DE102016119488A1

DE102016119488A1 - Kolbenbolzen mit aussenteil und mittelteil und verfahren zum herstellen eines kolbenbolzens

Info

Publication number: DE102016119488A1
Application number: DE102016119488.3A
Authority: DE
Inventors: Alan W. Hayman; Rodney E. Baker; Dale E. Murrish; Amit Kumar; Balakrishna Chinta
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US9797512B2; CN106609843B; US20170114898A1; CN106609843A

Abstract

Eine Anordnung, wie eine Kolbenanordnung für einen Motor, beinhaltet einem Kolbenbolzen mit einem Außenteil und einem Mittelteil. Das Außenteil weist einen Hohlraum auf, der sich hierdurch in Längsrichtung erstreckt. Der Hohlraum hat ein erstes Volumen. Das Mittelteil ist eingepasst auf dem Außenteil im Hohlraum und hat ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen. Das zweite Volumen kann kleiner als das erste Volumen sein, da das Mittelteil eine Öffnung aufweist, da das Mittelteil kürzer ist als der Hohlraum, oder beides. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens beinhaltet das Bereitstellen eines Außenteils mit einer ersten Dichte und einer ersten Länge, wodurch ein Hohlraum geschaffen wird, der durch das Außenteil verläuft, Bereitstellen eines Mittelteils mit einer zweiten Dichte und einer zweiten Länge, und Einsetzen des Mittelteils in den Hohlraum des Außenteils.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Anordnung mit einem Kolbenbolzen und ein Herstellungsverfahren für einen Kolbenbolzen.
HINTERGRUND
Kolbenbolzen dienen zum Anschluss eines Pleuels mit einem Kolben in einem Motor. Der Kolben passt in eine Bolzenbohrung des Kolbens, und das Pleuel umgreift den Kolbenbolzen zwischen zwei Teilen der Bolzenbohrung. Das Pleuel ist mit einer Kurbelwelle verbunden. Der Kolbenbolzen muss ausgelegt sein, Anforderungen bezüglich Durchbiegungs-, Ovalverbiegungs- und Belastungseinschränkungen zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Anordnung, wie eine Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor, Kompressor oder eine andere Anordnung, beinhaltet einen Kolbenbolzen mit einem Außenteil und einem Mittelteil. Das Außenteil weist einen Hohlraum auf, der sich in Längsrichtung dadurch erstreckt. Der Hohlraum hat ein erstes Volumen. Der Hohlraum kann beispielsweise zylindrisch mit einer zylindrischen Innenfläche sein, sodass das erste Volumen zylindrisch ist. Das Mittelteil passt auf das Außenteil im Hohlraum und hat ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen. Das zweite Volumen kann beispielsweise aufgrund einer Öffnung im Mittelteil kleiner als das erste Volumen sein, da das Mittelteil in der Länge kürzer ist als der Hohlraum oder beide.
Der Kolbenbolzen kann in einer Ausführungsform nur den Kolbenbolzen und ein Mittelteil aus einem Stück beinhalten und ist als solcher ein zweiteiliger Kolbenbolzen. In anderen Ausführungsformen kann das Mittelteil mehrere diskrete Komponenten, die als Mittelteilabschnitte bezeichnet sind, beinhalten. In einer Ausführungsform hat das Außenteil eine erste Länge und das Mittelteil hat eine zweite Länge kleiner als die erste Länge, sodass das Außenteil sich axial über den Mittelteil an entgegengesetzten Enden des Mittelteils erstreckt. Ein Verhältnis der zweiten Länge zur ersten Länge kann beispielsweise von etwa 0,4 bis 0,9 betragen. Das Außenteil kann beispielsweise relativ dünn sein, was erlaubt, ein aus einem relativ leichten Material gefertigten Mittelteil zur Erfüllung von Belastungs- und Verbiegungsbeschränkungen zu verwenden, während im Vergleich zu einem üblichen Kolbenbolzen das Gesamtgewicht vermindert ist.
In einigen Ausführungsformen weist das Mittelteil eine oder mehrere Öffnungen auf, wie eine erste Öffnung, die sich in Längsrichtung durch das Mittelteil erstreckt. Eine Vielzahl von Mittelteilkonfigurationen sind hierin offenbart. Das Bereitstellen einer Öffnung im Mittelteil adressiert mögliche Probleme mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenteils und des Mittelteils. Mit einem massiven Aluminiummittelteil und einem Außenteil aus Stahl muss beispielsweise, wegen des größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium, sich das Mittelteil ausdehnen können, muss jedoch weiter innerhalb des Außenteils über den gesamten Bereich der Betriebstemperatur des Kolbenbolzens gehalten werden. Die Öffnung stellt ein Volumen bereit, in dem Wärmeausdehnung auftreten kann.
