垫圈固定方法和系统与流程

本公开整体上涉及将金属零件组装到包括不同硬度材料的工件，并且更具体地涉及用于高流体压力密封结构的制造工具和制造方法。

背景技术

下一代燃料系统100例如图1a部分地示出的燃料系统100为了满足排放法规而在其燃料导轨102中使用较高的燃料压力(例如，2100巴至2700巴)。高压流体系统要求连接构件之间的密封。为了适应这样的较高的压力，诸如燃料导轨102的硬度这样的材料特性会发生变化。例如图1b中的分解图所示，高压传感器104构造成包括具有大致圆柱形本体和外螺纹的阳连接器传感器端口106并且通常能够螺纹连接至燃料导轨102的阴端部108。通常，压力传感器端口106与燃料导轨端部108之间的密封以金属对金属的方式制成，其中，燃料导轨108变形从而形成防漏的密封。由于燃料导轨102的硬度增加，因此燃料导轨端部108的变形以及压力传感器端口106与燃料导轨102之间的相关密封不能再得到保证。弹性体或聚合物密封由于其渗透性和不足的材料强度性质而不适用于此类应用。具有变形的楔形密封边缘的软金属垫圈通常成本高昂，需要专用的支撑框架，所述支撑框架由具有螺栓孔的金属片材板构成，所述螺栓孔提供用于楔型密封件相对于螺栓的定位，并且它们的使用局限于密封扁平的凸缘表面而不能装配到可能形成在压力传感器104的端口106中的诸如o形环槽这样的凹槽中。

因此，需要一种用于高压连接件的可靠的密封结构，例如在燃料传感器和较高材料硬度的燃料导轨之间的可靠的密封结构。

技术实现要素：

本文所述的实施例提供的组装方法和装置用于将金属垫圈固定到工件，以用于形成可靠的高压密封结构。通过将金属垫圈的一部分放置在工件(例如，燃料压力传感器等)的袋状端口和高硬度机械元件(例如压力传感器将被连接到的燃料导轨)之间，可以建立坚固的密封。所描述的方法和设备允许通过将垫圈固定到压力传感器来实现集成的密封并且垫圈不会发生塑性变形，所述塑性变形将导致压力传感器对燃料导轨的密封的可靠性变得不确定。将垫圈集成到压力传感器端口中，使得垫圈在压力传感器的运输过程中保持固定，避免了在将压力传感器连接到燃料导轨之前需要添加垫圈时可能损坏传感器端口。

在一个实施例中，提供了一种组装方法，其中，接收非圆形(例如，椭圆形、方形等)的垫圈和构造有环形凹部(例如袋状部或凹槽等)的工件，所述环形凹部的内径小于垫圈的最大径向尺寸。垫圈在被推入环形槽中时发生弹性变形，使得垫圈呈直径等于或小于环形凹部的内径的圆形形状。一旦弹性变形的垫圈被压入环形凹部中，便释放垫圈。在释放后，垫圈将试图扩展恢复成其原始形状，但会由于垫圈扩展并与凹部壁相接触产生的保持力而将垫圈固定抵靠在环形凹部的内壁上。

在一个实施例中，固定扩展式垫圈包括密封结构中的元件，其中，固定垫圈的高度大于环形凹部内壁的高度。垫圈可以由比压力传感器的环形凹部内壁更软的可延展金属材料构成。垫圈可以通过被定位在压力传感器端口的环形凹部附近的插入工具的(截头)锥形表面压向环形凹部而发生弹性变形。插入工具具有第一端部和第二端部，该第一端部限定的直径小于压力传感器的环形凹部的直径，该第二端部足够宽以适应未变形的垫圈的最大径向尺寸。

在另一个实施例中，可以在垫圈被进一步驱动到环形凹部中的时候释放弹性变形的垫圈，此时垫圈与从插入工具的锥形表面的第一端部延伸的插入工具的倒角区域相互作用。与倒角的机械相互作用允许释放的垫圈向环形凹部内壁缓慢地径向扩展。通过所公开的固定处理，垫圈可以仅在径向方向上弹性变形，例如不发生塑性变形或仅有微不足道的塑性变形。

