基于ABAQUS的电子助力器副密封圈参数优化

电子制动助力器作为线性控制系统的一种解决方案，对结构可靠性提出了更高的要求，其中制动主缸密封皮碗的失效问题严重影响着制动总缸的抗失效性能。着眼于上述问题，本文以密封皮碗的材料形状、组装要求等参数设计正交试验，运用Abaqus模拟密封皮碗在位移下的受力过程并求出挤入处的最大Mises应力、挤入量和左侧密封处的磨损量；建立了影响因素与响应的二次响应回归方程；以密封皮碗防啃噬、防磨损相关效果为优化目标，使用遗传算法NSGA-II相关函数进行多目标优化，结合原尺寸结果挑选出帕累托最优解，使密封圈的抗失效性能得到了提高。

随着汽车线控技术的研究发展，电子制动助力器由于其控制精度高、响应迅速、布置灵活的特点， 广泛应用于各类新能源车辆的制动系统中[1]。作为线控制动系统的关键安全部分，电子制动助力器的可靠性和耐久性对车辆的平稳运行起到重要的影响。而主缸密封圈作为电子助力器的核心部件，其工作原理是在活塞转换成液压能的过程中分隔压强并密封，涉及到一系列液压作用、材料超弹性等问题。在常规制动工况下，制动主缸缸内压强在90~100 bar 左右。在长期使用过程中，主缸密封皮碗会受到活塞、油液冲击的影响继而发生磨损，导致密封失效。此外，密封圈的底部会因摩擦、液压作用而被挤入活塞与缸体的间隙中， 导致其底部的局部应力集中， 在运行中不断累积， 最终导致密封圈底部的啃噬失效[2]。

至今，国内外的高校和企业针对密封皮碗的失效形式提出了许多研究以及解决方案。Dodds 等人研究EPDM 橡胶制成的密封圈，研究发现当压力升至一定时，密封圈会其形状的问题，最后导致破裂。这一现象影响了密封圈性能，失效问题主要是由于EPDM 橡胶材料的特性[3] [4] [5] [6]。

本文以某电子助力制动器的主缸密封皮碗为研究对象，以防啃噬、防磨损为优化目标，结合硬度、摩擦系数、间隙距离等相关变量，开展了密封皮碗参数优化，得到最佳的密封皮碗参数组合，对电子制动助力器的可靠性具有重要的意义。

2. 理论模型 2.1. 橡胶材料本构模型参数 本文制动主缸密封皮碗采用的材料为EPDM 橡胶[7]，相应使用的是Mooney-Rivlin 本构模型。

Mooney-Rivlin 本构模型针对有着高度非线性的应力应变曲线的橡胶材料， 常用应变能密度函数来表征橡胶材料的超弹性[8]，进而可以较好地表现橡胶材料在中小应变作用下的特性，其式为： ()()10101233UCICI=−+− (1) 式中：U 表示应变能密度；10C、01C为橡胶材料的力学性能常数；1I 、2I 为第一和第二应力不变张量。

2221123Iσσσ=++ (2) 2222222122313Iσ σσ σσ σ=++ (3) 式中：1σ 、22σ 和23σ 分别为橡胶沿x、y、z 方向的主应力。

通过指定的橡胶硬度，计算出相应的弹性模量，相关公式如下：