某水泵叶轮轮毂开裂原因及措施

摘 要：为解决某四缸发动机水泵塑料叶轮轮毂开裂问题，本文通过分析故障现象和校核相关设计，确定塑料叶轮轮毂壁厚偏小是开裂主要原因，提出了加大塑料叶轮轮毂壁厚等改进措施，并对更改前后的叶轮进行对比试验以验证措施的有效性。

关键词：水泵;叶轮轮毂;开裂原因

随着经济社会的发展，汽车应用技术朝着轻量化、高效率等方向进化。常规中小型发动机水泵总成塑料叶轮以其重量轻、高效率、易成型、耐腐蚀、低噪声等特性，逐步替代金属叶轮成为必然选择。由于塑料材质强度较金属差，因此需要合理进行结构和尺寸设计，否则使用中，会不可避免地出现断、开裂等问题。

1 开裂原因及改善措施

1.1 原因分析

在对某四缸发动机水泵完成压装PPS+GF40塑料叶轮工序后，检验人员发现部分产品存在叶轮轮毂开裂问题，裂纹沿着轴心方向贯穿延伸。由于PPS+GF40塑料材质具有较高的脆性，结合开裂裂纹的类型，经技术判定，此处开裂原因为塑料叶轮轮毂局部抗拉强度不足。通过对故障件进行尺寸检测，发现：（1）塑料轮毂外径理论尺寸为22mm，由于叶轮轮毂处需要拔模，导致塑料轮毂外径小端尺寸仅为21.85mm。（2）叶轮衬套外径理论尺寸为17mm，由于衬套外缘进行滚花处理，导致实际尺寸在17.5mm附近。综上，叶轮轮毂壁厚理论尺寸为2.5mm，实际尺寸在2.175mm附近，且注塑过程中衬套与叶轮轮毂的同轴度也存在偏差，导致局部壁厚可能会更薄。另外，塑料叶轮在完成注塑工艺后，体积会发生收缩，导致叶轮内部会存在较大的内应力。在生产过程中，对于此类小产品，往往只通过周转过程中的静置来消除内应力，不会采取其它的措施。若产品周转周期较短，内应力得不到有效消除，在压装轴承后，内应力会进一步加大，加之壁厚不足，种种因素结合在一起，便会由于抗拉强度不足发生开裂（图1）。

1.2 改善措施

叶轮轮毂壁厚增加0.5 mm，即轮毂理论外径由22 mm增大至23mm。

2 措施有效性验证

2.1 涨裂破坏性试验

按下列要求，制作3批叶轮：批次一：原状态故障批次中随机抽取10件，依次编号1#，…，10#;批次二：选取外径为17.50 mm，内径为11.96±0.01 mm的衬套，按原状态制作叶轮，从中随机抽取10件，依次编号11#，…，20#;批次三：选取外径为17.50 mm，内径为11.96±0.01 mm的衬套，按叶轮轮毂壁厚增加0.5 mm状态制作叶轮，从中随机抽取10件，依次编号21#，…，30#。试验步骤：（1）测量叶轮轮毂外径尺寸，记录测量数据并编号。（2）安装试验工装，将叶轮安装至锥形芯轴，调试智能压装机及试验工装，进行叶轮的压装，直至叶轮轮毂开裂，记录压装力，并于衬套的两端划线标识。（3）安装实验工装，调试智能压装机，将叶轮压出锥形芯轴，使用外径千分尺分别测量锥形芯轴标识处直径并记录数据。（4）依次记录30件叶轮的试验数据，并进行整理和分析（图1、2）。由图中数据可以看出，三个批次的平均涨裂直径分别为12.123、12.109、12.318，三个批次的平均压装力分别为15.0、13.8、30.6，增大塑料叶轮轮毂壁厚对于防止水泵塑料叶轮轮毂开裂具有明显改善作用。

2.2 高低温交变试验

步骤一：随机选取改善后的叶轮10件，将其装配至水泵总成后，将水泵总成放置在高低温交变试验箱。步骤二：设定试验条件，由20℃开始，按5℃/min的温度变化速率在-40℃-140℃范围内进行20个循环，其中每隔20℃恒温保持1min。步骤三：完成20个循环后，通过观察叶轮轮毂表面，未发现有开裂现象，判定增大塑料叶轮轮毂壁厚后，基本上不会发生水泵塑料叶轮轮毂在低温使用环境下出现开裂现象。

3 对性能的影响评估

采用ANSYS CFX软件进行计算，基本设置过程如下：控制方程离散：采用广义QUICK格式，即二阶中心差分、二阶迎风或者标准QUICK。瞬态问题：采用Crank-Nicolson时间积分方案和全隱式时间积分方案。压力耦合问题算法：SIMPLE算法，交错网格，其中瞬态问题采用外部接口链接PISO算法。求解目标：设定旋转域转速为5200rpm，设定一定的入口流量和出口压力，进行计算，测量进、出口总压，计算出总扬程。（1）当转速为5200rpm、温度为80℃、进口流量为212L/min时，叶轮轮毂壁厚增大0.5mm后，水泵的总扬程下降1.31%，仍可满足要求值。（2）当转速为5200rpm、温度为80℃时，通过设定不同的进口流量，获得叶轮轮毂壁厚增大0.5mm前后的水泵的性能曲线。对于特定的转速和整车冷却系统，叶轮轮毂壁厚增大0.5mm后，冷却系统流量下降0.66%。原状态冷却系统进出水设计温差为8℃时，更改后冷却系统进出水温差为8.05℃，由于整车冷却系统散热能力设计有较大盈余，因此该温差差异影响较小，判定此更改可以满足使用要求。

4 结论

（1）中小型发动机用水泵塑料（PPS+GF40）叶轮轮毂处最小有效壁厚设计应大于2.5-3.0 mm。（2）增大塑料叶轮轮毂壁厚对于防止水泵塑料叶轮轮毂开裂具有明显改善作用。（3）增大水泵塑料叶轮轮毂壁厚，或对水泵的性能产生不利影响，应采用CFD分析或试验对比的方法评估变更对整车冷却系统的影响。

作者简介：王凯凯（1989-），男，山东德州人，本科，发动机设计工程师，主要研究方向：发动机设计开发。