电动真空泵耐久性试验装置的研制及应用

李中华 吴 鹏 奚 贝

(上海拓绅汽车电子有限公司,上海201213)

电动真空泵加真空助力器作为汽车制动系统常见的刹车助力方式,在新能源汽车上也得到了大量的应用,成为新能源汽车刹车系统制动助力的一种主要方式。对电动汽车、燃料电池汽车等应用,电动真空泵作为真空助力器唯一的真空来源,其可靠性直接关系到汽车的制动助力效果和行车安全,因此需要综合考虑各种工况,从整车使用寿命周期对电动真空泵耐久性进行试验和评价,对开发一款稳定可靠的电动真空泵产品具有非常重要的意义。整车生产企业一般通过三万公里或五万公里的综合耐久试验对整车进行评价,其电动真空泵工作环境比较单一,真空泵工作频次也较少,不能对电动真空泵的可靠性进行有效的检验。国内电动真空泵的生产企业,虽然也进行电动真空泵的耐久试验,但对真空泵工作环境的多样性考虑的不够充分,真空泵工作环境过于理想,试验过程与实际车辆行驶中的工作环境存在较大差异,影响到试验结果的可靠性。2015年国家颁布了针对车用电动真空泵的行业标准QC/T 1004-2015《汽车电动真空泵性能要求及台架试验方法》,本文依据国家标准,结合国内主要主机厂的企业要求和本企业电动真空泵产品规范和试验规范,搭建了电动真空泵耐久试验装置和相应的计算机测控系统。

1 技术要求和总体方案

模拟电动真空泵在整车上的实际工作状况,综合多个温度区段对真空泵的耐久性能进行测试,记录真空泵技术指标及累计工作时间。测试时电动真空泵供电电压13.5V 0.1V,真空罐及真空管路测试容积5L,环境温度设定范围-40℃-100℃。各温度区段划分按照本企业电动真空泵试验规范中耐久测试循环部分设置。电动真空泵的工作与停止通过安装在真空罐上的压力传感器控制,当真空罐内的压力高于0.5bar 时,电动真空泵开始工作,真空罐内的压力下降,真空度增加,当真空罐内的压力达到0.25bar 时,真空泵停止工作。电动真空泵累计工作时间达到1500 小时试验结束,试验后的电动真空泵性能如果能满足耐久试验后电动真空泵性能呀求,视为该电动真空泵耐久测试合格。测量电动真空泵表面的温度和电动真空泵工作时的电流值,电动真空泵表面的温度超过150℃或电动真空泵工作电流超过20A,计算机测控系统予以报警并停止程序的运行；系统还监控每次电动真空泵开始工作到停止工作的时间,如超过了4.0 秒,则判定电动真空泵性能下降超出允许范围,该电动真空泵耐久试验不合格。

系统由环境试验箱、基础试验台架、计算机控制系统三大部分组成。电动真空泵安装再专用支架上,竖直安装,专用支架放置于温度试验箱内。计算机测控系统通过参数设置和数据采集模块,控制环境温度及电动真空泵的通断,实现电动真空泵的耐久测试,并记录试验数据。

2 试验装置硬件设计

2.1 试验装置及主要参数

本装置以电动真空泵表面工作温度、电动真空泵工作电流、真空罐内压力,电动真空泵工作时间为主要检测内容。参照国内主要主机厂的企业要求和本企业电动真空泵产品试验规范,最终确定系统由环境试验箱、基础试验台架、压力采集模块、温度采集模块、继电器输出控制模块、直流电源模块、电流采集模块及工控机软件模块等组成试验装置。

试验装置中环境试验箱选择容积1 立方米的高低温交变湿热试验箱,工作温度范围-70℃-150℃,湿度范围10%-90%。温度试验箱的温度控制器配有RS232 通讯接口,可连接计算机通过软件编程方式设置温度试验箱内的温度和湿度。

试验装置中真空度采集模块选用联合汽车电子有限公司开发的绝对压力传感器,激励电压5V,量程20～115Kpa,输出电压0.4～4.65V。

温度采集模块选用K 型热电偶加转换器,量程-200℃～260℃,输出信号0-10V。

试验装置中电动真空泵工作电流采集模块选用联测公司的SIN-DZI-80A 电流变送器,输入电流范围0-80A, 输出电压0-10V。

考虑到百万次以上的电动真空泵开启频次,控制电动真空泵通断的继电器模块选用Schneider 公司的SSR-80DD 固态继电器,可控制最大电流80A,激励电压3-32V。

