電動真空泵耐久性試驗裝置的研制及應用

李中華 吳 鵬 奚 貝

(上海拓紳汽車電子有限公司,上海201213)

電動真空泵加真空助力器作為汽車制動系統常見的剎車助力方式,在新能源汽車上也得到了大量的應用,成為新能源汽車剎車系統制動助力的一種主要方式。對電動汽車、燃料電池汽車等應用,電動真空泵作為真空助力器唯一的真空來源,其可靠性直接關系到汽車的制動助力效果和行車安全,因此需要綜合考慮各種工況,從整車使用壽命周期對電動真空泵耐久性進行試驗和評價,對開發一款穩定可靠的電動真空泵產品具有非常重要的意義。整車生產企業一般通過三萬公里或五萬公里的綜合耐久試驗對整車進行評價,其電動真空泵工作環境比較單一,真空泵工作頻次也較少,不能對電動真空泵的可靠性進行有效的檢驗。國內電動真空泵的生產企業,雖然也進行電動真空泵的耐久試驗,但對真空泵工作環境的多樣性考慮的不夠充分,真空泵工作環境過于理想,試驗過程與實際車輛行駛中的工作環境存在較大差異,影響到試驗結果的可靠性。2015年國家頒布了針對車用電動真空泵的行業標準QC/T 1004-2015《汽車電動真空泵性能要求及臺架試驗方法》,本文依據國家標準,結合國內主要主機廠的企業要求和本企業電動真空泵產品規范和試驗規范,搭建了電動真空泵耐久試驗裝置和相應的計算機測控系統。

1 技術要求和總體方案

模擬電動真空泵在整車上的實際工作狀況,綜合多個溫度區段對真空泵的耐久性能進行測試,記錄真空泵技術指標及累計工作時間。測試時電動真空泵供電電壓13.5V 0.1V,真空罐及真空管路測試容積5L,環境溫度設定范圍-40℃-100℃。各溫度區段劃分按照本企業電動真空泵試驗規范中耐久測試循環部分設置。電動真空泵的工作與停止通過安裝在真空罐上的壓力傳感器控制,當真空罐內的壓力高于0.5bar 時,電動真空泵開始工作,真空罐內的壓力下降,真空度增加,當真空罐內的壓力達到0.25bar 時,真空泵停止工作。電動真空泵累計工作時間達到1500 小時試驗結束,試驗后的電動真空泵性能如果能滿足耐久試驗后電動真空泵性能呀求,視為該電動真空泵耐久測試合格。測量電動真空泵表面的溫度和電動真空泵工作時的電流值,電動真空泵表面的溫度超過150℃或電動真空泵工作電流超過20A,計算機測控系統予以報警并停止程序的運行；系統還監控每次電動真空泵開始工作到停止工作的時間,如超過了4.0 秒,則判定電動真空泵性能下降超出允許范圍,該電動真空泵耐久試驗不合格。

系統由環境試驗箱、基礎試驗臺架、計算機控制系統三大部分組成。電動真空泵安裝再專用支架上,豎直安裝,專用支架放置于溫度試驗箱內。計算機測控系統通過參數設置和數據采集模塊,控制環境溫度及電動真空泵的通斷,實現電動真空泵的耐久測試,并記錄試驗數據。

2 試驗裝置硬件設計

2.1 試驗裝置及主要參數

本裝置以電動真空泵表面工作溫度、電動真空泵工作電流、真空罐內壓力,電動真空泵工作時間為主要檢測內容。參照國內主要主機廠的企業要求和本企業電動真空泵產品試驗規范,最終確定系統由環境試驗箱、基礎試驗臺架、壓力采集模塊、溫度采集模塊、繼電器輸出控制模塊、直流電源模塊、電流采集模塊及工控機軟件模塊等組成試驗裝置。

試驗裝置中環境試驗箱選擇容積1 立方米的高低溫交變濕熱試驗箱,工作溫度范圍-70℃-150℃,濕度范圍10%-90%。溫度試驗箱的溫度控制器配有RS232 通訊接口,可連接計算機通過軟件編程方式設置溫度試驗箱內的溫度和濕度。

試驗裝置中真空度采集模塊選用聯合汽車電子有限公司開發的絕對壓力傳感器,激勵電壓5V,量程20～115Kpa,輸出電壓0.4～4.65V。

溫度采集模塊選用K 型熱電偶加轉換器,量程-200℃～260℃,輸出信號0-10V。

試驗裝置中電動真空泵工作電流采集模塊選用聯測公司的SIN-DZI-80A 電流變送器,輸入電流范圍0-80A, 輸出電壓0-10V。

考慮到百萬次以上的電動真空泵開啟頻次,控制電動真空泵通斷的繼電器模塊選用Schneider 公司的SSR-80DD 固態繼電器,可控制最大電流80A,激勵電壓3-32V。

