曹占龍 杜春瑛 何理 龔青山

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2.東風(fēng)汽車泵業(yè)有限公司）

汽車水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部件，它的作用是提高冷卻液的壓力，使冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻水道內(nèi)循環(huán)，以帶走發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常的工作溫度。由于冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力源全部來自于水泵，水泵失效將對發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)造成致命打擊[1-2],文章以某款匹配大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的水泵為例，對其泄漏故障進(jìn)行分析，并針對故障產(chǎn)生原因進(jìn)行改進(jìn)。消除泄漏故障可以提高水泵的穩(wěn)定性及壽命，保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的冷卻效果，同時(shí)對于企業(yè)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(jié)構(gòu)介紹

圖1示出汽車水泵結(jié)構(gòu)圖。水泵的基本性能參數(shù)分別為：流量為523 L/min，揚(yáng)程≥22.4 m，功率≤3.5 kW，轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)的乙二醇與水混合液。水泵的形狀參數(shù)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(jìn)口直徑為58 mm，水泵出口直徑為58 mm。由以上參數(shù)可以得到水泵設(shè)計(jì)的比轉(zhuǎn)速為129.4，水泵效率≥54.7%。水泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)不能過高，否則將會(huì)導(dǎo)致水泵功耗過大[3-4]。

圖1 汽車水泵結(jié)構(gòu)圖

1.2 水泵泄漏故障介紹

對水泵泄漏故障件進(jìn)行收集，并對故障件進(jìn)行檢查分析，發(fā)現(xiàn)該水泵蝸殼外壁有明顯的孔洞，拆卸后發(fā)現(xiàn)在蝸殼內(nèi)壁相對應(yīng)的位置存在一個(gè)錐型的孔洞，孔洞頂端穿透蝸殼體出現(xiàn)明顯砂眼，且可見裂紋。因此對水泵蝸殼進(jìn)行了泄漏試驗(yàn)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(jù)泄漏量應(yīng)＜5 mL/min的要求，該處泄漏量超標(biāo)，泄漏試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 汽車水泵蝸殼泄漏試驗(yàn)圖

1.3 水泵泄漏故障分析

對蝸殼泄漏部位進(jìn)行認(rèn)真分析后發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)度低，冷卻中收縮量集中，在凝固過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使出水口與管道交接處產(chǎn)生裂紋或縮孔；又加之毛坯供應(yīng)商為保證機(jī)加工出水口端面質(zhì)量，修模后R2圓弧過渡處存在應(yīng)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(jīng)過泄漏檢驗(yàn)，但是原有故障件經(jīng)過泄漏檢驗(yàn)也未出現(xiàn)問題，后發(fā)現(xiàn)原因?yàn)楝F(xiàn)有空壓站輸出氣壓統(tǒng)一為0.6 kPa，試驗(yàn)臺(tái)上原氣缸缸徑較小，壓緊力不夠，不能對有細(xì)微裂紋的故障件進(jìn)行有效識(shí)別。因此，要對毛坯鑄造模具進(jìn)行改進(jìn)，并對泄漏試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

圖3 水泵蝸殼截面圓角過渡圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鑄造優(yōu)化設(shè)計(jì)

要求毛坯供應(yīng)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(diào)整到刮水面，避免蝸殼法蘭面和出水口折彎處出現(xiàn)應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)[5]。改進(jìn)后，蝸殼毛坯符合圖紙生產(chǎn)要求。

2.2 氣密性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

首先對原有氣密性試驗(yàn)方式進(jìn)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?yàn)椋阂簤合到y(tǒng)預(yù)夾緊工件；增壓缸壓頭伸出，壓緊工件；側(cè)面氣缸壓頭伸出壓緊，形成一個(gè)密閉的試驗(yàn)空間。圖4示出汽車水泵原有氣密性試驗(yàn)方式，其中蝸殼上畫藍(lán)色線部位為泄露部位，發(fā)現(xiàn)由于側(cè)方氣缸壓頭壓緊后，對原來存在的裂紋有擠壓作用，導(dǎo)致不能有效識(shí)別裂紋。

圖4 汽車水泵原有氣密性試驗(yàn)方式

因此要重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)夾緊方式，圖5示出螺栓夾緊和氣動(dòng)夾緊2種夾緊方式。先按水泵總成在發(fā)動(dòng)機(jī)上的裝配方式，選用與發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果良好，但是發(fā)現(xiàn)螺栓擰緊方式效率低下，不適合大批量生產(chǎn)。繼續(xù)對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改造，將螺栓擰緊改進(jìn)為氣動(dòng)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(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空壓站有時(shí)輸出氣壓不足，導(dǎo)致夾緊力不夠，有的泄漏故障依然不能有效識(shí)別，同時(shí)發(fā)現(xiàn)尼龍材料可承受壓力小、變形大，也會(huì)導(dǎo)致泄漏故障不能識(shí)別，因此方案依然不可行。

圖5 汽車水泵氣密性試驗(yàn)臺(tái)夾緊方式

再次對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，總體結(jié)構(gòu)依然采用上述結(jié)構(gòu)。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(wěn)定，不受空壓站影響，將尼龍材料換為黃銅墊塊，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，沒有再出現(xiàn)泄漏故障不能有效識(shí)別現(xiàn)象，同時(shí)黃銅墊塊又不會(huì)破壞蝸殼加工表面，其具體結(jié)構(gòu)，如圖6所示[6]。經(jīng)過相應(yīng)試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)臺(tái)可以達(dá)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(yàn)要求，不會(huì)出現(xiàn)泄漏誤判現(xiàn)象[7]。

圖6 汽車水泵氣密性試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

通過對某型號(hào)汽車水泵泄漏故障件的拆解分析，發(fā)現(xiàn)水泵蝸殼外壁有明顯的裂紋、砂眼，是導(dǎo)致該型號(hào)水泵總成泄漏的主要原因，其形成的原因是蝸殼相應(yīng)部位壁厚過渡不均勻，在進(jìn)行此類的蝸殼產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，鑄件設(shè)計(jì)合理性值得關(guān)注；而在進(jìn)行蝸殼產(chǎn)品氣密性試驗(yàn)時(shí)，夾緊方式的選取對不同的蝸殼產(chǎn)品氣密性試驗(yàn)檢測的準(zhǔn)確性有影響，針對不同的蝸殼產(chǎn)品，夾緊方式的選取要合理。經(jīng)過從上述兩方面的改進(jìn)分析優(yōu)化，消除了本型號(hào)水泵蝸殼泄漏故障，改進(jìn)后效果明顯，對此類蝸殼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。