金属垫片的制作方法

专利名称：金属垫片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属垫片，尤其是涉及这样一种金属垫片，即该金属垫片被夹持在一个水冷式内燃发动机中汽缸体与汽缸盖的接合表面之间的接合处中，并且能够改善该接合处和垫片本身的冷却效果。
背景技术：
在旨在改善其间夹持有金属垫片的部件的冷却效果的常规金属垫片中，其中之一在日本已公开专利No.60-3465中进行了描述。
正如在图21和22中示出的那样，这种金属垫片包括一个基板50，该基板50由一块高刚度的弹性薄金属板制成，该基板50具有一个沿着一条密封线SL1形成的第一金属凸缘52(bead)，所述密封线SL1环绕在各个燃烧腔室开口51的内周边缘的周围。在基板50上，在第一金属凸缘52的外侧，沿着一条密封线SL2形成有一个第二金属凸缘55，所述密封线SL2将冷却水孔53包围起来，但是与螺栓孔54间隔开并且没有将螺栓孔54包围起来。附图标记56指代的是一个油孔，并且环绕油孔56的内周边缘形成有一条第三密封线SL3。
当这种金属垫片被安装在汽缸体60的接合表面与汽缸盖61的接合表面之间的接合处并且利用螺栓紧固起来时，金属凸缘52、55将根据紧固力发生弹性变形，燃烧腔室缸筒51中的燃烧气体由第一金属凸缘52线性密封起来，并且在两个金属凸缘52、55之间形成一个具有微小高度的间隙S，仅有冷却水孔53敞口于该间隙中。当发动机运转时，冷却水通过冷却水孔53被压送入间隙S内，并且由于冷却水的循环，接合表面和金属垫片本身得以冷却。另外，利用由于燃烧气体发生爆炸所产生的振动幅度的泵送作用，促进了冷却水流向间隙S。
通过发动机中夹紧螺栓的轴向拉力与抵制紧固操作的金属凸缘52、55的推力达到平衡，会由间隙空间S形成一个微小间隙。由于应用了由金属形成的线性密封(lineseal)，所以必须设定一个很高的密封系数来确保预期的密封性能，从而螺栓的轴向拉力必须被设定为较大，并且所述间隙趋于变小。
另外，在发动机工作所产生的热量的作用下，发动机会发生体积膨胀，增大紧固压力，并且随着温度升高，前述间隙缩小。在减小尺寸和重量、技术改进以及发动机能源节省方面已经取得了进步，并且铝正在被越来越多地用作用于发动机的材料。由于材料不同所造成的膨胀系数增大，所产生的一种趋势是变得难以确保前述间隙。
此外，在前述垫片上的凸缘结构中，如前所述那样，成形在基板50上的金属凸缘52、55必须产生出一个很高的表面压力。因此，必须采用一种高硬度材料，并且在坚硬的材料中，内应力会集中在金属凸缘52、55的弯曲半径部分，当经受由于振动幅度所产生的重复应力时，它们易于发生疲劳损坏，垫片的使用寿命缩短。
假设一部发动机由铝制成，那么将难以对铝进行铸造，并且在铸件中会出现砂眼。因此，当对接合表面进行处理时，位于接合表面上的相邻砂眼有时候会连接在一起。与此同时，常规的凸缘52、55用于进行线性密封，并且与接合表面发生金属-金属接触，因此所述砂眼将会延展，跨越线性密封起来的凸缘线，或者在工作过程中由于垫片和发动机的材料之间的膨胀差异会使得密封线发生移动，导致凸缘52、55被置于砂眼上，增大了水发生泄漏的机会。铝制发动机易于在运输过程中产生凹痕。这些凹痕会导致产生前述现象。
还有，由于基板50必须由一种高硬度材料制成，所以难以提高通过对基板50进行弯曲所形成的金属凸缘52、55的加工精度。
在其它常规的金属垫片中，其中之一在日本已公开专利No.2001-173791中予以披露。
正如在图23中所示出的那样，这种金属垫片包括两个基板50。换句话说，在两个基板50中较厚基板(上基板)的燃烧腔室开口51侧的内周端部处，形成有一个厚度增大部分52，凸缘53被成形在基板50上，各个均位于厚度增大部分52的外侧，并且其高度大于厚度增大部分52的高度，两个基板50被以这样一种方式层压在一起，即基板凸缘53的外凸侧面相互面对。还有，在金属凸缘53的朝外内凹部分中填充有弹性材料54。
这种金属垫片被置于汽缸盖与汽缸体上对置的接合表面之间，并且当它们被紧固在一起时，基板凸缘53受到压缩并发生变形，直至所述厚度增大部分在位于燃烧腔室开口的圆周边缘处压靠在对置的基板上，与此同时，填充在所述内凹部分中的弹性密封材料部分54受到压缩并发生变形，最终，利用一个密封压力将燃烧气体、油以及冷却水密封起来，所述密封压力来自于一个包括基板凸缘53的弹性力和弹性密封材料54的弹性力在内的合成弹性力。当然，某些常规的金属凸缘在它们的内凹部分中没有填充任何弹性密封材料，并且某些常规的金属凸缘由单块基板制成。
在这种常规的金属垫片中，当基板凸缘53和弹性密封材料部分54通过紧固螺栓而发生变形时，它们共同作用来产生出一个回弹力，由此沿着密封线产生出一个所需的密封压力。
但是，当为了防止基板凸缘53发生疲劳损坏和为了降低生产成本而利用低硬度金属板制取基板50时，在前述金属垫片中，当螺栓被紧固并且内凹部分中的弹性密封材料54在压缩作用下发生变形时，一个外力用于使得基板50和基板凸缘53发生变形，来沿着厚度方向发生翘曲。当基板50如前所述那样由低硬度金属制成时，凸缘的形状保持能力很低，并且基板的抗变形能力很弱，从而使得密封性能相应降低。