可弹性变形的非圆形垫圈的变形和驱动可以取决于应用所需的材料和尺寸通过将垫圈和工件以小于150n、或者是小于100n的力压在一起来完成。垫圈优选地由比工件/压力传感器和待连接到此的燃料导轨更软的材料构成。插入工具优选地也由硬度大于垫圈的材料形成，以用于减少或避免插入工具的磨损。

另一方面，提供了一种用于将金属垫圈固定到工件(例如压力传感器)以用于形成集成的、可靠的高压密封结构的工件组装系统。组装系统可以构造成具有机械加压装置，该机械加压装置构造成将工件和下按压构件(即柱塞)推在一起。柱塞具有适于容纳可弹性变形的非圆形垫圈的端部。该组装系统还包括适用于工件的插入工具，该插入工具具有端口，该端口具有直径小于垫圈的最大径向尺寸的环形凹部。插入工具的截头锥形表面定位在第一开口端，所述第一开口端定位在传感器端口的环形凹部附近(当进行制造时)。第一开口端的直径小于或等于凹部内壁的直径，但是第一开口端的直径足够宽以便容纳柱塞按压构件的往复式末端。截头锥形表面具有与第一开口端同轴对齐的第二开口端并且第二开口端的尺寸足够宽以适应非圆形(例如，椭圆形、方形等)垫圈的未变形的最大径向尺寸。在通过插入工具将垫圈压入传感器端口的环形凹部中时，垫圈通过被工具的截头锥形表面径向压缩而弹性变形为圆形。

插入工具可以构造成具有从截头锥形表面的第一开口端延伸的倒角或阶梯部，其允许弹性变形的垫圈一旦通过完全横穿第一开口端而被释放就扩展以匹配压力传感器的凹部的内壁。倒角可以构造为具有允许弹性变形垫圈逐渐扩展的角度，而阶梯部可以构造成导致更多的瞬时扩展。

在一些实施例中，柱塞按压构件的末端包括用于接收非圆形垫圈的环形凹口。凹口的尺寸被设定为具有足够的宽度以容纳处于其原始未变形形状和弹性变形形状的垫圈，而不会将保持力施加在具有任意垫圈形状的垫圈上。

在替代实施例中，插入工具可以具有用于使垫圈变形的具有非锥形形状的内表面，但其使垫圈从原始形状径向弹性地变形成装配到工件凹部中的形状。垫圈固定到工件凹部中的非环形(例如，三角形或四边形)的固定可以提供更大的保持力，即其中垫圈部分地扩展到凹部内壁中的轴向槽中。

所公开的实施例的优点在于它们提供了所需零件较少的改进的集成可密封连接器，其在高压下具有高效且可靠的密封。垫圈可以由不锈钢构成，例如型号为aisi304的不锈钢。工件可以包括燃料压力传感器，所述燃料压力传感器针对在高压(例如，大约2700巴)下操作的燃料导轨进行密封。

应该理解，发明内容、附图说明和具体实施方式的内容并非对本文描述的发明构思的范围进行限制。

附图说明

根据以下对附图中所示实施例的更具体的描述，前述和其他的目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记通常在不同的附图中始终指代相同或在结构和/或功能上相似的部件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明实施例的原理上，其中：

图1a是示例性应用环境(高压燃料导轨感测)的图示，图1b是可以使用所公开的实施例的示例性压力传感器的分解图；

图2是根据实施例的组装系统的初始配置的图示；

图3是处于初始弹性变形状态的组装系统的示例性实施例的图示；

图4a和4b是处于进一步弹性变形状态的组装系统的示例性实施例的图示；

图5和图5a是组装系统的示例性实施例的图示，其中示出了变形垫圈的倒角释放；和

图6是组装系统的示例性实施例的图示，其中示出了垫圈处于工件凹部内的保持位置中。

具体实施方式

关于集成垫圈固定方法、工具和系统的实施例的以下详细描述在本质上仅仅是示例性的，并且决不是旨在限制所公开的实施例的范围、等同方案、应用或原理。在不脱离本公开的范围的条件下可以设计实施例的替代方案。与实施例相关联的技术的公知要素将不再详细描述或者将被省略，以免混淆创新性方法和装置的相关细节。例如，可以采用的机械加压装置的类型的实质性讨论就没有包括在内，因为这样的系统是本领域技术人员已知的。

