提高汽车水泵工作可靠性的几项措施探讨

袁保杰 章娜 刘兵

摘要： 汽车行驶里程达到一定数值之后，其水泵构件就会出现老化问题，影响水泵运行可靠性，严重威胁行车安全。所以，在水泵设计之初就对各零部件考虑，提高各部件寿命，配合强度，合理制定预防措施，保证水泵运行可靠性。对此，本文阐述了汽车水泵作用与工作原理，分析水泵运行可靠性问题，并提出几点优化策略，希望能够为相关单位与人员提供参考。

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.

關键词： 汽车水泵;工作可靠性;措施探讨

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

中图分类号：U463                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0043-03

0  引言

在汽车行驶过程中，汽车水泵具有重要作用，其属于发动机“心脏”部件，对于发动机系统可靠性运行具有关键作用。人们对于汽车可靠性的要求持续提升，所以生产企业需要有效提升所有零部件的性能。汽车水泵主要是由皮带轮、法兰、叶轮、水封、轴承以及水泵壳体等零部件组成，叶轮对于水泵性能具有重要影响，水封与轴承转动部件和汽车水泵运行可靠性具有较大关联[1]。

1  汽车水泵作用与工作原理

1.1 汽车水泵作用

在发动机冷却系统中，汽车水泵是关键零部件之一，其主要作用就是借助水泵进行冷却液传输，保证冷却液可以顺利进入到各个水道中，基于循环作用，促使冷却液不断交流，借助循环流动方式充分吸收发动机工作状态下形成的大量热能，进而充分控制发动机整体运行温度，保证发动机可以稳定运行。使用汽车水泵时，一般会受到运转功率、运转效率以及冷却液流量等方面影响，基于各个性能稳定条件下，可以保证水泵性能良好。反之水泵性能不足，就无法将冷却系统作用充分发挥出来。所以，在发动机中进行水泵安装过程中，一般会针对水泵性能情况开展测试活动。此过程，应该保证水泵各项参数充分匹配发动机参数，进而充分发挥水泵性能。

1.2 汽车水泵运行原理

对于汽车发动机的冷却系统来讲，水泵附近具有较多类型的零部件，开展结构设计活动时，一般应该充分考虑发动机整体运行情况，发动机需要充分符合整体布置规范要求一般和正常水泵设计具有紧密关联，若是任何布置要求缺乏精细化处理，均会对水泵系统转动以及运行等方面造成影响。其主要工作原理就是，通过发动机的曲轴皮带轮将水泵皮带轮带动起来，之后带动叶轮运行，让叶轮进口位置的水流入到叶轮中，此部分水也会随着叶轮旋转，同时基于离心力作用转移到叶轮边缘位置，并通过压水室收集水，进入到冷却水泵中。另外，叶轮中心位置出现低压现象，所以通过叶轮进口就可以持续补充冷却水，产生连续供水，在往复循环过程中，并配合风扇冷风降温，即可实现发动机冷却目标。

汽车内部结构应用时，水泵发动机借助皮带不断运行，并带动轴承与叶片之间转动，对于水泵内部结构来讲，设备冷却液主要是通过皮带轮带动叶轮运动，并基于设备离心力作用，将其甩到水泵外部边缘部位，让水泵内部形成压力，进而通过水管、水道结构等流出。叶轮中心部位冷却液被甩出之后，设备压力会减小，水箱内部结构中冷却液在叶轮中心部位与水泵进口部位形成压力差，基于压力作用，叶轮与水管持续运转，进而让冷却液能够循环往复。轴承通过润滑脂进行润滑，所以，需要避免冷却液渗漏其中，出现润滑脂乳化问题，同时还需要避免润滑脂泄漏问题[2]。

2  水泵运行可靠性问题分析

2.1 发动机出现怠速不稳问题

在水泵运行中，怠速不稳也属于常见问题之一，在水泵发生怠速现象之后，基于此种状态的水泵，下转速度波动幅度可以达到20rpm以上，在发动机恢复一般怠速条件之后，不论发动机处于热机状态还是冷机状态，均会出现怠速问题，导致发动机极易出现熄火问题。水泵怠速一般会在冬季以及特别寒冷气候条件下发生概率。企业行驶于路面时，寒冷空气对企业的阻力加大，所以水泵相关零部件的工作状态也会受到影响，进而影响发动机整体运行状态[3]。

