CN102378857B - 多层复合衬垫 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多层复合衬垫(10)包括三层，优选为金属的芯板(12，14)。实心的中间芯板(12)由结合的纸层(30)位于其两侧面上。穿孔芯板(14)通过指向内的柄脚(22)与每层纸层(30)机械联锁。石墨层(26)设置在每层穿孔芯板(14)的外侧，并通过从穿孔芯板(14)伸出的指向外的柄脚(20)与其机械联锁。当使用衬垫(10)材料以密封内燃机中的汽缸盖时，火圈(46)可以与火圈座(48)贴合。衬垫(10)可以通过制造包括由一层纸层(30)和一层石墨层(26)夹持的一层穿孔芯板(14)的第一和第二预成型板(32)来制造。然后预成型板(32)使用热活化的粘合剂结合至中间芯板(12)。联合辊(42)挤压和致密这些层以形成成品的可以存储在卷筒(44)上的或剪切成板材的材料。

Description

多层复合衬垫
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年2月13日提交的第61/152,456号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及一种多层复合衬垫及衬垫的制造方法。
背景技术
衬垫用于许多场合以完善两个配合元件之间的流体密封。衬垫通常被夹紧在配合元件之间并在该处受到挤压。在内燃机中，许多衬垫用于各种功能。举一个例子，汽缸盖衬垫位于发动机的汽缸体和汽缸盖之间，以防止在使用发动机时，燃烧气体从燃烧室中泄漏。然而，该应用中的汽缸盖衬垫不仅密封燃烧室，还密封各种在汽缸体和汽缸盖之间延伸的冷却剂和润滑油流道。
如图1所示，现有技术的汽缸盖衬垫的示例带有表示四个并排的燃烧室外缘的四个大的、通常为圆形的开口。图中所示多个较小的开口分散在衬垫周围，用于引导冷却剂、润滑油以及容纳用于产生夹紧压力的螺栓。显而易见，衬垫，例如典型的汽缸盖衬垫，必须能够维持对各种流体介质的流体密封，流体介质包括高温/高压气体、水或乙二醇基冷却剂、润滑油和类似的工作在不同温度、不同压力下和具有不同化学成分的流体介质。
因此，设计衬垫使其在较广的功能范围内令人满意地工作是相当困难的。为此，现有技术开发了很多的衬垫样式和成分，其中一些更适于某些应用。现有技术中已知的这类衬垫结构由如图2和3所示的多层复合衬垫构成，通常如1995年11月21日公开的Staab等人的美国专利5,468,003中描述的衬垫，其公开的内容通过引用并入本文。该专利描述了主要用于高性能柴油机中的汽缸盖衬垫。该衬垫由五层组成，包括钢制中间层，其每侧面结合一侧翼穿孔钢层。穿孔钢层具有与外石墨层形成机械联锁(mechenically interlocking)配合的向外伸出的柄脚。这五层——中间层，两层穿孔层和两层石墨层——组成了衬垫组件的本体。燃烧开口由火圈围边，该火圈带有与多层复合衬垫本体直接接合的的薄金属板火圈座。
虽然图2和3中描述的现有技术的衬垫结构在某些应用中是比较有效的，但其结构的有些方面仍可以改进以获得更好的性能。特别是，实心中间层是通过粘合剂直接贴在两层相对的穿孔钢层上，以用于抵御燃烧压力。外部石墨贴面层机械结合至穿孔金属层，以提供对汽缸盖和汽缸体(在图2中以简化形式示出)的夹紧面的流体密封。刚性粘胶接合在穿孔层和中间金属层之间提供密封功能。
在使用中，发动机中的衬垫承受变化负载，这些变化负载来自燃烧和加热循环，当汽缸盖和汽缸本体以不同的速率膨胀或收缩或由于动力彼此相对移动时将剪切应力施加给衬垫。剪切负载因此建立在衬垫的本体内，该剪切负载会削弱和可能破坏穿孔金属层和中间金属芯板之间的刚性粘胶层。人们发现，衬垫本体内抵制剪切负载会削弱和可能破坏刚性粘胶层，并由此为流过衬垫本体的流体提供可能的泄漏路径。如果粘胶层在剪切负载作用下没有断裂，那么剪切负载几乎完全由石墨层承受，将这些层置于过大的剪切应力下，会随着时间的推移，损害它们对配合元件保持良好密封的能力。因此，由于过大的剪切应力造成的失效模式，类似图2和3中描述的现有技术的衬垫结构会存在使用寿命缩短的危害。
