CN103975181A - 具有分段的一体式止位特征的多层垫片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有第一功能层(28)和第二功能层(30)的多层金属垫片(40)。每个层(28、30)包括用以密封流体通道或燃烧室(26)的开口(34、38)。密封焊道(42、44)形成于每个层(28、30)中，并且优选地布置为在波峰对波峰的方向彼此接触以在其间形成完全密封。止位特征(54)提供为在使用中限制密封焊道(42、44)的压缩。止位特征(54)布置为大致圆形图案且包括多个彼此密集的但不接触的离散的嵌套凸起(56)。每个离散的嵌套凸起(56)与下一个邻近的离散的嵌套凸起(56)在形状上基本相同，但方向上大约翻转180°；凸起(56)可完全形成于一个或者两个功能层(28、30)上。

Description

具有分段的一体式止位特征的多层垫片

相关申请的交叉引用

无。

技术领域

本发明涉及多层垫片，更具体地涉及包括止位器的多层金属垫片，当垫片安装于两个配合面之间时，该止位器用于限制垫片的压缩高度。

背景技术

多层金属垫片，也被一些人称为多层钢(MLS)垫片，通常用于需要围绕被两个配合元件共享的通道建立液紧密封的静态密封应用中。例如，一种MLS垫片，如图1中20所示，可被夹于气缸盖22和气缸体24之间以围绕多个燃烧室26同时围绕由两个配合元件22、24共享的油和润滑油通道形成完善的燃烧室密封。但是，多层金属垫片还可用于其他应用中，比如用于密封排气歧管和气缸体，也可用于其他发动机和非发动机应用中。图2是示出了现有技术的多层垫片20的局部放大图。通常，类似于图1和图2中所示的气缸盖垫片20，包括与气缸体24中的多个燃烧室26相匹配的多个孔开口。在邻近的气缸中的压缩和扩张之间的不断转变形成了基本周期性的压差，该压差使密封燃烧气体变得困难。因此，一些燃烧气体通常会随着时间通过垫片20的多层而泄漏，从而导致发动机效率的降低。

多层垫片尤其适用于需要最小厚度垫片的应用中，这些垫片处于相当低和/或高的可变接触压力下时具备有效密封能力。公开号为2005/0189724的美国专利申请(已转让于本发明的受让人，其全部内容通过引用合并于此)，公开了包括第一功能层和第二功能层的多层金属垫片，该第一功能层和第二功能层分别形成有与气缸室相匹配的开口。这些功能层包括围绕开口对抗的密封焊道，以及作为压缩限制特征的插入的止位层，从而建立最终的(例如完全压缩的)组装高度。

许多现有技术中多层垫片设计的一个缺点可归结为止位特征的高成本，因为止位特征典型地或者由一体折叠形成或者独立形成，然后通过激光焊接或者一些其他技术附着在一起。折叠形成的止位器和松件形成的止位器均增加了制造成本、材料处理复杂性而且增加了制造时间。因为这些和其他原因，需要新的且改进的多层垫片，这些垫片能够在满足现代发动机技术所需的质量和操作性能的同时，降低成本和/或制造复杂性。

发明内容

本发明提供一种多层垫片总成，用以围绕在两个配合元件之间形成的通道或腔室形成密封。例如，该配合元件可包括内燃机的气缸体和气缸盖。该垫片总成包括具有至少一个第一开口的第一功能层。该第一功能层包括与第一开口间隔开的并且围绕第一开口的弹性的可压缩的第一密封焊道。该第一功能层包括邻近第一密封焊道的第一止位区域。提供一具有至少一个第二开口的第二功能层。该第二功能层包括一与第二开口间隔开的并且围绕第二开口的弹性可压缩的第二密封焊道。第二功能层包括邻近第二密封焊道的第二止位区域。第一功能层覆盖在第二功能层上面以使得各自的第一开口和第二开口分别大致彼此对齐并且使得第一止位区域和第二止位区域分别大致彼此对齐。在使用中，第一密封焊道和第二密封焊道配置为彼此弹性对抗。止位特征被设置于第一功能层和第二功能层中的至少一个功能层的止位区域中，从而限制第一功能层和第二功能层在使用中朝向彼此的压缩。该止位特征有效地将第一密封焊道和第二密封焊道限制为部分压缩。该止位特征包括由第一功能层和第二功能层中的至少一个功能层一体成型的多个离散的嵌套凸起。每个嵌套凸起以径向重叠关系与下一个邻近的离散的嵌套凸起密集设置但互不接触。这些离散的嵌套凸起可通过第一功能层和第二功能层中的任意一个或两个容易地制造，从而避免了现有技术构造中常用的复杂的折叠形成的止位器或者单独制造的、松件形成的止位器元件。