2.2 噪音问题

水泵异响对于水泵可靠运行具有较大影响，此种异响一般为水泵转动时出现的摩擦声音，类似于“噌、噌、噌”声音。在发动机工作速度不断提升过程中，水泵噪声也会越来越大，表明水泵内部出现一定程度的损坏。水泵异响一般是由于叶轮出现松动、水封摩擦或是轴承损坏原因造成的，水泵的轴承与汽车水泵出现一定程度的分离，基于此种状态就会出现噪声。

2.3 叶轮损坏

对于叶轮损坏问题，一般是因为装配水泵时，安装工作没有根据要求开展。另外，防冻液腐蚀同样会腐蚀叶轮，在防冻液性能持有优化过程中，此种问题也得到有效控制。所以，相关人员应该定期开展叶轮检修工作，为叶轮安全提供良好保障[4]。

3  水泵运行可靠性控制措施

3.1 提高叶轮质量

①优化叶轮结构。设计水泵方案以及设计结构时，叶轮结构一般涵盖闭式、半开式以及分开式等类型。应该结合水泵具体类型以及应用方向，科学选择叶轮结构，进行充分匹配相应流道。另外结合企业用户具体需求，在尽量保证水泵结构不会出现变化条件下，保证水泵的应用性能得到充分满足，进而充分提高水泵工作可靠性，降低水泵汽蚀问题。比如，水泵实际使用参数要求是：水泵性能满足转速达到3400r/min、流量达到320L/min条件下，水泵扬程可以超出21m，同时水泵中叶轮直径应该达到129mm左右，进而才可以充分优化结构。因此，设计内部结构时，应该保证叶轮数量与直径尺寸不变条件下，才可以保证设计叶轮方案中的各项性能需求得到充分满足，然而，基于此种参数条件会降低叶轮叶片的出口弯曲率，同时减少了出口部位的厚度，让水泵叶片的外形与结构流体基础性能相符，充分提高水泵运行可靠性。

因为，当前在水泵结构中，叶轮叶片进口部位会朝着轴心方向前伸，让叶片能够较早接触液体，进而让液体物质充分流入叶片渠道，有效强化水泵基础性能，减少水泵冲击损失。因为叶轮从半开式向封闭式方向转变，可以对液体流动进行有效约束，充分保证液体可以在叶轮叶道中顺利实现物质流动，通风提升水泵容积效率，降低压力损耗，能够充分提升水泵性能[5]。

②优化整体系统结构。开展水泵结构设计工作时，基于现阶段水泵基础方案展开详细分析，能够发现，现阶段水泵结构的方案设计方面的优化空间较大，比如，对叶轮水流方向具体位置进行改变，保证叶片充分保持在流道中，进而充分保证水泵性能，结合车辆运行具体条件，对叶轮和水泵底座之间距离以及间隙等进行修改，进而充分保证水泵容积效率，有效降低轴功率，保证液体流动过程中的安全性与稳定性。

③优化叶轮的基础参数。因为汽车水泵方案设计以及基础结构已经满足相应功能需求，因此只需要对水泵中叶轮片数量进行调整即可，比如，从10个减少到8个，同时不断降低不同叶片的间距以及摩擦问题发生率。另外，要想保证叶片数量减少之后，水扬程符合要求，相关人员，应该对叶片出口角度进行调整，比如从34°调整到36°。

在水泵内部运转过程中，叶片形态应该与正方形类似，同时规格为24mm×23mm。同时，叶轮外径应该保持在127mm左右。叶片出口角度应该设置为36°，确保叶片进口与出口整体面积达为1：16。