因此，现有技术中需要此类改进的多层复合衬垫，以夹紧在配合元件之间，完善其间的流体密封。
发明内容
根据本发明，提供了一种夹紧在配合元件之间的多层复合衬垫，从而在它们之间建立流体密封。衬垫包括具有相对两面的中间芯板层。一对设置在中间芯板的相对两面上的穿孔芯板层。每层穿孔芯板具有面向中间芯板的近侧表面和远离中间芯板的远侧表面。提供一对外石墨层。每层石墨层分别与一层穿孔芯板的远侧表面机械联锁。提供一对纸层。每层纸层设置在一层穿孔芯板和中间芯板之间。每层纸层与它各自对应的穿孔芯板的近侧表面机械联锁，并贴合至中间芯板层。
根据本发明的技术组合的衬垫减少了由配合元件间的相对运动引起的剪切负载的建立。设置在各穿孔芯板和中间芯板之间的纸层可用作滑动平面，以使穿孔芯板能够相对于中间芯板略微的横向移动，从而减轻使用中的剪切负载而不会影响衬垫的密封功能。即使在不利的、动态的情况下，石墨层也能够保持它们对于配合元件的密封。因此，根据本发明制造的衬垫能够调节使用中施于衬垫上的动态变化压力和剪切应力，同时在较广的功能范围内保持良好的密封性能。
根据本发明的另一方面，提供了一种夹紧在配合元件之间的多层复合衬垫的制造方法。方法包括根据以下步骤制造第一预成型板：提供具有近侧表面和远侧表面的穿孔芯板层，提供外石墨层，将石墨层机械联锁至穿孔芯板的远侧表面，提供纸层并将纸层机械联锁至穿孔芯板的近侧表面。根据与制造第一预成型板相同的步骤制造第二预成型板。提供具有相对两面的中间芯板层。来自第一预成型板的纸层结合至中间芯板的一面，来自第二预成型板的纸层结合至中间芯板的另一面。因此，中间芯板夹在第一和第二预成型板之间，且它们的纸层直接结合至中间芯板。通过本方法，可以制造克服现有技术中衬垫设计的固有缺点和不足的多层复合衬垫。
附图说明
图1是标准的现有技术的衬垫，例如能用于在内燃机里将汽缸盖密封至汽缸本体的衬垫的平面图；
图2是夹紧在两个配合元件之间的现有技术的衬垫的局部视图，配合元件仅供说明用途，可以包括内燃机中常见类型的汽缸盖和汽缸本体；
图3是图2中所示的现有技术的衬垫的放大的局部剖视图；
图4是根据本发明的多层复合衬垫的局部剖面透视图；
图5是图4中衬垫的分层组成的分解图；
图6是本发明衬垫的局部放大剖视图；
图7是根据本发明的穿孔芯板层的局部透视图；
图8是用于说明本发明的制造过程中第一步的简化原理图，其中，第一预成型板通过将石墨层和纸层机械联锁至穿孔芯板的相对面来制造；
图8A是图8中8A处指出的第一预成型板的放大图；
图9是用于描述将第一预成型板和第二预成型板结合至中间芯板层的相对面的简化原理图；以及
图9A是图9中9A处指出区域的放大图。
具体实施方式
参见附图，贯穿各视图中类似的附图标记代表类似或相应的部分，根据本发明的衬垫统一显示为图4-6中的标记10。衬垫10包括具有相对两侧面的金属的——优选为钢的中间芯板层12。优选地，中间芯板12具有通常均匀的厚度，并且不会不连续或不规则地形成，从而建立贯穿衬垫10的连续不间断的屏障。中间芯板12可以如图9所示地在卷筒36上以卷形形成，或以薄板形式形成。中间芯板12可以具有约0.13和约6.35毫米之间的厚度范围。如果特定应用的规范如此要求，则中间芯板12可以设有粗糙的表面光洁度。
一对大致相同的穿孔金属芯板层设置在中间芯板12的相对两侧面上，每层统一显示为标记14。穿孔芯板14优选地由低碳钢或不锈钢制成，但是在适当的情况下其他成分甚至包括非金属成分，也可以代替。在一个典型的实施例中，穿孔芯板14具有约0.15至约0.30毫米之间的厚度范围。如图5-7也许是最佳所示，每层穿孔芯板14包括近侧表面16和远侧表面18。在所有情况下，近侧表面6是面向中间芯板12的一面，而远侧表面18面向远离中间芯板12的方向。多个指向外的柄脚20自每层穿孔芯板14的远侧表面18伸出。在有些类似的形式中，多个指向内的柄脚22从每层穿孔芯板14的近侧表面16伸出。柄脚20、22可以采用由片状薄膜或由辊轧成形或其他类型制造过程中的原料整体夸折而成的冲压片或冲压件形式。在本发明的优选的实施例中，如图8所示，柄脚20、22通过将未加工的薄板原料传送通过冲压辊24进行压轧的同时成形。当然，其他成形技术也是可能的。图7示出了柄脚20、22采用的典型形式。此处，一个指向内的柄脚22与一个指向外的柄脚20相对，因此，它们以一种鼻对鼻的形式出现。每个柄脚20、22远离穿孔芯板14的基底原材料而弯折增加了原材料中的空隙或开口，从而形成了其穿孔的特性。
