高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究

(鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校 裝備制造學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究

臧薇

(鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校 裝備制造學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

隨著現(xiàn)階段汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，以及人們對(duì)汽車質(zhì)量、性能、實(shí)用性等要求的不斷提高，原有的汽車水泵的工作效率水平會(huì)越來(lái)越無(wú)法滿足這些需求。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于這一方面的研究尚處于探索階段，一些理念、技術(shù)、方法都還不夠成熟，使得國(guó)內(nèi)汽車水泵的效率仍存在普遍性的低水平問(wèn)題，與國(guó)外相比差距較大（國(guó)外汽車水泵效率約為45%，而國(guó)內(nèi)僅為30%）。因此，通過(guò)高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究對(duì)于目前國(guó)內(nèi)汽車水泵以及國(guó)內(nèi)汽車總體質(zhì)量的提升是十分重要的。本文即以此為背景，試按照汽車水泵相關(guān)內(nèi)容概述、影響汽車水泵性能的常見(jiàn)因素分析和汽車水泵效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，進(jìn)行高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究。雖然本次研究尚存在許多的不足，但經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)研究后汽車水泵效率的檢驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)汽車水泵的效率得到了顯著的提高，這在一定程度上表明，高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究的發(fā)展前景和優(yōu)化可能性還是極高的。

汽車水泵；效率；性能；設(shè)計(jì)研究

汽車水泵之于汽車的重要性是十分明顯的，它不僅關(guān)系著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制效果的好壞，還關(guān)系著新型汽車的研發(fā)與改進(jìn)。但汽車水泵這一部件的設(shè)計(jì)、組構(gòu)是需要遵循一定的機(jī)械和物理原理的，因此，要進(jìn)行高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究，首先要了解汽車水泵的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理，闡明進(jìn)行這一研究的意義所在，為汽車水泵的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

1 汽車水泵相關(guān)內(nèi)容概述

1.1 汽車水泵的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)作原理

概括的說(shuō)，汽車水泵就是汽車內(nèi)部的一種組合式部件。目前，使用最為廣泛的汽車水泵大多是離心式的。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，汽車水泵主要由水泵殼體、水泵軸承、葉輪、皮帶輪以及密封墊等封閉裝置小零件組裝而成。

汽車水泵需要與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、節(jié)溫器聯(lián)合使用。其中運(yùn)作原理為：當(dāng)水泵葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)水道中的熱水會(huì)被甩出，冷水會(huì)灌入。另外，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)溫度超過(guò)80℃時(shí)打開(kāi)節(jié)溫器，就能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)的熱水受壓泵出，借助自然風(fēng)力的作用實(shí)現(xiàn)水的冷卻，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車機(jī)箱內(nèi)冷卻水的循環(huán)利用。簡(jiǎn)單的說(shuō)，汽車水泵的工作原理就是，通過(guò)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻水的壓力施加，來(lái)促進(jìn)冷卻水在整個(gè)系統(tǒng)中的循環(huán)流動(dòng)。

1.2 提高汽車水泵工作效率的意義

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高效能汽車水泵的設(shè)計(jì)研究主要采用先模仿國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水泵性能，最后進(jìn)行改進(jìn)加工的渠道或流程，這樣不僅會(huì)增加汽車水泵的研發(fā)消耗（人、財(cái)、物資源），還使得研發(fā)出來(lái)的汽車水泵在性能上存在一定的落差。因此，通過(guò)先找出影響汽車水泵運(yùn)作效率的因素，然后結(jié)合上述渠道進(jìn)行有針對(duì)性的高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究是十分必要的。所以，從某種程度上來(lái)說(shuō)，汽車水泵的長(zhǎng)期高效運(yùn)作有利于延長(zhǎng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的現(xiàn)實(shí)意義。

2 影響汽車水泵性能的常見(jiàn)因素分析

通過(guò)查閱相關(guān)研究資料可知，汽車水泵性能的好壞，即運(yùn)作效率的高低與汽車水泵構(gòu)件中葉輪的參數(shù)和蝸室（壓水室）的空間存在著較大的關(guān)聯(lián)。葉輪的葉片數(shù)、葉片形狀和葉片面積，以及蝸室進(jìn)出口的直徑、寬度和安放角等參數(shù)的合理與否都會(huì)對(duì)汽車水泵的性能造成不同程度的影響。比如，若汽車水泵葉輪的葉片數(shù)較多，那么就可能出現(xiàn)葉片排擠和葉片摩擦等不良現(xiàn)象；若汽車水泵葉輪葉片的長(zhǎng)度不足，那么就會(huì)影響液體流動(dòng)的穩(wěn)定性等。

3 高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究

為了使本文對(duì)高效率汽車水泵的設(shè)計(jì)研究具有更強(qiáng)的針對(duì)性，本文選取了某型號(hào)汽車水泵（已完成初始設(shè)計(jì)）為本次設(shè)計(jì)研究的主要對(duì)象。現(xiàn)已知該汽車水泵的性能和效率檢測(cè)結(jié)果如表1。

3.1 葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

根據(jù)表1所示的某型號(hào)汽車水泵運(yùn)作情況檢測(cè)結(jié)果可知，該件汽車水泵的葉輪設(shè)計(jì)不夠合理，且主要體現(xiàn)在葉輪的葉片和平衡孔數(shù)量較多、形狀不合理、與蝸室間隙過(guò)大共三個(gè)方面，這種情況的存在給整個(gè)水泵的流量揚(yáng)程造成了較大的影響。因此，本文對(duì)汽車水泵葉輪的設(shè)計(jì)研究 也將從這幾點(diǎn)著手。

