一种用于法兰接合面的连接的垫片及其设计方法与流程

本发明设计法兰连接技术领域，具体地涉及用于具有多个流体通道口的不规则法兰接合面的密封连接。

背景技术：

形成有效的流体密封是法兰连接的重要方面。在内燃机行业，流体渗漏对发动机的性能和可靠性影响较大，因此关键部位的密封尤为重要(如缸盖与机体结合面，水泵与机体结合面等)。这些部位的法兰形状往往是不规则的，例如，螺栓连接的位置以及多个流体通道的布置不规则，需要在多处形成密封。通常，各流体通道的流体介质是相互独立的，比如有进回水口、机油进出口，每一个流体通道和其它流体通道不能贯通，否则会导致油水混合、水气混合等故障，严重的会拉缸化瓦。因此需要对各流体通道形成独立的密封，尤其对位于法兰连接面的各流体通道口形成有效的密封是非常重要的。例如发动机机体和缸盖之间的垫片不仅密封诸如机油、冷却液的液体，而且密封气体，这要求液体和气体之间不能发生接触；再比如，发动机机体和水泵之间需要密封水泵进水、水泵回水、机体主油道机油。而不同的流体对应的密封介质压力不同。这对发动机机体和缸盖之间或者发动机机体和水泵之间的法兰连接的垫片的结构和螺栓布置等提出非常严格的要求。

针对上述不规则法兰接合面的连接，目前垫片的设计以假定各流体通道处的压力相同为前提，只要最低压力值达到要求即可，在各种流体通道的位置采用相同波形的密封压波(压波是在金属涂覆板垫片上冲压出的凸起)。然而通过验证，这种密封连接的方式会出现流体泄漏或不同流体介质混合的现象。其原因是法兰不规则，螺栓的位置和拧紧力矩不同造成法兰变形程度不一样，导致局部压力过大造成法兰面变形，并且局部压力不足造成泄漏。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，通过改进密封压波的波形，使压力分布更加合理均匀。该目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提出一种用于法兰接合面的连接的垫片，所述法兰接合面具有至少两个流体通道口并且在形成法兰连接时至少两个流体通道口所在的区域受到的压力不同，其特征在于，所述垫片在对应各流体通道口的位置分别形成垫片流道开口，并且在各垫片流道开口的周围设置有凸起高度相等的压波以形成流体密封，基于在形成法兰连接时的各垫片流道开口区域所受的压力不同，所述垫片被构造成在形成法兰连接时会受到压力较大的垫片流道开口区域形成压波半径较大的压波，并且在形成法兰连接时会受到压力较小的垫片流道开口区域形成压波半径较小的压波。

进一步地，所述法兰接合面具有位置分布不规则的螺纹连接孔。

进一步的，所述法兰接合面具有不同的螺纹连接强度的螺纹连接孔。

在本发明的一种优选的实施方式中，通过冲压工艺形成压波。

所述垫片可以被装配在发动机缸盖与发动机机体之间。

或者，所述垫片可以被装配在发动机水泵与发动机机体之间。

另外，本发明还提出一种设计用于法兰接合面的连接的垫片的方法，所述法兰接合面具有至少两个流体通道口并且在形成法兰连接时至少两个流体通道口所在的区域受到的压力不同，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-根据法兰接合面的形状、法兰接合面的螺纹连接孔的尺寸及位置、和流体通道口的形状及位置，设置垫片的形状、对应于螺纹连接孔的垫片连接孔的尺寸和位置、和对应于流体通道口的垫片流道开口的形状及位置；

-根据各垫片连接孔的位置、所对应的螺纹连接强度和拧紧力矩以及各垫片流道开口的位置，确定形成法兰连接时各垫片流道开口区域会受到的压力；

-在所述垫片上形成围绕各垫片流道开口的凸起高度相等的压波，根据各垫片流道开口区域在形成法兰连接时会受到的压力，将会受到压力较大的垫片流道开口区域的压波的压波半径构造成大于会受到的压力较小的垫片流道开口区域的压波的压波半径。

