浅谈高效率汽车水泵的设计研究

    韩晓莹 李乐 杜艳阳

    摘 要：我国的汽车制造行业已经进入了飞速发展的阶段，现代人对汽车质量与实用性的追求在不断提高，汽车发动机的冷却点在不断的增多，随之也对汽车水泵的运转效率提出了更高的要求。我国很多汽车制造企业虽然也投入了大量的人财物自主研究开发高效率汽车水泵，然而与国外汽车的水泵运转效率相比，仍存在一定的差距。为了不断推动我国汽车制造行业的发展，提升现阶段汽车水泵的运转效率、降低汽车水泵对能量的消耗、以及不断降低汽车水泵的重量与体积，已经成为一项重要的课题。本文对汽车水泵发展的现状进行简要论述，分析设计研究高效率汽车水泵的意义，并探讨高效率汽车水泵的设计与研究。

    关键词：汽车水泵；效率；设计研究

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.050

    0 引言

    作为汽车的重要组成部分，汽车水泵直接影响着汽车发动机冷却系统的整体运转，以及发动机对能源的消耗程度，同时，汽车水泵的发展也对新能源汽车的研究与开发也具有至关重要的作用。现阶段很多汽车的制造依然沿用发动机传统式驱动冷却水泵，发动机的转速直接影响冷却液的流量，无法实现对冷却液的流量进行控制的目的。而高效率的汽车冷却水泵，可以利用电机驱动汽车水泵，在大幅度降低汽车水泵对功率的消耗的同时，还可以有效提高汽车水泵的运转效率，进而有助于实现汽车发动机冷却系统向可控式方向发展。

    1 汽车水泵发展的现状

    汽车水泵是现阶段生产和研发的汽车内部冷却系统的重要组成部分，现阶段被广泛使用的汽車水泵主要为离心式汽车水泵，通常被直接安置于汽车发动机之上，主要输送添加防锈剂、防冻剂的清水，在运转过程中可以适应-40℃～120℃的工作环境，其保修里程与年限普遍与发动机的保修里程与年限同步，一般为3年至5年。

    1.1 汽车产量的逐年上升带动汽车水泵行业的不断发展

    2016年我国全国汽车产量为2819万辆，2017年则上升到2901万辆，2016年对配套汽车水泵的需求量约为3430万只。在汽车被大批量生产与制造、市场竞争异常激烈的背景下，生产商更为关注被大批量生产或采购的汽车水泵的生产成本或者采购成本，在较大程度上限制了对汽车水泵的设计与研究的步伐。近二十年来，由于塑料在汽车水泵的制造过程中应用逐渐成熟，使得汽车水泵的使用寿命得以延长、生产成本得以降低、制造困难得以下降。同时，近年来，我国大力推广节能减排式汽车发动机的设计与研究，大力支持对新能源汽车的设计与研究，为了适应国家的发展与市场的需要，汽车制造行业近年来逐渐开始重视汽车水泵的设计与研究。

    1.2 汽车电子水泵的发展状态良好

    现阶段虽然市场中大部分汽车冷却系统采用的多为机械水泵，然而由于部分高端汽车的设计需要以及新能源汽车的设计需要，根据发动机温度变化通过电流控制冷却系统形式的电子水泵的发展正处于不断攀升的状态。

    2 设计研究高效率汽车水泵的意义

    随着我国汽车产量的逐年上升，汽车水泵行业的发展具有非常广阔的市场。我国投入了大量的资金与人才投入到自主研发汽车的过程中，设计研究高效率汽车水泵是我国汽车行业自主发展的需要。同时，近年来我国高度重视对环境的保护与恢复，设计研究高效率汽车水泵，能够有效降低发动机对燃料的消耗，迎合了我国可持续发展的需要。

    2.1 设计研究高效率汽车水泵是我国汽车行业自主发展的需要

    现阶段，我国虽然在自主设计和研究高效率汽车水泵的进程中取得了一定的成绩和突破，然而大部分的对高效能汽车水泵设计研究的理念和思路，依然主要是参考国外高效能汽车水泵的设计与研究，在此基础上再进行与我国汽车制造行业相适应的二次设计与研究，在此过程中，不仅投入了大量的购买技术的成本、研发费用与研发人员，耗费了大量的物资资源，同时很多二次的设计与研究的基础，并非取自国外最先进的、最前沿的高效率汽车水泵设计技术，因此所设计和研发的投入到我国汽车制造行业领域中的高效率汽车水泵，依然不具备世界先进水平，将我国对高效率汽车水泵的设计与研究局限在了国外先进技术之下。现阶段，我国在极力寻求完全的“中国制造”式世界先进的汽车研发与制造技术，作为汽车冷却系统的核心部件，因此，想要推动我国汽车制造行业的长远发展，设计和研究高效率汽车水泵已迫在眉睫。

    2.2 设计研究高效率汽车水泵是我国可持续发展的需要

    如何节约能源，如何最大限度降低现代社会对环境的污染，是当今沉重而必须面对的重要问题。设计研究高效率汽车水泵，不仅可以有效提高汽车冷却系统的工作效率，同时高效率汽车水泵能够有效降低水泵对功率的消耗程度，以高效率运转的冷区系统保障发动机的可靠与安全运转的同时，能够有效降低发动机对燃料的消耗程度。因此，高效率汽车水泵的设计研究，不仅仅是汽车行业发展的需要，在大批量汽车被生产与销售的大背景下，也是我国可持续发展的需要。

