提高汽車水泵效率的主要措施探討

章娜 袁保杰 金鋒

摘要：本文首先詳細(xì)介紹了汽車水泵設(shè)計(jì)原理，并且以此作為基礎(chǔ)，結(jié)合汽車水泵設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，進(jìn)一步總結(jié)出葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、葉輪基礎(chǔ)參數(shù)優(yōu)化減少平衡孔數(shù)量等方面的優(yōu)化策略。

Abstract： This paper firstly introduces the design principle of automobile water pump in detail， and on this basis， combined with the current situation of automobile water pump design， further summarizes the optimization strategy of impeller structure optimization， overall system structure optimization， impeller foundation parameter optimization to reduce the number of balance holes and other aspects.

關(guān)鍵詞：汽車水泵;水泵殼體;工作溫度;連軸模式

Key words： automobile water pump;water pump housing;operating temperature;even the axis pattern

中圖分類號(hào)：U471.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0170-02

0? 引言

隨著我國(guó)汽車生產(chǎn)行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車自身載重量的提升，以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能的強(qiáng)化，致使汽車環(huán)保能力的全面提高，但是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行冷卻的區(qū)域隨之增加，一定程度上對(duì)水泵技術(shù)提出了全新的要求。然而現(xiàn)階段我國(guó)大部分汽車水泵生產(chǎn)行業(yè)中，無(wú)論是技術(shù)研發(fā)還是應(yīng)用，仍然使用傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)模式，并且更加關(guān)注其水泵的使用壽命、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)支出成本，而對(duì)于設(shè)備應(yīng)用效率的核心應(yīng)用卻有所忽略，造成汽車水泵在使用效率方面上缺少應(yīng)用的技術(shù)支持。

1? 汽車水泵設(shè)計(jì)原理

在汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于汽車水泵設(shè)備具有結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單、設(shè)備應(yīng)用尺寸小、總體水資源排量較大、設(shè)備重量輕并且工作和運(yùn)轉(zhuǎn)模式可靠等相關(guān)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用在汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，同時(shí)由于汽車生產(chǎn)行業(yè)的全面發(fā)展，水泵種類則需要選擇離心模式水泵，此種水泵模式主要由水泵殼體、軸承結(jié)構(gòu)、水封結(jié)構(gòu)、葉輪結(jié)構(gòu)、法蘭結(jié)構(gòu)、皮帶輪結(jié)構(gòu)以及其他連接結(jié)構(gòu)等共同組成。其水泵設(shè)備的工作原理則是水泵皮帶輪在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，迫使葉輪進(jìn)口處的水進(jìn)入葉輪，進(jìn)入葉輪中的水被葉輪帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下向葉輪的邊緣運(yùn)動(dòng)，到葉輪出口被壓水室收集，強(qiáng)制進(jìn)入冷卻水腔;同時(shí)，在葉輪中心部位形成低壓，冷卻水便經(jīng)葉輪進(jìn)口不斷的補(bǔ)給進(jìn)來(lái)，形成連續(xù)供水，如此往復(fù)循環(huán)，加上風(fēng)扇的風(fēng)冷降溫，完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻任務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻目標(biāo)[1]。

汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，其水泵發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶快速輪轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)水泵軸承以及葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中水泵設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，設(shè)備基礎(chǔ)冷卻液卻被葉輪帶動(dòng)儀器旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)，最終在設(shè)備核心離心力的實(shí)際作用下，進(jìn)而甩出的水泵外部的邊緣位置上，此時(shí)水泵設(shè)備內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生壓力，進(jìn)而隨著出水道或者水管結(jié)構(gòu)流出。

在葉輪設(shè)備中心位置的冷卻液甩出后，其設(shè)備壓力會(huì)有所降低，而水箱設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的冷卻液在水泵進(jìn)口位置以及葉輪中心位置壓力數(shù)據(jù)差，在壓力作用下水管以及葉輪會(huì)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)冷卻液的往復(fù)循環(huán)。支撐水泵軸的軸承用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，因此要防止冷卻液泄漏到潤(rùn)滑脂造成潤(rùn)滑脂乳化，同時(shí)還要防止?jié)櫥男孤?/p>

2? 汽車水泵設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

對(duì)于汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況來(lái)說(shuō)，汽車水泵設(shè)備是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)的主要零部件，是汽車發(fā)動(dòng)設(shè)備水冷循環(huán)的設(shè)備動(dòng)力源泉，并且汽車能量運(yùn)輸和流量始終保持每小時(shí)5-25m3，并且其設(shè)備壓力限度則需要保證在100-200kPa，并且在水泵設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中，一般直接安裝在水泵發(fā)動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)上。

