止位器的止位焊道上具有焊道的多层金属垫片的制作方法与工艺

本发明大致涉及一类用于在待夹紧的两个元件之间形成液紧密封的静态垫片，更具体地涉及在内燃机中的气缸盖和发动机组之间夹紧的一种多层静态垫片。

背景技术：
当在待夹紧的两个元件之间形成液紧密封时，比如在气缸盖和发动机组之间，在某些高温应用中通常采用具有多层的静态垫片。一般地，该多层垫片中的至少一层，有时也称为功能层，具有模压的密封焊道，当在两个相对的元件之间压缩时该模压的密封焊道被压平。该可压缩的密封焊道有助于形成液紧密封。该垫片可包括不止一个功能层和/或一个和/或多个所谓的间隔层。间隔层与功能层中的一个（或更多）邻接以通过压缩功能层的密封焊道形成燃烧室密封。不幸的是，当将气缸盖扣紧于发动机组上时，或其他应用时，若过压缩则密封焊道会产生损伤。如果密封焊道被过压缩且大体被压平，除了丧失它施加高压缩密封压力的能力之外，在使用过程中初始夹紧和之后在密封焊道的区域还会形成疲劳裂纹。疲劳裂纹最终降低了静态垫片形成紧密封的能力，从而缩短了它的寿命并且破坏了它的性能特征，因此是尤其不受欢迎的。为了解决过压缩的问题，现有技术已经教导了压缩限幅器或止位器的使用以及特征。压缩限幅器最常用的为固体的、大体不可压缩的金属环，其高度达到整个垫片总成的最大压缩量。Okano的美国公开号为2009/0200752的专利（该专利申请于2009年10月13日公开，并转让给了受让人）公开了一种包括附加的焊道压缩限制特征的多层静态垫片。美国公开号为2009/0200752的专利整体通过引用合并于此。尽管有效，在某些情况下，该现有文件中描述的该垫片结构却难于制造，因为它要求精密的制造工艺以在止位器高度上实现精密区分。据此，本领域亟需一种改进的包括焊道压缩限制特征的多层静态垫片构造，并且该垫片易于采用传统技术且相对低成本的材料制造。

技术实现要素：
本发明为用于在两个相对的元件之间形成密封的多层金属垫片。所述垫片包含一主功能层，所述主功能层具有大致均匀的厚度以及反向面对的第一面和第二面。所述主功能层包括至少一个内部开口。所述主功能层包括一围绕所述开口的有弹力的主密封焊道。所述主密封焊道包含位于所述功能层内的一个完整波形，所述完整波形在所述第一面内形成一个凸起的变形，并在所述第二面内形成对应的凹槽。次功能层与所述主功能层并排（side-by-side）设置。所述次功能层包括至少一个内部开口，所述内部开口与所述主功能层中的所述内部开口大致对齐。所述次功能层包括一围绕所述开口的有弹力的密封焊道。所述次密封焊道包含一个完整波形，所述完整波形在所述次功能层内形成一个凸起的变形以及对应的凹槽。所述次密封焊道与所述主密封焊道大致对齐并且相对其反转以使得所述次密封焊道的所述凹槽朝着所述主密封焊道的所述凹槽敞开，反之亦然。当所述垫片总成在两个相对的元件之间被压缩时，压缩限幅器用于阻止所述主压缩焊道和所述次压缩焊道被完全压平。主止位层可操作地与所述主功能层连接并且沿着主功能层的所述第二面设置。所述主止位层直接位于所述主密封焊道的下方并桥接所述主密封焊道的所述凹槽。根据本发明，所述主止位层与主功能层合作形成了压缩限幅特征和功能。该垫片可采用传统的，相对廉价的技术制造。当根据本发明构造一多层金属垫片时，主止位层的功能是限制主密封焊道和次密封焊道的完全压缩或过压缩并且从而防止过早的疲劳裂纹和其他不利影响。该主止位层平衡了主密封焊道和次密封焊道之间的载荷并且从而提高了该垫片总成的密封性能。附图说明结合下列具体描述以及附图进行考虑，本发明的上述及其他方面和优点将会更加容易理解，其中：图1是现有技术发动机总成的简化分解图，其中包括在发动机组和气缸盖之间设置的多层垫片；图2是根据现有技术的多层气缸盖垫片的放大断开图；图3是根据本发明的垫片总成的断开剖面图；图4是图3中用4标示的圈中区域的放大图，其中示出了该垫片总成的相对的元件高度；图5是图3中所示的垫片的剖面图，该垫片被夹于两个相对的元件之间，比如，由气缸盖和发动机组组成；图6是图5中用6标示的处圈中区域的放大图；图7是根据本发明的第一个可选实施例的垫片总成的断开剖面图；图8是图7中所示的夹于两个相对元件之间的该垫片总成的示意图；图9是根据本发明的第二个可选实施例的垫片总成的断开剖面图；图10是图9中所示的夹于两个相对元件之间的该垫片总成的示意图；图11是本发明的第三个可选实施例的断开剖面图；图12是图11中所示的夹于两个相对元件之间的该垫片总成的剖面图；图13是根据本发明的第四个可选实施例的垫片总成的断开剖面图；以及图14是图13中所示的夹于两个相对元件之间的该垫片总成的示意图。