在由于发动机反复工作和停机所产生的重复载荷的作用下，在长时间使用之后，会产生某些问题，比如夹紧螺栓的轴向拉力下降，基板50上的基板凸缘53随时间而发生变形，或者所述凸缘的内凹部分中的弹性密封材料54质量下降；因此，密封表面压力很有可能下降。这些问题尤其在夹紧螺栓外侧的外伸部分上更为明显。
当弹性密封材料54通过在基板上的内凹部分中进行烘焙而形成时，即使弹性密封材料54在很高温度下被填充到内凹部分中，在后续的开式冷却过程中其体积会以热膨胀的量发生变化，弹性密封材料54上厚度最大的中部会以热收缩的量发生收缩。当表面压力如前所述那样下降时，这是不足之处。尤其是当垫片被安装在已经利用较弱的轴向紧固拉力装配起来的发动机中时，这种现象似乎更有可能发生。
本发明的概述本发明已经考虑了前述问题，并且其任务是提供这样一种金属垫片，该金属垫片能够改善金属凸缘的加工精度，并且增强金属垫片本身以及安装有该金属垫片的接合表面上的冷却效果。
为了解决前述问题，在权利要求1中陈述的本发明涉及这样一种金属垫片，该金属垫片包括一个由薄金属板制成的基板，该基板具有至少一个燃烧腔室开口和一个冷却水孔，并且具有一个由金属制成的第一厚度增大部分、一个形成于基板上的第一厚度增大部分外侧的第一凸缘以及一个形成于第一凸缘外侧的第二凸缘，所述第一厚度增大部分具有增加的厚度，并且环绕在所述燃烧腔室开口的圆周部分的周围，所述第一凸缘完整地环绕在所述燃烧腔室开口的周围，而所述第二凸缘完整地环绕在所述燃烧腔室开口和冷却水孔的周围，其中，在所述基板上位于第一凸缘与第二凸缘之间的区域，除了冷却水孔之外不存在任何其它孔，并且各个第一凸缘和第二凸缘均为一个由金属凸缘和橡胶凸缘组成的复合凸缘，其中，所述金属凸缘仅通过沿着厚度方向对所述基板进行弯曲而形成于基板的一个表面上，来形成一个高于第一厚度增大部分的高度的外凸部分，所述橡胶凸缘由固定于所述金属凸缘的外凸部分侧表面上和填充在外凸部分相反侧的内凹部分中的弹性密封材料制成，与所述金属凸缘发生变形相协作，所述橡胶凸缘沿着厚度方向受到压缩并发生变形，并且，位于外凸部分侧的表面上的弹性密封材料至少被固定在所述金属凸缘的外凸部分的表面上，并且被设置成具有一个等于或者基本上等于所述金属凸缘高度的高度。
顺便说说，所希望的是除了经受较大压力的螺接部分之外，将位于所述外凸部分侧的橡胶凸缘的最大宽度限制在所述金属凸缘的宽度的1.5倍之内。在橡胶凸缘具有更大宽度的情况下，必须向基板上施加更大的载荷。从抑制载荷增大的观点来看，所希望的是如前所述那样将由弹性密封材料形成的凸缘的宽度限制在金属凸缘的宽度的1.5倍之内。这种关系并不应用在即将局部施加较大载荷的位置处。
根据本发明，由金属制成的第一厚度增大部分接收大部分的紧固表面压力，并且将高压的燃烧气体密封起来。通过冷却水孔流入和流出位于第一凸缘与第二凸缘之间的间隙空间的冷却水，利用一个合成弹性力密封起来，该合成弹性力由高度大于所述厚度增大部分的金属凸缘的弹性力和由形成于金属凸缘两个表面上的橡胶凸缘发生弹性变形所产生的弹性力组合而成。
与此同时，由于凸缘的压缩变形量由第一厚度增大部分加以调节，所以在第一凸缘与第二凸缘之间形成一个大于以前的间隙空间，从而在金属凸缘等等上的冷却效果得以提高。
与此同时，根据本发明的凸缘利用一个由金属凸缘与橡胶凸缘产生的合成弹性力形成密封，并且由于所述凸缘上与对置的接合表面发生接触的密封表面由弹性密封材料形成，所以密封系数很小，从而可以利用较低的表面压力将所述接合处封接起来，并且即使如前所述那样对压缩变形量进行调节，也不会产生任何问题。
由于密封表面由弹性密封材料制成，所以即使在接合表面上存在有砂眼，也可以获得令人满意的密封效果，来防止水发生泄漏。
橡胶凸缘是柔软的，并且其本身适合于所述接合表面，能够容许加工表面的粗糙度，并且令人满意地将在运输过程中产生的裂纹密封起来。
因为如前所述那样对于凸缘来说可以采用一个很小的密封系数，所以用于金属凸缘的基板的硬度可以被设定为一个很低的值。例如，为了提供廉价的垫片，可以采用经过电镀的软钢来取代高硬度的不锈钢。因为仅在用于进行密度的凸缘线的上、下表面上使用，所以所使用的弹性密封材料的量很少。
在设计模具的过程中，金属凸缘仅需要略微高于第一厚度增大部分的高度，并且橡胶凸缘的高度被设定为等于或者略微高于金属凸缘的高度，因此加工精度得以稳定。如果金属凸缘的高度比第一厚度增大部分高出30％，那么弹性密封材料将不再困囿于变形断裂现象，所产生出的载荷是由软钢制成的金属凸缘与柔软橡胶凸缘产生的合力，因此该合力不大，并且不会由于存在载荷的大量损失而影响到对燃烧气体压力的密封。
在权利要求2中陈述的本发明以权利要求1为基础，并且其特征在于，在所述基板的外周边缘处设置有一个第二厚度增大部分。
根据本发明，大部分的紧固表面压力被由金属制成的两个厚度增大部分所接收。由于在所述基板的外周边缘处额外存在有所述厚度增大部分，所以凸缘的压缩变形量可以被稳定地设定在一个规定的值。
在权利要求3中陈述的本发明以权利要求2为基础，并且其特征在于，当所述垫片被安装在接合表面之间时，为了均衡所述表面压力，第一厚度增大部分的高度部分地发生变化，并且第二厚度增大部分的高度小于第一厚度增大部分的最小高度。
