提高汽車水泵工作可靠性的幾項措施探討

袁保杰 章娜 劉兵

摘要： 汽車行駛里程達到一定數(shù)值之后，其水泵構(gòu)件就會出現(xiàn)老化問題，影響水泵運行可靠性，嚴重威脅行車安全。所以，在水泵設(shè)計之初就對各零部件考慮，提高各部件壽命，配合強度，合理制定預(yù)防措施，保證水泵運行可靠性。對此，本文闡述了汽車水泵作用與工作原理，分析水泵運行可靠性問題，并提出幾點優(yōu)化策略，希望能夠為相關(guān)單位與人員提供參考。

Abstract： After the vehicle mileage reaches a certain value， its water pump components will appear aging problem， affecting the reliability of water pump operation， a serious threat to driving safety. Therefore， at the beginning of the design of the pump on the consideration of the parts， improve the life of the parts， with strength， reasonable development of preventive measures to ensure the reliability of the pump operation. In this regard， this paper expounds the function and working principle of automobile water pump， analyzes the reliability of water pump operation， and puts forward several optimization strategies， hoping to provide reference for relevant units and personnel.

關(guān)鍵詞： 汽車水泵;工作可靠性;措施探討

Key words： automobile water pump;working reliability;discussion on measures

中圖分類號：U463 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0043-03

0 ?引言

在汽車行駛過程中，汽車水泵具有重要作用，其屬于發(fā)動機“心臟”部件，對于發(fā)動機系統(tǒng)可靠性運行具有關(guān)鍵作用。人們對于汽車可靠性的要求持續(xù)提升，所以生產(chǎn)企業(yè)需要有效提升所有零部件的性能。汽車水泵主要是由皮帶輪、法蘭、葉輪、水封、軸承以及水泵殼體等零部件組成，葉輪對于水泵性能具有重要影響，水封與軸承轉(zhuǎn)動部件和汽車水泵運行可靠性具有較大關(guān)聯(lián)[1]。

1 ?汽車水泵作用與工作原理

1.1 汽車水泵作用

在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，汽車水泵是關(guān)鍵零部件之一，其主要作用就是借助水泵進行冷卻液傳輸，保證冷卻液可以順利進入到各個水道中，基于循環(huán)作用，促使冷卻液不斷交流，借助循環(huán)流動方式充分吸收發(fā)動機工作狀態(tài)下形成的大量熱能，進而充分控制發(fā)動機整體運行溫度，保證發(fā)動機可以穩(wěn)定運行。使用汽車水泵時，一般會受到運轉(zhuǎn)功率、運轉(zhuǎn)效率以及冷卻液流量等方面影響，基于各個性能穩(wěn)定條件下，可以保證水泵性能良好。反之水泵性能不足，就無法將冷卻系統(tǒng)作用充分發(fā)揮出來。所以，在發(fā)動機中進行水泵安裝過程中，一般會針對水泵性能情況開展測試活動。此過程，應(yīng)該保證水泵各項參數(shù)充分匹配發(fā)動機參數(shù)，進而充分發(fā)揮水泵性能。

1.2 汽車水泵運行原理

對于汽車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)來講，水泵附近具有較多類型的零部件，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計活動時，一般應(yīng)該充分考慮發(fā)動機整體運行情況，發(fā)動機需要充分符合整體布置規(guī)范要求一般和正常水泵設(shè)計具有緊密關(guān)聯(lián)，若是任何布置要求缺乏精細化處理，均會對水泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)動以及運行等方面造成影響。其主要工作原理就是，通過發(fā)動機的曲軸皮帶輪將水泵皮帶輪帶動起來，之后帶動葉輪運行，讓葉輪進口位置的水流入到葉輪中，此部分水也會隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，同時基于離心力作用轉(zhuǎn)移到葉輪邊緣位置，并通過壓水室收集水，進入到冷卻水泵中。另外，葉輪中心位置出現(xiàn)低壓現(xiàn)象，所以通過葉輪進口就可以持續(xù)補充冷卻水，產(chǎn)生連續(xù)供水，在往復(fù)循環(huán)過程中，并配合風(fēng)扇冷風(fēng)降溫，即可實現(xiàn)發(fā)動機冷卻目標。

汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用時，水泵發(fā)動機借助皮帶不斷運行，并帶動軸承與葉片之間轉(zhuǎn)動，對于水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來講，設(shè)備冷卻液主要是通過皮帶輪帶動葉輪運動，并基于設(shè)備離心力作用，將其甩到水泵外部邊緣部位，讓水泵內(nèi)部形成壓力，進而通過水管、水道結(jié)構(gòu)等流出。葉輪中心部位冷卻液被甩出之后，設(shè)備壓力會減小，水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)中冷卻液在葉輪中心部位與水泵進口部位形成壓力差，基于壓力作用，葉輪與水管持續(xù)運轉(zhuǎn)，進而讓冷卻液能夠循環(huán)往復(fù)。軸承通過潤滑脂進行潤滑，所以，需要避免冷卻液滲漏其中，出現(xiàn)潤滑脂乳化問題，同時還需要避免潤滑脂泄漏問題[2]。

2 ?水泵運行可靠性問題分析

2.1 發(fā)動機出現(xiàn)怠速不穩(wěn)問題

在水泵運行中，怠速不穩(wěn)也屬于常見問題之一，在水泵發(fā)生怠速現(xiàn)象之后，基于此種狀態(tài)的水泵，下轉(zhuǎn)速度波動幅度可以達到20rpm以上，在發(fā)動機恢復(fù)一般怠速條件之后，不論發(fā)動機處于熱機狀態(tài)還是冷機狀態(tài)，均會出現(xiàn)怠速問題，導(dǎo)致發(fā)動機極易出現(xiàn)熄火問題。水泵怠速一般會在冬季以及特別寒冷氣候條件下發(fā)生概率。企業(yè)行駛于路面時，寒冷空氣對企業(yè)的阻力加大，所以水泵相關(guān)零部件的工作狀態(tài)也會受到影響，進而影響發(fā)動機整體運行狀態(tài)[3]。

2.2 噪音問題

水泵異響對于水泵可靠運行具有較大影響，此種異響一般為水泵轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)的摩擦聲音，類似于“噌、噌、噌”聲音。在發(fā)動機工作速度不斷提升過程中，水泵噪聲也會越來越大，表明水泵內(nèi)部出現(xiàn)一定程度的損壞。水泵異響一般是由于葉輪出現(xiàn)松動、水封摩擦或是軸承損壞原因造成的，水泵的軸承與汽車水泵出現(xiàn)一定程度的分離，基于此種狀態(tài)就會出現(xiàn)噪聲。

2.3 葉輪損壞

對于葉輪損壞問題，一般是因為裝配水泵時，安裝工作沒有根據(jù)要求開展。另外，防凍液腐蝕同樣會腐蝕葉輪，在防凍液性能持有優(yōu)化過程中，此種問題也得到有效控制。所以，相關(guān)人員應(yīng)該定期開展葉輪檢修工作，為葉輪安全提供良好保障[4]。

3 ?水泵運行可靠性控制措施

3.1 提高葉輪質(zhì)量

①優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)。設(shè)計水泵方案以及設(shè)計結(jié)構(gòu)時，葉輪結(jié)構(gòu)一般涵蓋閉式、半開式以及分開式等類型。應(yīng)該結(jié)合水泵具體類型以及應(yīng)用方向，科學(xué)選擇葉輪結(jié)構(gòu)，進行充分匹配相應(yīng)流道。另外結(jié)合企業(yè)用戶具體需求，在盡量保證水泵結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)變化條件下，保證水泵的應(yīng)用性能得到充分滿足，進而充分提高水泵工作可靠性，降低水泵汽蝕問題。比如，水泵實際使用參數(shù)要求是：水泵性能滿足轉(zhuǎn)速達到3400r/min、流量達到320L/min條件下，水泵揚程可以超出21m，同時水泵中葉輪直徑應(yīng)該達到129mm左右，進而才可以充分優(yōu)化結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該保證葉輪數(shù)量與直徑尺寸不變條件下，才可以保證設(shè)計葉輪方案中的各項性能需求得到充分滿足，然而，基于此種參數(shù)條件會降低葉輪葉片的出口彎曲率，同時減少了出口部位的厚度，讓水泵葉片的外形與結(jié)構(gòu)流體基礎(chǔ)性能相符，充分提高水泵運行可靠性。