由于汽車水泵設(shè)備在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，所運(yùn)輸?shù)囊后w通常需要添加防止生銹問(wèn)題的冷卻試劑，而在冬季則需要在水資源中增加防凍試劑，進(jìn)而有效保證汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的防凍防銹性能。其中汽車水泵在日常運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)際操作過(guò)程中，其環(huán)境溫度最低需要保證在零下40度，而最高溫度則需要保證在120度左右，所以汽車水泵生產(chǎn)過(guò)程中，其工作溫度的實(shí)際變化需要與發(fā)動(dòng)設(shè)備行駛情況達(dá)到相互一致性。但是現(xiàn)階段我國(guó)大部分汽車生產(chǎn)以及水泵方案設(shè)計(jì)對(duì)于車輛生產(chǎn)效率并不重視，一定程度上忽視了水泵設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。加上現(xiàn)階段汽車總體產(chǎn)量相對(duì)較大，導(dǎo)致汽車水泵大多數(shù)屬于批量生產(chǎn)模式，但從生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)支出成本方面來(lái)看，其汽車水泵設(shè)備的經(jīng)濟(jì)支出成本主要維持在100-500元左右，所以，國(guó)內(nèi)汽車在水泵生產(chǎn)方面的整體技術(shù)投入相對(duì)較少。

在汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，水泵設(shè)備屬于離心泵結(jié)構(gòu)的特殊應(yīng)用方式之一，其中汽車水泵在使用和操作過(guò)程中，其方案設(shè)計(jì)方面的研究重點(diǎn)則在于怎樣提升自身設(shè)備的使用時(shí)間和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而其設(shè)備生產(chǎn)模式的設(shè)計(jì)方向重點(diǎn)則在于怎樣最大限度縮短生產(chǎn)時(shí)間和支出成本。所以汽車水泵在生產(chǎn)技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化則取得了較大發(fā)展和優(yōu)化。其中由于汽車水泵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，比如：齒輪、皮帶輪、皮帶輪輪轂、水泵軸、軸承、水封、葉輪、水泵殼體、水泵蝸殼及螺釘、O型圈、節(jié)溫器等相關(guān)結(jié)構(gòu)所組成。所以近幾年，我國(guó)內(nèi)外汽車水泵生產(chǎn)技術(shù)逐漸向模塊化和區(qū)域化發(fā)展。尤其是在水泵設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中，僅需要極少的幾個(gè)零部件就可以構(gòu)成整個(gè)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)[2]。比如：車輛內(nèi)部生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，如果水泵軸向以及軸承部位形成了幾種連軸模式，那么水封裝置設(shè)備動(dòng)態(tài)環(huán)狀設(shè)備、靜態(tài)環(huán)狀設(shè)備以及彈簧設(shè)備等會(huì)集合成水封總體結(jié)構(gòu)，一定程度上有利于汽車水泵生產(chǎn)環(huán)節(jié)降低經(jīng)濟(jì)支出成本和生產(chǎn)時(shí)間，最大限度減少汽車零部件的實(shí)際庫(kù)存數(shù)量。

而汽車水泵企業(yè)在模塊化的生產(chǎn)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)上，需要針對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)尺寸標(biāo)準(zhǔn)化和系列化進(jìn)行常規(guī)化技術(shù)處理。比如：由于汽車水泵的軸承以及孔直徑數(shù)據(jù)與水封直徑相等，進(jìn)而在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上形成了標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)處理。進(jìn)而針對(duì)汽車水泵生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，最大限度降低生產(chǎn)成本。近幾年，汽車水泵生產(chǎn)和技術(shù)優(yōu)化和全新材料的應(yīng)用成為了汽車水泵技術(shù)優(yōu)化的重要發(fā)展因素。其中塑料材質(zhì)近幾年在汽車水泵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，得到了全面應(yīng)用和技術(shù)提升，但是由于最初塑料材質(zhì)在水泵超高溫度環(huán)境下的工作性能相對(duì)較差，雖然其材質(zhì)應(yīng)用能夠有效減輕汽車自身重量和生產(chǎn)成本，但是在汽車設(shè)備安全性方面，仍然存在著問(wèn)題和不足，為此，現(xiàn)階段越來(lái)越多的汽車水泵材料選擇上，側(cè)重于全新模式的復(fù)合型塑料材質(zhì)，尤其在水泵結(jié)構(gòu)中的水封環(huán)節(jié)上，則更多的使用雙碳化硅材質(zhì)，增加抗異物的能力，最終有效克服經(jīng)濟(jì)成本高和加工技術(shù)難等相關(guān)現(xiàn)狀。

3? 汽車水泵設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)策略

3.1 葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在汽車水泵方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉輪結(jié)構(gòu)主要分為開(kāi)式、半開(kāi)式和閉式三種。需要根據(jù)水泵不同使用方向和類型，選擇適合的葉輪結(jié)構(gòu)，進(jìn)而與流道相互匹配。同時(shí)根據(jù)汽車用戶的實(shí)際需求，在盡可能不改變水泵技術(shù)結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)一步滿足汽車水泵使用性能，從而有效提升水泵應(yīng)用效率，減少汽車水泵汽蝕風(fēng)險(xiǎn)。

