淺談高效率汽車水泵的設(shè)計研究

韓曉瑩 李樂 杜艷陽

摘 要：我國的汽車制造行業(yè)已經(jīng)進入了飛速發(fā)展的階段，現(xiàn)代人對汽車質(zhì)量與實用性的追求在不斷提高，汽車發(fā)動機的冷卻點在不斷的增多，隨之也對汽車水泵的運轉(zhuǎn)效率提出了更高的要求。我國很多汽車制造企業(yè)雖然也投入了大量的人財物自主研究開發(fā)高效率汽車水泵，然而與國外汽車的水泵運轉(zhuǎn)效率相比，仍存在一定的差距。為了不斷推動我國汽車制造行業(yè)的發(fā)展，提升現(xiàn)階段汽車水泵的運轉(zhuǎn)效率、降低汽車水泵對能量的消耗、以及不斷降低汽車水泵的重量與體積，已經(jīng)成為一項重要的課題。本文對汽車水泵發(fā)展的現(xiàn)狀進行簡要論述，分析設(shè)計研究高效率汽車水泵的意義，并探討高效率汽車水泵的設(shè)計與研究。

關(guān)鍵詞：汽車水泵；效率；設(shè)計研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.050

0 引言

作為汽車的重要組成部分，汽車水泵直接影響著汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)，以及發(fā)動機對能源的消耗程度，同時，汽車水泵的發(fā)展也對新能源汽車的研究與開發(fā)也具有至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段很多汽車的制造依然沿用發(fā)動機傳統(tǒng)式驅(qū)動冷卻水泵，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速直接影響冷卻液的流量，無法實現(xiàn)對冷卻液的流量進行控制的目的。而高效率的汽車冷卻水泵，可以利用電機驅(qū)動汽車水泵，在大幅度降低汽車水泵對功率的消耗的同時，還可以有效提高汽車水泵的運轉(zhuǎn)效率，進而有助于實現(xiàn)汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)向可控式方向發(fā)展。

1 汽車水泵發(fā)展的現(xiàn)狀

汽車水泵是現(xiàn)階段生產(chǎn)和研發(fā)的汽車內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)階段被廣泛使用的汽車水泵主要為離心式汽車水泵，通常被直接安置于汽車發(fā)動機之上，主要輸送添加防銹劑、防凍劑的清水，在運轉(zhuǎn)過程中可以適應-40℃～120℃的工作環(huán)境，其保修里程與年限普遍與發(fā)動機的保修里程與年限同步，一般為3年至5年。

1.1 汽車產(chǎn)量的逐年上升帶動汽車水泵行業(yè)的不斷發(fā)展

2016年我國全國汽車產(chǎn)量為2819萬輛，2017年則上升到2901萬輛，2016年對配套汽車水泵的需求量約為3430萬只。在汽車被大批量生產(chǎn)與制造、市場競爭異常激烈的背景下，生產(chǎn)商更為關(guān)注被大批量生產(chǎn)或采購的汽車水泵的生產(chǎn)成本或者采購成本，在較大程度上限制了對汽車水泵的設(shè)計與研究的步伐。近二十年來，由于塑料在汽車水泵的制造過程中應用逐漸成熟，使得汽車水泵的使用壽命得以延長、生產(chǎn)成本得以降低、制造困難得以下降。同時，近年來，我國大力推廣節(jié)能減排式汽車發(fā)動機的設(shè)計與研究，大力支持對新能源汽車的設(shè)計與研究，為了適應國家的發(fā)展與市場的需要，汽車制造行業(yè)近年來逐漸開始重視汽車水泵的設(shè)計與研究。

1.2 汽車電子水泵的發(fā)展狀態(tài)良好

現(xiàn)階段雖然市場中大部分汽車冷卻系統(tǒng)采用的多為機械水泵，然而由于部分高端汽車的設(shè)計需要以及新能源汽車的設(shè)計需要，根據(jù)發(fā)動機溫度變化通過電流控制冷卻系統(tǒng)形式的電子水泵的發(fā)展正處于不斷攀升的狀態(tài)。

2 設(shè)計研究高效率汽車水泵的意義

隨著我國汽車產(chǎn)量的逐年上升，汽車水泵行業(yè)的發(fā)展具有非常廣闊的市場。我國投入了大量的資金與人才投入到自主研發(fā)汽車的過程中，設(shè)計研究高效率汽車水泵是我國汽車行業(yè)自主發(fā)展的需要。同時，近年來我國高度重視對環(huán)境的保護與恢復，設(shè)計研究高效率汽車水泵，能夠有效降低發(fā)動機對燃料的消耗，迎合了我國可持續(xù)發(fā)展的需要。