根据本发明，由于密封压力由第一厚度增大部分加以均衡，所以可以有效地利用螺栓紧固力。在燃烧腔室开口的内周部分处沿着圆周方向对密封压力进行均衡，意味着施加于接合表面一部分上的压力也沿着周向得以均衡，由此防止接合表面上的缸筒(bore)在第一厚度增大部分处的密封压力作用下发生形状扭曲，其中，所述接合表面的一部分是位于燃烧腔室开口的内周部分处的第一厚度增大部分。如果接合表面上的所述开口的形状发生了变形或者扭曲，那么将会导致功率损耗或者耗油量增大。
在用于接收大部分螺栓紧固力的第一和第二厚度增大部分中，通过将第二厚度增大部分设定为一个相对较小的厚度，能够将最多的载荷施加到第一厚度增大部分上，由此产生出一个很高的密封压力。
在权利要求4中陈述的本发明以权利要求3为基础，并且其特征在于，所述第一厚度增大部分通过对基板上燃烧腔室开口侧的圆周边缘进行回折而形成，并且将一个薄垫片装配到折叠部分内，来由此调节第一厚度增大部分的高度。
根据本发明，可能如前所述那样降低基板的硬度，并且因此通过弯曲来成形第一厚度增大部分变得较为容易，同时能够借助于一个薄垫片来调节第一厚度增大部分的高度。
当第二厚度增大部分通过弯曲操作成形时，通过如前述那样插入一个薄垫片，能够将第二厚度增大部分设定为一个低于第一厚度增大部分高度的高度，无需对第二厚度增大部分进行锻造处理。
在权利要求5中陈述的本发明以权利要求1至4中之一为基础，并且其特征在于，所述第一厚度增大部分通过对基板上燃烧腔室开口侧的圆周端部进行回折而形成，并且将一个用于沿着厚度方向产生弹性作用的片簧插入到所述折叠部分中。
根据本发明，通过将所述片簧提供的弹性传递至整个第一厚度增大部分或者第一厚度增大部分的一部分上，沿着圆周方向的表面压力可以很容易地得以均衡，并且通过提供带有弹簧的第一厚度增大部分，该第一厚度增大部分可以追随在发动机工作过程中产生的热变形，从而在第一厚度增大部分中以追随热变形的方式进行表面压力均衡。
在权利要求6中陈述的本发明以权利要求1至4中任一为基础，并且其特征在于，通过沿着其延伸方向至少部分地改变所述凸缘的凸起高度和宽度中之一，由所述凸缘产生的密封表面压力沿着其延伸方向得以均衡。
在权利要求7中陈述的本发明以权利要求1至4中任一为基础，并且其特征在于，一层薄的耐腐蚀薄膜被固定在位于第一凸缘与第二凸缘之间的基板部分上，并且还至少被固定在位于基板上的金属凸缘的外凸部分侧的表面上。
在权利要求8中陈述的本发明以权利要求1至4中任一为基础，并且其特征在于，至少在固定于所述外凸部分侧的表面上的弹性密封材料的表面和填充在所述内凹部分中的弹性密封材料的表面中之一上，设置有一条或者不少于两条密封线，所述密封材料被用于形成橡胶凸缘。
在权利要求9中陈述的本发明以权利要求1至4中任一为基础，并且其特征在于，至少在固定于所述外凸部分侧的表面上的弹性密封材料的表面和填充在所述内凹部分中的弹性密封材料的表面中之一上的密封压力相对较低位置处，设置有一条或者不少于两条凸起线，所述密封材料被用于构成橡胶凸缘。
在权利要求10中陈述的本发明以权利要求8为基础，并且其特征在于，在前述的凸起线中，沿着其延伸方向至少所述凸起的高度和宽度中之一根据凸起形成位置处的密封压力发生变化，并且在密封压力较低的位置处，至少凸起高度和宽度中之一被设定为一个较大的值。
在权利要求11中陈述的本发明以权利要求8为基础，并且其特征在于，至少在所述凸缘的固定于所述外凸部分侧的表面上的弹性密封材料的表面和填充在所述内凹部分中的弹性密封材料的表面中之一上，设置有多个凸起，并且在这些凸起中，至少每单位凸起长度的面积和高度中之一根据在凸起成形位置处的密封压力发生变化。
在权利要求12中陈述的本发明以权利要求8、10和11中之一为基础，其特征在于，多个基板被叠置在一个多层结构中。
附图简述

图1是一个平面视图，用于解释一种根据本发明第一实施例的金属垫片。
图2是一个沿着图1中线A-A的剖视图。
图3是一个沿着图1中线B-B的剖视图。
图4是一个剖视图，用于解释实施第一厚度增大部分的另外一种方式。
图5是一个剖视图，用于解释实施第一厚度增大部分的再一种方式。
图6是一个用于解释实施凸缘的另外一种方式的简图。
图7是一个剖视图，用于解释实施第一厚度增大部分的又一种其它方式。
图8是一个剖视图，示出了一个根据本发明第二实施例的凸缘。
图9是凸起构造的另外一种示例。
图10是凸起构造的再一种示例。
图11是凸起构造的又一种示例。
图12也是凸起构造的又一种示例。
图13也是凸起构造的又一种示例。
图14也是凸起构造的又一种示例。
图15也是凸起构造的又一种示例。
图16也是凸起构造的又一种示例。
图17也是凸起构造的又一种示例。
图18是一个基板凸缘为一个半凸缘的示例。
图19是另外一个基板凸缘为一个半凸缘的另一种示例。
图20是第二弹性密封材料的一种改进。
图21是一个平面视图，用于解释一种常规的金属垫片。
图22是一个沿着图21中线D-D的剖视图。
图23是一个简图，用于解释一种常规的金属凸缘。
实施本发明的最佳方式下面将参照附图对本发明的第一实施例进行描述。