实际上，指向外的柄脚20比指向内的柄脚22长，且它们都以大小相等但方向相反的锐角离开原料薄片的大致平面而弯折。当然，以其他角度定向也是可能的，且指向内的柄脚22离开原料薄片的平面所成的弯折角度不必与指向外的柄脚20所成的角度大小相等方向相反。换句话说，可能指向外的柄脚20可以为相对于芯板14的平面90度正交，而指向内的柄脚22则弯折呈某一小于90度的锐角。对于柄脚20、22的形状、它们与穿孔芯板14中空隙或开口的关系、它们的相对数量和间隔以及它们分别离开各自的近侧表面16和远侧表面18的弯折角度，本领域技术人员能想象到许多可选配置。如图6也许是最佳所示，指向外的柄脚20的正交投影，即到原料薄片的平面的法向距离，大于从近侧表面16指向内的柄脚22的正交投影。因此，在如图所示的实例中，柄脚20、22分别从它们各自对应的远侧表面18和近侧表面16伸出呈大小相等但方向相反的角度，指向外的柄脚20较长，从而其正交投影可以更大。当然，通过改变柄脚20、22相对于穿孔芯板14的弯折角度，有可能使柄脚20、22的长度相等，但正交投影不相等。
一对外石墨层符合具有穿孔芯板结构的汽缸盖衬垫构造的公知原则，每层统一显示为标记26。石墨层26通过指向外的柄脚20分别与穿孔芯板14的远侧表面18机械联锁。这可以通过将薄板状的石墨向着穿孔芯板14的远侧表面18挤压以使指向外的柄脚20嵌入石墨材料中来实现。如图8所示，可以通过将轧制板形式的石墨材料与穿孔芯板14一起传送通过压辊装置28的压轧来实现。机械联锁步骤可以如图8所示紧接柄脚20、22的成形步骤一起顺序完成，或者可以在不同的操作或分批工艺中完成。石墨层26的厚度有些变化，但在本发明的优选实施例中，每层石墨层26的厚度等于或略大于指向外的柄脚20的正交投影，如图4和6所示，指向外的柄脚20的顶端不会损坏各石墨层26的远侧外表面。然而，本领域技术人员能想象到在某些应用中通过石墨层26可以看到指向外的柄脚20的最外端。
一对纸层30也被设置在衬垫10内，每层统一显示为标记30。纸层30有时已知是乳胶板或上浆板(beater sheet)，两层纸层30在厚度和成分上彼此大致相同，如图4-6所示，每层纸层30分别设置在一块穿孔芯板14和中间芯板12之间。每层纸层30通过指向内的柄脚22与一块穿孔芯板14的近侧表面16机械联锁。每层纸层30还与中间芯板12贴合。因此，如图所示，中间芯板12显示为夹在两层纸层30之间。在使用衬垫10时，纸层30调节穿孔芯板14和中间芯板12之间的相对动态滑动，从而消除由密封的配合元件间相对运动引起的剪切应力。在某些情况下，可能需要在纸层30和它们各自对应的穿孔芯板14之间使用粘合剂，例如丁腈酚醛树脂混合物，以在制造和安装衬垫10时有助于使所有层保持在一起。在这些情况下，纸层30或从材料供应商处获得时带有预先涂敷的非活性形式的粘合剂，或在后续的工艺步骤中涂敷粘合剂。
通过同时将纸层30传送通过相同的压辊装置28，可以将纸层30与穿孔芯板14以及石墨层26之间的机械联锁同时完成。由此形成的复合层，如图8A所示，显示为由压辊装置28确定的密度和/或尺寸符合规格的预成型板32。预成型板32可以以板材形式被剪切和汇集，或绕制在卷盘34上以备将来处理。
指向内的柄脚22的正交投影优选地小于或等于纸层30的厚度，以使指向内定向的柄脚22的伸出端不会完全穿过纸层30。换句话说，如图6所示，指向内的柄脚22和中间芯板12之间可以保持微小的间隔。然而，这种规格可以根据所需的应用和设计特点而变化。同理，纸层30和石墨层26之间的相对厚度可能如图所示为纸层30较薄，然而这也不是一个不能违反的规格。