因為，當前在水泵結(jié)構(gòu)中，葉輪葉片進口部位會朝著軸心方向前伸，讓葉片能夠較早接觸液體，進而讓液體物質(zhì)充分流入葉片渠道，有效強化水泵基礎(chǔ)性能，減少水泵沖擊損失。因為葉輪從半開式向封閉式方向轉(zhuǎn)變，可以對液體流動進行有效約束，充分保證液體可以在葉輪葉道中順利實現(xiàn)物質(zhì)流動，通風(fēng)提升水泵容積效率，降低壓力損耗，能夠充分提升水泵性能[5]。

②優(yōu)化整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。開展水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，基于現(xiàn)階段水泵基礎(chǔ)方案展開詳細分析，能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段水泵結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計方面的優(yōu)化空間較大，比如，對葉輪水流方向具體位置進行改變，保證葉片充分保持在流道中，進而充分保證水泵性能，結(jié)合車輛運行具體條件，對葉輪和水泵底座之間距離以及間隙等進行修改，進而充分保證水泵容積效率，有效降低軸功率，保證液體流動過程中的安全性與穩(wěn)定性。

③優(yōu)化葉輪的基礎(chǔ)參數(shù)。因為汽車水泵方案設(shè)計以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足相應(yīng)功能需求，因此只需要對水泵中葉輪片數(shù)量進行調(diào)整即可，比如，從10個減少到8個，同時不斷降低不同葉片的間距以及摩擦問題發(fā)生率。另外，要想保證葉片數(shù)量減少之后，水揚程符合要求，相關(guān)人員，應(yīng)該對葉片出口角度進行調(diào)整，比如從34°調(diào)整到36°。

在水泵內(nèi)部運轉(zhuǎn)過程中，葉片形態(tài)應(yīng)該與正方形類似，同時規(guī)格為24mm×23mm。同時，葉輪外徑應(yīng)該保持在127mm左右。葉片出口角度應(yīng)該設(shè)置為36°，確保葉片進口與出口整體面積達為1：16。

④降低平衡孔數(shù)量。對于汽車水泵來講，平衡孔主要是對葉輪的蓋板和下部分設(shè)備之間壓力差進行平衡，避免因為軸向壓力較大導(dǎo)致葉輪、軸承以及水封設(shè)備受力超出規(guī)范要求，進而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常磨損問題。結(jié)合當前汽車水泵實際生產(chǎn)狀況收集以及分析相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)半開式水泵的葉輪蓋板上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)壓力小，所以，應(yīng)該科學(xué)調(diào)整平衡孔數(shù)量，以充分保證結(jié)構(gòu)平衡，通常水泵平衡孔直徑尺寸在5mm左右，若是直徑降低，則平衡孔整體面積也會降低，使葉輪底部的水流動速度受到降低，充分提高水泵運轉(zhuǎn)效率以及質(zhì)量。

⑤合理選擇葉輪材質(zhì)。為了充分適應(yīng)現(xiàn)階段我國油耗法規(guī)，汽車在燃油經(jīng)濟性方面要求持續(xù)提升，發(fā)動機一般選擇輕量化與小型化設(shè)計模式。為了充分實現(xiàn)輕量化設(shè)計目標，水泵殼體可以選擇鋁合金，葉輪可以選擇工程塑料。在工程塑料技術(shù)持續(xù)發(fā)展過程中，葉輪耐高溫的性能得到充分提升，同時也充分提升了葉輪強度。相比于金屬葉輪，工程塑料葉輪應(yīng)該選擇注射成型技術(shù)，能夠保證復(fù)雜葉型生產(chǎn)效率，不斷優(yōu)化水泵設(shè)計，葉輪外形選擇半圓弧形，并向后彎曲，也可以選擇多圓弧狀，為了充分保證水泵運行效率，葉片可以和水平方向保持一致，進而充分提高水泵性能。工程塑料具有良好耐腐蝕性能，同時其轉(zhuǎn)動慣量、密度低，水泵工作過程中振動小、噪音低，同時葉輪的不平衡量小。