本文所使用的词语“示例性”是指“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例均不必被解释为比其他实施例的更为优选或有利。同样，术语“实施例”以及与该术语的每次使用相关联的描述性语言都不要求所有实施例都包括所讨论的特征、限制、优点或操作模式。除非上下文明确指出，否则如本文所使用的单数形式“一”，“一个”和“所述”应理解为也包括复数形式。还应该理解的是，当在本文中使用时，术语“构成”、“组成”、“具有”、“构造成”、“包括”和/或“包含”明确了存在所述的特征、步骤、操作、要素和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他的特征、步骤、操作、要素、部件和/或其组合。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”应理解为表示“至少部分地基于”。另外，术语“锥形”和“截头锥形”在下面的描述中可以互换地使用以表示锥体的平截头体的形状，包括两个不同直径的、开口的、同轴对准的相对端部，其中在所述两个相对端部之间具有倾斜表面。

如上所述，并参照图2，所公开的实施例涉及密封结构组装方法和设备，其用于将可弹性变形的垫圈200集成地固定到工件(例如，压力传感器206)的端口204的袋状部或凹部202中。在最终组装状态下，垫圈200通过端口204的凹部内壁208提供的保持力保持与垫圈200的外侧壁210机械接触。

所公开的组装方法和工具被设想用于在感测高压液体(例如燃料)领域中应用，在要求在压力传感器206与燃料导轨(例如图1中的燃料导轨102)或任何其他(例如，可螺接)可配合元件之间进行可靠的耐压密封的应用中使用。但是，尝试其他的应用或技术领域(例如高真空应用)也是可行的。如上所述，燃料导轨的逐渐增高的硬度要求使得常规密封技术变得不可靠。例如，在常规系统中，传感器端口材料比燃料导轨材料更硬，并且“密封鼻部”(咬边)被压入燃料导轨以形成防漏密封。因此，发展出独立于燃料导轨硬度的密封概念，其中，较弱材料的金属层(可弹性变形的垫圈200)被整体地固定在压力传感器206(例如，lff4m182700巴的燃料压力传感器)的端口凹部202内，其中，机械加压插入力<100n。垫圈200的暴露部分212在其组装的固定位置处将位于传感器端口204和燃料导轨102之间，从而形成可靠的高压密封结构。有利的是，当运输传感器206时，垫圈200驻留在端口凹部202中。这一点很重要，原因在于将汽车零部件从供应商运送到客户汽车制造商的运输非常普遍，并且在客户的工厂内进行的安装通常是可以自动化的盲操作。运输之后，在连接期间以精确的操作将垫圈200挤压在燃料导轨102和传感器端口204之间，并且没有在组装中安装了错误数量的垫圈(即，无垫圈或过多的垫圈)或错误类型的垫圈的风险。

参照图2至图6将更好地理解组装方法，该组装方法以对于任何部件都没有破坏性的方式径向弹性地按压垫圈200以将其固定到压力传感器端口204上，图2至图6示出了这样的组装的示例性制造步骤。参照图2，示例性方法中的第一步骤可以包括围绕传感器206的端口204端同心地安装截头圆锥形插入工具214，并将传感器206的另一端安装在本领域技术人员已知类型的机械加压装置218的上按压构件216中。在另一个实施例中，机械加压装置218的上按压构件216可以向下移动，从而抵抗支撑插入工具214的弹簧力推送传感器端口204以稳定地定位并且在端口204以及插入工具214和垫圈200之间施加接合力。下按压构件(例如，柱塞222)在所安装的压力传感器206和插入工具214下方同轴对齐，所述下按压构件由能够在竖直方向上往复运动并且由机械加压装置218控制的实心金属轴构成。可弹性变形的非圆形垫圈200最初被放置在柱塞222的末端226中的凹口224中。

