CN105358882B - 静态垫圈及其构造方法 - Google Patents

Abstract

提供有一种金属静态垫圈(10)及其构造方法。所述垫圈包括至少一个金属层(12、14)。至少其中一个金属层具有相反的侧面(18、20)，至少一个贯通开口(22、24)延伸穿过所述相反的侧面，所述贯通开口配置为与待密封开口对齐。所述垫圈的至少一个金属层具有至少一个邻近所述贯通开口延伸的凸起的环形密封球珠(28)。多个凸起(32)从至少其中一个所述相反的侧面向外延伸，其中所述多个凸起从所述至少一个金属层由单独的金属成型，且通过各自的连接接缝(34)分别固定至所述至少一个金属层。

Description

静态垫圈及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2013年6月10日的美国临时专利申请No.61/833,301以及提交于2014年6月10日的美国实用申请No.14/300,694的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明通常涉及类型为用于在夹在一起的两个构件之间形成不透气/液体密封的静态垫圈及其构造方法。

2.相关技术

当在两个卡夹在一起的构件(例如汽缸头和发动机缸体)之间形成不透气/液体密封时，通常采用具有多个层的静态汽缸头垫圈。通常，多层垫圈的至少其中一层，有时称为功能层，具有一个或多个密封球珠，以围绕开口(例如汽缸孔、冷却剂开口和/或螺栓开口)形成不透气/液体的密封。另一层，有时称为间隔层，配置为邻接功能层，以通过限制对功能层的密封球珠的压迫有利于形成围绕开口的不透气/液体的密封。

为了有利于将功能层的密封球珠压至所需高度，而不过度压迫球珠，间隔层通常成型为具有形成于间隔层的材料内的凸出的凸起。凸出的凸起通常经由高吨位压型机在压印工艺中形成。因此，压型机可塑地使间隔层的材料变形以形成凸出的凸起。不幸的是，用于形成凸出的凸起的高吨位压型机非常昂贵，占用大量空间，且安装后，需要凸出的凸起的特定尺寸和样式，从而从一种样式变成另一种样式时需要花费大量时间和工作。进一步，由于可塑地使间隔层的材料变形，材料特性不可预知地改变，从而在间隔层的材料内产生不可预知的材料特性，最终会导致间隔层原本需要的功能能力过早失效。进一步，不得已机械顿锻(upset)间隔层的材料通常导致凸出的凸起的形状和尺寸偏离实际需要的形状和尺寸，这主要是由于间隔层材料内的公差，以及用于形成凸出的凸起的压型机和工具的公差。

发明内容

提供有一种金属静态垫圈。所述垫圈包括至少一个金属层。所述至少一个金属层具有相反的侧面，至少一个贯通开口延伸穿过所述相反的侧面，所述贯通开口配置为与一开口对齐。至少一个金属层具有至少一个凸起的环形密封球珠。多个凸起从至少其中一个所述相反的侧面向外延伸，其中所述多个凸起从所述至少一个金属层由单独的金属块成型，且通过单独的连接接缝分别固定至所述至少一个金属层。

根据本发明的另一方面，所述至少一个金属层成型为具有凸出的环形密封球珠的单个金属层，且多个凸起连接至所述单个金属层。

根据本发明的另一方面，所述至少一个金属层包括至少一个金属功能层，其中形成有至少一个凸出的环形密封球珠，和单独的金属间隔层，其中多个凸起通过连接接缝固定至功能层和间隔层至少其中一个。

根据本发明的另一方面，所述连接接缝可由焊缝形成。

根据本发明的另一方面，所述连接接缝可由粘合剂形成。

根据本发明的另一方面，至少其中一些凸出的凸起相互之间高度不同。

根据本发明的另一方面，至少其中一些凸出的凸起相互之间外缘形状不同。

根据本发明的另一方面，功能层和间隔层具有多个相互对齐的开口，且间隔层具有围绕每一个对齐的开口的至少一部分延伸的凸出的凸起。

根据本发明的另一方面，所述垫圈为汽缸头垫圈。

根据本发明的另一方面，提供有一种构造垫圈的方法。所述方法包括提供至少一个具有相反的侧面和至少一个贯通开口的金属层，所述至少一个金属层的至少其中一个具有至少一个邻近所述至少一个贯通开口的凸出的环形密封球珠。进一步，将多个单独的金属块连接至邻近所述贯通开口的所述至少一个金属层的至少其中一个相反的侧面。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括由单个金属层形成所述垫圈，所述单个金属层具有形成于其中的环形密封球珠和连接其上的多个凸起。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括形成具有功能层的垫圈，所述功能层包括至少一个形成于其中的环形密封球珠，以及形成与所述功能层分开的间隔层，以及使所述多个金属凸起连接至功能层和间隔层至少其中一个。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括通过焊接工艺将金属凸起连接至所述至少一个金属层。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括通过检流计焊接工艺将金属凸起连接至功能层。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括通过粘合剂将金属凸起连接至所述至少一个金属层。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括提供至少其中一些金属凸起相互之间具有不同的高度。

