CN104246321B - 带有线材压缩限制器的静态垫圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在气缸盖和发动机体之间形成密封的静态垫圈，其包括具有孔和至少一个压缩凸缘的至少一个层。该压缩凸缘围绕所述孔周向延伸并且从一个平面向外突出，以便在垫圈在气缸盖和发动机体之间被压缩时弹性地变形。由金属线材构成的压缩限制器径向设置在所述孔和所述压缩凸缘之间，以便防止压缩凸缘被完全压扁，即使在气缸盖被过载到发动机体上时。所述压缩凸缘优选被感应焊接和/或电阻焊接到至少一个层。

Description

带有线材压缩限制器的静态垫圈

技术领域

本发明涉及用于在待夹紧的两元件之间形成气密密封的静态垫圈，更具体地，涉及例如气缸盖垫圈的静态垫圈。

背景技术

在待夹紧的两元件之间形成气密密封的时候，例如在气缸盖和发动机体之间，通常使用具有一层或多层的静态气缸盖垫圈。通常，其中至少一层(有时称为功能层)具有压缩凸缘以形成液密密封。该垫圈还可以包括至少一个距离层，该距离层可以用于调整止挡物和限制压缩凸缘的压缩，从而提高抗疲劳性。遗憾的是，在将气缸盖紧固到发动机体上时，压缩凸缘可能被过度压缩并且基本压扁。如果压缩凸缘被过度压缩，除了使其保持气密密封的能力受损之外，在初始夹紧或使用过程中可能在压缩凸缘的区域产生疲劳裂纹。一旦产生，疲劳裂纹最终会降低静态垫圈保持气密密封的能力，从而降低发动机的寿命和性能。

一些垫圈制造商已经开始生产包括压缩限制器的多层垫圈，以用于抑制或者至少减少气缸盖和发动机体之间的压缩凸缘的压扁。然而，这些压缩限制器通常是昂贵且难以生产的，或者不能充分保护压缩凸缘免于压扁。

发明内容

本发明的至少一个方面提供一种用于在第一元件(例如气缸盖)和第二元件(例如发动机体)之间形成密封的静态垫圈。该垫圈包括具有至少一个孔和至少一个压缩凸缘的至少一个层，所述压缩凸缘从一个平面向外突出并且围绕所述至少一个孔周向延伸并且与所述至少一个孔间隔开。由金属线材构成的压缩限制器径向设置在所述层的所述孔和所述压缩凸缘之间。所述压缩限制器被感应焊接或电阻焊接到所述层。该垫圈是有利的，因为它提供了围绕气缸膛的更强、更可靠的密封，从而允许例如通过涡轮增压机或增压器的增强的燃烧压力，以及更高的燃烧效率。根据本发明的该方面的压缩限制器比其它已知的压缩限制器需要更少的材料和更少的加工步骤，并且因此，该静态垫圈比其它已知的具有压缩限制器的垫圈更便宜和更容易制造。

根据本发明的另一方面，该垫圈具有可变的形貌。这是有利的，因为它为垫圈提供了围绕气缸膛的可变的密封压力。因此，在最易受到气缸膛中的燃烧气体影响的某些区域，密封压力可以增强，在风险较小的区域，密封压力可以减少。

根据本发明的又一方面，提供一种构成静态垫圈的方法，该方法包括如下步骤：将直壁牵拉到层中，围绕该直壁插入线材，抵靠该层压缩线材以至少部分地压扁线材，以及将线材电阻焊接或感应焊接到该层。这些步骤可以全部整合到一个模压机中，并且因此垫圈可以被很快速、很便宜地制造。此外，该压缩工艺优选硬化加工线材的材料，从而改进其作为压缩限制器的强度。在被压缩后，该线材优选具有不大于1mm的宽度，并且因此，该垫圈可以被用于气缸之间具有窄桥的发动机，而不影响垫圈在这些桥之间的密封能力。压缩线材以使其具有网纹表面也是可能的，这样可以进一步改进垫圈的性能。

