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葉輪是汽車水泵工作的核心，葉輪本身的運動很簡單，只是和軸一起旋轉。但由于葉片的作用，葉輪中液體的運動是很復雜的；一方面隨葉輪旋轉作牽連運動，一方面在葉片的驅駛下不斷地從旋轉著的葉輪中甩出，即相對葉輪的運動。因此葉輪的外徑大小，葉輪葉片的高低及角度，以及與汽車水泵殼體的間隙，直接影響著汽車水泵的性能。
 
發動機通過皮帶輪帶動汽車水泵軸承及葉輪轉動，汽車水泵中的冷卻液被葉輪帶動一起旋轉，在離心力的作用下被甩向汽車水泵殼體的邊緣，同時產生一定的壓力，然后從出水道或水管流出。葉輪的中心處由于冷卻液被甩出而壓力降低，水箱中的冷卻液在汽車水泵進口與葉輪中心的壓差作用下經水管被吸入葉輪中，實現冷卻液的往復循環。
  
汽車水泵的驅動一般由發動機的曲軸通過V帶驅動。傳動帶環繞在曲軸帶輪和汽車水泵帶輪之間，曲軸一轉汽車水泵軸也就跟著運轉，汽車水泵軸又帶動葉輪轉動，從而實現將機械能轉化為液壓能。
 
支撐汽車水泵軸的軸承用潤滑脂潤滑，因此要防止冷卻液泄漏到潤滑脂造成潤滑脂乳化，同時還要防止潤滑脂的泄漏。汽車水泵防止泄漏的密封措施有水封和密封墊。水封動密封環與軸通過過盈配合裝在葉輪與軸承之間，水封靜密封座緊緊的壓裝在汽車水泵的殼體上，從而達到密封冷卻液的目的。
 
汽車水泵殼體通過密封墊與發動機相連，并支撐著軸承等運動部件。汽車水泵殼體上還有泄水孔，位于水封與軸承之間。一旦有冷卻液漏過水封，可從泄水孔泄出，以防止冷卻液進入軸承腔而破壞軸承潤滑并導致部件銹蝕。如果發動機停止后仍有冷卻液漏出，則表明水封已經損壞。