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Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

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Page 1: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench

Hua Wang, Li Jun ZengTRW Automotive

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Content• Introduction

• Materials Model– Stress / Strain nonlinearity

– Thermal expansion

• Analyses and Results– Axial symmetric 2D O‐ring seal evaluation

– 3D seal groove evaluation

• Summary and limitation

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench 2Oct. 30, 2012

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Introduction

• TRW was first‐to‐market in 2001 with its Electric Park Brake (EPB) on a mass production vehicle. Today, there are more than 15million TRW EPB calipers on road worldwide.

• Comparing to traditional mechanical parking brake, EPB reduces drag and saves weight, allows for greater freedom of vehicle interior design and packaging,  enhances vehicle safety and driver comfort.

Oct. 30, 2012 Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench 3

http://trw.com/braking_systems/electric_park_brakehttp://trw.com/braking_systems/electric_park_brakehttp://trw.com/braking_systems/electric_park_brake

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Introduction

• Robust  sealing  of  electric  motor  case  is  critical  for  EPB  application  in different  environments.    Improper  sealing may  allow moisture  into  the actuator  case  chamber,  which  can  cause  corrosion  and  lead  to  other function failures.

• The EPB actuator case under study is made from fiber filled plastic, which is bolted on to a foundation housing made of aluminum. The O‐ring rubber seal is in‐between the plastic case and aluminum base. 

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench 4

CAE Livonia

Oct. 30, 2012

Plastic

Rubber

Aluminum

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Introduction

• To  evaluate whether  the  actuator  case  to  foundation  housing  interface has a robust seal, CAE analyses were conducted using ANSYS Workbench:

– Include  thermal  and  mechanic  non‐linear  material  properties  of rubber, plastics, and aluminum. 

– 2D axial‐symmetric model for rubber seal evaluation.

– 3D model for seal groove deformation evaluation.  

– Two different Electric Parking Brake (EPB) systems were evaluated• Design A – baseline

• Design B – new design

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CAE Livonia

5Seal Evaluation Using ANSYS WorkBenchOct. 30, 2012

Page 6: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Material  Model• Plastic (Actuator Case)

– PPS 40% GF (Baseline Design A)

– PBT 30% GF (Design B)

• Both PPS & PBT have stress strain curves corresponding to different temperatures.

• Parallel thermal expansion:– PPS 40% GF: Coefficient of linear thermal 

expansion (Parallel): 2.6E‐05/°C– PBT 30% GF: Coefficient of linear thermal 

expansion (Parallel): 2.5E‐05/°C• Transverse thermal expansion: 

– Unknown

Notes:PBT (Polybutylene terephthalate)PPS (Polyphenylene Sulfide)GF  Glass Fiber

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench 6

PPS 40% GF 

PBT 30% GF 

Oct. 30, 2012

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Material Model

• Cast Aluminum (Foundation) – Nonlinear stress‐strain curve

– Coefficient of linear thermal expansion: 2.35E‐05/°C

• Hyperelastic (O‐ring)– Ogden 2nd order model

– Coefficient of linear thermal expansion:  8.5E‐05/°C

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench 7Oct. 30, 2012

Page 8: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

2D Axial Symmetry Model

8Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench

Design A Design B

Oct. 30, 2012

• 5‐Step Analyses:

1) O‐ring installation (stretch) (Ref. temperature: 22°C)

2) Actuator installation (squeeze) (Ref. temperature: 22°C)

3) Temperature drops to: ‐30°C

4) Temperature rises to: 23°C

5) Temperature rises to: 150°C

Page 9: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

2D – Axial Symmetry ModelDesign A (Baseline) 

9Seal Evaluation Using ANSYS WorkBenchOct. 30, 2012

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10Seal Evaluation Using ANSYS WorkBenchOct. 30, 2012

2D – Axial Symmetry ModelDesign B (New Design) 

Page 11: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Design A and Design B / Contact Pressure

11Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench

Outside

Inside

Bottom

22°C

‐30°C

23°C

150°C

Oct. 30, 2012

Page 12: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Design A and Design B / Contact Force

12

Outside

Inside

Bottom

22°C

‐30°C

23°C

150°C

12Seal Evaluation Using ANSYS WorkBenchOct. 30, 2012

Page 13: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Effects of Friction

1313Seal Evaluation Using ANSYS WorkBenchOct. 30, 2012

Friction Coefficient: 0.15 Friction Coefficient: 0.01

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Summary

14Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench

• The o‐ring seals three surfaces in groove: inner, outer and bottom interface between actuator and caliper.  