根据本发明的另一个方面，以上所述的垫片总成与包括气缸体和气缸盖的一类内燃机相结合。至少一个燃烧室形成于气缸体中。该燃烧室由圆柱形的侧壁界定。在使用中，具有由离散的嵌套凸起组成的止位特征的垫片总成有效地设置于气缸体和气缸盖之间，从而密闭燃烧室中的燃烧气体。

附图说明

参阅以下详细说明和附图，本发明的这些和其他特征以及优点将更易于理解，其中：

图1示出了具有设置于气缸体和气缸盖之间的多层垫片的现有技术的发动机总成的局部爆炸图；

图2是根据现有技术的多层气缸盖垫片的局部放大图；

图3是根据本发明的多层垫片总成的功能层的局部俯视图，示出了具有围绕燃烧室开口大致圆形排列的多个离散的嵌套凸起的止位特征的构造；

图4是根据本发明的垫片总成的局部透视图，其中具有多个离散的嵌套凸起的止位特征示为一体成型于第一功能层上，并且示出了第二功能层的部分横截面以表示在使用时层间相对对齐；

图5是大致沿着图4的线5-5的简化剖视图；

图6是示出了本发明的第一个可替换实施例的示意图，其中每隔一个的离散的嵌套凸起一体成型于第一功能层上，剩下的离散的嵌套凸起一体成型于第二功能层上，以使得在使用时当两个层被放在一起时，形成完整的止位特征；

图7是类似于图5的但示出了具有分别形成于第一功能层和第二功能层的间隔的离散的嵌套凸起的第一个可替换实施例的剖视图；

图8是根据本发明第二个可替换实施例的止位特征的局部俯视图，其中离散的嵌套凸起具有大致直线形成的U形结构；以及

图9是类似于图8的但是第三个可替换实施例的示意图，其中离散的嵌套凸起具有大致Z型的结构。

具体实施方式

参阅附图，其中类似的附图标记表示遍及多附图的类似的或者相应的部分，在图3-图5中大体用附图标记40表示根据本发明一个实施例的多层垫片。该垫片总成40包括大体标记为28的第一功能层以及大体标记为30的第二功能层。第一功能层28包括大致平面的本体32，该本体32具有由合适的金属材料片形成的大致均匀的厚度。第一开口34形成于第一层28中以围绕两个配合元件之间的共享通道(比如围绕气缸盖22和气缸体24之间的燃烧室开口26)密封。第二功能层30在构造上可类似于第一层28且同样包括大致平面的第二本体36和第二开口38。第一层28和第二层30作为一个单元组装在一起形成了该垫片总成40。在总成40中，第一层28和第二层30彼此叠置以使得各自的第一开口34和第二开口38大致对齐。假设开口34、38可相对于一个轴被界定，比如对于圆形开口34、38与燃烧室26匹配，两个层28、30可说成是沿着横向延伸的轴对齐。在几个附图中，该轴用字母“A”表示，该轴通常与在相应的燃烧室26内运行的活塞的往复运动的轴一致。