    3 高效率汽车水泵的设计与研究

    针对汽车水泵的设计与研究，必须考虑汽车发动机的各项因素，综合分析汽车水泵的可安装空间、是否适合进行大批量生产、生产成本是否合理、发动机对汽车水泵的要求、汽车水泵自身体积与重量等因素。由于专业人才存在大量的空缺，对很多国际先进技术的掌握也存在一定的空白，即使在投入大量研发资金引进国外先进技术、改良国外先进技术，然而依旧无法弥补我国现阶段对汽车水泵设计与研究的短板，因此，有必要着眼于国内，自主研发适应我国汽车制造行业需要、国家发展需要的汽车水泵。

    3.1 优化现阶段汽车水泵中对叶轮的设计与研究

    在实际运转过程中，现阶段汽车所使用的汽车水泵中叶轮的平衡孔数过多，汽车水泵的叶轮与蜗室之间的间隙过大，在汽车冷却系统工作的过程中，汽车水泵内部的流量过大，大幅度降低了汽车水泵整体的工作效率、增加了对能源的消耗。针对此类现象，在设计与研究高效率汽车水泵的过程中，可以关注以下几方面内容。

    3.1.1 改良汽车水泵中叶轮的平衡孔数量与位置的设计

    首先，可以在设计平衡孔的位置分布的过程中，平衡孔所在圆周直径应小于叶轮进口直径，同时，对叶轮平衡孔的数量进行一定量的缩减，例如将直径为3.5㎜的平衡孔设计与叶轮的不同位置，以大幅度降低平衡孔泄露冷却水的程度。

    3.1.2 缩減汽车水泵的叶轮与蜗室之间的间隙

    汽车水泵的叶轮与蜗室之间的间隙，大幅度增加了汽车冷却系统工作过程中汽车水泵内部的流量，流量的增大提高了汽车水泵对能源的消耗，同时流量的增大提高了对汽车水泵内部叶片的压力，也在一定程度上造成了对能源的浪费。可以将叶轮与蜗室之间的间隙控制在1㎜的区间之内。

    3.1.3 降低汽车水泵叶轮的压力

    当汽车水泵内部流量增加的同时，水泵叶轮的压力呈现不均匀的变化，尤其是在叶轮上叶片出口附近的压力会出现局部压力值较低的情况，内部流量在此处出现了互相排挤的情况，进而造成水泵内部能量的消耗与损失。因此，在实验过程中，需要根据叶轮的大小结构设计出水泵进口形状、出口角、叶片数，并采用减少叶轮平衡孔数量和缩小孔直径的方法来实现叶轮上下盖板压力差值的平衡。

    3.2 优化现阶段汽车水泵中对蜗室的设计与研究

    在实际运转过程中，很多汽车水泵对蜗室的设计与研究存在一定的问题，例如蜗室出口的截面面积设计不合理、蜗室隔舌的厚度有待优化，这部分设计瑕疵在汽车水泵的实际运转过程中，不断影响着汽车水泵的工作效率。针对此类现象，在设计与研究汽车水泵蜗室的过程中，可以关注以下几方面的内容。

    3.2.1 优化对汽车水泵蜗室隔舌的设计与研究

    在设计的过程中可以采用调整叶轮与隔舌角度的方法，来削减隔舌的厚度，或改善隔舌与叶轮的间隙，尽量在保持汽车水泵叶轮底部水封原有结构的同时，提高此处冷却液的流量。

    3.2.2 优化对汽车水泵蜗室截面的设计与研究

    首先，不同的汽车水泵蜗室截面，其流体速度是不同的，进而产生了不同压力的汽车水泵蜗室内部冷却水，因此，对于流体速度有必要进行一定的控制，在实验过程中，通过将水泵进口流体速度控制在3～4m/s，可以对启程水泵蜗室内部的冷却水压力实现一定的降低。

    3.3 提高对汽车电子水泵的设计研究与应用领域

    随着新能源汽车发展进程的不断推进，汽车制造行业逐渐开始重视对汽车电子水泵的设计研究。汽车电子水泵具有很多汽车传统机械水泵并不具备的突出优势，例如体积小、重量轻、电池续航时间较长、对汽车冷却系统的控制更为精准等，并且对能源的消耗明显低于传统的机械水泵，因此设计研究可广泛应用于各类汽车的电子水泵、推广应用电子水泵对汽车制造行业的发展具有鲜明的促进意义。

    4 结语

    综上所述，高效率汽车水泵的设计研究对我国的汽车制造行业的发展意义深远，也是实现完全的“中国制造”式汽车的重要工作。现阶段我国对汽车水泵的设计与研究依然无法赶超世界先进技术，但是我国汽车制造行业、汽车水泵设计研发领域在不断涌入专业型人才，在汽车水泵的设计与研发进程中也取得了一定的突破。在不断的设计、研发与突破的共同推动下，我国定将研发和大批量投入生产具有世界先进技术的“中国制造”高效率汽车水泵。

    参考文献：

    [1]臧薇.高效率汽车水泵的设计研究[J].中国设备工程，2017（15）：

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    [2]蔡思，张楚云.车用冷却水泵的分析与优化[J].北京汽车，2016

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