• The seal pressure and contact force change with temperature; it decreases as temperature drops, and increases as temperature rises.

• The Design B has better sealing than baseline, as it showed higher seal pressure (bottom side) or high contact force (inside and outside). 

• The bottom interface seal pressure still holds as friction diminishes.

Oct. 30, 2012

Page 15: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

3D Model ‐ Seal Groove Deformation

15Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench

• 4‐Step Analyses:

1) Apply bolt pretension (Ref. temperature: 22°C)

2) Temperature drops to: ‐30°C

3) Temperature rises to: 23°C

4) Temperature rises to: 150°C

Design A Design B

Oct. 30, 2012

Page 16: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Dimension of Groove Height

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [16]

Path location in Caliper 2.55 mm

Groove Height

Design A

Path location in Actuator 

2.55 mmGroove Height

Path location in Caliper

Path location in Actuator Design B

• The dimension change of groove height is evaluated along two perimeters.• Path of actuator location

• Path of caliper location

Oct. 30, 2012

Page 17: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Change of Groove Height (µm) / Lower Temperature

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [17]

Bolt 1

180°

90°

270°

Bolt 2

Design BDesign A

Bolt 1180°

Bolt 2270°

90°

Oct. 30, 2012

Page 18: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Change of Groove Height (µm) / High Temperature

[18]

position ‐ A

position ‐ B

position ‐ A

position ‐ B

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench

Design A

Bolt 1180°

Bolt 2270°

90°

Bolt 1

180°

90°

270°

Bolt 2

Oct. 30, 2012

Page 19: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Design A / Groove Path / Actuator Radial Def. (µm)

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [19]

Bolt 2Bolt 1

Bolt 1

180°

Bolt 2270°

90°

Oct. 30, 2012

Page 20: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Design A / Groove Path / Caliper Radial Def. (µm)

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [20]

Bolt 2

Bolt 1

180°

Bolt 2270°

90°

Oct. 30, 2012

Page 21: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Design B / Groove Path / Actuator Radial Def. (µm)

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [21]

Bolt 1Bolt 2

Bolt 1

180°

90°270°

Bolt 2

Oct. 30, 2012

Page 22: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Design B / Groove Path / Caliper Radial Def. (µm)

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [22]

Bolt 2

Bolt 1

180°

90°270°

Bolt 2

Oct. 30, 2012

Page 23: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Summary • The seal groove deformation is within 40μm over the temperature range for both designs: – Maximum groove height change of design A: ‐16 µm at ‐30°C, 38 µm at 150°C

– Maximum groove height change of design B: 20 µm at ‐30°C, 14 µm at 150°C

• When temperature drops, Design A shows decreased groove height. 

• When temperature rises, Design B shows less groove height expansion.

• Design B seal groove height deforms more uniformly comparing to the baseline design. 

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [23]Oct. 30, 2012

Page 24: Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench Evaluation Using ANSYS WorkBench Hua Wang, Li Jun Zeng TRW Automotive

Conclusion / Limitation• Using  ANSYS Workbench,  seal  evaluation  was  performed  on  two different EPB designs:

– 2D axial‐symmetric model for rubber seal evaluation.– 3D model for seal groove deformation evaluation. 

• Design B shows better sealing behave Overall.– Higher sealing pressure/force.– Less groove deformation at high temperatures.

• Plastic material with fiber filler has different thermal expansion in parallel and normal direction.  Normal direction generally has higher thermal expansion than parallel direction.  Only parallel direction is taken into account during this analysis. 

Seal Evaluation Using ANSYS WorkBench [24]Oct. 30, 2012