⑥預(yù)涂覆葉片。在石油化工、冶金、能源、國防與航空航天等方面熱噴涂技術(shù)具有廣泛應(yīng)用，該技術(shù)一般是處理葉輪表面，能夠?qū)δ芎膯栴}進行有效控制，充分強化水泵工作小，提高水泵可靠性，同時延長使用壽命。要想保證葉輪的耐氣蝕性能問題得到有效提升，以工程角度分析，可以選擇預(yù)涂覆葉輪方法，主要選擇聚醚型聚氨酯涂料以及粉末噴涂技術(shù)，將抗磨損與抗沖擊等噴涂到葉輪表面，比如耐磨陶瓷、環(huán)氧金剛砂以及復(fù)合尼龍等材料。將這些材料涂抹到葉輪上，可以充分減少汽蝕影響，保證汽車水泵運行可靠性[6]。

3.2 優(yōu)化軸承

通過對軸承故障件進行拆解分析能夠發(fā)現(xiàn)，軸承滾柱、滾珠、潤滑脂以及密封圈等部件均存在問題，而軸承損壞會導(dǎo)致水泵徹底失效，導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)拉缸事故，因此相關(guān)人員需要對軸承安全性加以重視。

①優(yōu)化密封圈。在傳統(tǒng)密封圈設(shè)計中會采用雙唇口類型，其主要優(yōu)點就是密封圈的雙唇口和軸承之間均摩擦磨損，因為軸承體表面具有良好粗糙度，唇口磨損速度較慢。其缺點就是，灰塵等物質(zhì)能夠通過軸間和唇口直接進入，在唇口長時間使用后，可能和軸承之間出現(xiàn)不再過盈問題，導(dǎo)致密封效果受到影響，進而嚴重威脅水泵運行穩(wěn)定性。對于出現(xiàn)唇口嚴重磨損的水泵，相關(guān)人員能夠發(fā)現(xiàn)軸承潤滑脂已經(jīng)變成褐色，所以能夠確定，在水泵中進入雜質(zhì)之后密封圈會出現(xiàn)失效問題，需要展開科學(xué)優(yōu)化。對此，可以采用以下方法展開優(yōu)化：1）基于過影響不斷條件，對

軸承雙唇口的密封唇口密封圈長度進行延長處理，同時增加外唇口厚度。2）把雙唇口密封模式設(shè)置為密封蓋與三唇口結(jié)合的模式，此種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點就是，將迷宮式密封融合到外唇口，在轉(zhuǎn)動形成的離心力作用下反壓蓋外圈能夠充分防止灰塵進入其中。其主要缺點就是第一唇口、第二唇口和反壓蓋之間存在過盈配合，同時反壓蓋和唇口的接觸位置粗糙度不滿足要求，極易造成磨損問題，影響密封效果，若是灰塵進入蓋內(nèi)，則會導(dǎo)致唇口磨損問題更加嚴重，因為離心力影響，若是灰塵進入反壓蓋，則無法有效排出，進而形成堆積。要想提高第一唇口和反壓蓋之間過盈量的合理性，需要充分掌握其復(fù)雜的裝配工藝。

②優(yōu)化潤滑油。在軸承系統(tǒng)中，水泵軸承比較特殊，其主要在含塵量大、高濕、高溫環(huán)境中應(yīng)用，同時因為環(huán)境和水溫作用下，水泵軸承在工作時，溫升通常在100℃-140℃范圍內(nèi)，所以在潤滑脂使用方面具有特殊要求。軸承潤滑脂一般選擇埃索利達N3類型，通過對存在問題的軸承進行拆解分析能夠發(fā)現(xiàn)，不僅密封圈損壞，潤滑脂的顏色同樣發(fā)生變化，比如黑色或是褐色。而一些軸承在生產(chǎn)過程中就僅用少量潤滑脂，所以生產(chǎn)廠家應(yīng)該有效優(yōu)化，還是選擇埃索利達N3類型的潤滑脂，但是需要保證潤滑脂用量。

③科學(xué)開展軸承安裝操作。對于水泵軸承的運行穩(wěn)定情況，主要在于相關(guān)安裝工藝。要想充分提高軸承運行穩(wěn)定性，相關(guān)人員應(yīng)該科學(xué)開展安裝以及調(diào)整工作。同時安裝人員在開展安裝作業(yè)時可能發(fā)生的相關(guān)誤差應(yīng)該進行有效控制。1）開展軸承壓裝作業(yè)前，需要將泵體升溫至

