金属平面垫片 技术领域 本发明涉及一种金属平面垫片 (flat gasket)， 特别是用于汽车内燃机领域内的 金属平面垫片， 尤其是气缸盖垫片、 用于对高压进行密封的垫片或者包括排气处理和排气 加工的排气线路的区域内的垫片 ( 例如排气歧管垫片 )。
背景技术
为了密封燃烧气体开口， 此种垫片通常使用突缘 (bead)， 所述突缘形成到垫片层 中并且完全环绕燃烧气体开口。为了防止所述突缘在工作期间被过度挤压并失去其弹性， 所述突缘经常伴随有所谓的止挡器 — 一种变形限制器， 其与所述突缘相比更加难以被压 缩， 因此可以防止所述突缘在工作期间被完全压缩。 通常， 止挡器设置在突缘和燃烧气体开 口之间， 由于此种设置还允许止挡器防止热的燃烧气体朝突缘渗透。由于突缘和止挡器彼 此相互邻接的布置方式， 上述的设计需要较大的空间。 然而， 这种空间并不是对所有应用场 合都可得。例如， 用于带气缸衬套的发动机缸体的气缸盖垫片的优化设计要求将分别作为 弹性和非弹性构件的突缘和止挡器的布置可以针对各个发动机进行调整， 其原因在于， 这 些构件的功能要求它们保持最小的空间以及如同已经提及的每个构件需要最小的空间。
突缘和止挡器的上述布置方式的另一缺点在于 ： 止挡器通常作为分离件制造。例 如， 止挡器通常由环形金属层构成， 所述环形金属层置于包括所述突缘的金属层上并固定 在其上。除了材料消耗增加之外， 这还意味着制造成本升高。 发明内容
因此本发明的目的在于公开一种金属平面垫片， 所述金属平面垫片允许在没有分 离的止挡器构件的情况下防止形成到所述金属垫片中的拱 ( 例如完整突缘或半突缘 ) 被完 全压扁。本发明进一步的目的在于， 使得所述拱上的压力保持尽可能均匀。本发明的其它 目的在于， 不仅能够用于多层平面垫片， 也能够用于单层平面垫片。
这些目的是以根据权利要求 1 的金属平面垫片以及根据权利要求 19 的金属平面 垫片的用途来实现的。所述平面垫片的优选实施例在从属权利要求中描述。
在第一方面， 本发明因此涉及带有至少一个金属垫片层的金属平面垫片， 所述金 属垫片层通常是平坦的并且包括第一和第二表面。所述垫片的一个平面以下述方式限定 ： 其位于所述垫片的最大贯穿开口的边缘的高度处。 这意味着所述垫片的那些直接环绕这些 开口 ( 特别是燃烧室或燃烧气体开口 ) 的区域跨过所述垫片的平面。对于某些应用， 例如 高压垫片， 最大的贯穿开口不需要是由根据本发明的密封构件所环绕的贯穿开口。平坦的 形状是指下述情况 ： 其中垫片未安装在待彼此相对密封的表面之间， 从而是垫片的未受压 状态。从完全平坦状态的稍微偏离， 例如由于制造条件而在垫片的表面内移位不认为是从 平坦状态偏离。
在此垫片层中形成拱， 所述拱突出超过垫片层的所述第一表面， 并且所述拱的长 度大于其宽度。 所述拱以下述方式形成 ： 它具有由虚拟高度给出的第一高度面， 所述第一高度面平行于所述垫片的平面延伸， 经过所述垫片层的第一表面上的所述拱的脚部。所述垫 片层的垫片平面以下述方式限定 ： 它居中贯穿于垫片层的横截面。因而第一高度面是虚拟 平面， 其平行于此中心高度面， 且所述第一高度面位于所述垫片层的第一表面 ( 所述拱突 出高于该表面 ) 上， 从而延伸经过所述拱的脚部。所述拱的脚部是紧邻所述拱的区域， 在该 区域中所述拱还没有高于第一垫片层， 而是具有零倾斜。
所述拱进一步由第二高度面限定， 所述第二高度面是另一个平行于所述垫片层的 垫片平面延伸的虚拟高度面， 并且包括所述拱的最高点。从而所述第一和第二高度面以虚 拟高度面的形式限界所述拱的最高点和最低点。 所述拱具有位于所述第一和第二高度面之 间的上升斜坡。根据本发明， 此倾斜 ( 斜坡 ) 区域以下述方式设计 ： 它具有波形结构。所述 波形结构由至少两个波组成， 每个波具有波峰和波谷， 所述波在所述两个高度面之间延伸。 从而所述凸缘区域包含朝着所述第一高度面的方向上的至少两个振荡， 以及与之交替的朝 着另一 ( 第二 ) 高度面的方向上的其它至少两个振荡。在从所述垫片层的两个表面之一看 的视图中， 对于每个倾斜区域能够识别两个波峰和两个波谷。当确定倾斜区域的波峰和波 谷的数量时， 通常不考虑脚部点、 顶峰点和顶部平缓部 (plateau)。然而在下述情况中给出 例外 ： 所述拱在其顶峰处具有两个顶点， 每个斜坡一个， 在这两个顶点之间具有单个波谷或 没有大的波平缓部。在此情况下以及仅在此情况下， 在对波峰和波谷进行计数时考虑斜坡 的顶点以及位于中间的波谷两者。从而， 对于两个倾斜区域， 中心的波谷都作为波谷计数。
采用本发明的所述拱的倾斜区域， 所述金属垫片层中的宏观拱与微小结构重叠。 具有至少两个连续的波的形状的此微小结构导致所述拱的有效加厚和强化。结果， 与没有 微小结构的情况相比， 压缩所述拱的难度明显要高出很多。 这样， 形成无需其它装置而自我 强化的拱， 并用作极其可靠且使用寿命长的密封构件。这允许显著地减小密封构件对空间 的要求。结果， 不会超过一般的突缘或半突缘所需的空间。