數據采集模塊選用美國NI 公司的PCI-6225 數據采集卡,采樣速率250kS/s,80 個模擬量輸入通道,2 個模擬量輸出通道,24 個開關量輸出輸出通道。

直流電源模塊輸入電壓AC：220V (50Hz),輸出電壓DC13.5V(25A)。

2.2 試驗裝置測試原理

電動真空泵表面的溫度由溫度傳感器(熱電偶+轉換器)轉變為電壓信號；電動真空泵工作電流由電流傳感器(電流變送器)轉換為電壓信號；電動真空泵產生的真空度由壓力傳感器轉換為電壓信號；以上信號通過PCI6225 數據采集卡傳送到工控機。工控機通過RS232 通訊通過環境試驗箱的溫度控制器設定試驗箱內的環境溫度。計算機測控系統對采集到的壓力傳感器信號綜合分析后通過PCI6225 數據采集卡控制真空泵繼電器和電磁閥的通斷,實現各溫段電動真空泵的間歇循環工作,統計并記錄電動真空泵的工作循環和累計工作時間,通過采集到的電動真空泵表面溫度信號和電動真空泵工作電流信號與設定的標準值比較做出報警及停止運行系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

試驗裝置通過真空罐和連接管路的容積模擬實車助力器容積和真空管路,通過電磁閥的開啟與關斷模擬剎車動作,通過節流閥開度模擬系統泄露,試驗裝置的氣路原理圖如圖2 所示。

圖2 氣路原理圖

3 測控系統軟件實現

試驗裝置采用美國國家儀器(NI)公司研制開發的Labview軟件作為開發平臺。Labview是目前廣泛應用于儀器控制、測量測試、數字采集、仿真、自動化設備等領域圖形化軟件開發平臺。計算機測控系統面板設計包括參數設置頁面和數據顯示頁面,參數設置頁面可設置環境溫度,真空泵過熱報警溫度,真空泵最大工作電流上限,測試循環設置,電動真空泵開啟壓力,電動真空泵關閉壓力等參數；顯示頁面顯示電動真空泵的實時壓力- 電流- 溫度曲線,以及當前循環,已完成循環,當前環境溫度,已完成真空泵測試時間,真空泵上次循環工作時間等信息。

測試程序啟動后,首先進入參數設置頁面設置好各種參數,系統準備完成,點擊開始測試按鈕,程序進入自動循環,電動真空泵繼電器導通,電磁閥關閉,電動真空泵開始工作,真空罐內壓力下降,當壓力傳感器輸出達到設置的電動真空泵關閉壓力,關閉真空泵繼電器停止電動真空泵工作,并同時開啟電磁閥,空氣經節流閥進入真空罐,真空罐內的壓力上升,當壓力傳感器輸出壓力值升高達到設定的電動真空泵開啟壓力,關閉電磁閥,打開真空泵繼電器真空泵開始工作,如此反復循環,達到設定的循環次數,程序進入下一個溫區,通過RS232 通訊協議設定環境試驗箱溫度控制的溫度、濕度參數,繼續下一個溫區的工作循環。系統記錄每次真空泵啟動到停止工作的時間并進行累計,程序一直運行到累計時間達到設定的壽命值1500 小時或真空泵失效。計算測控系統運行過程中程序監控電動真空泵的工作電流和真空泵表面溫度,超過設定值則暫停程序并報警,程序也通過檢測電動真空泵每次啟動到停止的時間是否超過允許值來判斷電動真空泵是否性能失效。電動真空泵順利通過耐久試驗后,再進行單獨的性能測試,判斷其是否滿足壽命試驗后的電動真空泵性能要求。

4 電動真空泵耐久性試驗裝置的應用

依據某新能源汽車客戶提供的技術條件,電動真空泵累計使用壽命應不低于1500 小時,試驗后電動真空泵性能從1bar到0.5bar 的時間應小于等于3.8 秒；從1bar 到0.3bar 的是時間應小于等于7.5 秒；極限真空度應大于等于83%；工作電流應小于17A,上海拓紳汽車電子有限公司試驗室應用該裝置對為一款型號為VK2X 的電動真空泵進行了耐久性試驗,測試條件如表1 所示。

表1 耐久試驗測試條件

經過1500 小時壽命試驗測試后電動真空泵沒有失效,測試前后的電動真空泵參數如表2 所示。

表2 耐久試驗前后的電動真空泵性能參數

該測試樣品電動真空泵耐久試驗測試合格,能夠滿足客戶及本企業的耐久試驗后電動真空泵性能要求。

5 結論

該電動真空泵耐久試驗裝置設計綜合考慮了從極寒地區到高熱地區多種整車應用工況,也考慮了環境濕度的影響,避免了電動真空泵在整車搭載綜合耐久性試驗電動真空泵工作次數少、環境過于單一的現象,從而在電動真空泵的開發過程中,能夠進行有效的耐久性試驗,大大降低產品上市后出現失效的風險。