根据本发明的另一方面，所述方法可包括提供至少其中一些金属凸起相互之间具有不同的外缘形状。

在能够分别将凸起连接至金属垫圈层时，相较于试图顿锻所述金属垫圈层的材料以获得类似的结构，任意数量的复杂结构或凸起阵列能够快速便宜地成型。进一步，在各个凸起设置为单独的材料时，相较于可塑顿锻的止动器，凸起的阵列形成的最后的止动器的刚性和材料特性受到严格控制且是已知的。进一步，用于构造具有连接其上的凸起的金属垫圈层的安装工序快速，且容易改变，以根据需要形成不同的凸起样式，不需要过度的费用和时间。进一步，用于形成具有连接其上的凸起的金属垫圈层的设备能够做到相对于用于形成铸造金属垫圈层的高吨位压型机尺寸相对较小、花费相对较少。另外，用于形成垫圈的各个层的压型机吨位越小，占用的空间相对于用于形成铸造止动器的压型机越小得多。

附图说明

当结合以下优选实施例及最佳方式、所附权利要求和附图的具体说明考虑时，根据本发明构造的垫圈以及其构造方法的这些和其它方面、特征以及优势将变得更容易理解，其中：

图1为根据本发明的一个方面构造的一种多层垫圈的部分拆开的平面视图；

图2为图1中的垫圈沿线2-2剖开的部分截面图；

图3为根据本发明的一个方面构造的图1中的垫圈的间隔层的部分透视视图；

图3A为图3中的间隔层的侧视图；

图4为根据本发明的另一方面构造的一种间隔层的部分透视视图；

图4A为图4中的间隔层的侧视图；

图5A-5D所示为根据本发明的另一方面构造的一种间隔层的一部分的平面视图；

图6A-6I所示为根据本发明的另一方面构造的一种间隔层的一部分的平面视图；

图7为根据本发明的另一方面构造的一种垫圈的类似于图2的视图；

图8为根据本发明的另一方面构造的一种垫圈的类似于图2的视图。

具体实施方式

更具体地参照附图，图1所示为根据本发明的一个方面构造的一种静态垫圈10的部分拆开的平面视图，所示为多层静态垫圈，以下简称为垫圈，其为实例而不具有限制作用。垫圈10可构造为汽缸头垫圈，接纳于发动机缸体和汽缸头(未示出)之间，但是其它密封应用也是能够预见的。垫圈10具有至少一个功能层，且在如图2所示的截面图中，为具有一对上下功能层12、14，其为实例而不具有限制作用，且如此处所示，为具有上下功能层12、14之间的中间间隔层16，其也为实例而不具有限制作用。功能层12、14设置为邻接间隔层16的相反的侧面18、20，这样间隔层16就夹在功能层12、14之间且与功能层12、14邻接，其中各个层12、14、16可保持独立，且能够相互分开，或者可相互固定，例如通过焊缝、敲弯钉头钉牢或者铆钉(未示出)，优选的是在垫圈10的最外缘处或附近。功能层12、14分别具有开口22，其尺寸能够与间隔层16上的开口24对齐，其中各个开口22、24分别相互轴向对齐，同时汽缸孔25密封。此外，功能层12、14和间隔层16具有多个相互对齐的另外的开口，例如在从汽缸孔25向外径向间隔的垫圈10的边缘区域，其中所述另外的开口可用作螺栓开口26以及冷却剂或油通道27，其为实例而不具有限制作用。功能层12、14分别具有一个或多个压缩球珠，例如从层12、14的大致平整的平面向外延伸的半和/或全压缩密封球珠28，以有利于围绕汽缸孔25和其它开口26、27形成不透气密封。为了进一步有利于围绕汽缸孔25和剩余的对齐的开口26、27形成良好可靠的不透气密封，间隔层16和/或功能层12、14的至少其中一个，以及图2中所示的间隔层16具有多个单独的、不连续的凸出的止动器，也称为凸起32，从至少其中一个侧面18、20向上且向外延伸，以防止过度压缩和压扁功能层12、14中的密封球珠28，其中图2中所示的间隔层16具有平面主体30，所述平面主体30由具有相反的侧面18、20的平面金属板构造。凸起32由单独的刚性金属块和单独的材料块从各个层上形成，凸起32单独地各自固定连接至各个层，所示为连接至间隔层16的金属板主体30，并通过连接接缝34固定至金属板主体30。凸起32的高度和形状防止围绕汽缸孔25延伸且在边缘区域的密封球珠28由于汽缸头(未示出)向汽缸体(未示出)加速而被完全压扁。因此，密封球珠28保证相对于功能层12、14的剩余部分对间隔层16保持基本不变的、高的且至少部分弹性的密封压力，从而提供并保持围绕汽缸孔25和其它对齐的开口26的不透气密封。

