [9]
4) Pomocná těsnění
Pomocná těsnění jsou dalšími těsnění, která zlepšují výkonnost řízením vody a snižováním přístupu vzduchu a prachu ke dveřním těsněním. [9]
Diplomová práce 14 5) Těsnění vedení skel
Těsnění vedení skel jsou těsnění umístěná po stranách a v horní části pohyblivých oken, která brání průniku vody, vzduchu, prachu a hluku do prostoru pro cestující. [9]
6) Vnitřní lemování
Vnitřní lemování jsou těsnění podél horní vnitřní hrany dveří, která brání průniku vody, vzduchu, prachu a hluku do prostoru pro cestující. [9]
7) Vnější lemování
Vnější lemování jsou těsnění podél horní vnější hrany dveří, která brání průniku vody, vzduchu, prachu a hluku do prostoru pro cestující. Vnější lemování je současně vnějším ozdobným prvkem, který může být proveden v různých barvách, lesku nebo jasu. [9]
8) Svrchní kryty a ozdoby
Svrchní kryty a ozdoby jsou vnější ozdobné prvky. Svrchní kryty jsou zastřiženy podél horní hrany dveří a mohou být provedeny v různých barvách, lesku nebo jasu. Ozdoby jsou začištěny podél vertikální strany skla dveří a mohou mít různou úroveň lesku. [9]
9) Enkapsulace skel (boční skla)
Enkapsulace skel (bočního skla) je specializovaný výrobek, kdy se ke sklu lepí pružný materiál. Sklo se například vsune do formy a obstříkne se pružným materiálem. [9]
10) Systém detekce překážek
Systémy detekce překážek jsou doplňkové speciální bezpečnostní součásti, které se používají na detekci předmětů, které se mohou dotknout pohybujících se dveří nebo skel vozidla. Po detekci obrátí pohybující se dveře nebo sklo směr pohybu, aby se zabránilo poškození. [9]
2.1 Charakteristika jednotlivých dílů
V dnešní době je celkem běžnou praxí, že pro auta středních a vyšších tříd, ale i těch nižších, se vedení skel a stírací těsnění potažmo pevné skla vyrábějí ve dvou verzích. Jednak ve verzi černé, a ve verzi lesklé. Pro experimentální část
Diplomová práce 15 byly vybrány pouze vedení skel předních dvéří černé verze, protože těsnící elementy se na jednotlivých profilech nemění a jsou stejné pro obě verze. Jak naznačuje obrázek níže pro automobil Škoda Octavia III generace.
Obr. 2.2: Definiční řezy střešního profilu Octavia (černá verze x lesklá verze) Provedení dveří je u všech vybraných automobilů navrženo jako bezrámečkové (tzn., že rámeček dveří je skrytý za střešní profil). Střešní profil vedení skla v černé verzi má rozdílný profil od lesklé verze. V lesklé verzi je profil navržen tak, aby lišta byla do tohoto profilu montovatelná. Společným znakem těchto profilů nicméně zůstávají všechny funkční jazyky a narážecí část.
Rozdílná je „pouze“ vnější vzhledová část a část, která na kterou se uchycuje lesklá lišta. To samé platí také u profilů stíracího těsnění. Těsnící jazyky a části, které se montují, zůstávají stejné.
Jednotlivé rozměry plus jejich tolerance musí zajistit správnou a bezproblémovou funkčnost dílů v nejrůznějších provozních podmínkách.
Jednotlivé díly nesmí žádným způsobem poškozovat lak nebo dokonce znečišťovat okolní díly, s kterými jsou v kontaktu nebo je nikterak žádným způsobem poškodit. Díly nesmí napomáhat vzniku oxidace (koroze) na hranách plechových dílů, na které jsou namontovány nebo jsou s nimi v těsném kontaktu.
[9]
Vedení skla a stírací těsnění musejí zajišťovat utěsnění skel a dveří proti vlhkosti, prachu, proudění vzduchu, pronikání hluku do interiéru. Bezchybné fungování mechanismů dveří, např. spouštění skel. Stabilitu skla ve spuštěné
Diplomová práce 16 poloze, především ve směru osy Y. Komfortní zavírání a otevíraní dveří, utěsnění vnitřního prostoru proti hluku a prachu z dveřního prostoru. [8]
2.1.1 Vedení skla a stírací těsnění vnější – černá verze
Elementy, které slouží k utěsnění mezer, mohou být buď poflokované nebo lakované, záleží, jak je definováno pro daný automobil (technologie sametování, lakování). Toto musí také v konečném důsledku korespondovat s díly z formy, čili jejich funkční části musí být také buď dodatečně poflokované nebo lakované.
Alternativní ošetření musí být schváleno konstrukčním střediskem dané automobilky. Doporučené materiály těsnění jsou TPE nebo EPDM. Vedení skel je nutné vyvíjet s ohledem na rozdílné tloušťky spouštěcích skel předních a zadních dveří. Po obvodu skel je keramický potisk, který je definován příslušným oddělení dané automobilky. [9]
Vedení skla – přední
Vedení skla přední je tvořeno 3 profily. Střešní profil P1A a P1B (písmena A, B rozlišují, zda li se jedná o černou verzi A nebo o lesklou B) je v oblasti střechy montovaný v ose X, vepředu i vzadu je profil částečně podélně vyseknutý a ukončený tvarovým dílem z formy. Profil P3 (nebo li profil A-sloupku) je nasazený do kovového rámečku A- sloupku, který je kolmo ke střešnímu profilu a montuje se v ose Z stejně tak profil P4 (profil B-sloupku), který je v oblasti sloupku nasazený do spáry mezi rámečkem dveří a krytkou B-sloupku. Profily P3 a P4 jsou tvarovými díly (díly z formy) připevněny ke střešnímu profilu. [9]
Vedení skla – zadní
Vedení skla zadní bývá tvořeno zpravidla 4 někdy i 5 profily. Pokud budeme brát v úvahu variantu z 5 profily, tak profil P1A a P1B je stejně jako u předních dveří montovaný v ose Y (zde platí stejný princip černá verze A a lesklá verze B), vepředu i vzadu je také částečně vyseknutý a ukončený tvarovým formovým dílem. Profil P6 (profil spáry B-sloupku) je montovaný v oblasti spáry B-sloupku ve směru osy X na svařenou stojinu konstantní tloušťky. Profil P5 (neboli profil dělícího sloupku) je také v ose X montovaný do pomocného sloupku zadního pevného skla (plastový H-profil). Profil P4 je v oblasti B-sloupku
Diplomová práce 17 nasazený do spáry mezi rámečkem dveří a krytkou B-sloupku. Profil P7 (profil C- sloupku) bývá pomocí klipů uchycen do vnitřního plechu dveří. Klipy musí být utěsněné proti pronikání vody a prachu do karoserie přes upevňovací otvory.
