CN104145125B - 具有定位特征的连杆螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于与连杆组件(118)一起使用的连杆螺栓(123)。所述连杆螺栓可具有体部(303)，所述体部具有第一端(302)、与所述第一端对向的带螺纹的第二端(304)以及在从所述第一端到所述第二端的长度方向上延伸的外表面(305)。所述连杆螺栓还可包括具有与所述外表面基本上对齐的半径的多个定位特征(402、502)，和设置在所述外表面上位于相邻的定位特征之间的多个间隙特征(404、504)，其中，从所述体部的中心到各间隙特征的外表面的距离比所述多个定位特征的半径小。所述连杆螺栓还可具有连接至所述体部的第一端的头部(212)。

Description

具有定位特征的连杆螺栓
技术领域
本发明总体上涉及连杆螺栓，更具体地涉及具有定位特征的连杆螺栓。
背景技术
传统地，内燃发动机中的连杆和盖用于将活塞连接到曲轴上。利用多个螺栓将连杆连接到盖上。在螺栓定位表面与位于连杆及盖上的配合表面之间存在极小的间隙。在发动机运行期间，连杆可能发生偏移，从而导致螺栓与杆之间相互接触。这种接触和移动可导致微动磨损，使得螺栓和杆在它们的表面接触处显微焊接(microscopicallywelding)在一起。螺栓和杆的进一步运动可使这些焊接处断开，导致材料损坏——诸如破裂/裂纹。由于连杆螺栓为高拉应力构件，所以任何裂纹可扩散并导致螺栓和杆的失效。
于1969年7月15日授予Gallois的美国专利No.3,455,587(“’587专利”)中描述了一种抗微动磨损的螺栓。特别地，’587专利描述了具有承载部分的螺栓，该承载部分具有轴向分隔开的圆形凹槽，该圆形凹槽具有U形截面、限定出由肋分隔开的中空部分。裂纹仍会在运行期间在螺栓中形成，但是这些裂纹不会像在未包含中空部位和肋的标准螺栓中那样容易地达到螺栓的应力线。
尽管专利’587中的螺栓可帮助减少螺栓和杆的失效，但它仍然不是最优的。具体地，专利’587中的螺栓设计仅抑制裂纹扩散传播，但并不防止裂纹形成。经过一段时间，专利’587中的螺栓仍然可能由于微动磨损及随后的裂纹形成而失效。
本发明中的连杆螺栓解决了上述问题中的一个或多个和/或现有技术具有的其它问题。
发明内容
在一个方案中，本发明涉及连杆螺栓。所述连杆螺栓可包括体部，所述体部具有第一端、与所述第一端对向的带螺纹的第二端以及在从所述第一端到所述第二端的长度方向上延伸的外表面。所述连杆螺栓还可包括具有与所述外表面基本上对齐的半径的多个定位特征，和定位在相邻的定位特征之间的多个间隙特征。从所述体部的中心到各间隙特征的距离可比所述多个定位特征的半径小。所述连杆螺栓还可包括连接到所述体部的第一端的头部。
在第二个方案中，本发明涉及连杆螺栓。所述连杆螺栓可包括体部，所述体部具有第一端、与所述第一端对向的带螺纹的第二端以及在从所述第一端到所述第二端的长度方向上延伸的外表面。所述连杆螺栓还可包括设置在所述体部的轴向对齐区域中的多个定位特征。所述轴向对齐区域的长度比所述体部的长度短。所述连杆螺栓还可包括定位在相邻的定位特征之间的多个间隙特征。所述连杆螺栓还可包括连接到所述体部的第一端的头部。
在第三个方案中，本发明涉及连杆组件。所述连杆组件可包括连杆，所述连杆具有第一肩部和设置在所述第一肩部中的第一孔。所述连杆组件还可包括盖，所述盖具有第二肩部和设置在所述第二肩部中与所述第一孔对齐的第二孔，所述连杆组件还可包括位于所述第一和第二孔中的连杆螺栓。所述连杆螺栓可包括体部，所述体部具有第一端、与所述第一端对向的带螺纹的第二端以及在从所述第一端到所述第二端的长度方向上延伸的外表面。所述连杆螺栓还可包括多个定位特征，每个定位特征具有半径，设置在所述外表面的轴向对齐区域中并且构造成与所述第一和第二孔接触。轴向对齐区域的长度可小于所述体部的长度。所述连杆螺栓还可包括定位在所述多个定位特征中的相邻的定位特征之间的多个间隙特征。从所述体部的中心到各间隙特征的外表面的距离可小于所述多个定位特征中的每一者的半径。所述连杆螺栓还可包括连接到所述体部的第一端的头部。所述头部可构造成与所述连杆的第一肩部接触。所述连杆组件还可包括螺母，所述螺母构造成与所述盖的所述第二肩部和所述连杆螺栓的带螺纹的第二端接合。
附图说明
图1是示例性公开的内燃发动机的截面示意图；
