電動真空泵的試驗研究

盧鐵英，郭鵬鹍，袁文強

(中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

汽車制動系統主要有液壓制動和氣壓制動兩種形式[1]。液壓制動的結構比氣壓制動簡單、可靠并且成本低，現在乘用車普遍采用這種形式。早期的液壓制動系統采用人力機械制動，沒有配備助力裝置。該形式的制動系統需要駕駛員提供較大的制動力，存在制動力不足、容易造成駕駛員疲勞等風險和缺點。克服液壓制動系統的這些缺點的有效方法之一就是增加真空助力系統。具有真空助力系統的剎車系統的制動踏板與剎車主缸之間設置有真空助力器，剎車時，踏板的力加上助力器的力一起推動剎車主缸活塞，降低了對駕駛員制動力的要求。

真空助力系統由真空助力器、真空罐、真空度傳感器、真空源等組成。剎車時，真空助力器的膜片一側連通真空源，另一側連通大氣，通過兩側的壓力差實現助力。真空源是真空助力系統的重要組成部分之一。具有汽油發動機的汽車在沒有負載開啟的情況下，其進氣歧管真空度一般為0.07 MPa，可以利用進氣歧管的低氣壓將真空助力器中的空氣抽出。具有柴油發動機的汽車，其進氣管不能像汽油發動機一樣形成足夠的低壓，為了實現真空助力，需要單獨配備真空泵。純電動汽車因為沒有發動機，為了實現真空助力，需要單獨配備電動真空泵。當制動踏板被踩下后，由于真空助力器的膜片一側與大氣連通，在大氣壓和踏板推力的作用下，膜片另一側真空室被壓縮，助力系統中的真空度降低，真空度低于設定值下限時，電動真空泵開啟。

1 電動真空泵結構

目前，新能源汽車制動助力系統的電動真空泵按照結構形式主要為三大類：活塞式，隔膜式和旋片式[3]。

活塞式電動真空泵結構如圖1所示[3]，電機為永磁式直流電機，其泵頭部分有兩個對稱分布的工作腔，每個工作腔各一個活塞，活塞連接偏心輪。電機帶動偏心輪旋轉，從而帶動兩個活塞作往復運動。活塞的往復運動形成工作腔的吸氣和排氣，結合進出口的單向閥，便具有抽真空的能力。

膜片式電動真空泵的結構如圖2所示[3]，其泵頭部分也有兩個對稱分布的工作腔，每個工作腔各一個膜片，膜片通過連桿連接于偏心輪。電機帶動偏心輪旋轉，從而帶動兩個膜片往復變形，造成工作腔容積的往復變化。

旋片式真空泵又可以分為單葉片和多葉片，其原理相同。圖3為多葉片式真空泵[3]，其泵頭部分包括轉子、葉片和工作腔，轉子和工作腔不同心，葉片位于轉子上的槽中。當電機帶動轉子旋轉時，葉片在離心力的作用下從槽中伸出并與工作腔的側壁接觸。葉片、轉子和工作腔壁組成一個單獨的空間，并隨著轉子轉動而容積變化，從而實現吸氣和排氣。

圖1 活塞式電動真空泵圖2 膜片式電動真空泵

葉片式真空泵質量小，技術相對成熟，但是摩擦較大，工作時摩擦導致溫度上升快，并且噪聲大。膜片式真空泵雖然噪聲低，但是質量大。活塞式電動真空泵質量和噪聲適中，使用壽命一般。

2 電動真空泵在實際應用中存在問題

國內在汽車配套方面，以往主要是采用德國海拉公司的旋片泵和大陸公司的膜片泵，二者基本處在壟斷地位[4]。隨著電動汽車的逐漸推廣和普及，電動真空泵產業迅速發展，出現了一大批自主研發電動真空泵的企業。但是，很多產品存在一些問題。

在2018年新能源汽車的召回中，因制動助力真空泵問題召回的車輛為8.31 萬輛，占全年召回總量的61.2%[5]。

新能源汽車大多采用真空助力器作為制動系統的輔助助力方式，電動真空泵作為真空源,其性能的好壞直接影響制動效果，可見電動真空泵對于行車安全的重要性。解決電動真空泵的質量問題顯得尤為緊急。為了在開發階段提前發現電動真空泵的問題并進行改進，或者驗證泵的質量是否符合裝車要求，就需要進行相關的試驗。

3 電動真空泵技術要求和試驗方法

目前，針對汽車制動系統電動真空泵的測試，可參考的標準有QC/T 1004-2015《汽車電動真空泵性能要求及臺架試驗方法》[6]。電動真空泵的研發企業也會有自己的測試標準。除此之外，也有研究人員提出一些技術要求和測試方法[7]。電動真空泵的主要技術要求如下所述：