Profily P4, P5, P6 a P7 jsou tvarovými spoji připevněny ke střešnímu profilu. [9]
Stírací těsnění vnější – přední
Profil P2A se montuje na narážecí stojinu dveří v oblasti šachty, přední část tohoto profilu je ukončena tvarovým sekem a koncovkou. Vzadu je profil ukončen tvarovým dílem. Narážecí stojina je v oblasti A-sloupku a krytky B-sloupku zeslabena. Stírací těsnění musí být vyvíjeno tak, aby byla zajištěna bezproblémová funkce těsnění při toleranci polohy skla ±3mm (ve směru kolmém na sklo). [9]
Stírací těsnění vnější – zadní
Stejný profil P2A se montuje taktéž na narážecí stojinu dveří v oblasti šachty, oba konce profilu jsou ukončeny tvarovým dílem, v oblasti pomocného sloupku je stírací jazyk vyseknutý a je zde připevněna ucpávka (doporučený materiál pěnové EPDM). Narážecí stojina v oblasti krytky B-sloupku a C-sloupku je zeslabena. [9]
2.1.2 Pevná skla (vkládané obstřiky)
Zde je doporučený materiál těsnění TPE. Po obvodu skel je keramický potisk, který bývá definován příslušným oddělením automobilky. Pevné sklo zadní je sklo, které je spolu s pomocným sloupkem obstříknuto. Obstřik na pevném skle nesmí obsahovat žádné dodatečné výstupky rozšiřující keramický potisk kvůli vykrytí toleranci skla. Pomocný sloupek je v horní části upevňován klipem k rámečku dveří a v dolní části k výztuze dveří pomocí šroubu do kovové matice na pevném sloupku. Spodní okraj obstřiku je překrytý vnějším stíracím těsněním. Horní okraj je překrytý střešním profilem vedení skla. V oblasti C- sloupku jsou součástí obstřiků plastové matice (2, 3), které slouží k upevnění krytky C-sloupku. Pevné skla bývají dodávána ve třech variantách a to dle kombinace použitého skla:
- Kalené sklo čiré o tloušťce 3,15±0,2mm
Diplomová práce 18 - Kalené sklo zatmavené o tloušťce 3,15±0,2mm
- Kalené sklo tónované o tloušťce 3,15±0,2mm
Pomocný sloupek musí zajistit pevné uchycení profilu vedení skla. Sloupek musí být také stabilní i ve vnitřním prostoru dveří, což je nutné případně zajistit výztužnými žebry. Doporučený materiál pro pomocný sloupek je PA 40% GF. [8]
2.1.3 Lesklé díly
Platí to samé, viz kapitola 2.1.1, ale berou se zde profily, do kterých je montována lesklá lišta. [9]
2.2 Plasty v automobilovém průmyslu, materiály pro těsnící aplikace
Ze všech oblastí strojírenské výroby jsou aplikace plastů právě v automobilovém průmyslu ekonomicky nejefektivnější. Toto odvětví průmyslu je také jedním z nejvýznamnějších odběratelů. Současné široké uplatnění termoplastů při konstrukci a výrobě automobilů je výsledkem sladění specifických požadavků konstrukce a technologie výroby automobilů se specifickými materiálovými vlastnostmi plastů a technologií jejich zpracování. První aplikace plastů se objevují od začátku sériové výroby automobilů a úzce souvisí s vývojem technologie výroby a zpracování plastů.
Obr. 2.3: Plastové díly na automobilu, [11]
Diplomová práce 19 Nově vyvinuté polymerní materiály se obyčejně objevovaly v automobilech ve formě součásti hned poté, jak byly uvedeny na trh materiálů. Zpočátku nebyl výběr plastů bohatý, proto i podíl plastů v materiálové skladbě automobilů byl nízký. Se zavedením výroby nových termoplastických polymerů v padesátých a šedesátých letech nastal větší rozvoj v jejich aplikacích. V tomto období však plasty plnily především funkci náhrad klasických materiálů, které se pro svoji vysokou cenu a technologicky náročnou zpracovatelnost nehodily pro velkosériovou výrobu. [11]
Razantní vzestup spotřeby plastů v automobilovém průmyslu nastal v sedmdesátých letech a byl nastartován zvyšujícími se požadavky na pasivní bezpečnost a hospodárnost. Plasty v široké míře nahrazovaly plech v některých částech karoserie a umožňovaly tak dosáhnout podstatně vyšší pasivní bezpečnosti jak pro posádku, tak i pro chodce. V posledních letech se v automobilových aplikacích plastů stále víc prosazují ekologická hlediska, zvlášť požadavky na co nejlehčí recyklovatelnost materiálů z vyřazených automobilů.
[11]
Materiálové složení dnešních osobních automobilů
Automobil se skládá řádově z deseti tisíc součástek, které vytvářejí tři základní konstrukční principy: hnací jednotku, podvozek a karoserii. Jednotlivé konstrukční skupiny se na celkové hmotnosti podílejí následujícím procentním podílem. [11]
- Hnací jednotka - 28%
- Podvozek - 27%
- Karoserie včetně výbavy - 38%
Zbytek hmotnosti automobilu připadá na příslušenství, které není možné jednoznačně přiřadit k některému ze základních konstrukčních celků. Jednotlivé druhy materiálů jsou v osobním automobilu zastoupené v následujících hmotnostních poměrech, [11]:
Diplomová práce 20 Graf 2.1: Podíl jednotlivých materiálů na celkové hmotnosti automobilu, [11]
Polymery používané v automobilovém průmyslu
Polymerní materiály zahrnují gumu, reaktoplasty a termoplasty. Mezi reaktoplasty (dříve termosety, duromery, duroplasty) patří i pěnové polyuretany využívané na čalounění sedadel a interiéru kabiny a na zvukově-izolační dílce karoserie. [11]
Podíl termoplastů na materiálovém složení osobního automobilu je přibližně 8 %. Celková hmotnost termoplastických materiálů v osobním automobilu se u různých typů dost liší. Podle technické úrovně konstrukce a velikosti automobilu se v případě střední třídy na výrobu jednoho automobilu použije obvykle 130 až 145 kg plastů. Největší podíl plastových dílců obsahuje karosérie, nejméně podvozek. Podle druhu jsou nejvíc využívané materiály na bázi polypropylenu (35 %), následují různé druhy polyamidů (14 %), polyetylén (10 %) a polymery ABS (7 %). [11]
Vývojový trend směřuje ke stále širšímu využívání materiálů založených na polypropylénu, zvláště směsi polypropylénu s elastomery a vyztužujícími plnivy.