图2是可与图1中的发动机结合使用的示例性公开的连杆组件的截面示意图；
图3是可与图2中的连杆组件结合使用的示例性公开的连杆螺栓的示意图；
图4是沿图3中的连杆螺栓的线A-A截取的截面视图；以及
图5是沿图3中的连杆螺栓的替代实施例的线A-A截取的截面视图。
具体实施方式
图1示出发动机102。发动机102在图1中被描绘为且在本文中被描述为柴油燃料内燃发动机。然而，设想到，发动机102可具体化为任何其它类型的内燃发动机，诸如由汽油或气体燃料提供动力的发动机。设想到，发动机102可包括任意数量的燃烧室，所述燃烧室可设置为“直列”构型、“V”构型或任何其它常规构型。
发动机102可包括发动机缸体104，该发动机缸体至少部分地限定有气缸108和布置在气缸108中的气缸衬套110。燃烧室112可形成在气缸衬套110内，活塞111可设置成在燃烧室112中往复运动。发动机缸体104还可包括燃烧进气口(未示出)、空气扫气通道(未示出)以及可与燃烧室112连通的排气口(未示出)。活塞111可包括将活塞111连接到杆组件118的活塞销116。
杆组件118可包括连杆120、盖122以及多个连杆螺栓123。连杆120可包括第一端124和对向的第二端125。第一端124可包括容纳轴承128的开口126。轴承128可具有尺寸设计成用于接纳活塞销116的内径。第二端125可包括轭状部(叉状部)130，所述轭状部具有半圆形的轴承部分134和一对肩部133。盖122也可包括半圆形的轴承部分134，该半圆形的轴承部分134与半圆形的轴承部分132一起可限定出用于接纳发动机102的曲轴(未示出)的圆形开口136。圆形开口136还可包括轴承138。轴承138可为摩擦型轴承，该摩擦型轴承可由可延展/可锻/可压制的材料——例如铝——制成。然而应注意的是，任何其它适合的材料可替代地用于轴承138。盖122可包括一对肩部140，所述一对肩部可与位于开口136的对向侧上的肩部133大致平行地设置。
参照图2，连杆120和盖122可各自具有分别与各肩部133和140相关联的孔202和204。孔202和204可基本上同轴地对齐，用于在孔202和204中接纳相应的连杆螺栓123。尽管在图2中示出肩部133和肩部140具有单配对孔202和204，但应注意的是，给定的一对肩部133和140可具有任意适合数量的相关联的配对孔202和204。各连杆螺栓123可贯穿配对的孔202和204且将连杆120与盖122附接起来。螺母206可与相应的连杆螺栓123螺纹啮合并且被扭转至所期望的负载值。螺母206可具有六角构型或任何其它适合的构型。
连杆120和盖122可在分型线/分模线208处连接。连杆120和盖122可具有在分型线208处彼此接合的基本上平的表面，但可替代地使用其它适合形式的互补表面。连杆螺栓123可具有在连杆螺栓123位于孔202和204内时与分型线208对应的轴向对齐区域210。在一个示例性实施例中，轴向对齐区域210的长度可以是约30mm(即，该轴向对齐区域的各侧到分型线208的距离约15mm)，但可替代地使用任意其它适合的长度。替代地，轴向对齐区域210的长度可以是连杆螺栓123的体部的长度的约8％-12％。或者，轴向对齐区域210可沿着连杆螺栓123的长度设置成多个离散且不相连的部段。例如，轴向对齐区域210的一个部段可与孔202对齐，而轴向对齐区域210的第二部分可与孔204对齐。在该特定实施例中，连杆螺栓123的未经机加工的部段可位于轴向对齐区域210的分隔部分之间。连杆120还可包括当其正确地装配在杆组件118中时邻近孔202的开口定位的凸起(fillet)209。连杆螺栓123可在头部212上具有连杆螺栓特征211，该连杆螺栓特征构造成用于与连杆特征214对齐。换言之，当杆组件正确装配时，连杆螺栓特征211和连杆特征214应面向相同的总方向。连杆螺栓特征211和连杆特征214可分别雕刻、冲压和/或印制在连杆螺栓123和连杆122上。然而应注意的是，如果需要的话，可替代地采用任何其它适合的识别特征。
肩部133可包括邻近孔202的开口的第一表面216以及与第一表面216基本上垂直的第二表面218。连杆螺栓123的头部212还可包括定向特征220，该定向特征构造成在连杆螺栓123设置在孔202和204中时贴靠第二表面218。定向特征220可以是头部212的基本上平的部段。定向特征220与第二表面218对齐可确保连杆螺栓123在孔202和204内的正确取向。