柱塞凹口224具有：宽度228，所述宽度228足够宽以容纳处于其初始非圆形的非变形形状的垫圈200；和环形直径229，其小于处于其径向变形的圆形形状(稍后示出)的垫圈200的最小径向尺寸。凹口的高度230小于垫圈200的高度232，该高度可能是不变的，原因在于垫圈200将不会受到足以使垫圈200轴向变形的轴向压缩力。垫圈200具有非圆形的最大径向尺寸234，所述非圆形的最大径向尺寸234在垫圈的未变形状态下大于压力传感器206的端口204中的环形凹部202的直径236。插入工具214构造成具有截头锥形的内表面238，所述内表面238从布置在端口凹部202附近的第一开口端242至第二开口端244以锥形拔模角度240向内倾斜(朝向工具的中心轴线)，所述第二开口端244用于容纳柱塞222和未变形的垫圈200的最大径向尺寸234。柱塞222的外径223小于环形凹部直径236和第一开口端242的直径246。第一开口端242的直径246略小于环形凹部直径236，但是足够宽以容纳柱塞222和处于其径向弹性变形形状(例如圆形)的垫圈200。选择拔模角度240以使得由锥形表面238逐渐将径向压缩力施加到垫圈200的外壁210。

如图3所示，当柱塞222竖直地将垫圈200和传感器端口204压在一起时(使用通常小于100n、但可能高达150n的力)，插入工具214的截头锥形内表面238接触垫圈200并将弹性变形力施加在垫圈200的外侧壁210(和角部)上，从而将垫圈200径向压缩成圆形。如图4a和4b所示，随着柱塞222通过插入工具214进一步对垫圈200加压，垫圈200响应于锥形内表面238的拔模角度240而逐渐被径向压缩。垫圈200在第一开口端242处经受最大的变形，这是截头锥形内表面238的最深延伸点。由于锥形内表面238的第一开口端242的直径246小于环形凹部直径236并且第一开口端相对于其的近侧定位，因此当变形的垫圈200被压入并且通过第一开口端242以圆形被释放时，垫圈200在与凹部内壁208接触或不接触的情况下由环形端口凹部202接收。紧公差和轻微的未对准可能会使得接触不可避免，但低保持力起初存在于垫圈200和凹部内壁208之间，直到从插入工具214释放垫圈200为止。图4a示出了部分地进入端口凹部202时的变形的垫圈200。

参照图5，一旦弹性变形的垫圈200被柱塞222完全驱动穿过插入工具的第一开口端242，已经由开口端242提供给垫圈200的径向压缩力即被移除，从而释放垫圈200。径向扩展力将随后试图使垫圈200径向扩展恢复成其未变形的形状(例如，椭圆形等)。如果垫圈200尚未与凹部内壁208接触，则垫圈200可以稍微扩展成与凹部内壁208接触。如果垫圈200在从插入工具214释放时已经与凹部内壁208接触，则来自凹部内壁208的保持力会立即抵抗径向扩展力。在垫圈侧壁210接触凹部内壁208的情况下，垫圈200的扩展将停止并且垫圈200将由于凹部内壁208所提供的保持力而被集成地固定，从而限制垫圈扩展成凹部直径236，所述凹部直径236小于垫圈200在其最初的未变形形状时的最大径向尺寸234。在一个示例中，300毫克钢制垫圈与钢制凹部壁接触时所能实现的31n保持力提供了0.4和0.8的摩擦系数μ，这相当于从凹部移除垫圈所需的理论加速度约为a＝fμ/m＝(31n*0.4)/0.0003kg＝4133g。