Širšímu uplatnění polypropylénových směsí přeje nejen široká variabilita jejich mechanických a estetických vlastností, ale též ekonomická výhodnost jejich aplikací. [11]
Diplomová práce 21 Požadavky na vlastnosti termoplastických materiálů
Konstrukce automobilů
Složitá konstrukce automobilů vyžaduje pro jednotlivé konstrukční skupiny materiály s úplně specifickými užitkovými a zpracovatelskými vlastnostmi.
Požadavky uživatelů automobilů se však stále mění směrem k vyšší bezpečnosti, většímu komfortu, hospodárnějšímu provozu a lepšímu vzhledu automobilů.
Vlivem vysoké elektronizace automobilů se zvyšuje množství plastových konektorů, které vlivem nedostatku místa musí být umísťovány stále blíže k motoru. Vysoká teplota a agresivita prostředí jsou též novou výzvou pro vývojové pracovníky. [11]
Podle jednotlivých konstrukčních částí automobilů je možno požadavky charakterizovat následujícím způsobem, [11]:
a) Karoserie
- Vysoká odolnost vůči povětrnostnímu stárnutí
- Vysoká chemická odolnost (především vůči ropným derivátům) - Vysoká houževnatost při nízkých teplotách
- Tvarová stálost při teplotě minimálně 80°C - Vysoká abrazivní odolnost
- Dobrá adheze k nátěrovým hmotám b) Podvozek – kluzná pouzdra
- Vynikající kluzné vlastnosti - Vysoká tuhost
- Vysoká chemická odolnost c) Hnací jednotka
- Vysoká tvarová stálost za tepla - Vysoká tuhost
- Vynikající kluzné vlastnosti - Vysoká chemická odolnost
- Vysoká odolnost vůči tepelnému stárnutí Zpracovatelské vlastnosti
Požadavky na zpracovatelské vlastnosti vyplývají z příslušné technologie zpracování. Většina dílů je vyráběna vstřikováním. Pro tuto technologii jsou
Diplomová práce 22 vhodné materiály vykazující nízkou viskozitu a nízkou elasticitu taveniny. Pro vstřikování rozměrově přesných dílů je žádoucí materiál vykazující minimální smrštění. [11]
Termoplasty modifikované pro automobilové aplikace
Samotné termoplastické polymery jen zřídka svými vlastnostmi vyhovují požadavkům konkrétních automobilových aplikací. Technicky nejschůdnější a ekonomicky nejpřijatelnější cesta k široké škále materiálů s vlastnostmi vhodnými pro výrobu automobilových dílů je modifikace vlastností běžných termoplastů.
Modifikace vlastností plastů se obvykle dosahuje jejich mícháním s vhodnými přísadami (polymerními i anorganickými), měnícími požadovaným směrem jejich vlastnosti. Pro potřeby automobilových aplikací je žádoucí především zlepšení, [11]:
- Houževnatosti (pro dílce karoserie)
- Estetických vlastností (dílce vnitřní výbavy karosérie) - Tuhosti (pro ovládací prvky, díly závěsů, upínaní apod.) - Tepelné odolnosti (pro díly chladící soustavy a topení)
- Kluzných vlastností (pro samomazná pouzdra, kluzná ložiska) - Nepropustnost pro páry uhlovodíků (pro palivovou nádrž a potrubí Materiály pro těsnění karoserií
Využití polymerních materiálů se týká samozřejmě i těsnících profilů do karoserií. Kde v posledních letech se nejvíce rozšířila využití materiálů TPE neboli termoplastických elastomerů. Dalšími materiály využívanými pro produkci těsnících profilů je syntetický kaučuk EPDM, který spadá do skupiny pryží. Firma Henniges, která se samozřejmě specializuje na výrobu těsnících aplikací na bázi vulkanizovaných termoplastických elastomerům (dále jen TPV). TPV nabízí působivé přednosti oproti tradičním termosetickým kaučukům: výkonnost se spolehlivostí EPDM, zpracovatelnost s jednoduchostí a hospodárností plastů, redukce hmotnosti a nákladů a možnost přímo znovu zpracovávat technologický odpad recyklací. Fa se zaměřuje především na produkci TPV těsnění, nicméně do jisté míry i produkci těsnění z EPDM materiálů. Fa Henniges disponuje 6 produkčními linkami pro TPV materiály a 2mi produkčními linkami pro EPDM materiály. Větší množství linek pro TPV materiály bychom mohli vysvětlit tím, že
Diplomová práce 23 pro sériové projekty Škoda Octavia III generace a Škoda Fabia III generace nebo i pro VW UP jsou využívány právě TPV materiály. Nejdříve ale stručné porovnání TPE a pryží.
