某型发动机水泵泄漏情况分析

201901 上海幸福摩托车有限公司 上海|杨欣叶



某型发动机水泵泄漏情况分析

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从汽车发动机冷却水泵的缸体结构设计和密封圈产生压缩永久变形两方面分析引起水泵泄漏的可能因素及解决预防办法，为改善发动机水泵结构的合理性提供借鉴。关键词：发动机冷却水泵；缸体密封圈；泄漏；压缩变形；失效

发动机冷却水泵总成通过螺钉等连接件安装在发动机缸体上，通过皮带与发动机曲轴联接，在发动机工作时，曲轴带动水泵旋转，循环泵送冷却液，使冷却液在发动机冷却水道内快速循环，把部分受热零件工作时吸收的热量及时散发出去，以降低发动机的温度，从而保证发动机在最适宜的温度下工作。一旦发生水泵泄漏，必定会影响发动机正常工作，严重情况下甚至可能会损坏发动机。

图1为某一发动机冷却水泵结构图，设计者将水泵总成与发动机缸体之间的端面密封型式设计成异型密封圈结构密封。并且在密封圈上设置有方便拆装的提手，相应的在壳体上设置有放置此提手的止口。

图1　某发动机冷却水泵结构图

问题描述

在顾客对发动机进行实验室台架试验的过程中，发现部分水泵在塑料壳体表面分散有少量冷却液残留痕迹，同时，在泵体上水封蒸发室闷盖孔周围有少量冷却液堆积，水泵在试验过程中发生泄漏，且发生泄漏的水泵全部集中于同一批次零件中。

问题分析及检测

针对以上问题，首先对客户处试验过程中泄漏的水泵进行气密性复测，此时水泵泄漏严重气测台无法保压，不能正常通过气测试验。用泄漏检测剂检测发现该失效水泵泄漏点发生在水泵和发动机缸体结合面上，然后重新更换一个新的缸体密封圈后进行气密性复测，泄漏量实测为0.244cm3/ml，远小于8cm3/ml设计要求，密封测试合格。进一步对失效水泵进行分解检测：

a 在对失效水泵解体时，发现各连接部位螺栓的松动扭矩较装配时有所衰减，但仍不影响其功能；

b对该水泵分解后，泵体上密封结合面表面完好，无毛刺、划伤等不良缺陷，但与缸体结合面上密封圈产生图2所示永久压缩变形；

图2　产生永久变形密封圈

由于密封圈产生永久压痕，对同批次密封圈按TL 52316标准进行材料试验，按PV3330进行压变试验，发现密封圈的材料性能和压变量均符合标准要求。然后对失效密封圈按表1项目进行检测，其结果也符合标准要求。

表1　失效密封圈检测项目列表

通过上述对密封圈本身进行材料及压变检测，认为产生此压痕不是材料本身问题，而另有原因。经过对水泵结构进行分析，发现在发动机正常工作时，系统内压力较高，由于泵体上设置有密封圈提手安放止口，在系统内高压的作用下，冷却液对密封圈产生各个方向的压力冲击使密封圈在此处形成受力薄弱点。久而久之便在此处产生永久压痕。

c水泵拆解后，对装配尺寸进行复测，轴承、水封、叶轮、带轮轴向尺寸及跳动较装配时无明显差异，且均符合图纸要求，转子部件未发生窜动；

序号　检测项目　图纸要求　装配实测值试验后实测值　备注1 　叶轮装配尺寸 16.05±0.1mm 　16.06　16.08 2　带轮装配尺寸37.45±0.3mm 　37.49　37.45 3　带轮端面跳动　＜0.2mm　0.05　0.03 4　轴承装配尺寸　0.3-0.1　0.27　0.27

d对水泵体、塑料壳体进行尺寸测量，发现其尺寸也符合图纸要求；

①分别对水泵体和塑料壳体用三坐标进行平面度测量，测量结果均符合图纸要求。

②对水泵体上安放密封圈提手止口深度进行测量

图3

在水泵体图纸上，此密封圈提手安放止口深度尺寸为未注尺寸，图纸技术要求写明未注尺寸直接按三维模型，从三维数模上量得此尺寸为2.15，而水泵体零件上实测此尺寸为2.42～2.44，实物尺寸比数模略深，但根据大家以往的经验，认为此处不是关键尺寸，故在产品检验时未对该尺寸给予过多关注。

