多层静态垫片、其包含阻挡区域的间隔层及其构建方法与流程

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2014年12月19日提交的序列号为62/094,706的美国临时专利申请，以及2015年12月18日提交的序列号为14/975,263的美国发明专利申请的优先权，所述申请在此通过引用而整体并入本文。

背景技术：

1.技术领域

本发明主要涉及用于在将被夹在一起的两个构件之间建立气密/液密密封的静态垫片，更具体地说，涉及包含具有密封凸筋的功能层和单独的间隔层的多层静态垫片。

2.相关技术

在例如气缸盖与发动机缸体，或排气歧管与气缸盖的将被夹在一起的两个构件之间建立气密/液密密封时，通常使用具有多层的静态垫片。通常，多层垫片的至少一层(有时被称为功能层)具有密封凸筋，以便建立气密/液密密封。有时被称为间隔层或阻挡层的另一层被构造为邻接功能层，以防止功能层的密封凸筋完全变平。如果在紧固将被夹在一起的构件的同时，密封凸筋被过度压缩而基本变平，除了密封凸筋失去其施加高压缩密封压力的能力之外，例如在夹紧期间或在使用期间，在密封凸筋的区域内会形成疲劳裂纹。疲劳裂纹最终会降低静态垫片建立气密和/或液密密封的能力，从而潜在地降低发动机的使用寿命和性能。因此，间隔层执行其预期功能是很重要的，同时在制造中也是经济的。

技术实现要素：

本发明提供了一种多层静态垫片，用于在将被夹在一起的两个构件之间提供气密/液密密封。垫片包括至少一个金属功能层，所述金属功能层具有至少一个功能层开口。每个功能层开口被构造成围绕待密封的通道。所述至少一个功能层包括从所述至少一个功能层开口径向向外并大体上围绕所述至少一个功能层开口的密封凸筋。该垫片还包括具有在大体平坦的相对侧面之间延伸的厚度的金属间隔层。间隔层具有延伸通过相对侧面的至少一个间隔层开口，每个间隔层开口构造成与单独的一个功能层开口以及待密封的通道对准。间隔层的相对侧面中的每个侧面具有从其向外延伸的多个凸起和向内延伸到其中的多个凹陷，其中凸起和凹陷形成所述间隔层的阻挡区域。在相对侧面上的每个凹陷延伸进入单独的凸起，从而形成相关凸起的下侧面。所述凹陷延伸进入间隔层的相对侧面的距离等于或大于间隔层厚度的1/2，从而使得所述凹陷延伸到阻挡区域的相对侧面的距离等于或大于阻挡区域的厚度的1/2。

根据本发明的另一方面，每个所述凸起具有围绕相应的一个所述凹陷延伸的环形壁，所述环形壁的壁厚小于所述金属间隔层的厚度，同时保持足够的强度，以防止功能层的密封凸筋完全变平。

根据本发明的另一方面，所述凸起环形壁的壁厚可以小于在大体平坦的相对侧面之间延伸的所述间隔层的最终厚度的1/2。

根据本发明的另一方面，所述凸起环形壁的壁厚可以是在大体平坦的相对侧面之间延伸的所述间隔层的最终厚度的约1/3。

根据本发明的另一方面，所述凸起的环形壁的壁厚可以等于或大于所述间隔层的厚度。

根据本发明的另一方面，每个所述凸起环形壁可以从所述相对侧面中相应的一个侧面以倾斜关系延伸，以进一步增强凸起的抗压强度。

根据本发明的另一方面，不同凸起的至少一些环形壁可相对于彼此以不同的角度倾斜，以便当被夹持在待密封的构件之间时调整跨越垫片的平滑载荷分布。

根据本发明的另一方面，至少一些凸起可以相对于彼此具有不同的高度，并且至少一些凹陷可以相对于彼此具有不同的深度，以便当被夹持在待密封的构件之间时调整跨越垫片的平滑载荷分布。

