高效率汽车水泵的设计研究

(镇江市高等专科学校 装备制造学院，江苏 镇江 212000）

高效率汽车水泵的设计研究

臧薇

(镇江市高等专科学校 装备制造学院，江苏 镇江 212000）

随着现阶段汽车制造业的快速发展，以及人们对汽车质量、性能、实用性等要求的不断提高，原有的汽车水泵的工作效率水平会越来越无法满足这些需求。而当前国内关于这一方面的研究尚处于探索阶段，一些理念、技术、方法都还不够成熟，使得国内汽车水泵的效率仍存在普遍性的低水平问题，与国外相比差距较大（国外汽车水泵效率约为45%，而国内仅为30%）。因此，通过高效率汽车水泵的设计研究对于目前国内汽车水泵以及国内汽车总体质量的提升是十分重要的。本文即以此为背景，试按照汽车水泵相关内容概述、影响汽车水泵性能的常见因素分析和汽车水泵效率的优化设计的思路，进行高效率汽车水泵的设计研究。虽然本次研究尚存在许多的不足，但经对设计研究后汽车水泵效率的检验可知，所设计汽车水泵的效率得到了显著的提高，这在一定程度上表明，高效率汽车水泵的设计研究的发展前景和优化可能性还是极高的。

汽车水泵；效率；性能；设计研究

汽车水泵之于汽车的重要性是十分明显的，它不仅关系着汽车发动机冷却系统控制效果的好坏，还关系着新型汽车的研发与改进。但汽车水泵这一部件的设计、组构是需要遵循一定的机械和物理原理的，因此，要进行高效率汽车水泵的设计研究，首先要了解汽车水泵的基本结构和运作原理，阐明进行这一研究的意义所在，为汽车水泵的设计奠定理论基础。

1 汽车水泵相关内容概述

1.1 汽车水泵的基本结构及运作原理

概括的说，汽车水泵就是汽车内部的一种组合式部件。目前，使用最为广泛的汽车水泵大多是离心式的。从结构上来看，汽车水泵主要由水泵壳体、水泵轴承、叶轮、皮带轮以及密封垫等封闭装置小零件组装而成。

汽车水泵需要与汽车发动机、节温器联合使用。其中运作原理为：当水泵叶轮旋转时，在离心力的作用下，发动机水道中的热水会被甩出，冷水会灌入。另外，当汽车发动机温度超过80℃时打开节温器，就能够使发动机箱内的热水受压泵出，借助自然风力的作用实现水的冷却，以此来实现汽车机箱内冷却水的循环利用。简单的说，汽车水泵的工作原理就是，通过对汽车发动机中冷却水的压力施加，来促进冷却水在整个系统中的循环流动。

1.2 提高汽车水泵工作效率的意义

目前，国内对高效能汽车水泵的设计研究主要采用先模仿国外先进技术，再通过实验验证水泵性能，最后进行改进加工的渠道或流程，这样不仅会增加汽车水泵的研发消耗（人、财、物资源），还使得研发出来的汽车水泵在性能上存在一定的落差。因此，通过先找出影响汽车水泵运作效率的因素，然后结合上述渠道进行有针对性的高效率汽车水泵的设计研究是十分必要的。所以，从某种程度上来说，汽车水泵的长期高效运作有利于延长汽车发动机使用寿命的现实意义。

2 影响汽车水泵性能的常见因素分析

通过查阅相关研究资料可知，汽车水泵性能的好坏，即运作效率的高低与汽车水泵构件中叶轮的参数和蜗室（压水室）的空间存在着较大的关联。叶轮的叶片数、叶片形状和叶片面积，以及蜗室进出口的直径、宽度和安放角等参数的合理与否都会对汽车水泵的性能造成不同程度的影响。比如，若汽车水泵叶轮的叶片数较多，那么就可能出现叶片排挤和叶片摩擦等不良现象；若汽车水泵叶轮叶片的长度不足，那么就会影响液体流动的稳定性等。

3 高效率汽车水泵的设计研究

为了使本文对高效率汽车水泵的设计研究具有更强的针对性，本文选取了某型号汽车水泵（已完成初始设计）为本次设计研究的主要对象。现已知该汽车水泵的性能和效率检测结果如表1。

