李中華 吳 鵬 奚 貝

(上海拓紳汽車電子有限公司,上海201213)

電動(dòng)真空泵加真空助力器作為汽車制動(dòng)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(dòng)助力的一種主要方式。對(duì)電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等應(yīng)用,電動(dòng)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(dòng)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(duì)電動(dòng)真空泵耐久性進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià),對(duì)開發(fā)一款穩(wěn)定可靠的電動(dòng)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(yàn)對(duì)整車進(jìn)行評(píng)價(jià),其電動(dòng)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(duì)電動(dòng)真空泵的可靠性進(jìn)行有效的檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)真空泵的生產(chǎn)企業(yè),雖然也進(jìn)行電動(dòng)真空泵的耐久試驗(yàn),但對(duì)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(yàn)過程與實(shí)際車輛行駛中的工作環(huán)境存在較大差異,影響到試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。2015年國(guó)家頒布了針對(duì)車用電動(dòng)真空泵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1004-2015《汽車電動(dòng)真空泵性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》,本文依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合國(guó)內(nèi)主要主機(jī)廠的企業(yè)要求和本企業(yè)電動(dòng)真空泵產(chǎn)品規(guī)范和試驗(yàn)規(guī)范,搭建了電動(dòng)真空泵耐久試驗(yàn)裝置和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。

1 技術(shù)要求和總體方案

模擬電動(dòng)真空泵在整車上的實(shí)際工作狀況,綜合多個(gè)溫度區(qū)段對(duì)真空泵的耐久性能進(jìn)行測(cè)試,記錄真空泵技術(shù)指標(biāo)及累計(jì)工作時(shí)間。測(cè)試時(shí)電動(dòng)真空泵供電電壓13.5V 0.1V,真空罐及真空管路測(cè)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(dòng)真空泵試驗(yàn)規(guī)范中耐久測(cè)試循環(huán)部分設(shè)置。電動(dòng)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(dāng)真空罐內(nèi)的壓力高于0.5bar 時(shí),電動(dòng)真空泵開始工作,真空罐內(nèi)的壓力下降,真空度增加,當(dāng)真空罐內(nèi)的壓力達(dá)到0.25bar 時(shí),真空泵停止工作。電動(dòng)真空泵累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到1500 小時(shí)試驗(yàn)結(jié)束,試驗(yàn)后的電動(dòng)真空泵性能如果能滿足耐久試驗(yàn)后電動(dòng)真空泵性能呀求,視為該電動(dòng)真空泵耐久測(cè)試合格。測(cè)量電動(dòng)真空泵表面的溫度和電動(dòng)真空泵工作時(shí)的電流值,電動(dòng)真空泵表面的溫度超過150℃或電動(dòng)真空泵工作電流超過20A,計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)予以報(bào)警并停止程序的運(yùn)行；系統(tǒng)還監(jiān)控每次電動(dòng)真空泵開始工作到停止工作的時(shí)間,如超過了4.0 秒,則判定電動(dòng)真空泵性能下降超出允許范圍,該電動(dòng)真空泵耐久試驗(yàn)不合格。

系統(tǒng)由環(huán)境試驗(yàn)箱、基礎(chǔ)試驗(yàn)臺(tái)架、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成。電動(dòng)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(yàn)箱內(nèi)。計(jì)算機(jī)測(cè)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(dòng)真空泵的通斷,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)真空泵的耐久測(cè)試,并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置及主要參數(shù)

本裝置以電動(dòng)真空泵表面工作溫度、電動(dòng)真空泵工作電流、真空罐內(nèi)壓力,電動(dòng)真空泵工作時(shí)間為主要檢測(cè)內(nèi)容。參照國(guó)內(nèi)主要主機(jī)廠的企業(yè)要求和本企業(yè)電動(dòng)真空泵產(chǎn)品試驗(yàn)規(guī)范,最終確定系統(tǒng)由環(huán)境試驗(yàn)箱、基礎(chǔ)試驗(yàn)臺(tái)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(jī)軟件模塊等組成試驗(yàn)裝置。

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

試驗(yàn)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(duì)壓力傳感器,激勵(lì)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(hào)0-10V。

試驗(yàn)裝置中電動(dòng)真空泵工作電流采集模塊選用聯(lián)測(cè)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(dòng)真空泵開啟頻次,控制電動(dòng)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(lì)電壓3-32V。

數(shù)據(jù)采集模塊選用美國(guó)NI 公司的PCI-6225 數(shù)據(jù)采集卡,采樣速率250kS/s,80 個(gè)模擬量輸入通道,2 個(gè)模擬量輸出通道,24 個(gè)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(yàn)裝置測(cè)試原理

