超輕型發動機氣閥和將圓蓋焊於其上的方法

2023-05-20 17:36:16

專利名稱：超輕型發動機氣閥和將圓蓋焊於其上的方法
技術領域：
本發明總的涉及內燃機的提升閥，尤其涉及一種能保持極高強度／重量特性的中空提升閥。雖然本發明適於和許多不同型式的中空提升閥一起使用，然而當與一種超輕型提升閥一起使用時，是特別有利的，下面就這方面加以說明。
通常通過對一個具有高強度耐熱材料的實心坯料進行機加工、鍛壓或擠壓然後使該坯料徑受拋光加工和／或硬座作業來製造內燃機提升閥。在某些應用場合中，各種性能要求迫使提供一種具有中空杆的氣閥，在製造過程中，可將一種諸如鈉鉀混合物的冷卻劑添加到該中空杆內。早在90年代之前，這種中空杆是通過諸如鑽孔或擠壓，或通過在一軸胎或可拆裝的芯子上鍛壓該管，或通過將一管形坯料冷成形到所希望的杆徑，然後形成圓弧部，再將單獨的圓蓋和端部連接在一起的方法來製成的。
在轉讓給本發明的受讓人的美國專利US 5，413，073中首次圖示和說明了一種實用的超輕型發動機提升閥，在本文中加以引用供參考。在該被引用的專利中，該提升閥包括一個包含一整體端頭部和一圓弧部的杆件和一焊於該圓弧部的圓蓋部。最好，包含該圓弧部的該杆件通過深度拉伸製成，其中呈薄板狀圓盤形式的原始坯料經受若干冷拉伸工步。在完成深度拉伸後，該杆的壁厚基本上比圓弧部或端頭部的壁厚薄。這些工可產生了一細長的喇叭形杯，其中喇叭形圓弧部的外緣基本上為原始坯料的厚度。
在上述超輕型提升閥結構件中，該喇叭形圓弧區在大致徑向延伸邊緣處結束，該邊緣貼靠由圓蓋內形成的凹口限定的肩部而裝配。該凹口的深度大致等於該圓弧區的壁厚。然後將該圓蓋焊於喇叭形圓弧部的外緣。取決於各個閥的結構，該提升閥的座面或可由圓弧部限定，或可由圓蓋件限定，或由兩者限定。
雖然上述提升閥構件本身已被證明就其制和在發動機內的性能一般是滿意的，然而，顯然，發動機的各種應用要求有一個整體強度，尤其是疲勞強度，這個強度是不能通過將圓蓋件和圓弧部連接在一起的上述已知的和通常的方法輕意獲得的。
因此，本發明的一個目的是提供一種改善的中空提升閥，在圓弧部和圓蓋件的焊接區內，具有顯著提高的疲勞強度和耐久性。
本發明的一個有關目的是提供一種實現上述目的的改進的超輕型提升閥，它在結構上製成能顯著減少應力集中的產生，這是由於構形和圓盤件與圓弧部之間焊接部位配合的結果。
本發明的上述和其它的目的是通過提供用於內燃機中的一種中空提升閥來達到的，該提升閥包括一桿部，一端頭部，一圓蓋部和一限定杆部和圓蓋部之間的過渡區的喇叭部圓弧部。該喇叭形圓弧部有一壁厚和一沿下遊延伸的限定內圓弧半徑的大致圓柱部。圓柱部和圓蓋部之一限定一個適於與閥座密封接合的座面。圓柱部和圓蓋部之一限定一大致圓柱內表面，而圓柱部和圓蓋部中的另一個限定一大致圓柱形外表面，這些內、外表面基本同心，並緊密間隔。
改進的中空提升閥的特點在於該內圓弧半徑大於該圓弧部壁厚約0．3倍。焊縫基本上沿著該內外表的面界面的整個軸向範圍。該大致圓柱部和圓蓋部配合而限定一圓環形水平界面，它緊挨在自該內、外表面的界面的徑向向內處。


圖1為部分斷開的現有技術中孔提升閥的軸向剖面圖；圖2為類似於圖1的視圖，圖示一種按本發明製造的超輕型提升閥；圖3為詳細圖示本發明的極度放大的軸向破碎剖面圖；圖為類似於圖3的視圖，圖示本發明的另一實施方案。