图1是一个平面视图，用于解释一种根据本发明第一实施例的金属垫片。图2是一个沿着图1中线A-A的剖视图。图3是一个沿着图1中线B-B的剖视图。
接下来将对根据该第一实施例的金属垫片的结构进行描述。
一个根据该第一实施例的金属垫片1是一种用于内燃发动机的汽缸盖垫片的实施例。金属垫片1中的基板20由薄的金属板制成，比如不锈钢板、软钢板或者钢板。在这里，将基于这种假设对第一实施例进行描述，即假设为了提供一种不太昂贵的制品，将软钢板用作基板20的材料。
正如在图1中示出的那样，基板20上带有多个燃烧腔室开口2，这些燃烧腔室开口2沿着长度方向相互成一直线，和一个第一厚度增大部分3，该第一厚度增大部分3通过对基板上各个燃烧腔室开口2侧的整个内周边缘进行向上回折而形成。第一厚度增大部分3的高度在其延伸方向上发生变化，比如通过在靠近螺栓孔的位置处降低高度，来由此均衡沿着厚度增大部分的存在方向的表面压力。
在第一厚度增大部分3的外侧，以这样一种方式设置有一条第一密封线SL1，即该第一密封线SL1沿着燃烧腔室开口2的圆周部分完整地环绕在燃烧腔室开口2的周围。在第一密封线SL1的外侧，沿着各个燃烧腔室开口2的圆周部分排布有多个冷却水孔8。
在这些冷却水孔8的外侧，以这样一种方式设置有一条第二密封线SL2，即环绕在所有冷却水孔8的周围。第二密封线SL2被设置成在基板20上位于第一密封线SL1与第二密封线SL2之间的区域，除了冷却水孔8之外不存在任何其它孔。
在密封线SL2的外侧，设置有螺栓孔6。附图标记7指代的是油孔。
第三密封线SL3被设置成环绕在螺栓孔6和油孔7的周围。
密封线SL1至SL3在它们相互邻接处并入一条公共密封线。
第二厚度增大部分9通过在基板20上的某些部位处对基板20的外周边缘向上进行折叠而形成。通过锻造处理，第二厚度增大部分9的高度被设置成略微低于第一厚度增大部分3的最小高度。
正如在图2和3中示出的那样，沿着密封线SL1至SL3形成有一个凸缘BD。正如在图2和3中示出的那样，在本实施例中凸缘BD被制成一个由金属凸缘4或5与橡胶凸缘构成的复合体。
在本实施例中，金属凸缘4、5是通过对基板20进行弯曲而形成的完整凸缘，从而仅在基板20的一个表面侧(上表面侧)上突伸出来，并且这些凸缘被设置成高于第一厚度增大部分3。因此，当这些凸缘沿着厚度方向弹性变形时，可以产生出一个密封压力。
前述橡胶凸缘包括在金属凸缘4、5的外凸部分侧被固定于基板20表面上的弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b，以及被填充在外凸部分相反侧的内凹部分中的弹性密封材料部分10、12。弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b以及10、12可以由一种耐腐蚀的弹性材料制成，比如橡胶材料或者树脂材料，所述橡胶材料比如是氟橡胶、NBR或者硅橡胶。
固定于金属凸缘4、5的外凸部分侧的弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b均以这样一种方式固定在基板20的表面上，即至少横跨金属凸缘的4、5的宽度覆盖住两侧。固定于金属凸缘4、5的外凸部分侧的弹性密封材料部分部分11a、11b、13a、13b的高度，被制成等于或者基本上等于金属凸缘的外凸部分的高度，并且上表面被制成基本上与基板20的平整表面相平行。弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b的高度可以略微大于金属凸缘4、5的外凸部分的高度。但是，需要注意的是，弹性密封材料部分的前述高度必须是这样一个高度，即使得由第一厚度增大部分3的高度加以调节的压缩变形量不超过35％(一种特定材料的公知压缩变形量，这样不会导致发生起皱现象)。
另一方面，使得填充在金属凸缘4、5的内凹部分中的弹性密封材料部分10和12的量基本上等于内凹部分的容积，并且它们的后表面被制成基本上与基板20的平整后表面相平齐。
接下来将对前述金属垫片的工作和效果等等进行描述。
当一个如前所述那样构造而成的金属垫片1被置于汽缸体与汽缸盖上对置的接合表面之间并且利用夹紧螺栓紧固起来时，与金属凸缘4、5相协作，构成橡胶凸缘的弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b和弹性密封材料部分10、12均沿着厚度方向受到压缩并发生变形，在紧固操作结束时，由于基板20上具有最大厚度的第一厚度增大部分3与其余部分之间存在着厚度差异，所以最大的表面压力会集中在第一厚度增大部分3上，并且最大的载荷会作用于该第一厚度增大部分3上。
因此，具有最高压力的燃烧气体可以由压靠在接合表面上的第一厚度增大部分3密封起来。在第一厚度增大部分3的外侧，通过沿着第一密封线SL1和第二密封线SL2成形的凸缘BD(金属凸缘4、5和橡胶凸缘)发生弹性变形而形成一个区域密封，作为一个对从密封线之间渗出的冷却水的屏蔽物。
