電動(dòng)真空泵的試驗(yàn)研究

盧鐵英，郭鵬鹍，袁文強(qiáng)

(中汽檢測技術(shù)有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

汽車制動(dòng)系統(tǒng)主要有液壓制動(dòng)和氣壓制動(dòng)兩種形式[1]。液壓制動(dòng)的結(jié)構(gòu)比氣壓制動(dòng)簡單、可靠并且成本低，現(xiàn)在乘用車普遍采用這種形式。早期的液壓制動(dòng)系統(tǒng)采用人力機(jī)械制動(dòng)，沒有配備助力裝置。該形式的制動(dòng)系統(tǒng)需要駕駛員提供較大的制動(dòng)力，存在制動(dòng)力不足、容易造成駕駛員疲勞等風(fēng)險(xiǎn)和缺點(diǎn)。克服液壓制動(dòng)系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)的有效方法之一就是增加真空助力系統(tǒng)。具有真空助力系統(tǒng)的剎車系統(tǒng)的制動(dòng)踏板與剎車主缸之間設(shè)置有真空助力器，剎車時(shí)，踏板的力加上助力器的力一起推動(dòng)剎車主缸活塞，降低了對駕駛員制動(dòng)力的要求。

真空助力系統(tǒng)由真空助力器、真空罐、真空度傳感器、真空源等組成。剎車時(shí)，真空助力器的膜片一側(cè)連通真空源，另一側(cè)連通大氣，通過兩側(cè)的壓力差實(shí)現(xiàn)助力。真空源是真空助力系統(tǒng)的重要組成部分之一。具有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車在沒有負(fù)載開啟的情況下，其進(jìn)氣歧管真空度一般為0.07 MPa，可以利用進(jìn)氣歧管的低氣壓將真空助力器中的空氣抽出。具有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，其進(jìn)氣管不能像汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣形成足夠的低壓，為了實(shí)現(xiàn)真空助力，需要單獨(dú)配備真空泵。純電動(dòng)汽車因?yàn)闆]有發(fā)動(dòng)機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)真空助力，需要單獨(dú)配備電動(dòng)真空泵。當(dāng)制動(dòng)踏板被踩下后，由于真空助力器的膜片一側(cè)與大氣連通，在大氣壓和踏板推力的作用下，膜片另一側(cè)真空室被壓縮，助力系統(tǒng)中的真空度降低，真空度低于設(shè)定值下限時(shí)，電動(dòng)真空泵開啟。

1 電動(dòng)真空泵結(jié)構(gòu)

目前，新能源汽車制動(dòng)助力系統(tǒng)的電動(dòng)真空泵按照結(jié)構(gòu)形式主要為三大類：活塞式，隔膜式和旋片式[3]。

活塞式電動(dòng)真空泵結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]，電機(jī)為永磁式直流電機(jī)，其泵頭部分有兩個(gè)對稱分布的工作腔，每個(gè)工作腔各一個(gè)活塞，活塞連接偏心輪。電機(jī)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)兩個(gè)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成工作腔的吸氣和排氣，結(jié)合進(jìn)出口的單向閥，便具有抽真空的能力。

膜片式電動(dòng)真空泵的結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]，其泵頭部分也有兩個(gè)對稱分布的工作腔，每個(gè)工作腔各一個(gè)膜片，膜片通過連桿連接于偏心輪。電機(jī)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)兩個(gè)膜片往復(fù)變形，造成工作腔容積的往復(fù)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(zhuǎn)子、葉片和工作腔，轉(zhuǎn)子和工作腔不同心，葉片位于轉(zhuǎn)子上的槽中。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在離心力的作用下從槽中伸出并與工作腔的側(cè)壁接觸。葉片、轉(zhuǎn)子和工作腔壁組成一個(gè)單獨(dú)的空間，并隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而容積變化，從而實(shí)現(xiàn)吸氣和排氣。

圖1 活塞式電動(dòng)真空泵圖2 膜片式電動(dòng)真空泵

葉片式真空泵質(zhì)量小，技術(shù)相對成熟，但是摩擦較大，工作時(shí)摩擦導(dǎo)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(zhì)量大。活塞式電動(dòng)真空泵質(zhì)量和噪聲適中，使用壽命一般。

2 電動(dòng)真空泵在實(shí)際應(yīng)用中存在問題

國內(nèi)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(dòng)汽車的逐漸推廣和普及，電動(dòng)真空泵產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一大批自主研發(fā)電動(dòng)真空泵的企業(yè)。但是，很多產(chǎn)品存在一些問題。

在2018年新能源汽車的召回中，因制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的輔助助力方式，電動(dòng)真空泵作為真空源,其性能的好壞直接影響制動(dòng)效果，可見電動(dòng)真空泵對于行車安全的重要性。解決電動(dòng)真空泵的質(zhì)量問題顯得尤為緊急。為了在開發(fā)階段提前發(fā)現(xiàn)電動(dòng)真空泵的問題并進(jìn)行改進(jìn)，或者驗(yàn)證泵的質(zhì)量是否符合裝車要求，就需要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。

