CN1180178C - 金属垫圈 - Google Patents

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Abstract

一种金属垫圈能在燃烧室孔的整个周边提供充分的密封性能，而且能避免运行期间套筒的轴向热膨胀损坏支撑套筒下端的气缸体上的台阶，气缸孔圆度的损害，铸铁套筒的下沉，和紧固螺栓之间的压力泄漏，其中，燃烧室孔(12)侧上的垫板(14)的端部位于外周边位置(OL1)的径向向外的铸铁套筒(2)的上端表面上，较远离前述燃烧室孔(12)的垫板(14)的端部位于离开气缸体(1)中水套(4)的外周边线OL2的燃烧室孔(12)侧，一部分半圆沿口(13)设置在铸铁套筒(2)的上端表面。

Description

金属垫圈
技术领域
本发明涉及一种金属垫圈，该垫圈包括一个基板和一个比基板薄的垫板，所述基板具有一个位于其中的燃烧室孔周边周围的沿口，所述垫板层压在基板上。
背景技术
现有技术这种类型的金属垫圈，例如如图21所示，包括一个基板a和一个比基板薄的垫板d，所述基板中有一个燃烧室孔b，所述垫板层压在位于燃烧室孔b周边周围的基板的有限区域上(位于基板沿口c的燃烧室孔侧)；如图22所示，包括两个基板a和一个插在它们之间的垫板d；如图23所示，包括两个基板a和插在它们之间的一个垫板d和一个副板e，燃烧室孔b侧上的垫板d被向后折叠以便覆盖副板e的边缘。
在这些金属垫圈的任何一种中，形成围绕燃烧室孔b周边的有限区域，以便与垫圈的其它区域相比具有最大的总厚度，因此当金属垫圈插在气缸盖和气缸体之间的接合面之间，而且通过紧固螺栓固定气缸盖和气缸体时，表面压力集中在围绕燃烧室孔b周边的有限区域上，从而给气缸孔的边缘施加一最大载荷用以密封。
图24表示应减轻发动机重量的要求而近来通常采用的铝制气缸体。气缸体1具有一个圆柱状的铸铁套筒2，例如被压配到气缸体1中的气缸孔中，而且其下端由形成在气缸体1上的台阶3支撑，这是从缸孔的耐久性和耐磨性的观点考虑的。为了提高冷却水冷却发动机的效率，在近来先进的加工技术等的帮助下使套筒2尽可能地薄(约2～5mm)，其中冷却水位于形成在气缸体1中的水套4中。
但是，当将金属垫圈插在气缸体1和气缸盖(未示出)的接合面之间，并且用紧固螺栓固定气缸体1和气缸盖时，会出现下述问题：
运行期间，气缸孔侧上的铸铁套筒2被加热到高温，从而将热传导给与套筒2接触的铝制气缸体1，因此被冷却。由于在气缸孔侧产生极大量的热量，由于温度差和因此产生的套筒2和气缸体1之间的体积膨胀，没有冷却结构的套筒2将轴向热膨胀，从而趋向于从气缸体1的上面向外突出。
因此，由于金属垫圈包括加厚区域，其中加厚区域包括围绕其中的燃烧室孔b的周边的有限区域和垫板d，垫板d层压在所述有限区域上，以便将最大载荷施加给气缸孔的边缘，所以加厚区域被套筒2的上端推压，从而在紧固螺栓的附近、特别是套筒2周边的高表面压力区域中产生过度的表面压力。结果，支撑薄套筒2下端的气缸体1上的台阶将会不希望地断裂。另外，套筒2由于其周边(在各螺栓附近和各螺栓之间的区域中)非常不均匀的表面压力而变形，从而损害了气缸孔的圆度。
即使当气缸体1上的台阶没有破裂时，当台阶3的面积小时套筒2也会下沉。另外，当气缸盖具有低的刚度时，套筒2会向上推气缸盖，从而会引起从紧固螺栓之间的压力泄漏。
代替如上所述具有压入气缸孔的铸铁套筒的发动机，近来开始使用所谓的全铝发动机，其中铝制气缸体具有直接成形的气缸孔，其内周表面(铝表面)通过电镀等涂敷有一金属、陶瓷或树脂薄膜，以确保耐久性。