例如一個(gè)水泵的應(yīng)用數(shù)據(jù)要求為：水泵結(jié)構(gòu)達(dá)到用戶要求的轉(zhuǎn)速3400r/min，流量320L/min時(shí)，水泵內(nèi)部水揚(yáng)程要求達(dá)到21米以上，并且水泵結(jié)構(gòu)中的葉輪直徑數(shù)據(jù)需要保證在122-134毫米之間，才能最大限度保證結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。所以汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，只有確?，F(xiàn)有葉輪直徑數(shù)量以及125毫米水泵尺寸不變的前提條件下，才能進(jìn)一步滿足水泵葉輪方案設(shè)計(jì)的的所有性能需求，但是此種數(shù)據(jù)下的葉輪葉片出口彎曲率會(huì)大幅度降低，并且整體出口位置逐漸變薄，一定程度上致使水泵葉片外部形狀更加符合設(shè)備結(jié)構(gòu)流體的基礎(chǔ)性能，有效降低水泵消耗實(shí)際功率。

由于現(xiàn)階段水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，葉輪葉片的進(jìn)口位置上會(huì)向軸心前伸，致使葉片可以較早的接觸液體，保證液體物質(zhì)可以有效進(jìn)入葉片渠道中，進(jìn)一步提升水泵設(shè)備的基礎(chǔ)性能，降低設(shè)備整體沖擊損失。由于葉輪設(shè)備結(jié)構(gòu)中，由原來(lái)的半開(kāi)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]模式，能夠有效約束液體流動(dòng)方式，保證液體物質(zhì)能在葉輪葉道內(nèi)部更好的進(jìn)行物質(zhì)流動(dòng)，最大限度增加水泵基礎(chǔ)容積效率，從而減少壓力損耗，保證水泵性能也會(huì)得到小幅的提升[3]。

3.2 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在汽車水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在針對(duì)目前水泵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)分析后，得出相關(guān)結(jié)論：當(dāng)下大多數(shù)汽車水泵結(jié)構(gòu)在方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍然存在著優(yōu)化空間，比如：改變?nèi)~輪在水流流向的具體位置，保證葉片完全處于流道結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步提升水泵基礎(chǔ)性能，根據(jù)車輛運(yùn)行實(shí)際情況，修改水泵底座以及葉輪之間的間隙和距離，進(jìn)而提升水泵基礎(chǔ)容積效率，全面減少軸功率，致使液體在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中更加穩(wěn)定和安全。

3.3 葉輪基礎(chǔ)參數(shù)優(yōu)化

由于大多數(shù)汽車水泵的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和方案設(shè)計(jì)，已經(jīng)滿足其功能需求，所以只需要將水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的葉輪葉片數(shù)量由最初的10個(gè)降低至8個(gè)，并且進(jìn)一步減少葉片之間的距離和摩擦可能性，與此同時(shí)，為了防止葉片大幅度減少后，水資源揚(yáng)程會(huì)隨之下降，技術(shù)人員需要將葉片基礎(chǔ)出口角度由最初的34度增加至36度左右。

在汽車水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，其葉片外部形態(tài)需要無(wú)限接近正方形，并且其數(shù)據(jù)為24×23毫米。并且其葉輪外徑數(shù)據(jù)同樣需要保證在130毫米。葉片出口位置角度則需要設(shè)置在36度，進(jìn)而保證葉片進(jìn)口和出口的整體面積比在1比16左右。

3.4 減少平衡孔數(shù)量

在汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)水泵設(shè)備上，平衡孔的作用則是用來(lái)平衡葉輪外部蓋板與下部分設(shè)備的壓力數(shù)據(jù)差，進(jìn)一步防止由于軸向方向力過(guò)大，造成葉輪設(shè)備、水封設(shè)備和軸承設(shè)備受力過(guò)大，最終造成設(shè)備的異常磨損現(xiàn)狀。而根據(jù)現(xiàn)階段我國(guó)汽車水泵生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)分析和數(shù)據(jù)收集，汽車水泵在半開(kāi)模式下，葉輪設(shè)備的蓋板的上部分結(jié)構(gòu)與下部分結(jié)構(gòu)壓力相對(duì)較小，因此需要綜合考慮將平衡孔的數(shù)量進(jìn)行全面調(diào)整，進(jìn)而保證其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)平衡能力。其中汽車水泵基礎(chǔ)平衡孔一般為直徑5，一旦直徑有所縮小，那么其平衡孔總體面積同樣會(huì)大幅度做小，進(jìn)而有效減少水泵葉輪底部水流通過(guò)速度，提升水泵運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量和效率。

4? 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于汽車生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)效率性以及安全性成為了現(xiàn)階段設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重點(diǎn)，所以本文首先通過(guò)汽車水泵生產(chǎn)現(xiàn)狀闡述了水泵應(yīng)用基礎(chǔ)性能和理論，并且通過(guò)針對(duì)詳細(xì)介紹其優(yōu)化方案和策略，進(jìn)一步說(shuō)明，針對(duì)水泵設(shè)備只有使用科學(xué)、合理的技術(shù)手段，才能最大限度減少設(shè)備開(kāi)發(fā)周期性，最大限度節(jié)省支出成本。

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