CN102549317B - 汽缸盖垫片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽缸盖垫片，可在安装过程中在汽缸盖和汽缸体之间提供可靠的气/液紧密封，并在使用过程中维持该可靠的气/液紧密封而基本不会在使用时失去由该垫片在安装过程中提供的接触应力。该汽缸盖垫片包括具有开口的第一功能层，该开口由环形自由边缘界定。该第一功能层具有满凸缘和半凸缘。该半凸缘介于满凸缘和自由边缘之间。该半凸缘沿着第一轴向方向延伸至一平台部分，而该满凸缘沿着与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向延伸至一波峰。

Description

汽缸盖垫片

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年6月24日提交的美国临时申请序列号No.61/219,916的权益，其通过引用整体合并入此处。

技术领域

本发明主要涉及用在需要被夹紧的两个元件之间以建立气/液紧密封的静态垫片，例如汽缸盖垫片。

背景技术

在需要被夹紧的两个元件之间(例如在汽缸盖和汽缸体之间)以建立气/液紧密封时，通常选用单层或多层的静态汽缸盖垫片，被称为多层垫片。通常，多层垫片的至少一层(有时被称为功能层)具有一条或多条密封凸缘以便于建立液体紧密封。多层中的另一层(有时被称为间隔层)紧靠功能层设置以便于建立液体紧密封。在安装完成之后，贯穿该凸缘通常建立有接触应力，其中，该接触应力延伸至界定被密封的开口(例如缸膛)的环形边缘。不幸的是，虽然在使用初期可以提供可靠的密封，但是随着时间的推移，在使用过程中，彼此被夹紧和密封的表面之间会发生磨损，从而影响维持气体和/或液体紧密封的能力。在被密封的环形边缘(例如汽缸盖和汽缸体之间的缸膛的边缘)处显得更为麻烦。在使用过程中，该垫片需要在活塞的整个冲程过程中在被密封的环形边缘处经受反复应力循环。该反复应力使得垫片材料针对各被密封的表面(例如汽缸盖和汽缸体)而发生相对移动。该垫片材料针对配合面的移动，使得前述的表面，例如通过摩擦而发生磨损。因此，垫片组件维持贯穿被夹紧的表面的可靠密封的能力通常随着时间的推移而减小。

发明内容

根据本发明构造的汽缸盖垫片可在安装过程中提供可靠的气/液紧密封，并在使用过程中维持该可靠的气/液紧密封而基本不会在使用时失去或基本失去由在安装过程中在汽缸盖和汽缸体之间建立的接触应力。根据本发明的一个方面，该汽缸盖垫片包括间隔层和功能层。该间隔层和功能层具有围绕中心轴延伸的环形的自由边缘，其中，该环形的自由边缘与被密封的开口基本齐平适配。该功能层具有从自由边缘径向向外延伸的满凸缘(full bead)和介于该满凸缘和该自由边缘之间的半凸缘。该半凸缘轴向对齐于限位层并从该限位层沿着第一轴向方向轴向向外延伸至一平台，该满凸缘沿着与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向延伸。

根据本发明的另一个方面，汽缸盖垫片包括间隔层和位于所述间隔层的相对侧面上的一对功能层，以及位于间隔层和至少一个功能层之间的限位层。该间隔层、功能层和限位层分别具有开口，该开口由围绕中心轴延伸的环形的自由边缘界定，其中，该中心轴和环形的自由边缘彼此轴向对齐。至少一个功能层具有从自由边缘径向向外延伸的满凸缘和介于所述满凸缘和所述自由边缘之间的半凸缘。该半凸缘覆盖限位层且紧靠在此被压缩。该半凸缘从限位层轴向向外延伸至平台部分，该平台部分在松弛的非压缩状态时与限位层轴向间隔开，从而使得在使用过程中在环形的自由边缘处几乎不产生接触应力，在使用过程中从环形的自由边缘径向向外形成增大的接触应力。

