汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵葉輪結(jié)構(gòu)型式對(duì)性能影響研究

摘 要：本文針對(duì)同一性能要求水泵分別選取不同葉片數(shù)、葉片結(jié)構(gòu)形狀及葉輪型式通過(guò)CFD流體計(jì)算分析對(duì)水泵性能進(jìn)行模擬，從而得出最優(yōu)葉輪。分析水泵葉輪型式的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水泵；葉輪型式；閉式葉輪；扭曲葉片；水泵效率；DOE

冷卻水泵是水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件，其主要作用是泵送冷卻液，使冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水道內(nèi)快速循環(huán)流動(dòng)，以帶走發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的熱量，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作溫度下穩(wěn)定工作。

一、概述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵由于安裝空間限制和性能要求，具有體積小、制作簡(jiǎn)便，利于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。冷卻水泵一般由泵體、葉輪、軸連軸承、水封、皮帶輪等主要零部件組成。

泵體壓水室根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)的不同可以集成設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，也可以單獨(dú)配置，葉輪是水泵的核心功能部件、其直徑、出口寬度、葉片的結(jié)構(gòu)形狀等參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定冷卻水泵的性能。

冷卻水泵的結(jié)構(gòu)種類很多，按葉輪材料不同，可分為鑄鐵葉輪、沖壓葉輪和塑料葉輪；按葉輪有無(wú)蓋板可分為開(kāi)式葉輪和閉式葉輪；按葉輪葉片形狀的不同，又可分為直葉片葉輪、單曲率葉片葉輪和空間扭曲形葉片葉輪。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前市場(chǎng)上的冷卻水泵中只有在卡車、大客車等重型車輛及少數(shù)自主品牌乘用車上仍采用鑄鐵葉輪，日系乘用車現(xiàn)多采用沖壓葉輪，歐美等先進(jìn)國(guó)家多采用塑料葉輪，國(guó)內(nèi)自主品牌車三種葉輪均有應(yīng)用，但隨著國(guó)外新技術(shù)的引進(jìn)，在新開(kāi)發(fā)的機(jī)型中也開(kāi)始使用塑料葉輪，冷卻水泵工作時(shí)， 冷卻液在葉輪里的運(yùn)動(dòng)情況如下圖所示。液體一方面隨著葉輪一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又從轉(zhuǎn)動(dòng)著的葉輪里向外流出。

液體隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為圓周運(yùn)動(dòng)，其速度稱為圓周速度u。

液體從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的葉輪里向外流出的運(yùn)動(dòng)稱為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其速度稱為相對(duì)速度w。

液體相對(duì)于泵體的運(yùn)動(dòng)稱為絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，其速度稱為絕對(duì)速度v。

絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。

由此可見(jiàn)，不管是哪種型式葉片的葉輪，在水泵工作時(shí)，葉輪葉片都對(duì)內(nèi)部液體產(chǎn)生一定的阻力，因此降低了水泵的效率。

相對(duì)于閉式葉輪而言，開(kāi)式葉輪優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易成型制造；缺點(diǎn)是：對(duì)殼體配合要求較高，這就增加了泵體流道表面的加工精度要求，同時(shí)也增加了水泵總成裝配精度要求，且效率相對(duì)較低，不利于節(jié)能。

扭曲葉片葉輪雖然在工業(yè)用泵上早已大量采用，但汽車水泵葉輪由于其結(jié)構(gòu)尺寸較小，葉輪成型困難，至今仍更多的采用圓柱形葉片葉輪。

隨著科技的發(fā)展及油價(jià)節(jié)節(jié)攀升，對(duì)汽車節(jié)能降耗的呼聲與日俱增，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)效率的提高主要從新材料的應(yīng)用和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在歐美等先進(jìn)國(guó)家都開(kāi)始采用塑料閉式葉輪，一方面轉(zhuǎn)子重量大大減輕，且零件表面光潔度大大提高，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗；另一方面，葉輪一次注塑成型，不需要二次加工，降低了制造成本。大眾公司在近兩年新開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目上也開(kāi)始采用扭曲型葉片葉輪設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)型式的葉片，更符合液體的流動(dòng)規(guī)律，降低液體流阻，泵效進(jìn)一步提高。

