PPS材料的應(yīng)用于電子水泵
一、 電子水泵結(jié)構(gòu)及工作原理
發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高會(huì)使機(jī)油潤(rùn)滑能力下降，導(dǎo)致機(jī)件磨損加劇，溫度高到一定值會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸或燒瓦等嚴(yán)重故障出現(xiàn)，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燒毀報(bào)廢。
水泵是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部件，主要作用是負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)多余的熱量并通過散熱裝置傳遞到外部空氣中，避免發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高。
水泵分為傳統(tǒng)機(jī)械水泵和電子水泵兩種。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一般使用的是機(jī)械水泵，是通過皮帶輪帶動(dòng)水泵軸承及葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水泵中的冷卻液被葉輪帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下被甩向水泵殼體的邊緣，同時(shí)產(chǎn)生一定的壓力，然后從出水道或水管流出。葉輪的中心處由于冷卻液被甩出而壓力降低，水箱中的冷卻液在水泵進(jìn)口與葉輪中心的壓差作用下經(jīng)水管被吸入葉輪中，實(shí)現(xiàn)冷卻液的往復(fù)循環(huán)。
傳統(tǒng)機(jī)械水泵是基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而工作的，這也就導(dǎo)致了即使在對(duì)流量需求不高的冷啟動(dòng)和低負(fù)荷高轉(zhuǎn)速工況下仍然需要很大功率來(lái)驅(qū)動(dòng)，在此時(shí)提供的冷卻能力遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際需求，而且需要很大功率來(lái)驅(qū)動(dòng)，就會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性的下降。
電子水泵工作原理如下：ECU（電子控制單元）根據(jù)水溫等反饋信號(hào)，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)節(jié)占空比的大小，并把信號(hào)傳到電子水泵內(nèi)部的控制器，控制器根據(jù)占空比大小控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷卻液循環(huán)。
電子水泵
電子水泵可以根據(jù)冷卻裝置對(duì)冷卻液的需求來(lái)精確控制流量。隨著科技的發(fā)展及對(duì)燃油效率的高要求，電子水泵的應(yīng)用越來(lái)越多，目前市場(chǎng)上混動(dòng)及新能源發(fā)動(dòng)機(jī)都開始使用電子水泵。
電子水泵由泵殼、葉輪、密封圈、電機(jī)殼、電器插頭、電機(jī)總成、軸承、轉(zhuǎn)子、控制器、控制器座、后蓋、固定螺栓等組成，如圖所示。
電子水泵結(jié)構(gòu)圖
ECU根據(jù)水溫等反饋信號(hào)，通過PWM調(diào)節(jié)占空比的大小，控制器通過電氣插頭連接線束，然后根據(jù)占空比大小控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪和轉(zhuǎn)子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷卻液循環(huán)，確保對(duì)冷卻液流量的精確控制；密封圈是保證泵殼和電機(jī)殼、控制器座和后蓋之間的密封性；泵殼、電機(jī)殼、后蓋是將電子水泵的內(nèi)部元件密封在一個(gè)無(wú)塵環(huán)境，確保電子水泵工作可靠性，如圖所示。
電子水泵工作原理
二、電子水泵的特點(diǎn)
1）提供適時(shí)適量冷卻能力，耗能低、效率高，根據(jù)水溫等信息實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液流量的精確控制，減少冷卻液流動(dòng)距離并實(shí)現(xiàn)水泵排量降低60%左右。
2）減少摩擦，電子水泵采用電力驅(qū)動(dòng)，相比機(jī)械水泵采用附件皮帶驅(qū)動(dòng)，減少了摩擦功，NEDC（新歐洲駕駛周期，是歐洲的續(xù)航測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）循環(huán)可實(shí)現(xiàn)油耗降低2%左右。
3）加速暖機(jī)，對(duì)于混合動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于啟停頻繁，需要較快的暖機(jī)速度，電子水泵由于排量可實(shí)時(shí)控制，因此在冷啟動(dòng)時(shí)降低冷卻液流量可達(dá)到加速暖機(jī)、降低油耗和排放的效果。
4）使用壽命更長(zhǎng)，連續(xù)工作時(shí)間在2萬(wàn)小時(shí)以上。
5）漏水風(fēng)險(xiǎn)大大降低，機(jī)械水泵的葉輪是采用過盈配合壓裝在水泵軸承上的，而電子水泵的集成式磁力葉輪是由安裝在水泵殼體的磁芯驅(qū)動(dòng)的，這樣可實(shí)現(xiàn)水腔和外部的分離，可去除水封，也就降低了摩擦損失和漏水的風(fēng)險(xiǎn)。
6）控制方式靈活（PWM、總線）。
7）多重工作保護(hù)（過溫、過壓、過流等）。
三、電子水泵失效模式及失效原因
1）水溫異常升高，電子水泵性能降低。性能降低可能發(fā)生有兩種原因：
①葉輪組件與空心軸過盈設(shè)計(jì)過小，導(dǎo)致葉輪與空心軸連接不可靠，葉輪打滑，從而造成葉輪轉(zhuǎn)速不達(dá)標(biāo)，水泵性能降低；
