Erforschung der Anwendung von hochdämpften PPS-Materialien in der Vibrationsdämpfung von elektronischen Steuersystemen

Einleitung: Eine vernachlässigte Leistungsdimension

Polybenzineschwefel(PPMit seiner ausgezeichneten Wärmebeständigkeit, chemischen Korrosionsbeständigkeit und Dimensionsstabilität wird es in den Bereichen Elektronik-Steuerungssysteme für neue Energiefahrzeuge, elektrische Steckverbinder und andere weit verbreitet. Allerdings gibt es eine Leistungsdimension, die von der Industrie lange vernachlässigt wurde:Dämpfungsleistung。

Die Dämpfung, d. h. die Fähigkeit eines Materials, Schwingungsenergie aufzunehmen, wird in der Regel durch den Verlustfaktor (tan δ) gemessen. Bei elektrischen Komponenten, die in einer Schwingungsumgebung installiert werden - ob es sich um eine um den Motor herum liegende Schaltcase, einen Steckverbinder in der Nähe des Motors oder ein in die elektrische Antriebseinrichtung integriertes Wechselrichtergehäuse handelt - hängt die Dämpfungsfähigkeit des Materials direkt von der Kontaktstabilität der Klemme, der Ermüdungsdauer der Schweißpunkte und sogar der langfristigen Zuverlässigkeit des gesamten Systems ab.

Leider ist die RegelPPSDer Verlustfaktor bei Normaltemperatur ist sehr gering. Industriestudien zeigen, dass PPS zwar einen hohen Verlustfaktor bei höheren Temperaturen (z. B. über 100 ° C) hat, aber einen niedrigen Verlustfaktor im Normaltemperaturbereich von 100 ° C und unter. Dies bedeutet, dass bei der Übertragung der Schwingungen an eine Schachtel oder einen Steckverbinder aus PPS fast die gesamte Schwingungsenergie an den internen Anschlusspunkten oder Schweißpunkten übertragen wird, was zu einer langfristigen Akkumulation führen kann, die zu einer Kontaktlösung, einer Erhöhung des Widerstands, einer Hitze und sogar zu einer Verbrennung führt.

Die Industrie ist sich dieses Problem nicht bewusst. Im MotorSteuerungIn Anwendungen wie Hochspannungsverbindern kompensieren Ingenieure in der Regel den Mangel an Dämpfung des Materials selbst, indem sie Gummidichtungen hinzufügen und das Konstruktionsdesign optimieren. Diese Lösungen erhöhen jedoch die Anzahl der Teile, den Montageprozess und die Kosten, und der Schwingungsdämpfungsweg hängt von der äußeren Struktur ab und nicht von den Eigenschaften des Materials. Wenn dieses Problem auf Materialebene gelöst werden kann, wird eine völlig neue Freiheit für die Schwingungsdämpfung des elektronischen Steuersystems geboten werden.

Wolf Chemical hat sich in dieser Richtung kontinuierlich erforscht und geprüft und teilt nun die ersten Ergebnisse mit Kollegen aus der Branche.

　Zweitens, der aktuelle Stand der Industrie: Dämpfungskurzplatten von herkömmlichen PPS

2.1 Warum ist herkömmliche PPS niedrig dämpft?

Die PPS-Molekülkette besteht aus Benzenringen und Schwefelatomen, die abwechselnd angeordnet sind, und die Struktur ist sehr reguliert, und die Kristallität liegt normalerweise zwischen 50% und 60%. Diese geordnete Struktur verleiht PPS eine hervorragende Steifigkeit und Hitzebeständigkeit, bringt aber auch eine Nebenwirkung:

Einschränkte Bewegung der Molekülkettensegmente: Bei Normaltemperatur befindet sich die PPS-Molekülkette in einem "gefrorenen" Zustand und es ist schwierig, die Schwingungsenergie durch innere Reibung zwischen den Molekülketten abzulösen.