该垫片总成40包括至少一个，但是优选地为至少两个，分别围绕开口34、38的密封焊道42、44。该密封焊道42、44具有弹性可压缩的特征且典型地分别通过第一功能层28和第二功能层30一体成型，从而提供本领域技术人员公知的类似弹簧的功能。可替换地，密封焊道42、44中的一个或两个可实施于该垫片总成40的内部或者非功能层中。也可替换地，密封焊道42、44可单独形成且附着于功能层28、30，或者附着于内部的非功能层。优选地，两密封焊道42、44彼此对抗且协同工作以提高垫片总成40的密封功能。特别地，第一层28包括与第一开口34间隔开的一体成型的第一密封焊道42。同样地，第二层30包括与它的第二开口38间隔开的第二密封焊道44。在各自的开口34、38分别为圆形的情况下，以典型的气缸盖垫片应用中为例，密封焊道42、44同样优选为圆形，尽管其它几何形状确实可行。当以图5和图7所示的剖面来看时，该实施例中的密封焊道42、44示为具有半圆形的形状，每个密封焊道分别具有波峰46、48。第一密封焊道42的波峰46从它的平面本体32横向偏移。该横向偏移被测定为沿着轴A的方向。同样地，第二密封焊道44的波峰48从第二平面本体36横向偏移。在一个优选实施例中，该第一密封焊道42从第一层28横向偏移的方向与第二密封焊道42的偏移方向相反，更具体地，两个密封焊道42、44设置为使得它们各自的波峰46、48在两个层28、30之间的空间里彼此接触，如图4、图5和图7所示。应当理解，一个或多个非功能层可被置于两个功能层28、30之间从而防止直接的波峰对波峰的接触，然而这种布置并不改变焊道42、44的功能。

第一功能层28包括邻近第一密封焊道42的第一止位区域50。如图3-图5中所示，第一止位区域50包括位于第一开口34和第一密封焊道42之间的平面本体32的部分。换句话说，在一个优选实施例中，该第一止位区域50是从第一密封焊道42径向向内设置的第一功能层28的那段空间或部分。本领域的技术人员可认识到，在一些案例中，第一止位区域50的位置还可接受地布置于第一密封焊道42径向向外的部分。同样地，第二功能层30包括类似规格的第二止位区域52。通常标记为54的止位特征设置于第一功能层28和第二功能层30中至少一个的止位区域50、52中。该止位特征用于限制第一功能层28和第二功能层30在使用中向着彼此的压缩。也就是说，第一密封焊道42和第二密封焊道44的弹性的压缩性质是通过止位特征54部分约束的，从而使得第一功能层28和第二功能层30各自的平面本体32、36不至于彼此面对面接触。当然，除了可选择的中间层(图中未示)，接触被限制在每个功能层28、30的界定的部分上，以及止位特征54和密封焊道42、44上。因此，常规形式的止位特征54在使用中阻止了垫片总成的过压缩。

止位特征54包括从第一功能层28和第二功能层30中的至少一个一体成型的多个离散的嵌套凸起56。每个嵌套凸起56是与下一个邻近的离散的嵌套凸起56以径向重叠关系密集间隔开但不接触的。“径向重叠关系”一词可理解为描述从轴A开始延伸穿过止位特征54的虚构的辐射线，该线在一些位置但不是所有位置处贯穿两个邻近的凸起56。因此，凸起56可说是彼此覆盖而没有呈现任何径向通透间隙。然而，每个凸起56是离散的的且不与下一个邻近的凸起56接触以使得整个止位特征54是周向不连续的。

可能如图3中最优所示，每个离散的嵌套凸起56与下一个邻近的离散的嵌套凸起56的形状基本相同，但是方向不同。更具体地，每个凸起56被定向为相对于下一个邻近的嵌套凸起56翻转大约180°，除了在周向上稍微偏移。例如，如果特定的止位特征54由48个间隔开的离散的嵌套凸起56组成，然后情况是这样，每个凸起56与下一个邻近的凸起56间隔7.5°(在中心上)(360/48＝7.5°)。结果，任何给定的凸起56均相对于下一个邻近的凸起56在方向上翻转187.5°(180+7.5＝187.5)。在该示例中，7.5°是周向的轻微偏移。也就是说，关于轴A的每个凸起56的方向保持为每隔一个凸起56，中间的凸起56相对反转180°。结果是形成燃烧气体(当应用于气缸盖垫片的典型环境中时)不能直接穿过进入密封焊道42、44的重叠状的链状结构，相反地被迫进入弯曲的通道从而保护密封焊道42、44。