数据采集模块选用美国NI 公司的PCI-6225 数据采集卡,采样速率250kS/s,80 个模拟量输入通道,2 个模拟量输出通道,24 个开关量输出输出通道。

直流电源模块输入电压AC：220V (50Hz),输出电压DC13.5V(25A)。

2.2 试验装置测试原理

电动真空泵表面的温度由温度传感器(热电偶+转换器)转变为电压信号；电动真空泵工作电流由电流传感器(电流变送器)转换为电压信号；电动真空泵产生的真空度由压力传感器转换为电压信号；以上信号通过PCI6225 数据采集卡传送到工控机。工控机通过RS232 通讯通过环境试验箱的温度控制器设定试验箱内的环境温度。计算机测控系统对采集到的压力传感器信号综合分析后通过PCI6225 数据采集卡控制真空泵继电器和电磁阀的通断,实现各温段电动真空泵的间歇循环工作,统计并记录电动真空泵的工作循环和累计工作时间,通过采集到的电动真空泵表面温度信号和电动真空泵工作电流信号与设定的标准值比较做出报警及停止运行系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

试验装置通过真空罐和连接管路的容积模拟实车助力器容积和真空管路,通过电磁阀的开启与关断模拟刹车动作,通过节流阀开度模拟系统泄露,试验装置的气路原理图如图2 所示。

图2 气路原理图

3 测控系统软件实现

试验装置采用美国国家仪器(NI)公司研制开发的Labview软件作为开发平台。Labview是目前广泛应用于仪器控制、测量测试、数字采集、仿真、自动化设备等领域图形化软件开发平台。计算机测控系统面板设计包括参数设置页面和数据显示页面,参数设置页面可设置环境温度,真空泵过热报警温度,真空泵最大工作电流上限,测试循环设置,电动真空泵开启压力,电动真空泵关闭压力等参数；显示页面显示电动真空泵的实时压力- 电流- 温度曲线,以及当前循环,已完成循环,当前环境温度,已完成真空泵测试时间,真空泵上次循环工作时间等信息。

测试程序启动后,首先进入参数设置页面设置好各种参数,系统准备完成,点击开始测试按钮,程序进入自动循环,电动真空泵继电器导通,电磁阀关闭,电动真空泵开始工作,真空罐内压力下降,当压力传感器输出达到设置的电动真空泵关闭压力,关闭真空泵继电器停止电动真空泵工作,并同时开启电磁阀,空气经节流阀进入真空罐,真空罐内的压力上升,当压力传感器输出压力值升高达到设定的电动真空泵开启压力,关闭电磁阀,打开真空泵继电器真空泵开始工作,如此反复循环,达到设定的循环次数,程序进入下一个温区,通过RS232 通讯协议设定环境试验箱温度控制的温度、湿度参数,继续下一个温区的工作循环。系统记录每次真空泵启动到停止工作的时间并进行累计,程序一直运行到累计时间达到设定的寿命值1500 小时或真空泵失效。计算测控系统运行过程中程序监控电动真空泵的工作电流和真空泵表面温度,超过设定值则暂停程序并报警,程序也通过检测电动真空泵每次启动到停止的时间是否超过允许值来判断电动真空泵是否性能失效。电动真空泵顺利通过耐久试验后,再进行单独的性能测试,判断其是否满足寿命试验后的电动真空泵性能要求。

4 电动真空泵耐久性试验装置的应用

依据某新能源汽车客户提供的技术条件,电动真空泵累计使用寿命应不低于1500 小时,试验后电动真空泵性能从1bar到0.5bar 的时间应小于等于3.8 秒；从1bar 到0.3bar 的是时间应小于等于7.5 秒；极限真空度应大于等于83%；工作电流应小于17A,上海拓绅汽车电子有限公司试验室应用该装置对为一款型号为VK2X 的电动真空泵进行了耐久性试验,测试条件如表1 所示。

表1 耐久试验测试条件

经过1500 小时寿命试验测试后电动真空泵没有失效,测试前后的电动真空泵参数如表2 所示。

表2 耐久试验前后的电动真空泵性能参数

该测试样品电动真空泵耐久试验测试合格,能够满足客户及本企业的耐久试验后电动真空泵性能要求。

5 结论

该电动真空泵耐久试验装置设计综合考虑了从极寒地区到高热地区多种整车应用工况,也考虑了环境湿度的影响,避免了电动真空泵在整车搭载综合耐久性试验电动真空泵工作次数少、环境过于单一的现象,从而在电动真空泵的开发过程中,能够进行有效的耐久性试验,大大降低产品上市后出现失效的风险。