图9描述了使用分别置于各卷盘34上的第一和第二预成型板32制造多层复合衬垫10的方法。中间芯板12的原材料绕在卷筒36上。粘合剂材料以大致相等的量或涂在或预涂在中间芯板12的两个相对面上。粘合剂可以采用任何已知的和合适的形式，包括但不限制于丁腈酚醛树脂混合物。如图所示，粘合剂可以预涂至中间芯板12，并在绕制卷筒36内以休眠、非活性干燥形式放置在那里。然而，应该理解，粘合剂也可以选择地随着卷筒36的展开而以干膜形式或悬空地经过刷洗、辊轧、喷涂或其他适当的应用技术涂敷在芯板12上。换句话说，卷筒36或从材料供应商处获得时带有预先涂敷的粘合剂，或在芯板原材料从卷筒36展开后的某个时刻，在其两面上涂敷粘合剂。如果非活性的粘合剂必须被活化，则将被涂覆的中间芯板材料传送通过加热器40，从而融化和/或活化粘合薄膜。在一种可能的变化里，粘合剂可以直接涂至纸层30而不是用预涂敷或在生产过程中涂敷至芯板12。如果纸层30的两面都将要被涂有粘合剂的话，那么这种变化可能是理想的。
如图9所示，第一和第二预成型板32在联合辊42的压轧中与带有融化的粘合剂的中间芯板12接触。当预成型板32支撑在卷盘34上时，其方向为每层纸层30朝向中间芯板12，而各石墨层26面向外侧。然后，联合辊42将这些层挤压在一起，从而使材料成型至厚度和/或密度的最终规格。完成的衬垫材料10脱离联合辊42，并且可以被剪切成板材或如图9所示储存在卷筒44上。被送至卷筒44的衬垫材料如图9A所示。
在将未加工的衬垫材料10转化为成品衬垫的过程中，可能需要切割、打磨或进一步的工序。例如，图4-6示出了由多层复合材料制成的汽缸盖衬垫的局部剖视图。在这种情况下，按照惯例，必须在任何燃烧室开口的外缘附近安装火圈46，火圈46被火圈座48覆盖，火圈座48的边缘盖过石墨层26，并在汽缸盖衬垫使用中提供所需的耐久性和阻止高度调整。我们注意到，衬垫材料10的其他用途可以是制造不用于密封内燃机内的汽缸盖的衬垫，因此，火圈46和火圈座48可以省略。同理，可以增加垫圈(grommets)或其他结构，以使衬垫10可以用于任何适合的场合。
通过在穿孔芯板14和中间芯板12之间引入纸层30，纸层30可以提供滑动平面，因此横向剪切负载不能在衬垫10的本体内形成而最终导致液体泄漏。涂敷在纸层30和中间芯板12之间的粘合剂成分能够使得滑动可以发生在粘合剂本身内，或在粘合剂和中间芯板12之间的接触面上，或在纸层30和穿孔芯板14之间的接触面上，或在纸层30的本体内。换句话说，粘合剂和/或纸层30和/或接触面的屈服强度能够使得它们在剪切负载达到问题水平之前变形。
本发明已根据相关法律标准描述，但并不限于此。对所公开的实施例的各种变化和修改对本领域技术人员是显而易见的并落在本发明的范围之内。因此本发明的法律保护范围只能通过权利要求确定。

Claims (20)

1.一种夹紧在配合元件之间用于完善流体密封的多层复合衬垫，所述衬垫包括：
具有相对两面的中间芯板层；
一对设置在所述中间芯板的相对两面上的穿孔芯板层，每层所述穿孔芯板具有面向所述中间芯板的近侧表面和远离所述中间芯板的远侧表面；
一对外石墨层，每层所述石墨层分别与一层所述穿孔芯板的远侧表面机械联锁；以及
一对纸层，每层所述纸层分别设置在一层所述穿孔芯板和所述中间芯板之间，每层所述纸层分别与所述穿孔芯板的近侧表面机械联锁，并贴合至所述中间芯板，以使得在使用所述衬垫时，所述纸层利于所述穿孔芯板和中间芯板之间的相对动态滑动。
2.根据权利要求1所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述穿孔芯板彼此相同。
3.根据权利要求2所述的多层复合衬垫，其特征在于，每层所述穿孔芯板包括多个从其所述远侧表面伸出的指向外的柄脚和多个从其所述近侧表面伸出的指向内的柄脚。
4.根据权利要求3所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述石墨层具有相等和均匀的厚度，且所述指向外的柄脚相对于所述中间芯板的正交投影小于或等于所述石墨层的厚度。
5.根据权利要求4所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述纸层具有相等和均匀的厚度，且所述指向内的柄脚相对于所述中间芯板的正交投影小于或等于所述纸层的厚度。