图5描述了优选的形状并且意味着优选的制造技术以实现该离散的嵌套凸起56。也就是，离散的嵌套凸起56优选地采用金属冲压操作或者其他类似的变形或成型工艺一体成型于第一功能层28，从而使得凸起56可由第一功能层28的基底材料快速、精确且一体成型。同样如图5所示，目的是通过虚线示出第二功能层30的相对位移，在使用中，凸起56的平的末端限制了密封焊道42、44的压缩，以及因此，为了垫片总成40的最优性能限制了第二功能层30的位移。

图6-图7描述了本发明的第一个可替换实施例，其中离散的嵌套凸起被分为两组56A和56B。每个离散的嵌套凸起56A的左右两边均为组56B的离散的嵌套凸起的直接邻近的侧面，反之亦然。参考附图可见，一组凸起56A由第一功能层28一体成型，而且来自于组56B的其余的离散的嵌套凸起由第二功能层30一体成型。这样，大约一半的凸起56A形成于一个功能层28上而另一半凸起56B形成于另一个功能层30上。以上所述的径向重叠的嵌套关系本质上促进了不同的功能层28、30上各自的凸起布置。进一步，从制造的角度来看，可令人满意地在不同的层28、30上单独形成每隔一个的凸起56以提高凸起56的质量并且便于进行金属变形工艺中常见的各种制造考量。在第二个可替换实施例中，应当理解每个凸起56A、56B的半圆形形状与图3-图5中所示的优选实施例中凸起56的形状基本相同。

图8和图9分别示出了第二个和第三个可替换实施例。在图8的第二个可替换实施例中，离散的嵌套凸起56’示为具有与之前实施例中示出的平滑曲线U型截然不同的直线构成的U型。图9中的第三个可替换实施例表示每个离散的嵌套凸起56”的形状类似于字母“Z”的示例。这些少数的示例目的仅仅是为了举例可用以形成凸起的许多形状的少数样本。从图8和图9的可替换实施例中可见，离散的嵌套凸起仍然是以径向重叠关系布置，并且每个嵌套凸起与下一个邻近的凸起形状基本相同，但方向大约翻转180°。这些凸起还优选地，但也不是必定地，周向等间距间隔开。在所有示出的示例中，止位特征布置为围绕第一开口34和第二开口38呈大致圆形图案，并且包括多个离散的嵌套凸起。

由于一体成型于功能层28、30中的任何一个或两个上，在各种可替换实施例中描述的离散的嵌套凸起56相对易于制造，且较廉价。凸起56的布置是这样的，它们是密集的且径向重叠的，每个凸起相对于下一个邻近的凸起在方向上大约翻转180°以提供一个不连续的但有效的屏障从而保护密封焊道42、44不受燃烧气体的攻击(在内燃机应用的示例中)。

以上所述的本发明根据相关法规进行了说明，因此该说明仅作为示例而非在本质上限制。本领域技术人员易于理解的变化和修饰皆落入本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种多层垫片总成，用以围绕形成于两个配合元件之间的通道或者腔室形成密封，其特征在于，所述垫片总成包括：

第一功能层，该第一功能层具有至少一个第一开口，所述第一功能层包括与所述第一开口间隔开且围绕所述第一开口的弹性可压缩的第一密封焊道，所述第一功能层包括邻近所述第一密封焊道的第一止位区域；

第二功能层，该第二功能层具有至少一个第二开口，所述第二功能层包括与所述第二开口间隔开且围绕所述第二开口的弹性可压缩的第二密封焊道，所述第二功能层包括邻近所述第二密封焊道的第二止位区域；

所述第一功能层与所述第二功能层叠置以使得各自的所述第一开口和第二开口大致彼此对齐且使得各自的所述第一止位区域和第二止位区域大致彼此对齐，在使用中，所述第一密封焊道和所述第二密封焊道配置为彼此弹性对抗；