③密封圈上安放提手高度测量

失效水泵上的密封圈由于经历长时间实验室台架试验运行，产生了压缩变形，已无法准确测量此尺寸；故取三件同批次密封圈测得尺寸，推断出密封圈上此尺寸符合图纸要求。

e在泵体和塑料壳体结合面上用Fuji Paper作面压试验，CSS074为失效水泵面压试验结果，CSS204为正常水泵面压试验结果。对比两图可见面压试验无明显差异，压痕连续均匀；水泵泄漏不是发生在水泵体与塑料壳体结合面处。

f撬下水封蒸发室闷盖，在蒸发室内未见明显冷却液残留，蒸发室内和闷盖背面仅有少量残余冷却液，这是水泵运转过程中少量蒸汽泄漏所至。

g将拆解下来的轴承、水封送至原供方进行专业检测分析，经原供方检测分析，二者的磨损都在可控范围内，不会产生水泵泄漏；

通过以上对失效水泵分析可以看出：除密封圈产生永久压痕外，其他各零部件都完好无损。而该泵在发动机上安装固定时，蒸发室正处于水泵总成的垂直下方，而密封圈产生永久压痕处刚好位于水泵顶部，残存的冷却液由水泵与缸体结合面上密封圈变形处泄漏溢出后，在重力的作用下沿着缸体流下在蒸发室周围聚积。因此，判定水泵在台架试验时由于密封圈产生永久压痕，引起水泵与缸体结合面间的泄漏。

图4

改进措施及试验验证

a改进措施

针对分析结果，在不更改原设计的前提下，将泵体上安放密封圈提手止口修浅，按图纸技术要求未注公差尺寸在名义值小于6时，公差值为±0.1，通知模具供应商，将此尺寸严格控制在2.15-0.10范围内，同时密封圈高度上也严格控制此提手尺寸，这样此处缺口面积减小，密封圈悬空部分也相应地减小，从而改善密封圈的受压情况。

b试验验证

对经过上述整改后的新零件，顾客已经全部完成了发动机实验室台架试验和整车路试试验，均无水泵泄漏情况。通过对后期顾客完成试验的水泵12件进行分解检测分析，发现在原来的受力薄弱点—密封圈提手处均不再产生永久压痕，水泵泄露情况已经解决。

结束语

汽车水泵密封可靠性对发动机的安全运转至关重要，因此设计者对其可能出现的故障模式应有足够的了解，并在设计中足够重视。通过对该水泵泄漏分析发现，引起水泵泄漏的原因较多，在设计时要充分考虑到每一个可能引起失效的细节，才能做出更好的设计。该水泵总成密封圈提手的设计，其优点是不仅方便了操作工人的装拆，同时对水泵总成终检时也可一目了然的发现密封圈是否漏装，但另一方面，如前所述此设计给后面引起水泵泄漏埋下的隐患。细节决定成败，因此在今后进行此类产品设计时值得广大设计人员借鉴。

参考：

［1］付平，常德功主编.《密封设计手册》，化学工业出版社，2009年.

［2］刘后桂编著.《密封技术》，湖南科学技术出版社，1981年.

［3］赵非主编.《汽车动力总成典型故障案例选编》，黑龙江科技出版社，2014年.

［4］伍岳林，戴清桥主编.《发动机及关键零件制造技术》，机械工业出版社，2015年.

杨欣叶（1978年—）、女、满族，籍贯：河北青龙，职称：中级，学位：学士，研究方向：发动机冷却水泵设计。