这种全铝发动机能避免上述铸铁套筒的缺陷。它重量轻并具有高的热传导性。因此，这提高了气缸体水套中的冷却水冷却发动机的效率。
但是，对于全铝发动机，与压配有铸铁套筒的气缸体相比，气缸孔的边缘具有较低的刚度。因此，由于金属垫圈已经在燃烧室孔b的周边形成了加厚区域，其中加厚区域通过将垫板d层压在围绕燃烧室孔b周边的基板上而形成，以便将最大载荷施加给气缸孔的边缘，所以气缸孔的边缘周围将由于最大载荷而变形，从而难以保证气缸孔的圆度。
本发明用于消除这些缺陷。本发明的目的是提供一种金属垫圈，该垫圈能通过燃烧室孔的整个周边提供充分的密封性能，而且当和压配有铸铁套筒的发动机一起使用时，避免了由于运行期间铸铁套筒的轴向热膨胀而引起的困难，即在套筒下端支撑套筒的气缸体上台阶的断裂，气缸孔圆度的损害，套筒的下沉，和紧固螺栓之间的压力泄漏，而且当用在全铝发动机中时，能确保气缸孔的圆度完好。
发明公开
本发明提供了一种金属垫圈，该垫圈包括一个基板和一个层压在基板上比基板薄的垫板，所述基板具有一个位于其中的燃烧室孔周围的沿口，金属垫圈适合插在气缸盖和气缸体的接合面之间并通过穿过气缸盖和气缸体的紧固螺栓固定，以密封在接合面之间，其中：
位于燃烧室孔侧上的垫板的一边缘设置在燃烧室孔的径向向外处并与燃烧室孔间隔开，远离该燃烧室孔的垫板的一边缘位于离开螺栓插入孔的燃烧室孔侧上，以便避开形成在各螺栓插入孔和沿口之间的水孔，其中螺栓插入孔位于形成在沿口外侧的基板中，螺栓插入孔之间的燃烧室孔侧上的垫板的边缘部分靠近燃烧室孔设置，各螺栓插入孔附近的垫板的边缘部分稍靠近燃烧室孔设置。
根据本发明，由于在层压垫板的燃烧室孔周边的加厚区域和垫圈的其它较薄区域之间的厚度差，表面压力集中在燃烧室孔的周边上。因此，最大载荷作用在气缸边缘周围，该处的密封条件最严峻。另外，基于压缩变形沿口的弹性的密封压力密封可能存在的高温高压燃烧气体，从而通过燃烧室孔的整个周边提供充分的密封性能。
由于燃烧室孔侧上的垫板的边缘位于燃烧室孔的径向向外侧，所以没有最大载荷作用在气缸孔的低刚度周边处。结果，当所述垫圈和全铝发动机一起使用时，可以防止气缸孔的边缘周围变形，从而充分保证气缸孔的圆度。
在这种情况中，可以如此设置薄板，以便螺栓插入孔之间的燃烧室孔侧上的垫板的边缘部分靠近燃烧室孔设置，各螺栓插入孔附近的垫板的边缘部分稍靠近燃烧室设置，从而使作用在气缸孔整个边缘周围的表面压力均匀。
当垫圈用在一种发动机中时，其中该发动机的气缸体中装有铸铁套筒，燃烧室孔侧上的垫板边缘可以设置在铸铁套筒上端外周边的径向向外侧，而且至少部分沿口可以设置在套筒的上端，为得是有利地避免否则将会由运行期间套筒的轴向热膨胀所引起的下述困难：支撑套筒下端的气缸体上台阶的断裂，气缸孔圆度的损害，套筒的下沉，和紧固螺栓之间的压力泄漏。
另外，对于压配有铸铁套筒而且气缸孔之间间隔大的发动机，可以使用一种包括若干沿口的金属垫圈，所述沿口在离开燃烧室孔的径向向外方向上彼此隔开，以便最接近燃烧室孔的若干沿口中的一部分或全部被设置在压入发动机的铸铁套筒的上端。
附图的简要描述
图1是本发明一实施例的金属垫圈的基本部分的解释性平面图；
图2是沿图1中A-A线的垫圈的剖视图；
图3是本发明另一实施例的解释性剖视图；