Die erste Öffnung kann in einigen Ausführungsformen eine zentrale Öffnung sein, die sich durch das Mittelteil erstreckt. Zusätzliche Öffnungen können um die zentrale Öffnung beabstandet sein und erstrecken sich in Längsrichtung durch das Mittelteil. In anderen Ausführungsformen können sich die weiteren Öffnungen auch ganz im Mittelteil befinden, sodass die weiteren Öffnungen nur an gegenüberliegenden Enden des Mittelteils offen sind. Die zusätzlichen Öffnungen können gegen eine Innenfläche des Außenteils an einem äußeren Umfang des Mittelteils entlang der Länge des Mittelteils offen sein. Bei einigen Ausführungsformen weist das Mittelteil Speichen zwischen den zusätzlichen Öffnungen. auf. Gegebenenfalls können mindestens einige der Speichen an einem äußeren Ende größer als an einem inneren Ende sein, um Druckkräfte auszuhalten und Verbiegung des Kolbenbolzens zu begrenzen.
das Mittelteil weist in einer Ausführungsform eine äußere zylindrische Fläche auf, die zur inneren zylindrischen Fläche des Außenteils im Hohlraum passt. das Mittelteil definiert mindestens teilweise eine zweite Öffnung, die sich in Längsrichtung durch das Mittelteil erstreckt. Die erste Öffnung und die zweite Öffnung können die einzigen Öffnungen im Mittelteil sein und können in benachbarten Quadranten des Mittelteils angeordnet sein. Der Kolbenbolzen kann in einer Bolzenbohrung eines Kolbens befestigt sein, sodass die erste Öffnung und die zweite Öffnung in einer Hälfte des Mittelteils am nächsten einer Krone des Kolbens angeordnet sind. Das Mittelteil kann aus einer Vielzahl von Materialien bestehen und kann mehr oder weniger dicht sein als der äußere Teil. das Mittelteil kann beispielsweise aus, ist jedoch nicht einschränkt auf, einem aus Aluminium, Kohlenstofffaser, Titan oder Stahl bestehen. Das Außenteil besteht in einer Ausführungsform aus Stahl und das Mittelteil aus Titan.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Kolbenbolzenanordnung umfasst das Bereitstellen eines Außenteils mit einer ersten Dichte und einer ersten Länge, und das Erzeugen eines Hohlraums, der längs durch das Außenteil verläuft. Das Verfahren beinhaltetet das Bereitstellen eines Mittelteils mit einer zweiten Dichte und einer zweiten Länge, und Einsetzen des Mittelteils in den Hohlraum des Außenteils, wie durch Einpressen. Mindestens eine der folgenden Bedingungen ist im Verfahren vorhanden: Die zweite Länge ist kleiner als die erste Länge, und/oder das Mittelteil bildet mindestens zum Teil eine Öffnung, die sich in Längsrichtung hindurch erstreckt. das Mittelteil kann durch jedes beliebige Verfahren bereitgestellt werden, ist jedoch nicht beschränkt auf: Extrudieren des Mittelteils, Blasen des Mittelteils aus einem Metallschaum, Gießen des Mittelteils, Sintern des Mittelteils aus Metallpulver oder dreidimensionales Drucken des Mittelteils.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie andere Eigenschaften und Vorteile der gegenwärtigen Lehren gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Lehren in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Kolben- und Pleuelstangenanordnung mit einem Kolbenbolzen in teilweiser Querschnittsansicht.
2 ist die schematische Darstellung einer anderen Ausführung einer Kolben- und Pleuelstangenanordnung in teilweiser Querschnittsansicht, einschließlich einer anderen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
3 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
4 ist eine schematische, fragmentarische Endansicht des Kolbenbolzens von 3.
5 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
6 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
7 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
8 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
9 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
10 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
11 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
12 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
13 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
14 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
15 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
16 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
17 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
18 ist eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens mit einem äußeren Element im Phantom dargestellt.
19 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht des Kolbenbolzens von 18.
20 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
21 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
22 ist eine schematische Querschnittsabbildung des Kolbenbolzens der 21 an den Linien 22-22 in 21.
23 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
24 ist eine schematische Querschnittsabbildung des Kolbenbolzens der 23 an den Linien 24-24 in 23.
25 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
26 ist eine schematische Querschnittsabbildung des Kolbenbolzens der 25 an den Linien 26-26 in 25.
27 ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht einer alternativen Ausführungsform eines Kolbenbolzens.
28 ist eine schematische Querschnittsabbildung des Kolbenbolzens der 27 an den Linien 28-28 in 27.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin gleiche Referenznummern gleiche Komponenten in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigen 1–28 verschiedene Ausführungsformen von Kolbenbolzen, die zum Erfüllen vorbestimmter Verbiegungs- und ovalmachender Parameter konfiguriert sind, während sie Anforderungen bezüglich Belastung und Gewichtsreduzierung erfüllen und jede beliebige thermische Ausdehnung unterschiedlicher Materialien adressieren, die für Komponenten eines Kolbenbolzens verwendet werden können. 1 zeigt eine Kolben- und Pleuelstangenanordnung 10. Ein Kolben 12 weist eine zylindrische Bolzenbohrung 14 auf. Der Kolben 12 ist gegossen oder anderweitig mit einer Öffnung 16, die die Bolzenbohrung 14 schneidet und so ist konfiguriert ist, eine Pleuelstange 18 aufzunehmen, dargestellt in Teilansicht. Der Kolben 12 hat eine Krone 13 und eine Schürze 15. Durch Verbrennungsdruck erhält die Seite des Kolbens 12 an der Krone 13 größere Verbrennungskräfte während des Motorbetriebs als die Seite des Kolbens 12 an der Schürze 15. Ein Satz Ringe 17 umgibt eine Seitenfläche des Kolbens 12 und unterstützt und den Gleitkontakt mit dem Zylinderblock in einer Zylinderbohrung (nicht dargestellt) während des Zurückhaltens der Verbrennungsgase in der Zylinderbohrung, wie Fachleuten bekannt ist.