④降低平衡孔数量。对于汽车水泵来讲，平衡孔主要是对叶轮的盖板和下部分设备之间压力差进行平衡，避免因为轴向压力较大导致叶轮、轴承以及水封设备受力超出规范要求，进而导致设备出现异常磨损问题。结合当前汽车水泵实际生产状况收集以及分析相关数据，发现半开式水泵的叶轮盖板上部结构和下部结构压力小，所以，应该科学调整平衡孔数量，以充分保证结构平衡，通常水泵平衡孔直径尺寸在5mm左右，若是直径降低，则平衡孔整体面積也会降低，使叶轮底部的水流动速度受到降低，充分提高水泵运转效率以及质量。

⑤合理选择叶轮材质。为了充分适应现阶段我国油耗法规，汽车在燃油经济性方面要求持续提升，发动机一般选择轻量化与小型化设计模式。为了充分实现轻量化设计目标，水泵壳体可以选择铝合金，叶轮可以选择工程塑料。在工程塑料技术持续发展过程中，叶轮耐高温的性能得到充分提升，同时也充分提升了叶轮强度。相比于金属叶轮，工程塑料叶轮应该选择注射成型技术，能够保证复杂叶型生产效率，不断优化水泵设计，叶轮外形选择半圆弧形，并向后弯曲，也可以选择多圆弧状，为了充分保证水泵运行效率，叶片可以和水平方向保持一致，进而充分提高水泵性能。工程塑料具有良好耐腐蚀性能，同时其转动惯量、密度低，水泵工作过程中振动小、噪音低，同时叶轮的不平衡量小。

⑥预涂覆叶片。在石油化工、冶金、能源、国防与航空航天等方面热喷涂技术具有广泛应用，该技术一般是处理叶轮表面，能够对能耗问题进行有效控制，充分强化水泵工作小，提高水泵可靠性，同时延长使用寿命。要想保证叶轮的耐气蚀性能问题得到有效提升，以工程角度分析，可以选择预涂覆叶轮方法，主要选择聚醚型聚氨酯涂料以及粉末喷涂技术，将抗磨损与抗冲击等喷涂到叶轮表面，比如耐磨陶瓷、环氧金刚砂以及复合尼龙等材料。将这些材料涂抹到叶轮上，可以充分减少汽蚀影响，保证汽车水泵运行可靠性[6]。

3.2 优化轴承

通过对轴承故障件进行拆解分析能够发现，轴承滚柱、滚珠、润滑脂以及密封圈等部件均存在问题，而轴承损坏会导致水泵彻底失效，导致发动机出现拉缸事故，因此相关人员需要对轴承安全性加以重视。

①优化密封圈。在传统密封圈设计中会采用双唇口类型，其主要优点就是密封圈的双唇口和轴承之间均摩擦磨损，因为轴承体表面具有良好粗糙度，唇口磨损速度较慢。其缺点就是，灰尘等物质能够通过轴间和唇口直接进入，在唇口长时间使用后，可能和轴承之间出现不再过盈问题，导致密封效果受到影响，进而严重威胁水泵运行稳定性。对于出现唇口严重磨损的水泵，相关人员能够发现轴承润滑脂已经变成褐色，所以能够确定，在水泵中进入杂质之后密封圈会出现失效问题，需要展开科学优化。对此，可以采用以下方法展开优化：1）基于过影响不断条件，对

轴承双唇口的密封唇口密封圈长度进行延长处理，同时增加外唇口厚度。2）把双唇口密封模式设置为密封盖与三唇口结合的模式，此种结构的主要优点就是，将迷宫式密封融合到外唇口，在转动形成的离心力作用下反压盖外圈能够充分防止灰尘进入其中。其主要缺点就是第一唇口、第二唇口和反压盖之间存在过盈配合，同时反压盖和唇口的接触位置粗糙度不满足要求，极易造成磨损问题，影响密封效果，若是灰尘进入盖内，则会导致唇口磨损问题更加严重，因为离心力影响，若是灰尘进入反压盖，则无法有效排出，进而形成堆积。要想提高第一唇口和反压盖之间过盈量的合理性，需要充分掌握其复杂的装配工艺。