所述拱的基本外形从而所述拱的 ( 在不考虑在倾斜区域内的波形结构的情况下 ) 基本走向 (course) 大体上对应于常规突缘或半突缘之一。在宽度方向截面图中， 所述拱示 出大体为弓形或梯形。Ω 形、 三角形或其它截面外形也是可能的。所述截面可以在所述拱 的峰顶处具有顶点或平缓部。 在完整突缘的情况下， 所述拱具有两个突缘脚部、 以及两个对 应的倾斜区域， 所述突缘脚部设置在所述拱的对置支撑点处， 所述倾斜区域朝着所述突缘 的顶峰上升。作为顶点的代替， 可以存在顶部平缓部， 从而存在一个恒定高度的区域。所述 宽度方向截面可以是对称的或非对称的。在所述拱是半突缘的情况下， 存在仅仅一个突缘 脚部以及仅仅一个倾斜区域。在此情况下， 所述顶点与所述倾斜区域的对置端部上的第二 突缘相当。 从而所述宽度方向截面对应于完整突缘的截面外形的一半， 即半弓形或半梯形。 如同已经说明的， 此种形式可以从常规垫片 ( 从而从现有技术 ) 得知。拱的整体设计不同 于现有技术的突缘或半突缘的形式。差别在于， 在所述倾斜区域叠加前述的波形结构。
在完整突缘的情况下， 存在从相应的脚部朝着所述拱的顶峰上升的两个倾斜区 域。大体上可以仅仅给一个倾斜区域设置波形结构。然而， 优选的是两个倾斜区域都带有 至少两个波——每个波带有波峰和波谷。 特别优选的是在两个倾斜区域中波形结构是均匀 的。然而， 两个倾斜区域的波形结构可以具有不同的设计。所述波形结构 ( 无论其相同还 是不同 ) 还可以与不同设计的倾斜区域 ( 从而与宏观拱的不对称区段 ) 组合。还可以沿着 所述拱的纵向改变所述拱的宏观结构和 / 或所述波形结构。例如， 可以沿着所述纵向改变所述拱的高度、 所述拱的宽度、 和 / 或所述拱的一个或数个倾斜区域的坡度。对于一个或数 个倾斜区域中的波形结构的设计也是如此。所述变化用于精巧地调整所述拱及其变形， 使 之适应待密封的对置面以及适应于金属平面垫片的安装状态中的操作条件。
只要长度大于宽度， 所述拱在其纵向上的走向大体上可以是任何形状。在其纵向 上， 所述拱可以是直线的、 弯曲的， 例如弓形或曲折的， 它可以弯折一次或数次， 或者类似的 形式。分叉走向也是可以的。所述拱可以具有封闭的圆形形式， 或带有离散端部的开放形 式的圆形形式。对于封闭的走向， 优选的是， 所述拱环绕所述垫片层中的贯穿开口。该贯穿 开口能够是垫片的任何贯穿开口， 在气缸盖垫片的情况下例如是燃烧室开口， 用于冷却水、 用于油或者螺栓的开口。还可以是单个拱同时环绕数个贯穿开口。通常， 有利的是， 所述拱 在开口 ( 例如燃烧室开口 ) 的带有较高的动态应力的边缘处模压程度较大 ( 与带有较小动 态应力的边缘 ( 例如螺栓孔 ) 相比 )。由波形结构叠加的拱能够大体上以与常规密封件或 支撑突缘相同的方式设置在金属垫片层中。从而， 它还可以在根据本发明的金属平面垫片 中用作支撑构件。在此情况下， 不需要所述拱完全环绕贯穿开口。因而螺栓开口或其它开 口可以由所述拱仅仅部分地环绕。 此外， 可以给垫片层提供这样一种拱， 其不直接与贯穿开 口相关， 所述拱用作支撑构件， 例如， 在垫片的所谓的腹地 (backland) 中， 意指相邻于所述 垫片的外边缘的区域。对于此种支撑构件的一种可能是直线布置， 其远离但是平行于垫片 的外边缘之一。可以提供带有数个支撑拱的垫片， 或者提供拱覆盖垫片层的较大区域的垫 片。如果拱同时作为密封和支撑构件而用在垫片中， 支撑构件的高度通常小于密封构件的 高度。 所述波在波形中的纵向走向与拱在整体上的纵向延伸方向对应。 波的外形可以是 正弦波。再次地， 所述外形可以理解为波形结构的宽度截面。各波峰和波谷在正弦波形结 构内的截面通常为弓形， 特别地具有圆弧或椭圆形形状。 然而， 波形结构的波峰和波谷还可 以是三角形、 梯形或其它形状。
根据本发明， 如果波形结构仅仅在拱的倾斜区域中存在， 这是足够的。 然而优选的 是， 波形结构在拱的整个宽度上延伸。在此情况下， 波形结构不仅处在于倾斜区域内， 而且 存在于拱的顶点或顶部平缓部的区域内。特别优选的是， 沿着拱的整个宽度存在波峰和波 谷。 这意味着从一个波谷延伸到相邻波谷或者从波峰延伸到相邻波峰的波形结构的截面具 有相同的宽度。 术语 “截面的宽度” 在此理解为两条平行线之间的距离， 其中， 所述两条平行 线延伸穿过彼此相邻的两个波峰的顶点， 并且与垫片的第一和第二平面的高度面相交。术 语 “波谷的宽度” 也是类似地理解。
所述拱的宽度方向截面的特征在于， 在半突缘的情况下一个倾斜区域以及在完整 突缘的情况下两个倾斜区域， 其中所述倾斜区域从所述垫片的第一平面朝着所述垫片的第 二平面稳定地上升。如同已经提及的， 所述拱的整体形状例如是梯形的， 但是优选的是， 为 圆弧形或椭圆形。在后两种情况下， 将各波峰的顶点联接起来的包络线也为圆弧形或椭圆 形。对于将波谷的极小点联接起来的包络线也是如此。各波峰的顶点的高度稳定地增加， 但是朝着拱的顶点的方向幅度有所变化。 至于分别沿着此种拱的宽度方向走向的相邻波峰 之间或相邻波谷之间的各台阶的高度， 高度差随着各台阶朝着拱的顶点而减小。 这样， 如果 测量波峰的顶点突出超过垫片第一平面的高度并且计算各对相邻顶点的高度之间的差， 那 么该差沿着从拱的脚部点朝其顶峰的方向减小。这允许各个波中压力均匀分布的弓形拱。
此种几何结构在新的状态下给出， 以及在释放状态 ( 从受压状态弹回 ) 下给出。
