某型發動機水泵泄漏情況分析

201901 上海幸福摩托車有限公司 上海|楊欣葉

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某型發動機水泵泄漏情況分析

201901 上海幸福摩托車有限公司 上海|楊欣葉

從汽車發動機冷卻水泵的缸體結構設計和密封圈產生壓縮永久變形兩方面分析引起水泵泄漏的可能因素及解決預防辦法，為改善發動機水泵結構的合理性提供借鑒。關鍵詞：發動機冷卻水泵；缸體密封圈；泄漏；壓縮變形；失效

發動機冷卻水泵總成通過螺釘等連接件安裝在發動機缸體上，通過皮帶與發動機曲軸聯接，在發動機工作時，曲軸帶動水泵旋轉，循環泵送冷卻液，使冷卻液在發動機冷卻水道內快速循環，把部分受熱零件工作時吸收的熱量及時散發出去，以降低發動機的溫度，從而保證發動機在最適宜的溫度下工作。一旦發生水泵泄漏，必定會影響發動機正常工作，嚴重情況下甚至可能會損壞發動機。

圖1為某一發動機冷卻水泵結構圖，設計者將水泵總成與發動機缸體之間的端面密封型式設計成異型密封圈結構密封。并且在密封圈上設置有方便拆裝的提手，相應的在殼體上設置有放置此提手的止口。

圖1　某發動機冷卻水泵結構圖

問題描述

在顧客對發動機進行實驗室臺架試驗的過程中，發現部分水泵在塑料殼體表面分散有少量冷卻液殘留痕跡，同時，在泵體上水封蒸發室悶蓋孔周圍有少量冷卻液堆積，水泵在試驗過程中發生泄漏，且發生泄漏的水泵全部集中于同一批次零件中。

問題分析及檢測

針對以上問題，首先對客戶處試驗過程中泄漏的水泵進行氣密性復測，此時水泵泄漏嚴重氣測臺無法保壓，不能正常通過氣測試驗。用泄漏檢測劑檢測發現該失效水泵泄漏點發生在水泵和發動機缸體結合面上，然后重新更換一個新的缸體密封圈后進行氣密性復測，泄漏量實測為0.244cm3/ml，遠小于8cm3/ml設計要求，密封測試合格。進一步對失效水泵進行分解檢測：

a 在對失效水泵解體時，發現各連接部位螺栓的松動扭矩較裝配時有所衰減，但仍不影響其功能；

b對該水泵分解后，泵體上密封結合面表面完好，無毛刺、劃傷等不良缺陷，但與缸體結合面上密封圈產生圖2所示永久壓縮變形；

圖2　產生永久變形密封圈

由于密封圈產生永久壓痕，對同批次密封圈按TL 52316標準進行材料試驗，按PV3330進行壓變試驗，發現密封圈的材料性能和壓變量均符合標準要求。然后對失效密封圈按表1項目進行檢測，其結果也符合標準要求。

表1　失效密封圈檢測項目列表

通過上述對密封圈本身進行材料及壓變檢測，認為產生此壓痕不是材料本身問題，而另有原因。經過對水泵結構進行分析，發現在發動機正常工作時，系統內壓力較高，由于泵體上設置有密封圈提手安放止口，在系統內高壓的作用下，冷卻液對密封圈產生各個方向的壓力沖擊使密封圈在此處形成受力薄弱點。久而久之便在此處產生永久壓痕。

c水泵拆解后，對裝配尺寸進行復測，軸承、水封、葉輪、帶輪軸向尺寸及跳動較裝配時無明顯差異，且均符合圖紙要求，轉子部件未發生竄動；

序號　檢測項目　圖紙要求　裝配實測值試驗后實測值　備注1 　葉輪裝配尺寸 16.05±0.1mm 　16.06　16.08 2　帶輪裝配尺寸37.45±0.3mm 　37.49　37.45 3　帶輪端面跳動　＜0.2mm　0.05　0.03 4　軸承裝配尺寸　0.3-0.1　0.27　0.27

d對水泵體、塑料殼體進行尺寸測量，發現其尺寸也符合圖紙要求；

①分別對水泵體和塑料殼體用三坐標進行平面度測量，測量結果均符合圖紙要求。

②對水泵體上安放密封圈提手止口深度進行測量

圖3

在水泵體圖紙上，此密封圈提手安放止口深度尺寸為未注尺寸，圖紙技術要求寫明未注尺寸直接按三維模型，從三維數模上量得此尺寸為2.15，而水泵體零件上實測此尺寸為2.42～2.44，實物尺寸比數模略深，但根據大家以往的經驗，認為此處不是關鍵尺寸，故在產品檢驗時未對該尺寸給予過多關注。