根据本发明的另一方面，至少一些环形壁可相对于彼此具有不同的刚度或抗压强度，以便在被夹持在待密封的构件之间时调整跨越垫片的平滑载荷分布。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于多层静态垫片的间隔层。间隔层具有在大体平坦的相对侧面之间延伸的厚度的金属层，以及延伸通过相对侧面的至少一个间隔层开口，其中每个间隔层开口被构造成与待密封的通道对准。所述相对侧面中的每个侧面具有由其向外延伸的多个凸起和向内延伸到其中的多个凹陷，相对侧面中的每个侧面上的所述多个凹陷与相对的侧面上的所述凸起直接相对，从而形成其下侧面。其中所述凹陷延伸进入所述相对侧面的距离等于或大于所述厚度的1/2。

根据本发明的另一方面，提供了一种构建用于在将被夹在一起的两个构件之间建立气密/液密密封的多层金属静态垫片的方法。该方法包括形成具有至少一个开口的金属功能层，所述至少一个开口被构造成围绕待密封的通道，并且所述金属功能层具有从所述开口径向向外且大体上围绕所述开口的密封凸筋。该方法还包括提供具有在大体平坦的相对侧面之间延伸的原始厚度的金属间隔层，并且形成通过相对侧面的至少一个间隔层开口，每个间隔层开口被构造成与单独的功能层开口对准。此外，所述方法包括压缩一对模具之间的间隔层并形成延伸进入所述相对侧面中的每个侧面中的多个凹陷和由所述相对侧面中的每个侧面向外延伸的多个凸起，其中所述凹陷延伸进入相对侧面的距离等于或大于间隔层原始厚度的1/2。

根据本发明的另一方面，所述方法还包括在压缩过程中引起金属间隔层的材料冷流和同步拉伸。

根据本发明的另一方面，所述方法包括将每个凸起形成为具有围绕相应的一个凹陷延伸的环形壁，并且包括拉伸所述环形壁的材料以使其具有的厚度从金属间隔层的厚度减小，并且该方法还包括将所述壁的厚度减小到所述金属间隔层的厚度的约1/2至1/3之间。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括将所述凸起的壁厚形成为相对于金属间隔层的原始厚度基本相同或增加。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括将每个环形壁形成为相对于金属间隔层的相对侧面倾斜。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括将至少一些环形壁形成为相对于大体平坦的相对侧面具有彼此不同的倾斜角，以调整在使用过程中跨越垫片施加的平滑载荷分布。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括将至少一些凸起形成为相对于大体平坦的相对侧面具有彼此不同的高度，并将至少一些凹陷形成为相对于基本平坦的相对侧面具有彼此不同的深度，以调整在使用过程中跨越垫片施加的平滑载荷分布。