至于拱中波形结构的设计， 那些实施例已经示出为是有利的， 所述实施例具有从 其脚部点朝着顶点稳定地延伸的倾斜区域， 且波形结构尽可能的规则化， 并具有相当小的 结构幅度。波形结构和拱的整体结构之间的关系将在下文中说明。在拱的宽度方向截面 ( 正交于拱的纵向延伸方向的截面 ) 中， 能够引入虚拟的中心线， 该虚拟的中心线沿着拱在 垫片层的一半材料厚度处延伸。 在波形结构的区域内， 这些中心线顺着波形结构的走向。 能 够在拱的此截面中构造两条另外的线——在下文中称为第一和第二连接线。 两条连接线由 直线段构成。在第一连接线的情况下， 这些直线段各自将垫片层第一表面上的相邻波谷的 极小点彼此连接起来。在第二连接线的情况下， 所述直线段各自将垫片层第二表面上的相 邻波谷的极小点彼此连接起来。所述拱中的波形结构以下述方式设计 ： 第一和第二连接线 都不于所述中心线相交。这只有在对于深度相当小的波谷的情况下是可能的。特别地， 这 些小的幅度使得在拱的整个宽度上具有规则和有效的支撑。
所述波形结构能够沿着存在所述拱的整个纵向走向存在， 或者仅仅在该纵向走向 的一个或数个区段上存在。优选的是， 波形结构在拱的整个纵向延伸部上存在。为了制造 简单， 还优选地， 在整个延伸部上均匀地设计波形结构。然而， 还可以沿着拱的纵向改变波 形结构的波的数量、 形式和 / 或高度。这样， 能够沿着拱的纵向走向特意改变拱的硬度。 所述拱和所述拱内的波形结构优选地通过对垫片层进行模压而形成。 这两种结构 能够在相同的模压步骤中形成。利用模具获得拱中的波形结构的特别优选的实施例， 所述 模具的阳模部分和阴模部分在其关闭的状态下是彼此互补的。 由于模压模具在垫片层的那 些区域 ( 其后来对应于波峰和波谷之间的侧翼 ) 中比在波峰的极大点和波谷的极小点的区 域中更彼此靠近， 所以所述波的侧翼区域内的材料厚度小于波形结构其余区域内的材料厚 度。 波形结构以下述方式制成 ： 与垫片层在波峰和波谷的区域内的尺寸材料厚度相比， 能够 观察到侧翼缩减 5％至 40％， 优选地缩减 10％至 35％， 最优选地缩减 15％至 30％， 且材料 厚度总是与所述材料表面正交地测量。 波形结构中波峰和波谷的模压由于垫片层两个表面 的振荡而导致在拱的区域内的有效加厚。 将垫片层的两个表面上的波峰连接起来的包络线 之间的距离大于模压所述波形结构之前的初始垫片层的厚度。令人惊奇的是， 除了在侧翼 缩减的区域内增加的拉伸强度之外， 还观察到增加的剪切应力。这表明侧翼缩减伴随着颗 粒增强——其不仅硬化侧翼区域， 而且还导致延展性增加。甚至对于侧翼区段可以测量到 比峰或谷或平坦区更高的硬度。 所述侧翼缩减与宏观的侧翼缩减一起以及所述有效的加厚 的微观结果， 与不带有波形结构的拱相比， 导致拱的可压缩能力明显减小。这样， 拱制造为 自我支撑， 并且构成使用寿命极长的密封构件。所述长的使用寿命进一步得到下述因素的 支持 ： 波台阶高度的渐减的增加以及由其导致的压力均匀分布。对空间方面的要求不大于 不带有波形结构的常规突缘。
即使对于难以密封的贯穿开口 ( 诸如气缸盖中的燃烧气体贯穿开口或排气歧管 垫片 )， 仅仅自身强化的突缘也是足够的， 并且构成极好的密封措施。它的密封效果显著地 胜于相当形状的常规突缘的密封效果。 这还由于在垫片层两侧上波峰区域内形成的多条密 封线。 这种大数量的密封线对于待密封表面提供极好的适用性， 并且提供出色的密封效果， 所述出色的密封效果即使在强的长期应力或密封间隙的持续运动的情况下也能够保持非 常长的时间。与相同基本形状的常规突缘相比， 弹性显著地增加。
包括波形结构的拱足以作为用于贯穿开口的单一密封构件。 根据本发明的密封构 件特别适于这样的应用， 其中密封构件位于主负载连接中。 然而， 这不排除根据本发明的密 封构件与一个或多个其它密封构件组合使用。 带有波形结构的拱在原理上还能够与止挡器 构件组合使用。 然而， 这大体上是不优选的， 其原因在于带有波形结构的拱不需要任何另外 的支撑构件。可能有用的是将带有波形结构的拱与作为附加密封构件的常规突缘结合。根 据要求， 这两个构件的弹性能够像对于彼此调节。 例如可以设计成 ： 常规突缘的硬度低于带 有波形结构的相邻拱， 这使得所述拱用作相邻突缘的支撑构件。 另一方面， 可以通过以使得 带有所述波形结构的拱位于辅助负载连接中的方式进行对应成形来设计突缘。
如同已经说明的， 带有波形结构的拱不是必须用作圆形的封闭密封构件。它还能 够用作纯支撑构件， 例如作为垫片的边缘区域处的支撑件。 以相同的方式， 包括波形结构的 拱能够用作弹性体密封构件 ( 诸如密封唇 ) 的支撑构件。
带有波形结构的拱非常适于接纳涂料。 然后波形结构中的波谷用作防止涂料流走 的腔， 并且以此方式来帮助改善涂料在垫片层上的粘附。可以使用现有技术中已知的任何 类型的用于涂覆金属平面垫片的涂料， 例如， 改善微密封或滑动摩擦的这些涂料。 涂料施加 的具体方式例如允许涂料聚集在拱的凸侧上。 优选的是， 凹部不完全地由涂料填充， 优选地 填充到 80％， 更优选地填充到 50％。 根据本发明的金属平面垫片能够制造为单层式垫片。由于使用带波形结构的拱， 不需要诸如止挡器之类的其它构件。 根据本发明的金属平面垫片还能够是带有两个或更多 个垫片层的多层式垫片， 所述垫片层中的至少一个包括带有波形结构的拱。其它垫片层能 够任意地设计。能够但是不是必需包含一个或多个带有波形结构的拱， 无论所述金属平面 垫片是用作密封构件还是支撑构件。有利的是， 其它垫片层中的带有波形外形的拱以下述 方式设置 ： 所述拱面朝相邻层中的另一密封或支撑构件。 带有波形结构的拱、 突缘或半突缘 例如能够用作此种密封或支撑构件。有利的是， 彼此面对的密封或支撑构件关于其宏观形 状镜像对称地设置。 然而带有波形结构的拱还可以面朝相邻层中的均匀区域。 在此情况下， 所述均匀区域形成均匀支撑， 其允许波峰的良好设置。其它垫片层的拱或突缘能够以下述 方式设置 ： 它们的峰朝着第一垫片层中的拱的峰。替代地， 它们也能够彼此背离地指向。在 多层式垫片中， 所述垫片层能够具有相同或不同的延伸度。所述金属平面垫片的垫片层中 的一个或数个可以短于至少一个较大的垫片层， 并且在所述垫片的边缘区内被节省掉。例 如可以的是， 它们以环或眼睛的形式形成为环绕一个或数个贯穿开口的嵌件。 还可以的是， 包含带有波形结构的拱的垫片层是此种减小的垫片层。