現在參照各附圖，這些附圖無意要限制本發明。圖1表示一種用於內燃機的總的以11標記的發動機提升閥。該提升閥11是上面引用的US-5，413，073中公開的這種閥。該提升閾11包括一個總的以13標記的杆件和一個焊於該杆件13的圓蓋15。在一個優先實施例中，進氣閥杆件13可採用諸如SAE 1008鋼的可延展的金屬板產品來製造，而排氣閥杆件可採用諸如奧氐體級別的不鏽鋼來製造。一般說來，圓蓋件15由不鏽鋼或其它可配伍的材料製成，而該提升閥被用作進氣閥或排氣閥。熟悉本技術領域的人們會明白具體的材料隨各別發動機的用途而變，除非本文指出的，本發明不限於任何特定材料。
正如由於上面引用的專利在該技術中所公知的，杆件13藉助於深拉伸工藝製成，該工藝產生了一種具有極薄杆壁16且自喇叭形圓弧部17一直到端頭部19為中空的構件。然而，熟悉本技術的人們會理解，本發明並不限於此。仍參照圖1，圓蓋件15是一圓盤，它最好制有一凸的燃燒面21和一凹的內面23。在圖1的現在技術提升閥11中，圓蓋件15限定一座面25，它可由機加工或噴鍍和機加工或通過任何其它已知的方法來製造。還應指出，在圖1的現有技術提升閥11中，喇叭形圓弧部17結束於一徑向延伸邊緣，該邊緣由焊縫27連接在圓蓋件15的凹口處。
現在主要是參照圖2，在性質上它類似於圖1，但圖示本發明，其中，相同的構件有相同的標號，但新的或顯著修改的構件標有30以上的標號。因此，本發明是一種包含杆件13和焊於杆件13的圓蓋件15的提升閥。如在現在技術提升閥中那樣，杆件13包含一板薄的杆壁16，一喇叭形圓弧部17和一端頭部19。熟悉本技術的人們會理圖中所示的端頭部19僅僅是作為例子，而非本發明的一個主要特點，並可採用各種其它的端頭結構，包括插入一單獨的端頭件，而不背離本發明。僅僅作為例子，端頭部19可採用在以DavidL。Bonesteel的名義於1997年10月21申請的題為「超輕型發動機閥的改進端頭結構」的同共未決的申請U．S．S．N．08／955，188中所示的任一端頭結構。
按照本發明的一個重要方面，喇叭形圓弧部17並不結束於徑向延伸邊緣，而是結束於沿下遊延伸的大致圓柱部33，如圖3中詳細表示的。圓柱部33藉助於隨後要說明的新穎的連接結構連接於圓蓋件15。現在參照圖3連同圖1，喇叭形圓弧部17具有壁厚T，如熟悉本技術的人們熟知那樣，它一般約等於由供深拉伸工藝過程用的原始材料組成的可延展金屬板的厚度。如現在也熟知的，壁厚T顯著大於圓弧部17和端頭部19之間的薄杆壁16大部分長度的壁厚。僅作為例子，一般在深拉伸工藝後的杆子壁厚會處在約0．5T範圍內。
沿下遊延伸的大致圓柱部33限定一內圓弧半徑R1，該半徑的重要性隨後要詳細說明。圓柱部33還限定一大致圓柱形外表面35和一端面或水平底面37。
圖3實施例中的圓蓋件15限定座面25，但也限定一大致圓柱形內表面39和一水平面41，後者緊接在自內表面39徑向向內處。熟悉本技術的人會明白本文採用如「沿下遊」和「水平」的術語是假定提升閥31處圖2中所示的方位，這裡僅僅用作說明和例子，而非限制。
當將圓柱33裝配在圓蓋件15內並為焊接而定好位時，內、外表面35和39彼此緊密間隔，而水平面37和41最好接合以限定一圓環形水平面，也標以標號「37，41」。按照本發明，水平面37，41緊接在自內表面35和外表面39的界面徑向向內處。
一當圓柱部33如圖3所示就位，下一步驟是焊接圓柱部33和圓蓋部15的界面，焊縫總的標以標號43，而焊縫43的徑向和軸向的範圍，由圖3中的剖面陰影線區簡略表示。雖然在本發明的範圍內，可採用各種焊接，然而，主實施例研究已表明某些方式的萊塞光束焊接工藝，如釔鋁柘榴石雷射(YAG)萊塞光束焊，是頗為優先的。