并且，由于凸缘BD的最大压缩变形量由第一厚度增大部分3加以调节，所以会在第一密封线SL1与第二密封线SL2之间形成一个最大的永存空间(largest ever space)，更具体地说，是一个对应于整块基板20的间隙的间隙空间SP，由此提高金属垫片1的冷却效果。换句话说，随着一个水泵将冷却水从冷却水孔8压送入间隙空间SP内，冷却水在进行流动的同时，吸收由于发动机工作所产生并且从发动机传递来的热量，同时对垫片1进行冷却，由此防止垫片上的橡胶凸缘在热量的作用下质量下降。
与此同时，在本实施例中，凸缘BD利用由金属凸缘4、5和橡胶凸缘产生的合成弹性力将接合表面封接起来，并且由于凸缘上与上、下接合表面发生接触的密封区域由弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b和10、12制成，所以可以设定一个很小的密封系数，并且可以利用一个较低的表面压力来形成密封，即使如前所述那样对压缩变形量进行调节来增大间隙空间SP的体积，也不会产生任何问题。
由于上、下密封区域均为由弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b和10、12形成的密封区域，所以如果在接合表面上存在有砂眼或者类似缺陷，仍然可以获得充分密封来防止水发生泄漏。还有，所述橡胶凸缘能够充分地对粗糙的加工表面或者在运输过程中产生的裂纹进行密封。
如前所述那样，由于对于凸缘BD来说可以设定一个很小的密封系数，所以如果基板20由不太昂贵的低硬度软钢板制成，也不会产生任何问题。由于弹性密封材料部分11a、11b、13a、13b和10、12仅被用在进行密封所需的凸缘线的上、下部分上，因此消耗量很小。
在设计模具的过程中，金属凸缘4、5仅需要略微高于第一厚度增大部分3的高度，并且所述橡胶凸缘的高度被设定为等于或者略微高于金属凸缘4、5的高度，因此加工精度得以稳定。如果金属凸缘的高度比第一厚度增大部分高出30％，那么弹性密封材料将不再困囿于变形断裂，所产生出的载荷是由软钢制成的金属凸缘与柔软的橡胶凸缘产生的合力，因此该合力不大，并且不会存在由于载荷的大量损失而影响到对燃烧气体压力的密封。
通过沿着第一厚度增大部分3的圆周方向改变其厚度，密封压力得以均衡，从而可以有效地利用螺栓的紧固力。由于在燃烧腔室开口2的圆周部分中所述压力沿着圆周方向得以均衡，所以在燃烧腔室(缸筒)的开口边缘上与第一厚度增大部分3发生接触的接合表面的压力，沿着圆周方向得以均衡，因此防止了燃烧腔室缸筒的圆度由于在第一厚度增大部分3处密封压力的不均衡而受损。燃烧腔室(缸筒)圆度的受损会导致功率损耗和耗油量增大。在用于接收大部分螺栓紧固力的第一厚度增大部分3与第二厚度增大部分9之间，通过使得第二厚度增大部分9的厚度相对较小，可以在第一厚度增大部分3上施加最大的载荷，由此产生出一个很高的密封压力。
由于基板20由低硬度的软钢板制成，所以易于通过弯曲操作来形成第一厚度增大部分3和第二厚度增大部分9。
第一厚度增大部分3在圆周方向上的高度变化可以通过锻造处理来加以调节，或者如图4中所示那样，通过将一块薄垫板14a插入到折叠部分内来加以调节。当薄垫板14a被沿着第一厚度增大部分3的整个圆周被插入折叠部分中时，在薄垫板14a上最小部分所在的位置处，第一厚度增大部分3具有最小的厚度。因此，第二厚度增大部分9的高度可以在无需锻造处理的条件下被制成低于第一厚度增大部分3。换句话说，通过将薄垫板14a设置在第一厚度增大部分3中，避免了需要在第二厚度增大部分9上进行锻造处理。设置在第一厚度增大部分3中的薄垫板14a利用其自身厚度增大了第一厚度增大部分3的高度，因此与薄垫板14a的厚度成正比，冷却水在其中进行循环的间隙空间SP可以被制成更宽，由此改善冷却效果。
与此同时，如图5中所示，一个能够沿着厚度方向发生弹性变形的片簧14b可以如同薄垫板14a那样被插入到第一厚度增大部分3内。在这种情况下，除了前述效果之外，利用片簧14b的弹性力，沿着第一厚度增大部分3圆周方向的表面压力更易于得以均衡，并且利用第一厚度增大部分3中所添加的这个弹簧，第一厚度增大部分3可以追随在发动机工作过程中产生的热变形，因此在第一厚度增大部分3中以追随热变形的方式进行表面压力均衡。
在本实施例中，已经对作为完整凸缘的金属凸缘4、5进行了描述，但是如图6中所示，在沿着第二密封线SL2形成的凸缘BD中，金属凸缘5可以由一个半凸缘形成。换句话说，在可利用的密封宽度过窄而无法设置完整凸缘5的区域，金属凸缘5可以被制成半凸缘，来适应该狭窄的密封宽度。
在本实施例中，对通过对基板进行回折而形成的厚度增大部分进行了描述，但是并非希望对本发明加以限制。例如，如图7中所示，第二厚度增大部分9可以通过将一个比基板20薄的薄板焊接在外周边缘上而制成，由此避免需要前述的锻造处理。或者，所述第二厚度增大部分可以通过对各个螺栓孔的圆周部分进行回折而形成。
通过沿着凸缘的延伸方向至少部分地改变凸缘的凸起高度和宽度中之一，由金属凸缘4、5产生的密封表面压力可以得以均衡。例如，在螺栓附近，凸缘的凸起部被制成相对较低或者凸缘宽度被制成相对较窄。通过对密封压力进行均衡，垫片可以以很高的精度得以封接。
在沿着密封线SL1和SL2的两个凸缘BD之间的基板部分上，固定有一层耐腐蚀薄膜，该耐腐蚀薄膜用于防止在一直与水保持接触的基板表面上生锈。