凹部内壁208的环形形状可以允许或者可以不允许垫圈200通过从其弹性变形形状扩展例如可能高达几十毫米而在一定程度上重新获得或者保持其原始的椭圆形状。径向力施加在垫圈200的外壁的与凹部内壁208相接触的部分上。在一个替代实施例中，凹部202的内壁208不必是基本光滑的圆柱体。相反地，在内壁208的表面(否则该表面将为光滑连续表面)中设置不连续部(例如，一个或多个槽等)、或者整个凹部202的非环形形状可以允许垫圈200稍微更进一步地扩展到这样的不连续部中，以用于进一步固定垫圈200以防止在端口204内旋转。

被释放的垫圈200的扩展可以快速进行，从而在垫圈200从插入工具的第一开口端242释放之后立即向外卡合至凹部内壁208。插入工具可以构造成具有阶梯式倒角，所述阶梯式倒角允许垫圈200迅速地扩展到由凹部内壁208尺寸确定的最大形状。替代地，通过将截头圆锥形插入工具214构造成具有倒角250，所述倒角250开始于第一开口端242并径向向下扩展至插入工具214的表面252，该表面252抵接传感器端口204的对置表面254，由此垫圈的扩展可以被设计为逐渐进行。倒角250具有成角度的表面256，所述成角度的表面256与释放的垫圈200的外壁210相互作用，从而允许释放的垫圈200随着释放的垫圈200进一步被柱塞222压入端口凹部202中而逐渐地径向扩展。当释放的垫圈的外壁210遇到凹部内壁208时，释放的垫圈200沿着插入工具倒角250的扩展就会停止。

图6示出了在释放的垫圈200完全插入端口凹部202内并居中地定位在端口凹部202内之后，柱塞222缩回，其中柱塞222通过保持力被整体固定在端口凹部202内。也可以在此时移除插入工具214。从端口凹部202突出的暴露的垫圈区域212的高度232高于端口凹部内壁208的高度258，使得当传感器组件连接到燃料导轨102时(例如可以通过螺纹配合)，突出的垫圈区域212在压力传感器206和燃料导轨102之间的密封结构内形成可变形的密封元件。固定的垫圈200与凹部内壁208的形状完全一致并不是必须的，而是只需要在传感器206连接到燃料导轨102时能够让固定垫圈200的底壁260抵靠端口凹部表面254以形成密封结构即可。

有利地，垫圈200仅表现出径向弹性变形。根据需要设计成使垫圈200变形的力是垫圈200、截头锥形插入工具214(包括拔模角240和倒角250)、传感器端口凹部202以及柱塞222的硬度和机械轮廓参数的函数。垫圈200的材料和硬度可以根据设计压力、尺寸、密封结构的应用而变化，但是由比燃料导轨102、压力传感器206和插入工具214更软的材料形成。例如，垫圈200可以由不锈钢或合金钢构成并且具有小于200hv洛氏硬度(b标度)的硬度，而燃料导轨102和端口具有大约314hv硬度量级的硬度范围并且端口具有350hv范围内的硬度。已经观察到，这些硬度范围的部件能够利用小于100n的压力实现适当的弹性变形。垫圈可以通过使粗糙边缘最小化的金属成形工艺(例如，精密冲切)来形成。

本领域技术人员将容易认识到，在不偏离所公开的发明构思的情况下，可以对所公开的实施例进行各种变型。例如，在一个实施例中，非圆形垫圈200可以具有三角形、正方形或其他形状，并且被压缩以被对应的三角形、正方形或其他形状的端口凹部接收。在另一个实施例中，插入工具214可以包括多个压缩元件，这些压缩元件协作以径向地压缩垫圈。

在阅读了前面的描述之后，本公开的许多变型和修改对于本领域普通技术人员而言无疑将变得显而易见，但是应当理解，作为说明而图示和描述的特定实施例不应理解为限制性的。除非另有明确说明，否则在本文中使用的任何要素、动作、或指令都不应被解释为关键特征或必要特征。