CN106030166A - 具有半止挡件的垫圈组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种垫圈，其用于在内燃机的部件之间，例如围绕内燃机腔体开口，提供气密和液密密封。该垫圈包括功能层，功能层具有与内燃机腔体开口间隔开的整个凸起。止挡层邻近内燃机腔体开口附接到功能层。在将止挡层附接到功能层之后，在功能层和止挡层中邻近内燃机腔体开口处同时形成半个凸起。对准的半个凸起一起被称为半止挡件。在垫圈被压置于内燃机的两个部件之间时，半止挡件保持止挡层上的负荷、限制M1凸起上的压缩，并且防止整个凸起受燃烧气体影响。

Description

具有半止挡件的垫圈组件及其制造方法

本申请要求2014年1月17日提交的美国临时申请第61/928,664号以及2015年1月16日提交的美国专利申请第14/598,547号的优先权，其全部内容在此通过引用而并入本文。

发明领域

本发明主要涉及用于在内燃机的部件之间提供密封的垫圈及其制造方法。

背景技术

垫圈典型地用于在两个被压置在一起的部件之间的气体和流体密封，所述部件例如为内燃机的气缸盖和发动机机体。这种垫圈通常包括也被称为密封珠承(seal bead)的具有凸起的功能层以便于紧密密封。具有凸起的功能层可选择地被一层或者多层其他功能层或间隔层压缩，以实现气密和液密密封。然而，当夹紧位于气缸盖和发动机机体之间的垫圈时，由过渡压缩会对凸起造成损伤。如果凸起大体上是平的，凸起就不能发挥其施加高压缩密封压力的能力，并且在凸起区域会形成疲劳裂纹。因此，在气缸盖垫圈中典型地包含平坦的止挡器，以限制气缸盖和发动机机体之间凸起的压缩。该止挡器典型地是与凸起间隔开的单独元件。

费德罗-莫格尔(Federal-Mogul)已经引入了包括止挡器的高性能的气缸盖垫圈以及高强度、动态凸起技术。由费德罗-莫格尔提供的一种示例性垫圈包括一对功能层，每层功能层包括整个凸起。每个整个凸起呈现出面朝另一整个凸起的凸面。邻近该完整凸起，平坦的止挡器被焊接到其中一层功能层上。被称作为的半个凸起形成在另一功能层中并且与止挡器轴向对准。该半个凸起朝着止挡器在与整个凸起相同的方向上向内延伸。该半个凸起在负荷和联合动力(诸如缸盖抬升)下依然保持止挡器上的负荷。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种垫圈，该垫圈包括功能层和止挡层，用于密封内燃机的部件。该功能层从环绕第一开口的第一边缘径向延伸到第二边缘。该功能层包括布置在第一边缘和第二边缘之间的完整凸起，以及布置在第一边缘和完整凸起之间的半个凸起。该止挡层被附接到第一边缘和完整凸起之间的功能层。该止挡层还包括与功能层的半个凸起对准的半个凸起。

本发明还提供了一种制造用于密封内燃机的部件的垫圈的方法。该方法包括提供从环绕第一开口的第一边缘径向延伸到第二边缘的功能层；以及在位于第一边缘和第二边缘之间的功能层中形成整个凸起。该方法还包括邻近第一边缘将止挡层附接到功能层。在将止挡层附接到功能层之后，该方法包括在功能层中形成半个凸起，同时在止挡层中形成与功能层的半个凸起对准的半个凸起。

本发明提供的垫圈能够以实质单层，即接合到功能层的止挡层，以及通过单个处理步骤，实现高强度、动态凸起技术。当该垫圈压置于内燃机的部件之间时，半个凸起保持止挡层上的负荷、限制整个凸起的压缩，并且防止整个凸起受燃气的影响。