根据本发明的又一个方面，在间隔层的相对侧面上的功能层分别具有彼此呈镜像关系的半凸缘，其中，该半凸缘在非压缩状态下轴向彼此远离延伸至环形的自由边缘。

根据本发明的又一个方面，垫片组件包括一对功能层，该对功能层分别具有开口，该开口由围绕中心轴延伸的环形的自由边缘界定，其中，该中心轴和环形的自由边缘彼此轴向对齐。该对功能层分别具有彼此邻接的满凸缘。至少一个功能层具有轴向向外延伸至其自由边缘并与另一功能层间隔开的半凸缘。

根据本发明的又一个方面，垫片组件包括功能层，该功能层具有大致平面部分和由围绕中心轴延伸的环形的自由边缘界定的开口。该功能层具有从平面部分沿着第一轴向方向轴向向外延伸以邻接汽缸体的满凸缘，以及从平面部分沿着与第一轴向方向相反的第二轴向方向轴向向外延伸以邻接汽缸盖的半凸缘。

根据本发明构造的垫片组件在被密封的开口(例如缸膛)的自由边缘处几乎不产生接触应力。而从环形的自由边缘径向向外形成增大的接触应力，从而提高维持气/液紧密封的能力。贯穿垫片组件形成的任何接触应力在使用过程中被防止发生剧烈变化，从而最小化发生摩擦和磨损的可能。另外，甚至当汽缸盖和汽缸体彼此间隔开更远的距离时，根据本发明的垫片组件在活塞的整个冲程中仍可维持汽缸盖和汽缸体之间的接触应力。因此，根据本发明的垫片组件不仅可建立和维持可靠的气/液紧密封，而且具有很长的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的这些和其他方面、特征及优点，以下结合当前优选的实施例和最佳实施方式、所附权利要求以及附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是根据本发明的一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；

图1A和图1B是图1的垫片组件被安装在汽缸盖和汽缸体之间时在不同压缩状态下的视图；

图2是根据本发明的另一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；

图3是根据本发明的又一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；

图4是根据本发明的又一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；

图5是根据本发明的又一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；

图6是根据本发明的又一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；

图7是根据本发明的又一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图；以及

图8是根据本发明的又一个方面构造的垫片组件的局部横截面视图。

具体实施方式

更具体地参考附图，图1示出了根据本发明的一个方面构造的垫片组件，此后被称为垫片10。该垫片10包括间隔层12；至少一层，此处示出为一对功能层(第一功能层14和第二功能层16)和限位层18。功能层14，16设置在间隔层12的相对侧面上，该限位层18设置在一层功能层和间隔层之间，在此示出为在上功能层14和间隔层12的上表面20之间。该间隔层12，功能层14，16和限位层18分别具有环形的自由边缘22，24，26，28，该自由边缘界定共同的开口30(例如与缸膛适配的燃烧室开口)，该开口具有中心轴32。在被压缩于汽缸盖34和汽缸体36(图1A，图1B)之间后，该自由边缘22，24，26，28彼此基本齐平地轴向对齐(轴向在此指的是轴32)。至少一个功能层，在此示出为上功能层14，具有延伸至自由边缘24的半凸缘38，该半凸缘在限位层18之上与其轴向对齐。该半凸缘38在松弛的非压缩状态时从限位层18轴向向外延伸。在被压缩于汽缸盖34和汽缸体36之间后以及在操作条件下测试时，缸膛内的活塞的整个冲程过程中，包括功能层14，限位层18和间隔层12的自由边缘区域37(图1A和图1B)的接触应力基本为0MPa。因此，垫片10或汽缸盖34在使用过程中不会或者基本不会因为摩擦而产生磨损。