图4是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图5是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图6是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图7是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图8是本发明另一实施例的解释性剖视图；
图9是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图10是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图11是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图12是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图13是本发明另一实施例的解释性剖视图；
图14是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图15是沿图14中A-A线的垫圈的剖视图；
图16是全铝气缸体的一解释性剖视图；
图17是本发明另一实施例的解释性剖视图；
图18是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图19是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图20是本发明又一实施例的解释性剖视图；
图21是现有技术的金属垫圈的解释性剖视图；
图22是另一现有技术的金属垫圈的解释性剖视图；
图23是又一现有技术的金属垫圈的解释性剖视图；
图24是装有铸铁套筒的铝制气缸体的解释性剖视图。
实施本发明的最佳方式
现在参照附图描述本发明的实施例。
图1是作为本发明一实施例的金属垫圈的基本部分的解释性平面图。图2是沿图1中A-A线的剖面图。图3-13和17-20是本发明另一实施例的解释性剖面图。图14是本发明另一实施例的解释性剖面图。图15是沿图14中A-A线的剖面图。图16是全铝气缸体的解释性剖面图。以一插在铝制气缸体和气缸头之间的金属垫圈为例来解释说明这些实施例。装有铸铁套筒的铝制气缸体类似于图24中的气缸体。附图中类似的参考标号表示相应的元件。
参考图1和2，金属垫圈10包括一个基板11和一个比基板11薄的垫板14，所述基板具有一个围绕形成在其中的各燃烧室孔的周边的半圆沿口(full bead)13，所述垫板层压在基板11的半圆沿口13的凹入侧上。水孔15围绕基板11的半圆沿口13的周边形成在铝制气缸体1中，与水套4对应。螺栓插入孔16和油孔17形成在水孔15周围。
在此实施例中，如此设置垫板14，以便其位于燃烧室孔12侧上的边缘位于铸铁套筒2上端的外周边OL1的外侧，其中套筒2装入气缸体1中的气缸孔中，远离前述燃烧室孔12的另一边缘位于离开气缸体1中水套4的外周边线OL2的燃烧室孔12侧，不包括水孔15处。半圆沿口13局部地设置在套筒2的上端。因此，垫板14层压在基板上的垫圈区域具有比垫圈的其它区域的厚度大的厚度。远离燃烧室孔12的垫板14的边缘可以稍位于气缸体1中水套4的外周边线OL2外侧，但它最好位于远离外周边线OL2的燃烧室孔12侧，这是从降低材料成本的观点考虑的。