附图说明

结合附图并参照下面详细的叙述，更易于理解本发明的其他优点。其中：

图1为根据本发明的一种示例性实施方式的垫圈组件的径向截面侧视图；

图2为气缸盖垫圈的透视分解图，该气缸盖垫圈包括根据一种示例性实施方式的、布置在内燃机的气缸盖和发动机机体之间的垫圈组件；

图3为被压置在气缸盖和发动机机体之间的、图1所示垫圈组件的径向截面侧视图；

图4-7为根据本发明的其他示例性实施方式的垫圈组件的径向截面侧视图；

图8为比较性的垫圈组件的径向截面侧视图。

具体实施方式

参见图1，大体上示出了用于在两个部件之间提供气体和流体密封的垫圈组件20。该垫圈组件20包括功能层22和止挡层28，功能层22包括与诸如燃烧室开口的第一开口26间隔开的整个凸起24，止挡层28布置在第一开口26和整个凸起24之间。止挡层28和功能层22中的每一层均包括位于第一开口26和整个凸起24之间的半个凸起30、32，它们一起被称作半止挡件34。在单个工艺步骤中形成半止挡件34，并且当垫圈组件20被压置在两个部件之间时，半止挡件34限制整个凸起24上的压缩。因此，垫圈组件20能够以实质的单层和单个工艺步骤实现高强度、动态的凸起技术。在图2中示出了一种包括垫圈组件20的示例性气缸盖垫圈36。在图3中示出了被压置在两个部件之间的垫圈组件20的放大图。在图4-7中示出了其设计不同于图1所示设计的其他示例性垫圈组件20。图8示出了包括之前开发的特征的比较性垫圈组件。

图1的垫圈组件20典型地与其他层结合使用，从而提供多层静态垫圈，诸如图2所示的气缸盖垫圈36。气缸盖垫圈36在诸如气缸盖38的第一部件和诸如内燃机的发动机机体40的第二部件之间提供紧密的气体和流体密封。然而，垫圈组件20能够选择性地用在其他垫圈应用中，诸如那些典型地采用凸起和止挡器的应用。该垫圈组件20还可以在没有其他层的情况下单独使用。

垫圈组件20的功能层22典型地由钢，诸如完全淬化的弹簧钢，或其他柔性金属形成。垫圈组件20的功能层22可以选择性地由橡胶或者其他非金属材料形成。功能层22包括第一边缘42，该第一边缘42呈现第一开口26，用于与发动机机体40的孔口开口44对准。当垫圈组件20被用在气缸盖垫圈36中时，垫圈组件20典型地呈现四个第一开口26，如图2所示。功能层22还典型地包括第二边缘46，第二边缘46呈现第二开口48，用于与气缸盖38和发动机机体40的第二开口49对准。发动机机体40的第二开口49能够用作螺栓孔或者用作油或冷却液通道。当垫圈组件20被用在气缸盖垫圈36中时，垫圈组件26包括多个第二开口48。

垫圈组件20的功能层22包括上表面50和相对的下表面52，上表面50和下表面50之间呈现一定的厚度t₁，如图1所示。当垫圈组件20被用于形成气缸盖垫圈36时，上表面50朝向气缸盖38，并且下表面52朝向发动机机体40。选择性地，垫圈组件20可以是翻边的，以使得上表面50朝向发动机机体40，并且下表面52朝向气缸盖38。功能层22的厚度t₁较优地从第一开口26到第二开口48以及整个功能层22上是一致的。然而，由于钢厚度误差，功能层22的厚度t₁在第一开口26和第二开口48之间可以略微地改变。在一种实施方式中，功能层22的厚度t₁从大约0.1mm到大约0.3mm。

如图1所示，功能层22包括也被称为整个珠承的整个凸起24，其布置在第一开口26和第二开口48之间。当垫圈组件20被压置于两个部件之间时，该整个凸起24周向地延伸并且连续地环绕第一开口26，而且促进第一开口26周围的密封。当垫圈组件20被用在气缸盖垫圈36中时，整个凸起24为发动机机体40的孔口开口44提供气密和液密密封。

沿着整个凸起24，上表面50呈现凸出形状并且下表面52呈现凹进形状。如图1所示，整个凸起24相对于功能层22的上表面50的邻近部分向外延伸。功能层22的上表面50和下表面52围绕整个凸起24的整个周边典型地是平坦的。换言之，功能层22在环绕整个凸起24的区域典型地是平的。布置在整个凸起24和半个凸起30之间的上表面50的平坦部分和下表面52的平坦部分一起被称为第一平坦区54。布置在半个凸起30和第一边缘42之间的上表面50的平坦部分和下表面52的平坦部分一起被称为第二平坦区56。当垫圈组件20被用在气缸盖垫圈36中时，功能层22的第一平坦区54和第二平坦区56平行于发动机机体40的上表面和气缸盖38的下表面。注意的是，虽然在描述功能层22的表面时使用了术语“上”和“下”，但是上表面50也可以布置在下表面52之下。

功能层22的半个凸起30径向地布置在第一边缘42和整个凸起24之间，并且与止挡层28的半个凸起32轴向对准。在图中所示的示例性实施方式中，功能层22在两个位置被弯曲，以形成半个凸起30。因此，半个凸起30相对第一平坦区54和第二平坦区56呈一定角度延伸。这样，上表面50和下表面52沿着第一平坦区54彼此平行。上表面50和下表面52沿着半个凸起30也是彼此平行，但相对于邻近的第一和第二平坦区54、56成一定角度布置。在示例性实施方式中，第一半个凸起30相对第一平坦区54和第二平坦区56以5-30度的角度延伸。