根据本发明的另一方面，所述方法可以包括将至少一些环形壁形成为相对于彼此具有不同的刚度，以调整在使用过程中跨越垫片施加的平滑载荷分布。

附图说明

当结合以下对当前优选实施例和最佳模式、所附权利要求和附图的详细描述考虑时，将更容易理解根据本发明构造的多层垫片的这些和其它方面、特征和优点，其中：

图1是根据本发明的一个方面构造的多层静态垫片的局部断开的顶视图；

图2是大体上沿着图1中的线2-2所截取的多层静态垫片的侧视横截面图；

图2a是根据本发明的另一方面构造的多层静态垫片的间隔层的部分侧视横截面图；

图2b是根据本发明的另一方面构造的多层静态垫片的间隔层的部分侧视横截面图；

图2c是根据本发明的又一方面构造的多层静态垫片的间隔层的部分侧视横截面图；

图3是大体上沿着图2中的线3-3截取的多层静态垫片的间隔层的阻挡区域的部分平面剖视图；

图4是根据本发明的一个实施例构造的间隔层的阻挡区域的部分平面图；

图5是大体上沿着图4中的线5-5截取的剖视透视图；

图6是大体上沿着图4中的线6-6截取的剖视透视图；

图7-9是根据本发明的不同实施例构造的间隔层的阻挡区域的部分透视图；以及

图10是根据本发明的另一方面正由一对模具形成的间隔层的阻挡区域的部分视图。

具体实施方式

更详细地参考附图，图1和图2显示了根据本发明的一个方面构造的多层静态垫片10，以下称为垫片。作为示例而非限制，垫片10特别可用作气缸盖衬垫或排气歧管垫片。垫片10具有至少一个功能层(这里表示为一对功能层12和14)，以及具有阻挡区域17的间隔层16。功能层12，14布置成邻接间隔层16的相对侧面18，20，从而使间隔层16夹在功能层12和14之间。功能层12，14各自具有开口22，开口22的尺寸设置为至少部分地与间隔层16的阻挡区域17中的开口24对准，其中相应的开口22和24各自布置成彼此对准并且具有待密封的相应通道25(例如气缸孔或排气口)。功能层12，14各自具有压缩密封凸筋(诸如全压缩密封凸筋26)，例如从层12，14的大体平行的平面28向外延伸预定距离，以便于建立围绕被密封的通道的流体/气密密封。间隔层16的阻挡区域17具有从相对侧面18，20中的每一个向外延伸的多个凸起30和向内延伸到相对侧面18，20的多个凹陷32。相应的凸起30和凹陷32彼此直接相对，使得间隔层16的一个侧面18，20上的每个凹陷32延伸到间隔层16的相对的侧面上的对应凸起30中。“如此形成的”凸起30具有从相对侧面18，20的相对平行平面33向外延伸的高度，其略小于“如此形成的”密封凸筋26的高度，其中凸起30具有刚度，所述刚度防止密封凸筋26在两个将被夹在一起的构件之间(例如气缸盖/发动机缸体，或排气歧管/发动机缸体)建立气密/液密密封时完全变平。因此，确保密封凸筋26保持对间隔层16大致恒定的高密封压力，从而提供围绕被密封的通道25的气密/液密密封，此外，由于不被过度压缩和变平，密封凸筋26不会形成过早的疲劳裂纹。

例如，功能层12，14由弹性金属(例如弹簧钢)构造成，并且可以具有诸如约0.1至0.3mm或更大的厚度。如图2所示的功能层12，14被构造成具有彼此相对的镜像轮廓，每个都具有如上所述的密封凸筋，显示为与开口22相邻的全密封凸筋26。全凸筋26被显示为均具有彼此相对的周向延伸的峰34，用于与阻挡层16的相对的平坦侧面液密/气密密封邻接。当在被夹在一起的构件之间被压缩时，由于间隔层16的相邻凸起30的刚度和存在，全凸筋26仅被部分压缩。因此，全凸筋26维持弹性偏压以保持其建立高密封压力以形成气密/液密密封的能力。

间隔层16可以由相对刚性的金属材料构造而成，例如钢或不锈钢的冷轧板。用于构造间隔层16的金属具有在相对的、大体平行的平坦侧面18和20之间延伸的大致均匀的厚度(t)。在构造期间，金属板在一对模具36和38(图10)之间被压缩，其中每个模具36，38具有预定形状的突起40和突起40之间的空隙42。突起40最终形成凹陷32，而空隙42最终形成凸起30。模具36，38相对于彼此构造，使得一个模具36上的突起40延伸到相对模具38上的空隙42中，反之亦然，因此，一个模具36上的突起40与相对模具38上的突起40相互啮合，以精确地控制阻挡区域17的最终高度(t)。因此，一个模具36上的突起40的平台(p)延伸超过相对模具38上的突起40的平台(p)，同时使间隔层16的金属板变形。因此，在形成凸起30期间，间隔层16的金属材料被冷成型和拉伸，其中冷成型使得一些材料完全移位，而拉伸使得一些材料在张力和剪切力下伸长。由于模具36，38的突起40容纳在模具36，38的空隙42中，使得相对朝向的突起40的平台(p)彼此至少共面，并且优选延伸超越彼此，凹陷32形成为使得它们延伸到间隔层16的金属板材的相对侧面18，20的距离等于或大于该金属板材的原始厚度(t)的1/2，以及可以形成为延伸到相对侧面18，20中达到厚度(t)的约75％。因此，形成在间隔层16的一个侧面18中的凹陷32的基部(b)以与形成在间隔层16的相对侧面20中的凹陷32的基部(b)或底部表面共面的方式延伸，或延伸超过形成在间隔层16的相对侧面20中的凹陷32的基部(b)或底部表面，因此凹陷32延伸到的深度为阻挡区域17的最终高度(t)的至少1/2或1/2以上。这在图2和图3中可以明显看出，其中图3显示了大体沿间隔层16的厚度(t)的中心平面截取的横截面，其又导致了该横截面两侧的华夫饼状的图案，其中凹陷32的部分依然呈现(阴影区域表示阻挡区域17的一个侧面上的凹陷32的底部，而非阴影区域表示阻挡区域17的相对侧面上由凹陷32形成的通孔。应该理解，该通孔的存在是由于相对的凹陷的基部b因横截被切掉而导致的)。如图2最佳所示，由于凹陷32延伸到相对的凸起30中，应该认识到凹陷32形成相应的相对凸起30的下侧面。