2.1 設(shè)計研究高效率汽車水泵是我國汽車行業(yè)自主發(fā)展的需要

現(xiàn)階段，我國雖然在自主設(shè)計和研究高效率汽車水泵的進程中取得了一定的成績和突破，然而大部分的對高效能汽車水泵設(shè)計研究的理念和思路，依然主要是參考國外高效能汽車水泵的設(shè)計與研究，在此基礎(chǔ)上再進行與我國汽車制造行業(yè)相適應的二次設(shè)計與研究，在此過程中，不僅投入了大量的購買技術(shù)的成本、研發(fā)費用與研發(fā)人員，耗費了大量的物資資源，同時很多二次的設(shè)計與研究的基礎(chǔ)，并非取自國外最先進的、最前沿的高效率汽車水泵設(shè)計技術(shù)，因此所設(shè)計和研發(fā)的投入到我國汽車制造行業(yè)領(lǐng)域中的高效率汽車水泵，依然不具備世界先進水平，將我國對高效率汽車水泵的設(shè)計與研究局限在了國外先進技術(shù)之下?，F(xiàn)階段，我國在極力尋求完全的“中國制造”式世界先進的汽車研發(fā)與制造技術(shù)，作為汽車冷卻系統(tǒng)的核心部件，因此，想要推動我國汽車制造行業(yè)的長遠發(fā)展，設(shè)計和研究高效率汽車水泵已迫在眉睫。

2.2 設(shè)計研究高效率汽車水泵是我國可持續(xù)發(fā)展的需要

如何節(jié)約能源，如何最大限度降低現(xiàn)代社會對環(huán)境的污染，是當今沉重而必須面對的重要問題。設(shè)計研究高效率汽車水泵，不僅可以有效提高汽車冷卻系統(tǒng)的工作效率，同時高效率汽車水泵能夠有效降低水泵對功率的消耗程度，以高效率運轉(zhuǎn)的冷區(qū)系統(tǒng)保障發(fā)動機的可靠與安全運轉(zhuǎn)的同時，能夠有效降低發(fā)動機對燃料的消耗程度。因此，高效率汽車水泵的設(shè)計研究，不僅僅是汽車行業(yè)發(fā)展的需要，在大批量汽車被生產(chǎn)與銷售的大背景下，也是我國可持續(xù)發(fā)展的需要。

3 高效率汽車水泵的設(shè)計與研究

針對汽車水泵的設(shè)計與研究，必須考慮汽車發(fā)動機的各項因素，綜合分析汽車水泵的可安裝空間、是否適合進行大批量生產(chǎn)、生產(chǎn)成本是否合理、發(fā)動機對汽車水泵的要求、汽車水泵自身體積與重量等因素。由于專業(yè)人才存在大量的空缺，對很多國際先進技術(shù)的掌握也存在一定的空白，即使在投入大量研發(fā)資金引進國外先進技術(shù)、改良國外先進技術(shù)，然而依舊無法彌補我國現(xiàn)階段對汽車水泵設(shè)計與研究的短板，因此，有必要著眼于國內(nèi)，自主研發(fā)適應我國汽車制造行業(yè)需要、國家發(fā)展需要的汽車水泵。

3.1 優(yōu)化現(xiàn)階段汽車水泵中對葉輪的設(shè)計與研究

在實際運轉(zhuǎn)過程中，現(xiàn)階段汽車所使用的汽車水泵中葉輪的平衡孔數(shù)過多，汽車水泵的葉輪與蝸室之間的間隙過大，在汽車冷卻系統(tǒng)工作的過程中，汽車水泵內(nèi)部的流量過大，大幅度降低了汽車水泵整體的工作效率、增加了對能源的消耗。針對此類現(xiàn)象，在設(shè)計與研究高效率汽車水泵的過程中，可以關(guān)注以下幾方面內(nèi)容。

3.1.1 改良汽車水泵中葉輪的平衡孔數(shù)量與位置的設(shè)計

首先，可以在設(shè)計平衡孔的位置分布的過程中，平衡孔所在圓周直徑應小于葉輪進口直徑，同時，對葉輪平衡孔的數(shù)量進行一定量的縮減，例如將直徑為3.5㎜的平衡孔設(shè)計與葉輪的不同位置，以大幅度降低平衡孔泄露冷卻水的程度。