3 電動(dòng)真空泵技術(shù)要求和試驗(yàn)方法

目前，針對汽車制動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)真空泵的測試，可參考的標(biāo)準(zhǔn)有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》[6]。電動(dòng)真空泵的研發(fā)企業(yè)也會(huì)有自己的測試標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，也有研究人員提出一些技術(shù)要求和測試方法[7]。電動(dòng)真空泵的主要技術(shù)要求如下所述：

(1)抽氣速率

是指電動(dòng)真空泵在不同試驗(yàn)環(huán)境溫度下，管路容積按照規(guī)定值時(shí)，達(dá)到不同真空度所需要的抽氣時(shí)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(shí)間的變化關(guān)系，其指標(biāo)可以根據(jù)具體的使用情況而規(guī)定，比如考慮真空罐和助力器的容積。

(2)最大真空度

電動(dòng)真空泵所能達(dá)到的最大真空度，一般要求真空度不應(yīng)低于86 kPa。

(3)工作耐久性

工作耐久性試驗(yàn)包括常溫階段、高溫階段和低溫階段。試驗(yàn)時(shí)，參照真空泵布置方式及管路容積設(shè)定模擬實(shí)車。QC/T 1004中規(guī)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(yàn)后滿足抽氣速率和最大真空度的要求。

(4)振動(dòng)耐久性

模擬真空泵在實(shí)車行駛時(shí)，受到車身傳遞過來的路面激勵(lì)。QC/T 1004中規(guī)定以43 m/s2的加速度、33.3～66.7 Hz沿垂直方向進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，掃頻周期為15 min，試驗(yàn)時(shí)間為40 h。試驗(yàn)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(yàn)要求進(jìn)行144 h(鍍鋅件為96 h)的連續(xù)噴霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，檢查并記錄表面防護(hù)層腐蝕情況。

(6)噪聲

電動(dòng)真空泵按常溫耐久性試驗(yàn)條件運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)采集噪聲。在電動(dòng)真空泵的左、右、上3個(gè)方向距離其幾何中心0.3 m處，分別布置聲級計(jì)進(jìn)行噪聲測量，一般要求其噪聲值不大于70 dB(A)。

(7)防護(hù)等級和電磁騷擾特性

分別根據(jù)GB/T 4942.1-2006、GB/T 18655-2010中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，外殼防護(hù)等級不應(yīng)低于IP56，并滿足輻射騷擾限值等級1要求。

(8)濕熱循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2423.4進(jìn)行濕熱交變試驗(yàn)，試驗(yàn)后電動(dòng)真空泵抽氣速率和最大真空度符合要求。

(9)冷啟動(dòng)試驗(yàn)

空泵在-40 ℃環(huán)境溫度下存放4 h以后，接通電源真空泵應(yīng)該在1 min內(nèi)立即啟動(dòng)，并且電機(jī)不堵轉(zhuǎn)，最大電流符合要求。

(10)高低溫儲(chǔ)存試驗(yàn)

非工作狀態(tài)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(tài)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(yàn)后電動(dòng)真空泵性能符合規(guī)定要求。

4 更嚴(yán)格的工作耐久性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以上所介紹的技術(shù)要求是電動(dòng)真空泵必須具備的。作者在測試中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)真空泵的性能指標(biāo)，比如抽氣速率、最大真空度、噪聲、防護(hù)等級、電磁騷擾特性和冷啟動(dòng)等，一般都能夠達(dá)到技術(shù)要求；振動(dòng)耐久、耐腐蝕、濕熱循環(huán)和冷啟動(dòng)也一般能夠達(dá)到技術(shù)要求，但是工作耐久容易暴露出產(chǎn)品的缺陷，尤其是在高溫階段，容易發(fā)生失效。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證電動(dòng)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(yàn)著重考察產(chǎn)品的質(zhì)量。為了使工作耐久性試驗(yàn)與實(shí)車使用情況更加符合，可以采用如下試驗(yàn)方法。

按照圖4所示原理圖搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，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(nèi)徑盡量大，以保證壓力檢測的實(shí)時(shí)性以及放氣時(shí)間符合要求。試驗(yàn)時(shí)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(shí)停止放氣。然后根據(jù)規(guī)定的啟停時(shí)間比例，啟動(dòng)和停止真空泵。當(dāng)真空泵停止時(shí)，開啟與真空罐連接的放氣閥門，真空罐內(nèi)氣壓下降到-p2時(shí)，關(guān)閉閥門停止放氣進(jìn)入真空罐。這個(gè)放氣過程耗時(shí)必須小于真空泵的停止時(shí)間。具體的啟停時(shí)間和溫度變化如圖5、表1所示。當(dāng)真空泵工作時(shí)間累積到一定時(shí)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(yàn)系統(tǒng)

圖5 工作耐久性試驗(yàn)溫度曲線

表1 工作耐久性試驗(yàn)溫度和啟停時(shí)間

5 結(jié)論

總結(jié)了制動(dòng)助力電動(dòng)真空泵的作用和結(jié)構(gòu)，可知電動(dòng)真空泵是電動(dòng)汽車制動(dòng)助力系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到行車安全。為了把控和驗(yàn)證真空泵的性能和可靠性，可以根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，總結(jié)了相關(guān)的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法。根據(jù)作者的測試經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了更加符合實(shí)車情況，有必要按照文中介紹的更為嚴(yán)格的耐久測試方法進(jìn)行試驗(yàn)，該方法能夠暴露出真空泵的缺陷。