下面将参照附图对本发明的第二实施例进行描述。
第二实施例中的基本结构与第一实施例相同，但是在凸缘的结构方面与第一实施例略微存在差异。
凸缘沿着密封线SL1和SL2形成。
正如在图8和9中示出的那样，根据本实施例的凸缘BD是一个由作为完整凸缘的基板凸缘6与橡胶凸缘8、10形成的复合凸缘。
基板凸缘6通过沿着厚度方向对基板进行弯曲而形成，并且基板凸缘6被制成外凸形状，即高于厚度增大部分16的高度。
橡胶凸缘包括一个填充在基板凸缘6上的内凹部分中的第一弹性密封材料部分10和一个固定于基板凸缘的外凸部分侧的第二弹性密封材料部分8。
第一弹性密封材料部分10被设置成使得其下表面是平整的，并且与基板2的下表面相平齐。靠近凸缘宽度方向的中部并且在凸缘的下表面上，沿着密封线SL1和SL2形成有一个外凸凸起11。
第二弹性密封材料部分8被制成其宽度略微大于基板凸缘6的宽度，并且位于凸缘的外凸部分的表面上和与外凸部分连续的平整表面上。该第二弹性密封材料部分8被设计成能够使得其高度差不多等于基板凸缘6的高度，并且其表面(上表面)基本上平整。
第二弹性密封材料部分8的宽度最好不超过基板凸缘6宽度的1.5倍。如果宽度过度增大，那么载荷也会过度增大。弹性密封材料部分8的高度最好在基板凸缘6高度的0.9至1.1倍范围内。
孔的数目和类型，比如形成于基板2中的螺栓孔4的数目和类型，以及密封线SL1和SL2的位置，自然也随着其间设置有金属垫片1的汽缸体与汽缸盖的类型而发生变化。
当其被置于一部发动机的汽缸体与汽缸盖上的接合表面之间并且利用夹紧螺栓紧固起来时，如前所述那样构造而成的金属垫片1被安装到位。在夹紧螺栓的紧固力作用下凸缘发生变形，并且沿着密封线产生出一个所需的密封压力，来由此将油、水等等密封起来。
当垫片被紧固起来时，设置在燃烧腔室开口3的圆周端部处的厚度增大部分16用作限制凸缘的压缩变形量，在厚度增大部分16处产生一个很高的表面压力，从而由该厚度增大部分16将高温高压的燃烧气体密封起来。
当没有在厚度增大部分16的表面上涂敷涂层而以很低的成本供应垫片时，垫片上的厚度增大部分16与发动机的机械加工表面(接合表面)发生金属-金属接触，并且因此会在机械加工表面上存在3至6微米的不规则工具痕。
发动机工作所产生的爆炸压力不是一个恒定的压力，而是一个脉动压力；因此，某些压力会从厚度增大部分16向外周侧泄漏。但是，该压力由位于厚度增大部分16外侧的凸缘BD密封起来。
根据本实施例的凸缘BD被构造成能够在基板凸缘6和橡胶凸缘受到压缩并发生变形时，利用它们产生的合成弹性力而产生出一个所需的密封压力，并且这种复合结构能够降低形成基板凸缘6的基板2的硬度。所述凸缘在受到压缩并发生了变形的弹性密封材料部分8和10的平整表面处与上、下接合表面发生接触，并且柔软的弹性密封材料部分8和10与接合表面紧密接触，将任何由工具痕形成的微小间隔封闭起来，由此将在前述脉动压力下从厚度增大部分16泄漏出来的燃烧气体密封起来。
在这种结构的垫片中，即弹性密封材料仅被填充在基板凸缘6的内凹部分中的结构中，当弹性密封材料10受到压缩并发生变形时，会产生一个外力来使得基板凸缘6和在每侧上与基板凸缘6连续的平整部分以这样一种方式发生变形，即它们向上发生翘曲。为了抑制基板凸缘6发生疲劳损坏和降低基板2的成本而使得基板2的硬度越低，那么变形就越明显，比如向上翘曲就越有可能发生。但是，在本实施例中，还在外凸部分侧设置有第二弹性密封材料8，并且使得该第二弹性密封材料8发生变形来防止基板凸缘6和基板2发生变形，由此防止由内凹部分中的第一弹性密封材料10所产生的密封性能发生下降。
在第一弹性密封材料10的填充过程中，其中部有可能在从高温至开式冷却的过渡过程中略微发生凹陷。在本实施例中，在前述中部上形成有凸起11和9，即使当垫片被用于一个轴向紧固拉力很弱的发动机中时，仍然可以在燃烧腔室开口3外侧的区域以低成本确保稳定的密封性能。在螺栓被紧固起来之后，凸起11和9处于压服和平整状态。
只要螺栓被合适地紧固起来，在螺栓4的附近不会产生任何紧固问题。但是，因为油孔5和链条腔室孔17远离夹紧螺栓，所以它们处于不合适的紧固状态下。随着发动机经历多次重复的热循环，轴向紧固拉力会发生某种程度的下降，其中，热循环的重复次数与发动机的使用次数相同。在发动机工作过程中，垫片会在热量的作用下发生变形，因此密封状态恶化。
为了在那些不利状况下实现完整密封，在现有技术中，在具有填充在基板凸缘的内凹部分中的弹性密封材料的凸缘结构中，如果基板2的硬度增大，那么弹性力就会增大，但是凸缘会困囿于振动幅度所导致的疲劳损坏，并且也并不希望如此增大硬度；相反，如果基板凸缘6的硬度下降，那么将会发生前述的变形现象，导致弹性力下降。为了弥补这种不足，在本实施例中，如前所述那样，除了填充在基板凸缘6的内凹部分中的第一弹性密封材料10之外，在内凹部分的相反侧的外凸部分上，还形成有第二弹性密封材料8，并且该第二弹性密封材料8用于防止基板2和基板凸缘6发生变形，其中，第二弹性密封材料8被构造成使得其宽度大于所述凸缘的宽度，其高度基本上等于基板凸缘6的高度。
