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值之后，其水泵構件就會出現老化問題，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，并提出幾點優化策略，希望能夠為相關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，其屬于發動機“心臟”部件，對于發動機系統可靠性運行具有關鍵作用。人們對于汽車可靠性的要求持續提升，所以生產企業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，水封與軸承轉動部件和汽車水泵運行可靠性具有較大關聯[1]。

1 ?汽車水泵作用與工作原理

1.1 汽車水泵作用

在發動機冷卻系統中，汽車水泵是關鍵零部件之一，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，基于循環作用，促使冷卻液不斷交流，借助循環流動方式充分吸收發動機工作狀態下形成的大量熱能，進而充分控制發動機整體運行溫度，保證發動機可以穩定運行。使用汽車水泵時，一般會受到運轉功率、運轉效率以及冷卻液流量等方面影響，基于各個性能穩定條件下，可以保證水泵性能良好。反之水泵性能不足，就無法將冷卻系統作用充分發揮出來。所以，在發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，應該保證水泵各項參數充分匹配發動機參數，進而充分發揮水泵性能。

1.2 汽車水泵運行原理

對于汽車發動機的冷卻系統來講，水泵附近具有較多類型的零部件，開展結構設計活動時，一般應該充分考慮發動機整體運行情況，發動機需要充分符合整體布置規范要求一般和正常水泵設計具有緊密關聯，若是任何布置要求缺乏精細化處理，均會對水泵系統轉動以及運行等方面造成影響。其主要工作原理就是，通過發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，同時基于離心力作用轉移到葉輪邊緣位置，并通過壓水室收集水，進入到冷卻水泵中。另外，葉輪中心位置出現低壓現象，所以通過葉輪進口就可以持續補充冷卻水，產生連續供水，在往復循環過程中，并配合風扇冷風降溫，即可實現發動機冷卻目標。

汽車內部結構應用時，水泵發動機借助皮帶不斷運行，并帶動軸承與葉片之間轉動，對于水泵內部結構來講，設備冷卻液主要是通過皮帶輪帶動葉輪運動，并基于設備離心力作用，將其甩到水泵外部邊緣部位，讓水泵內部形成壓力，進而通過水管、水道結構等流出。葉輪中心部位冷卻液被甩出之后，設備壓力會減小，水箱內部結構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，葉輪與水管持續運轉，進而讓冷卻液能夠循環往復。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 發動機出現怠速不穩問題

在水泵運行中，怠速不穩也屬于常見問題之一，在水泵發生怠速現象之后，基于此種狀態的水泵，下轉速度波動幅度可以達到20rpm以上，在發動機恢復一般怠速條件之后，不論發動機處于熱機狀態還是冷機狀態，均會出現怠速問題，導致發動機極易出現熄火問題。水泵怠速一般會在冬季以及特別寒冷氣候條件下發生概率。企業行駛于路面時，寒冷空氣對企業的阻力加大，所以水泵相關零部件的工作狀態也會受到影響，進而影響發動機整體運行狀態[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動時出現的摩擦聲音，類似于“噌、噌、噌”聲音。在發動機工作速度不斷提升過程中，水泵噪聲也會越來越大，表明水泵內部出現一定程度的損壞。水泵異響一般是由于葉輪出現松動、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一定程度的分離，基于此種狀態就會出現噪聲。

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化過程中，此種問題也得到有效控制。所以，相關人員應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 提高葉輪質量

①優化葉輪結構。設計水泵方案以及設計結構時，葉輪結構一般涵蓋閉式、半開式以及分開式等類型。應該結合水泵具體類型以及應用方向，科學選擇葉輪結構，進行充分匹配相應流道。另外結合企業用戶具體需求，在盡量保證水泵結構不會出現變化條件下，保證水泵的應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，水泵實際使用參數要求是：水泵性能滿足轉速達到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該達到129mm左右，進而才可以充分優化結構。因此，設計內部結構時，應該保證葉輪數量與直徑尺寸不變條件下，才可以保證設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構流體基礎性能相符，充分提高水泵運行可靠性。

因為，當前在水泵結構中，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，進而讓液體物質充分流入葉片渠道，有效強化水泵基礎性能，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物質流動，通風提升水泵容積效率，降低壓力損耗，能夠充分提升水泵性能[5]。

②優化整體系統結構。開展水泵結構設計工作時，基于現階段水泵基礎方案展開詳細分析，能夠發現，現階段水泵結構的方案設計方面的優化空間較大，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定性。

③優化葉輪的基礎參數。因為汽車水泵方案設計以及基礎結構已經滿足相應功能需求，因此只需要對水泵中葉輪片數量進行調整即可，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生率。另外，要想保證葉片數量減少之后，水揚程符合要求，相關人員，應該對葉片出口角度進行調整，比如從34°調整到36°。