TPE x pryže
Zásadní rozdíl mezi pryžemi a TPE je v rozdílu ve vlastnostech uzlů sítě, které nejsou u TPE chemické, z pohledu zpracování jsou vlastnosti TPE velmi výhodné, jelikož přechod ze zpracovatelské taveniny k pevnému, elastickému tělesu je rychlý, je hlavně vratný a nastává pouhým ochlazením taveniny. Kdežto v procesu výroby pryží je nutné, aby kaučukové směsi k dosažení užitných vlastností prošli složitým vulkanizačním procesem. [9]
Uzly TPV sítě jsou tvořeny určitým množstvím nemísitelných termoplastických domén, dispergovaných v kontinuální elastomerní fázi. Zatímco u konvenčních směsí polymerů působí na rozhraní fází poměrně malé síly, u TPE se vytvářejí fyzikální vazby, jejichž energie je srovnatelná s energií kovalentních vazeb. Domény v TPE jsou samozřejmě daleko větší než chemické vazby tvořící uzly sítě v klasických pryžích. Domény tvrdé fáze působí v TPE i jako plnivo a mohou mít příznivý plnící vliv na mechanické vlastnosti, zejména při větších deformacích. Domény tvořící uzly jsou při pokojové teplotě tuhé a spojují elastomerní řetězce do trojrozměrné sítě. Při zahřátí tvrdé bloky měknou a TPE je schopen toku. Vícefázová doménová struktura TPE někdy přetrvá i za zvýšených teplot v taveninách a komplikuje jejich reologické chování. [9]
Vlastnosti TPE závisí jak na vlastnostech elastomeru, tak i na poměru mezi obsahem tvrdé a měkké fáze. Zpracovatelnost TPE ovlivňuje také molární hmotnost a stupeň mísitelnosti mezi měkkou a tvrdou fází. Odolnost proti olejům a rozpouštědlům je obvykle lepší, je-li tvrdá fáze krystalická, nebo lze-li do TPE přimíchat polymer schopný krystalizace. Rychlost stárnutí závisí u TPE na termo- oxidační a světelné odolnosti obou jeho základních složek. [9]
Protože měkké i tvrdé domény TPE mohou být vytvořeny polymery různého složení struktury, vlastností a různého stupně vzájemné mísitelnosti, existuje mnoho materiálů, které lze na základě jejich vlastností TPE zařadit. Je však
Diplomová práce 24 zřejmé, že žádná ostrá hranice TPE z ostatních polymerních systémů nevyděluje. Proto jejich klasifikace není jednoduchá. [9]
Obr. 2.4: Struktura pevného bloku TPE, [9]
TPE jako sekundární možnost k elastomerům
Termoplastické elastomery (dále jen TPE) jsou dnes již dobře zavedené materiály, které v sobě spojují výhodné vlastnosti plastů a kaučuků – termoplastické zpracování a kaučukovité vlastnosti. Poptávka po TPE je dnes stejně jako dříve vzrůstajícího charakteru a oblast použití se rozšiřuje obzvláště v automobilovém odvětví. Avšak v posledních letech se rychlost růstu zpomalila, je pořád tato hodnota v porovnání s ostatními plasty vyšší. Nadprůměrný růst TPE materiálů vyplývá z jedinečné kombinace elastomerních spotřebních a termoplastických zpracovatelských vlastností. Z toho vyplývá to, že je možné tyto materiály použít k substituci jiných, obzvláště právě pak obvyklých elastomerů.
Dále je ale v neposlední řadě možnost úplně nových aplikací, díky vysoce rozvinutým postupům koextruze a vícekomponentního vstřikování. [1]
Významnou skupinou termoplastických elastomerů s nejrychlejším vývojem v posledních letech jsou termoplastické vulkanizáty – TPV – slitiny elastomerů s plasty, kde elastomerní složka je dynamicky vulkanizována. Automobilový průmysl v něm vidí především aplikační oblast těsnících materiálů a je nejvýznamnějším odběratelem produktů z TPV. [1]
Diplomová práce 25 2.2.1 Termoplastické elastomery
Termoplastické elastomery, dále jen TPE se dělí na několik základních skupin. V podstatě je možné, je dělit podle základní chemické vazby tak, jak to uvádí norma ISO 18064. Hlavní skupiny rozdělujeme na blok-kopolymery a polyblendy jak je uvedeno na obrázku níže. [4]
Obr. 2.5: Základní dělení TPE dle normy ISO 18064, [4]
Nejčastěji využívanými materiály respektive skupinami TPE materiálů je hlavně skupina pod označením TPO/TPV (termoplastické polyolefinů s vulkanizovanou nebo nevulkanizovanou elastickou fází – neboli ve zkratce EPDM/PP) a dále pak také skupina TPS (na bázi Styren Blok Kopolymerů). [4]
V experimentální části se měřily profily, které jsou na bázi materiálů, které odpovídají první skupině tedy TPO/TPV. Další skupiny dále tvoří pak materiály pod označením TPU (neboli termoplastické polyuretany), TPC (neboli termoplastické kopolyestery) a nejméně využívané TPA (polyesterové blok amidy). [4]
Skupiny TPE materiálů, je možné taky dělit dle tvrdostí, které jsou typické pro konkrétní skupinu. Největší pásmo tvrdostí má skupina materiálů na bázi TPS-SEBS, jak již samotné rozpětí tvrdostí napovídá, viz obr. níže. [4]
Diplomová práce 26 Obr. 2.6: TPE materiály – rozdělení tvrdostí, [4]
Princip struktury TPE spočívá v kombinaci tvrdé fáze s termoplastickými vlastnostmi a měkké fáze s charakterem podobným elastomerům. Dvoufázové struktury může být dosaženo rozdílnými způsoby. U polymerních slitin jsou dva polymery se silně rozdílnými vlastnostmi (např. EPDM a PP) intenzivně míchány v tavenině. Na základě nesnášenlivosti se tvoří dvě fáze, přičemž kontinuální tvrdá fáze vykazuje termoplastické vlastnosti a do ní se vkládají měkké kaučukovité nebo elastomerní částice. Materiály se síťovanou elastomerní fází se obvykle označují jako vulkanizované termoplastické elastomery (TPV).
Změnami podílů tvrdé a měkké fáze se může měnit tvrdost TPE materiálů v širokém rozsahu. Typy od velmi měkkých (<20 Shora A) až po relativně tvrdé (cca 80 Shora D) je pokryta celá oblast obvyklých elastomerů. [1]
TPE materiály vykazují nejméně dvoufázovou strukturu. Jedna z obou fází je v oblasti uživatelských teplot tuhá, zatímco druhá fáze vykazuje elastické vlastnosti. Základní mechanické vlastnosti TPE materiálů vyplývají z dvoufázové struktury, která je nepřímo rozpoznatelná z charakteristického průběhu závislosti smykového modulu na teplotě. Protože obě fáze si podrží svoje příslušné oblasti tavení, případně skelného přechodu, obdrží se při těchto teplotách markantní změny modulu nebo tlumení. V obr. 2.6 je toto schematicky představeno. Nutno však uvést, že křivky znázorněné v již zmíněném schématu, byly značně zjednodušeny a u reálných materiálů vypadají komplikovaněji. [1]
Diplomová práce 27 Obr. 2.7: Průběh závislosti smykový modul – teplota (TPE, pryž), [1]
Na rozdíl od kaučukových směsí, ve kterých se vzhledem k možnosti navulkanizování sleduje maximální teplota během zpracování, u TPE musí technologický postup zajistit určitou minimální teplotu taveniny, aby v budoucím výrobku nevznikaly studené spoje. TPE jsou proto citlivější na rozdíly teplot během zpracování. Další rozdíl mezi TPE a kaučukovými materiály je v tom, že kaučukové směsi mohou prostupovat i otvory menšími než 0,03 mm a vyžadují proto vysoce těsné formy. Kdežto formy pro zpracování TPE materiálů takovou těsnost nevyžadují. Při zpracování TPE není nutné také věnovat přílišnou péči přetokům a jinému technologickému odpadu, protože jej lze drtit a znovu použít.