止位特征，该止位特征设置于所述第一功能层和所述第二功能层中至少一个功能层的所述止位区域中，从而限制所述第一功能层和所述第二功能层在使用中朝向彼此的压缩，在此处，所述第一密封焊道和所述第二密封焊道通过所述止位特征被限制为部分压缩；

以及所述止位特征包括由所述第一功能层和所述第二功能层中的至少一个功能层一体成型的多个离散的嵌套凸起，每个所述离散的嵌套凸起以径向重叠的关系与下一个邻近的所述离散的嵌套凸起密集地设置但不接触。

2.根据权利要求1所述的垫片总成，其特征在于，每个所述离散的嵌套凸起与下一个邻近的所述离散的嵌套凸起形状基本相同，但方向大致翻转180°。

3.根据权利要求2所述的垫片总成，其特征在于，所述离散的嵌套凸起中的间隔的嵌套凸起由所述第一功能层一体成型，剩下的所述离散的嵌套凸起由所述第二功能层一体成型。

4.根据权利要求2所述的垫片总成，其特征在于，所有的所述离散的嵌套凸起均由所述第一功能层和所述第二功能层中的一个功能层一体成型。

5.根据权利要求1所述的垫片总成，其特征在于，第一功能层包括具有大致均匀本体厚度的大致平面的第一本体，所述第一功能层由金属材料制造；第二功能层包括具有大致均匀厚度的大致平面的第二本体，所述第二功能层由金属材料制造。

6.根据权利要求1所述的垫片总成，其特征在于，所述第一密封焊道包括从所述第一功能层的所述平面的第一本体横向偏移的第一波峰，所述第二密封焊道包括从所述第二功能层的所述平面的第二本体横偏移的第二波峰，所述第一功能层和所述第二功能层各自的所述波峰彼此直接接触。

7.根据权利要求1所述的垫片总成，其特征在于，每个所述离散的嵌套凸起由金属冲压操作形成。

8.根据权利要求1所述的垫片总成，其特征在于，所述第一止位区域设置于所述第一开口和所述第一密封焊道之间；所述第二止位区域设置于所述第二开口和所述第二密封焊道之间。

9.根据权利要求8所述的垫片总成，其特征在于，所述第一开口和所述第二开口为大致圆形；并且在使用中，所述止位特征的所述多个离散的嵌套凸起布置为围绕所述第一开口和所述第二开口呈大致圆形的图案。

10.根据权利要求8所述的垫片总成，其特征在于，每个所述离散的嵌套凸起与下一个邻近的离散的嵌套凸起大致相同并且呈U型。

11.根据权利要求8所述的垫片总成，其特征在于，每个所述离散的嵌套凸起与下一个邻近的离散的嵌套凸起大致相同并且呈Z型。

12.一种多层垫片总成，用以围绕形成于两个配合元件之间的通道或腔室形成密封，其特征在于，所述垫片总成包括：

第一功能层，该第一功能层包括具有大致均匀本体厚度的大致平面的第一本体，所述第一功能层由金属材料制造，所述第一功能层具有至少一个第一开口，所述第一功能层包括与所述第一开口间隔开且围绕所述第一开口的弹性可压缩的第一密封焊道，所述第一密封焊道包括从所述第一功能层的所述平面的第一本体横向偏移的第一波峰，所述第一功能层包括位于所述第一开口和所述第一密封焊道之间的第一止位区域；

第二功能层，该第二功能层包括具有大致均匀厚度的大致平面的第二本体，所述第二功能层由金属材料制造，所述第二功能层具有至少一个第二开口，所述第二功能层包括与所述第二开口间隔开且围绕所述第二开口的弹性可压缩的第二密封焊道，所述第二密封焊道包括从所述第二功能层的所述平面的第二本体横向偏移的第二波峰，所述第二功能层包括位于所述第二开口与所述第二密封焊道之间的第二止位区域；