100攝氏度，讓軸承在熱脹作用下增加內(nèi)徑，進而降低壓裝力。2）部分軸承的外圈長度段，所以為了提升軸承拉脫力，在壓裝過程中進行涂膠處理。3）由于水泵的體壁厚度較小，開展壓裝作業(yè)時應(yīng)該選擇軸承孔壁進行支撐，避免殼體出現(xiàn)壓裂以及變形問題。4）在軸承外圈設(shè)置壓裝機丫頭，將行程限位設(shè)置在夾具上。5）開展壓裝作業(yè)時，將導(dǎo)套設(shè)置于夾具上，并在軸承內(nèi)周上進行套入，可以進行壓裝導(dǎo)向。

④科學(xué)控制外溫在軸承方面造成的影響。對于外界溫度來講，會導(dǎo)致軸承結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)迅速膨脹問題，導(dǎo)致軸承荷載力受到嚴重影響，進而導(dǎo)致軸承無法可靠運行。所以，為了防止外界溫度對頻繁波動對軸承產(chǎn)生影響，相關(guān)人員應(yīng)該對外界溫度進行認真監(jiān)控，借助測溫手段對外溫進行調(diào)節(jié)，保證外溫始終保持在合理范圍內(nèi)。通常，在外溫超出90℃，則軸承就會出現(xiàn)躥動現(xiàn)象;若是外溫波動幅度達到10℃/min，那么軸承就會存在脫出隱患。所以在進行汽車水泵設(shè)計工作時，工作人員應(yīng)該對水泵材料線膨脹系數(shù)以及運作溫度予以足夠重視，禁止同時選擇幾種膨脹系數(shù)較差異較大的材料。同時，相關(guān)人員應(yīng)該參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，針對成熟產(chǎn)品，結(jié)合國內(nèi)外標準以及不同材料的殼體等情況，選取不通過盈量，克服水泵材料線膨脹系數(shù)問題造成軸承竄出，特別是商用車水泵，統(tǒng)一增加孔用彈性擋圈?，F(xiàn)階段，進行水泵優(yōu)化設(shè)計過程中，工作人員可以借助設(shè)置孔用彈性擋圈防止軸承發(fā)生異常躥動問題。孔用彈性擋圈可以充分提高水泵軸承穩(wěn)定性，能夠保證水泵軸承的竄動幅度始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)[7]。

⑤優(yōu)化軸承滾珠。在軸承正常運行過程中，軸承滾珠屬于重要部件，然而現(xiàn)階段，軸承損壞問題日益增多。通過檢測滾珠硬度能夠發(fā)現(xiàn)，一些滾珠并不符合相關(guān)規(guī)定要求，所以導(dǎo)致軸承高速工作時會出現(xiàn)嚴重磨損問題，最終出現(xiàn)故障問題。所以從現(xiàn)生產(chǎn)的軸承組合中隨機選取3個滾球與滾柱，檢查結(jié)果見表1。

通過表1能夠發(fā)現(xiàn)，部分滾珠硬度并沒有達到標準要求，對于此類問題需要廠家予以有效優(yōu)化，有效保證滾珠以及滾柱的硬度合格率，同時還應(yīng)該對生產(chǎn)廠家展開跟蹤監(jiān)督，從根本上保證軸承質(zhì)量[8]。

4 ?結(jié)語

現(xiàn)階段，汽車行業(yè)發(fā)展對于我國社會發(fā)展具有重要作用，汽車已經(jīng)成為民眾生活中重要部分。在汽車需求量持續(xù)增加過程中，應(yīng)該進一步強化汽車性能與質(zhì)量管控力度。而汽車水泵是汽車動力系統(tǒng)中重要內(nèi)容，只有保證水泵運行可靠性，才可以保證汽車整體可靠性。所以需要積極通過優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)、優(yōu)化整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化葉輪的基礎(chǔ)參數(shù)、降低平衡孔數(shù)量、合理選擇葉輪材質(zhì)、預(yù)涂覆葉片等措施充分保證葉輪結(jié)構(gòu)合理性，通過優(yōu)化密封圈、優(yōu)化潤滑油、優(yōu)化軸承滾珠等措施保證軸承性能，只要相關(guān)人員認真落實這些措施，就可以充分提高水泵可靠性，進而提高發(fā)動機運行穩(wěn)定性。

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