垫圈组件20包括止挡层28，止挡层28围绕第一开口26直接附接到功能层22，而在其间无其他层，如图1所示。止挡层28包括上表面58和相对的下表面60，该下表面60被附接到功能层22的上表面50。注意的是，虽然在描述止挡层28的表面58、60时使用了术语“上”和“下”，但是上表面58也可以布置在下表面60之下。

止挡层28的上表面58和下表面60围绕半个凸起32的整个周边典型地是平坦的。换言之，止挡层28在围绕半个凸起32的区域典型地是平的。布置在整个凸起24和半个凸起32之间的上表面58的平坦部分和下表面60的平坦部分一起被称为第一平坦区62。止挡层28的第一平坦区62与功能层22的第一平坦区54对准。布置在止挡层28的半个凸起32和第一开口26之间的、止挡层28的下表面60的平坦部分和上表面58的平坦部分一起被称为第二平坦区66。止挡层28的第二平坦区66与功能层22的第二平坦区56对准。当垫圈组件20用在气缸盖垫圈36中时，止挡层28的平坦上表面58和下表面60平行于发动机机体40的上表面和气缸盖38的下表面。

止挡层28的下表面60优选被激光焊接到功能层22的上表面50，但也可以利用其它方法附接。激光焊接后，例如因为弹性回复，在止挡层28和功能层22之间可能存在间隙，但该间隙将会在止挡层28和功能层22处于压缩状态下时闭合。止挡层28典型地由诸如钢或其它金属的金属形成。垫圈组件20的止挡层28可以选择性地由橡胶或其它非金属材料形成。

止挡层28还包括呈现第一开口26的第一边缘64。如图1所示，在第一开口26处的止挡层28的第一边缘64与在第一开口26处的功能层22的第一边缘42对准。止挡层28从第一开口26处的第一边缘64延伸到沿着功能层22的第一平坦区54位于半止挡件34和整个凸起24之间的第二边缘68。由止挡层28呈现的整个表面区域小于功能层22的整个表面区域。

止挡层28的下表面60和上表面58之间还呈现一定的厚度t₂。止挡层28的厚度t₂小于功能层22的厚度t₂。在图1的实施方式中，止挡层28的厚度t₂等于小于功能层22的厚度t₁。然而，止挡层28的厚度t₂和功能层22的厚度t₁可以根据应用而改变。

止挡层28的半个凸起32径向地布置在第一边缘64和整个凸起24之间，并且与功能层22的半个凸起30轴向对准。在图中所示的示例性实施方式中，止挡层28在两个位置弯曲以形成半个凸起32。因此，止挡层28的半个凸起32相对于第一平坦区62和第二平坦区66成一定角度延伸。这样，上表面58和下表面60沿第一平坦区62是平行的。上表面58和下表面60沿着半个凸起32也是彼此平行的，但相对于邻近的第二平坦区66成一定角度布置。在示例性实施方式中，止挡层28的半个凸起32的角度等于功能层22的半个凸起30的角度。因此，半个凸起32相对于第一平坦区62和第二区66的角度为大约5-30度。

如上所述，功能层22和止挡层28在单个工艺步骤中同时形成，以呈现轴向对准的半个凸起30、32，它们一起提供邻近第一开口26的半止挡件34。在止挡层28已经被接合到功能层22之后，该工艺步骤可以包括单一成形、切料或弯曲步骤。

如图所示，功能层22的半个凸起30直接布置在止挡层28的半个凸起32下方。典型地，止挡层28和功能层22在两个位置一起弯曲，以形成半个凸起30、32，它们一起形成半止挡件34。半止挡件34并不平行于邻近的平坦区54、56、62、66。在第一位置，止挡层28和功能层22以相同角度弯曲，其相对于第一平坦区54、62呈大约5-30度。在第二位置，止挡层28和功能层22也以相同角度弯曲，其相对第二平坦区56、66呈大约5-30度。在示例性实施方式中，第二位置比第一位置更靠近第一开口26。类似于整个凸起24，半个凸起30、32也围绕第一开口26连续地延伸。

在图1的实施方式中，半个凸起30、32和整个凸起24相对第一平坦区54、62在相同方向上向外且向上延伸。然而，半个凸起30、32和整个凸起24也可以相对第一平坦区54、62在相同方向上向外且向下延伸。在其他实施方式中，半个凸起30、32和整个凸起24每一个均相对第一平坦区54、62在相反的方向上向外延伸。