附图说明

参阅以下具体描述和附图，本发明的这些和其它特征和优点将会更加易于被本领域技术人员领会和理解，其中：

图1是其间带有静态垫圈的已知的发动机体和气缸盖的立体分解图；

图2是典型功能层被冲裁以使其具有导孔之后的剖视图；

图3是图2的功能层在牵拉操作以使其具有直壁之后的剖视图；

图4是图3的功能层被围绕直壁放置线材之后的剖视图；

图5是图4的功能层在第一冲压操作以压扁线材之后的剖视图；

图6是图5的功能层在第二冲压操作以进一步压扁线材之后的剖视图；

图7是图6的功能层在冲孔操作以移除直壁之后的剖视图；

图8是图7的功能层在压凸印操作以使其具有压缩凸缘之后的剖视图；

图9是形成静态垫圈的典型方法的流程图；

图10是静态垫圈的另一实施例的剖视图；

图11是典型的线材卷的立体图；

图12是图11的线材被弯曲成封闭形状并具有焊接接合的末端之后的立体图；

图13是图12的线材设置在用于将线材成型为压缩限制器的成型模中的剖视图；

图14是图13的线材在成型模中成型之后的剖视图；

图15是一卷典型金属的立体图；

图16是具有多个孔的典型功能层的立体图；

图17是图16的功能层在压凸印操作之后的立体图；

图18是图17的功能层在冲压操作之后的立体图；

图19是图14的成型后的线材和图18的功能层的立体分解图；

图20是形成静态垫圈的另一典型方法的流程图；

图21是垫圈的又一实施例的剖视图；以及

图22是垫圈的又一实施例的剖视图。

具体实施方式

参阅附图，各图中的相似附图标记用于指示相应部件，图8示出根据本发明一个方面构造的垫圈20，其用于在气缸盖(未示出)和发动机体(未示出)之间形成密封。垫圈20包括至少一个圆孔22，如本领域技术人员所知，圆孔22围绕发动机体中的气缸膛孔。垫圈20包括功能层24，功能层24具有从孔22径向间隔开的压缩凸缘26，以用于弹性地变形从而在气缸盖和发动机体之间形成密封。下文将进一步阐述，垫圈20还具有设置在孔22和压缩凸缘26之间的压缩限制器28，以用于防止压缩凸缘26在气缸盖和发动机体之间被完全压扁。尽管典型的垫圈20被设计用于内燃机(未示出)，应当意识到，垫圈20可以应用于一系列汽车或非汽车应用，例如气缸盖和发动机体可以是任意合适的第一元件和第二元件。

参阅图9的流程图，其示出在压模机中构造垫圈20(例如图8的垫圈20)的方法。该方法始于步骤100：在功能层24中冲裁形成导孔30。功能层24优选由弹性材料(例如弹簧钢)构成。然而，应当意识到，功能层24可以由任意合适的材料构成并且可以具有任意合适的厚度。图2大体示出冲裁步骤之后的典型功能层24。

该方法继续包括步骤102：将直壁32牵拉到功能层24的导孔30中。图3大体示出牵拉步骤之后的典型功能层24。应当意识到，冲裁导孔30的步骤和牵拉直壁32的步骤可以在一个“挤切”操作中同时进行。接下来，该方法继续包括步骤104：围绕功能层24的直壁32插入具有封闭形状(例如圆形或方形)的线材28。图4示出围绕功能层24的直壁32的典型线材28。线材28优选为0.3-0.6mm厚的镀锌钢，然而应当意识到，线材28可以由一系列其它材料构成并且具有任意合适的厚度。线材28优选在压模机的上模(未示出)中构成为圆形，但是可选地，也可以在插入压模机之前预成型为圆形。

该方法继续包括步骤106：抵靠功能层24压缩和压扁线材28至预定厚度。该压缩步骤优选包括两次冲压操作，每次操作使得线材硬化和成型。图5示出第一次冲压操作后的典型线材28，图6示出第二次冲压操作后的典型线材28。然而，应当意识到，线材28可以在任意合适的工艺中被压缩。如此选择预设厚度，以防止整个压缩凸缘26(如下所述)在气缸盖和发动机体之间被完全压扁。该方法还包括步骤108：将线材28电阻焊接到功能层24上以将这些部件彼此连接。

然后，线材28被压扁到预设厚度之后，该方法继续包括步骤110：对功能层24冲孔以移除直壁32并且限定大体圆孔22，该圆孔22围绕发动机体中的气缸膛孔22。图7示出直壁32移除之后的垫圈20。该方法还包括步骤112：在功能层24中压凸印以形成压缩凸缘26。

现在参阅图10，其示出根据本发明一个可选方面构造的垫圈220的径向剖视图。垫圈220包括一对功能层224，225，它们彼此重叠且在其最外缘通过例如熔焊、钎焊或铆接彼此连接。本领域技术人员还应当理解，每个功能层224，225还具有限定孔222的内缘234，235。

