電動真空泵耐久性試驗裝置的研制及應(yīng)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(tǒng)常見的剎車助力方式,在新能源汽車上也得到了大量的應(yīng)用,成為新能源汽車剎車系統(tǒng)制動助力的一種主要方式。對電動汽車、燃料電池汽車等應(yīng)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(guān)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(fā)一款穩(wěn)定可靠的電動真空泵產(chǎn)品具有非常重要的意義。整車生產(chǎn)企業(yè)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(huán)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(nèi)電動真空泵的生產(chǎn)企業(yè),雖然也進行電動真空泵的耐久試驗,但對真空泵工作環(huán)境的多樣性考慮的不夠充分,真空泵工作環(huán)境過于理想,試驗過程與實際車輛行駛中的工作環(huán)境存在較大差異,影響到試驗結(jié)果的可靠性。2015年國家頒布了針對車用電動真空泵的行業(yè)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(jù)國家標準,結(jié)合國內(nèi)主要主機廠的企業(yè)要求和本企業(yè)電動真空泵產(chǎn)品規(guī)范和試驗規(guī)范,搭建了電動真空泵耐久試驗裝置和相應(yīng)的計算機測控系統(tǒng)。

1 技術(shù)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(qū)段對真空泵的耐久性能進行測試,記錄真空泵技術(shù)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(huán)境溫度設(shè)定范圍-40℃-100℃。各溫度區(qū)段劃分按照本企業(yè)電動真空泵試驗規(guī)范中耐久測試循環(huán)部分設(shè)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(nèi)的壓力高于0.5bar 時,電動真空泵開始工作,真空罐內(nèi)的壓力下降,真空度增加,當真空罐內(nèi)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(jié)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(tǒng)予以報警并停止程序的運行；系統(tǒng)還監(jiān)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(tǒng)由環(huán)境試驗箱、基礎(chǔ)試驗臺架、計算機控制系統(tǒng)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(nèi)。計算機測控系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集模塊,控制環(huán)境溫度及電動真空泵的通斷,實現(xiàn)電動真空泵的耐久測試,并記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗裝置硬件設(shè)計

2.1 試驗裝置及主要參數(shù)

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(nèi)壓力,電動真空泵工作時間為主要檢測內(nèi)容。參照國內(nèi)主要主機廠的企業(yè)要求和本企業(yè)電動真空泵產(chǎn)品試驗規(guī)范,最終確定系統(tǒng)由環(huán)境試驗箱、基礎(chǔ)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(huán)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(shè)置溫度試驗箱內(nèi)的溫度和濕度。

試驗裝置中真空度采集模塊選用聯(lián)合汽車電子有限公司開發(fā)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(zhuǎn)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(lián)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(tài)繼電器,可控制最大電流80A,激勵電壓3-32V。

數(shù)據(jù)采集模塊選用美國NI 公司的PCI-6225 數(shù)據(jù)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(guān)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(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；電動真空泵工作電流由電流傳感?電流變送器)轉(zhuǎn)換為電壓信號；電動真空泵產(chǎn)生的真空度由壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號；以上信號通過PCI6225 數(shù)據(jù)采集卡傳送到工控機。工控機通過RS232 通訊通過環(huán)境試驗箱的溫度控制器設(shè)定試驗箱內(nèi)的環(huán)境溫度。計算機測控系統(tǒng)對采集到的壓力傳感器信號綜合分析后通過PCI6225 數(shù)據(jù)采集卡控制真空泵繼電器和電磁閥的通斷,實現(xiàn)各溫段電動真空泵的間歇循環(huán)工作,統(tǒng)計并記錄電動真空泵的工作循環(huán)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(shè)定的標準值比較做出報警及停止運行系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)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(guān)斷模擬剎車動作,通過節(jié)流閥開度模擬系統(tǒng)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(tǒng)軟件實現(xiàn)

試驗裝置采用美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的Labview軟件作為開發(fā)平臺。Labview是目前廣泛應(yīng)用于儀器控制、測量測試、數(shù)字采集、仿真、自動化設(shè)備等領(lǐng)域圖形化軟件開發(fā)平臺。計算機測控系統(tǒng)面板設(shè)計包括參數(shù)設(shè)置頁面和數(shù)據(jù)顯示頁面,參數(shù)設(shè)置頁面可設(shè)置環(huán)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(huán)設(shè)置,電動真空泵開啟壓力,電動真空泵關(guān)閉壓力等參數(shù)；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(huán),已完成循環(huán),當前環(huán)境溫度,已完成真空泵測試時間,真空泵上次循環(huán)工作時間等信息。

測試程序啟動后,首先進入?yún)?shù)設(shè)置頁面設(shè)置好各種參數(shù),系統(tǒng)準備完成,點擊開始測試按鈕,程序進入自動循環(huán),電動真空泵繼電器導(dǎo)通,電磁閥關(guān)閉,電動真空泵開始工作,真空罐內(nèi)壓力下降,當壓力傳感器輸出達到設(shè)置的電動真空泵關(guān)閉壓力,關(guān)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(jīng)節(jié)流閥進入真空罐,真空罐內(nèi)的壓力上升,當壓力傳感器輸出壓力值升高達到設(shè)定的電動真空泵開啟壓力,關(guān)閉電磁閥,打開真空泵繼電器真空泵開始工作,如此反復(fù)循環(huán),達到設(shè)定的循環(huán)次數(shù),程序進入下一個溫區(qū),通過RS232 通訊協(xié)議設(shè)定環(huán)境試驗箱溫度控制的溫度、濕度參數(shù),繼續(xù)下一個溫區(qū)的工作循環(huán)。系統(tǒng)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(shè)定的壽命值1500 小時或真空泵失效。計算測控系統(tǒng)運行過程中程序監(jiān)控電動真空泵的工作電流和真空泵表面溫度,超過設(shè)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(yīng)用

依據(jù)某新能源汽車客戶提供的技術(shù)條件,電動真空泵累計使用壽命應(yīng)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(yīng)小于等于3.8 秒；從1bar 到0.3bar 的是時間應(yīng)小于等于7.5 秒；極限真空度應(yīng)大于等于83%；工作電流應(yīng)小于17A,上海拓紳汽車電子有限公司試驗室應(yīng)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(jīng)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(shù)如表2 所示。

表2 耐久試驗前后的電動真空泵性能參數(shù)

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(yè)的耐久試驗后電動真空泵性能要求。

5 結(jié)論

該電動真空泵耐久試驗裝置設(shè)計綜合考慮了從極寒地區(qū)到高熱地區(qū)多種整車應(yīng)用工況,也考慮了環(huán)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(shù)少、環(huán)境過于單一的現(xiàn)象,從而在電動真空泵的開發(fā)過程中,能夠進行有效的耐久性試驗,大大降低產(chǎn)品上市后出現(xiàn)失效的風(fēng)險。