随着基板2的硬度下降，会使得弹性力降低，但是由于在外凸部分上第一弹性密封材料8被制成其高度等于基板凸缘6的高度，来由此对填充在内凹部分中的弹性密封材料10的变形加以调节，所以凸缘BD提供的弹性力将等于或者大于由一种使用了由高硬度材料制成的基板2的结构所提供的弹性力。
还有，当弹性密封材料10通过模制工艺而形成时，基板凸缘6的内凹部分侧被加工成与基板2的平整表面相平齐。在模制过程中，密封材料10在高温作用下发生热膨胀，但是当其开式冷却时，厚度较大的橡胶中部以一个对应于热膨胀的量发生收缩，并且略微发生凹陷，在远离夹紧螺栓没有被合适地紧固起来并且外伸的部分中，表面压力会下降，产生压力泄漏的机会。
作为对策，根据本专利申请中的本发明，如图8中所示那样，在位于基板凸缘6的内凹部分中的弹性密封材料10表面的中间位置处，形成有一个微小凸起11，所述凸缘在紧固载荷不会如此增大的条件下发生变形，并且当表面压力下降时，形成在第一弹性密封材料10的表面上的凸起11同时发生膨胀和变形。尽管就面积而言很小，但是所述凸起却产生出一个很高的表面压力，并且用于形成完整的密封部。换句话说，在一个远离外周侧夹紧螺栓的位置上，表面压力趋于变得相对较小，位于基板凸缘6的两个表面上的弹性密封材料通常被压靠在对置的接合表面上，来通过在紧固载荷作用下凸缘受到压缩并发生变形而将它们封接起来。与此同时，在内凹部分侧形成于弹性密封材料10上的凸起11以这样一种方式发生变形，即被推入所述内凹部分中，使得其本身适合于接合表面的平整表面，并且变得基本上与基板2的平整表面(下侧面)相平齐。
在这种稳定状态下，比如当在振动作用下使得位于凸缘位置的对置接合表面之间的间隙增大时，表面压力会暂时下降，凸缘的压缩变形量也会下降，由此降低密封压力。在位于内凹部分侧的弹性密封材料10处，根据间隙的增大，凸起11自动地发生膨胀，来可靠地确保与对置的接合表面发生接触，并且具有较小的接触表面，可以利用所述凸起保持由于表面压力增大所形成的密封状况。随着间隙减小，所述稳定状态得以恢复。
在前面，已经对随着对置的接合表面之间的间隙发生变化表面压力发生下降的情况进行了描述。即使当对置的接合表面之间的间隙保持不变时或者即使当随着时间流逝恶化和表面压力变得更小弹性力下降时，如前所述那样，由于随着表面压力下降载荷集中在凸起11上(在这种情况下凸起11和9无需必须发生膨胀)，在凸起11的位置处表面压力升高，使得能够保持一个特定的密封压力。
当在所述凸缘位置处接合表面之间的间隙变化很大时，优选的是在如图10中示出的那样，在位于基板凸缘6的外凸部分上的弹性密封材料上也成形一个凸起9。
沿着凸缘宽度方向排布的凸起11和9并不局限于一个，可以是如图11至13中所示出的两个或者更多。当设置有两个或者更多凸起时，凸起11和9的高度可以不同。凸起的大小也可以存在差异。当成形有多个凸起时，表面压力的载荷可以得以缓解，或者如果表面压力降低时，可以利用所述多个凸起11、9获得迷宫效果，或者在实际上增加密封线SL来持续更长的时间周期提供稳定的密封性能。
还有，针对多个凸起11、9来说，为了寻求如图31至34中所示出的凸起11、9的最优化，通过使得凸起11、9的尺寸或者形状发生变化(在纵向剖面轮廓或者平面视图中单位长度的面积)，能够增强前述效果。换句话说，当沿着平行的宽度方向设置有两个或者更多凸起时，优选的是使得凸起11、9的高度相对较低，或者在较高的表面压力侧减小每单位长度的面积。
针对沿着密封线延伸的单根凸起11、9来说，可以根据凸起11、9所在位置处的表面压力来改变凸起11、9的高度或者形状。换句话说，在表面压力相对较小的区域，凸起11、9的高度和宽度可以增大。
凸起11、9可以沿着密封线SL1和SL2的整个长度连续成形，或者以给定的间隔间断式成形。
当凸起11、9在密封线SL1和SL2上部分地成形时，它们必须被成形在远离螺栓孔的位置、具有相对较低的表面压力的位置或者在对置的接合表面之间的间隙变化相对较大的部分(表面压力变化的幅度相对较大)。
在本实施例中，已经对作为完整凸缘的基板凸缘6进行了描述，但是本实施例也适用于当基板凸缘6是呈阶梯结构的半凸缘时。更具体地说，如图18和19中示出的那样，一个第二弹性密封材料12被固定在呈阶梯形式的基板凸缘6的外凸部分上(从基板的平整部分升高的部分)，一个第一弹性密封材料14被应用在外凸部分相反侧的内凹部分上，并且接着在较厚的部分上形成凸起13和15。工作过程和效果均与前述实施例中相同。
在厚度增大部分1附近的凸缘BD中，如图20中所示，第二弹性密封材料无需必须被固附在外凸部分的两个倾斜侧面上。换句话说，通过接收一个相对较高的表面压力和具有一个用于约束基板的强大作用力，厚度增大部分16抑制了基板发生变形。这应用在夹紧螺栓附近的部分上。
凸起11、9的高度应当被设计成，使得无论凸起的形状如何，当凸起发生变形达到厚度增大部分16的厚度时，变形率不超过25％。
在前述示例中，已经对具有单个基板的金属垫片进行了描述，在金属垫片中，可以根据接合表面之间的间隙将多个基板相互叠置在一起，各个基板均具有前述结构。在这种情况下，基板无需必须如同现有技术中那样被叠置成使得基板凸缘的外凸部分相互面对面地布置。