在水泵內部運轉過程中，葉片形態應該與正方形類似，同時規格為24mm×23mm。同時，葉輪外徑應該保持在127mm左右。葉片出口角度應該設置為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備之間壓力差進行平衡，避免因為軸向壓力較大導致葉輪、軸承以及水封設備受力超出規范要求，進而導致設備出現異常磨損問題。結合當前汽車水泵實際生產狀況收集以及分析相關數據，發現半開式水泵的葉輪蓋板上部結構和下部結構壓力小，所以，應該科學調整平衡孔數量，以充分保證結構平衡，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，充分提高水泵運轉效率以及質量。

⑤合理選擇葉輪材質。為了充分適應現階段我國油耗法規，汽車在燃油經濟性方面要求持續提升，發動機一般選擇輕量化與小型化設計模式。為了充分實現輕量化設計目標，水泵殼體可以選擇鋁合金，葉輪可以選擇工程塑料。在工程塑料技術持續發展過程中，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，工程塑料葉輪應該選擇注射成型技術，能夠保證復雜葉型生產效率，不斷優化水泵設計，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具有廣泛應用，該技術一般是處理葉輪表面，能夠對能耗問題進行有效控制，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，將抗磨損與抗沖擊等噴涂到葉輪表面，比如耐磨陶瓷、環氧金剛砂以及復合尼龍等材料。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 優化軸承

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

①優化密封圈。在傳統密封圈設計中會采用雙唇口類型，其主要優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不再過盈問題，導致密封效果受到影響，進而嚴重威脅水泵運行穩定性。對于出現唇口嚴重磨損的水泵，相關人員能夠發現軸承潤滑脂已經變成褐色，所以能夠確定，在水泵中進入雜質之后密封圈會出現失效問題，需要展開科學優化。對此，可以采用以下方法展開優化：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置為密封蓋與三唇口結合的模式，此種結構的主要優點就是，將迷宮式密封融合到外唇口，在轉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，則會導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，需要充分掌握其復雜的裝配工藝。

②優化潤滑油。在軸承系統中，水泵軸承比較特殊，其主要在含塵量大、高濕、高溫環境中應用，同時因為環境和水溫作用下，水泵軸承在工作時，溫升通常在100℃-140℃范圍內，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現，不僅密封圈損壞，潤滑脂的顏色同樣發生變化，比如黑色或是褐色。而一些軸承在生產過程中就僅用少量潤滑脂，所以生產廠家應該有效優化，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科學開展軸承安裝操作。對于水泵軸承的運行穩定情況，主要在于相關安裝工藝。要想充分提高軸承運行穩定性，相關人員應該科學開展安裝以及調整工作。同時安裝人員在開展安裝作業時可能發生的相關誤差應該進行有效控制。1）開展軸承壓裝作業前，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，開展壓裝作業時應該選擇軸承孔壁進行支撐，避免殼體出現壓裂以及變形問題。4）在軸承外圈設置壓裝機丫頭，將行程限位設置在夾具上。5）開展壓裝作業時，將導套設置于夾具上，并在軸承內周上進行套入，可以進行壓裝導向。

④科學控制外溫在軸承方面造成的影響。對于外界溫度來講，會導致軸承結構件出現迅速膨脹問題，導致軸承荷載力受到嚴重影響，進而導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生影響，相關人員應該對外界溫度進行認真監控，借助測溫手段對外溫進行調節，保證外溫始終保持在合理范圍內。通常，在外溫超出90℃，則軸承就會出現躥動現象;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計工作時，工作人員應該對水泵材料線膨脹系數以及運作溫度予以足夠重視，禁止同時選擇幾種膨脹系數較差異較大的材料。同時，相關人員應該參考經驗數據庫，針對成熟產品，結合國內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問題造成軸承竄出，特別是商用車水泵，統一增加孔用彈性擋圈。現階段，進行水泵優化設計過程中，工作人員可以借助設置孔用彈性擋圈防止軸承發生異常躥動問題。孔用彈性擋圈可以充分提高水泵軸承穩定性，能夠保證水泵軸承的竄動幅度始終保持在規定范圍內[7]。

⑤優化軸承滾珠。在軸承正常運行過程中，軸承滾珠屬于重要部件，然而現階段，軸承損壞問題日益增多。通過檢測滾珠硬度能夠發現，一些滾珠并不符合相關規定要求，所以導致軸承高速工作時會出現嚴重磨損問題，最終出現故障問題。所以從現生產的軸承組合中隨機選取3個滾球與滾柱，檢查結果見表1。

通過表1能夠發現，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化，有效保證滾珠以及滾柱的硬度合格率，同時還應該對生產廠家展開跟蹤監督，從根本上保證軸承質量[8]。

4 ?結語

現階段，汽車行業發展對于我國社會發展具有重要作用，汽車已經成為民眾生活中重要部分。在汽車需求量持續增加過程中，應該進一步強化汽車性能與質量管控力度。而汽車水泵是汽車動力系統中重要內容，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化葉輪結構、優化整體系統結構、優化葉輪的基礎參數、降低平衡孔數量、合理選擇葉輪材質、預涂覆葉片等措施充分保證葉輪結構合理性，通過優化密封圈、優化潤滑油、優化軸承滾珠等措施保證軸承性能，只要相關人員認真落實這些措施，就可以充分提高水泵可靠性，進而提高發動機運行穩定性。

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