3.1.2 縮減汽車水泵的葉輪與蝸室之間的間隙

汽車水泵的葉輪與蝸室之間的間隙，大幅度增加了汽車冷卻系統(tǒng)工作過程中汽車水泵內(nèi)部的流量，流量的增大提高了汽車水泵對能源的消耗，同時流量的增大提高了對汽車水泵內(nèi)部葉片的壓力，也在一定程度上造成了對能源的浪費?？梢詫⑷~輪與蝸室之間的間隙控制在1㎜的區(qū)間之內(nèi)。

3.1.3 降低汽車水泵葉輪的壓力

當汽車水泵內(nèi)部流量增加的同時，水泵葉輪的壓力呈現(xiàn)不均勻的變化，尤其是在葉輪上葉片出口附近的壓力會出現(xiàn)局部壓力值較低的情況，內(nèi)部流量在此處出現(xiàn)了互相排擠的情況，進而造成水泵內(nèi)部能量的消耗與損失。因此，在實驗過程中，需要根據(jù)葉輪的大小結(jié)構(gòu)設(shè)計出水泵進口形狀、出口角、葉片數(shù)，并采用減少葉輪平衡孔數(shù)量和縮小孔直徑的方法來實現(xiàn)葉輪上下蓋板壓力差值的平衡。

3.2 優(yōu)化現(xiàn)階段汽車水泵中對蝸室的設(shè)計與研究

在實際運轉(zhuǎn)過程中，很多汽車水泵對蝸室的設(shè)計與研究存在一定的問題，例如蝸室出口的截面面積設(shè)計不合理、蝸室隔舌的厚度有待優(yōu)化，這部分設(shè)計瑕疵在汽車水泵的實際運轉(zhuǎn)過程中，不斷影響著汽車水泵的工作效率。針對此類現(xiàn)象，在設(shè)計與研究汽車水泵蝸室的過程中，可以關(guān)注以下幾方面的內(nèi)容。

3.2.1 優(yōu)化對汽車水泵蝸室隔舌的設(shè)計與研究

在設(shè)計的過程中可以采用調(diào)整葉輪與隔舌角度的方法，來削減隔舌的厚度，或改善隔舌與葉輪的間隙，盡量在保持汽車水泵葉輪底部水封原有結(jié)構(gòu)的同時，提高此處冷卻液的流量。

3.2.2 優(yōu)化對汽車水泵蝸室截面的設(shè)計與研究

首先，不同的汽車水泵蝸室截面，其流體速度是不同的，進而產(chǎn)生了不同壓力的汽車水泵蝸室內(nèi)部冷卻水，因此，對于流體速度有必要進行一定的控制，在實驗過程中，通過將水泵進口流體速度控制在3～4m/s，可以對啟程水泵蝸室內(nèi)部的冷卻水壓力實現(xiàn)一定的降低。

3.3 提高對汽車電子水泵的設(shè)計研究與應用領(lǐng)域

隨著新能源汽車發(fā)展進程的不斷推進，汽車制造行業(yè)逐漸開始重視對汽車電子水泵的設(shè)計研究。汽車電子水泵具有很多汽車傳統(tǒng)機械水泵并不具備的突出優(yōu)勢，例如體積小、重量輕、電池續(xù)航時間較長、對汽車冷卻系統(tǒng)的控制更為精準等，并且對能源的消耗明顯低于傳統(tǒng)的機械水泵，因此設(shè)計研究可廣泛應用于各類汽車的電子水泵、推廣應用電子水泵對汽車制造行業(yè)的發(fā)展具有鮮明的促進意義。

4 結(jié)語

綜上所述，高效率汽車水泵的設(shè)計研究對我國的汽車制造行業(yè)的發(fā)展意義深遠，也是實現(xiàn)完全的“中國制造”式汽車的重要工作。現(xiàn)階段我國對汽車水泵的設(shè)計與研究依然無法趕超世界先進技術(shù)，但是我國汽車制造行業(yè)、汽車水泵設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域在不斷涌入專業(yè)型人才，在汽車水泵的設(shè)計與研發(fā)進程中也取得了一定的突破。在不斷的設(shè)計、研發(fā)與突破的共同推動下，我國定將研發(fā)和大批量投入生產(chǎn)具有世界先進技術(shù)的“中國制造”高效率汽車水泵。

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