201901 上海幸福摩托車有限公司 上海|楊欣葉

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某型發(fā)動機(jī)水泵泄漏情況分析

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從汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵的缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封圈產(chǎn)生壓縮永久變形兩方面分析引起水泵泄漏的可能因素及解決預(yù)防辦法，為改善發(fā)動機(jī)水泵結(jié)構(gòu)的合理性提供借鑒。關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)冷卻水泵；缸體密封圈；泄漏；壓縮變形；失效

發(fā)動機(jī)冷卻水泵總成通過螺釘?shù)冗B接件安裝在發(fā)動機(jī)缸體上，通過皮帶與發(fā)動機(jī)曲軸聯(lián)接，在發(fā)動機(jī)工作時，曲軸帶動水泵旋轉(zhuǎn)，循環(huán)泵送冷卻液，使冷卻液在發(fā)動機(jī)冷卻水道內(nèi)快速循環(huán)，把部分受熱零件工作時吸收的熱量及時散發(fā)出去，以降低發(fā)動機(jī)的溫度，從而保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度下工作。一旦發(fā)生水泵泄漏，必定會影響發(fā)動機(jī)正常工作，嚴(yán)重情況下甚至可能會損壞發(fā)動機(jī)。

圖1為某一發(fā)動機(jī)冷卻水泵結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計者將水泵總成與發(fā)動機(jī)缸體之間的端面密封型式設(shè)計成異型密封圈結(jié)構(gòu)密封。并且在密封圈上設(shè)置有方便拆裝的提手，相應(yīng)的在殼體上設(shè)置有放置此提手的止口。

圖1　某發(fā)動機(jī)冷卻水泵結(jié)構(gòu)圖

問題描述

在顧客對發(fā)動機(jī)進(jìn)行實驗室臺架試驗的過程中，發(fā)現(xiàn)部分水泵在塑料殼體表面分散有少量冷卻液殘留痕跡，同時，在泵體上水封蒸發(fā)室悶蓋孔周圍有少量冷卻液堆積，水泵在試驗過程中發(fā)生泄漏，且發(fā)生泄漏的水泵全部集中于同一批次零件中。

問題分析及檢測

針對以上問題，首先對客戶處試驗過程中泄漏的水泵進(jìn)行氣密性復(fù)測，此時水泵泄漏嚴(yán)重氣測臺無法保壓，不能正常通過氣測試驗。用泄漏檢測劑檢測發(fā)現(xiàn)該失效水泵泄漏點發(fā)生在水泵和發(fā)動機(jī)缸體結(jié)合面上，然后重新更換一個新的缸體密封圈后進(jìn)行氣密性復(fù)測，泄漏量實測為0.244cm3/ml，遠(yuǎn)小于8cm3/ml設(shè)計要求，密封測試合格。進(jìn)一步對失效水泵進(jìn)行分解檢測：

a 在對失效水泵解體時，發(fā)現(xiàn)各連接部位螺栓的松動扭矩較裝配時有所衰減，但仍不影響其功能；

b對該水泵分解后，泵體上密封結(jié)合面表面完好，無毛刺、劃傷等不良缺陷，但與缸體結(jié)合面上密封圈產(chǎn)生圖2所示永久壓縮變形；

圖2　產(chǎn)生永久變形密封圈

由于密封圈產(chǎn)生永久壓痕，對同批次密封圈按TL 52316標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料試驗，按PV3330進(jìn)行壓變試驗，發(fā)現(xiàn)密封圈的材料性能和壓變量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。然后對失效密封圈按表1項目進(jìn)行檢測，其結(jié)果也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1　失效密封圈檢測項目列表

通過上述對密封圈本身進(jìn)行材料及壓變檢測，認(rèn)為產(chǎn)生此壓痕不是材料本身問題，而另有原因。經(jīng)過對水泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機(jī)正常工作時，系統(tǒng)內(nèi)壓力較高，由于泵體上設(shè)置有密封圈提手安放止口，在系統(tǒng)內(nèi)高壓的作用下，冷卻液對密封圈產(chǎn)生各個方向的壓力沖擊使密封圈在此處形成受力薄弱點。久而久之便在此處產(chǎn)生永久壓痕。

c水泵拆解后，對裝配尺寸進(jìn)行復(fù)測，軸承、水封、葉輪、帶輪軸向尺寸及跳動較裝配時無明顯差異，且均符合圖紙要求，轉(zhuǎn)子部件未發(fā)生竄動；

序號　檢測項目　圖紙要求　裝配實測值試驗后實測值　備注1 　葉輪裝配尺寸 16.05±0.1mm 　16.06　16.08 2　帶輪裝配尺寸37.45±0.3mm 　37.49　37.45 3　帶輪端面跳動?。?.2mm　0.05　0.03 4　軸承裝配尺寸　0.3-0.1　0.27　0.27

d對水泵體、塑料殼體進(jìn)行尺寸測量，發(fā)現(xiàn)其尺寸也符合圖紙要求；

①分別對水泵體和塑料殼體用三坐標(biāo)進(jìn)行平面度測量，測量結(jié)果均符合圖紙要求。

②對水泵體上安放密封圈提手止口深度進(jìn)行測量

圖3

在水泵體圖紙上，此密封圈提手安放止口深度尺寸為未注尺寸，圖紙技術(shù)要求寫明未注尺寸直接按三維模型，從三維數(shù)模上量得此尺寸為2.15，而水泵體零件上實測此尺寸為2.42～2.44，實物尺寸比數(shù)模略深，但根據(jù)大家以往的經(jīng)驗，認(rèn)為此處不是關(guān)鍵尺寸，故在產(chǎn)品檢驗時未對該尺寸給予過多關(guān)注。

