高效率汽車水泵的設計研究

(鎮(zhèn)江市高等專科學校 裝備制造學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

高效率汽車水泵的設計研究

臧薇

(鎮(zhèn)江市高等專科學校 裝備制造學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

隨著現階段汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，以及人們對汽車質量、性能、實用性等要求的不斷提高，原有的汽車水泵的工作效率水平會越來越無法滿足這些需求。而當前國內關于這一方面的研究尚處于探索階段，一些理念、技術、方法都還不夠成熟，使得國內汽車水泵的效率仍存在普遍性的低水平問題，與國外相比差距較大（國外汽車水泵效率約為45%，而國內僅為30%）。因此，通過高效率汽車水泵的設計研究對于目前國內汽車水泵以及國內汽車總體質量的提升是十分重要的。本文即以此為背景，試按照汽車水泵相關內容概述、影響汽車水泵性能的常見因素分析和汽車水泵效率的優(yōu)化設計的思路，進行高效率汽車水泵的設計研究。雖然本次研究尚存在許多的不足，但經對設計研究后汽車水泵效率的檢驗可知，所設計汽車水泵的效率得到了顯著的提高，這在一定程度上表明，高效率汽車水泵的設計研究的發(fā)展前景和優(yōu)化可能性還是極高的。

汽車水泵；效率；性能；設計研究

汽車水泵之于汽車的重要性是十分明顯的，它不僅關系著汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)控制效果的好壞，還關系著新型汽車的研發(fā)與改進。但汽車水泵這一部件的設計、組構是需要遵循一定的機械和物理原理的，因此，要進行高效率汽車水泵的設計研究，首先要了解汽車水泵的基本結構和運作原理，闡明進行這一研究的意義所在，為汽車水泵的設計奠定理論基礎。

1 汽車水泵相關內容概述

1.1 汽車水泵的基本結構及運作原理

概括的說，汽車水泵就是汽車內部的一種組合式部件。目前，使用最為廣泛的汽車水泵大多是離心式的。從結構上來看，汽車水泵主要由水泵殼體、水泵軸承、葉輪、皮帶輪以及密封墊等封閉裝置小零件組裝而成。

汽車水泵需要與汽車發(fā)動機、節(jié)溫器聯合使用。其中運作原理為：當水泵葉輪旋轉時，在離心力的作用下，發(fā)動機水道中的熱水會被甩出，冷水會灌入。另外，當汽車發(fā)動機溫度超過80℃時打開節(jié)溫器，就能夠使發(fā)動機箱內的熱水受壓泵出，借助自然風力的作用實現水的冷卻，以此來實現汽車機箱內冷卻水的循環(huán)利用。簡單的說，汽車水泵的工作原理就是，通過對汽車發(fā)動機中冷卻水的壓力施加，來促進冷卻水在整個系統(tǒng)中的循環(huán)流動。

1.2 提高汽車水泵工作效率的意義

目前，國內對高效能汽車水泵的設計研究主要采用先模仿國外先進技術，再通過實驗驗證水泵性能，最后進行改進加工的渠道或流程，這樣不僅會增加汽車水泵的研發(fā)消耗（人、財、物資源），還使得研發(fā)出來的汽車水泵在性能上存在一定的落差。因此，通過先找出影響汽車水泵運作效率的因素，然后結合上述渠道進行有針對性的高效率汽車水泵的設計研究是十分必要的。所以，從某種程度上來說，汽車水泵的長期高效運作有利于延長汽車發(fā)動機使用壽命的現實意義。

2 影響汽車水泵性能的常見因素分析

通過查閱相關研究資料可知，汽車水泵性能的好壞，即運作效率的高低與汽車水泵構件中葉輪的參數和蝸室（壓水室）的空間存在著較大的關聯。葉輪的葉片數、葉片形狀和葉片面積，以及蝸室進出口的直徑、寬度和安放角等參數的合理與否都會對汽車水泵的性能造成不同程度的影響。比如，若汽車水泵葉輪的葉片數較多，那么就可能出現葉片排擠和葉片摩擦等不良現象；若汽車水泵葉輪葉片的長度不足，那么就會影響液體流動的穩(wěn)定性等。

3 高效率汽車水泵的設計研究

為了使本文對高效率汽車水泵的設計研究具有更強的針對性，本文選取了某型號汽車水泵（已完成初始設計）為本次設計研究的主要對象。現已知該汽車水泵的性能和效率檢測結果如表1。

3.1 葉輪的優(yōu)化設計研究

根據表1所示的某型號汽車水泵運作情況檢測結果可知，該件汽車水泵的葉輪設計不夠合理，且主要體現在葉輪的葉片和平衡孔數量較多、形狀不合理、與蝸室間隙過大共三個方面，這種情況的存在給整個水泵的流量揚程造成了較大的影響。因此，本文對汽車水泵葉輪的設計研究 也將從這幾點著手。

