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摘要：水泵是发动机的核心部件，它的作用是对冷却液加压，促进循环流动，活塞、缸盖、缸体等高温部件可及时冷却，以此保证发动机的正常运转。
关键词：发动机；水泵；轴承；泵体
汽车发动机的运行工况复杂，特别是在全速、满负荷、冷热交变恶劣环境下，水泵易发生故障，水泵轴承与泵体匹配不合理，过盈量设计不当，这些都是造成水泵漏水的潜在因素。基于此，本文对发动机水泵轴承与泵体匹配进行了详细的论述。
一、水泵的发展历程
水泵是输送液体或使液体增压的机械，它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体，包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等；也可输送液体、气体混合物及含悬浮固体物的液体。水泵具有不同的用途，不同的输送液体介质，不同的流量、不同扬程的范围，因此，它的结构形式也不一样，材料也不同。
公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明了最原始的活塞泵-灭火泵。早在1588年就有了关于4叶片滑片泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵。1689年，法国的D.帕潘发明了4叶片叶轮的蜗壳离心泵。1818年，美国出现了具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的离心泵。1840～1850年，美国的H.R.沃辛顿发明了泵缸和蒸汽缸对置的蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。1851～1875年，带有导叶的多级离心泵相继发明，使发展高扬程离心泵成为可能。随后适应各个行业的水泵相继问世。随着各种先进技术的应用，泵的效率逐步提高，性能范围和应用范围也日渐扩大。
二、水泵结构
近年来，各大主机厂主要采用轴连类水泵，结构由带轮、泵体、轴连轴承、水封、叶轮、密封装置组成。其中，轴连轴承是水泵中重要部件，它由泵轴和两个轴承及轴套组成，按结构形式分为WB型（两列球）和WR型（一列滚子一列球），市场上WR型居多。轴连轴承是精密零件，轴承与轴承孔的匹配是水泵设计最关键的步骤。
三、水泵轴承与泵体轴承孔设计方案
水泵轴承与泵体轴承孔间为过盈配合，过盈量过小会导致轴承推出力偏小，工作时易与泵体产生相对运动，特别在高温下，因材料的热膨胀属性，使过盈量进一步减小，严重时导致轴承从泵体中脱落；过盈量过大对轴承压装设备要求高，泵体变形量会偏大，生产报废率高，并且导致轴承径向游隙过小，影响轴承寿命。水泵轴承一般为标准件，主机厂根据现有轴承，设计泵体上轴承孔。
以下为某发动机水泵设计方案，轴连轴承材料钢JIS G3131 SPHC，外圈直径30mm，宽度38.8mm；泵体材料铝合金，轴承孔壁厚9mm，，粗糙度0.8µm。轴承与三种轴承孔配合方案见表1。
表1 泵体轴承孔与轴承配合方案（常温20℃）
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四、方案可行性分析
1、最小过盈量。在常温下，以上方案的过盈量均满足要求，发动机运转时，水泵的工作温度不断变化。由于材料具有热胀冷缩属性，不同材料热膨胀量有差异，因此，工作时水泵轴承与轴承孔间的过盈量也会变化。
发动机工作时，冷却液温度一般为-30～115℃，极限状态可达125℃，当冷却液高于83℃，方案1轴承与轴承孔最小过盈量为0，二者为间隙配合，轴承会从泵体脱落，导致水泵损坏漏水；当冷却液达到120℃时，方案2轴承与轴承孔最小过盈量也接近0，轴承也可能脱落，水泵也存在损坏漏水的风险；方案3在极限温度125℃下，轴承与轴承孔仍保持过盈配合，轴承不会从泵体脱落，水泵运行安全可靠。
2、最大过盈量分析。根据上述分析可知，三种方案在最大过盈量时，极限温度125℃下，水泵轴承与轴承孔始终是过盈配合，轴承从泵体中脱落概率小，因此水泵不会因轴承的最大过盈量设计值偏小而引起水泵失效漏水。
