順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)

宋健云

摘要：一個(gè)國(guó)家汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展是衡量工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，而發(fā)動(dòng)機(jī)可以比作是車(chē)輛的心臟，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的好壞直接決定了整車(chē)性能的優(yōu)劣。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵，也是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的作用是保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳溫度狀態(tài)。確保在發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，能快速使發(fā)動(dòng)機(jī)升溫，達(dá)到最適合的工作溫度，幫助機(jī)油達(dá)到合適的粘度，各運(yùn)動(dòng)機(jī)件的間隙達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)在車(chē)輛低轉(zhuǎn)速或大扭矩工作時(shí)（如重載或爬坡時(shí)）產(chǎn)生的高溫有足夠的冷卻量輸出快速冷卻，確保發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不會(huì)持續(xù)升高，保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵設(shè)計(jì)，在原有保證可靠性的前提下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、小型化、冷卻量控制精確化的發(fā)展趨勢(shì)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為緊湊、軸承承載能力更強(qiáng)、水封組件能適應(yīng)更復(fù)雜的使用工況。同時(shí)為了適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)模式的需求，要求零件通用化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。再者為了適應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)廠的同步開(kāi)發(fā)和客戶個(gè)性化定制需求，CFD分析軟件對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)的幫助也越來(lái)越重要。本文主要闡述了現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)發(fā)展的主要方向和特點(diǎn)，以及為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)必須作相應(yīng)提升和進(jìn)步的方面，并舉例說(shuō)明了CFD軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮的重要作用。

關(guān)鍵詞：順應(yīng)時(shí)代;發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵;研發(fā)

1? 新時(shí)期發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)的發(fā)展方向

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，是汽車(chē)的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的可靠性對(duì)整車(chē)的可靠性起著至關(guān)重要的作用。而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵，又是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵作用

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵承擔(dān)著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液強(qiáng)制循環(huán)的重要任務(wù)，有效地保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持工作在（90±5）℃的最佳溫度范圍內(nèi)。保障汽車(chē)安全地、穩(wěn)定地運(yùn)行。冷卻液溫度過(guò)低時(shí)燃油進(jìn)入燃燒室時(shí)無(wú)法充分霧化，整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)差，并且冷卻液溫度低時(shí)各運(yùn)動(dòng)部件配合間隙過(guò)大，振動(dòng)及其噪音都明顯增大。而冷卻液溫度過(guò)高也會(huì)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生非常不利的影響，比如冷卻液溫度過(guò)高時(shí)機(jī)油粘度會(huì)開(kāi)始變稀，不能有效地附著在運(yùn)動(dòng)部件例如齒輪的表面進(jìn)行有效地潤(rùn)滑，使機(jī)油的潤(rùn)滑強(qiáng)度下降，容易使運(yùn)動(dòng)齒輪產(chǎn)生持續(xù)高溫，發(fā)生干磨或燒蝕現(xiàn)象，還有活塞、氣門(mén)等高速運(yùn)動(dòng)部件在高溫狀態(tài)下更容易產(chǎn)生變形，造成運(yùn)動(dòng)不靈活，從而引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出不足。更嚴(yán)重的情況下，活塞由于高溫產(chǎn)生變形漲大，加上粘度下降的機(jī)油會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面的潤(rùn)滑油膜變薄甚至消失，摩擦系數(shù)變大最終導(dǎo)致拉缸、曲軸抱死等情況，產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。

1.2 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)新的要求

1.2.1 合理才是最好，避免過(guò)度設(shè)計(jì)

任何產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，合理的技術(shù)要求才是關(guān)鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵也是如此。適應(yīng)現(xiàn)在時(shí)代發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵設(shè)計(jì)，總成結(jié)構(gòu)不是越復(fù)雜、技術(shù)要求越高越好。眾所周知，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜和精度要求越高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要在生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要更高精度的加工設(shè)備和更復(fù)雜的加工工藝去保證。相應(yīng)的研發(fā)和制造成本會(huì)增加，而且在后期客戶使用過(guò)程中，零件出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的機(jī)率也就越大。成熟合理的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵設(shè)計(jì)，應(yīng)該是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、性能最可靠，制造成本最低的設(shè)計(jì)。盡可能避免高精度、嚴(yán)要求的過(guò)度設(shè)計(jì)。這樣才能適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)提倡節(jié)能、環(huán)保低碳的時(shí)代需求。同時(shí)在選取零件材料、加工方法和表面處理要求時(shí)，要盡可能響應(yīng)環(huán)保要求，盡可能摒棄污染嚴(yán)重、高耗能、有害公眾健康的材料和工藝手段。

1.2.2 總成輕量化和小型化的要求

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化和小型化是發(fā)展過(guò)程中的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)首先是考慮其工作可靠性和使用壽命，往往取的安全系數(shù)都很大，如此以來(lái)，可能造成體積或重量上的龐大，搭載到整車(chē)以后，會(huì)造成車(chē)輛油耗增加?，F(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)必須在保證可靠性和使用壽命的前提下，要求體積更小重量更輕。而且由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載越來(lái)越多，例如發(fā)電機(jī)、冷卻風(fēng)扇、硅油離合器、空調(diào)等負(fù)載，對(duì)水泵的壽命和承載能力要求進(jìn)一步提高。這諸多要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的設(shè)計(jì)都提出了更高更大的挑戰(zhàn)。