表1 某型號汽車水泵運作情況檢測結果

首先，正如上文所述，過多的葉輪葉片會導致葉輪液流排擠壓力增大，因此，我們可以通過適當減少葉輪葉片數量的方法，來減輕液流的排擠壓力。并采用減少葉輪平衡孔數量和縮小孔直徑的方法來實現葉輪上下蓋板壓力差值的平衡，具體的，先將平衡孔的分布位置從原來的40毫米圓周長轉移到58毫米的圓周之上，再將原來的8個5毫米的葉輪平衡孔改設為3個6毫米的平衡孔，從而將經由平衡孔泄露至水泵進口的冷卻水流量減到最小。促進該汽車水泵工作效率的提高。

其次，將葉輪葉片的形狀換成螺旋形的扭曲葉片，以提高葉輪液流的流通速度，然后通過對葉輪葉片進出口部位的安放角相應配置或布置來實現對整個葉輪水道內冷卻水的擴散控制，從而促進汽車水泵水循環(huán)效率的提高。

最后，要解決葉輪與蝸室之間間隙過大的隱患。先運用專門的舉例測量工具對葉輪與蝸室的間隙進行測量，再通過減小蝸殼基圓直徑等方法，將間隙縮小并穩(wěn)定在0.3～0.5毫米區(qū)間范圍內，將葉輪葉片與葉片之間的間隙調整為0.5毫米。這樣，不僅能夠解決葉輪不均勻的外周流動問題，還能夠降低葉輪運作時的能量消耗，從整體上提高汽車水泵的性能的工作效率。

3.2 蝸室的優(yōu)化設計研究

根據表1所示的某型號汽車水泵運作情況檢測結果可知，該件汽車水泵的蝸室設計不夠合理，且主要體現在蝸室出口截面和蝸室隔舌厚度的設計上。這種情況的存在不僅給汽車水泵實際性能的發(fā)揮和實際能量的應用帶來了不利損失，還給整個水泵的工作效率造成了較大的影響。因此，本文對汽車水泵蝸室的設計研究也將從這兩點著手。

首先，蝸室出口截面的設計。增加蝸室出口截面面積這一結論是必然的，那么具體應該如何增加呢。第一步，要根據專業(yè)檢驗的結果和二次具象檢測來確定該汽車水泵蝸室截面狹小的具體位置（確定為第三截面）。第二步，根據不同截面條件下流體的平均速度參數可知，當前該蝸室截面的流體速度為6.53m/s，要想優(yōu)化汽車水泵蝸室內的冷卻水壓力，就必須降低這一流速，根據常規(guī)經驗，本文暫將設計改進后的流體平均速度設為每秒5.56米，按照這一條件，我們需要把該汽車水泵蝸室出口第三截面的面積從原來的1015m2增加至1190m2。第三步，以常規(guī)的水力設計方式（針對螺旋式蝸殼）為依據，按照蝸室截面的平滑要求，進行蝸室其他進、出口截面的計算，并進行相應的設計與改良。

這樣，不僅能夠促進渦室中流體動能的壓力能轉化，還能夠增加整個汽車水泵渦室的出口壓力，提升水泵的整體性能。

其次，在蝸室隔舌厚度的設計上，可以采用隔舌材料替換或調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。可以在水泵渦殼隔舌的該間隙部位增加 5×45°的倒角，同時采用與3.2中最后一點相同的做法，對隔舌頭部圓形部位進行切割，將原來131.6毫米的蝸殼直徑縮減0.6毫米。這樣，不僅能夠加大葉輪底部水封周圍冷卻液的流量，還不改變水封的結構，使水泵的重量保持在當前水平。

4 結語

通過本文對汽車水泵設計研究的淺層探析可以發(fā)現，通過專業(yè)的技術手段和借鑒現有的汽車水泵改進參數是可以實現對汽車水泵效率的提高的。盡管就目前而言，我國的汽車水泵效率與國外汽車水泵的普遍效率相比尚存在較大的差距，但是，隨著國內汽車水泵研發(fā)人才不斷增多、研發(fā)技術水平的不斷提高，加之先進人才和技術引進理念的不斷成熟，我國汽車水泵效率的提升指日可待。

[1]袁壽其, 張婷婷, 張金風等. 汽車冷卻水泵優(yōu)化設計及試驗研究[J]. 排灌機械工程學報, 2014, 32(2):93-97.

[2]薛黨勤. 汽車冷卻水泵優(yōu)化設計及汽蝕振動特性研究[D].中國農業(yè)大學, 2015, 12(19):22.

[3]張婷婷. 汽車冷卻水泵正交試驗優(yōu)化設計研究[D]. 江蘇大學, 2013, 41(32):90.

U464.13

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