具体实施方式参阅附图，其中类似的数字表示多幅附图中类似或相应的部分，一种典型的现有类型的多层金属垫片，也称为多层钢（MLS）在图1中大致以数字20表示。该垫片20此处示出为夹于气缸盖22和发动机组24之间，以围绕多个燃烧室（即气缸孔）以及被两个配套元件22，24共享的润滑和冷却通道形成燃烧室密封。但是，多层金属垫片20也可用于其他应用中，比如用于发动机组与排气管之间的密封，以及其他发动机和非发动机应用。图2示出了现有技术中多层垫片20的放大图。通常，如图1和图2所示的气缸盖垫片20包括与发动机的燃烧室对应的多个孔开口26。根据本发明的多层金属垫片大致如图3-图6中28所示。该垫片总成28尤其适于在内燃机的气缸盖22和发动机组24之间形成密封，但也可适用于其他密封应用中。该垫片28包括一主功能层，大致如30所示。该主功能层30具有一大致均匀的厚度而且能通过冲压操作制造。该主功能层30包括反向面对的第一面32和第二面34。在如图3和图5中所示的例子中，第一面32是该垫片28的上表面，第二面34包括底面或底部表面。但是，在本发明的其他实施例中可以看到，面32，34可根据应用而反向。主功能层30包括至少一个内部开口36，在气缸盖垫片的典型案例中，该内部开口36可对应发动机组24中的气缸孔。有弹力的主密封焊道38围绕开口26设置。该主密封焊道38成形为主功能层30上的凸起。该主密封焊道38呈现一个完整的波动的形状，在第一面32上具有凸起变形，在第二面34上具有对应的凹槽。可能最优地如图3所示，该凹槽在径向定距离间隔的内接触面40和外接触面42处中断了主功能层30的第二面34。次功能层大致示出为44，与主功能层30并排设置。该次功能层44包括至少一个内部开口46，该内部开口46大致与主功能层30中的内部开口36对齐。如图3和图5所示，该次开口46的内径小于主开口36的内径，但它们均相对于发动机体24的气缸孔居中。该次功能层44还包括一围绕开口46的次密封焊道48。该次密封焊道48包含位于次功能层44中的如主功能层30中所示的完整波形。因此，该次密封焊道48呈凸起形状，在次功能层44的一面具有凸起变形，而在另外一面具有对应的凹槽。该次密封焊道48与主密封焊道38大致对齐且相对其反转，从而一个覆盖在另一个上面。这些特征的安排使得次密封焊道48的凹槽朝着或朝向主密封焊道38的凹槽敞开，反之亦然。如图3所示，这两个焊道38，48由于它们各自的凸面部分指向相反方向而形成一种环形空隙或空洞。压缩限幅器50的作用为阻止主密封焊道38和次密封焊道48的过压缩。换句话说，当垫片总成28在两个相对的元件间被压缩时，该压缩限幅器50用于阻止主密封焊道38和次密封焊道48被完全压平。主止位层大致示出为52，可操作地与主功能层30连接并沿着它的第二面34设置。该主止位层52直接位于主密封焊道38的下方且桥接所述主密封焊道的凹槽，如图3所示。在该优选实施例中，该主止位层52通过焊缝54直接贴附于主功能层30的第二面34。其他固定技术可包括机械铆接或其他适合的方法。焊缝线54邻近外接触面42设置从而使得邻近内接触面40的主止位层部分保持相对于主功能层30可滑动地设置。这样，主密封焊道38不至于被主止位层52锁住，而是当在两个配套元件之间压缩时可以自由压缩，如图5所示。特别地，如图6所示，当凸起38被压平，主功能层30中的开口36将相对主止位层52的内部边缘56径向向内发生位移。通过比较图4和图5将更易于理解。如果主止位层52反过来固定于凸起的密封焊道38的径向向内一侧，应当预期边缘36，56在被压缩后仍然相对齐平。在图3-6所示的实施例中，主止位层52直接位于次密封焊道48的凹槽和主密封焊道38的凹槽之间。换句话说，并没有其他介于中间的层，主止位层52直接连接功能层30，44的第二面。优选地，主止位层52为具有大致均匀厚度的片状元件。