每个凸起30形成为具有围绕相应的一个凹陷32延伸的环形壁44。环形壁44具有壁厚(图2中所示的t1)，其可形成为等于、大于或小于金属阻挡层16的厚度(t)。这些选项是由于形成过程所导致的，而形成过程是因为突起40彼此啮合而造成的。因此，当将模具36和38朝向彼此完全压缩时，通过控制模具突起40彼此的相对间隔，可以根据需要精确地控制壁44的厚度(t1)。因此，在一个实施例中，如果需要，可以相对于原始厚度(t)减小壁厚(t1)，并且如果需要，可以将其拉伸或变薄为厚度(t)的约1/3或大于1/3。图7至9中显示了一些不同的实施例，其中图7显示了间隔层16的相对的侧面上的凹陷44，其具有彼此成共面关系或大体共面关系的基部b，并具有彼此紧邻的角(c)；图8显示了间隔层16的相对的侧面上的凹陷32，其具有延伸超过彼此的基部b并具有彼此紧邻的角c；图9显示了在间隔层16的相对的侧面上的凹陷32，其具有彼此成共面关系或大体共面关系的基部b，并且具有被介于之间的凸起30的材料所彼此间隔开的角c，从而形成增强的刚度，并因此提供使凸起30的高度最小化的能力，如图所示。

除了使环形壁44相对于间隔层厚度(t)变薄的能力之外，壁44可以以角度α倾斜，使得壁44从相应的相对的侧面18，20以倾斜关系延伸。因此，壁44通常为圆锥形或金字塔形，延伸到截顶平台或大体平坦的峰46。此外，为了适应跨越垫片10的不同的夹紧载荷，并且为了调整施加在密封凸筋26上的平滑载荷分布，至少一些环形壁44可形成为具有彼此不同的压缩刚度。为了提供相对于彼此具有变化的压缩刚度的壁44，在侧面18，20中的同一侧面上的至少一些壁44可以相对于彼此以不同角度α倾斜，作为示例而非限制，如图2a中所示，其中角度α1、α2和α3随着接近通道25而逐渐减小，使得α1>α2>α3。为了进一步调整跨越密封凸筋26的平滑载荷分布，至少一些凸起30可以构造为具有从相对侧面18，20的相对的平行平面33向外延伸的不同高度，作为示例而非限制，如图2b中所示，其中随着接近通道25高度逐渐减小。此外，作为示例而非限制，如图2c中所示，至少一些壁厚可以在侧面18，20中的同一侧面上彼此变化，如厚度t1，t2和t3所示，厚度朝向通道25减小，使得t1>t2>t3。此外，如果需要，可以在二次操作中进一步处理峰46，也称为重新敲击，使用平的冲头来建立峰46的轮廓和高度。因此，通过改变和控制凸起30和凹陷32的密度、凸起30和凹陷32的高度和深度以及壁44的角度α，可以精细地调节间隔层16的阻挡区域17。在图6的横截面中显示了提高凸起30强度的另一特征。可以看出，倾斜的壁44和峰46的构形，从而提供沿相邻峰的多条连续材料48。

因此，对于静态垫片领域的一般技术人员而言显而易见的是，鉴于对当前优选实施例及其替代方案的上述描述，本发明的许多修改和变化是可能的。当然，应当认识到，在此可考虑单独形成的如上文所讨论的阻挡区域，其中单独形成的阻挡区域本身可以与一个或多个功能层组合使用，或者其可以与单独的间隔层相关联，例如固定于其上或布置于其上。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以不同于具体描述的方式实施。