Der Verlustfaktor ist sehr niedrig: Tan δ bei normaler Temperatur ist in der Regel nur 0,001 ~ 0,06 und hat im Grunde keine Schwingungsdämpfungs-Schockabsorptionsfähigkeit

Temperaturabhängigkeit offensichtlich: Die Dämpfungsleistung von PPS steigt erst bei höheren Temperaturen erheblich, aber dies liegt bereits über den Normaltemperaturbetriebsbereich der meisten elektrischen Komponenten hinaus

2.2 Stand der Branche

Derzeit in der Industrie in Bezug auf die Elektronik-Steuerung PPS-Isolationsmaterial, noch nicht allgemeine Aufmerksamkeit auf die Dämpfungsleistung, sind alle der Ansicht, dass PPS-Material ist so.

2.3 Nicht erfüllte Bedürfnisse

Im Kontext der Entwicklung von Elektroniksteuerungssystemen für neue Energiefahrzeuge in Richtung hoher Integration und hoher Leistungsdichte stehen Komponenten wie Wechselrichtergehäuse, Anschlusskasten und Steckverbinder immer anspruchsvolleren Schwingungsbedingungen gegenüber. Die Branche hat eine eindeutige und dringende Nachfrage nach Materialien, die "die Vorteile von PPS beibehalten und eine gute Dämpfungsfähigkeit aufweisen". Je größer der Dämpfungskoeffizient, desto schwächer die Schwingungen der Struktur, desto geringer wird der Geräusch, was eine direkte Bedeutung für die Verbesserung der NVH-Leistung des gesamten Fahrzeugs hat.

3.1 Entwurfsideen

Im Laufe der langjährigen Praxis der funktionellen PPS-Modifikation hat sich das Wolf-Team schrittweise auf eine Idee des „Mehrfasendesigns“ entwickelt. Die Idee besteht darin, dass durch den Aufbau einer mikroskopischen „Energiestreuungseinheit“ im PPS-Substrat das Material bei Schwingungen effizient in Wärme umwandeln kann.

Insbesondere umfasst diese Designidee folgende Ebenen:

(1) Kontinuierliche Aufrechterhaltung

Als kontinuierliche Phase sorgt PPS dafür, dass die gesamte Wärmebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Dimensionsstabilität des Materials nicht beeinträchtigt werden. Dies ist die Voraussetzung für alle Änderungen – die grundlegenden Vorteile von PPS können nicht zur Dämpfung aufgeopfert werden.

(2) Einführung flexibler Energieverbrauchs-Mikrozonen

Einführung von flexiblen Mikrozonen, die gut mit PPS kompatibel sind. Diese Mikrozonen entstehen bei Wechselspannungen reversibel, und die innere Reibung zwischen den molekularen Kettensegmenten verwandelt mechanische Energie in Wärme - das ist das Grundprinzip der Dämpfung der Viskoelastizität.

(3) Aufbau der Schnittstellenreibungsenergieeinheit

Einführung einer moderaten zweiten Komponente in Verbindung mit der PPS-Matrix-Schnittstelle. Unter Vibrationsbedingungen entsteht eine kleine relative Verschiebung (innere Reibung) zwischen der Komponente und dem Substrat, die zusätzliche Vibrationsenergie verbraucht. Dieser Mechanismus ähnelt der mikroskopischen Version des in der Technik häufig verwendeten "Reibungsdämpfers".

4) Mehrdimensionale Koordination

Flexible Mikrozonen unterscheiden sich von den Reaktionsfrequenzen der Schnittstellenreibungseinheit und ergänzen den Energieverbrauchsmechanismus. Beide wirken zusammen, um einen Dämpfungseffekt für ein breiteres Band zu erreichen.

3.2 Typische Leistung

Nach systematischer Rezepturoptimierung und Prozessuntersuchung sind die typischen Eigenschaften des hochdämpften PPS-Materials von Wolf (PPS+GF40) wie folgt:

Hinsichtlich des Dämpfungskoeffizienten: Ein Verlustfaktor von mehr als 0,20 bedeutet, dass das Material etwa 23% der Schwingungsenergie in Wärme ableiten kann. Zum Beispiel beträgt dieser Wert des herkömmlichen PPS etwa 1% ~ 2%, was mehr als eine Größengruppe erhöht. Im Gegensatz dazu ist der Dämpfungswert von Stahl deutlich niedriger als dieser, und die Dämpfungsleistung hat einen erheblichen Einfluss auf die NVH-Leistung.