所述金属平面垫片可以包含对应于现有技术已知的常规密封构件的其它密封构 件， 例如可以包含突缘或弹性体密封唇形式的突缘或其它密封构件。 还可以存在支撑构件， 诸如突缘或半突缘以及通过模压制得的材料加厚部。可以使用曲拐 (cranking) 来对称地 分布密封构件的有效高度。已经提及的是， 所述垫片中的至少一个在其至少一个表面上可 以部分地或全部被涂覆。根据本发明的金属平面垫片能够使用现有技术中已知的常规材 料、 常规方法和工具制造。 对于至少一个垫片层的优选材料是钢， 特别是弹簧硬钢或不锈弹 簧钢。弹簧硬度特性可以在导入所述拱之前或之后存在， 例如采用热处理而获得。其它垫 片层能够以相同或不同的材料制成， 例如以碳钢制成， 或者对于光滑垫片层特别地以非弹 性钢制成。由于排气线路 ( 包括排气处理和排气加工 ) 中的垫片层面对较高的温度， 例如
高达 800 摄氏度， 建议使用耐受高温的钢， 例如使用富镍钢。
对于本发明的金属平面垫片的有利应用是作为内燃机领域内的垫片， 特别是作为 气缸盖或排气歧管垫片。 在此情况下， 特别优选的是， 使用带有波形结构的拱作为用于燃烧 气体开口的密封构件。术语燃烧气体在此文中还明确地包括排气和循环的排气。如同从 现有技术突缘中已知的那样， 还可以将相邻贯穿开口的带有波形结构的拱集成在这些贯穿 开口之间的区域 ( 所谓的腹板区域 ) 内， 以形成单个拱区段。优选的是， 所述拱以下述方式 结合 ： 远离贯穿开口的那些倾斜区域不进入所述腹板区域， 而是一起在所述腹板区域之外 延伸。 互补的倾斜区域结合以形成带有波形结构的拱， 所述拱被引导经过腹板区域， 在另一 端， 该拱分成两个倾斜区域， 所述两个倾斜区域与不横跨所述腹板区域的倾斜区域结合。 由 于所述腹板区域内的有限空间， 优选的是减少所述波形结构内的波的数量， 使得仅仅所述 波的在一起的部分横跨所述腹板区域。 附图说明
下面以附图和图片中示出的示例来说明本发明。所述附图和图片是示意性的， 并 且仅仅示出本发明的一些优选实施例， 而不是将本发明限于那些实施例。在所有附图中对 相同的构件使用相同的标号。 为了便于表明其区别， 在剖视图而非俯视图中， 以星号标记属 于不同倾斜区域的构件， 属于不同垫片层的构件以撇号表示， 属于不同贯穿开口的构件以 加号表示。 在一些附图中， 特别是在带有镜像对称拱的图中， 为了清楚的原因省掉一侧上的 一些标号。所述附图和图片如下 ：
图 1 是以气缸盖垫片为例的根据本发明的金属平面垫片的俯视图 ；
图 2 是以排气歧管垫片为例的根据本发明的金属平面垫片的局部俯视图 ；
图 3 是以用于高压泵的垫片为例的根据本发明的金属平面垫片的局部俯视图 ；
图 4 至 11 是图 1 中垫片沿 X-X 线的局部剖视图 ；
图 12 至 15 是图 1 中垫片沿 Y-Y 线的局部剖视图 ；
图 16 是图 2 中垫片沿 Z-Z 线的局部剖视图 ；
图 17 是根据本发明的单层金属平面垫片的进一步局部剖视图 ；
图 18 至 26 是根据本发明的双层金属平面垫片的不同实施例的与沿 Y-Y 线的局部 剖视图相类似的局部剖视图 ；
图 27 和 28 是根据本发明的三层金属平面垫片的与图 18 至 26 的剖面位置相同的 局部剖视图 ；
图 29 至 31 是根据本发明的双层金属平面垫片的进一步示例的局部剖视图， 其中 每个双层金属平面垫片的一个垫片层的延伸度小于另一个垫片层的延伸度 ；
图 32 是与图 3 至 6 对应并示出尺寸的示意图 ；
图 33 是以气缸盖垫片 ( 其和衬套一起密封发动机 ) 为例的根据本发明的垫片的 使用 ；
图 34 是根据本发明的双层金属平面垫片的进一步示例沿着图 1 中 Z’ -Z’ 线的局 部剖视图 ；
图 35 是根据现有技术的四层式垫片的示例的局部剖视图 ；
图 36 是根据现有技术的五层式垫片的示例的局部剖视图 ；图 37 是根据现有技术的单层金属平面垫片的进一步示例沿着图 1 中 Y’ -Y’ 线的 局部剖视图 ；
图 38 是垫片层的剖视图， 示出带有波形结构的拱 ；
图 39 是垫片层在图 38 的区域 7 处的剖面的显微图 ；
图 40 是垫片层在图 38 的区域 41 处的剖面的显微图 ；
图 41 是垫片层在图 38 的区域 8 处的剖面的显微图 ；
图 42 是垫片层在图 38 的区域 43 处的剖面的显微图。具体实施方式