每个功能层224，225包括压缩凸缘226，227，压缩凸缘226，227从平面236，237向外延伸以便围绕发动机的气缸膛形成气密密封，从而防止燃烧液体或气体从气缸盖和发动机体之间的气缸膛泄漏。压缩凸缘226，227与内缘234，235间隔开且周向围绕各孔222。每个功能层224，225具有沿着平面236，237延伸的大体平坦的主体部分238，239，并且压缩凸缘226，227从平面236，237向外延伸预定的距离。每个功能层224，225还包括在内缘234，235和压缩凸缘226，227之间沿着平面236，237延伸的内缘部分240，241。

关于如上所述的垫圈20，功能层224，225优选由弹性金属(例如弹簧钢)构成，并且可以具有任意合适的厚度。如图10所示，功能层224，225具有彼此面对的镜像轮廓，其中每个功能层具有彼此面对且彼此接触的上述压缩凸缘226，227。

由线材制成的压缩限制器228至少部分地设置在功能层224，225之间的一个内缘部分240，241上，以防止压缩凸缘226，227在气缸盖和发动机体之间被完全压扁到平面236，237中。具体地，当垫圈220在气缸盖和发动机体之间被压缩时，压缩限制器228保持相邻的功能层224，225的内缘部分240，241分离，从而防止压缩凸缘226，227中的任意一个被压缩到压扁状态。于是所有压缩凸缘226，227从平面236向外延伸，并且彼此抵靠地保持弹性偏置，即使气缸盖被过载到发动机体上。由此确保压缩凸缘226，227相对彼此保持大体恒定的高密封压力，从而围绕气缸膛的圆周提供和保持气密密封。除了围绕气缸膛保持所需的气密密封，通过不过度压缩和完全压扁压缩凸缘226，227，避免组装过程和使用过程中过早形成疲劳裂纹。

现在参阅图20的流程图，本发明的又一方面提供一种如图10所示且如上文所述的多层垫圈220的构造方法。该方法始于步骤300：提供金属线材228，例如图11中示出的线材卷242。与上述线材28类似，该线材228优选具有0.3-0.6mm的直径并且优选由镀锌钢制成。然而，应当意识到，然而，应当意识到，线材228可以由一系列不同的可成型材料构成并且可以具有任意合适的厚度。该方法继续包括步骤302：将线材228弯曲成预设的封闭形状，例如图12所示的圆形。接下来，对于封闭形状的线材228，该方法继续包括步骤304：将线材228的末端焊接接合。线材的末端优选通过电阻焊接接合。然而也可采用任意合适的焊接类型，包括例如气-金电弧焊接，感应焊接，激光焊接等。应当注意到，如果线材228被直接供给上成型模，则不需焊接线材228的末端。

接下来，线材228被加载到成型模243上，如图13和图14所示，该方法继续包括步骤306：将线材228成型为具有大体平顶和大体平底的压缩限制器228。如果需要，压缩限制器228还可以成型为具有可变的形貌，例如沿着圆周的不同厚度(如图19)。在该典型实施例中，在成型后，压缩限制器228具有不大于1mm的宽度。如图14所示，成型步骤在压缩限制器228的外表面形成槽244。下文将会进一步说明，槽244允许压缩限制器228连接到功能层224。应当意识到，必要时压缩限制器228可以通过多种其它成型工艺成型。

图15-16示出构造典型功能层224的各步骤。然而，应当意识到，功能层224，225可以通过任意合适的成型工艺构成。接下来，该方法继续包括步骤308：沿着每个孔222的圆周冲压至少一个功能层224以形成径向延伸到孔222中的唇246。

然后压缩限制器228被通过步骤310连接到一个功能层224上，步骤310为：将功能层224的唇246接入压缩限制器28的槽244中。再次参阅图10，压缩限制器228的至少一部分朝向压缩凸缘226径向向外延伸并在功能层224的内缘部分240上延伸。压缩限制器228可以通过例如卡接牢固地连接到功能层224。接下来，该方法包括步骤312：将压缩限制器228感应焊接到功能层224。该方法还包括步骤314：将功能层224，225彼此叠置以使压缩限制器228的一部分设置在功能层224，225的内缘部分240，241之间。如上所述，压缩限制器228防止压缩凸缘226，227在气缸盖和发动机体之间被完全压扁，由此允许垫圈220保持气密密封。