所述方法优选地通过冲压工艺形成压波。

本发明的优点在于：通过优化垫片的波形结构，使各流体通道口的密封带所受的压力趋于均匀，从而有效地避免了由于压力不足导致的流体泄漏和压力过大造成的法兰面变形。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示例性地示出了根据本发明实施方式的垫片所适用的法兰接合面的螺纹孔分布示意图。

图2示例性地示出了根据本发明实施方式的垫片所适用的发动机水泵(左侧)和发动机机体(右侧)的法兰接合面的视图。

图3示例性地示出了根据本发明实施方式的垫片的平面示意图。

图4示例性地示出了根据本发明实施方式的垫片在形成压波的位置的剖视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出一种用于法兰接合面的连接的垫片，所述法兰接合面具有至少两个流体通道口。在本发明的一种示例性而非限制性的实施方式中，如图1至图3所示，法兰连接面分别具有四个流体通道口和五个螺纹连接孔，因此本发明的垫片相应地具有四个垫片流道开口(在图3中分别以a、b、c、d示出)和五个垫片连接孔，由附图可以看出，各流体通道口的位置和形状尺寸以及各螺纹连接孔的位置分布都是不规则的。以图1和图2为例，其示出了一种机型的发动机机体与水泵的法兰接合面(其中，图2的左侧示图为发动机水泵的法兰接合面、右侧示图为发动机机体的法兰接合面)，可以看出最下方的螺纹孔5与其它的四个螺纹孔的距离较远，并且由于结构原因，螺纹孔5对应的螺栓的强度等级较其它螺纹孔对应的螺栓的强度等级高，相应地其拧紧力矩大于其它四个螺栓。因此在形成法兰连接时容易在如图3中的垫片流道开口d对应的区域产生较大的压力，从而导致上方的区域——尤其如图3中的垫片流道开口a和垫片流道开口b对应的区域——的实际压力较小而影响密封效果，从而发生流体泄露。为此，本发明的垫片采用如下方法解决上述问题：在各垫片流道开口的周围设置凸起高度相等的压波，所述压波即在金属板垫片上例如通过冲压工艺形成的凸起(如图4所示)，当通过拧紧螺栓形成法兰连接时，压波处的压力比其他区域的压力大，从而在垫片流道开口的周围形成封闭的密封带以实现流体密封的效果；由于在压波高度相同的情况下，压波形成的圆弧的半径(即压波半径)越大，压波的形状越平缓，相应地垫片在该位置的压波刚度越小，因此在被压紧时会形成相对小的压力，因此，在受力较大的垫片流道开口d的周围形成压波半径较大的压波，而在受力较小的垫片流道开口a、b、c的周围形成压波半径较小的压波，并且所有压波的高度相同。例如，可以在压波高度相同的前提下将垫片流道开口d区域的压波半径设置成大约为垫片流道开口a、b、c区域的压波半径的两倍以达到有利的密封效果。通过该方式，在形成法兰连接时，各流体通道口区域的压力分布更加均匀，从而避免了由于个别区域压力过大导致的法兰面变形和部分区域压力不足造成的流体渗漏。

另外，在本发明的示例性的实施方式中，由于螺纹孔5与其余螺纹孔以及流体通道口的距离较远，因此为了在形成法兰连接时垫片不会发生弯曲变形导致受力不均匀，可以在对应于螺纹孔5的位置、即图3中所示的垫片连接孔e的周围设置与垫片流道开口a、b、c、d周围的压波相同高度的压波。

需要指出的是，如上所述的本发明的垫片用于发动机水泵与发动机机体之间法兰连接。替代地，本发明的垫片也可以用于发动机缸盖与发动机机体之间的连接。或者，本发明的垫片还可以用于具有其他具有类似结构和连接方式的法兰接合面。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。