图 1 示出以气缸盖垫片为例的金属平面垫片 1 的俯视图。该俯视图示出的垫片层 2 带有第一表面 21 以及相反的第二表面 22。燃烧气体开口 5 由密封构件环绕， 所述密封构 件模压在垫片层 2 中。密封构件是环形拱 3， 其在第一表面 21 上突出。拱 3 的沿环绕燃烧 气体开口 5 的圆周方向的纵向延伸部具有长度 L， 纵向延伸部的长度 L 显著地大于其宽度 B。 在拱 3 中形成微小结构， 所述微小结构存在于数个波形中， 所述波形在拱 3 的整个宽度 B 上延伸。各个波的纵向延伸方向对应于拱 3 的纵向延伸方向。在图 1 中， 同心的线示出波 形结构 4。垫片层 2 容纳燃烧气体开口 5 以及另外的贯穿开口 50， 特别是螺栓贯穿开口、 冷 却水贯穿开口 52 以及油贯穿开口 53， 且所述另外的贯穿开口 50 更靠近垫片的外边缘。在 垫片的右侧边缘附近能够找到纵长的直拱 3， 该拱用作该侧边缘的支撑构件。 有数种方式来 引导所述拱经过两个燃烧室贯穿开口 5 之间的狭窄腹板区域， 其中两个以区域 D1 和 D2 示 出。在 D1 的示例中， 过渡区域相当短， 并且拱 3 的两个倾斜区域 32 在方向上有相当大的变 化， 然而对于两个倾斜区域 32 来说是不同的。在 D2 中示出的示例中， 仅仅远离燃烧室贯穿 开口的倾斜区域改变方向， 以便直接地与邻近的燃烧室开口的相应倾斜区域相结合， 同时 邻近所述燃烧室开口的倾斜区域继续不变的曲率且仅仅通过角度来结合。 图 2 示出以排气歧管垫片为例的另一金属平面垫片 1 的局部俯视图。该局部视图 示出环绕例如四个燃烧气体开口 5 中的两个燃烧气体开口的区域。再次地， 所述燃烧气体 开口由带有波形微结构 4 的拱 3 环绕。此外， 示出螺栓开口 51。
图 3 是根据本发明的拱 3 的进一步应用的视图， 示出带有高压开口 105 的垫片 1。 高压开口 105 不构成垫片 1 中的最大开口， 但是开口 54( 其将带有活塞的气缸衬套相对于 高压泵的气缸盖密封 )。结果， 垫片平面 E 由突缘 64 的指向贯穿开口 54 的一侧上的围绕贯 穿开口 54 的边缘区段 R 横跨。所述垫片进一步示出低压贯穿开口 55( 其由突缘 65 密封 )， 以及四个螺栓开口 51。在此， 高压开口 105 由根据本发明的拱 3 环绕。
下面将结合剖视图说明带有波形结构 4 的拱 3 的详细设计。所有的剖视图对应于 在拱的宽度方向上的剖面， 从而与拱的延伸方向正交。这些剖视图不仅仅适用于气缸盖垫 片或排气歧管垫片， 而是例如还适用于高压垫片。在后一情况下， 针对燃烧气体开口 5 做的 说明适用于承受高压的开口 105。
图 4 至 7 对应于沿图 1 中 X-X 线的剖视图。在这些剖视图之间仅仅只有细微的差 别， 例如， 在所述拱或者波形结构的尺寸方面。从图 4 中可以看到， 拱 3 凸出而高于垫片层 ＊ 2 的第一表面 21。它在两个脚部点 30 和 30 ( 从拱的平坦环绕部至拱之间的过渡点， 在此 ＊ 处切线的倾角仍然是零 ) 之间延伸。在所述拱的区域内 ( 其在两个脚部点 30 和 30 之间
延伸， 宽度为 B)， 斜度不同于零。至于其高度， 拱 3 在第一高度面 N1 和第二高度面 N2 之间 ＊ 延伸， 第一高度面 N1 包括脚部点 30 和 30 ， 第二高度面 N2 包括顶点 31( 拱 3 的最高点 )， ＊ 在一些情况下包括两个顶点 31 和 31 ( 例如参见图 8)。高度面 N1 和 N2 平行于垫片层 2 的垫片平面 E。该平面 E 在中间延伸， 从而处在所述材料的一半厚度处， 并且由紧邻地环绕 ＊ 所述燃烧气体开口的区域横跨。在所述脚部点 30、 30 和所述顶点 31 之间， 拱 3 示出两个 ＊ 倾斜区域 32 和 32 ， 所述倾斜区域从脚部点向顶点稳定地升高。在这些倾斜区域 32 和 32 ＊ 的每一个中， 形成两个波 40。这些波 40 中的每一个， 在相对于表面 21 来考虑时， 具有相 互交替的两个波峰 41 和两个波谷 42。对于垫片层 2 的表面 22 也是如此。当对波峰和波谷 进行计数时， 必须考虑下述因素 ： 在给出拱 3 的单个顶点 31 的情况下， 脚部点 30 和 30 ＊以 及顶点 31 都不包括在内。这样， 倾斜区域 32 和 32 ＊中的每一个包括朝着上高度面 N2 的两 个振荡以及朝着下高度面 N1 的两个振荡。
图 5 示出拱 3 的整体弓形走向。如果通过构造一包络线 (H1) 将波峰 41 的各顶点 相互连接， 从而将点 S1、 S2、 S3、 S4 和 S5 连接， 那么得到的曲线对应于圆弧的一个片段。如 果将波谷 42 的极值点 M1-M4 相互连接起来得到包络线 (H2)， 情况也就是这样。 从而带有弓 形走向的宏观结构 ( 拱 3) 由微小结构 ( 波形结构 ) 叠加， 其中数个波 40 的宽度和高度小 于垫片层 2 中的拱的宽度和高度。 图 6 示出拱 3 中的波形结构 4 的外形。如同从该图中能够看到的， 所述拱中的波 形结构的波的结构宽度是相当恒定的。所述结构宽度限定为相邻波峰 41 之间的距离。所 述宽度在正交线之间进行测量， 所述正交线与顶点 S1 至 S5 相交， 并且相对于高度面 N1 和 N2 以及垫片层 2 的垫片平面 E 正交地延伸。 一方面的距离 b1 和 b4 以及另一方面的距离 b2 和 b3 分别是基本上相同的。在各倾斜区域 32 和 32 ＊中， 波形结构导致数个台阶， 所述台阶 朝着顶点 31 连续地上升。然而所述台阶之间的高度差 (Δh1、 Δh2、 ...) 在朝着顶点的方 向上不增加而是减小。波顶点 S1 和相邻波顶点 S2 之间的高度差 Δh1 明显地大于波顶点 S2 和相邻波顶点 S3 之间的高度差 Δh2。台阶的结构宽度和高度能够根据相应的情况进行 调整。图 3、 图 4 和图 5 之间的这些值存在轻微的差别。