表1 某型號(hào)汽車水泵運(yùn)作情況檢測(cè)結(jié)果

首先，正如上文所述，過(guò)多的葉輪葉片會(huì)導(dǎo)致葉輪液流排擠壓力增大，因此，我們可以通過(guò)適當(dāng)減少葉輪葉片數(shù)量的方法，來(lái)減輕液流的排擠壓力。并采用減少葉輪平衡孔數(shù)量和縮小孔直徑的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)葉輪上下蓋板壓力差值的平衡，具體的，先將平衡孔的分布位置從原來(lái)的40毫米圓周長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到58毫米的圓周之上，再將原來(lái)的8個(gè)5毫米的葉輪平衡孔改設(shè)為3個(gè)6毫米的平衡孔，從而將經(jīng)由平衡孔泄露至水泵進(jìn)口的冷卻水流量減到最小。促進(jìn)該汽車水泵工作效率的提高。

其次，將葉輪葉片的形狀換成螺旋形的扭曲葉片，以提高葉輪液流的流通速度，然后通過(guò)對(duì)葉輪葉片進(jìn)出口部位的安放角相應(yīng)配置或布置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)葉輪水道內(nèi)冷卻水的擴(kuò)散控制，從而促進(jìn)汽車水泵水循環(huán)效率的提高。

最后，要解決葉輪與蝸室之間間隙過(guò)大的隱患。先運(yùn)用專門(mén)的舉例測(cè)量工具對(duì)葉輪與蝸室的間隙進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)減小蝸殼基圓直徑等方法，將間隙縮小并穩(wěn)定在0.3～0.5毫米區(qū)間范圍內(nèi)，將葉輪葉片與葉片之間的間隙調(diào)整為0.5毫米。這樣，不僅能夠解決葉輪不均勻的外周流動(dòng)問(wèn)題，還能夠降低葉輪運(yùn)作時(shí)的能量消耗，從整體上提高汽車水泵的性能的工作效率。

3.2 蝸室的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

根據(jù)表1所示的某型號(hào)汽車水泵運(yùn)作情況檢測(cè)結(jié)果可知，該件汽車水泵的蝸室設(shè)計(jì)不夠合理，且主要體現(xiàn)在蝸室出口截面和蝸室隔舌厚度的設(shè)計(jì)上。這種情況的存在不僅給汽車水泵實(shí)際性能的發(fā)揮和實(shí)際能量的應(yīng)用帶來(lái)了不利損失，還給整個(gè)水泵的工作效率造成了較大的影響。因此，本文對(duì)汽車水泵蝸室的設(shè)計(jì)研究也將從這兩點(diǎn)著手。

首先，蝸室出口截面的設(shè)計(jì)。增加蝸室出口截面面積這一結(jié)論是必然的，那么具體應(yīng)該如何增加呢。第一步，要根據(jù)專業(yè)檢驗(yàn)的結(jié)果和二次具象檢測(cè)來(lái)確定該汽車水泵蝸室截面狹小的具體位置（確定為第三截面）。第二步，根據(jù)不同截面條件下流體的平均速度參數(shù)可知，當(dāng)前該蝸室截面的流體速度為6.53m/s，要想優(yōu)化汽車水泵蝸室內(nèi)的冷卻水壓力，就必須降低這一流速，根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，本文暫將設(shè)計(jì)改進(jìn)后的流體平均速度設(shè)為每秒5.56米，按照這一條件，我們需要把該汽車水泵蝸室出口第三截面的面積從原來(lái)的1015m2增加至1190m2。第三步，以常規(guī)的水力設(shè)計(jì)方式（針對(duì)螺旋式蝸殼）為依據(jù)，按照蝸室截面的平滑要求，進(jìn)行蝸室其他進(jìn)、出口截面的計(jì)算，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)與改良。

這樣，不僅能夠促進(jìn)渦室中流體動(dòng)能的壓力能轉(zhuǎn)化，還能夠增加整個(gè)汽車水泵渦室的出口壓力，提升水泵的整體性能。

其次，在蝸室隔舌厚度的設(shè)計(jì)上，可以采用隔舌材料替換或調(diào)整葉輪與隔舌角度的方法，來(lái)削減隔舌的厚度，或改善隔舌與葉輪的間隙。可以在水泵渦殼隔舌的該間隙部位增加 5×45°的倒角，同時(shí)采用與3.2中最后一點(diǎn)相同的做法，對(duì)隔舌頭部圓形部位進(jìn)行切割，將原來(lái)131.6毫米的蝸殼直徑縮減0.6毫米。這樣，不僅能夠加大葉輪底部水封周圍冷卻液的流量，還不改變水封的結(jié)構(gòu)，使水泵的重量保持在當(dāng)前水平。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)汽車水泵設(shè)計(jì)研究的淺層探析可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)專業(yè)的技術(shù)手段和借鑒現(xiàn)有的汽車水泵改進(jìn)參數(shù)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車水泵效率的提高的。盡管就目前而言，我國(guó)的汽車水泵效率與國(guó)外汽車水泵的普遍效率相比尚存在較大的差距，但是，隨著國(guó)內(nèi)汽車水泵研發(fā)人才不斷增多、研發(fā)技術(shù)水平的不斷提高，加之先進(jìn)人才和技術(shù)引進(jìn)理念的不斷成熟，我國(guó)汽車水泵效率的提升指日可待。

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