②鑲嵌件防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致鑲嵌件與注塑葉輪出現(xiàn)打滑，從而造成葉輪轉(zhuǎn)速不達(dá)標(biāo)，水泵性能降低。
2）電子水泵轉(zhuǎn)速時(shí)有時(shí)無(wú)，最終降為零，停止工作。導(dǎo)致水泵不工作的原因總結(jié)有以下5點(diǎn)：
①芯片或電子器件失效，銅箔厚度不滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致溫度升高時(shí)銅箔燒斷；
②防水透氣閥密封圈材料選擇不合理，在極限環(huán)境下老化，導(dǎo)致氣密性不合格，水汽進(jìn)入干區(qū)，水泵短路，水泵停止工作；
③控制器簧片與漆包線焊接面積設(shè)計(jì)不合理，接觸段強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致簧片與漆包線斷裂，水泵無(wú)法工作；
④控制器處的電容之間或者電容和支架之間未涂膠固定，導(dǎo)致電容只依靠針腳與簧片之間的焊接支撐，在振動(dòng)情況下，電容整體晃動(dòng)，使針腳受循環(huán)負(fù)荷引起疲勞斷裂，導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)速降為零；
⑤散熱膠選擇不合理，導(dǎo)致散熱膠膨脹產(chǎn)生大量空洞，使PCB（印刷線路板）無(wú)法正常散熱，導(dǎo)致過溫失效。
四、PPS材料在電子水泵中的應(yīng)用
電子水泵由泵殼、葉輪、密封圈、電機(jī)殼、電器插頭、電機(jī)總成、軸承、轉(zhuǎn)子、控制器、控制座、后蓋、固定螺栓等組成。
電子水泵組成
電子水泵性能好壞除了優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的材料也是至關(guān)重要，直接影響到電子水泵是否能正常運(yùn)作。
電子水泵中的部件常用聚苯硫醚PPS材料，它是的特種工程塑料，具有耐高溫、尺寸穩(wěn)定不易變形、電氣性能、耐化學(xué)性腐蝕、阻燃UL94V-O級(jí)、電絕緣性能優(yōu)、耐水解等綜合性能，同時(shí)改性后的PPS具有高流動(dòng)性、高韌性、高耐磨、高強(qiáng)度、耐冷凍液、高CTI、低介電等多種特性，確保了電子水泵工作的可靠性。
水泵外殼要求與金屬結(jié)合力強(qiáng)，耐防凍液，強(qiáng)度高，熔接線強(qiáng)度高（避免產(chǎn)品存放開裂），耐水解，采用PPS料可滿足其材料要求，注塑一體成型，易加工，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)不易變形。電機(jī)殼采用高韌PPS料，可達(dá)到高功率漏氣開裂改良的效果。
水泵葉輪采用PPS注塑加工成型，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高，阻燃耐高溫，高韌性，尺寸穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)等。
水泵轉(zhuǎn)子采用PPS注塑加工成型，具有高耐磨、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。
綜上：
1）電子水泵相比于機(jī)械水泵精度高、耗能低。
2）電子水泵可實(shí)現(xiàn)精確控制冷卻液流量，減少冷卻液流動(dòng)距離并實(shí)現(xiàn)水泵排量降低60%左右，從而提升效率。
3）電子水泵水溫異常升高，性能降低或停止工作有多種原因，可針對(duì)性處理。
4）聚苯硫醚PPS材料性能優(yōu)異，可滿足電子水泵多方面性能要求，在電子水泵中應(yīng)用廣泛。
行業(yè)資訊：
特種工程塑料品種眾多，主要包括聚苯硫醚（PPS），液晶聚合物（LCP），聚醚醚酮（PEEK），聚酰亞胺（PI），聚砜(PSF），聚芳酯（PAR），含氟聚合物（PTFE、PVDF、PCTFE、PFA）等。其中聚苯硫醚PPS是其中市場(chǎng)消費(fèi)量最大、國(guó)產(chǎn)化率最高的一種。
聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，PPS）是分子鏈中帶有苯硫基的高性能熱塑性樹脂，在常溫下通常呈粉末狀或顆粒狀。
聚苯硫醚PPS是聚芳硫醚中最重要、最常見的樹脂品種之一。PPS 有十分優(yōu)異的熱性能、電性能、耐化學(xué)性能、耐輻射、阻燃等性能。PPS 的發(fā)展成熟、性價(jià)比高，是綜合性能優(yōu)異的熱塑性特種工程塑料，常作為結(jié)構(gòu)性高分子材料使用。
從下游應(yīng)用看，PPS除了應(yīng)用在電子、燃油車、航空航天、精密器械等傳統(tǒng)領(lǐng)域，隨著新能源汽車、5G通信、高壓連接器、消費(fèi)電子、半導(dǎo)體、醫(yī)療、能源等行業(yè)的快速發(fā)展，PPS的應(yīng)用也不斷擴(kuò)展。比如，受益于新能源汽車的發(fā)展，PPS作為金屬材料的替代品，廣泛應(yīng)用于新能源汽車HVAC系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件以及電池組件等。據(jù)報(bào)道，傳統(tǒng)汽車上的PPS用量為700g/車，而在新能源汽車上PPS用量達(dá)到2500g/車。
從中游改性和加工看，PPS往往需要進(jìn)行玻纖/碳纖增強(qiáng)、增韌、礦物填充、抗靜電、潤(rùn)滑、染色、耐磨、共混合金等改性，以進(jìn)一步增強(qiáng)其應(yīng)用價(jià)值。其加工及后加工方式包括共混改性、注塑成型、擠出成膜、浸漬復(fù)合、棒材型材、機(jī)械加工等，其中會(huì)使用到各種助劑、加工設(shè)備等。從上游聚合看，PPS聚合具有較高的技術(shù)門檻，除了吳羽、東麗、DIC、索爾維等傳統(tǒng)國(guó)際企業(yè)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)能目前主要集中在新和成、濱陽(yáng)燃化、重慶聚獅等少數(shù)企業(yè)。
