摘 要：為解決某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)水泵塑料葉輪輪轂開(kāi)裂問(wèn)題，本文通過(guò)分析故障現(xiàn)象和校核相關(guān)設(shè)計(jì)，確定塑料葉輪輪轂壁厚偏小是開(kāi)裂主要原因，提出了加大塑料葉輪輪轂壁厚等改進(jìn)措施，并對(duì)更改前后的葉輪進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)以驗(yàn)證措施的有效性。

關(guān)鍵詞：水泵;葉輪輪轂;開(kāi)裂原因

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，汽車應(yīng)用技術(shù)朝著輕量化、高效率等方向進(jìn)化。常規(guī)中小型發(fā)動(dòng)機(jī)水泵總成塑料葉輪以其重量輕、高效率、易成型、耐腐蝕、低噪聲等特性，逐步替代金屬葉輪成為必然選擇。由于塑料材質(zhì)強(qiáng)度較金屬差，因此需要合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，否則使用中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)斷、開(kāi)裂等問(wèn)題。

1 開(kāi)裂原因及改善措施

1.1 原因分析

在對(duì)某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)水泵完成壓裝PPS+GF40塑料葉輪工序后，檢驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品存在葉輪輪轂開(kāi)裂問(wèn)題，裂紋沿著軸心方向貫穿延伸。由于PPS+GF40塑料材質(zhì)具有較高的脆性，結(jié)合開(kāi)裂裂紋的類型，經(jīng)技術(shù)判定，此處開(kāi)裂原因?yàn)樗芰先~輪輪轂局部抗拉強(qiáng)度不足。通過(guò)對(duì)故障件進(jìn)行尺寸檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)：（1）塑料輪轂外徑理論尺寸為22mm，由于葉輪輪轂處需要拔模，導(dǎo)致塑料輪轂外徑小端尺寸僅為21.85mm。（2）葉輪襯套外徑理論尺寸為17mm，由于襯套外緣進(jìn)行滾花處理，導(dǎo)致實(shí)際尺寸在17.5mm附近。綜上，葉輪輪轂壁厚理論尺寸為2.5mm，實(shí)際尺寸在2.175mm附近，且注塑過(guò)程中襯套與葉輪輪轂的同軸度也存在偏差，導(dǎo)致局部壁厚可能會(huì)更薄。另外，塑料葉輪在完成注塑工藝后，體積會(huì)發(fā)生收縮，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部會(huì)存在較大的內(nèi)應(yīng)力。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于此類小產(chǎn)品，往往只通過(guò)周轉(zhuǎn)過(guò)程中的靜置來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力，不會(huì)采取其它的措施。若產(chǎn)品周轉(zhuǎn)周期較短，內(nèi)應(yīng)力得不到有效消除，在壓裝軸承后，內(nèi)應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步加大，加之壁厚不足，種種因素結(jié)合在一起，便會(huì)由于抗拉強(qiáng)度不足發(fā)生開(kāi)裂（圖1）。

1.2 改善措施

葉輪輪轂壁厚增加0.5 mm，即輪轂理論外徑由22 mm增大至23mm。

2 措施有效性驗(yàn)證

2.1 漲裂破壞性試驗(yàn)

按下列要求，制作3批葉輪：批次一：原狀態(tài)故障批次中隨機(jī)抽取10件，依次編號(hào)1#，…，10#;批次二：選取外徑為17.50 mm，內(nèi)徑為11.96±0.01 mm的襯套，按原狀態(tài)制作葉輪，從中隨機(jī)抽取10件，依次編號(hào)11#，…，20#;批次三：選取外徑為17.50 mm，內(nèi)徑為11.96±0.01 mm的襯套，按葉輪輪轂壁厚增加0.5 mm狀態(tài)制作葉輪，從中隨機(jī)抽取10件，依次編號(hào)21#，…，30#。試驗(yàn)步驟：（1）測(cè)量葉輪輪轂外徑尺寸，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并編號(hào)。（2）安裝試驗(yàn)工裝，將葉輪安裝至錐形芯軸，調(diào)試智能壓裝機(jī)及試驗(yàn)工裝，進(jìn)行葉輪的壓裝，直至葉輪輪轂開(kāi)裂，記錄壓裝力，并于襯套的兩端劃線標(biāo)識(shí)。（3）安裝實(shí)驗(yàn)工裝，調(diào)試智能壓裝機(jī)，將葉輪壓出錐形芯軸，使用外徑千分尺分別測(cè)量錐形芯軸標(biāo)識(shí)處直徑并記錄數(shù)據(jù)。（4）依次記錄30件葉輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理和分析（圖1、2）。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，三個(gè)批次的平均漲裂直徑分別為12.123、12.109、12.318，三個(gè)批次的平均壓裝力分別為15.0、13.8、30.6，增大塑料葉輪輪轂壁厚對(duì)于防止水泵塑料葉輪輪轂開(kāi)裂具有明顯改善作用。