Ein Kolbenbolzen 20 ist eingepresst oder anderweitig in der Bolzenbohrung 14 und durch eine Öffnung 22 in der Pleuelstange 18 eingesetzt. Der Kolbenbolzen 20 beinhaltetet ein Außenteil 24, das eine relativ dünnwandige zylindrische Haut ist. Eine äußere zylindrische Oberfläche 26 des Außenteils 24 passt an eine Innenfläche 28 des Kolbens 12 an der Bolzenbohrung 14. Der Kolbenbolzen 20 ist ein schwimmender Bolzen, damit er relativ verdrehbar zu sowohl dem Kolben 12 als auch der Pleuelstange 18 ist. Der Kolbenbolzen 20 wird durch Sprengringe 30 im Kolben 12 gehalten. Ein Hohlraum C zwischen dem Kolbenbolzen 20 und dem Kolben 12 verbleibt über mindestens einem Abschnitt eines Bereichs von Betriebstemperaturen, um Schmierung und relative Drehung des Kolbenbolzens 20 zu erlauben.
Ein Hohlraum 32 wird im äußeren Element 24 bereitgestellt, wie durch Zerspanen. Der Hohlraum 32 verläuft der Länge nach durch die Außenteil 24 entlang einer longitudinalen Mittelachse A des Außenteils 24. Der Hohlraum 32 ist in einer Ausführungsform im Allgemeinen zylindrisch im dargestellten Ausführungsbeispiel. In einem nicht beschränkendem Beispiel beträgt die Wanddicke des Außenteils 24 ca. 2,5 Millimeter (mm), mit einem Hohlraumdurchmesser d von etwa 19 mm. In einem anderen nicht beschränkenden Beispiel beträgt der Hohlraumdurchmesser d ungefähr 27 mm. Die Länge l des Außenteils 24 von einem ersten Ende 31 zu einem zweiten Ende 36 beträgt ungefähr 75 mm. Das Außenteil 24 beschränkt sich nicht auf diese Abmessungen, und kann andere Abmessungen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren haben. Der Hohlraum 32 hat ein erstes Volumen V1, das im dargestellten Ausführungsbeispiel ein zylindrisches Volumen ist, bestimmt durch die Länge l und den Durchmesser d wie folgt:
V1 = (Πld²)/4; wobei l die Länge des Hohlraums 32 und d der Durchmesser des Hohlraum 32 ist.
Der Kolbenbolzen 20 beinhaltetet auch einen Mittelteil 34 mit einer Außenfläche 35 zum Passen an eine Innenfläche 37 des Außenteils 24 im Hohlraum 32. das Mittelteil 34 ist ein massives zylindrisches Element mit einem äußeren Durchmesser d2, der so gestaltet ist, dass das Mittelteil 34 in den Mittelteil 24 im Hohlraum 32 pressgepasst wird und dort über einen gesamten Bereich von Betriebstemperaturen gehalten wird. Mit anderen Worten, der Außendurchmesser d2 ist im Wesentlichen gleich dem Durchmesser d des Hohlraums 32. das Mittelteil 34 kann aus dem gleichen oder einem anderen Material als das Außenteil 24 gefertigt sein. Ist das Außenteil 24 und das Mittelteil 34 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, werden die Materialien ausgewählt und der Durchmesser d des Hohlraums 32 und dem Außendurchmesser d2 das Mittelteil 34 konfiguriert sind, um sicherzustellen, dass das Mittelteil 34 in einer eingeschobenen Position im Außenteil 24 über einen gesamten Bereich von Betriebstemperaturen des Kolbens 12 und Kolbenbolzens 20 gehalten wird. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Außenteil 24 Stahl sein und das Mittelteil 34 kann Aluminium, Kohlenstofffaser, Titan oder Stahl sein. Das Außenteil 24 kann eine erste Dichte haben und das Mittelteil 34 kann eine zweite Dichte haben, die geringer als, gleich oder größer sein kann als die erste Dichte. In verschiedenen Kombinationen von Dichten und Längen kann der Kolbenbolzen 20 leichter als ein fester Stahlkolbenbolzen sein, während er immer noch vorgegebene Biege- und Oval-Verbiegung und Spannungsbeschränkung einhält, wie Fachleuten bekannt ist.
In der Ausführungsform der 1 hat das Mittelteil 34 eine Länge l2, die viel geringer ist als die Länge l des Außenteils 24. Das Außenteil 24 erstreckt sich somit axial über den Mittelteil 34 hinaus an den gegenüberliegenden Enden 40, 42 des Mittelteils 34. Die Länge l des Hohlraum 32 ist in einem nicht einschränkenden Beispiel 75 mm und die Länge l2 des Mittelteils 34 ist 55 mm. Ein Verhältnis der zweite Länge l2 zur ersten Länge l kann von 0,4 bis 0,9 in verschiedenen Ausführungsformen reichen. Das Mittelteil 34 hat daher ein zweites Volumen V2, das geringer als das erste Volumen V1 ist. Für ein zylindrisches Mittelteil ist das zweite Volumen V2 bestimmt als:
V2 = (π·l2·d2²)/4; wobei l2 die Länge des Mittelteils 34 und d2 der Durchmesser des Mittelteils 34 ist.
In anderen hier dargestellten Ausführungsformen kann ein Mittelteil verwendet werden, der die gleiche Länge, wie der Hohlraum 32, hat, jedoch nicht zylindrisch dadurch ist, dass er eine Öffnung hat, die sein Volumen verringert, sodass das zweite Volumen V2 sogar geringer ist als das oben dargelegte zylindrische Volumen V2 ist.