應(yīng)用舉例：

某客戶一發(fā)動(dòng)機(jī)配套水泵，要求水泵性能參數(shù)：

流量Q=175L/min；

泵送壓力 P2=2.6bar；

轉(zhuǎn)速n=7000rpm；

系統(tǒng)最大壓力P=3.7bar；

溫度范圍 -40℃～140℃。

針對(duì)這一案例筆者運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）原理分別做了4種不同型式葉片葉輪方案，并進(jìn)行CFD模擬計(jì)算分析，以進(jìn)一步研究葉輪結(jié)構(gòu)型式對(duì)水泵性能的影響。

首先在相同的進(jìn)出口葉輪直徑及相同的葉輪出口寬度的情況下選定影響水泵性能的葉輪參數(shù)—葉輪型式（開(kāi)式、閉式）、葉片數(shù)（5片、6片）及葉片形狀（圓柱形、扭曲型）三個(gè)因子，每個(gè)因子選取2個(gè)水平，利用正交矩陣表對(duì)其進(jìn)行排列，最終選取以下4種葉輪方案：

1）閉式圓柱形5片葉片葉輪；

2）閉式扭曲6片葉片葉輪；

3）開(kāi)式圓柱形6葉片葉輪；

4）開(kāi)式扭曲5葉片葉輪。

對(duì)上述4方案邊界條件設(shè)置相同，然后采用pumplinx軟件分別進(jìn)行CFD分析計(jì)算，其結(jié)果如下表所示：

運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析方法將上述模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析整理：

用Yj1表示第I列因素一水平所對(duì)應(yīng)各號(hào)試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)之和，Yj1為其平均值。

通過(guò)Yj1、Yj2….的比較，就可找到該因素最優(yōu)水平，各因素的最優(yōu)水平組合起來(lái)，就是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果最有利的條件。

結(jié)果顯示，本列中各因素的最優(yōu)水平為A1、B2、C2，所以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)最優(yōu)條件是A1 B2 C2。

在Yj1、Yj2…..中數(shù)值最大者與最小者之差，即因素的極差，Rj表示。它反映了各因素水平變動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)變動(dòng)的幅度。

極差越大，說(shuō)明這個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響越大，所以根據(jù)極差的大小就可以排出因素主次的順序：A、B、C。

綜合以上分析，我們通過(guò)本次試驗(yàn)得出以下結(jié)論：對(duì)該水泵性能影響最大的因素分別為：葉輪型式、葉片形狀及葉片數(shù)；葉輪型式閉式為宜、葉片形狀扭曲形為宜、葉片數(shù)6片為宜。

二、結(jié)論

由此可見(jiàn)，在不改變其他零件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，葉輪由開(kāi)式直葉片葉輪改為閉式空間扭曲葉片葉輪時(shí)，泵的效率提高了11.46%，可見(jiàn)葉輪結(jié)構(gòu)形式對(duì)水泵效率具有舉足輕重的作用。但此種結(jié)構(gòu)葉輪國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，加工制造較為困難，加大了模具的設(shè)計(jì)難度。

為此，該種型式葉輪未被廣泛采用。但大眾公司在EA211發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目上開(kāi)始使用了此種設(shè)計(jì)的葉輪，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)同行的技術(shù)攻關(guān)，模具經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)調(diào)試，最終采用多方位滑塊抽芯方法，現(xiàn)在已能開(kāi)發(fā)出葉輪注塑模具，借鑒該葉輪模具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以將此方案推廣到更多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中去。

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作者簡(jiǎn)介：楊欣葉（1978-），女，滿族，河北青龍人，學(xué)士，中級(jí)職稱研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵設(shè)計(jì)。