3.1 叶轮的优化设计研究

根据表1所示的某型号汽车水泵运作情况检测结果可知，该件汽车水泵的叶轮设计不够合理，且主要体现在叶轮的叶片和平衡孔数量较多、形状不合理、与蜗室间隙过大共三个方面，这种情况的存在给整个水泵的流量扬程造成了较大的影响。因此，本文对汽车水泵叶轮的设计研究 也将从这几点着手。

表1 某型号汽车水泵运作情况检测结果

首先，正如上文所述，过多的叶轮叶片会导致叶轮液流排挤压力增大，因此，我们可以通过适当减少叶轮叶片数量的方法，来减轻液流的排挤压力。并采用减少叶轮平衡孔数量和缩小孔直径的方法来实现叶轮上下盖板压力差值的平衡，具体的，先将平衡孔的分布位置从原来的40毫米圆周长转移到58毫米的圆周之上，再将原来的8个5毫米的叶轮平衡孔改设为3个6毫米的平衡孔，从而将经由平衡孔泄露至水泵进口的冷却水流量减到最小。促进该汽车水泵工作效率的提高。

其次，将叶轮叶片的形状换成螺旋形的扭曲叶片，以提高叶轮液流的流通速度，然后通过对叶轮叶片进出口部位的安放角相应配置或布置来实现对整个叶轮水道内冷却水的扩散控制，从而促进汽车水泵水循环效率的提高。

最后，要解决叶轮与蜗室之间间隙过大的隐患。先运用专门的举例测量工具对叶轮与蜗室的间隙进行测量，再通过减小蜗壳基圆直径等方法，将间隙缩小并稳定在0.3～0.5毫米区间范围内，将叶轮叶片与叶片之间的间隙调整为0.5毫米。这样，不仅能够解决叶轮不均匀的外周流动问题，还能够降低叶轮运作时的能量消耗，从整体上提高汽车水泵的性能的工作效率。

3.2 蜗室的优化设计研究

根据表1所示的某型号汽车水泵运作情况检测结果可知，该件汽车水泵的蜗室设计不够合理，且主要体现在蜗室出口截面和蜗室隔舌厚度的设计上。这种情况的存在不仅给汽车水泵实际性能的发挥和实际能量的应用带来了不利损失，还给整个水泵的工作效率造成了较大的影响。因此，本文对汽车水泵蜗室的设计研究也将从这两点着手。

首先，蜗室出口截面的设计。增加蜗室出口截面面积这一结论是必然的，那么具体应该如何增加呢。第一步，要根据专业检验的结果和二次具象检测来确定该汽车水泵蜗室截面狭小的具体位置（确定为第三截面）。第二步，根据不同截面条件下流体的平均速度参数可知，当前该蜗室截面的流体速度为6.53m/s，要想优化汽车水泵蜗室内的冷却水压力，就必须降低这一流速，根据常规经验，本文暂将设计改进后的流体平均速度设为每秒5.56米，按照这一条件，我们需要把该汽车水泵蜗室出口第三截面的面积从原来的1015m2增加至1190m2。第三步，以常规的水力设计方式（针对螺旋式蜗壳）为依据，按照蜗室截面的平滑要求，进行蜗室其他进、出口截面的计算，并进行相应的设计与改良。

这样，不仅能够促进涡室中流体动能的压力能转化，还能够增加整个汽车水泵涡室的出口压力，提升水泵的整体性能。

其次，在蜗室隔舌厚度的设计上，可以采用隔舌材料替换或调整叶轮与隔舌角度的方法，来削减隔舌的厚度，或改善隔舌与叶轮的间隙。可以在水泵涡壳隔舌的该间隙部位增加 5×45°的倒角，同时采用与3.2中最后一点相同的做法，对隔舌头部圆形部位进行切割，将原来131.6毫米的蜗壳直径缩减0.6毫米。这样，不仅能够加大叶轮底部水封周围冷却液的流量，还不改变水封的结构，使水泵的重量保持在当前水平。

4 结语

通过本文对汽车水泵设计研究的浅层探析可以发现，通过专业的技术手段和借鉴现有的汽车水泵改进参数是可以实现对汽车水泵效率的提高的。尽管就目前而言，我国的汽车水泵效率与国外汽车水泵的普遍效率相比尚存在较大的差距，但是，随着国内汽车水泵研发人才不断增多、研发技术水平的不断提高，加之先进人才和技术引进理念的不断成熟，我国汽车水泵效率的提升指日可待。

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