2–28 zeigen verschiedene alternative Kolbenbolzen mit jeweils gleichen Außenteilen 24, jedoch unter Verwendung verschiedener Mittelteile. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kolben- und Pleuelstangenanordnung 10A mit vielen gleichen Komponenten, wie jene des Kolbens und der Pleuelstangenanordnung 10 der 1. Die Kolben und Pleuelstangenanordnung 10A beinhaltet einen Kolbenbolzen 20A, der ein „fixierter Bolzen” ist, da er in der Pleuelstange 18 an der Öffnung 16 eingeschrumpft ist (d. h., er kann sich nicht relativ zur Pleuelstange 18 verdrehen) und dreht sich nur relativ Kolben 12. Da der Kolbenbolzen 20A in einer axialen Position durch die Pleuelstange 18 gehalten wird, erübrigen sich die Sprengringe 30 von 1.
Die Kolbenbolzen 20A beinhalten das Außenteil 24 mit dem Hohlraum 32, der sich in Längsrichtung dadurch erstreckt und mit dem ersten Volumen V1, wie vorstehend erörtert. Ein Mittelteil 34A ist in den Hohlraum 32 eingepresst, sodass die äußere Fläche 35 des Mittelteils 34A an der Innenfläche 37 des Außenteils 24 gehalten wird. Das Mittelteil 34A kann aus jedem der Materialien und relativen Dichten, die hier beschrieben sind, bestehen. Das Mittelteil 34A definiert mindestens teilweise eine erste Öffnung 44A, die sich in Längsrichtung durch das Mittelteil 34A erstreckt. Die erste Öffnung 44A ist eine zentrale Öffnung in dieser zentriert im Mittelteil 34A und erstreckt sich entlang der Achse A des Außenteils 24. Das Mittelteil 34A kann die gleiche zweite Länge l2, wie das Mittelteil 34, oder eine andere zweite Länge aufweisen. Zusätzlich kann das Mittelteil 34A abgerundete Kanten E an den beiden ersten und zweiten Enden 40, 42 des Mittelteils 34A aufweisen. Die abgerundeten Kanten E können Spannungskonzentrationen im Vergleich zu einem Mittelteil mit winkligen Rändern vermindern, als wenn die Kanten durch 90-Grad-Winkel der Enden 40 oder 42 zur Oberfläche 35 gebildet wären. So können beispielsweise die Kanten E einen Krümmungsradius von 0,2 bis 3 mm aufweisen. Diese abgerundeten Kanten können auch in einer der anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen zum Vermindern von Spannungen verwendet werden. Durch die kürzere Länge l2, die zentrale Öffnung 44A und die abgerundeten Kanten E hat das Mittelteil 34A ein zweites Volumen, das kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32 ist.
Eine Vielzahl unterschiedlicher Mittelteile können mit dem Außenteil 24 zum Bereitstellen verschiedener gewünschter Eigenschaften verwendet werden, die unterschiedlich von jenen eines einzelnen, massiven Kolbenbolzens oder einem Kolbenbolzen mit einem Außenteil mit einem festen Mittelteil (ohne keine Öffnungen) und mit gleicher Länge, wie das Außenteil 24. 3 zeigt beispielsweise einen Kolbenbolzen 20B mit einem Mittelteil 34B eingesetzt in den Hohlraum 32 und Presspassung äußeren Element 24 im Hohlraum 32. Das Mittelteil 34B beinhaltet eine erste Öffnung 44B, die sich in Längsrichtung über den gesamten Mittelteil 34B erstreckt und eine zentrale Öffnung einer hexagonalen Form im Querschnitt.
Sechs zusätzliche Öffnungen 50B einer hexagonalen Form im Querschnitt sind gleich beabstandet um die zentrale Öffnung 44B und erstrecken sich in Längsrichtung durch das Mittelteil 34B, sodass die weiteren Öffnungen 50B nur an den gegenüberliegenden Enden 40, 42 des Mittelteils offen sind. Dementsprechend ist die Außenfläche 35 des Mittelteils 34B zylindrisch und passt zur Innenfläche 37 des Außenteils 24. In der dargestellten Ausführungsform weist das Mittelteil 34B dieselbe Länge l wie das Außenteil 24 auf, obwohl das Mittelteil 34B verkürzt werden könnte. Durch die Öffnungen 44B, 50B hat das Mittelteil 34B ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32.
Die Anordnung der Öffnungen 50B um die Öffnung 44B schafft eine innere Nabe 56B und eine äußeren Nabe 58B. Die äußere Nabe 58B bildet die zylindrische Außenfläche 35 in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Das Mittelteil 34B weist Speichen 52B zwischen den zusätzlichen Öffnungen 50B auf. Die Speichen 52B sind an einem äußeren Ende 54B größer als an einem inneren Ende 55B, wobei das äußere Ende 54B radial auswärts des inneren Endes 55B relativ zur Achse A ist, wie mit Bezug auf eine der Speichen 52B dargestellt wird. Das Mittelteil 34B beinhaltet sechs Speichen 52B, die sich von einer Mitte des Mittelteils 34B (d. h., von der inneren Nabe 56B) erstrecken.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20C, der in allen Aspekten den Kolbenbolzen 20B entspricht, außer dass ein Mittelteil 34C eine Mittelöffnung 44C hat, die eine zentrale Öffnung einer kreisförmigen Querschnittsform anstelle der hexagonalen Zentrieröffnung 44B der 2 aufweist.