Mimo jednodušší zpracování a možnost recyklace odpadu se jako hlavní výhody TPE ve srovnání s klasickou pryží uvádějí nižší cena hotových výrobků, širší možnost volby barvy dle požadavků aplikace a rovnoměrnější kvalita výrobků. [4]
TPE mají samozřejmě i své nedostatky a problémy. Tím největším je již před zpracováním obsah vlhkosti. Voda může vyvolat defekty jak uvnitř tak na povrchu součásti. Proto je nutné materiál sušit cca 2-4 hodiny. Další nevýhodou
Diplomová práce 28 je pak to, že TPE materiály mají horší vlastnosti za zvýšených teplot a větší trvalé deformace. [4]
2.2.1.1 Vulkanizované termoplastické elastomery
U dynamických vulkanizátů je míchán tvrdý termoplast s nejprve nesesíťovaným kaučukem. Přitom se nastaví jako v případě polymerních slitin ko-kontinuální fázová morfologie. V průběhu míchacího procesu je potom kaučuková fáze za současného smykového namáhání sesíťována. Tento proces je označován také jako dynamická vulkanizace. Sesíťováním kaučuku a současně působícím smykovým namáháním se rozpadá předtím ještě tekutá ko- kontinuální měkká fáze na jemně rozdělené elastomerní částice, které již nejsou tekuté, ale jsou zato vysoce elastické. Fázová morfologie těchto slitin je schematicky představena na obrázku. Výzkumy ukázaly, že se zmenšující velikost domén elastomerní fáze bylo spojeno zlepšení mechanických vlastností.
[6]
Ve srovnání s odpovídajícími polymerními slitinami s nesesíťovanou měkkou fází, vykazují dynamické vulkanizáty tři důležité přednosti: [6]
- Podíl elastomerní fáze může být zvýšen, takže jsou díky tomu možné i měkké TPE materiály s dobrými vlastnostmi
- Síťováním měkké fáze se zlepší odolnost olejům a pohonným hmotám Relaxační a krípové chování, jakož i návratnost do původního stavu, jsou podstatně zlepšeny díky síťované měkké fázi. [6]
Dynamické vulkanizáty na bázi polypropylenu mají největší komerční význam. Ve většině případů je přitom používán jako elastomerní fáze EPDM nebo EPM. Důvod pro to je třeba vidět v tom, že mezi PP a EPDM existuje podmíněná snášenlivost a proto může být dosaženo jemné disperze. Slabinou tohoto materiálu je relativně nízká odolnost olejům, která vyplývá z nepolárního charakteru elastomerní fáze. Zdálo by se být proto vhodné používat k zlepšení odolnosti olejům polární elastomerní fázi, jako např. NBR. Problematická je však v této souvislosti silná nesnášenlivost mezi PP a NBR a tím daná hrubá disperze elastomerní fáze. K zlepšení snášenlivosti jsou používána malá množství
Diplomová práce 29 kompatibilizačních činidel, která sestávají z roubovaných kopolymerů PP/NBR.
[6]
Tepelná odolnost na bázi polypropylenu je omezena maximálně 160°C.
Z tohoto důvodu byly podniknuty zkoušky s výše tavitelnými polymery, jako např.
PA 6. Ve spojení s NBR nebo jinými polárními kaučuky se tak mohou vyrobit TPV s velmi dobrými vlastnostmi. Výroba TPV se zlepšenou odolností proti teplotám a olejům je předmětem aktuálního vývoje, který má za cíl substituovat obvyklé elastomery i v oblastech vysoce namáhaných součástí. [6]
Tab. 2.1: Přehled mechanických a některých další vlastností vulkanizovaných termoplastických elastomerů, [6]
Vlastnosti Jednotky Rozpětí hodnot
Hustota g.cm-3 0,94-0,97
Modul pružnosti v tahu MPa 40 až 900
Pevnost v tahu MPa 2 až 30
Tažnost % 200 až 600
Trvalá deformace % 6 až 60
Rázová houževnatost kJ.m-2 >20
Tvrdost Shora (A, D) 28 A až 65 D
Tvarová stálost Vicat 5kg °C 40 až 80
Teplota použití °C -60 až 130
Měrný povrchový odpor Ω.m 1012 až 1015
Navlhavost % 0,1
Termoplastické vulkanizáty (TPV), dynamicky vulkanizované směsi termoplastů a kaučuků, jsou tedy součástí velké skupiny termoplastických elastomerů (TPE). Prvním průmyslově vyrobeným TPV byl Santoprene od firmy Monsanto, uvedený na trh v roce 1981, který se vyrábí dosud. Je směsí polypropylenu a etylen-propylen-dienového kaučuku (EPDM). Kaučuk v těchto směsích je dispergován v termoplastu ve formě částic o velikosti 1 až 5 μm.
Odlišně od široce používaných nevulkanizovaných směsí, tzv. termoplastických polyolefinů (TPO), je kaučuk v TPV zcela zvulkanizován, což dává řadu výhod, jako větší odolnost rozpouštědlům, lepší mechanické vlastnosti a možnost použití přísad běžně používaných v gumárenském průmyslu. Samozřejmě, získávají se
Diplomová práce 30 všechny výhody termoplastů spolu s vlastnostmi kaučuků, resp. pryží. [6]. V tabulce výše jsou uvedeny mechanické a některé další vlastnosti TPV materiálů.
[6]
2.2.2 Pryže
Kaučuky jsou nejdůležitější složkou gumárenských směsí. V rámci každého typu kaučuku často existuje řada druhů, jejichž vlastnosti se navzájem poněkud liší. Mnohé informace o kaučucích, jejich vlastnostech a použití je možné získávat přímo od dodavatelů kaučuků. [5]
Obr. 2.8: Prostorová síť mezi původními lineárními řetězci makromolekul kaučukového uhlovodíku, tvořena chemickými vazbami, [10]
Výběr kaučuků pro uvažované aplikace je nutné provádět s ohledem na jeho vlastnosti a neméně podstatné ceny. V nejvíce případech jsou vlastnosti uvedeny pro vulkanizované směsi. Nicméně lze některé vlastnosti kaučuků ovlivňovat přísadami, se kterými jsou jejich dodavatelé schopni pomoct a vybrat právě tu správnou přísadu pro danou oblasti využití. [5]
Nutno říci, že přísady ovlivní v podstatě celou řadu vlastností najednou.
