淺析汽車發(fā)動機(jī)水泵的工作原理與故障

程雙安

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

1 引言

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)對其性能的影響顯著，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零件的熱負(fù)荷和性能研發(fā)是行業(yè)內(nèi)共同探討的熱點。冷卻水泵作為發(fā)動機(jī)非常重要的組成部分，影響著汽車的正常運(yùn)行與壽命，因此對其工作原理與故障進(jìn)行深入的了解與掌握[1]。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車的“心臟”，如果汽車“心臟”出現(xiàn)故障，汽車就會出現(xiàn)不能正常行駛等情況，并且還會出現(xiàn)對發(fā)動機(jī)造成損害[2]。由此可見，水泵對汽車發(fā)動機(jī)的重要性，水泵的性能提升、結(jié)構(gòu)改進(jìn)是現(xiàn)代汽車研發(fā)中最為主要的工作之一，本文對汽車水泵常見故障現(xiàn)象及出現(xiàn)原因進(jìn)行簡要闡述，并提出相應(yīng)的改善意見，期望對汽車水泵技術(shù)提升及質(zhì)量改善有所幫助。

2 汽車發(fā)動機(jī)水泵的構(gòu)造、工作原理

2.1 汽車發(fā)動機(jī)的構(gòu)造

汽車發(fā)動機(jī)的不同構(gòu)造中又包含了較多的組件如圖1示，供給系：進(jìn)排氣管路、燃油箱、燃油泵、燃油濾清器、噴油器組件、燃油儀表、空氣濾清器組件、進(jìn)氣歧管、排氣歧管等組成；冷卻系：水箱、節(jié)溫器、散熱器、水泵、風(fēng)扇、水溫表和放水開關(guān)等組成；潤滑系：機(jī)油儀表、機(jī)油泵組件、主油道、機(jī)油濾清器、集濾器、油壓感應(yīng)塞、限壓閥等組成；起動系：蓄電池、點火開關(guān)、啟動繼電器及起動機(jī)等組成；配氣機(jī)構(gòu)：氣門、氣缸蓋、氣門座、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、彈簧上座、鎖夾、正時齒輪、進(jìn)排氣凸輪軸、搖臂及液壓挺柱等組成。其中還包括點火系，對于發(fā)動機(jī)水泵的各個系統(tǒng)需要完全地配合與正常運(yùn)行才能確保整個系統(tǒng)的工作[3]。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)的構(gòu)造圖

2.2 汽車發(fā)動機(jī)水泵的結(jié)構(gòu)

圖2 典型離心式冷卻循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)圖

汽車上大多采用水冷卻，小部分內(nèi)燃機(jī)車采用空氣冷卻。當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度較低時，從水泵來的水經(jīng)分水管、水套、出水口流回到水泵。由于節(jié)溫器主閥門關(guān)閉，水不能流入散熱器只能從節(jié)溫器的副閥門流入水泵，此循環(huán)稱為小循環(huán)。由于冷卻水不通過散熱器，所以水的溫度不會下降，反而提高，使之滿足發(fā)動機(jī)的工作要求。該結(jié)構(gòu)具有外形尺寸小、重量輕、供水量大、結(jié)構(gòu)簡單等特點，是應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式[4]。典型離心式冷卻循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由水泵體、葉輪、軸承、軸、水封和皮帶輪等組成。

2.3 汽車發(fā)動機(jī)水泵的工作原理

發(fā)動機(jī)冷卻水泵的周圍有多個零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足發(fā)動機(jī)的整體布置要求，以致水泵進(jìn)出水的流道走向、蝸室的形狀與斷面、水泵進(jìn)出口布局、葉輪進(jìn)口結(jié)構(gòu)及基本尺寸確定等往往難以滿足正常的水力設(shè)計要求，從而直接影響了包括效率在內(nèi)的運(yùn)行性能的提高[5]。葉輪的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對水泵運(yùn)行性能具有決定性的影響，發(fā)動機(jī)冷卻水泵一般采用無前蓋板的半開式葉輪結(jié)構(gòu)。

對于泵的軸承要進(jìn)行潤滑時，冷卻液會引起潤滑效果不佳或無法潤滑，因此要保證冷卻液不會發(fā)生泄漏的現(xiàn)象。在對軸承與葉輪進(jìn)行配合時，要讓兩者之間密封性好，這樣才不發(fā)生冷卻液泄漏。