本發明用幾種不同的方法來產生一種改進的結構，現在加以說明。就本發明的研究而言，已確定希望將焊接點應力集中轉移到工作負荷被分布在較大橫截面上的區域，以提高提升閥的疲勞強度。如有助於確保焊縫43的疲勞強度，從而確保工作中提升閥的疲勞強度，最好焊縫43的軸向長度L應等於壁厚T的至少約1．1倍。可以認為，焊縫43的下部(或水平界面37，41)是一種應力集中器的結構形式，類同於現有技術的。然而，L和T的所述關係有助於確保將該應力集中器轉移到工作負荷被分布在較大橫截面區域。
也已確定內圓弧半徑R1必須保持較大，以使應力集中減至最小，而在該主實施例中，已發現內圓弧半徑R1大於喇叭形圓弧部17的壁厚T的0．3倍是可取的，從而使得若在內圓弧半徑小於0．3倍T的情況會是極高應力區的應力集中減至最小。
如圖3所示，有一過渡區TR，它代表自圓弧部17的較薄區過渡到該過渡區TR左邊的較厚區(圖3)。如熟悉本技術的人所周知的，該過渡區TR一般處在裂縫取最短合適路徑發展的區域。因此，按照本發明的一個重要方面，焊縫區43幾乎完全與該過渡區TR隔開，或用另一種方式表示，焊縫區43和過渡區TR的重疊不多於小部分焊縫。通過轉移所示的焊縫連接，包圍焊縫43的「焊接加熱影響區」，它是焊接部中較薄弱的一個區域，較少和過渡區TR重疊，並不延伸到內圓弧半徑R1。用另一種方式表示，本發明的結構，產生一種橫貫過渡區TR的均勻基質材料，而沒有由焊縫或焊接加熱影響區削弱的區域。
現在主要參照圖4，它表示本發明的另一實施例。在圖4實施例中，相同的構件具有相同的標號，而新的或顯著修改的構件以大於50的標號標註。因此，在圖4中，喇叭形圓弧部17結束於一個限定座面25的圓環形部51，該圓環形部51還限定內圓弧半徑R1，R1也最好大於圓弧部17的壁厚T的3倍而出於就主實施例所述的同樣理由。圖4的提升閥包一圓蓋件53，它限定大致圓柱形的外表面35，也與內表面39緊密間隔。圓環部51和圓蓋件53分別限定水平表面37和41，它們以圖3實施例中同樣的一般方式限定這些水平界面。就圖3實施例所作的關於焊縫的說明，同樣適用於圖4實施例，就焊縫43的軸向長度L和焊縫43兩者來說是與過渡區TR隔開的，這在圖4實施例中甚至更加明顯。
在前面的說明書中，已說明說明了本發明，相信熟悉本技術的人由於閱讀和理解本說明書，對於本發明的各種變更和修改會變得明顯。意欲將所有的這些變更和改進都包含在本發明內，因為它們處在所附權利要求書的範圍內。
權利要求
1．一種用於內燃機中的中空提升閥(31)，所述提升閥(31)包括一桿部(13)、一端頭部(19)、一圓蓋部(15；53)和一限定杆部(13)和圓蓋部(15；53)之間的過渡區的喇叭形圓弧部(17)；所述喇形圓弧部(17)具有壁厚(T)和限定內圓弧半徑(R1)的沿下遊延伸的大致圓柱部(33；51)；所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)之一限定一個適於與閥座密封接合的座面(25)；所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)之一限定一大致圓柱形內表面(39)，而所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)之另一限定一大致圓柱形外表面(35)，所述內表面(39)和外表面(35)大致同心並緊密間隔，其特徵在於a)所述內圓弧半徑(R1)大於所述壁厚(T)約0．3倍；b)一焊縫(43)基本佔有所述內表面(39)和外表面(35)的界面的整個軸向長度；c)所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)配合而限定一圓環形水平界面(37；41)，緊接在自所述內、外表面(39；35)的界面徑向向外處。