功能层14，16由弹性金属(例如弹簧钢)制成，功能层的厚度可以根据应用进行设置。该功能层14，16分别具有大致平坦的主体部分40，该主体部分40沿着平面42延伸，而其满凸缘44则从平面42轴向向外延伸。功能层14，16的满凸缘44在间隔层12的相对侧面上彼此呈镜像关系，其中，各满凸缘44朝着间隔层12轴向向内延伸至顶点或者波峰46，该顶点或波峰靠近间隔层12。该前述半凸缘38由满凸缘44径向向内形成，使得半凸缘38位于满凸缘44和开口30之间。该半凸缘38具有倾斜部分48，该倾斜部分从平面42径向和轴向向外延伸，其延伸方向与相应的功能层14的满凸缘44的延伸方向相反。因此，该倾斜部分48具有轴向分量和径向分量，该轴向分量背离间隔层12延伸既定的轴向距离AD，而径向分量径向延伸既定的径向距离RD。该轴向和径向距离AD，RD可以根据应用变化，如果需要的话，也可以围绕开口30的圆周周向变化。因此，该距离AD，RD可以恒定；也可以变化，如果需要的话，它们可以具有恒定的部分和变化的部分。该半凸缘38具有平台部分49，该平台部分从倾斜部分48延伸至自由边缘24。该平台部分49具有上平面50，该上平面背向间隔层12并大致平行于平面42延伸，以液体紧密封邻接汽缸盖34。包括倾斜部分48和平台部分49的整个半凸缘38覆盖限位层18。在被压缩于汽缸盖34和汽缸体36之间后，满凸缘44和半凸缘38都不会被完全压缩至扁平的状态。因此，满凸缘44和半凸缘38都保持弹性偏压，且在使用过程中和整个活塞循环的过程中始终保持形成高密封压力的能力以实现气/液紧密封。

该间隔层16可以由相对刚性的金属材料(例如冷轧钢或不锈钢)制成。该间隔层16可以具有基本扁平的平面本体，或者与在此示出的一样，具有平面的本体部分52和从平面部分52轴向偏置的台阶部分54，其中，该台阶部分54延伸至自由端22。从平面部分52轴向偏置的该台阶部分54提供轴向的凹陷表面56，其尺寸适合于部分容置限位层18于其内，其中，该限位层18部分轴向向外延伸至高于附近的非凹陷的平面部分52。因此，凹陷表面56的深度d小于限位层18的厚度t。另外，该台阶部分54在凹陷表面56的对面具有轴向的凸起表面58。应该理解，间隔层12也可以具有其他配置，也可以采用合适的完全平整的平面材料。

在组装过程中，当汽缸盖34被夹紧于汽缸体36时，该满凸缘46被部分压平至与平面部分52邻接以建立气/液紧密封。为了防止满凸缘46被完全压平，功能层14上的半凸缘38被部分压缩至邻接限位层18。由于限位层18比平面部分52稍高，该半凸缘38和满凸缘44可免于被完全压平。同样，在间隔层12的相对侧面上，凸起表面58可防止附近的满凸缘44在安装过程中和在负载使用时被完全压平。因此，在组装过程中形成于满凸缘44和间隔层12之间的气/液紧密封得以在使用过程中维持，同时紧邻开口22，24，26处的应力为0MPa，从而最小化摩擦作用。

在图2中，示出了根据本发明的另一个方面构造的垫片110，其中相差100的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片110包括间隔层112，一对功能层114，116和限位层118。垫片110的总体配置与上述讨论的垫片10相同，但是，半凸缘138具有从满凸缘144延伸的可控的半径过渡。一个可控的半径在此用60表示，其作为从满凸缘144到半凸缘138的倾斜部分148的过渡区域。另一个可控的半径用62表示，其作为从半凸缘138的倾斜部分148到半凸缘138的平台部分149的过渡区域。该可控的半径60，62提供平滑的压力梯度并减小半凸缘138作用于限位层118和覆盖的汽缸盖(未示出)的接触应力，从而进一步提高垫片110的密封性能。

在图3中，示出了根据本发明的又一个方面构造的垫片210，其中相差200的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片210包括间隔层212，一对功能层214，216和限位层218。垫片210的总体配置与上述讨论的垫片10相同，但是，除了在功能层214上具有半凸缘238以外，功能层216具有半凸缘238′。该半凸缘238，238′彼此呈镜像对称关系，因此，通过它们各自的倾斜部分248，248′彼此轴向远离发散开。因此，除了半凸缘238被轴向压缩作用于凸起的限位层238之外，半凸缘238′被轴向压缩作用于间隔层212的凸起表面258上。因此，通过垫片210建立和维持的气/液紧密封通过该对半凸缘238，238′与各自的满凸缘244的共同作用而进一步提高。此外，垫片210与垫片10相同。

