汽車水泵泄漏故障分析及改進*

曹占龍 杜春瑛 何理 龔青山

（1.湖北汽車工業學院機械工程學院；2.東風汽車泵業有限公司）

汽車水泵是發動機冷卻系統的重要部件，它的作用是提高冷卻液的壓力，使冷卻液在發動機冷卻系統的冷卻水道內循環，以帶走發動機工作時產生的熱量，保持發動機正常的工作溫度。由于冷卻系統的動力源全部來自于水泵，水泵失效將對發動機整機造成致命打擊[1-2],文章以某款匹配大功率發動機的水泵為例，對其泄漏故障進行分析，并針對故障產生原因進行改進。消除泄漏故障可以提高水泵的穩定性及壽命，保證發動機具有良好的冷卻效果，同時對于企業減少售后賠償和提高市場競爭力具有重要意義。

1 水泵泄漏故障分析

1.1 水泵結構介紹

圖1示出汽車水泵結構圖。水泵的基本性能參數分別為：流量為523 L/min，揚程≥22.4 m，功率≤3.5 kW，轉速為3 914 r/min。水泵的正常工作溫度為90℃，使用的冷卻液為30%～50%體積分數的乙二醇與水混合液。水泵的形狀參數為：徑向最大尺寸為193 mm，葉輪凸出安裝面高度為12 mm，皮帶輪安裝高度為75 mm，水泵進口直徑為58 mm，水泵出口直徑為58 mm。由以上參數可以得到水泵設計的比轉速為129.4，水泵效率≥54.7%。水泵設計性能參數不能過高，否則將會導致水泵功耗過大[3-4]。

圖1 汽車水泵結構圖

1.2 水泵泄漏故障介紹

對水泵泄漏故障件進行收集，并對故障件進行檢查分析，發現該水泵蝸殼外壁有明顯的孔洞，拆卸后發現在蝸殼內壁相對應的位置存在一個錐型的孔洞，孔洞頂端穿透蝸殼體出現明顯砂眼，且可見裂紋。因此對水泵蝸殼進行了泄漏試驗測試，在400 kPa壓力下泄漏量為9.41 mL/min，可以看出明顯泄漏氣泡，而根據泄漏量應＜5 mL/min的要求，該處泄漏量超標，泄漏試驗，如圖2所示。

圖2 汽車水泵蝸殼泄漏試驗圖

1.3 水泵泄漏故障分析

對蝸殼泄漏部位進行認真分析后發現，蝸殼法蘭面厚度為19 mm，出水管壁厚為5 mm，兩者連接處有圓角R2，如圖3所示，連接處厚度不均勻，尤其是如果溫度低，蝸殼毛坯在澆注后冷卻過程中速度不一致，法蘭面因厚度厚而冷卻慢，出水管道因壁薄而冷卻快，壁薄位置相對于壁厚位置強度低，冷卻中收縮量集中，在凝固過程中產生內應力，使出水口與管道交接處產生裂紋或縮孔；又加之毛坯供應商為保證機加工出水口端面質量，修模后R2圓弧過渡處存在應力集中。因此，在蝸殼毛坯中就存在砂眼和裂紋問題。絕大部分有砂眼毛坯可以被分揀出來，僅有少部分砂眼不明顯的蝸殼毛坯連同裂紋問題必須要經過泄漏檢驗，但是原有故障件經過泄漏檢驗也未出現問題，后發現原因為現有空壓站輸出氣壓統一為0.6 kPa，試驗臺上原氣缸缸徑較小，壓緊力不夠，不能對有細微裂紋的故障件進行有效識別。因此，要對毛坯鑄造模具進行改進，并對泄漏試驗臺進行重新設計。

圖3 水泵蝸殼截面圓角過渡圖

2 優化設計

2.1 鑄造優化設計

要求毛坯供應商重新修整模具，保證出水管折彎部位有R2的過渡圓角；修改澆注口，將新澆注口調整到刮水面，避免蝸殼法蘭面和出水口折彎處出現應力集中的風險[5]。改進后，蝸殼毛坯符合圖紙生產要求。

2.2 氣密性試驗臺設計

首先對原有氣密性試驗方式進行分析，工件按一面兩銷的定位方式平放在夾具上。操作順序為：液壓系統預夾緊工件；增壓缸壓頭伸出，壓緊工件；側面氣缸壓頭伸出壓緊，形成一個密閉的試驗空間。圖4示出汽車水泵原有氣密性試驗方式，其中蝸殼上畫藍色線部位為泄露部位，發現由于側方氣缸壓頭壓緊后，對原來存在的裂紋有擠壓作用，導致不能有效識別裂紋。

圖4 汽車水泵原有氣密性試驗方式

因此要重新設計試驗臺夾緊方式，圖5示出螺栓夾緊和氣動夾緊2種夾緊方式。先按水泵總成在發動機上的裝配方式，選用與發動機上裝夾方式相同的螺栓擰緊，夾緊方式如圖5a所示。對水泵總成進行試驗，結果良好，但是發現螺栓擰緊方式效率低下，不適合大批量生產。繼續對試驗臺進行改造，將螺栓擰緊改進為氣動夾緊，如圖5b所示，為防止夾緊過程損壞加工表面，與工件接觸位置使用尼龍材料。經過試驗發現，空壓站有時輸出氣壓不足，導致夾緊力不夠，有的泄漏故障依然不能有效識別，同時發現尼龍材料可承受壓力小、變形大，也會導致泄漏故障不能識別，因此方案依然不可行。

圖5 汽車水泵氣密性試驗臺夾緊方式

再次對試驗臺進行改進，總體結構依然采用上述結構。由于氣缸壓力不足，所以將氣缸改造為氣液增壓缸，氣液增壓缸壓力穩定，不受空壓站影響，將尼龍材料換為黃銅墊塊，經過多次試驗驗證，沒有再出現泄漏故障不能有效識別現象，同時黃銅墊塊又不會破壞蝸殼加工表面，其具體結構，如圖6所示[6]。經過相應試驗檢測，試驗臺可以達到在（400±5）kPa大氣壓下，保壓30 s，泄漏量不超過2 mL/min，滿足密封性試驗要求，不會出現泄漏誤判現象[7]。

圖6 汽車水泵氣密性試驗臺優化后結構圖

3 結論

通過對某型號汽車水泵泄漏故障件的拆解分析，發現水泵蝸殼外壁有明顯的裂紋、砂眼，是導致該型號水泵總成泄漏的主要原因，其形成的原因是蝸殼相應部位壁厚過渡不均勻，在進行此類的蝸殼產品設計時，鑄件設計合理性值得關注；而在進行蝸殼產品氣密性試驗時，夾緊方式的選取對不同的蝸殼產品氣密性試驗檢測的準確性有影響，針對不同的蝸殼產品，夾緊方式的選取要合理。經過從上述兩方面的改進分析優化，消除了本型號水泵蝸殼泄漏故障，改進后效果明顯，對此類蝸殼產品的設計具有一定的指導意義。