Např. saze přidáváme do kaučukových směsí z důvodu zlepšení mechanických vlastností vulkanizátů, ale zároveň však zlepší také odolnost proti UV-záření, což oceníme především tam, kde bude kaučuk takovému záření vystaven. [5]
Diplomová práce 31 Informace, které jsou uváděny pro různé kaučuky a přísady umožňují zmenšit počet zkoušených materiálů, což vede samozřejmě i k úspoře finančních prostředků a zkrácení časů. Je ale vhodné je používat s velkou opatrností a jejich platnost si ověřit. [5]
Jednotlivé vlastnosti směsí nemohou být hodnoceny izolovaně, ale musí být zvažovány ve vztahu k podmínkám zamýšlené aplikace, kde se mohou různé vlivy navzájem kombinovat (např. doba expozice, teplota, mechanické napětí a deformace, přítomnost chemikálií a jejich koncentrace atd.). [5]
Důležitou charakteristikou vulkanizátů je jejich odolnost proti tepelnému stárnutí. Vždy je nutno zvážit nejen teplotu, ale také i dobu, po kterou bude dané teplotě materiál vystaven. [5]
Jako horní teplota použití se obvykle uvádí teplota, při které si vulkanizát zachová minimálně 50% počáteční tažnosti a pevnosti v tahu po 1008 hodinách (6 týdnech) expozice. Chování vulkanizátu v konkrétní aplikaci je závislé na tom, v jakém prostředí vulkanizát pracuje. Např. nepřítomnost kyslíku zvyšuje odolnost proti tepelnému stárnutí, zatímco řada chemikálií tepelné stárnutí urychluje. [5]
Mechanické vlastnosti vulkanizátů závisí na teplotě, i když k žádnému tepelnému stárnutí nedochází. S rostoucí teplotou např. často klesá pevnost v tahu, zatímco s klesající teplotou roste modul. [5]
Diplomová práce 32 Obr. 2.9: Ukázky aplikací pryže, [10]
Přestože v dnešní době existuje stále širší paleta syntetických kaučuků, zůstává NR (přírodní kaučuk) i nadále významnou surovinou pro gumárenský průmysl. Syntetické polydienové kaučuky se při zpracování, síťování a aplikacích chovají podobně jako NR. Tyto kaučuky se používají převážně při výrobě pneumatik a jsou nazývány „Syntetické kaučuky pro všeobecné využití“. [5]
Syntetické kaučuky pro všeobecné použití se vyznačují poměrně nízkou cenou a velkým objemem spotřeby. Ve vulkanizátech dávají vysokou pevnost a dobrou odolnost proti oděru spolu s nízkou hysterezí a vysokou odrazovou pružností. Protože mají poměrně špatnou odolnost proti stárnutí za tepla i nízkou odolnost proti ozonu, je výhodné v jejich směsích použít antidegradanty. [5]
Speciální syntetické kaučuky se většinou používají v inženýrských aplikacích, kde se vyžadují vlastnosti (jako je např. dlouhodobá odolnost proti bobtnání, zvýšené teplotě, povětrnostním podmínkám, ozonu atd.), které polydienové kaučuky pro všeobecné využití nezaručí. Největší objem výroby v této skupině měl v roce 1999 EPM a EPDM, výrazně méně pak CR a NBR.
Další kaučuky jsou používány jen pro výrobky se specifickými aplikačními vlastnostmi. [5]
Diplomová práce 33 2.2.2.1 Speciální syntetické kaučuky EPM/EPDM
EPM je kopolymer etylenu a propylenu. Kopolymerací je omezena krystalizace polymerních řetězců a materiál se pak chová jako kaučuk. Vlastnosti EPM kaučuků závisí na molekulární hmotnosti, distribuci molekulárních hmotností a poměru monomerů etylen/propylen. [5]
Na rozdíl od nenasycených kaučuků (jako je NR nebo SBR) nemůže být EPM síťován sírou. Vulkanizace EPM se tedy provádí peroxidy nebo radiací.
EPM se často používá i jako modifikátor rázové houževnatosti plastů a jako přísada pro zlepšení viskózního indexu mazacích olejů. [5]
Pokud je v řetězci mimo etylen a propylen přítomen jako třetí monomer nekonjugovaný dien (nejčastěji ethylidennorbornen), vzniká terpolymer EPDM, který obsahuje dvojné vazby v postraních skupinách a je možno ho síťovat nejen peroxidy, ale i sírou. Pro aplikace se zvýšenými požadavky na stárnutí za tepla je výhodnější vulkanizovat EPDM peroxidem nebo sírou. [5]
Komerční typy EPDM obsahují v současné době 40-80 hmot. % etylenu. S rostoucím obsahem etylenu roste krystalinita EPDM. Typy EPDM jsou obvykle označovány jako semikrystalické (nad 62 hmot. % etylenu) nebo amorfní (pod 62 hmot. % etylenu. [5]
Obr. 2.10: Chemická struktura EPDM, [5]
Amorfní typy s minimální krystalinitou jsou ohebnější za nízkých teplot, mají nižší tvrdost a vyšší elasticitu. Zvýšený obsah propylenu v semikrystalických typech dává EPDM lepší pevnost směsí před vulkanizací, vyšší pevnost, modul a tvrdost vulkanizátů, ale horší vlastnosti za nízkých teplot a horší trvalou deformaci. [5]
Diplomová práce 34 Průběh sirné vulkanizace EPDM závisí na typu a koncentraci dienu v řetězci (obvykle 0,5 až 12 hmot. %). Minimální koncentrace pro účinné síťování EPDM sírou zaručuje cca 2% dienu. S rostoucí koncentrací dienu v EPDM rychlost vulkanizace roste. Pro běžné výrobky dostačuje 2 až 6 hmot. % dienu, kontinuální vulkanizace vyžaduje obsah dienu vyšší než 6%. Nejvyšší koncentrace dienu v EPDM jsou nutné pro výrobu lehčených vulkanizátů. [5]
Zpracování směsí EPDM značně závisí na molekulové hmotnosti a na distribuci molekulových hmotností kaučuků. Pro snazší zpracování polymerů s vysokou molekulovou hmotností se prodávají i olejem nastavené EPDM kaučuky.