功能层12、14由具有弹性的金属构造，例如弹簧钢，且可设置为具有约0.1至0.3毫米的厚度，这仅为实例而不具有限制作用。功能层12、14可构造为在间隔层16的相反的侧面18、20上具有镜像的轮廓，每个功能层12、14具有前述的密封球珠，例如邻近汽缸孔25的全密封球珠28和在边缘区域延伸至外缘部分36的半球珠28，例如可提供邻近油或冷却剂开口27的不透液体的密封。

间隔层16的主体30和分别连接的凸起32可由相似或不相似的刚性金属材料构造，例如冷轧钢或弹簧钢，这仅为实例而不具有限制作用。鉴于主体30和凸起32最初都由单独的材料块构造，因此这是可行的。间隔层16可构造为具有根据需要任意需要的外缘形状，以适配配对的汽缸头和发动机缸体。类似地，凸起可成型为具有任意需要的高度(H)和外缘形状，取决于精确的负载特征需要。

通过确定垫圈10所需要的结构特征，具有所需高度(H)和外缘形状的各个凸起32定位在各个要固定于其上的层上，所示为间隔层板30，处于精确的所需位置，且通过连接接缝34固定在主体30上的适当位置。能够预见，最佳的连接工艺包括利用包括检流计激光焊接工艺(检流激光)的表面安装技术，以形成焊接的连接接缝34，以将凸起32固定在其精确位置。焊接工艺不仅精确地定位凸起32，而且保证凸起32保持其精确高度(H)和外缘形状不变形，从而保持其刚性和完整的功能性，以在使用中提供在垫圈层12、14、16上的预期压缩负载。因此，垫圈10上的压缩负载能够在使用中得以精确控制，且为任意预期挠曲分配占比，不论是由于紧固件还是热影响引起的膨胀/收缩所造成的。除了提供生产具有精确负载特征的垫圈的能力以外，检流激光焊接工艺还特别适用于将垫圈平台从一种变成另一种，因此经济实惠。进一步的经济性是由于速度，通过该速度，高速检流激光焊接工艺能够进行，其中，能够预见，在单一高速检流激光焊接装置上每小时可焊接高达约125,000个凸起32或更多。因此，固定至每个间隔层板30的各个凸起32基本同时相互固定。

如图3和3A所示，凸起32可提供为在间隔层16的特定区域内或在整个间隔层16上具有相同的高度(H)，或者如图4和4A所示，凸起32可提供为在间隔层16的任意所需的区域内具有相互之间不同的高度(H1、H2、H3......)。进一步，如图5A-5D所示，凸起可提供为具有任意需要的外边缘形状，所示为圆形、三角形、正方形和椭圆形，这仅为实例而不具有限制作用。当然，应当认识到，凸起32的高度(H)和外缘形状的任意组合可提供于间隔层主体30上的任意所需位置处。因此，在给定的应用中，仅仅通过将所需高度(H)和形状的凸起32固定至所需位置，了解预期性能特征，例如夹紧力、热影响和发动机变形，能够快速容易地在整个垫圈10上形成精确的负载分布。

在图6A-6I中，所示各种另外形状的凸起32围绕汽缸孔25固定。因此能够看出，实际上可根据需要提供凸起32的任意需要的形状，特别是考虑到通过各个连接接缝34将每个凸起32单独相互固定至主体30的能力。