6.根据权利要求5所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述纸层的厚度小于所述石墨层的厚度。
7.根据权利要求5所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述指向外的柄脚相对于所述中间芯板的正交投影大于所述纸层的厚度。
8.根据权利要求3所述的多层复合衬垫，其特征在于，该衬垫进一步包括至少两个相邻的指向外和指向内的柄脚之间的间隙。
9.根据权利要求1所述的多层复合衬垫，其特征在于，该衬垫进一步包括设置在每层所述纸层和所述中间芯板之间的粘合剂。
10.根据权利要求1所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述中间芯板由金属材料制成。
11.根据权利要求1所述的多层复合衬垫，其特征在于，所述穿孔芯板由金属材料制成。
12.一种夹紧在配合元件之间用于完善流体密封的多层复合衬垫，所述衬垫包括：
具有相对两面的金属中间芯板层；
一对设置在所述中间芯板的相对两面上的相同的穿孔金属芯板层，每层所述穿孔芯板具有面向所述中间芯板的近侧表面和远离所述中间芯板的远侧表面，每层所述穿孔芯板包括多个从所述远侧表面伸出的指向外的柄脚和多个从所述近侧表面伸出的指向内的柄脚；
一对具有相等和均匀厚度的外石墨层，每层所述石墨层分别与一层所述穿孔芯板的远侧表面机械联锁；以及
一对具有相等和均匀的厚度的纸层，且纸层的厚度小于所述石墨层的厚度，每层所述纸层分别设置在一层所述穿孔芯板和所述中间芯板之间，每层所述纸层分别与各所述穿孔芯板的近侧表面机械联锁，且粘合于所述中间芯板。
13.一种夹紧在配合元件之间用于完善流体密封的多层复合衬垫的制造方法，所述方法包括以下步骤：
a）根据以下步骤制造第一预成型板：
1）提供具有近侧表面和远侧表面的穿孔芯板层；
2）提供外石墨层；
3）将石墨层机械联锁至穿孔芯板的远侧表面；
4）提供纸层；
5）将纸层机械联锁至穿孔芯板的近侧表面；
b）根据所述步骤a）1）-a）5）制造第二预成型板；
c）提供具有相对两面的中间芯板层；
d）将第一预成型板的纸层结合至中间芯板的一面；以及
e）将第二预成型板的纸层结合至中间芯板的另一面，以使得中间芯板通过纸层夹在第一和第二预成型板之间。
14.根据权利要求13所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，进一步包括将成型的多层复合衬垫滚压至最终厚度和/或密度的步骤。
15.根据权利要求13所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，所述提供穿孔芯板层的步骤包括滚冲出多个从远侧表面伸出的指向外的柄脚和多个从近侧表面伸出的指向内的柄脚。
16.根据权利要求13所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，所述机械联锁石墨层的步骤包括将指向外的柄脚强制嵌入石墨层。
17.根据权利要求13所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，所述机械联锁纸层的步骤包括将指向内的柄脚强制嵌入纸层。
18.根据权利要求13所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，所述第一和第二预成型板的纸层的结合步骤包括将粘合剂涂敷至中间芯板和纸层中的至少一层。
19.根据权利要求18所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，所述涂敷粘合剂的步骤包括将粘合剂和中间芯板卷筒一起加热。
20.根据权利要求13所述的多层复合衬垫的制造方法，其特征在于，制造第一和第二预成型板的步骤包括滚压工艺。
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