结构、工作过程以及效果的其它方面均与前述实施例中相同。
工业实用性正如已经描述过的那样，通过采用本发明，金属凸缘的加工精度可得以改善，并且可以提高在金属垫片本身和其间夹持有该金属垫片的接合表面上的冷却效果。
权利要求
1.一种金属垫片，包括一个由薄金属板制成的基板，该基板具有至少一个燃烧腔室开口和一个冷却水孔，并且具有一个由金属制成的第一厚度增大部分、一个形成于所述基板上的所述第一厚度增大部分外侧的第一凸缘以及一个形成于所述第一凸缘外侧的第二凸缘，所述第一厚度增大部分具有较大的厚度，并且环绕在所述燃烧腔室开口的圆周边缘的周围，所述第一凸缘完整地环绕在所述燃烧腔室开口的周围，而所述第二凸缘完整地环绕在所述燃烧腔室开口和冷却水孔的周围，其特征在于在所述基板上位于所述第一凸缘与第二凸缘之间的区域中，除了所述冷却水孔之外不存在任何其它孔，并且各个所述第一凸缘和第二凸缘均为一个由金属凸缘和橡胶凸缘组成的复合凸缘，其中，所述金属凸缘仅通过沿着厚度方向对所述基板进行弯曲而形成于基板的一个表面侧上，来形成一个高于第一厚度增大部分的高度的外凸部分，所述橡胶凸缘由固定于所述金属凸缘的所述外凸部分侧表面上和填充在所述外凸部分相反侧的内凹部分中的弹性密封材料形成，与所述金属凸缘发生变形相协作，所述橡胶凸缘沿着厚度方向受到压缩并发生变形，并且，位于所述外凸部分侧的表面上的弹性密封材料至少被固定在所述金属凸缘上外凸部分的表面上，并且被设置成具有一个等于或者基本上等于所述金属凸缘高度的高度。
2.根据权利要求1所述的金属垫片，其特征在于在所述基板的外周边缘处设置有一个第二厚度增大部分。
3.根据权利要求2所述的金属垫片，其特征在于当所述垫片被夹持在所述接合表面之间时，为了均衡所述表面压力，所述第一厚度增大部分的高度部分地发生变化，并且所述第二厚度增大部分的高度小于所述第一厚度增大部分的最小高度。
4.根据权利要求3所述的金属垫片，其特征在于所述第一厚度增大部分通过对所述基板上燃烧腔室开口侧的圆周边缘进行回折而形成，并且将一个薄垫片装配到所述折叠部分内，来由此调节所述第一厚度增大部分的高度。
5.根据权利要求1至4中之一所述的金属垫片，其特征在于所述第一厚度增大部分通过对所述基板上燃烧腔室开口侧的圆周端部进行回折而形成，并且将一个用于沿着厚度方向产生弹性作用的片簧插入到所述折叠部分中。
6.根据权利要求1至4中任一所述的金属垫片，其特征在于通过沿着凸缘的延伸方向至少部分地改变所述凸缘的凸起高度和宽度中之一，由所述凸缘产生的密封表面压力沿着其延伸方向得以均衡。
7.根据权利要求1至4中任一所述的金属垫片，其特征在于一层薄的耐腐蚀薄膜被固定在所述基板位于所述第一凸缘与第二凸缘之间的部分上，并且还至少被固定在位于所述基板上的所述金属凸缘的外凸部分侧的表面上。
8.根据权利要求1至4中任一所述的金属垫片，其特征在于至少在固定于所述外凸部分侧的表面上的弹性密封材料的表面和填充在所述内凹部分中的弹性密封材料的表面中之一上，设置有一条或者不少于两条密封线，所述密封材料被用于构成所述橡胶凸缘。
9.根据权利要求1至4中任一所述的金属垫片，其特征在于至少在固定于所述基板的外凸部分侧的表面上的弹性密封材料的表面和填充在所述内凹部分中的弹性密封材料的表面中之一上的密封压力相对较低位置处，设置有一条凸起线或者不少于两条凸起线，所述密封材料被用于构成所述橡胶凸缘。
10.根据权利要求8所述的金属垫片，其特征在于在前述的凸起线中，沿着其延伸方向至少所述凸起的高度和宽度中之一根据该凸起形成位置处的密封压力发生变化，并且在密封压力较低的位置处，至少所述凸起的高度和宽度中之一被设定为一个较大的值。
11.根据权利要求8所述的金属垫片，其特征在于至少在固定于所述凸缘的外凸部分侧的表面上的弹性密封材料的表面和填充在所述凸缘的内凹部分中的弹性密封材料的表面中之一上，设置有多个凸起，并且在这些凸起中，至少每单位凸起长度的面积和高度中之一根据在凸起成形位置处的密封压力而发生变化。
12.根据权利要求8、10和11中之一所述的金属垫片，其特征在于多个基板被叠置在一个多层结构中。
全文摘要
一种金属垫片，包括一个基板，该基板具有一个第一厚度增大部分3，该第一厚度增大部分3形成于位于基板的燃烧腔室开口侧的圆周边缘处，和排布在所述第一厚度增大部分3外侧的第一密封线SL1以及第二密封线SL2。在所述两条密封线之间，除了冷却水孔8之外不存在任何其它开口。沿着所述密封线SL1和SL2形成的凸缘，各个均由一个外凸的金属凸缘和一个橡胶凸缘构成，所述金属凸缘仅从所述基板的上表面向上升高，所述橡胶凸缘由固定于所述金属凸缘的外凸部分和内凹部分上的弹性密封材料形成。所述金属垫片的这种结构可以改善所述金属凸缘的加工精度，并且还增强了在所述金属垫片本身和其间设置有所述金属垫片的发动机接合表面上的冷却效果。
文档编号F16J15/08GK1486406SQ02803720
公开日2004年3月31日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年4月4日
发明者植田耕作, 渡边秀男, 男 申请人:日本金属密封片株式会社