③密封圈上安放提手高度測量

失效水泵上的密封圈由于經(jīng)歷長時間實驗室臺架試驗運行，產(chǎn)生了壓縮變形，已無法準(zhǔn)確測量此尺寸；故取三件同批次密封圈測得尺寸，推斷出密封圈上此尺寸符合圖紙要求。

e在泵體和塑料殼體結(jié)合面上用Fuji Paper作面壓試驗，CSS074為失效水泵面壓試驗結(jié)果，CSS204為正常水泵面壓試驗結(jié)果。對比兩圖可見面壓試驗無明顯差異，壓痕連續(xù)均勻；水泵泄漏不是發(fā)生在水泵體與塑料殼體結(jié)合面處。

f撬下水封蒸發(fā)室悶蓋，在蒸發(fā)室內(nèi)未見明顯冷卻液殘留，蒸發(fā)室內(nèi)和悶蓋背面僅有少量殘余冷卻液，這是水泵運轉(zhuǎn)過程中少量蒸汽泄漏所至。

g將拆解下來的軸承、水封送至原供方進(jìn)行專業(yè)檢測分析，經(jīng)原供方檢測分析，二者的磨損都在可控范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生水泵泄漏；

通過以上對失效水泵分析可以看出：除密封圈產(chǎn)生永久壓痕外，其他各零部件都完好無損。而該泵在發(fā)動機(jī)上安裝固定時，蒸發(fā)室正處于水泵總成的垂直下方，而密封圈產(chǎn)生永久壓痕處剛好位于水泵頂部，殘存的冷卻液由水泵與缸體結(jié)合面上密封圈變形處泄漏溢出后，在重力的作用下沿著缸體流下在蒸發(fā)室周圍聚積。因此，判定水泵在臺架試驗時由于密封圈產(chǎn)生永久壓痕，引起水泵與缸體結(jié)合面間的泄漏。

圖4

改進(jìn)措施及試驗驗證

a改進(jìn)措施

針對分析結(jié)果，在不更改原設(shè)計的前提下，將泵體上安放密封圈提手止口修淺，按圖紙技術(shù)要求未注公差尺寸在名義值小于6時，公差值為±0.1，通知模具供應(yīng)商，將此尺寸嚴(yán)格控制在2.15-0.10范圍內(nèi)，同時密封圈高度上也嚴(yán)格控制此提手尺寸，這樣此處缺口面積減小，密封圈懸空部分也相應(yīng)地減小，從而改善密封圈的受壓情況。

b試驗驗證

對經(jīng)過上述整改后的新零件，顧客已經(jīng)全部完成了發(fā)動機(jī)實驗室臺架試驗和整車路試試驗，均無水泵泄漏情況。通過對后期顧客完成試驗的水泵12件進(jìn)行分解檢測分析，發(fā)現(xiàn)在原來的受力薄弱點—密封圈提手處均不再產(chǎn)生永久壓痕，水泵泄露情況已經(jīng)解決。

結(jié)束語

汽車水泵密封可靠性對發(fā)動機(jī)的安全運轉(zhuǎn)至關(guān)重要，因此設(shè)計者對其可能出現(xiàn)的故障模式應(yīng)有足夠的了解，并在設(shè)計中足夠重視。通過對該水泵泄漏分析發(fā)現(xiàn)，引起水泵泄漏的原因較多，在設(shè)計時要充分考慮到每一個可能引起失效的細(xì)節(jié)，才能做出更好的設(shè)計。該水泵總成密封圈提手的設(shè)計，其優(yōu)點是不僅方便了操作工人的裝拆，同時對水泵總成終檢時也可一目了然的發(fā)現(xiàn)密封圈是否漏裝，但另一方面，如前所述此設(shè)計給后面引起水泵泄漏埋下的隱患。細(xì)節(jié)決定成敗，因此在今后進(jìn)行此類產(chǎn)品設(shè)計時值得廣大設(shè)計人員借鑒。

參考：

［1］付平，常德功主編.《密封設(shè)計手冊》，化學(xué)工業(yè)出版社，2009年.

［2］劉后桂編著.《密封技術(shù)》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1981年.

［3］趙非主編.《汽車動力總成典型故障案例選編》，黑龍江科技出版社，2014年.

［4］伍岳林，戴清橋主編.《發(fā)動機(jī)及關(guān)鍵零件制造技術(shù)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2015年.

楊欣葉（1978年—）、女、滿族，籍貫：河北青龍，職稱：中級，學(xué)位：學(xué)士，研究方向：發(fā)動機(jī)冷卻水泵設(shè)計。