6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20D, der in allen Aspekten den Kolbenbolzen 20C entspricht, außer dass ein Mittelteil 34D Speichen 52D aufweist, die nicht breiter an einem äußeren Ende als an einem inneren Ende sind.
7 zeigt einen Kolbenbolzen 20E, der das Außenteil 24 (nur als Phantom dargestellt) mit dem Hohlraum 32 beinhaltet, der sich in Längsrichtung erstreckt und ein erstes Volumen V1 aufweist, wie mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Ein Mittelteil 34E wird in den Hohlraum 32 gepresst, sodass seine Außenfläche 35E an der Innenfläche 37 des Außenteils 24 gehalten wird. Das Mittelteil 34E hat die gleiche Länge l wie das äußere Element 24 oder kann eine geringere Länge als das Außenteil 24 haben. Das Mittelteil 34E kann aus jedem der Materialien und relativen Dichten, wie oben erörtert sein. Das Mittelteil 34E definiert mindestens teilweise eine erste Öffnung 44E, die sich in Längsrichtung durch den Mittelteil 34E erstreckt. Die erste Öffnung 44E ist eine kreisförmige Querschnittsform und eine zentrale Öffnung dahingehend, dass diese im Mittelteil 34E um die Achse A des Außenteils 24 zentriert ist.
Sieben zusätzlichen Öffnungen 50E sind gleich beabstandet um die zentrale Öffnung 44E und erstrecken sich in Längsrichtung durch den Mittelteil 34E. Die Öffnungen 50E sind sowohl an den gegenüberliegenden Enden 40, 42 des Mittelteils 34E und entlang einem äußeren Umfang des Mittelteils 34E entlang der Länge des Mittelteils 34E offen, sodass die Öffnungen 50E sich zur Innenfläche 37 des Außenteils 24 öffnen.
Die Anordnung der Öffnungen 50E um die Öffnung 44E schafft eine innere Nabe 56E. Das Mittelteil 34E beinhaltet sieben Speichen 52E, die sich von einer Mitte des Mittelteils 34E (d. h., von der inneren Nabe 56E) zwischen die zusätzlichen Öffnungen 50E erstrecken. Die Speichen 52E sind an einem äußeren Ende 54E größer als an einem inneren Ende 55E, sodass die äußeren Enden 54E unterstützende Füße im Dauereingriff mit der Innenfläche 37 bilden, ähnlich einer I-förmigen Konfiguration. Die äußeren Enden 54E sind gekrümmt, um an die Innenfläche 37 des Außenteils 24 zu passen.
Dementsprechend erstreckt sich die Außenfläche 35E des Mittelteils 34E an den äußeren Enden 54E entlang der Länge des Mittelteils 34E und definiert einen äußeren Umfang des Mittelteils 34E, der an die Innenfläche 37 des Außenteils 24 passt. In der dargestellten Ausführungsform ist das Mittelteil 34E von derselben Länge l, wie das Außenteil 24, obwohl das Mittelteil 34E verkürzt werden könnte. Das Mittelteil 34E kann aus jedem der Materialien sein und jede der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Durch die Öffnungen 44E, 50E hat das Mittelteil 34E ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32.
8 zeigt einen Kolbenbolzen 20F, der das Außenteil 24 (nur als Phantom dargestellt) mit dem Hohlraum 32 beinhaltet, der sich in Längsrichtung erstreckt und der das erste Volumen V1 aufweist, wie mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Ein Mittelteil 34F wird in den Hohlraum 32 eingepresst, sodass seine Außenfläche 35F an die Innenfläche 37 gehalten wird. Das Mittelteil 34F hat die gleiche Länge l wie das äußere Element 24 oder kann eine geringere Länge haben als das Außenteil 24. Das Mittelteil 34F kann aus jedem der Materialien sein und relative Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Das Mittelteil 34F definiert mindestens teilweise eine optionale erste Öffnung 44F, die sich in Längsrichtung durch den Mittelteil 34F erstreckt. Die optionale erste Öffnung 44F hat eine kreisförmige Querschnittsform und ist eine zentrale Öffnung dahingehend, dass sie im Mittelteil 34F und um die Achse A des Außenteils 24 zentriert ist.
Vier weitere Öffnungen 50F sind gleich beabstandet um die optionale zentrale Öffnung 44F und erstrecken sich in Längsrichtung durch den Mittelteil 34F. Die Öffnungen 50F sind sowohl an den gegenüberliegenden Enden 40, 42 des Mittelteils 34F und entlang eines äußeren Umfangs des Mittelteils 34F entlang der Länge des Mittelteils 34F offen, sodass die Öffnungen 50F sich zur Innenfläche 37 des Außenteils 24 öffnen.
Das Mittelteil 34F beinhaltet vier Speichen 52F, die sich von einer Mitte des Mittelteils 34F zwischen die zusätzlichen Öffnungen 50F erstrecken. Die Speichen 52F haben gekrümmte äußere Enden, sodass die äußeren Enden 54F eine Außenfläche 35F des Mittelteils 34F sich entlang der Länge des Mittelteils 34F bilden und einen äußeren Umfang des Mittelteils 34F definieren, der zur Innenfläche 37 des Außenteils 24 passt. In der dargestellten Ausführungsform hat das Mittelteil 34F dieselbe Länge l wie das Außenteil 24, obwohl das Mittelteil 34F verkürzt werden könnte. Das Mittelteil 34F kann aus jedem beliebigen Material sein und jede beliebige relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50F hat das Mittelteil 34F ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32.
