汽车水泵的强度分析和转子动力学分析

【摘要】：冷却水泵是强制水冷式内燃机冷却系统的必备部件,其稳定性、可靠性和性能的好坏直接影响到发动机是否能够安全高效的运行。汽车水泵的三个主要故障是泄漏、振动噪声和叶轮或水腔内的腐蚀。而且为避免大修期内即需拆装、修理水泵,水泵的工作寿命应等于或倍数于发动机大修期。因此,对水泵及组件在实际工况下的强度和动态特性进行分析,提高冷却水泵的运行寿命,就显得十分必要。 本文结合汽车水泵工作的实际载荷情况,针对某一汽车水泵,计算了水泵叶轮在离心力、水动力以及过盈配合等因素共同作用下的应力分布。同时,对过盈配合、离心力和水动力单独作用下的叶轮应力分布进行了分析,发现在一定的过盈配合下,装配应力是汽车水泵叶轮的主要应力。因此,为使汽车水泵叶轮能够安全可靠的运行,在保证一定的安装条件下,装配应力不宜过大。本文还利用薄壁圆环模型推导出叶轮过盈量与温度的计算公式,具有一定的工程应用价值。 为了进一步研究冷却水泵的动力学特性,本文还进行了转子动力学分析,计算了汽车水泵转子在给定参数下的临界转速,并分析了轴承的轴向刚度和径向刚度对临界转速的影响。同时,总结出通过改变轴承跨度来调节临界转速的方法,并通过振型图和该水泵转子的实际结构,对该方法进行了进一步的解释和说明。 本文还计算转子的不平衡响应,进行了转子的敏感性分析。通过对计算结果的分析发现,不平衡量所处的不同位置,不会改变临界转速的大小,但会造成响应幅值略有差别。然而,同一位置处不同不平衡量的大小,却对响应幅值的变化具有显著的影响。另外,分析了当水泵转子上存在多个不平衡量时的响应情况,有两个同向不平衡量存在时,将会使得响应幅值明显增加;有两个反向不平衡量存在时,低阶转动频率的响应幅值有所降低,而高阶转动频率的响应幅值反而有所上升。