当将这种金属垫圈插在气缸体1和气缸盖之间，并且用紧固螺栓将气缸体1和气缸盖固定时，半圆沿口13沿其厚度方向被压缩并变形。当固定好后，由在套筒2上端处压缩并变形的半圆沿口13的弹性所引起的密封压力在第一阶段密封可能存在高温高压燃烧气体。另外，由于垫圈的加厚区域和其它较薄区域之间的厚度差，表面压力集中在燃烧室孔12中套筒2的周边周围，其中加厚区域包括燃烧室孔12周边周围的层压垫板14。因此，最大载荷作用在气缸孔的边缘周围，该处的密封条件最严峻。因此，基于压缩变形的半圆沿口13的弹性的密封压力在第二阶段密封高温高压燃烧气体。因此，通过燃烧室孔12的整个周边提供了令人满意的密封性能。
由于在该实施例中，垫板14设置在套筒2上端的外周边OL1外侧，而且半圆沿口13局部地设置在套筒2上端，在套筒2上端和气缸盖的顶部之间形成的间隔等于垫板14的厚度。因此，即使当套筒2由于体积膨胀差而轴向热膨胀，并且套筒2上端从气缸体1的顶部向上突出，从而向上推基板11时，使用间隙中半圆沿口13的局部弹性由基板11的弹性变形吸收压力，其中所述体积膨胀差基于运行期间出现的套筒2和气缸体1之间的温度差。因此可以防止过高的表面压力出现在紧固螺栓附近，特别是套筒2周边的高表面压力区域中。结果，避免了支撑薄套筒2下端的气缸体1上台阶3的断裂。
没有过高的表面压力沿套筒的周边方向作用在套筒2上，这防止了由例如出现在现有技术中的套筒2的变形而引起的对气缸孔圆度的损害。即使当气缸体1上台阶3的面积小时，也能防止套筒2下沉。另外，当气缸盖的刚度低时，套筒2不会向上推气缸盖，而且因此在紧固螺栓之间不会产生压力泄漏。
当套筒2冷却并收缩，同时发动机停止运行时，通过半圆沿口13的弹性使压靠套筒2上端的基板11复位，以与套筒2的收缩一致，其中半圆沿口13局部地设置在套筒2的上端。
尽管在该实施例中，具有一个沿口的基板11是作为示例，但如图3所示，在燃烧室孔22侧上的基板21的边缘处可以设置一个阶梯状沿口23，在远离燃烧室孔22的阶梯状沿口23侧上可以设置一个半圆沿口13，因此阶梯状沿口23可以位于套筒2的上端。尽管在该实施例中，垫板14是作为示例，但可以如此形成垫板14以便完全沿半圆沿口13的凹面形状延伸，如图4所示。
参照图5至20，下面将描述作为本发明其它实施例的金属垫圈。
图5和6表示具有三层结构的一种金属垫圈。图5的金属垫圈包括图2的垫圈和一个比垫板14薄的板30，该板30层压在垫板14的下表面，燃烧室孔12侧上的薄板30的一边被向后折叠以便覆盖燃烧室孔12侧上的基板11的边缘。图6的金属垫圈包括图3的金属垫圈和一第二基板21，该基板的形状和图3金属垫圈的基板21的形状相同并设置在垫板14的上表面上，以便和图3垫圈的基板对称，因此垫板14被保持在两个基板21之间。
图7至12表示具有四层结构的金属垫圈，其包括两个基板、一个垫板和一个用以调节整个垫圈厚度的副板。图7的金属垫圈包括图2的垫圈，副板40设置在图2金属垫圈的垫板14的下表面上，如此设置第二基板11以便它朝向和图2基板11方向相同的方向，第二基板11的形状和图2垫圈的基板11的形状相同。图8的金属垫圈包括图7金属垫圈的一种型式，其中上基板11和下基板11对称设置。