In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften: Während der Dämpfungskoeffizient erheblich verbessert wurde, haben sich die Zugfestigkeit, die Bruchdehbarkeit und die Schlagfestigkeit nicht verringert oder sogar leicht verbessert. Die Brechdehnung von mehr als 2,2% ist besser als herkömmliche 40% glasfaserverstärkte PPS, was bedeutet, dass das Material mehr "Fehlerraum" hat, wenn es Vibrationen, Wärmeaufblähung oder Montage-Spannungen ausgesetzt ist. Das Biegemodul ist von 14 GPa auf 11 GPa zurückgegangen und ist immer noch weit höher als bei gewöhnlichen technischen Kunststoffen und ist immer noch ausreichend für dünnwandige Bauteile wie Verbindungsgehäuse und elektronische Gehäuse.

In Bezug auf Wärmebeständigkeit und Isolierung: Die Wärmeverformungstemperatur bleibt über 260 °C und ist im Vergleich zu herkömmlichen PPS bleifreies Rückflussschweißen und hohe Temperaturen im Automobilbereich standhalten. Der Volumenwiderstand wird auf einem Niveau von 105 Ω·cm gehalten und erfüllt die Isolierungsanforderungen von elektrischen Hochspannungsteilen.

　4. Potenzielle Anwendungsbereiche

Aufgrund der oben genannten Materialeigenschaften können folgende Anwendungen von der Einführung von hochdämpfenden PPS profitieren:

4.1 Umrichter-/Motorsteuergehäuse (in Kombination mit Wolf EMV Absorptionsschirmmaterial)

Wechselrichter als Kernleistungskomponente eines elektronischen Steuersystems haben komplexe Schwingungsquellen – sowohl interne Anregungen durch Hochgeschwindigkeitsschalter als auch externe Übertragungen von Motoren und Straßenbereichen. Innerhalb des Gehäuses sind Steuerplatten, Antriebe und eine Vielzahl von Sensoren integriert, die eine starre Anforderung an Vibrationsdämpfung erfordern. Hochdämpfende Gehäusematerialien verbessern die Schwingungsleistung des Systems, ohne zusätzliche Teile hinzuzufügen.

4.2 Fahrzeuganschlusskasten und Steckverbinder

Innerhalb des Anschlusskastens befinden sich mehrere Anschlusspunkte, die langfristige Vibrationen dazu führen können, dass die Anschlüsse locker werden, der Kontaktwiderstand erhöht wird und somit eine lokale Hitze oder sogar Verbrennung auslöst. Hochdämpfende PPS absorbieren Schwingungsenergie auf Materialebene, reduzieren die Schwingungsamplitude, die an die Klemme übertragen wird, und verbessern die langfristige Zuverlässigkeit.

Der Motor erzeugt während des Arbeitsprozesses Breitbandvibrationen, die auf oder in der Nähe des Motorgehäuses montierten Sensoren und Aktoren langfristig widerstehen. Hohe Dämpfungsmaterialien helfen, interne Präzisionskomponenten zu schützen und das Risiko von Signalschütteln und Kontakt zu verringern.

4.4 Elektrokomponenten in anderen Schwingungsumgebungen

Alle PPS-Komponenten, die unter Schwingungsbedingungen arbeiten, wie Kompressorklemmen, Pumpensteckverbinder, Batteriemodul-Endplatten usw., haben potenzielle Anwendungswerte.

V. Schlussfolgerung

Die Entwicklung des hochdämpften PPS-Materials ist ein erforschender Versuch von Wolf Chemical im Bereich des funktionellen PPS. Ausgehend vom grundlegendsten Materialdesign haben wir eine erhebliche Verbesserung der Dämpfungsleistung erreicht, ohne die inhärenten Vorteile von PPS zu opfern - von 0,01 bis 0,02 auf 0,20 bis 0,35, mehr als eine Größenordnung.