(1)抽氣速率

是指電動真空泵在不同試驗環境溫度下，管路容積按照規定值時，達到不同真空度所需要的抽氣時間的要求。該要求反映的是真空泵抽氣的流量，即真空泵開啟后，真空管路中氣壓隨時間的變化關系，其指標可以根據具體的使用情況而規定，比如考慮真空罐和助力器的容積。

(2)最大真空度

電動真空泵所能達到的最大真空度，一般要求真空度不應低于86 kPa。

(3)工作耐久性

工作耐久性試驗包括常溫階段、高溫階段和低溫階段。試驗時，參照真空泵布置方式及管路容積設定模擬實車。QC/T 1004中規定干式真空泵從-50 kPa抽至-70 kPa，常溫階段(20 ℃)工作2.5 萬次，周期20 s；高溫階段(120 ℃)工作0.5 萬次，周期20 s；低溫階段(-40 ℃)工作0.5 萬次，周期25 s。試驗后滿足抽氣速率和最大真空度的要求。

(4)振動耐久性

模擬真空泵在實車行駛時，受到車身傳遞過來的路面激勵。QC/T 1004中規定以43 m/s2的加速度、33.3～66.7 Hz沿垂直方向進行掃頻試驗，掃頻周期為15 min，試驗時間為40 h。試驗后滿足抽氣速率和最大真空度的要求。

(5)耐腐蝕性

按GB/T 10125-1997中的中性鹽霧試驗要求進行144 h(鍍鋅件為96 h)的連續噴霧試驗。試驗結束后，檢查并記錄表面防護層腐蝕情況。

(6)噪聲

電動真空泵按常溫耐久性試驗條件運轉，同時采集噪聲。在電動真空泵的左、右、上3個方向距離其幾何中心0.3 m處，分別布置聲級計進行噪聲測量，一般要求其噪聲值不大于70 dB(A)。

(7)防護等級和電磁騷擾特性

分別根據GB/T 4942.1-2006、GB/T 18655-2010中的規定進行試驗，外殼防護等級不應低于IP56，并滿足輻射騷擾限值等級1要求。

(8)濕熱循環試驗

根據GB/T 2423.4進行濕熱交變試驗，試驗后電動真空泵抽氣速率和最大真空度符合要求。

(9)冷啟動試驗

空泵在-40 ℃環境溫度下存放4 h以后，接通電源真空泵應該在1 min內立即啟動，并且電機不堵轉，最大電流符合要求。

(10)高低溫儲存試驗

非工作狀態的樣品在-40 ℃的保溫箱中放置48 h，取出在常溫下放置2 h，再將此非工作狀態的樣品放入120 ℃的保溫箱中96 h，取出在常溫下放置2 h。試驗后電動真空泵性能符合規定要求。

4 更嚴格的工作耐久性試驗設計

以上所介紹的技術要求是電動真空泵必須具備的。作者在測試中發現，電動真空泵的性能指標，比如抽氣速率、最大真空度、噪聲、防護等級、電磁騷擾特性和冷啟動等，一般都能夠達到技術要求；振動耐久、耐腐蝕、濕熱循環和冷啟動也一般能夠達到技術要求，但是工作耐久容易暴露出產品的缺陷，尤其是在高溫階段，容易發生失效。

為了更進一步驗證電動真空泵性能，保障使用的安全可靠性，可以利用工作耐久試驗著重考察產品的質量。為了使工作耐久性試驗與實車使用情況更加符合，可以采用如下試驗方法。

按照圖4所示原理圖搭建試驗系統，并將真空泵與真空罐部分放置于可程式溫箱中，控制器、壓力傳感器、換向閥等元器件放置于溫箱外部。壓力傳感器和放氣閥與真空罐連接管路盡量短、內徑盡量大，以保證壓力檢測的實時性以及放氣時間符合要求。試驗時真空泵首先將真空罐的氣壓抽至-p1，真空泵停止工作，并打開閥門放氣，氣壓下降到-p2時停止放氣。然后根據規定的啟停時間比例，啟動和停止真空泵。當真空泵停止時，開啟與真空罐連接的放氣閥門，真空罐內氣壓下降到-p2時，關閉閥門停止放氣進入真空罐。這個放氣過程耗時必須小于真空泵的停止時間。具體的啟停時間和溫度變化如圖5、表1所示。當真空泵工作時間累積到一定時長后(1 000 h)，檢測其抽氣速率和最大真空度。

圖4 工作耐久性試驗系統

圖5 工作耐久性試驗溫度曲線

表1 工作耐久性試驗溫度和啟停時間

5 結論

總結了制動助力電動真空泵的作用和結構，可知電動真空泵是電動汽車制動助力系統的重要組成部分，其質量的優劣直接關系到行車安全。為了把控和驗證真空泵的性能和可靠性，可以根據行業標準和企業標準進行相關試驗，總結了相關的技術要求和試驗方法。根據作者的測試經驗發現，為了更加符合實車情況，有必要按照文中介紹的更為嚴格的耐久測試方法進行試驗，該方法能夠暴露出真空泵的缺陷。