2.2 高低溫交變?cè)囼?yàn)

步驟一：隨機(jī)選取改善后的葉輪10件，將其裝配至水泵總成后，將水泵總成放置在高低溫交變?cè)囼?yàn)箱。步驟二：設(shè)定試驗(yàn)條件，由20℃開(kāi)始，按5℃/min的溫度變化速率在-40℃-140℃范圍內(nèi)進(jìn)行20個(gè)循環(huán)，其中每隔20℃恒溫保持1min。步驟三：完成20個(gè)循環(huán)后，通過(guò)觀察葉輪輪轂表面，未發(fā)現(xiàn)有開(kāi)裂現(xiàn)象，判定增大塑料葉輪輪轂壁厚后，基本上不會(huì)發(fā)生水泵塑料葉輪輪轂在低溫使用環(huán)境下出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

3 對(duì)性能的影響評(píng)估

采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行計(jì)算，基本設(shè)置過(guò)程如下：控制方程離散：采用廣義QUICK格式，即二階中心差分、二階迎風(fēng)或者標(biāo)準(zhǔn)QUICK。瞬態(tài)問(wèn)題：采用Crank-Nicolson時(shí)間積分方案和全隱式時(shí)間積分方案。壓力耦合問(wèn)題算法：SIMPLE算法，交錯(cuò)網(wǎng)格，其中瞬態(tài)問(wèn)題采用外部接口鏈接PISO算法。求解目標(biāo)：設(shè)定旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為5200rpm，設(shè)定一定的入口流量和出口壓力，進(jìn)行計(jì)算，測(cè)量進(jìn)、出口總壓，計(jì)算出總揚(yáng)程。（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速為5200rpm、溫度為80℃、進(jìn)口流量為212L/min時(shí)，葉輪輪轂壁厚增大0.5mm后，水泵的總揚(yáng)程下降1.31%，仍可滿足要求值。（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為5200rpm、溫度為80℃時(shí)，通過(guò)設(shè)定不同的進(jìn)口流量，獲得葉輪輪轂壁厚增大0.5mm前后的水泵的性能曲線。對(duì)于特定的轉(zhuǎn)速和整車?yán)鋮s系統(tǒng)，葉輪輪轂壁厚增大0.5mm后，冷卻系統(tǒng)流量下降0.66%。原狀態(tài)冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水設(shè)計(jì)溫差為8℃時(shí)，更改后冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水溫差為8.05℃，由于整車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱能力設(shè)計(jì)有較大盈余，因此該溫差差異影響較小，判定此更改可以滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）中小型發(fā)動(dòng)機(jī)用水泵塑料（PPS+GF40）葉輪輪轂處最小有效壁厚設(shè)計(jì)應(yīng)大于2.5-3.0 mm。（2）增大塑料葉輪輪轂壁厚對(duì)于防止水泵塑料葉輪輪轂開(kāi)裂具有明顯改善作用。（3）增大水泵塑料葉輪輪轂壁厚，或?qū)λ玫男阅墚a(chǎn)生不利影響，應(yīng)采用CFD分析或試驗(yàn)對(duì)比的方法評(píng)估變更對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的影響。

作者簡(jiǎn)介：王凱凱（1989-），男，山東德州人，本科，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。