當(dāng)皮帶輪作用時，水泵軸承與葉輪能夠發(fā)生轉(zhuǎn)動，其中冷卻液也會隨之轉(zhuǎn)動，在離心力的驅(qū)動下產(chǎn)生作用，從出水道或水管流出。

3 汽車水泵常見故障及原因

3.1 出現(xiàn)怠速問題

在冬季或特別寒冷的地區(qū)，由于阻力的影響，會嚴(yán)重影響到水泵的正常運(yùn)行，從而大大的影響到整個發(fā)動機(jī)的運(yùn)行，會引起汽車出現(xiàn)怠速的現(xiàn)象，特別是在該地區(qū)，如果阻力大到一定的程度時，會出現(xiàn)熄火的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到汽車的正常行駛。

3.2 水泵的泄漏

水泵發(fā)生泄漏現(xiàn)象在水泵故障中比較常見，根據(jù)前面的論述主要是由于軸承與葉輪之間的密封效果不好，從而導(dǎo)致兩者間發(fā)生內(nèi)部泄漏[6]。但由于密封件和其他外部部件發(fā)生老化或者泄漏現(xiàn)象，也會引起水泵發(fā)生外部泄漏現(xiàn)象。

3.3 出現(xiàn)噪音現(xiàn)象

汽車發(fā)動機(jī)水泵異響，這種聲音是轉(zhuǎn)動的摩擦聲，類似“噌噌噌”的聲音。聲音隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速加快，發(fā)出的噪音也隨之增大，說明水泵內(nèi)部已開始損壞，造成這一現(xiàn)象的原因是軸承損壞或葉輪在工作時出現(xiàn)松動，逐漸和軸承分離而產(chǎn)生的噪音。

水泵噪聲測試工作非常繁瑣，需要各個系統(tǒng)之間的配合。測試臺架一般在室內(nèi)，通過皮帶驅(qū)動水泵運(yùn)行，將整個系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽，對背景噪聲進(jìn)行減振與噪聲處理，讓其能夠小于水泵工作的噪聲（即10dB 以上）。這樣就可以測試水泵的噪聲故障問題。如圖3 所示。

圖3 汽車水泵半消聲室噪聲測試系統(tǒng)

3.4 水泵葉輪的損壞

水泵葉輪發(fā)生損壞，主要是由于水泵在裝配過程中出現(xiàn)不當(dāng)安裝的問題。在對水泵進(jìn)行安裝時必須要按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)來進(jìn)行，如果安裝比較隨意時，就會出現(xiàn)葉輪受到損壞的現(xiàn)象。此外水泵內(nèi)防凍液腐蝕也會造成葉輪發(fā)生損壞，不過隨著防凍液的性能的提升，這種現(xiàn)象也會減少。需要對水泵進(jìn)行定期的檢測與處理維護(hù)，才不會讓葉輪受到損壞。

3.5 水泵出現(xiàn)裂痕

由于水泵在工作過程中，會出現(xiàn)較大的振動現(xiàn)象，這樣會引起水泵與軸承支撐點之間出現(xiàn)裂痕。例如，水泵中的零部件在長期的振動過程中會出現(xiàn)變形，這樣會容易導(dǎo)致整個水泵與軸承間發(fā)生裂痕。

3.6 水溫過高

從上述分析中我們發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動機(jī)冷卻液系統(tǒng)工作不順暢，從而引起水泵工作過程中的熱量不能及時地排出，從而導(dǎo)致水溫過高引起發(fā)動機(jī)無法正常工作。

4 對汽車發(fā)動機(jī)水泵的改進(jìn)方案

汽車發(fā)動機(jī)水泵最為重要的組成零件是水泵殼體、軸、水封和軸承，因此需要對這些部件進(jìn)行有的放矢的排查與檢修，確保整個水泵工作的順暢，不影響到汽車的正常運(yùn)行。

4.1 對泵殼的改進(jìn)

我們對水泵組件進(jìn)行拆解后，檢查時可以看到，里面積累很多雜物，這些雜物嚴(yán)重影響水泵的工作效率和產(chǎn)生質(zhì)量問題， 為了解決這個問題，我們把水泵殼體上的兩個排水孔減少為一個排水孔，將水泵殼體上的排水孔取消掉，這樣做可以減少細(xì)微顆粒和雜質(zhì)進(jìn)入到水泵組件內(nèi)部，對水泵安全運(yùn)轉(zhuǎn)起到很好的防護(hù)。