②优化润滑油。在轴承系统中，水泵轴承比较特殊，其主要在含尘量大、高湿、高温环境中应用，同时因为环境和水温作用下，水泵轴承在工作时，温升通常在100℃-140℃范围内，所以在润滑脂使用方面具有特殊要求。轴承润滑脂一般选择埃索利达N3类型，通过对存在问题的轴承进行拆解分析能够发现，不仅密封圈损坏，润滑脂的颜色同样发生变化，比如黑色或是褐色。而一些轴承在生产过程中就仅用少量润滑脂，所以生产厂家应该有效优化，还是选择埃索利达N3类型的润滑脂，但是需要保证润滑脂用量。

③科学开展轴承安装操作。对于水泵轴承的运行稳定情况，主要在于相关安装工艺。要想充分提高轴承运行稳定性，相关人员应该科学开展安装以及调整工作。同时安装人员在开展安装作业时可能发生的相关误差应该进行有效控制。1）开展轴承压装作业前，需要将泵体升温至

100摄氏度，让轴承在热胀作用下增加内径，进而降低压装力。2）部分轴承的外圈长度段，所以为了提升轴承拉脱力，在压装过程中进行涂胶处理。3）由于水泵的体壁厚度较小，开展压装作业时应该选择轴承孔壁进行支撑，避免壳体出现压裂以及变形问题。4）在轴承外圈设置压装机丫头，将行程限位设置在夹具上。5）开展压装作业时，将导套设置于夹具上，并在轴承内周上进行套入，可以进行压装导向。

④科学控制外温在轴承方面造成的影响。对于外界温度来讲，会导致轴承结构件出现迅速膨胀问题，导致轴承荷载力受到严重影响，进而导致轴承无法可靠运行。所以，为了防止外界温度对频繁波动对轴承产生影响，相关人员应该对外界温度进行认真监控，借助测温手段对外温进行调节，保证外温始终保持在合理范围内。通常，在外温超出90℃，则轴承就会出现蹿动现象;若是外温波动幅度达到10℃/min，那么轴承就会存在脱出隐患。所以在进行汽车水泵设计工作时，工作人员应该对水泵材料线膨胀系数以及运作温度予以足够重视，禁止同时选择几种膨胀系数较差异较大的材料。同时，相关人员应该参考经验数据库，针对成熟产品，结合国内外标准以及不同材料的壳体等情况，选取不通过盈量，克服水泵材料线膨胀系数问题造成轴承窜出，特别是商用车水泵，统一增加孔用弹性挡圈。现阶段，进行水泵优化设计过程中，工作人员可以借助设置孔用弹性挡圈防止轴承发生异常蹿动问题。孔用弹性挡圈可以充分提高水泵轴承稳定性，能够保证水泵轴承的窜动幅度始终保持在规定范围内[7]。

⑤优化轴承滚珠。在轴承正常运行过程中，轴承滚珠属于重要部件，然而现阶段，轴承损坏问题日益增多。通过检测滚珠硬度能够发现，一些滚珠并不符合相关规定要求，所以导致轴承高速工作时会出现严重磨损问题，最终出现故障问题。所以从现生产的轴承组合中随机选取3个滚球与滚柱，检查结果见表1。

通过表1能够发现，部分滚珠硬度并没有达到标准要求，对于此类问题需要厂家予以有效优化，有效保证滚珠以及滚柱的硬度合格率，同时还应该对生产厂家展开跟踪监督，从根本上保证轴承质量[8]。

4  结语

现阶段，汽车行业发展对于我国社会发展具有重要作用，汽车已经成为民众生活中重要部分。在汽车需求量持续增加过程中，应该进一步强化汽车性能与质量管控力度。而汽车水泵是汽车动力系统中重要内容，只有保证水泵运行可靠性，才可以保证汽车整体可靠性。所以需要积极通过优化叶轮结构、优化整体系统结构、优化叶轮的基础参数、降低平衡孔数量、合理选择叶轮材质、预涂覆叶片等措施充分保证叶轮结构合理性，通过优化密封圈、优化润滑油、优化轴承滚珠等措施保证轴承性能，只要相关人员认真落实这些措施，就可以充分提高水泵可靠性，进而提高发动机运行稳定性。

参考文献：

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[4]王楊超，杨兴超，张耀永，等.关于汽车水泵双出水口涡流室的设计[J].内燃机与配件，2021（19）：2.

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