参照图3，连杆螺栓123可具有位于头部212的第一端302、体部303、与第一端302对置的第二端304以及在从第一端302到第二端304的长度方向上沿着体部303延伸的外表面305。头部212可包括仅部分地围绕头部212延伸的内斜切边(削角，削边，chamferededge)308。在将连杆螺栓123安装到孔202和204内期间，内斜切边308可提供用于连杆120的图2中所示的凸起209的间隙。换言之，在杆组件118组装期间，内斜切边308可包围凸起209并且可防止头部212自连杆螺栓123移位。凸起209可由连杆120的制造瑕疵/机械误差形成。内斜切边308可与轴向参考平面C成角θv地取向。内斜切边308因而可从轴向参考平面C朝向头部212的顶端延伸。θv可大约为45°。连杆螺栓123还可在第二端304处包括螺纹310，所述螺纹构造成与螺母206螺纹啮合。或者，如果连杆120不具有凸起209，那么头部212可以是基本上矩形的。
图4描绘了沿图3中示出的线A-A截取的连杆螺栓123的截面视图。连杆螺栓123可在对齐区域210内包括多个定位特征402，所述多个定位特征构造成用于与孔202和204的内环状表面接触。定位特征402可以是同心圆弧，其具有以体部303的中心O为圆心的定位半径r并且与体部303的外表面305对齐。换言之，任意给定的定位特征402的各点与体部303的中心O之间的距离基本相等。定位半径r可与连杆螺栓123的其余未经机加工(的部分)的半径基本上相等。定位特征402可定位在关于参考平面Y的角θ1与关于参考平面X的角θ2之间。因此，定位特征402可在参考平面X与Y之间的空间内延伸角θLF。在一个示例性实施例中，θ1、θ2、θLF可均为约30°。然而应注意的是，可替代地采用任何其它适合的角度。在另一个示例性实施例中，θ1和θ2可基本上相等，而θLF可比θ1和θ2大或小。
θLF可选择成使得定位特征402不位于连杆120和盖122的动态移动平面中。例如，在发动机102运行期间，连杆120和盖122可沿着参考平面Y振动和偏移。如果θLF过大，则可能存在定位特征402将接近动态移动参考平面Y并致使连杆螺栓123与孔202和204的移动表面接触的风险。经过一段时间，所述接触会导致连杆螺栓123微动磨损(fret)。如果θLF太小，那么施加在连杆螺栓123上的压力可能太大。应注意的是，连杆螺栓123的定向特征220与肩部133的第二表面218的对齐可确保定位特征402关于参考平面X和Y正确地对齐。
连杆螺栓123还可包括定位在相邻的定位特征402之间的多个间隙特征404。间隙特征404可沿着连杆螺栓123的与动态移动参考平面Y相交的那些部分定位。换言之，间隙特征404可沿着连杆120和盖122的偏移部分定位，以抑制连杆螺栓123与孔202和204之间振动接触。间隙特征404可因此构造成在连杆螺栓123设置在孔202和204中时避免与孔202和204接触。间隙特征404可被机加工或锻造到连杆螺栓123的外表面305中，使得从中心O到间隙特征404的给定距离比定位半径r小。间隙特征404可在第一过渡部分408与第二过渡部分410之间包括平的部分406。尽管在图4中描绘了四个定位特征402和四个间隙特征404，但可替代地采用任意其它适合数量的定位特征402和间隙特征404。例如，如果连杆120具有一个动态移动平面，则连杆螺栓123可制造成具有两个间隙特征404。在另一个替代实施例中，头部212可以是基本上矩形的，且连杆螺栓123可具有四个间隙特征404，以允许连杆螺栓123在杆组件118内具有多个正确取向。
在一个实施例中，定位特征402和间隙特征404可沿着连杆螺栓123的外表面仅定位在轴向对齐区域210中。换言之，为降低生产成本，定位特征402和间隙特征404可仅被机加工或锻造到连杆螺栓123的在分型线208——连杆220和盖122在该分型线处相会——附近的部分中。然而设想到，如果需要的话，定位特征402和间隙特征404可替代地沿着连杆螺栓123的整个长度延伸。
图5描绘了连杆螺栓123的沿图3中示出的线A-A截取的替代实施例。在该示例性实施例中，连杆螺栓123可具有多个间隙特征504，以及与图4中所示的定位特征402基本上相似的多个定位特征502。然而，与图4中的间隙特征404形成对照，间隙特征504包括多个基本上平的、制造成本比图4的过渡部分408和410低的过渡部分506。平的过渡部分506可具有更低的制造成本是因为其可需要更简单的机器。然而，如果可利用适合的机器，则过渡部分408和410可具有减少的制造时间。