在图7中，所示为根据本发明的另一方面构造的垫圈110，其中采用与以上所述相同的附图标记，相同的技术特征采用前缀1区别。

垫圈110成型为单一金属层，作为具有一个或多个压缩球珠的功能层112起作用，所述压缩球珠为例如半和/或全压缩密封球珠128，以有利于围绕待密封开口形成不透气密封，如上所述。垫圈110进一步包括多个单独的凸起的止动器，也称为凸起132，从层112的至少其中一个侧面向上和向外延伸，以防止过度压缩、压扁密封球珠128。如以上关于凸起32所述，凸起132从功能层112的材料由单独的刚性金属块形成，且通过形成为具有所需的高度(H)和外缘形状，凸起132然后通过连接接缝134固定至功能层112的材料。凸起132作用如上所述，以防止密封球珠128通过相互之间以夹紧的关系紧固所述构件而被完全压扁。应当认识到，功能层112可单独使用，或者与其它功能层一起，和/或与间隔层一起。

在图8中，所示为根据本发明的另一方面构造的垫圈210，其中采用与以上所述相同的附图标记，相同的技术特征采用前缀2区别。垫圈210结构上类似于垫圈10，但不是凸起232连接至间隔层216，而是凸起232连接至功能层212、214的至少其中一个，且所示为通过连接接缝234连接至上功能层212，以防止过度压缩密封球珠228。其它方面，垫圈210与以上所述关于垫圈10相同。

显然，本发明的许多修改或变型根据以上教导都是有可能的。因此，能够理解，在所附权利要求以及任何最终授权的权利要求的范围内，本发明可以不同于具体描述的方式进行实施。

Claims (21)

1.一种静态垫圈，包括：

至少一个具有相反的侧面和至少一个延伸穿过所述相反的侧面的贯通开口的金属层，所述至少一个金属层的至少其中一个具有围绕所述至少一个贯通开口延伸的凸出的环形密封球珠；和

多个凸起，从至少其中一个所述相反的侧面向外延伸，所述多个凸起从所述至少一个金属层由单独的金属块成型，且通过单独的连接接缝分别固定至所述至少一个金属层；

其中，通过检流计激光焊接工艺连接凸起，凸起的样式至少包括一块由点状凸起组成的凸起块，该凸起块及其中的凸起根据精确控制负载的需要而分布。

2.根据权利要求1所述的静态垫圈，其中，凸起块中凸起数量不少于52。

3.根据权利要求1所述的静态垫圈，其中所述至少一个金属层成型为具有形成于其中的所述凸出的环形密封球珠的单个金属层，且具有多个固定其上的凸起。

4.根据权利要求3所述的静态垫圈，其中所述多个凸起的至少其中一些具有从所述单个金属层向外延伸的相互不同的高度。

5.根据权利要求3所述的静态垫圈，其中所述多个凸起的至少其中一些具有相互不同的外缘形状。

6.根据权利要求1所述的静态垫圈，其中所述至少一个金属层包括至少一个金属功能层，其中形成有所述至少一个凸出的环形密封球珠，和单独的金属间隔层，所述多个凸起通过连接接缝固定至所述功能层和所述间隔层至少其中一个。

7.根据权利要求6所述的静态垫圈，其中所述金属间隔层具有相反的侧面，所述多个凸起通过所述连接接缝固定至所述间隔层的所述相反的侧面的至少其中一个。

8.根据权利要求6所述的静态垫圈，其中所述多个凸起邻近所述至少一个凸出的环形密封球珠固定于所述至少一个金属功能层。

9.根据权利要求1所述的静态垫圈，其中所述连接接缝为焊缝。

10.根据权利要求1所述的静态垫圈，其中所述凸起的至少其中一些具有相互不同的高度。

11.根据权利要求1所述的静态垫圈，其中所述凸起的至少其中一些具有相互不同的外缘形状。

12.一种构造静态垫圈的方法，包括：

提供至少一个具有相反的侧面和至少一个贯通开口的金属层，所述至少一个金属层的至少其中一个具有至少一个邻近所述至少一个贯通开口的凸出的环形密封球珠；和

将多个单独的金属块连接至邻近所述贯通开口的所述至少一个金属层的至少其中一个相反的侧面。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括提供所述至少一个金属层的至少其中一个为功能层，所述功能层具有至少一个形成于其中的凸出的环形密封球珠，和提供所述至少一个金属层的另一个为单独的间隔层，以及将所述多个单独的金属块连接至所述功能层和所述间隔层的至少其中一个。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述多个单独的金属块连接至邻近所述密封球珠的所述功能层。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述多个单独的金属块连接至所述间隔层。

16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过焊缝进行连接。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括利用检流激光焊接机形成焊缝。

18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过粘合剂进行连接。

19.根据权利要求12所述的方法，进一步包括提供至少其中一些金属块具有相互不同的高度。

20.根据权利要求12所述的方法，进一步包括提供至少其中一些金属块具有相互不同的外缘形状。

21.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将所述多个单独的金属块基本同时连接至所述至少一个金属层。