③密封圈上安放提手高度測量

失效水泵上的密封圈由于經歷長時間實驗室臺架試驗運行，產生了壓縮變形，已無法準確測量此尺寸；故取三件同批次密封圈測得尺寸，推斷出密封圈上此尺寸符合圖紙要求。

e在泵體和塑料殼體結合面上用Fuji Paper作面壓試驗，CSS074為失效水泵面壓試驗結果，CSS204為正常水泵面壓試驗結果。對比兩圖可見面壓試驗無明顯差異，壓痕連續均勻；水泵泄漏不是發生在水泵體與塑料殼體結合面處。

f撬下水封蒸發室悶蓋，在蒸發室內未見明顯冷卻液殘留，蒸發室內和悶蓋背面僅有少量殘余冷卻液，這是水泵運轉過程中少量蒸汽泄漏所至。

g將拆解下來的軸承、水封送至原供方進行專業檢測分析，經原供方檢測分析，二者的磨損都在可控范圍內，不會產生水泵泄漏；

通過以上對失效水泵分析可以看出：除密封圈產生永久壓痕外，其他各零部件都完好無損。而該泵在發動機上安裝固定時，蒸發室正處于水泵總成的垂直下方，而密封圈產生永久壓痕處剛好位于水泵頂部，殘存的冷卻液由水泵與缸體結合面上密封圈變形處泄漏溢出后，在重力的作用下沿著缸體流下在蒸發室周圍聚積。因此，判定水泵在臺架試驗時由于密封圈產生永久壓痕，引起水泵與缸體結合面間的泄漏。

圖4

改進措施及試驗驗證

a改進措施

針對分析結果，在不更改原設計的前提下，將泵體上安放密封圈提手止口修淺，按圖紙技術要求未注公差尺寸在名義值小于6時，公差值為±0.1，通知模具供應商，將此尺寸嚴格控制在2.15-0.10范圍內，同時密封圈高度上也嚴格控制此提手尺寸，這樣此處缺口面積減小，密封圈懸空部分也相應地減小，從而改善密封圈的受壓情況。

b試驗驗證

對經過上述整改后的新零件，顧客已經全部完成了發動機實驗室臺架試驗和整車路試試驗，均無水泵泄漏情況。通過對后期顧客完成試驗的水泵12件進行分解檢測分析，發現在原來的受力薄弱點—密封圈提手處均不再產生永久壓痕，水泵泄露情況已經解決。

結束語

汽車水泵密封可靠性對發動機的安全運轉至關重要，因此設計者對其可能出現的故障模式應有足夠的了解，并在設計中足夠重視。通過對該水泵泄漏分析發現，引起水泵泄漏的原因較多，在設計時要充分考慮到每一個可能引起失效的細節，才能做出更好的設計。該水泵總成密封圈提手的設計，其優點是不僅方便了操作工人的裝拆，同時對水泵總成終檢時也可一目了然的發現密封圈是否漏裝，但另一方面，如前所述此設計給后面引起水泵泄漏埋下的隱患。細節決定成敗，因此在今后進行此類產品設計時值得廣大設計人員借鑒。

參考：

［1］付平，常德功主編.《密封設計手冊》，化學工業出版社，2009年.

［2］劉后桂編著.《密封技術》，湖南科學技術出版社，1981年.

［3］趙非主編.《汽車動力總成典型故障案例選編》，黑龍江科技出版社，2014年.

［4］伍岳林，戴清橋主編.《發動機及關鍵零件制造技術》，機械工業出版社，2015年.

楊欣葉（1978年—）、女、滿族，籍貫：河北青龍，職稱：中級，學位：學士，研究方向：發動機冷卻水泵設計。