[5]
Z hlediska ceny směsí je výhodná nízká hustota EPDM, protože za kilogramovou cenu koupíme větší objem kaučuku. Výhodná je také možnost výrazně zlevnit EPDM směsi použitím vyšších koncentrací levných plniv. [5]
Jako maximální teplota pro dlouhodobé použití EPDM se uvádí 126 až 150°C (v závislosti na složení směsi). Chování EPDM za chladu se podobá NR.
Stejně jako NR a SBR má i EPDM nízkou odolnost proti nepolárním kapalným uhlovodíkům, ale může odolávat působení polárních rozpouštědel, jako jsou alkoholy a ketony. Odolnost proti kyselinám a zásadám je u EPDM výrazně lepší než u NR a SBR. [5]
EPDM vulkanizáty mají díky nasycenému hlavnímu řetězci velmi dobrou odolnost proti ozonu a povětrnostním podmínkám. Proto se často používají k výrobě střešních fólií a těsnění pro okna. Ve směsích s NR zlepšuje PEDM odolnost proti ozonovému praskání. [5]
Protože EPDM vulkanizáty jsou odolné proti vodě, používají se k izolaci vodních nádrží. Vysoký elektrický odpor, který je důsledkem nepolárnosti kaučukového řetězce, umožňuje používat EPDM vulkanizáty na obaly kabelů.
Automobilové aplikace EPDM zahrnují hlavně různá těsnění a hadice pro radiátory a topení. [5]
Diplomová práce 35
2.3 Návrh a konstrukce profilů
K jedné z nejdůležitější části patří samotný design těsnícího profilu, ať už jde o estetickou část nebo funkční, která je samozřejmě té estetické nadřazena.
Návrh profilu vychází z definičního řezu koncepčního auta. Tento definiční řez je poskytnut zákazníkem dodavateli, v tomto případě firmě Henniges.
Definiční řez kromě samotného konceptu řezu designového auta obsahuje také okolní díly. Cílem je upravit definiční řez vlastním návrhem a zároveň snížit obsah jednotlivých ploch o určité procento, které si stanový zákazník. Pro lepší představu si ale ukážeme jednotlivé definiční řezy profilu A-sloupku, B-sloupku a střešního profilu včetně okolních dílů. Veškeré obrázky v této sekci jsou vybrány pro automobil Škoda Octavia III generace. Na obrázku 2.11 viz níže, jsou zobrazeny 3D data jednotlivých dílů předních dveří a postranice vozidla. Všechny díly jsou důležité z hlediska navrhovaní profilů v jednotlivých oblastech, tedy oblasti A-sloupku, B-sloupku a oblast střešního profilu, pro kterou je právě díl postranice nesmírně důležitý. Jednotlivé názvy okolních dílů jsou úmyslně rozlišeny jinou barvou, aby nedošlo k jejich záměně za oblasti profilů.
Obr. 2.11: Ukázka 3D dat (Assembly design) karoserie předních dveří, vedení skla předních dveří a postranice vozu Škoda Octavia III generace
Na obrázku výše jak je zmíněno, jsou zachycena 3D data karoserie předních dveří a vedení skla pro přední dveře pro automobil Škoda Octavia III generace. Pro lepší zachycení byla tato konstrukce převedena do 2D formátu,
Diplomová práce 36 aby bylo možné vytvořit jednotlivé řezy a lépe tak popsat jednotlivé oblasti profilů a jejich okolních dílů.
Obr. 2.12: Převod 3D dat do Drafting modulu a naznačení řezů jednotlivými oblastmi.
Jednotlivé části profilů, jejichž řezy schematicky znázorněné na obrázku výše budou v následujících řádcích popsány včetně jednotlivých obrázků.
Začneme řezem A-A, čili řezem přes profil B-sloupku.
Řez A-A, Profil B-sloupku
Na obrázku níže je zachycen autentický řez profilem B-sloupku vozidla Škoda Octavia III generace a jeho okolních dílů. Černě popsané jsou jednotlivé části respektive oblasti profilů B-sloupků. (množné číslo uvedeno záměrně, protože konstrukce jiných profilů B-sl je obdobná a oblasti jsou totožné)
Diplomová práce 37 Obr. 2.13: Řez A-A, profilem B-sloupku včetně okolních dílů
Nosná část profilu
Jde o část profilu, na které jsou postaveny další jednotlivé části celého profilu. Každý profil má takovouto část, bez této časti, by profil ani nemohl vzniknout. Nebylo by kam umístit jednotlivé těsnící elementy, zádržné elementy, kosmetické háky atd. Jak již bylo zmíněno, každý profil má takovou to část, nicméně rozlišujeme nosné části u sloupkových profilů (profily, ve kterých jezdí sklo) a profilů střešních. U sloupkových profilů se jedná asi o největší část celého profilu a odpovídá většinou tvaru U, protože sloupkové profily se umisťují do U- kanálů, jak je patrné z obrázku výše. Kdežto např. u střešního profilu můžeme říci, že má dvě nosné části, jednak nosná část zástavbová, to je ta která se zastaví na stojinu plechu, a druhá nosná část na které jsou umístěny vnitřní těsnící elementy.
Zádržné háčky
Další poměrně důležité části profilů jsou tzv. zádržné háčky, které by měli, zapadnout za zácvaky umístěné po délce jednotlivých U-kanálů. Je nutné dávat také dobrý pozor na jejich návrh, protože právě tyto háčky určují jak dobře/lehce půjde profil umístit do U-kanálu. Jejich účelem je to, aby profil šel co nejsnáze namontovat/vložit do kanálu, ale na druhou stranu, aby nebylo tak lehké ho
Diplomová práce 38 vytáhnout zpět, aby se tím předešlo situacím, kdy celý profil B-sloupku vypadne z U-kanálu bez cizího přičinění.
Kosmetický hák
Jak již je z názvu patrné, kosmetický hák je na profilu spíše z estetického hlediska, nicméně i jeho funkčnost je nesmírně důležitá. Z výše uvedeného obrázku je patrné, že kosmetický hák zakrývá ostré hrany plechu, což je jeho primární funkce, zároveň však nic nepropustí dovnitř. Nicméně dalším požadavkem kladeným na tento element je jeho dostatečná tuhost. Jeho montáž musí být snadná, a zároveň nesmí docházet k jeho sklouznutí při najetí skla.
