摘 要：為解決某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)水泵塑料葉輪輪轂開裂問題，本文通過分析故障現(xiàn)象和校核相關(guān)設(shè)計(jì)，確定塑料葉輪輪轂壁厚偏小是開裂主要原因，提出了加大塑料葉輪輪轂壁厚等改進(jìn)措施，并對更改前后的葉輪進(jìn)行對比試驗(yàn)以驗(yàn)證措施的有效性。

關(guān)鍵詞：水泵;葉輪輪轂;開裂原因

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，汽車應(yīng)用技術(shù)朝著輕量化、高效率等方向進(jìn)化。常規(guī)中小型發(fā)動(dòng)機(jī)水泵總成塑料葉輪以其重量輕、高效率、易成型、耐腐蝕、低噪聲等特性，逐步替代金屬葉輪成為必然選擇。由于塑料材質(zhì)強(qiáng)度較金屬差，因此需要合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，否則使用中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)斷、開裂等問題。

1 開裂原因及改善措施

1.1 原因分析

在對某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)水泵完成壓裝PPS+GF40塑料葉輪工序后，檢驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品存在葉輪輪轂開裂問題，裂紋沿著軸心方向貫穿延伸。由于PPS+GF40塑料材質(zhì)具有較高的脆性，結(jié)合開裂裂紋的類型，經(jīng)技術(shù)判定，此處開裂原因?yàn)樗芰先~輪輪轂局部抗拉強(qiáng)度不足。通過對故障件進(jìn)行尺寸檢測，發(fā)現(xiàn)：（1）塑料輪轂外徑理論尺寸為22mm，由于葉輪輪轂處需要拔模，導(dǎo)致塑料輪轂外徑小端尺寸僅為21.85mm。（2）葉輪襯套外徑理論尺寸為17mm，由于襯套外緣進(jìn)行滾花處理，導(dǎo)致實(shí)際尺寸在17.5mm附近。綜上，葉輪輪轂壁厚理論尺寸為2.5mm，實(shí)際尺寸在2.175mm附近，且注塑過程中襯套與葉輪輪轂的同軸度也存在偏差，導(dǎo)致局部壁厚可能會(huì)更薄。另外，塑料葉輪在完成注塑工藝后，體積會(huì)發(fā)生收縮，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部會(huì)存在較大的內(nèi)應(yīng)力。在生產(chǎn)過程中，對于此類小產(chǎn)品，往往只通過周轉(zhuǎn)過程中的靜置來消除內(nèi)應(yīng)力，不會(huì)采取其它的措施。若產(chǎn)品周轉(zhuǎn)周期較短，內(nèi)應(yīng)力得不到有效消除，在壓裝軸承后，內(nèi)應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步加大，加之壁厚不足，種種因素結(jié)合在一起，便會(huì)由于抗拉強(qiáng)度不足發(fā)生開裂（圖1）。

1.2 改善措施

葉輪輪轂壁厚增加0.5 mm，即輪轂理論外徑由22 mm增大至23mm。

2 措施有效性驗(yàn)證

2.1 漲裂破壞性試驗(yàn)