如图3所示，当垫圈组件20被用在气缸盖垫圈36中时，半止挡件34相对于发动机机体40的上表面和气缸盖38的下表面成一定角度延伸，直到被压缩为止，这样，半止挡件34可能变平。此外，当垫圈组件20被用在气缸盖垫圈36中时，第一平坦区54、62平行于发动机机体40的上表面和气缸盖38的下表面延伸。第二平坦区56、66还可以相对于发动机机体40的上表面和气缸盖38的下表面成一定角度延伸，如图3所示，但是，当被压缩时也可能变平，从而垫圈组件20围绕第一开口26是平的。

在气缸盖垫圈36使用垫圈组件20的过程中，半止挡件34保持由气缸盖38作用到止挡层28上的负荷，这限制了整个凸起24的压缩。半止挡件34还防止整个凸起24以及施加于整个凸起24上的任何保护性涂层(未示出)免受燃烧的影响。在某些实施方式中，保护性涂层为聚合物涂层并且布置到止挡层28的至少一个表面上以及功能层22的至少一个表面上，以便强化垫圈组件20的性能和耐用性。涂层的厚度小于止挡层28的厚度t₂。

在一种实施方式中，如图1所示，垫圈组件20包括仅形成在功能层22中的另外半个凸起70。该另外半个凸起70布置在整个凸起24和呈现第二开口48的第二边缘46之间。在图1的实施方式中，另外半个凸起70与形成在功能层22中的半个凸起30以及形成在止挡层28的半个凸起32镜像。第三平坦区72位于整个凸起24和另外半个凸起70之间，而第四平坦区74位于另外半个凸起70和第二开口48之间。另外半个凸起70相对于第三平坦区72和第四平坦区74成一定角度延伸。在图1的实施方式中，另外半个凸起70在与半止挡件34相同的方向上向外延伸，但也可以选择性地在与半止挡件34相反的方向延伸。

在将垫圈组件20压置于气缸盖38和发动机机体40之间以前，邻近第二开口48的功能层22的第四平坦区74与邻近第一开口26的功能层22的第一平坦区62对准且与之平行，如图1所示。然而，在将垫圈组件20压置于气缸盖38和发动机机体40之后，垫圈组件20失去了其平行性，如图3所示。

根据应用不同，包括半止挡件34和另外半个凸起70的垫圈组件20可以具有各种设计，替代如图1所示的设计。在图4-7中示出了替代的示例性设计。图4的垫圈组件120包括的设计类似于图1的垫圈组件20。在图5的垫圈组件220中，整个凸起224和另外半个凸起270在与半止挡件234相反的方向上延伸。在该实施方式中，整个凸起224和半个凸起270朝向发动机机体40延伸，而非朝向气缸盖38延伸。在图6的垫圈组件320中，整个凸起324和另外半个凸起370也在与半止挡件334相反的方向上延伸。在该实施方式中，半止挡件334朝向发动机机体40延伸，而非向气缸盖38延伸。在图7的垫圈组件420中，另外半个凸起470在与整个凸起424和半止挡件434相反的方向上延伸。在该实施方式中，半止挡件434和整个凸起424向气缸盖38延伸，而另外半个凸起470向发动机机体40延伸。为了对比的目的，图8中示出了包括的垫圈组件520。

本发明的另一方面提供了制造包括整个凸起24和半止挡件34的垫圈组件20的方法。该方法包括提供功能层22，该功能层22典型地是被冲压(blank)的。接着，止挡层28被附接到功能层22上，优选通过激光焊接。然而，其他方法也可以被用来将两层22、28接合到一起从而有效地形成单层。功能层22和止挡层28还进行二次冲压步骤。

该方法还包括在功能层22中形成整个凸起24以及在功能层22和止挡层28中形成半止挡件34。形成半止挡件34的步骤在单个步骤中进行，诸如通过在两个位置一起弯曲或成形功能层22和止挡层28，如上所讨论的。整个凸起24可以在半止挡件34之前或之后形成。该方法也可以包括在形成整个凸起24之前或之后，以及在形成半止挡件34之前或之后，在功能层22中形成另外半个凸起70。

该方法还可以包括在功能层22和止挡层28的露出表面上施加保护性涂层，例如通过喷涂的方式。施加涂层的步骤可以在二次冲压和成形步骤之前或之后进行。

如上所述，垫圈组件20可以作为单层垫圈或者静态多层气缸盖垫圈36的单层而单独使用。选择性地，垫圈组件20可以在其他类型的垫圈应用中使用，诸如典型地包括凸起和止挡件的任何应用。