拱 3 中的波形结构 4 的其它有利特性在图 7 中是明显的。在拱 3 的区域内， 将中 心线 ML 施加至垫片层 2， 中心线 ML 示出垫片层材料的一半高度 (d/2)( 相对于垫片层 2 的 局部厚度 )。所述材料厚度及其一半是在与垫片平面 E 正交的方向上确定的。从而， 在波 形结构 4 的区域内， 中心线 ML 顺着垫片层 2 的走向。在图中还示出两条其它的线——称为 联接线 V1 和 V2。这些联接线分别由各个直线段 V11、 V12、 ... 和 V21、 V22、 ... 构成。这 些虚拟的线部分分别将第一表面 21 或第二表面 22 上的波谷 42 的极小点 M11 联接至 M14， 以及将 M21 联接至 M25。如同从图 7 中可以看清楚的是， 中心线 ML 不与联接线 V1 和 V2 相 交。这是因为下述原因 ： 所述波形结构如前所述仅仅具有一个小的幅值。它仅仅是拱内的 微小结构。优选的是， 该微小结构在所述拱的整个宽度上连续地形成。从而， 它不仅沿着倾 ＊ 斜区域 32 和 32 延伸， 而且在拱 3 的顶点 31 处连续， 并且其端部处在拱 3 的相应脚部点 30 ＊ 和 30 处。
对于波峰和波谷的计数有一个例外， 即对于在所述拱的凸起侧带有恰好两个顶点 ＊ 31、 31 的拱——在所述两个顶点之间恰好形成一个波谷 422( 其不是宽的平缓部 )。图 8 示出在此例外情况下对波峰和波谷进行计数的方式。与通常一样， 考虑倾斜区域 32 的波峰
411 和 412。在此情况下， 波峰 412 对应于拱的顶点 31。尽管此种倾斜区域 32 仅包含一个 波谷 421， 对称地位于顶点 31 和 31 ＊之间的波谷 422 也被算作倾斜区域 32、 32 ＊的波谷。从 而计数两次。在本发明的环境下， 平缓部的宽度是波峰 41 的宽度 bb 的至少两倍 ( 在相同 的剖面处， 从脚部点至相邻波谷的脚部点测量 )。如果 bb 和 bb ＊ ( 即两个上升斜坡上的波 峰的宽度 ) 不相同的， 那么考虑其平均值。尽管对于在相同剖面处的波峰和波谷来说波峰 的宽度 bb 或波谷的宽度 bt 通常分别在 15％和 20％之间变化， 但是在一些情况下在拱的中 间处具有较宽的变化是有利地， 例如， 为了调节拱的硬度或其它宏观特性。此外， 在某些情 况下， 在待密封部分中流体承载构件 ( 例如水套 ) 的位置在拱的中间处需要距离 bt 稍微小 于距离 bb 的 200％， 但是不允许设置另外的波形。 需要再次强调的是， 该限定不能应用于在 拱 3 的凸起侧上带有多于两个或少于 (more or less than) 两个顶点的情况。这也不适用 在恰好两个顶点 31、 31 ＊之间带有平缓部 ( 从而对于其它波峰和波谷， 距离为 bb 的 200％或 更大 ) 的情况。
图 9 示出根据本发明的金属平面垫片的另一实施例在拱 3 的区域内的局部剖视 图。与前面的附图不同， 此处的拱 3 形成为半个突缘。这样， 拱 3 从脚部点 30 朝着顶点 31 上升， 后面接着垫片层 2 的平坦区域。只有一个带有位于高度面 N1 和 N2 之间的波形结构 4 的倾斜区域 32。该波形结构构成两个波 40， 每个波带有波峰和波谷。 图 10 示出波形结构的示例， 该波形结构超出拱 30、 30 ＊的脚部， 并且到达垫片层 2 ＊ 的平坦区域。这仍然在本发明的范围之内——如果倾斜区域 32、 32 带有如前所述的波形 结构 4。
图 11 示出带有波形结构 4 的拱 3， 拱 3 基本上对应于图 4 和 7 的拱。在此， 拱与突 缘 6 组合， 突缘 6 相邻于拱 3 延伸并且也以同心和封闭的方式环绕燃烧气体开口 5。突缘 6 能够位于拱 3 和燃烧气体开口 5 之间或者远离后者。由于拱 3 与突缘 6 相比具有更大的高 度， 在已安装状态下， 拱处于主负载连接， 并且承受大部分压力。优选的是， 带有波形结构 4 的拱 3 以下述方式设计 ： 在受压状态下， 所有的波峰顶靠待密封的对置表面， 使得它们中的 每一个与待密封表面形成密封线。
为了制图的方便， 下面的图 12 至 31 以及图 34 至 37 仅以一条线 ( 而不是一个区 域 ) 来示出垫片层 2。各密封构件之间的距离仅仅是示意性的， 而不表示任何刻度， 特别是 不表示所述距离之间的彼此比例。图 12 至 15 是燃烧气体开口 5 和金属平面垫片 1 的边缘 之间的局部剖视图。燃烧气体开口在各例子中由带有波形结构 4 的拱 3 环绕。在根据图 12 的垫片中， 拱 3 之后接着平坦区段 7， 平坦区段 7 之后又接着半突缘 60， 其中半突缘 60 沿着 与拱 3 相同的方向凸出， 并高于平坦区段。该半突缘大体上沿着垫片的外边缘延伸或者环 绕开口 5 之外的开口。它从来不与拱 3 同心地延伸。与图 12 相反， 图 13 中的拱没有连续 ＊ 地叠加在带有波形结构的拱的整个宽度上， 但是示出在顶点 31、 31 之间的处在拱的中部 中的平缓部 34。图中没有示出的一个替代实施例在顶点的高度上提供平缓部， 从而其形成 顶部平缓部。
下面的垫片的区别在于垫片外边缘 ( 其在图的右手侧示出 ) 的设计。图 12 和 13 中的直线区段 7 在图 14 中由突缘 6 替代， 突缘 6 指向与拱 3 相反的方向。尽管图 14 中突 缘的横截面为梯形， 但是图 15 中的突缘 6 示出带有弓形横截面的倒圆突缘， 此外， 图 15 中 的突缘 6 指向与拱 3 相同的方向。如同已经提及的， 所述距离不是成比例的。结果， 构件 3