4.2 對軸承的改進(jìn)

我們對拆解的軸承進(jìn)行分析，從外觀看軸承自身、軸承中的密封圈以及潤滑脂均有可能出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個水泵無法正常的工作，因此需要從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

4.2.1 密封圈的改進(jìn)

對密封圈進(jìn)行改進(jìn)可以采取兩種方法：第一種是軸承使用雙唇的密封圈；第二種方法是將原有的雙唇口改成三唇口形式的密封圈并進(jìn)行封蓋。不管使用哪個方案，都需要對軸承與葉輪間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，要確保密封圈能夠起到密封的作用，不會因為其他原因，導(dǎo)致密封效果不好，這就需要維護(hù)人員在日常工作中總結(jié)經(jīng)驗，能夠及時準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行判斷，從而改進(jìn)密封圈。

4.2.2 對潤滑油的改進(jìn)

汽車水泵的軸承是一個較為特殊的軸承單元，它的使用環(huán)境多為溫度高、濕度高、灰塵多，并且由于水溫及環(huán)境影響，水泵軸承運(yùn)行過程中的溫度升高，會達(dá)到100℃左右，這樣就對軸承的潤滑油有極高的要求。從我們對故障件表面分析來看，故障件中潤滑脂都出現(xiàn)變色現(xiàn)象，說明潤滑脂中含脂量不達(dá)標(biāo)，所以要求潤滑脂生產(chǎn)廠家嚴(yán)格管控潤滑脂的含脂量，并按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)加注潤滑脂。

4.2.3 對軸承內(nèi)滾珠的改進(jìn)

軸承內(nèi)的滾珠是保證軸承正常工作的重要部件，但滾珠出現(xiàn)損壞的情況卻越來越多。對滾珠的硬度進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)，大部分滾珠都沒有達(dá)到所需的硬度要求，這就使得軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大幅度磨損，最后徹底壞掉。所以應(yīng)該對生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，保證滾珠的硬度達(dá)標(biāo)、質(zhì)量過關(guān)，這樣才能有效解決軸承損壞的根本問題。

4.3 提高水泵的穩(wěn)定性

由于發(fā)動機(jī)長時間的處于大負(fù)荷作業(yè)，就會造成水泵出現(xiàn)相應(yīng)的故障，從而使冷卻液的溫度過高。對于這個主要問題的解決，需要從以下兩方面著手：首先，應(yīng)該從發(fā)動機(jī)的外表開始檢查，例如：散熱器、氣缸體、管路連接、水泵密封性等，通過仔細(xì)觀察，看看他們是否有漏水的現(xiàn)象，是否是皮帶較松而造成運(yùn)行時打滑，葉片是否出現(xiàn)了裂痕、異常磨損、氣蝕等現(xiàn)象?？梢源蜷_發(fā)動機(jī)蓋，用手觸摸水箱進(jìn)水管和出水管，看看是否存在溫度差；如果存在溫度差，則說明節(jié)溫器存在故障，無法正常工作而導(dǎo)致水溫過高，拆下節(jié)溫器，放入盛裝≥90℃開水的容器內(nèi)，觀察節(jié)溫器上石蠟和彈簧是否產(chǎn)生位移；其次，正常啟動發(fā)動機(jī)，調(diào)高空調(diào)的制冷來控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠以較低的轉(zhuǎn)速慢慢上升到高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這時觀察冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是隨著發(fā)動機(jī)溫度的升高而不斷升高。更換風(fēng)扇離合器就可降低風(fēng)扇的噪音，且溫度達(dá)到90℃時，風(fēng)扇就能全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

在當(dāng)今飛速發(fā)展的時代，汽車這一領(lǐng)域有著非常重要的位置，作為人們生活當(dāng)中不可或缺的一部分。隨著汽車的需求量增加，對汽車的質(zhì)量和性能也需要加強(qiáng)管控。因此，水泵作為汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)不可缺少的零件之一，要加強(qiáng)對水泵工作原理及故障的研究，其中對水泵結(jié)構(gòu)與技術(shù)的創(chuàng)新顯得尤為重要。希望本文中所提到的意見，能夠給汽車發(fā)動機(jī)水泵的改進(jìn)工作帶來幫助，讓汽車水泵能以最佳的性能在汽車的行駛中發(fā)揮出重要作用。