1.2.3 更精確的冷卻量控制要求

傳統(tǒng)的機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵由于沒(méi)有ECU控制單元，只依靠曲軸通過(guò)皮帶進(jìn)行純機(jī)械傳動(dòng)控制，所以是在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火的那一刻起就開(kāi)始工作的，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的冷卻量輸出也是固定的。

發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛啟動(dòng)的時(shí)刻由于需要冷卻液迅速升溫以達(dá)到最佳的工作溫度，往往對(duì)水泵的冷卻量輸出要求很低，水泵前端的風(fēng)扇也是不需要開(kāi)始工作的。這時(shí)如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵和前端風(fēng)扇一直持續(xù)地工作，一來(lái)造成發(fā)動(dòng)機(jī)升溫較慢，無(wú)法快速進(jìn)入最佳的工作狀態(tài)，再者也造成了不必要的能量消耗。另一個(gè)方面，車(chē)輛在爬坡、重載等情況下，由于長(zhǎng)期低轉(zhuǎn)速、大扭矩輸出，各運(yùn)動(dòng)部件的發(fā)熱量進(jìn)一步增加，此時(shí)則需要發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵輸出比發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)更大的冷卻量。

但是由于傳統(tǒng)機(jī)械冷卻水泵的轉(zhuǎn)速是恒定的，葉輪設(shè)計(jì)也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，所以無(wú)法滿足此時(shí)更大的冷卻量要求，造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果不足，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸或曲軸抱死等嚴(yán)重后果。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)客觀存在的不同階段的冷卻量輸出要求，所以傳統(tǒng)的機(jī)械式水泵已經(jīng)無(wú)法滿足需求，加上當(dāng)今社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保、低碳排放的要求，冷卻水泵需要更精確的冷卻量輸出控制，電動(dòng)控制的水泵和變排量水泵將是今后發(fā)展的重要趨勢(shì)。

電動(dòng)水泵通過(guò)車(chē)載電腦控制。由發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)溫度和使用工況決定是否啟動(dòng)水泵。或控制前端風(fēng)扇是否跟轉(zhuǎn)，或控制水泵葉輪葉翅的工作高度。保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度正常的同時(shí)又不會(huì)增加多余的燃油消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1.2.4 現(xiàn)代化輔助設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用

現(xiàn)代化的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵設(shè)計(jì)，要合理運(yùn)用輔助設(shè)計(jì)工具，例如CFturbo葉輪蝸殼設(shè)計(jì)工具和Pumplinx流體仿真工具等。

CFturbo工具主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的葉輪和蝸殼流道設(shè)計(jì)，在輸入轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程等參數(shù)要求后，該工具能進(jìn)行針對(duì)性的匹配設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成概念模型后，CFturbo會(huì)根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)函數(shù)值進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考。

Pumplinx工具主要用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行性能仿真預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)包括流量、揚(yáng)程、效率等基本性能參數(shù)，同時(shí)還可以分析泵腔壓力分布情況和預(yù)測(cè)汽蝕余量。

這些輔助設(shè)計(jì)工具的運(yùn)用，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比，最大的好處是使設(shè)計(jì)過(guò)程科學(xué)化、精確化，加上快速成型技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品研發(fā)的周期縮短，研發(fā)成功率大為提升，同時(shí)這些工具的應(yīng)用可以輔助分析現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，快速掌握調(diào)整改進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。

2? 輔助設(shè)計(jì)工具應(yīng)用舉例

前文中提到，PumpLinx工具可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的研發(fā)提供重要的理論支撐，下面舉例說(shuō)明。

某冷卻水泵的性能模擬分析：

2.1 水泵流體域網(wǎng)格模型及邊界條件設(shè)置

PumpLinx此處使用Centrifugal通用計(jì)算模型，此次分析中，采用MRF（Multiple Reference Frame）模型方法對(duì)葉輪工作區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，流體參數(shù)和邊界條件的設(shè)置如表1所示。

2.2 水泵性能預(yù)測(cè)

如圖1所示，在設(shè)計(jì)工況（轉(zhuǎn)速為2700r/min，流量為120L/min）下，經(jīng)數(shù)值模擬分析得到，水泵揚(yáng)程為10.48m，滿足設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)揚(yáng)程為≥9.5m），水泵軸功率為0.63kW，水泵效率為31.7%。

綜上所述，適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的研發(fā)，必須深入研究傳統(tǒng)水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，在借鑒原有成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡可能規(guī)避陳舊設(shè)計(jì)的技術(shù)缺陷，充分考慮產(chǎn)品的使用工況和用戶使用過(guò)程中的實(shí)際需求。同時(shí)不能單憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要科學(xué)合理地利用先進(jìn)的輔助設(shè)計(jì)手段作為理論支撐，保證高效、科學(xué)的進(jìn)行汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研發(fā)。

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