按下列要求，制作3批葉輪：批次一：原狀態(tài)故障批次中隨機(jī)抽取10件，依次編號1#，…，10#;批次二：選取外徑為17.50 mm，內(nèi)徑為11.96±0.01 mm的襯套，按原狀態(tài)制作葉輪，從中隨機(jī)抽取10件，依次編號11#，…，20#;批次三：選取外徑為17.50 mm，內(nèi)徑為11.96±0.01 mm的襯套，按葉輪輪轂壁厚增加0.5 mm狀態(tài)制作葉輪，從中隨機(jī)抽取10件，依次編號21#，…，30#。試驗(yàn)步驟：（1）測量葉輪輪轂外徑尺寸，記錄測量數(shù)據(jù)并編號。（2）安裝試驗(yàn)工裝，將葉輪安裝至錐形芯軸，調(diào)試智能壓裝機(jī)及試驗(yàn)工裝，進(jìn)行葉輪的壓裝，直至葉輪輪轂開裂，記錄壓裝力，并于襯套的兩端劃線標(biāo)識(shí)。（3）安裝實(shí)驗(yàn)工裝，調(diào)試智能壓裝機(jī)，將葉輪壓出錐形芯軸，使用外徑千分尺分別測量錐形芯軸標(biāo)識(shí)處直徑并記錄數(shù)據(jù)。（4）依次記錄30件葉輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理和分析（圖1、2）。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，三個(gè)批次的平均漲裂直徑分別為12.123、12.109、12.318，三個(gè)批次的平均壓裝力分別為15.0、13.8、30.6，增大塑料葉輪輪轂壁厚對于防止水泵塑料葉輪輪轂開裂具有明顯改善作用。

2.2 高低溫交變試驗(yàn)

步驟一：隨機(jī)選取改善后的葉輪10件，將其裝配至水泵總成后，將水泵總成放置在高低溫交變試驗(yàn)箱。步驟二：設(shè)定試驗(yàn)條件，由20℃開始，按5℃/min的溫度變化速率在-40℃-140℃范圍內(nèi)進(jìn)行20個(gè)循環(huán)，其中每隔20℃恒溫保持1min。步驟三：完成20個(gè)循環(huán)后，通過觀察葉輪輪轂表面，未發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，判定增大塑料葉輪輪轂壁厚后，基本上不會(huì)發(fā)生水泵塑料葉輪輪轂在低溫使用環(huán)境下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3 對性能的影響評估

采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行計(jì)算，基本設(shè)置過程如下：控制方程離散：采用廣義QUICK格式，即二階中心差分、二階迎風(fēng)或者標(biāo)準(zhǔn)QUICK。瞬態(tài)問題：采用Crank-Nicolson時(shí)間積分方案和全隱式時(shí)間積分方案。壓力耦合問題算法：SIMPLE算法，交錯(cuò)網(wǎng)格，其中瞬態(tài)問題采用外部接口鏈接PISO算法。求解目標(biāo)：設(shè)定旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為5200rpm，設(shè)定一定的入口流量和出口壓力，進(jìn)行計(jì)算，測量進(jìn)、出口總壓，計(jì)算出總揚(yáng)程。（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速為5200rpm、溫度為80℃、進(jìn)口流量為212L/min時(shí)，葉輪輪轂壁厚增大0.5mm后，水泵的總揚(yáng)程下降1.31%，仍可滿足要求值。（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為5200rpm、溫度為80℃時(shí)，通過設(shè)定不同的進(jìn)口流量，獲得葉輪輪轂壁厚增大0.5mm前后的水泵的性能曲線。對于特定的轉(zhuǎn)速和整車?yán)鋮s系統(tǒng)，葉輪輪轂壁厚增大0.5mm后，冷卻系統(tǒng)流量下降0.66%。原狀態(tài)冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水設(shè)計(jì)溫差為8℃時(shí)，更改后冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水溫差為8.05℃，由于整車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱能力設(shè)計(jì)有較大盈余，因此該溫差差異影響較小，判定此更改可以滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）中小型發(fā)動(dòng)機(jī)用水泵塑料（PPS+GF40）葉輪輪轂處最小有效壁厚設(shè)計(jì)應(yīng)大于2.5-3.0 mm。（2）增大塑料葉輪輪轂壁厚對于防止水泵塑料葉輪輪轂開裂具有明顯改善作用。（3）增大水泵塑料葉輪輪轂壁厚，或?qū)λ玫男阅墚a(chǎn)生不利影響，應(yīng)采用CFD分析或試驗(yàn)對比的方法評估變更對整車?yán)鋮s系統(tǒng)的影響。

作者簡介：王凱凱（1989-），男，山東德州人，本科，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。