電動(dòng)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?hào)；電動(dòng)真空泵工作電流由電流傳感器(電流變送器)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；電動(dòng)真空泵產(chǎn)生的真空度由壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；以上信號(hào)通過PCI6225 數(shù)據(jù)采集卡傳送到工控機(jī)。工控機(jī)通過RS232 通訊通過環(huán)境試驗(yàn)箱的溫度控制器設(shè)定試驗(yàn)箱內(nèi)的環(huán)境溫度。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)采集到的壓力傳感器信號(hào)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(shí)現(xiàn)各溫段電動(dòng)真空泵的間歇循環(huán)工作,統(tǒng)計(jì)并記錄電動(dòng)真空泵的工作循環(huán)和累計(jì)工作時(shí)間,通過采集到的電動(dòng)真空泵表面溫度信號(hào)和電動(dòng)真空泵工作電流信號(hào)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較做出報(bào)警及停止運(yùn)行系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)裝置通過真空罐和連接管路的容積模擬實(shí)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(dòng)作,通過節(jié)流閥開度模擬系統(tǒng)泄露,試驗(yàn)裝置的氣路原理圖如圖2 所示。

圖2 氣路原理圖

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)裝置采用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā)的Labview軟件作為開發(fā)平臺(tái)。Labview是目前廣泛應(yīng)用于儀器控制、測(cè)量測(cè)試、數(shù)字采集、仿真、自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)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(bào)警溫度,真空泵最大工作電流上限,測(cè)試循環(huán)設(shè)置,電動(dòng)真空泵開啟壓力,電動(dòng)真空泵關(guān)閉壓力等參數(shù)；顯示頁面顯示電動(dòng)真空泵的實(shí)時(shí)壓力- 電流- 溫度曲線,以及當(dāng)前循環(huán),已完成循環(huán),當(dāng)前環(huán)境溫度,已完成真空泵測(cè)試時(shí)間,真空泵上次循環(huán)工作時(shí)間等信息。

測(cè)試程序啟動(dòng)后,首先進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置頁面設(shè)置好各種參數(shù),系統(tǒng)準(zhǔn)備完成,點(diǎn)擊開始測(cè)試按鈕,程序進(jìn)入自動(dòng)循環(huán),電動(dòng)真空泵繼電器導(dǎo)通,電磁閥關(guān)閉,電動(dòng)真空泵開始工作,真空罐內(nèi)壓力下降,當(dāng)壓力傳感器輸出達(dá)到設(shè)置的電動(dòng)真空泵關(guān)閉壓力,關(guān)閉真空泵繼電器停止電動(dòng)真空泵工作,并同時(shí)開啟電磁閥,空氣經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入真空罐,真空罐內(nèi)的壓力上升,當(dāng)壓力傳感器輸出壓力值升高達(dá)到設(shè)定的電動(dòng)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(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù),程序進(jìn)入下一個(gè)溫區(qū),通過RS232 通訊協(xié)議設(shè)定環(huán)境試驗(yàn)箱溫度控制的溫度、濕度參數(shù),繼續(xù)下一個(gè)溫區(qū)的工作循環(huán)。系統(tǒng)記錄每次真空泵啟動(dòng)到停止工作的時(shí)間并進(jìn)行累計(jì),程序一直運(yùn)行到累計(jì)時(shí)間達(dá)到設(shè)定的壽命值1500 小時(shí)或真空泵失效。計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中程序監(jiān)控電動(dòng)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(bào)警,程序也通過檢測(cè)電動(dòng)真空泵每次啟動(dòng)到停止的時(shí)間是否超過允許值來判斷電動(dòng)真空泵是否性能失效。電動(dòng)真空泵順利通過耐久試驗(yàn)后,再進(jìn)行單獨(dú)的性能測(cè)試,判斷其是否滿足壽命試驗(yàn)后的電動(dòng)真空泵性能要求。

4 電動(dòng)真空泵耐久性試驗(yàn)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(dòng)真空泵累計(jì)使用壽命應(yīng)不低于1500 小時(shí),試驗(yàn)后電動(dòng)真空泵性能從1bar到0.5bar 的時(shí)間應(yīng)小于等于3.8 秒；從1bar 到0.3bar 的是時(shí)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(yàn)室應(yīng)用該裝置對(duì)為一款型號(hào)為VK2X 的電動(dòng)真空泵進(jìn)行了耐久性試驗(yàn),測(cè)試條件如表1 所示。

表1 耐久試驗(yàn)測(cè)試條件

經(jīng)過1500 小時(shí)壽命試驗(yàn)測(cè)試后電動(dòng)真空泵沒有失效,測(cè)試前后的電動(dòng)真空泵參數(shù)如表2 所示。

表2 耐久試驗(yàn)前后的電動(dòng)真空泵性能參數(shù)

該測(cè)試樣品電動(dòng)真空泵耐久試驗(yàn)測(cè)試合格,能夠滿足客戶及本企業(yè)的耐久試驗(yàn)后電動(dòng)真空泵性能要求。

5 結(jié)論

該電動(dòng)真空泵耐久試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)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(dòng)真空泵在整車搭載綜合耐久性試驗(yàn)電動(dòng)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(dòng)真空泵的開發(fā)過程中,能夠進(jìn)行有效的耐久性試驗(yàn),大大降低產(chǎn)品上市后出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。