图9的金属垫圈包括图6的金属垫圈和一副板40，板40设置在图6的上基板21和垫板14之间。图10的金属垫圈包括图9金属垫圈的一种型式，其中垫板14层压在一个凹槽41中，凹槽41形成在副板40(的上表面)上，其中凹槽的深度约为垫板14厚度的一半，向下突出的区域42的厚度约等于垫板14厚度的一半。图11的金属垫圈包括图10金属垫圈的一种型式，其中上基板21如此设置，以便朝向和下基板21方向相同的方向。根据图10和11的金属垫圈，垫板14从副板40的上表面向上突出的量等于其厚度的一半，向下突出的区域42从副板40的下表面向下突出的量等于垫板14厚度的一半。因此，平衡了垫板14产生的上、下表面压力集中效应。图12的金属垫圈包括图9金属垫圈的一种型式，其中形成在最靠近燃烧室孔22的基板21上的两种沿口13和23的整个阶梯状沿口23设置在铸铁套筒2的上端上方。
图13表示一种具有5层结构的金属垫圈。它包括图11垫圈的一种型式，其中垫板14层压在副板40上表面上的凹槽51中，其中凹槽的深度等于垫板14的厚度，而且向下突出的区域52设置在副板40的下表面上，其中突出区域52的厚度和垫板14的相同。图13的垫圈还包括一第二副板50，该板设置在上述第一副板40和上基板21之间。图6和图9至13的金属垫圈特别适合气缸孔之间间隔大的气缸。
图14和15表示特别适合于全铝发动机的金属垫圈。如图16所示，全铝发动机包括通过电镀等形成在气缸孔内周(铝)表面的一金属、陶瓷或树脂薄膜63，它直接设置在铝制气缸体61中，为得是确保耐久性。在图16中，参考标号62表示水套，标号64表示螺栓孔。
金属垫圈100包括一个基板101和一个比基板101薄的垫板104，所述基板具有一个形成在各燃烧室孔周边的半圆沿口103，所述垫板层压在基板101的半圆沿口103的凹入侧上。水孔105围绕半圆沿口103形成在基板101中，与气缸体61中的水套62对应。用于紧固螺栓的螺栓插入孔106形成在水孔105周围，与气体体61中螺栓插入孔64对应。油孔107形成在螺栓插入孔106周围。
在此实施例中，如此设置垫板104，以便其位于燃烧室孔102侧上的边缘位于燃烧室孔102的径向向外侧，其远离前述燃烧室孔12的另一边缘位于离开气缸体61中水套62的外线OL3的燃烧室孔102侧，不包括水孔105处。因此，层压垫板104的区域具有比垫圈其它部分的厚度大的整体厚度。距离燃烧室孔102较远的垫板104的边缘可以位于气缸体61中水套62的外线OL3的稍靠外侧，但它最好位于离开外线OL3的燃烧室孔102侧，这是从降低使用材料的成本考虑的。
螺栓插入孔106之间燃烧室孔102侧上的垫板104的边缘部分靠近燃烧室孔102设置。各螺栓插入孔106附近的垫板104的边缘部分稍靠近燃烧室孔102设置。离燃烧室孔最近和最远的燃烧室孔102侧上的垫板边缘上的位置110和111都在半圆沿口103的范围内。
当将这种金属垫圈插在气缸体61和气缸盖之间，并且用紧固螺栓将气缸体61和气缸盖固定时，半圆沿口103沿其厚度方向被压缩并变形。当固定好后，基于变形半圆沿口103的弹性的密封压力在第一阶段密封可能存在高温高压燃烧气体。由于垫圈的加厚区域和其它部分之间的厚度差，表面压力集中在燃烧室孔102的周围，其中加厚区域为层压垫板104的燃烧室孔102周围的加厚区域，因此最大载荷作用在气缸孔的边缘周围，该处的密封条件最严峻。因此，基于压缩变形的半圆沿口103的弹性的密封压力在第二阶段密封高温高压燃烧气体。这通过燃烧室孔102的整个周边提供了充分的密封性能。
在该实施例中，燃烧室孔102侧上垫板104的边缘位于燃烧室孔102的径向向外侧。这防止最大载荷作用在低刚度的气缸孔的边缘周围。结果，防止了气缸孔的边缘周围变形，从而使气缸孔的圆度保持完好。
在较低的表面压力作用之处、螺栓插入孔106之间的燃烧室孔102侧上的垫板104的边缘部分靠近燃烧室孔102设置，而在表面压力较高之处、各螺栓插入孔106附近的垫板104的边缘部分离燃烧室孔102较远地设置。因此，作用在气缸孔边缘周围的表面压力变得均匀。