工业适用性
所公开的连杆螺栓可适用于具有连杆组件、其中连杆组件的寿命成为问题的任何发动机中。所公开的连杆螺栓可通过防止螺栓与沿着连杆组件的孔在动态移动平面内接触来帮助减少螺栓微动磨损。由于所公开的连杆螺栓可减少微动磨损，所以所公开的连杆螺栓可具有比现有的连杆螺栓长的使用寿命。现在将描述连杆螺栓123和杆组件118的装配。
连杆螺栓123可插入到连杆120的孔202中，使得连杆螺栓特征211与连杆特征214大致彼此对齐。第二斜切边308可围绕连杆120的凸起209以防止头部212移位。盖122可然后定位成使得孔204接纳连接螺栓123的从孔202中伸出的第二端308。螺母306可然后与连杆螺栓123的螺纹310啮合并且被施加扭力。
参照图4和5，在发动机102运行期间，连杆120和盖122可以平面Y为参照而一致地向上和向下动态地移动。因为连杆螺栓123可藉由间隙特征404或504沿着所述动态移动平面凹入，所以可减少或甚至防止微动磨损。换言之，因为连杆螺栓123可基本上避免与孔202和204的动态移动内环状表面接触，所以可防止连杆螺栓123和孔202、204由于摩擦力而被显微焊接。所公开的连杆螺栓可提供用于对齐杆组件118的构件的简单且精确的机构。所公开的连杆螺栓可通过减少连杆螺栓及其相关联的连接孔的微动磨损和裂纹而延长发动机和/或连杆的寿命。
对本领域技术人员将显而易见的是，可对所公开的连杆螺栓做出多种改进和变型而不偏离本发明的范围。从对本文中所公开的连杆螺栓的说明和实践的考量，连杆螺栓的其它实施例对本领域技术人员而言将显而易见。本说明书和示例应理解为仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附权利要求及其等同方案指明。

Claims (8)

1.一种连杆螺栓(123)，包括：
体部(303)，所述体部具有第一端(302)、与所述第一端对向的带螺纹的第二端(304)以及在从所述第一端到所述第二端的长度方向上延伸的外表面(305)；
具有与所述外表面大致对齐的半径的多个定位特征(402、502)；
定位在相邻的定位特征之间的多个间隙特征(404、504)，其中，从所述体部的中心到各间隙特征的距离比所述多个定位特征的半径小；和
连接到所述体部的第一端的头部(212)，
其中，所述多个定位特征中的每一者延伸为与经过所述体部的中心的第一平面相距第一角度并且与基本上垂直于所述第一平面的第二平面相距第二角度，所述第一角度和第二角度基本上相等。
2.根据权利要求1所述的连杆螺栓，其特征在于，所述多个定位特征包括四个定位特征。
3.根据权利要求1所述的连杆螺栓，其特征在于：
所述多个定位特征和所述多个间隙特征设置在所述体部的轴向对齐区域(210)中；以及
所述轴向对齐区域的长度比所述体部的长度短。
4.根据权利要求1所述的连杆螺栓，其特征在于，所述头部在该头部处包括仅部分地围绕所述头部延伸的内斜切边(308)。
5.一种连杆螺栓(123)，包括：
体部(303)，所述体部具有第一端(302)、与所述第一端对向的带螺纹的第二端(304)以及在从所述第一端到所述第二端的长度方向上延伸的外表面(305)；
设置在所述体部的轴向对齐区域(210)中的多个定位特征(402、502)，其中，所述轴向对齐区域的长度比所述体部的长度短；
定位在相邻的定位特征之间的多个间隙特征(404、504)；和
连接到所述体部的第一端的头部(212)，
其中，所述多个定位特征中的每一者延伸为与经过所述体部的中心的第一平面相距第一角度并且与基本上垂直于所述第一平面的第二平面相距第二角度，所述第一角度和第二角度基本上相等。
6.根据权利要求5所述的连杆螺栓，其特征在于，所述多个定位特征包括四个定位特征。
7.根据权利要求5所述的连杆螺栓，其特征在于，所述头部在该头部处包括仅部分地围绕所述头部延伸的内斜切边(308)。
8.根据权利要求5所述的连杆螺栓，其特征在于，所述多个间隙特征中的每一者包括多个基本上平的过渡部分(506)。
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