淺析汽車發動機水泵的工作原理與故障

程雙安

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，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

發動機冷卻系統對其性能的影響顯著，發動機冷卻系統關鍵零件的熱負荷和性能研發是行業內共同探討的熱點。冷卻水泵作為發動機非常重要的組成部分，影響著汽車的正常運行與壽命，因此對其工作原理與故障進行深入的了解與掌握[1]。

發動機冷卻系統是汽車的“心臟”，如果汽車“心臟”出現故障，汽車就會出現不能正常行駛等情況，并且還會出現對發動機造成損害[2]。由此可見，水泵對汽車發動機的重要性，水泵的性能提升、結構改進是現代汽車研發中最為主要的工作之一，本文對汽車水泵常見故障現象及出現原因進行簡要闡述，并提出相應的改善意見，期望對汽車水泵技術提升及質量改善有所幫助。

2 汽車發動機水泵的構造、工作原理

2.1 汽車發動機的構造

汽車發動機的不同構造中又包含了較多的組件如圖1示，供給系：進排氣管路、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、進氣歧管、排氣歧管等組成；冷卻系：水箱、節溫器、散熱器、水泵、風扇、水溫表和放水開關等組成；潤滑系：機油儀表、機油泵組件、主油道、機油濾清器、集濾器、油壓感應塞、限壓閥等組成；起動系：蓄電池、點火開關、啟動繼電器及起動機等組成；配氣機構：氣門、氣缸蓋、氣門座、氣門導管、氣門彈簧、彈簧上座、鎖夾、正時齒輪、進排氣凸輪軸、搖臂及液壓挺柱等組成。其中還包括點火系，對于發動機水泵的各個系統需要完全地配合與正常運行才能確保整個系統的工作[3]。

圖1 汽車發動機的構造圖

2.2 汽車發動機水泵的結構

圖2 典型離心式冷卻循環水泵結構圖

汽車上大多采用水冷卻，小部分內燃機車采用空氣冷卻。當發動機溫度較低時，從水泵來的水經分水管、水套、出水口流回到水泵。由于節溫器主閥門關閉，水不能流入散熱器只能從節溫器的副閥門流入水泵，此循環稱為小循環。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，使之滿足發動機的工作要求。該結構具有外形尺寸小、重量輕、供水量大、結構簡單等特點，是應用最為廣泛的一種結構型式[4]。典型離心式冷卻循環水泵結構如圖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 汽車發動機水泵的工作原理

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

對于泵的軸承要進行潤滑時，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生泄漏的現象。在對軸承與葉輪進行配合時，要讓兩者之間密封性好，這樣才不發生冷卻液泄漏。

當皮帶輪作用時，水泵軸承與葉輪能夠發生轉動，其中冷卻液也會隨之轉動，在離心力的驅動下產生作用，從出水道或水管流出。

3 汽車水泵常見故障及原因

3.1 出現怠速問題

在冬季或特別寒冷的地區，由于阻力的影響，會嚴重影響到水泵的正常運行，從而大大的影響到整個發動機的運行，會引起汽車出現怠速的現象，特別是在該地區，如果阻力大到一定的程度時，會出現熄火的現象，嚴重影響到汽車的正常行駛。

3.2 水泵的泄漏

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

3.3 出現噪音現象

汽車發動機水泵異響，這種聲音是轉動的摩擦聲，類似“噌噌噌”的聲音。聲音隨著發動機轉速加快，發出的噪音也隨之增大，說明水泵內部已開始損壞，造成這一現象的原因是軸承損壞或葉輪在工作時出現松動，逐漸和軸承分離而產生的噪音。

水泵噪聲測試工作非常繁瑣，需要各個系統之間的配合。測試臺架一般在室內，通過皮帶驅動水泵運行，將整個系統進行屏蔽，對背景噪聲進行減振與噪聲處理，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

3.4 水泵葉輪的損壞

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

3.5 水泵出現裂痕

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

3.6 水溫過高

從上述分析中我們發現，由于發動機冷卻液系統工作不順暢，從而引起水泵工作過程中的熱量不能及時地排出，從而導致水溫過高引起發動機無法正常工作。

4 對汽車發動機水泵的改進方案

汽車發動機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行。

4.1 對泵殼的改進

我們對水泵組件進行拆解后，檢查時可以看到，里面積累很多雜物，這些雜物嚴重影響水泵的工作效率和產生質量問題， 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，這樣做可以減少細微顆粒和雜質進入到水泵組件內部，對水泵安全運轉起到很好的防護。

4.2 對軸承的改進

我們對拆解的軸承進行分析，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故障導致整個水泵無法正常的工作，因此需要從以下方面進行改進。

4.2.1 密封圈的改進

對密封圈進行改進可以采取兩種方法：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行封蓋。不管使用哪個方案，都需要對軸承與葉輪間的結構進行嚴格的檢查，要確保密封圈能夠起到密封的作用，不會因為其他原因，導致密封效果不好，這就需要維護人員在日常工作中總結經驗，能夠及時準確無誤地進行判斷，從而改進密封圈。

4.2.2 對潤滑油的改進

汽車水泵的軸承是一個較為特殊的軸承單元，它的使用環境多為溫度高、濕度高、灰塵多，并且由于水溫及環境影響，水泵軸承運行過程中的溫度升高，會達到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變色現象，說明潤滑脂中含脂量不達標，所以要求潤滑脂生產廠家嚴格管控潤滑脂的含脂量，并按標準作業加注潤滑脂。

4.2.3 對軸承內滾珠的改進

軸承內的滾珠是保證軸承正常工作的重要部件，但滾珠出現損壞的情況卻越來越多。對滾珠的硬度進行檢測時發現，大部分滾珠都沒有達到所需的硬度要求，這就使得軸承在高速運轉時會產生大幅度磨損，最后徹底壞掉。所以應該對生產廠家的生產質量進行嚴格監督，保證滾珠的硬度達標、質量過關，這樣才能有效解決軸承損壞的根本問題。

4.3 提高水泵的穩定性

由于發動機長時間的處于大負荷作業，就會造成水泵出現相應的故障，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，應該從發動機的外表開始檢查，例如：散熱器、氣缸體、管路連接、水泵密封性等，通過仔細觀察，看看他們是否有漏水的現象，是否是皮帶較松而造成運行時打滑，葉片是否出現了裂痕、異常磨損、氣蝕等現象。可以打開發動機蓋，用手觸摸水箱進水管和出水管，看看是否存在溫度差；如果存在溫度差，則說明節溫器存在故障，無法正常工作而導致水溫過高，拆下節溫器，放入盛裝≥90℃開水的容器內，觀察節溫器上石蠟和彈簧是否產生位移；其次，正常啟動發動機，調高空調的制冷來控制發動機的轉速，能夠以較低的轉速慢慢上升到高速運轉，這時觀察冷卻風扇的轉速。風扇的轉速應該是隨著發動機溫度的升高而不斷升高。更換風扇離合器就可降低風扇的噪音，且溫度達到90℃時，風扇就能全速運轉。

5 結論

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