但水泵轴承与泵体的过盈量过大，也会产生诸多不良影响。压装时轴承压入力将增大，对压装设备要求更高、投入成本增加；更大的压装力导致轴承与泵体贴合时发生较大变形，轴承径向游隙变小，不利于轴承疲劳寿命、温升、噪音、振动等性能，泵体因变形量过大易产生疲劳裂纹，零件失效，产品报废率也会偏高。
为保证水泵在轴承压装时，减少轴承和泵体故障，提高产品出厂合格率，需计算三种方案在最大过盈量时轴承压入泵体的压入力，并分析计算结果，评估水泵生产工艺安全性和可靠性。
计算轴承压入泵体的压入力时需满足以下要求：①不得损伤零件；②压入时应平稳，水泵轴承应准确到位；③在压装时涂润滑剂；④根据零件的材料和配合尺寸，计算所需压入力。压力机的压力一般应为所需压入力的3～3.5倍。
三种方案的水泵轴承与轴承孔在最大过盈量时，计算的轴承压入力范围14.5～18.2kN，满足供应商指导值在常温20℃下4～20kN的要求。理论计算认为三种方案的最大过盈量值均可行。
3、仿真计算轴承推出力。借助Abaqus仿真软件，计算水泵在不同温度下的轴承推出力。先建立模型，将轴承过盈装配至泵体轴承孔中；然后给轴承赋推力，当轴承发生位移时，瞬时推力即轴承的推出力；接着改变环境温度，计算不同温度下的轴承推出力。
在高温115℃下，供应商建议轴承推出力范围2～10kN，根据CAE仿真结果，方案1在最小过盈量时轴承无推出力，将会从泵体中脱落；方案2在最小过盈量时轴承推出力为1104N，小于指导值，仍存在分离风险。方案3在最小过盈量时，轴承推出力2555N，满足供应商建议的设计要求，轴承与泵体不会相对运动，保证水泵正常工作。
4、工艺验证。为验证理论计算和CAE仿真的分析结果，确保水泵的可靠性，取6个水泵样本对轴承进行压入力和推出力试验。将6件水泵泵体逐一编号，测量泵体轴承孔内径、轴承外圈直径，在常温20℃下以1mm/s的速度将轴承压入泵体内，记录轴承的压入力，接着将轴承从压装方向的反方向推出，记录轴承推出力。
所选的6个水泵样本已覆盖三种方案，测得实际压入力范围为6.24～15.05kN，满足供应商指导值在常温20℃下4～20kN的要求。水泵轴承在不同过盈量下，测量的轴承压入力和推出力的结果与理论计算、CAE仿真分析基本吻合。
从生产工艺方面评估，方案3因过盈量最大，轴承压装时，难度最大，轴承和泵体报废率也最高，所以只需验证方案3生产工艺性。要求水泵供应商按方案3作小批量生产，检测下线水泵样件，质量均完好，无报废件。
根据水泵样本的轴承压入力和推出力实际测量的试验结果和小批量生产结果，可得知三种方案的水泵轴承与泵体，在生产工艺上可行。
5、轴承径向游隙与轴承寿命。由水泵轴承供应商计算出三种方案的轴承径向游隙均满足0.015～0.030mm设计要求，动态的受力和循环负载下的轴承寿命均约为8400h，也满足轴承寿命大于5000h的设计要求。
五、台架试验验证
三种方案中，分别选取最小过盈量的轴承与泵体配合的水泵，装机，选取的水泵方案如表2。依次进行台架冷热冲击试验。试验结果表明：方案1有冷却液渗出，试验不通过，方案不可行；方案2和方案3，无冷却液渗漏，通过试验验证。
表2 台架试验水泵方案
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综上分析，水泵轴承与泵体的匹配，方案3最优，方案2有失效风险，方案1不可行。因此二者匹配时需考虑以下因素：①由于轴承与泵体材料不同，导致冷热膨胀量不同，实际过盈量随着冷却液的温度升高而减小，所以必须校核冷却液在高温时轴承和泵体配合状态，从而设计出满足温度要求的轴承最小过盈量；②水泵轴承与轴承孔过盈量越大，轴承的压入力就越大，产品的合格率就会降低，匹配时可作计算分析、CAE仿真验算和实物验证，设计合理的轴承最大过盈量；③轴承的径向游隙和寿命与过盈量关系密切，匹配设计也需计算校核。
参考文献：
[1]机械工业出版社编著.JB/T 8563.滚动轴承.水泵轴连轴承[S].北京：机械工业出版社，2015.
[2]段昭.发动机水泵轴承与泵体匹配研究[J].内燃机与配件，2021（05）.