和 6 非常接近， 而构件 6 和 60 之间的距离是构件 3 和 6 之间距离的数倍。
图 16 示出图 2 中排气歧管垫片的两个燃烧气体开口 5、 5+ 之间的区域处的剖视图。 两个燃烧气体开口 5、 5+ 各自由带有波形结构的拱 3、 3+ 环绕。在两个拱之间设有平坦区段 7。在此种垫片中， 如同也能够从图 2 看到的那样， 在腹板区域中可以得到足够的空间， 使得 两个拱能够独立得延伸穿过所述腹板区域。
在图 17 中示出燃烧气体开口 5 和垫片边缘之间的区段的另一示例。与图 12 的垫 片相比， 在此处半突缘 60 由带有波形结构的拱 3 代替。拱 3 仅仅具有一个带有波形结构 4 的上升斜坡 32， 因此在其基本形状上对应于半突缘。
图 18 至 26 示出燃烧气体开口 5 和垫片边缘之间的区域内的双层金属平面垫片的 剖视图的示例。根据图 18 的垫片中的下垫片层基本上对应于图 12 的单层式垫片层。与下 垫片层相伴的是另一垫片层 2’ ， 垫片层 2’ 在燃烧气体开口 5 的周围示出完全平坦的区段 7’ 。仅仅在垫片边缘的区域内设置半突缘 60’ ， 半突缘 60’ 与垫片层 2 的半突缘 60 镜像对 称。图 19 中的垫片是图 18 的垫片的镜像对称变例。在气缸盖垫片的情况下， 带有拱 3 的 垫片层可以定向成朝发动机缸体或者与气缸盖反向。
图 20 和 21 示出两个双层金属平面垫片， 其中第一垫片层 2 中的拱 3 面朝着第二 垫片层中的拱 3’ 。两个拱都具有波形结构 4。在图 20 中， 拱 3、 3’ 的顶点彼此背离， 而在图 21 中， 它们指向彼此。
图 22 的上垫片层基本上对应于根据图 13 的所述垫片的垫片层， 但是具有相反的 方向。附加地， 存在第二垫片层 2’ ， 其在边缘区中设计为与第一层镜像对称。在拱 3 的区域 内， 具有平坦区段 7’ ( 其是对具有波峰和波谷的拱 3 的有利支撑 )。
在根据图 23 的垫片中， 上垫片层对应于图 22 的相应垫片层的倒置， 下垫片层 2’ 对应于图 21 的下垫片层的倒置。
图 24 至 26 示出金属垫片层， 其中， 第一垫片层 2 的拱 3 朝着第二垫片层 2’ 中的 突缘 6’ 。在所有三种情况下， 拱 3 的顶点指向突缘 6’ 的顶点。在根据图 24 和 25 的垫片 中， 使用带有梯形横截面的突缘 6’ ， 而图 26 中的突缘 6’ 利用弧形横截面进行倒圆。在根据 图 25 的垫片中， 在各垫片层中设置另外的密封构件。在第一垫片层 2 中， 拱 3 后面跟着带 有梯形横截面的突缘 6。与突缘 6 相对的是拱 3’ ， 其顶点指向突缘 6 的顶点。
图 27 和 28 示出根据本发明的金属平面垫片的三层金属平面垫片的示例。根据图 27 的两个其它垫片层大体上对应于图 26 的垫片层， 但是以相反的方向设置。另外的垫片 层 2” ( 其主要是平坦的 ) 设置在这些垫片层之间。在外层 2、 2’ 中拱 3 与突缘 6’ 之间， 仅 仅相邻于平坦区段 7” 处， 在垫片层 2” 中存在曲拐 61” 。曲拐 61” 提供较高拱 3 和较小突缘 6’ 的对称效果。
根据图 28 的垫片的两个外垫片层彼此镜像对称， 并且各自包括拱 3( 或 3’ ) 作为 其用于燃烧气体开口的密封构件。在这些垫片层之间， 层压另外的垫片层 2” ——其是完全 平坦的。
图 29 至 31 示出双层金属平面垫片的示例， 其中所述两个垫片层中的一个短于另 外一个。此种缩短的垫片层通常称为 “薄垫片 (shim)” 。采用此种薄垫片， 密封构件最经常 地位于主负载连接中。缩短的垫片层可以由环组成， 仅仅所述环环绕燃烧气体开口 5。环 绕燃烧气体开口 5 的所述环可以彼此连接， 从而得到眼睛状的缩短垫片层。在所有三种情况下燃烧气体开口 5 由带有波形结构的拱 3 和弓形突缘 6’ 环绕， 且在对置的垫片层中两种 构件彼此面对。尽管图 29 和 30 的实施例中突缘 6’ 和拱 3 彼此指向背离的方向， 但是在图 31 中， 它们彼此指向对方， 从而它们的凹侧位于垫片的外侧上。在根据图 29 和 31 的垫片 中， 容纳突缘 6’ 的垫片层 2’ 是缩短垫片层。在图 30 的情况下， 带有拱 3 的垫片层 2 是缩 短的。在各垫片的背面 ( 朝着垫片的外边缘 ) 图 29 和图 30 的垫片进一步分别示出波形结 构 8、 8’ 、 80 和 80’ 。这些波形结构 8、 8’ 、 80 和 80’ 主要用于有意地加厚垫片区域。
现在给出一些带有波形结构的拱的示例尺寸。下面的表中的标号在图 32 中给出。 该图是与图 4 至 7 相似的， 并且不需要作进一步说明。还返回到在图 6 和 7 的情况下所作 的说明。所述值是指气缸盖垫片， 其中带有波形结构的拱用作燃烧气体开口的唯一密封构 件。所述表分成用于乘用车 (PC) 和多用途车 (UV) 的发动机的值。对于两种发动机， 给出 一般使用区域和优选区域。在设计用于其它应用场合的本发明垫片时， 也能够考虑使用所 述值。
表1
“加厚” 意指与垫片层初始厚度 ( 金属片材厚度 d) 相比而言材料厚度由于所述波 形结构模压而导致的绝对增加。 该被测的量是通过测量由直线段组成的两个联接线之间的 距离而得到的， 其中所述两个联接线将垫片层的两个表面 21 和 22 上的波峰的极大值以下 述方式彼此联接起来 ： 联接方式与图 7 中联接波谷的极小值的联接线 V1、 V2 一样。 “减薄” 意指垫片层在波谷处的层厚度减小。它是由在波形结构模压期间出现的伸长而导致的， 并 且能够作为图 7 中联接曲线 V1 和 V2 之间的距离而测量。