所述第一功能层与所述第二功能层叠置以使得各自的所述第一开口和所述第二开口大致彼此对齐，且使得各自的所述第一止位区域和所述第二止位区域大致彼此对齐，所述第一密封焊道从所述第一功能层横向偏移的方向与所述第二密封焊道相对于第二功能层横向偏移的方向相反，以使得两个所述焊道彼此弹性对抗；

以及止位特征，该止位特征设置于所述第一功能层和所述第二功能层中的至少一个功能层的所述止位区域中，用以限制所述第一功能层和所述第二功能层在使用中朝向彼此的压缩；所述止位特征包括由所述第一功能层和所述第二功能层中的至少一个功能层一体成型的多个离散的嵌套凸起，每个所述离散的嵌套凸起与下一个邻近的所述离散的嵌套凸起形状基本相同，但方向大体翻转180°，并且每个所述离散的嵌套凸起密集地与下一个邻近的所述离散的嵌套凸起间隔开以形成一种嵌套的且径向重叠关系。

13.根据权利要求12所述的垫片总成，其特征在于，所述离散的嵌套凸起中的间隔的嵌套凸起由所述第一功能层一体成型，剩下的所述离散的嵌套凸起由所述第二功能层一体成型。

14.根据权利要求12所述的垫片总成，其特征在于，所有的所述离散的嵌套凸起均由所述第一功能层和所述第二功能层中的一个功能层一体成型。

15.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机包括：

具有顶板面的气缸体，至少一个燃烧室形成于所述气缸体内；

适合于连接所述气缸体的所述顶板面的气缸盖；

有效地设置于所述气缸体和所述气缸盖之间的用以围绕所述燃烧室建立压缩密封的多层气缸盖垫片总成，所述垫片总成包括：

a)第一功能层，该第一功能层包括一具有大致均匀本体厚度的大致平面的第一本体，所述第一功能层由金属材料制造，所述第一功能层具有至少一个第一开口，所述第一功能层包括与所述第一开口间隔开且围绕所述第一开口的弹性可压缩的第一密封焊道，所述第一密封焊道包括从所述第一功能层的所述平面的第一本体横向偏移的第一波峰，所述第一功能层包括位于所述第一开口和所述第一密封焊道之间的第一止位区域；

b)一第二功能层，该第二功能层包括一具有大致均匀厚度的大致平面的第二本体，所述第二功能层由金属材料制造，所述第二功能层具有至少一个第二开口，所述第二功能层包括与所述第二开口间隔开且围绕所述第二开口的弹性可压缩的第二密封焊道，所述第二密封焊道包括从所述第二功能层的所述平面的第二本体横向偏移的波峰，所述第二功能层包括位于所述第二开口与所述第二密封焊道之间的第二止位区域；

c)所述第一功能层与所述第二功能层叠置以使得各自的所述第一开口和所述第二开口大致彼此对齐，且使得各自的所述第一止位区域和所述第二止位区域大致彼此对齐，所述第一密封焊道从所述第一功能层横向偏移的方向与所述第二密封焊道相对于第二功能层横向偏移的方向相反，以使得两个所述焊道彼此弹性对抗；

d)以及止位特征，该止位特征设置于所述第一功能层和所述第二功能层中的至少一个功能层的所述止位区域中，用以限制所述第一功能层和所述第二功能层在使用中朝向彼此的压缩；所述止位特征包括由所述第一功能层和所述第二功能层中的至少一个功能层一体成型的多个离散的嵌套凸起，每个所述离散的嵌套凸起与下一个邻近的所述离散的嵌套凸起形状基本相同，但方向大约翻转180°，并且每个所述离散的嵌套凸起密集地与下一个邻近的所述离散的嵌套凸起间隔开以形成一种嵌套的且径向重叠的关系。

16.根据权利要求15所述的垫片总成，其特征在于，所述离散的嵌套凸起中的间隔的嵌套凸起由所述第一功能层一体成型，剩下的所述离散的嵌套凸起由所述第二功能层一体成型。

17.根据权利要求15所述的垫片总成，其特征在于，所有的所述离散的嵌套凸起均由所述第一功能层和所述第二功能层中的一个功能层一体成型。