9 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20G, der in allen Aspekten dem Kolbenbolzen 20F entspricht, einschließlich der optionalen zentrale Öffnung 44F und vier zusätzlichen Öffnungen 50F, außer dass ein Mittelteil 34G Speichen 52G mit äußeren Enden mit gebogenen Ecken 53G hat, wobei jede einen größeren Radius als die Speichen 52F in 8 haben. Die Speichen 52G haben somit keine Kanten an der Außenfläche 35G des Mittelteils 34G in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50F hat das Mittelteil 34G ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32.
10 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20H, der in allen Aspekten dem Kolbenbolzen 20G entspricht, einschließlich der optionalen zentralen Öffnung 44F, außer dass ein Mittelteil 34H sechs Speichen 52H hat. Die Speichen 52H haben einen Radius (d. h. gebogene Ecken 53H) an den äußeren Enden der Speichen 52H. Die Speichen 52H somit keine Kanten an der Außenfläche 35H in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50H hat das Mittelteil 34H ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32.
11 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20I, der in allen Aspekten dem Kolbenbolzen 20G entspricht, einschließlich der optionalen zentralen Öffnung 44F, außer dass ein Mittelteil 34I acht Speichen 52I hat. Die Speichen 52I haben einen Radius (d. h. gebogene Ecken 53I) an den äußeren Enden der Speichen 52I. Die Speichen 52I haben somit keine Kanten an der Außenfläche 35I des Mittelteils 34I in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Das Mittelteil 34I kann aus jedem beliebigen Material sein und jede beliebige relative Länge und Dichtewie hier beschrieben haben. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50I weist das Mittelteil 34I ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32 auf.
12 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20J, der in allen Aspekten dem Kolbenbolzen 20G entspricht, einschließlich der optionalen zentralen Öffnung 44F, außer dass ein Mittelteil 34J drei Speichen 52J aufweist. Die Speichen 52J weisen einen Radius (d. h. gebogene Ecken 53J) an den äußeren Enden der Speichen 52J auf. Die Speichen 52J weisen somit keine Kanten an der Außenfläche 35J in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24 auf. Das Mittelteil 34J kann aus jedem beliebigen der Materialien sein und jede beliebige der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50J weist das Mittelteil 34J ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32 auf.
13 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20K, der einen Mittelteil 34K mit der optionalen zentralen Öffnung 44F und vier Speichen 52K beinhaltet, die vier zusätzliche Öffnungen 50K bilden. Eine äußere Nabe 58K an den äußeren Enden der Speichen 52K bildet die zylindrische Außenfläche 35K in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Das Mittelteil 34K kann aus jedem der Materialien sein und jede der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50K weist das Mittelteil 34K ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32 auf.
Die Kolbenbolzen in 1–12 sind geeignet zur Verwendung in entweder einer Anordnung mit “schwimmendem” Bolzen oder mit “festem” Bolzen in einem Kolben. 14–20 stellt Ausführungsformen von Kolbenbolzen dar, die am besten zur Verwendung in Bolzenanordnungen des Kolbens 12 der 2 geeignet sind. Genauer gesagt sind die Mittelteile dieser Kolbenbolzen konfiguriert, um am besten Verbrennungskräften zu widerstehen und Biege-ovalmachenden und Spannungsbeschränkungen zu erfüllen, wenn sie in einer festen Orientierung relativ Kolben 12 konfiguriert sind. 14 stellt beispielsweise eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20L dar, die einen Mittelteil 34L mit der optionalen zentralen Öffnung 44F und zwei Speichen 52L beinhaltet, die zwei zusätzliche Öffnungen 50L bilden. Die äußeren Enden der Speichen 52L bilden 35L in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Das Mittelteil 34L kann aus jedem der Materialien sein und jede der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Das Mittelteil 34L widersteht am besten den Kräften beim Betrieb der Kolbenanordnung 10A der 2 beim Einsetzen in die Bolzenbohrung 14, sodass die Speichen 52L in einer vertikale Lage sind. Mit anderen Worten, die Außenfläche 35L einer der Speichen 52L soll sich Kranz 13 des Kolbens 12 erstrecken. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50L weist das Mittelteil 34L ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32 auf.
15 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20M, der einen Mittelteil 34M mit der optionalen zentralen Öffnung 44F und vier Speichen 52M1, 52M2, 52M3 und 52M4 beinhaltet, die vier zusätzliche Öffnungen 50M bilden. Die äußeren Enden der Speichen 52M1, 52M2, 52M3 und 52M4 bilden die Außenfläche 35M in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Zwei der Speichen 52M1 und 52M2 sind dicker als die verbleibenden Speichen 52M3 und 52M4 und sind an einem äußeren Ende 54M größer als an einem inneren Ende 55M, sodass die äußeren Enden 54M Unterstützungsfüße bilden in Dauereingriff mit der Innenfläche 37, ähnlich einer I-förmigen Konfiguration. Die äußeren Enden 54M sind gekrümmt, um zur Innenfläche 37 des Außenteils 24 zu passen. Das Mittelteil 34M kann aus jedem der Materialien sein und jede der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Das Mittelteil 34M besten standhält Kräfte beim Betrieb der Kolbenanordnung 10A, wenn der Bolzenbohrung 14 sodass die Speichen 52M1 und 52M2 in eine vertikale Lage, aufgrund ihrer größere Breite und ihrer größeren äußeren Enden 54M. Anders ausgedrückt, ein erstes Paar der Speichen (52M1 und 52M2) sollte im Kolben 12 der 2 angeordnet sein, um in Längsrichtung im Allgemeinen zu einem Kranz 13 des Kolbens 12 zu verlaufen, und ein zweites Paar der Speichen (52M3 und 52M4) erstreckt sich in Längsrichtung im Allgemeinen senkrecht ersten Paar der Speichen. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und der Öffnungen 50M weist das Mittelteil 34M ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen des Hohlraums 32 auf.