在图4中，示出了根据本发明的又一个方面构造的垫片310，其中相差300的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片310包括间隔层312，一对功能层314，316和限位层318。垫片组件的总体配置与上述讨论的垫片10基本相同，但是，功能层314，316的方位是相反的。因此，下功能层316具有半凸缘338，而上功能层没有半凸缘。该下功能层316的半凸缘338与上述描述相同，因此，该半凸缘轴向对齐于限位层318，但是，其位于间隔层312的相对侧面上，限位层318轴向对齐于间隔层312的凸起表面358。

在图5中，示出了根据本发明的又一个方面构造的垫片410，其中相差400的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片410包括一对功能层414，416和限位层418，但是，该垫片并不包括间隔层。该被包含的垫片组件的总体配置与上述讨论的垫片10相同，因此，上功能层414具有延伸至环形自由边缘424的半凸缘438，同时，功能层414，416都具有彼此呈镜像对称关系的满凸缘444，满凸缘444的波峰446彼此邻接。该限位层418被夹置于功能层414，416之间，并示出为在紧邻自由边缘426以及与自由边缘426齐平或基本齐平处紧靠在下功能层416的平面部分上。该限位层418可被固定于功能层416的平面部分，例如通过粘合剂或焊缝。因此，除了不具有间隔层以外，垫片410的结构与上述垫片10相同。

在图6中，示出了根据本发明的又一个方面构造的垫片510，其中相差500的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片510包括一对功能层514，516，该垫片与图3的垫片210基本相同。但是，该垫片510不包括间隔层，也不包括限位层。该功能层514，516分别具有延伸至自由边缘524，526的彼此呈镜像对称关系的半凸缘538，538′。该半凸缘538，538′通过它们各自的倾斜部分548，548′彼此轴向远离发散开。此外，该功能层514，516分别具有彼此呈镜像关系的满凸缘544，各满凸缘544朝向彼此轴向延伸至顶点或波峰546。因此，在使用过程中，波峰546彼此作用，而半凸缘538，538′保持至少稍微轴向间隔开。与前述讨论的所有半凸缘相同，该半凸缘538，538′在使用过程中分别与汽缸盖和汽缸体保持接触。因此，甚至当汽缸盖和汽缸体在极端燃烧力的作用下被偏折为彼此远离时，都可以维持使用过程中的气/液紧密封。

在图7中，示出了根据本发明的又一个方面构造的垫片610，其中相差600的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片610具有单功能层614，该功能层带有延伸至自由边缘624的半凸缘638。该半凸缘638通过倾斜部分648从平面的主体部分640沿着朝着汽缸盖(未示出)的方向轴向向外发散至平台部分649。此外，该功能层614具有从半凸缘638径向向内的满凸缘644。该满凸缘644沿着轴向远离半凸缘638的方向朝着汽缸体(未示出)延伸至顶点或波峰646。因此，波峰646和平台部分649彼此远离，其中，波峰646作用于汽缸体，而半凸缘638的平台部分649作用于汽缸盖。

在图8中，示出了根据本发明的又一个方面构造的垫片710，其中相差700的相同附图标记用于指示相似的技术特征。该垫片710包括间隔层712，一对功能层714，716和限位层718。与垫片组件210相同，功能层714，716都具有彼此呈镜像关系的半凸缘738，738′，因此，该半凸缘738，738′通过它们各自的倾斜部分748，748′彼此轴向远离。此外，功能层714，716都具有满凸缘744，但是，满凸缘744的波峰746并不是朝着间隔层712轴向向内，而是轴向向外从而远离间隔层712。因此，该波峰746在安装过程中被压缩后作用于汽缸盖和汽缸体。另外，与前述讨论和描述的实施例不同，限位层718并不是在半凸缘738，738′下从缸膛径向向外延伸并终止于满凸缘744前的基本扁平的材料，而是大致与缸膛齐平地从其自由端728径向向外延伸，完全越过功能层714，716的满凸缘744。此外，该限位层718具有浮凸的或者其他构形的作为限位区域的波形部分64，该波形部分从自由边缘728附近径向向外穿过半凸缘738，738′延伸并终止于满凸缘744前。