Vnitřní těsnící elementy
Jedna z nejdůležitějších částí těsnících profilů. Jejich funkce je nepropustit nic za sebe, ale možná ještě důležitější, udržování skla v jeho dráze. Protože při vysunutí a zasunutí skla dochází k jeho vychylování, mají tyto jazyky za úkol udržovat jeho vodící dráhu co nejvíce v klidu bez jakéhokoli vychýlení. Je na ně kladena zvláštní pozornost zákazníkem. Hlavně jaké tlakové tuhosti dosahují a také jaká je jejich deformace.
Vnější těsnící elementy
Vnější těsnící elementy mají v podstatě stejnou úlohu jako ty vnitřní nicméně se liší geometrií a také počtem, kde z vnější části profilu chceme, aby profil byl, co nejméně vidět to znamená, že geometrie těchto elementů je značně redukována, ale funkčně by měli splnit to, aby dovnitř profilu nezatékalo a jednak aby vodící dráha zasunutí a vysunutí skla byla co nejvíce konstantní a nedošlo k vychýlení skla.
Dnový těsnící element
Úlohou dnového těsnícího elementu je, aby při vychýlení skla v ose X nedošlo k nárazu do dnové oblasti nosného části profilu, a bylo tak zajištěno tlumení nárazu. Tento účel plni všechny dnové těsnící elementy v profilech.
Diplomová práce 39 Řez B-B, Střešní profil
Na obr. 2.30 je zachycen řez střešním profilem a okolními díly, také pro vozidlo Škoda Octavia III generace. Jak je vidět, profil se skládá ze stejných částí jako již výše zmíněny profil B-sloupku, jsou zde však navíc jisté další oblasti, bez kterých by profil nemohl fungovat.
Obr. 2.14: Řez B-B střešním profilem a jeho okolními díly Polypropylenová výztuha
Jedná se o výztuhu, na které leží ostatní oblasti, části profilu. Její funkce je nesmírně důležitá, jelikož je to část, která se montuje/zastavuje na stojinu, nebo li na karoserii. Účelem je co nejjednodušší montáž, ale co možná nejtěžší demontáž profilu, aby bylo možné profil demontovat jen v případě vyvinutí obrovské síly. Co možná nejtěžší demontáž, je způsobena jednak tvarem PP výztuhy, ale hlavně zácvaky, které jsou umístěny po celé délce v určitých vzdálenostech. Díky nim, PP nosič drží na karoserii a nedochází k jeho samovolnému vypadávání.
Kosmetický háček
Jedná se opět spíš o estetické využití, nicméně zde je také nutné dodat, že kosmetický háček zabraňuje tomu, aby se přes něj dostala voda, nebo nějaké nečistoty pokud jsou dveře otevřené.
Diplomová práce 40 Spárové těsnící elementy
Spárové těsnící elementy zabraňují tomu, aby v situaci, kdy jsou dveře zavřené, nedocházelo k vniknutí vody nebo popřípadě nečistot, prachu dovnitř do auta. V tomto případě jsou zde umístěny dva, jeden vnější a jeden vnitřní. Vnitřní je zároveň jakýmsi pojistným těsnícím elementem. Protože pokud bychom použili velkou sílu pro zavření dveří, mohlo by se stát, že vnější těsnící element vyklouzne a mohla by se voda dostat dovnitř. Takto jí v tom zabrání vnitřní spárový těsnící element a voda se po něm sklouzne až pryč z auta.
Řez C-C, profil A-sloupku
Na dalším obrázku je znázorněn řez C-C, což je řez profilem/oblastí A- sloupku. I zde se profil sestává z různých částí. Nicméně všechny již byly výše popsány. Funkčnost zůstává stejná i pro tyto sloupkové profily. Opět nutné dodat, že konstrukce jiných profilů A-sloupků je obdobná. Proto není třeba ukazovat i ostatní.
Obr. 2.15: Řez C-C profilem A-sloupku a jeho okolními díly
2.3.1 Zásady navrhování těsnících profilů
Při samotném navrhování jednotlivých profilů existují zásady, které je nutné dodržovat. Zásady jsou v podstatě totožné, jako u zásad, které je nutno dodržovat u technologie vytlačování, tyto spolu souvisí.
Diplomová práce 41 Rádius
Rádius je prvek, geometrický útvar, který se vyskytuje na každém profilu. Ať už se jedná o zaoblení špičky kosmetického háku, nebo o zaoblení kloubků, které snižují/zvyšují tlakové tuhosti těsnících elementů. V podstatě v každém přechodu je určitý rádius, jednak z důvodu vizuálního, ale co je důležitější, hranatý přechod není ani vyrobitelný protože není možné, aby přechod měl ostrou hranu. Takto by nebyl profil vyrobitelný, a výrobce vytlačovací hubice by požadoval úpravu. Existuje zde minimální hodnota, která by měla být dodržována (R=0,2mm) a je nejnižší možná, kterou je schopno extrudovat.
Po celém obvodu profilu by neměly být přechody, mezi kterými by nebyl rádius. Protože ostré hrany nejsou přípustné, a navíc nevyrobitelné. Na obrázku výše je vidět, že opravdu nelze najít ani jednu ostrou hranu, čili základní požadavek na vyrobitelnost je splněn.
Tloušťka stěn
Pokud budeme mluvit o tloušťkách stěn, je ideální, pokud tloušťka stěny je jednotná. Nicméně u specifických produktů jakými profily těsnění karoserie bezpochyby jsou, je velmi těžké udržovat konstantní tloušťky, je to takřka nemožné. Samozřejmě jsou různé oblasti, kde je možné tuto podmínku splnit, pokud tomu tak je, tak nic nebrání tomu konstantní tloušťku držet.
V montážní oblasti, kde víme, že budeme do profilu zavádět kovovou výztuhu tloušťky 0,5mm bude potřeba, abychom kolem výztuhy měli minimálně 0,5mm materiálu, čili budeme potřebovat tloušťku minimálně 1,5 mm.
Pokud se bavíme o nosné části, na které jsou těsnící elementy, je nutné, aby tloušťka nebyla moc silná (např. 3mm je už opravdu hodně, a hrozily by povrchové vady (propady)). Ale zase pokud by hodnota tloušťky byla moc malá (např. 0,7mm), mohlo by se stát, že při zajetí skla by mohlo dojít k prohnutí celé nosné části, což by se mohlo ve výsledku podepsat negativně na funkčnosti celého dílu. Ideální tloušťka této nosné části se pohybuje mezi 1,5 – 2 mm.
Pokud zajdeme do oblasti těsnících elementů, je opravdu těžké zvolit nějakou konkrétní hodnotu nebo konkrétní hodnoty, jelikož geometrický tvar