16 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20N, der ein Mittelteil 34N mit der optionalen zentralen Öffnung 44F und vier Speichen 52N1, 52N2, 52N3 und 52N4 beinhaltet, die vier zusätzliche Öffnungen 50N bilden. Das Mittelteil 34N kann aus jedem der Materialien sein und jede der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Die äußeren Enden der Speichen 52N1, 52N2, 52N3, und 52N4 bilden die äußere Oberfläche 35N in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Zwei der Speichen 52N1 und 52N2 sind dicker als die verbleibenden Speichen 52N3 und 52N4 und sind an einem äußeren Ende 54N genügend größer als an einem inneren Ende 55N, sodass die Speichen 52N1 und 52N2 selbst unterstützende Füße im Eingriff an den äußeren Enden 54N mit der Innenfläche 37 bilden, ähnlich einer I-förmigen Konfiguration. Die äußeren Enden 54N sind gekrümmt, um zur Innenfläche 37 des Außenteils 24 zu passen. Die schmäleren Speichen 52N3 und 52N4 weisen auch Füße im Dauereingriff mit der Innenfläche 37 auf und erstrecken sich senkrecht zu ihren Längen an den äußeren Enden. Die Füße 54N1 und 54N2 sind nur an ihren Enden in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24. Mit anderen Worten, die Füße 54N1 und 54N2 sind nicht gebogen, um ihrer gesamten Außenfläche zu erlauben, mit der Innenfläche 37 in Kontakt zu sein, wie es die äußeren Enden 54N sind. Das Mittelteil 34N hält am besten die Kräfte beim Betrieb der Kolbenanordnung 10A aus, wenn es in die Bolzenbohrung 14 eingesetzt wird, sodass die Speichen 52N1 und 52N2 in einer vertikalen Lage aufgrund ihrer größeren Breite und ihren äußeren Enden 54N sind. Anders ausgedrückt, sollte ein erstes Paar der Speichen (52N1 und 52N2) im Kolben 12 der 2 angeordnet sein zum sich Erstrecken in Längsrichtung im Allgemeinen zu einem Kranz 13 des Kolbens 12, und ein zweites Paar der Speichen (52N3 und 52N4) erstreckt sich in Längsrichtung im Allgemeinen senkrecht ersten Paar der Speichen 52N1, 52N2. Aufgrund der optionalen Öffnung 44F und die Öffnungen 50N, das Mittelteil 34N eine zweite Volumen kleiner als das erste Volumen V1 der Hohlraum 32.
17 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20P ähnlich dem Kolbenbolzen 20K der 13, außer dass er einen Mittelteil 34P beinhaltet, der keine zentrale Öffnung 44F aufweist, die Speichen 52P1, 52P2, 52P3 und 52P4 unterschiedliche Breiten aufweisen, und eine Außennabe 58P an den äußeren Enden der Speichen die zylindrische Außenfläche 35P in Kontakt mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24 bildet. Die vier Speichen 52P1, 52P2, 52P3 und 52P4 bilden vier Öffnungen 50P gleich voneinander beabstandet im Mittelteil 34P. Zwei der Speichen 52P1 und 52P2 sind dicker als die verbleibenden Speichen 52P3 und 52P4 und sind an einem äußeren Ende 54P größer als an einem inneren Ende 55P. Das Mittelteil 34P kann aus jedem der Materialien sein und kann jede der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Das Mittelteil 34P hält am besten die Kräfte beim Betrieb der Kolbenanordnung 10A aus, wenn es in der Bolzenbohrung 14 eingesetzt ist, sodass die Speichen 52P1 und 52P2 aufgrund ihrer größeren Breite und ihrer größeren äußeren Enden 54P in einer vertikalen Lage sind. Anders ausgedrückt, sollte ein erstes Paar der Speichen (52P1 und 52P2) sei im Kolben 12 der 2 angeordnet sein, um sich in Längsrichtung im Allgemeinen in Richtung des Kranzes 13 des Kolbens 12 zu erstrecken, und ein zweites Paar Speichen (52P3 und 52P4) erstrecken sich in Längsrichtung im Allgemeinen senkrecht ersten Paar der Speichen 52P1 und 52P2. Durch die Öffnungen 50P weist das Mittelteil 34P ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen V1 des Hohlraums 32 auf.
18–19 zeigen eine andere Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20Q, der das Außenteil 24 mit dem Hohlraum 32 beinhaltet, das sich in Längsrichtung dadurch erstreckt und ein erstes Volumen V1 aufweist, wie oben mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Mittelteil 34Q wird in den Hohlraum 32 eingepresst, sodass seine Außenfläche 35Q an der Innenfläche 37 gehalten wird. Das Mittelteil 34Q hat die gleiche Länge l wie das Außenteil 24 oder eine geringere Länge als das Außenteil 24. Die Außenfläche 35Q ist zylindrisch. Das Mittelteil 34Q kann aus jedem der Materialien sein und relative Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Das Mittelteil 34Q definiert eine erste Öffnung 50Q1 und eine zweite Öffnung 50Q2, wobei sich beide in Längsrichtung durch den Mittelteil 34Q erstrecken. Die Öffnungen 50Q1 und 50Q2 sind beide kreisförmig bezüglich ihrer Querschnittsform und weisen Längsachsen parallel zur Mittelachse A des Außenteils 24 auf. Die Öffnungen 50Q1 und 50Q2 öffnen nur an den gegenüberliegenden Enden 40, 42 des Mittelteils 34Q.
