移动出行领域的工程技术发展迅速。但是有一个小小的零部件，尽管已经进化和演变，但直至今日，它仍然像1937年10月2日尼尔斯A.克里斯藤森申请2,180,795号美国专利时一样重要。在当时，作为防止活塞往复运动过程中流体泄漏的一种手段，克里斯藤森发明的O形圈解决了活塞运动中流体泄露的问题，使移动出行领域的密封性解决方案发生革命性巨变。
七十五年后的今天，专家们面临着一个属于当今时代的特殊挑战——如何应对从内燃机（ICE）向汽车电气化转变过程中的密封性挑战。今天，我们看到大约仍有80%比例的人们支持内燃机汽车，但预计到2028年，随着使用习惯的改变，支持内燃机汽车的人群比例将下降到将近55%。
新的应用提出了新的挑战
进一步的预测表明，随着共享汽车和网约车的不断盛行，有一部分私有车辆的需求将随之改变。这意味着汽车零部件必须更耐用、对新的腐蚀性介质更耐受并且更坚固，以此来满足汽车电气化背景下更高行车里程的要求。在此，我们以电子驻车制动系统（EPB）为例——这是电气化过程中的一项关键技术，它必须始终以最高安全标准运行，尤其是在自动驾驶程度不断提高的情况下。
在EPB中，O形圈需要在特定条件下提供轴封，它被压在主轴上，并且必须能够在生命周期内承受300,000次以上的驱动执行。就功能要求而言，制动本身是通过主轴围绕中心以50 rpm的最高转速旋转+/-420°来实现驱动的，温度范围是从最低-40℃到最高120℃。在上述这些条件下，以及所要求的-0.6到120.0 bar的密封压力范围内，O形圈制造商面临的挑战在于开发出一种具有特殊强度、更高耐磨性、更优硬度且便于加工的密封件。
如何将其转化为材料要求？
简而言之，材料既要易于加工，又要能够达到所期望的硬度和耐磨性；这就使得问题变得颇为棘手。因此必须对材料本身进行微调，以满足所需的硬度；例如使用特殊填料来优化耐磨性，然后在应用所涉及的相关环境中进行广泛测试，以便在实地测试之前给出全面评估。
如今，在实验室条件下使用专业设备来复制真实世界的应用情况已成为可能，这样就可以很好的观察零件的应用表现、收集相关数据并进行分析，以实现优化。这种方式减少了开发时间和成本。在下图中，可以看到在应用相关环境中不同胶料的性能对比；其中，胶料1在设定的试验参数下表现优于其他胶料。
图1：应用相关环境下不同胶料的对比（从上到下排序：胶料1、胶料2、胶料3）
除了对胶料的测试以外，我们现在可以实现对特定应用环境下，胶料及胶料表面处理剂的进一步测试，以此来帮助确定最佳的胶料和表面处理剂组合模式。这些测试能力意味着新产品新技术的开发可以更快更准确地实现，从而进一步缩小实验室与批量生产之间的差别。
仿真分析是O形圈开发过程中的关键环节
用于未来移动出行设备的O形圈必须具有高性能、高可靠性和很好的耐用性。因此，在O形圈的开发过程中不能低估先进仿真分析技术的重要性，它可以帮助实现材料测试和建模、结构力学分析和模流分析。
橡胶材料有一个典型的单轴拉伸强度测试。下面的曲线显示了相对复杂的应力应变行为。除了首次应力加载后产生的应力松弛外，还观察到了马林斯效应。如果需要循环负载，观察滞后曲线和永久变形便很重要。通过精确的仿真分析模型来论证不同的作用影响情况，以便用于O形圈的设计，从而进行优化。
图2：橡胶材料的单轴抗拉测试
材料模型的准确性取决于测试过程的优化。采用非接触法，进行光学应变测量来计算局部应变比例非常重要。然后创建整个抗拉测试的视频图像，并在表面上采用散斑图来跟踪这些不同点的位移。根据不同点之间距离分布的变化，精确计算应变情况。
结构力学分析
要优化O形圈的结构，则必须首先关注其内径和横截面的设计。建立模型并模拟O形圈在壳体内的安装，以计算接触压力分布等要素。然后分析O形圈的重要设计参数，并且可以计算出压缩率和沟槽填充量。
下一步是关注设计公差——几何及温度公差范围。通常，在室温条件下先对目标材料进行测算，然后进行两次进一步的模拟——一次在功能范围内的最低温度下，一次在最高温度下。这样就为系统设计提供了足够的信息以及足够的自由度。法向应力和接触压力的测量对确保密封效果起到了重要作用。
模流分析带来更好产品质量
在模流分析过程中，模具的优化是通过了解成型过程中模具内的温度分布情况并加以改善来实现的，以此来确保型腔被均匀填充。
首先，制作模具的三维模型，测量型腔，并模拟材料被注射到这些网格化的型腔中，以观察材料流动、注射压力等等。下图显示了O形密封圈的模流分析情况。在此，可以观察材料在流道中的流动。通过模拟这一过程，可以避免逐级填充，从而使开发过程更快。此外，还可以计算硫化程度；了解这点至关重要，因为它决定了O形圈的功能和性能的好坏。
图3：O形密封圈的模流分析示例
结论
从表面上看，一个小小的橡胶圈的设计和开发可能看起来很简单，但真实情况远比简单地将橡胶注射到模具中去来的复杂。为确保所生产的关键密封件能正常工作，从研发到生产的每一个细节都有着很高的要求。鉴于这些密封件对乘客的安全驾乘至关重要，研发生产过程中的任何一处细节都不能偷工减料。是否与O形圈的专业供应商密切合作，这可能意味着最终得到的是合格密封件还是优秀密封件。随着密封件的必要性能参数越来越多，选择优秀密封件必然会是大势所趋。
