汽车水泵泄漏故障分析及改进*

曹占龙 杜春瑛 何理 龚青山

（1.湖北汽车工业学院机械工程学院；2.东风汽车泵业有限公司）

汽车水泵是发动机冷却系统的重要部件，它的作用是提高冷却液的压力，使冷却液在发动机冷却系统的冷却水道内循环，以带走发动机工作时产生的热量，保持发动机正常的工作温度。由于冷却系统的动力源全部来自于水泵，水泵失效将对发动机整机造成致命打击[1-2],文章以某款匹配大功率发动机的水泵为例，对其泄漏故障进行分析，并针对故障产生原因进行改进。消除泄漏故障可以提高水泵的稳定性及寿命，保证发动机具有良好的冷却效果，同时对于企业减少售后赔偿和提高市场竞争力具有重要意义。

1 水泵泄漏故障分析

1.1 水泵结构介绍

图1示出汽车水泵结构图。水泵的基本性能参数分别为：流量为523 L/min，扬程≥22.4 m，功率≤3.5 kW，转速为3 914 r/min。水泵的正常工作温度为90℃，使用的冷却液为30%～50%体积分数的乙二醇与水混合液。水泵的形状参数为：径向最大尺寸为193 mm，叶轮凸出安装面高度为12 mm，皮带轮安装高度为75 mm，水泵进口直径为58 mm，水泵出口直径为58 mm。由以上参数可以得到水泵设计的比转速为129.4，水泵效率≥54.7%。水泵设计性能参数不能过高，否则将会导致水泵功耗过大[3-4]。

图1 汽车水泵结构图

1.2 水泵泄漏故障介绍

对水泵泄漏故障件进行收集，并对故障件进行检查分析，发现该水泵蜗壳外壁有明显的孔洞，拆卸后发现在蜗壳内壁相对应的位置存在一个锥型的孔洞，孔洞顶端穿透蜗壳体出现明显砂眼，且可见裂纹。因此对水泵蜗壳进行了泄漏试验测试，在400 kPa压力下泄漏量为9.41 mL/min，可以看出明显泄漏气泡，而根据泄漏量应＜5 mL/min的要求，该处泄漏量超标，泄漏试验，如图2所示。

图2 汽车水泵蜗壳泄漏试验图

1.3 水泵泄漏故障分析

对蜗壳泄漏部位进行认真分析后发现，蜗壳法兰面厚度为19 mm，出水管壁厚为5 mm，两者连接处有圆角R2，如图3所示，连接处厚度不均匀，尤其是如果温度低，蜗壳毛坯在浇注后冷却过程中速度不一致，法兰面因厚度厚而冷却慢，出水管道因壁薄而冷却快，壁薄位置相对于壁厚位置强度低，冷却中收缩量集中，在凝固过程中产生内应力，使出水口与管道交接处产生裂纹或缩孔；又加之毛坯供应商为保证机加工出水口端面质量，修模后R2圆弧过渡处存在应力集中。因此，在蜗壳毛坯中就存在砂眼和裂纹问题。绝大部分有砂眼毛坯可以被分拣出来，仅有少部分砂眼不明显的蜗壳毛坯连同裂纹问题必须要经过泄漏检验，但是原有故障件经过泄漏检验也未出现问题，后发现原因为现有空压站输出气压统一为0.6 kPa，试验台上原气缸缸径较小，压紧力不够，不能对有细微裂纹的故障件进行有效识别。因此，要对毛坯铸造模具进行改进，并对泄漏试验台进行重新设计。

图3 水泵蜗壳截面圆角过渡图

2 优化设计

2.1 铸造优化设计

要求毛坯供应商重新修整模具，保证出水管折弯部位有R2的过渡圆角；修改浇注口，将新浇注口调整到刮水面，避免蜗壳法兰面和出水口折弯处出现应力集中的风险[5]。改进后，蜗壳毛坯符合图纸生产要求。

2.2 气密性试验台设计

首先对原有气密性试验方式进行分析，工件按一面两销的定位方式平放在夹具上。操作顺序为：液压系统预夹紧工件；增压缸压头伸出，压紧工件；侧面气缸压头伸出压紧，形成一个密闭的试验空间。图4示出汽车水泵原有气密性试验方式，其中蜗壳上画蓝色线部位为泄露部位，发现由于侧方气缸压头压紧后，对原来存在的裂纹有挤压作用，导致不能有效识别裂纹。

图4 汽车水泵原有气密性试验方式

因此要重新设计试验台夹紧方式，图5示出螺栓夹紧和气动夹紧2种夹紧方式。先按水泵总成在发动机上的装配方式，选用与发动机上装夹方式相同的螺栓拧紧，夹紧方式如图5a所示。对水泵总成进行试验，结果良好，但是发现螺栓拧紧方式效率低下，不适合大批量生产。继续对试验台进行改造，将螺栓拧紧改进为气动夹紧，如图5b所示，为防止夹紧过程损坏加工表面，与工件接触位置使用尼龙材料。经过试验发现，空压站有时输出气压不足，导致夹紧力不够，有的泄漏故障依然不能有效识别，同时发现尼龙材料可承受压力小、变形大，也会导致泄漏故障不能识别，因此方案依然不可行。

图5 汽车水泵气密性试验台夹紧方式

再次对试验台进行改进，总体结构依然采用上述结构。由于气缸压力不足，所以将气缸改造为气液增压缸，气液增压缸压力稳定，不受空压站影响，将尼龙材料换为黄铜垫块，经过多次试验验证，没有再出现泄漏故障不能有效识别现象，同时黄铜垫块又不会破坏蜗壳加工表面，其具体结构，如图6所示[6]。经过相应试验检测，试验台可以达到在（400±5）kPa大气压下，保压30 s，泄漏量不超过2 mL/min，满足密封性试验要求，不会出现泄漏误判现象[7]。

图6 汽车水泵气密性试验台优化后结构图

3 结论

通过对某型号汽车水泵泄漏故障件的拆解分析，发现水泵蜗壳外壁有明显的裂纹、砂眼，是导致该型号水泵总成泄漏的主要原因，其形成的原因是蜗壳相应部位壁厚过渡不均匀，在进行此类的蜗壳产品设计时，铸件设计合理性值得关注；而在进行蜗壳产品气密性试验时，夹紧方式的选取对不同的蜗壳产品气密性试验检测的准确性有影响，针对不同的蜗壳产品，夹紧方式的选取要合理。经过从上述两方面的改进分析优化，消除了本型号水泵蜗壳泄漏故障，改进后效果明显，对此类蜗壳产品的设计具有一定的指导意义。