2．按權利要求1所述的一種中空提升閥(31)，其特徵在於所述閥包括一超輕型提升閥，所述杆部(13)包含一極薄的杆壁(16)。
3．按權利要求2所述的一種中空提升閥(31)，其特徵在於所述杆部(13)和圓弧部(17)由一單件薄壁圓柱件限定，所述杆部(13)具有壁厚(t)，它小於所述喇叭形圓弧部(17)的壁厚(T)。
4．按權利要求3所述的一種中空提升閥(31)，其特徵在於所述杆部(13)具有杆壁(16)，所述杆壁的厚度處於所述喇叭形圓弧部(17)的壁厚(T)的大約1／2範圍內。
5．按權利要求1所述的一種中空提升閥(31)，其特徵在於所述圓蓋部(15)限定所述內表面(39)，所述大致圓柱部(33)限定所述外表面(35)。
6．按權利要求1所述的一種中空提升閥(31)，其特徵在於所述大致圓柱部(51)限定所述座面(25)和內表面(39)，所述圓蓋部(53)限定所述外表面(35)。
7．按權利要求1所述的一種中空提升閥(31)，其特徵在於所述焊縫(43)的軸向長度(L)大於所述喇叭形圓弧部(17)壁厚(T)約1．1倍。
8．一種用於內燃機中的中空提升閥(31)，所述提升閥(31)包括一桿部(13)、一端頭部(19)、一圓蓋部(15；53)和一限定杆部(13)和圓蓋部(15；53)之間的過渡區的喇叭形圓弧部(17)；所述喇形圓弧部(17)具有壁厚(T)和限定內圓弧半徑(R1)的沿下遊延伸的大致圓柱部(33；51)；所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)之一限定一個適於與閥座密封接合的座面(25)；所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)之一限定一大致圓柱形內表面(39)，而所述大致圓柱部(33；51)和圓蓋部(15；53)之另一限定一大致圓柱形外表面(35)，所述內表面(39)和外表面(35)大致同心並緊密間隔，其特徵在於a)所述內圓弧半徑(R1)大於所述壁厚(T)約0．3倍；b)一焊縫(43)基本佔有所述內表面(39)和外表面(35)的界面的整個軸向長度；c)所述喇叭形圓弧部(17)和內圓弧半徑(R1)配合以限定一過渡區(TR)所述焊縫(43)和所述過渡區(TR)重疊不多於所述焊縫的小部分。
全文摘要
公開了一種中空閥(31),其中杆部(13)包含一個具有壁厚(T)的喇叭形圓弧部(17)和一個具有圓柱外表面(35)的沿下遊延伸的圓柱部(33;51)。在主實施例中,該閥包括一個限定座面(25)和圓柱內表面(39)的圓蓋件(15),該內、外表面(39、35)緊密間隔,限定一個具有軸向長度(L)的界面,而被焊縫(43)佔有。最好,焊縫(43)的長度(L)等於所述壁厚(T)的至少1.1倍。該圓弧部(17)限定一內圓弧半徑(R1),大於壁厚(T)0.3倍,而接近該半徑(R1)的是一過渡區(TR)。本發明通過使過渡區(TR)和焊縫(43)分隔、使重疊不多於小部分焊縫的方法提高了該提升閥的疲勞強度。
文檔編號F01L3/02GK1281091SQ0012161
公開日2001年1月24日 申請日期2000年7月20日 優先權日1999年7月20日
發明者D·L·波尼斯特爾, L·L·埃客倫德, M·J·弗雷利希, M·L·基利安, P·M·克林 申請人:易通公司