在气缸盖垫片的应用中，主止位层52具有大致平面的、以燃烧室孔开口36，46为中心的环形的形状。垫片总成28可包括一与主功能层30并排设置的第三功能层58。该第三功能层58包括至少一个内部开口60，该内部开口60大致与主功能层30中的开口36对齐。该第三功能层58具有有弹力的第三密封焊道62，该密封焊道类似于其他密封焊道，以围绕开口60的一个完整波形突起。该第三密封焊道62同样地包括位于第三功能层58上的两个相对面的凸起变形和对应的凹槽。在该实施例中，该第三密封焊道62与主密封焊道38大致对齐（即叠置于上方）且相对其方向使得它们各自的凸起变形彼此直接接触。因此，不难看出，交替的密封焊道38，48，62形成一弹簧柱从而确保垫片总成28被夹紧在两个相对的表面之间时（如图5所示）能够维持压缩。下面参阅图4和图6，示出了包括组合的自然堆积高度S的相对尺寸厚度，该自然堆积高度S表示主功能层30，主止位层52和第三功能层58的无应力高度。该例子中的压缩限幅器50示出为具有高度c。应当注意的是，在该实施例中，该压缩限幅器50固定地设置于功能层44上。此处，该组合的自然堆积高度S大于压缩限幅器50的高度c。但是，当垫片总成28被夹紧在两个相对的元件22，24之间时，主功能层30和第三功能层58被压缩至压缩限幅器50的高度c。应当注意的是，主止位层52和主功能层30组合起来的厚度a，再加上第三功能层58的厚度b，小于压缩限幅器50的高度c。通过图6可看出，其中，完全被压缩的垫片总成28在压缩限幅器的高度c时并不会导致密封焊道38，48，62的完全压缩，在主功能层30和第三功能层58之间的空气间隙证明了这一点。因此，可用数学公式表示：a+b<c<S。图7和图8示出了本发明第一个可选的实施例，其中第三功能层是省略的。在该实施例中，上述讨论的与图3-6有关的类似或相应的部分通过增加100的类似参考数字进行标示。因此，主功能层130包括通过焊缝154连接的完整的主止位层152。一相对的次功能层144上具有一压缩限幅器150。该总成128可在两个配合的元件之间被压缩，如图8所示，具有上述与优选实施例相关的那些类似的效果和优点。图9-图10示出本发明的第二个可选实施例，其中类似或相应的部分可通过增加200的类似参考数字进行标示。该第二个可选实施例和第一个可选实施例（图7-图8）之间的区别是，主功能层230在其开口236处延伸至覆盖压缩限幅器250，同时压缩限幅器250的高度相应减少。该例子说明了另一种可选方式，其中，本发明的基本原则仍然可在一种多层垫片总成的范围之内表达。图11和图12描述了本发明的第三个可选实施例，其中类似或相应的部分通过增加300的类似参考数字进行标示。该第三个可选实施例的不同之处在于包括一个间隔层364。该间隔层364可由一大致平面的、片状金属元件构成，该金属元件在该例子中设置于次功能层344的反面。在该例子中，压缩限幅器350是直接粘附于间隔层364之上的。当总成328在两个配合的元件22，24之间被压缩时，次密封焊道348的凸起部分直接接触间隔层364，如图12所示。本发明的垫片总成的第四个可选实施例在图13和图14中大致以附图标记428示出，其中为了方便起见，前述形成的附图标记增加400。该第四个可选实施例类似于图11和图12所示的第三个可选实施例，在该实施例中包括了间隔层464且间隔层上承载有压缩限幅器450。但是，这第四个可选实施例的不同之处在于，间隔层464位于主功能层430和次功能层444之间。如图所示，有利地是在间隔层464中形成曲柄或支管466以便于各层在设置于两个配合的元件之间时的顺利压缩，如图14所示。如在不同的各个实施例中所示出的那样，根据本发明的垫片总成在对施加于密封焊道上的荷载的限制中是有益的，尤其是在高荷载应用中。这是通过压缩限幅器联合主止位层实现的，并且通过组织那些构件才使得压缩限幅器在其他构件被完全压缩时高于其他构件。因此，根据本发明的垫片总成有利地平衡了至少两个不同密封焊道元件之间的荷载。密封焊道上的荷载限制无需依赖精密制作过程即能实现。前述的发明根据相关法律标准已作了描述，因此该描述作为示例而非本质上的限制。根据已公开的实施例而进行的变化和修改对本领域人员而言是明显的，并且落入本发明的范围。