淺談高效率汽車水泵的設計研究

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計與研究。

關鍵詞：汽車水泵；效率；設計研究

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)動機的設計與研究，大力支持對新能源汽車的設計與研究，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計需要以及新能源汽車的設計需要，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計與研究，在此基礎上再進行與我國汽車制造行業(yè)相適應的二次設計與研究，在此過程中，不僅投入了大量的購買技術的成本、研發(fā)費用與研發(fā)人員，耗費了大量的物資資源，同時很多二次的設計與研究的基礎，并非取自國外最先進的、最前沿的高效率汽車水泵設計技術，因此所設計和研發(fā)的投入到我國汽車制造行業(yè)領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計與研究局限在了國外先進技術之下。現(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，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，設計和研究高效率汽車水泵已迫在眉睫。

2.2 設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計與研究

針對汽車水泵的設計與研究，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、改良國外先進技術，然而依舊無法彌補我國現(xiàn)階段對汽車水泵設計與研究的短板，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，在設計與研究高效率汽車水泵的過程中，可以關注以下幾方面內(nèi)容。

3.1.1 改良汽車水泵中葉輪的平衡孔數(shù)量與位置的設計

首先，可以在設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。可以將葉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計與研究

在實際運轉(zhuǎn)過程中，很多汽車水泵對蝸室的設計與研究存在一定的問題，例如蝸室出口的截面面積設計不合理、蝸室隔舌的厚度有待優(yōu)化，這部分設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，在設計與研究汽車水泵蝸室的過程中，可以關注以下幾方面的內(nèi)容。

3.2.1 優(yōu)化對汽車水泵蝸室隔舌的設計與研究

在設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計研究與應用領域

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計與研究依然無法趕超世界先進技術，但是我國汽車制造行業(yè)、汽車水泵設計研發(fā)領域在不斷涌入專業(yè)型人才，在汽車水泵的設計與研發(fā)進程中也取得了一定的突破。在不斷的設計、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)具有世界先進技術的“中國制造”高效率汽車水泵。

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