图 33 示出采用根据本发明的密封构件 3 对发动机进行节省空间的密封， 其中气缸 衬套 LB 插入发动机缸体 MB 中抵靠气缸盖 ZK。发动机缸体 MB 和气缸衬套 LB 之间的间隙 由拱 3 桥接。倾斜区域 32 和 32 ＊允许对发动机缸体 MB 和气缸衬套 LB 的彼此相对运动进 行补偿， 使得至少拱的脚部点分别位于发动机缸体和气缸衬套上， 同时顶点 31 顶靠气缸盖 ZK。
图 34 示出位于示例的双层式气缸盖垫片中的两个相邻燃烧室开口 5 之间的狭窄 腹板区域。该图对应于图 1 中的截面 Z-Z’ 。相邻开口 5 和 5+ 的倾斜区域 32 和 32+ 平行地 延伸通过所述腹板区域并在示出的横截面中形成小的腹板平缓部 35。倾斜区域 32 和 32+ 各示出两个波峰和两个波谷。
图 35 和 36 示出根据本发明的示例性四层和五层式金属垫片。图 35 示出两个垫 片层 2、 2’——这两者都示出位于贯穿开口 5 区域内的拱 3、 3’ 以及位于外边缘附近的半 突缘 60、 60’ 。两个层绕着另外的垫片层 2’ ” 彼此镜像对称地设置， 其中垫片层 2’ ” 是具有 增加厚度的平坦金属片材， 主要用于适当地调节所述垫片的厚度。 进一步地， 所述垫片包括 另外的平坦金属片材 2” ， 平坦金属片材 2” 能够有利地用于对发动机缸体中的冷却水通道 进行密封。根据图 36 的实施例与图 35 的实施例相比的修改之处在于添加了附加的垫片层 2’ ” ， 该垫片层 2’ ” 在接近贯穿开口 5 的区域内带有突缘 6’ ” 。与前面的示例不同， 该突缘 6’ ” 的凹侧不指向拱 3” 的凹侧， 而是指向拱 3” 的凸侧。此种设置能够是有利的——如果
密封构件的力通过使用串联连接来相互增强其自身。 这还能够应用于带有较少的层的垫片 中。
图 37 示出关于单层式垫片示例的沿着图 1 中的 Y’ -Y’ 线的剖视图。燃烧室开口 以本发明的拱密封 ； 由平坦区段间隔开， 提供半突缘 60 来密封朝着垫片外边缘的冷却水孔 52。 在该半突缘 60 和外边缘之间， 模压有根据本发明的附加拱 3， 其与邻接燃烧室的拱 3 指 向相同的方向。半突缘 60 使得拱 3 相对于拱 3 偏离。此外， 拱 3 的高度小于拱 3 的高度。
图 38 至 42 说明在根据本发明的垫片中的常规压力分布是如何基于微小结构特性 的。图 38 示出穿过垫片层的蚀刻区段获取显微影像的位置。标号 200 表示在制作所述区 段之前所述垫片层所嵌入其中的树脂。图 39 是在垫片的平坦区域 7 中获得的视图， 示出区 段 107， 且在整个区段 107 上带有奥氏体微小结构 A。由于平坦区域 7 不受所述拱的模压的 影响， 所以区域 7 和区段 107 也能代表金属片材材料模压前的状态。
图 40 表示波形结构的侧翼区域 43， 从而表示波峰 41 和波谷 42 之间的过渡区域。 从图 38 可以明显看出的是， 侧翼区域分别与波峰和波谷相比具有减小的厚度。该侧翼减缩 是拱 3 上规则压力分布的原因之一。另一个原因是根据在图 40 中给出的区段 143 的显微 影像。与图 39 的图示相反， 在此能够识别不同的区。同时， 在指向波峰 41 的区 241 中， 如 同对于未改变的区域 7 一样存在微小结构 A， 减缩侧的区翼 243 和邻接波峰的下表面的区 244 示出偏离的微小结构 B 和 C。微小结构 C 包含应力导致的马氏体， 并且是由于在模具完 全关闭之前的最后阶段挤压和移动材料而引起的。如同在图 40 中能够看到的， 该硬化材料 仅仅以极少的量存在。与之相反， 微小结构 B 在大部分侧翼区域上 ( 即在区 243 中 ) 延伸。 尽管奥氏体微小结构 A 示出相当大的颗粒， 但是微小结构 B 示出带有细长结构的延展纹理。 微小结构 B 典型地用于获得增强， 是一个增加材料的拉伸应力和延展性能的方法。这两个 特性的增加在带有波形结构的拱 3 上导致极其规则的压力分布。此外， 所述材料与不带有 颗粒增强的材料相比明显更加不容易破裂。所述微小结构的观察表明侧翼区域 43 中的模 压过程以剪切应力为主。
图 41 表示紧邻拱脚部点的区域。然而， 在示出的区段中， 拱的倾斜区域已经上升。 再次地， 能够识别三种不同的微小结构 ： 所述区段的最大部分示出未改变的奥氏体微小结 构 A， 上升的倾斜部分的上表面示出形成有马氏体 C 的薄区域。在右手侧——在此处拱和 第一波峰明显上升 ( 如同从相对于树脂 200 的边界能够看到的那样 )， 存在颗粒增强 B。图 42 表示波峰区域 41 处的截面， 在图 42 中微小结构最类似于平坦区域 7 中的初始或未处理 材料的奥氏体微小结构 A。这与在图 40 中进行的观察相对应。从而， 颗粒增强仅仅在波形 结构的侧翼区域 43 处发生。
这些微小结构的观察由一些硬度测量 ( 其分别是在位置 7、 8、 41 和 43 处在中心线 ML 处进行的 ) 强调。尽管在平坦区域 7 和邻接脚部点的区 8 中， 维氏硬度 ( 即 465 和 480) 非常类似， 但是在波峰区段中要稍微高一些 (518)， 而在波峰和波谷之间的侧翼区域 43 中 要显著地高一些， 测量平均值为 609。