显然地，根据上述教导可以具有许多变型和变化，并且这些变型和变化可以与具体描述的实施方式所不同的其他方式实施，但依然落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种垫圈，用于在内燃机的部件之间提供密封，其特征在于，所述垫圈包括：

功能层，所述功能层从环绕第一开口的第一边缘径向延伸到第二边缘；

所述功能层包括布置在所述第一边缘和第二边缘之间的整个凸起；

所述功能层包括布置在所述第一边缘和整个凸起之间的半个凸起；

止挡层，所述止挡层在所述第一边缘和整个凸起之间附接到所述功能层；并且

所述止挡层包括与所述功能层的半个凸起对准的半个凸起。

2.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于，其中所述功能层包括位于所述整个凸起和半个凸起之间的第一平坦区，以及位于所述半个凸起和第一边缘之间的第二平坦区；

所述功能层的半个凸起相对所述功能层的第一平坦区和第二平坦区成一定角度布置；

所述止挡层包括与所述功能层的第一平坦区对准的第一平坦区，以及与所述功能层的第二平坦区对准的第二平坦区；

所述止挡层的半个凸起相对所述止挡层的第一平坦区和第二平坦区成一定角度布置；以及

所述止挡层的半个凸起的角度与所述功能层的半个凸起的角度相等。

3.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于，其中所述半个凸起的角度为5-30度。

4.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于，其中所述功能层的半个凸起和整个凸起相对于所述功能层的第一平坦区在相同的方向上向外延伸。

5.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于，其中所述功能层的半个凸起和整个凸起中的每一个均相对所述功能层的第一平坦区在相反的方向上向外延伸。

6.根据权利要求2所述的垫圈，其特征在于，其中所述功能层包括布置在所述整个凸起和第二边缘之间的另外半个凸起。

7.根据权利要求6所述的垫圈，其特征在于，其中所述整个凸起和另外半个凸起相对于所述功能层的第一平坦区在相同的方向上向外延伸。

8.根据权利要求6所述的垫圈，其特征在于，其中所述整个凸起和另外半个凸起中的每一个相对所述功能层的第一平坦区在相反的方向上向外延伸。

9.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于，其中所述功能层包括上表面和相对的下表面；

所述止挡层包括上表面和相对的下表面；

所述功能层的各表面和所述止挡层的各表面沿着所述第一平坦区和第二平坦区彼此平行；并且

所述功能层的各表面和所述止挡层的各表面沿着所述半个凸起彼此平行。

10.根据权利要求9所述的垫圈，其特征在于，其中所述止挡层的下表面直接接合所述功能层的上表面。

11.根据权利要求9所述的垫圈，其特征在于，其中所述功能层的上表面和下表面之间呈现一定厚度；

所述止挡层的上表面和下表面之间呈现一定厚度；并且

所述功能层的厚度大于所述止挡层的厚度。

12.根据权利要求11所述的垫圈，其特征在于，所述垫圈包括涂层，所述涂层沿着所述止挡层的各表面中的至少一个和所述功能层的各表面中的至少一个布置，其中所述涂层的厚度小于所述止挡层的厚度。

13.根据权利要求9所述的垫圈，其特征在于，其中所述上表面沿着所述整个凸起呈现凸出形状，并且所述下表面沿着所述整个凸起呈现凹进形状。

14.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于，其中所述半个凸起围绕所述第一开口连续地延伸。

15.根据权利要求1所述的垫圈，其特征在于，其中所述整个凸起围绕所述第一开口连续地延伸。

16.一种制造垫圈的方法，所述垫圈用于在内燃机的部件之间提供密封，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供功能层，所述功能层从围绕第一开口的第一边缘径向延伸到第二边缘；

在所述第一边缘和第二边缘之间的功能层中形成整个凸起；

邻近所述第一边缘将止挡层附接到所述功能层；以及

在将所述止挡层附接到所述功能层之后，在所述功能层中形成半个凸起，同时在所述止挡层中形成与所述功能层的半个凸起对准的半个凸起。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述形成半个凸起的步骤包括使所述功能层和止挡层在两个位置弯曲，从而所述半个凸起相对于位于所述半个凸起与整个凸起之间的第一平坦区成一定角度布置，以及所述半个凸起相对于位于所述第一边缘与半个凸起之间的第二平坦区成一定角度布置。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，其中所述凸起的角度为5-30度。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述将止挡层附接到所述功能层的步骤包括将所述止挡层激光焊接到所述功能层。

20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述整个凸起和第二边缘之间、在所述功能层中形成另外半个凸起的步骤。