显然，根据以上教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可不同于具体描述通过其他方式实施。

Claims (13)

1.一种垫片，其特征在于，包括：

具有开口的第一功能层，该第一功能层的开口由环形的自由边缘界定，所述第一功能层具有满凸缘和半凸缘，所述半凸缘介于所述满凸缘和所述自由边缘之间；以及

具有开口的间隔层，该间隔层的开口与所述第一功能层的开口基本对齐，所述半凸缘轴向对齐于所述间隔层并覆盖所述间隔层的至少一部分，在非压缩状态下，所述半凸缘沿着远离所述间隔层的第一轴向方向延伸至一平台部分，而所述满凸缘沿着与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向延伸，其中，所述半凸缘具有从满凸缘延伸至平台部分的一对可控的半径过渡以提高垫片的密封性能。

2.如权利要求1所述的垫片，其特征在于，该垫片进一步包括设置于所述间隔层和所述功能层之间的限位层，所述半凸缘靠近所述限位层。

3.如权利要求2所述的垫片，其特征在于，该垫片进一步包括具有开口的第二功能层，该第二功能层的开口与所述第一功能层的开口基本对齐，所述第二功能层具有与所述第一功能层的满凸缘呈镜像关系的满凸缘。

4.如权利要求3所述的垫片，其特征在于，所述第二功能层具有与所述第一功能层的半凸缘呈镜像关系的半凸缘。

5.如权利要求4所述的垫片，其特征在于，所述间隔层夹置于所述第一功能层和所述第二功能层之间。

6.如权利要求2所述的垫片，其特征在于，所述间隔层具有提供凹陷表面的环形的台阶部分，该凹陷表面邻近所述间隔层的开口具有凹陷深度，所述限位层邻接所述凹陷表面并具有比所述凹陷深度大的厚度。

7.一种垫片，其特征在于，包括：

具有开口的第一功能层，该第一功能层的开口由环形的自由边缘界定，所述第一功能层具有满凸缘和半凸缘，所述半凸缘介于所述满凸缘和所述自由边缘之间，所述半凸缘沿着第一轴向方向延伸至一平台部分，而所述满凸缘沿着与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向延伸至一波峰，所述平台部分和所述波峰彼此远离，其中，所述半凸缘具有从满凸缘延伸至平台部分的一对可控的半径过渡以提高垫片的密封性能。

8.如权利要求7所述的垫片，其特征在于，该垫片进一步包括第二功能层，所述第二功能层具有由环形的自由边缘界定的开口，该开口与所述第一功能层的所述开口基本对齐，所述第二功能层具有与所述第一功能层的满凸缘呈镜像关系的满凸缘。

9.如权利要求8所述的垫片，其特征在于，所述第一功能层和所述第二功能层的所述满凸缘彼此邻接。

10.如权利要求9所述的垫片，其特征在于，该垫片进一步包括设置于所述自由边缘和所述满凸缘之间的限位层。

11.如权利要求9所述的垫片，其特征在于，所述第二功能层具有与所述第一功能层的半凸缘呈镜像关系的半凸缘。

12.如权利要求8所述的垫片，其特征在于，该垫片进一步包括夹置于所述第一功能层和所述第二功能层之间的间隔层。

13.如权利要求12所述的垫片，其特征在于，所述间隔层具有提供凹陷表面的环形的台阶部分，该凹陷表面邻近所述间隔层的开口具有凹陷深度，该垫片进一步包括轴向对齐于所述凹陷表面设置的限位层，该限位层的厚度大于所述凹陷深度。