图17的金属垫圈包括图15的金属垫圈和设置在其垫板104下方的一第二基板101，第二基板101和图15的基板对称，垫板104设置在两个基板101之间。图18的金属垫圈包括图17的金属垫圈和一个副板120，该副板设置在图17垫圈的垫板104的上表面上。图19的金属垫圈包括图18的金属垫圈和一个第二副板120，该副板设置在图18垫圈的垫板104的下表面上，以便垫板104设置在两个副板120之间。图20的金属垫圈特别适合于两个缸孔之间间隔大的气缸。它包括一个垫板104和一个设置在两个基板101之间的副板120，阶梯状沿口113设置在燃烧室孔102侧上各基板103的边缘处，半圆沿口103设置在远离燃烧室孔102的各阶梯状沿口113侧上。
尽管在图14、15和17至20的各金属垫圈中采用了下述设置，即螺栓插入孔106之间燃烧室孔102侧上的垫板104的边缘部分靠近燃烧室孔102设置，而各螺栓插入孔106附近的垫板104的边缘部分稍靠近燃烧室孔102设置，但是在图1至13的金属垫圈中可以采用相似的设置。
工业应用
从上面的描述可以显然知道，根据本发明，通过燃烧室孔的整个周边提供了足够的密封性能。另外，防止最大载荷作用在全铝发动机的气缸孔的低刚度的边缘周围。因此防止气缸孔的边缘周围变形，从而保证气缸孔的圆度完好。
当垫板如此设置，以便螺栓插入孔之间燃烧室孔侧上的垫板的边缘部分靠近燃烧室孔设置，而各螺栓插入孔附近的垫板的边缘部分稍靠近燃烧室孔设置时，作用在气缸孔边缘周围的表面压力变得均匀。
当燃烧室孔侧上的垫板边缘设置在铸铁套筒上端外周边的径向向外侧，而且一部分或全部沿口设置在装入发动机气缸体的铸铁套筒的上端时，可以有利地避免否则将会由运行期间套筒的轴向热膨胀所引起的下述困难：支撑套筒下端的气缸体上台阶的断裂，气缸孔圆度的损害，套筒的下沉，和紧固螺栓之间的压力泄漏。
另外，对于压入铸铁套筒和缸孔之间间隔大的发动机，可以使用包括若干沿口的金属垫圈，以便最接近燃烧室孔的一部分或全部沿口位于压入发动机的铸铁套筒的上端，其中所述若干沿口在离开燃烧室孔的径向向外方向彼此隔开设置。

Claims (3)

1.一种金属垫圈，包括一个基板和一个层压在基板上比基板薄的垫板，所述基板具有一个位于其中的燃烧室孔周围的沿口，金属垫圈适合插在气缸盖和气缸体的接合面之间并通过穿过气缸盖和气缸体的紧固螺栓固定，以密封在接合面之间，其特征在于：
位于燃烧室孔侧上的垫板的一边缘设置在燃烧室孔的径向向外处并与燃烧室孔间隔开，远离该燃烧室孔的垫板的一边缘位于离开螺栓插入孔的燃烧室孔侧上，以便避开形成在各螺栓插入孔和沿口之间的水孔，其中螺栓插入孔位于形成在沿口外侧的基板中，并且螺栓插入孔之间的燃烧室孔侧上的垫板的边缘部分靠近燃烧室孔设置，各螺栓插入孔附近的垫板的边缘部分稍靠近燃烧室孔设置。
2.根据权利要求1所述的金属垫圈，其特征在于：燃烧室孔侧上的垫板边缘设置在铸铁套筒上端外周边的径向向外侧，而且至少部分沿口可以设置在套筒的上端，其中铸铁套筒装入气缸体的气缸孔中。
3.根据权利要求2所述的金属垫圈，其特征在于：若干这样的沿口在离开燃烧室孔的径向向外方向上彼此隔开设置，而且最接近燃烧室孔的若干沿口中的一部分或全部设置在套筒的上端。
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