现在参阅图21，其示出垫圈420的一个可选实施例。除了上述部件，该垫圈420进一步包括设置在相对的功能层424之间的距离层448。距离层448从邻近功能层424的内缘434的距离层448的内缘450径向向外延伸越过压缩凸缘426，以使当垫圈420在气缸盖和发动机体之间被压缩的时候，压缩凸缘426抵靠距离层448压缩而不是抵靠彼此压缩。在该实施例中，压缩限制器428与距离层448接合并且在距离层448的一侧轴向延伸，以使它的至少一部分设置在距离层448和各功能层424之间。与上述实施例类似地，压缩限制器428确保所有压缩凸缘426从平面436向外延伸并且抵靠距离层448弹性偏置，即使气缸盖被过载在发动机体上。应当注意到，如果存在距离层448，可能需要两个独立的压缩限制器448，分别与距离层448接合并且在相对的功能层424之间延伸，而不仅仅是如图所示的一个压缩限制器448。距离层448可以具有任意合适的厚度，并且优选由具有高屈服强度的材料构成，例如301或431级不锈钢。距离层448可以径向延伸越过压缩凸缘426任意合适的距离。

现在参阅图22，其大体示出垫圈520的又一实施例。该典型实施例包括两个压缩限制器528，其分别与一个功能层524接合并且至少部分地在其对应的功能层524和距离层548之间延伸。与上述其他实施例类似地，压缩限制器528防止压缩凸缘526完全压扁。

应当意识到，线材还可以直接供给上模，在其中成型，并且焊接到一个层上。这样的工艺进一步减少了垫圈的制造成本。

显然，根据以上教导，本发明的多种修改和变化都是可能的，且在权利要求范围内可通过具体描述之外的方式实现。

Claims (17)

1.一种用于在第一元件和第二元件之间形成密封的静态垫圈，其特征在于，包括：

具有至少一个孔和至少一个压缩凸缘的至少一个层，所述压缩凸缘从一个平面向外突出并且围绕所述至少一个孔周向延伸并且与所述至少一个孔间隔开；以及

径向设置在所述层的所述孔和所述压缩凸缘之间的压缩限制器，所述压缩限制器由感应焊接或电阻焊接到所述层的金属线材构成，所述至少一个层包括具有所述压缩凸缘的功能层，所述金属线材在焊接之前通过抵靠该功能层冲压以至少部分地压扁形成。

2.如权利要求1所述的静态垫圈，其特征在于，所述压缩限制器具有沿其长度可变的厚度。

3.如权利要求1所述的静态垫圈，其特征在于，所述至少一个层进一步包括距离层。

4.如权利要求3所述的静态垫圈，其特征在于，所述压缩限制器被感应焊接到所述功能层。

5.如权利要求3所述的静态垫圈，其特征在于，所述压缩限制器被焊接到所述距离层。

6.一种构成用于在待夹紧的两元件之间形成气密密封的静态垫圈的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将直壁牵拉到层中；

围绕该直壁插入线材；

抵靠该层压缩线材以至少部分地压扁线材；以及

将线材电阻焊接或感应焊接到该层；

其中，所述层为功能层，抵靠功能层压缩线材的步骤具体为抵靠该功能层冲压线材以至少部分地压扁线材。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括对功能层压凸印以使其具有压缩凸缘的步骤。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括从该层移除直壁的步骤。

9.一种构成用于在待夹紧的两元件之间形成气密密封的静态垫圈的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供由金属构成的线材；

将线材弯曲为封闭形状；

提供具有孔和压缩凸缘的至少一个功能层；

将线材成型为压缩限制器，并在压缩限制器的外表面形成槽；

沿着每个孔的圆周冲压至少一个功能层以形成径向延伸到孔中的唇；

将所述功能层的唇接入压缩限制器的槽中；以及

在孔和压缩凸缘之间将线材焊接到功能层以防止压缩凸缘在两元件之间被完全压扁。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括将压缩限制器焊接到功能层的步骤，具体为将压缩限制器感应焊接或电阻焊接到功能层。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在将压缩限制器感应焊接到功能层的步骤之前，将线材成型为具有大体平顶和大体平底的步骤。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，线材成型的步骤进一步限定为在成型模上成型线材的步骤。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，线材成型的步骤进一步限定为将线材成型为具有可变的形貌。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括提供第二功能层的步骤，并且进一步包括将压缩限制器夹在功能层之间的步骤。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将线材弯曲为封闭形状的步骤进一步限定为将线材弯曲为大体圆形。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将线材的末端焊接接合的步骤。

17.如权利要求9所述的方法，其特征在于，功能层中的每个孔是大体圆形的。