Wie am besten in 19 dargestellt, sind die Öffnungen 50Q1 und 50Q2 die einzigen Öffnungen im Mittelteil 34Q, sind gleich groß und sind symmetrisch in benachbarten Quadranten des Mittelteils 34Q. Phantomlinien Q1 und Q2 stellen Begrenzungslinien dar, die das Mittelteil 34Q in Quadranten aufteilen. Das Mittelteil 34Q hat keine zentrale Öffnung. Um am besten den Verbrennungskräften standhalten zu können und Biege-, Ovalitäts- und Spannungsbeschränkungen einzuhalten, sollte der Kolbenbolzen 20Q so in der Bolzenbohrung 14 befestigt werden, dass die erste und die zweite Öffnung 50Q1 und 50Q2 in einer Hälfte des Mittelteils 34Q am nächsten zum Kranz 13 des Kolbens 12 angeordnet sind. Genauer gesagt sollte der Kolbenbolzen 20Q so angeordnet sein, dass die Phantom-Begrenzung Q1 vertikal ist. In dieser Weise angeordnet, wird die untere Hälfte des Mittelteils 34Q im Kolbenbolzen 20Q (unterhalb der Linie Q2) stark komprimiert, was zu großen Spannungen führt, während einer oberer Teil oberhalb der Öffnungen 50Q1, 50Q2 Zugspannungen niedriger Größe erfährt. Die Zone unter Kompression fällt hauptsächlich unter die gestrichelte Linie Q2. Die Zone in Spannung fällt hauptsächlich über die gestrichelte Linie Z2. Die Öffnungen 50Q1 und 50Q2 liegen in einer neutralen Zone zwischen den Linien Q2 und Z2, die relativ geringe Beanspruchung im Vergleich zur Zone unter Druckspannung und der Zone unter Zugspannung. Indem die Öffnungen 50Q1 und 50Q2 zwischen der Druckspannungszone und der Zugspannungszone angeordnet sind, können Gewichtsreduzierung und ein offenes Volumen für mögliche thermischen Ausdehnung mit minimaler Einwirkung auf Biegen und Ovalität erreicht werden.
20 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenbolzens 20R dar, das das Außenteil 24 beinhaltet, wobei sich der Hohlraum 32 in Längsrichtung erstreckt und ein erstes Volumen V1 aufweist, wie oben mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Ein Mittelteil 34R wird in den Hohlraum 32 eingepresst, sodass seine Außenfläche 35R an der Innenfläche 37 gehalten wird. Das Mittelteil 34R hat die gleiche Länge l wie das äußere Element 24 oder kann eine geringere Länge als das Außenteil 24 aufweisen. Die Außenfläche 35R ist zylindrisch. Das Mittelteil 34R kann aus jedem beliebigen der Materialien sein und jede beliebige der relativen Längen und Dichten, wie hier beschrieben, aufweisen. Das Mittelteil 34R definiert nur eine erste Öffnung 44R, die sich in Längsrichtung durch den Mittelteil 34R erstreckt. Die erste Öffnung 44R eine abgerundete dreieckige Querschnittsform, die als Drei-Lappen-Form bezeichnet werden kann. Die erste Öffnung 44R ist eine zentrale Öffnung dahingehend, dass sie im Mittelteil 34R um die Achse A des Außenteils 24 zentriert ist. Die Öffnung weist drei abgerundete Ecken 60A, 60B und 60C auf. Um am besten den Verbrennungskräften standhalten zu können und Biege-, Ovalitäts- und Spannungsbeschränkungen einzuhalten, sollte der Kolbenbolzen 20R so in der Bolzenbohrung 14 befestigt werden, dass die Öffnung 44R symmetrisch zur Phantombegrenzung Q1 senkrecht zur Achse A ist, mit der ersten Ecke 60A geschnitten von der Grenze Q1. Die erste Ecke 60A wird also in einer Hälfte des Mittelteils 34R benachbart zum Kranz 13 des Kolbens 12 angeordnet.
21 bis 28 stellen verschiedene Ausführungsformen des Kolbenbolzens mit mehrteiligen Mittelteilen dar. 21 und 22 stellen eine weitere Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20S dar, der das Außenteil 24 und einen Mittelteil 34S beinhaltet. Das Außenteil 24 weist den Hohlraum 32 auf, der sich in Längsrichtung erstreckt und weist das erste Volumen V1 auf, wie oben mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Ein Mittelteil 34S wird in den Hohlraum 32 eingepresst. Das Mittelteil 34S beinhaltet mehrere diskrete Mittelteilabschnitte 34S1, 34S2 nebeneinander angeordnet im Hohlraum 32. Der Mittelteilabschnitt 34S1 ist ein erster Mittelteilabschnitt und eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche 35A, die eine Schnittstelle mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24 im Hohlraum 32 bildet. Der erste Mittelteilabschnitt 34S1 hat eine erste Öffnung 44S1 an einem äußeren Ende 40A des ersten Mittelteilabschnitts 34S1, das sich teilweise hierdurch erstreckt. Der erste Mittelteilabschnitt 34S1 weist eine zweite Öffnung 44S2 an einem inneren Ende 40B des ersten Mittelteilabschnitts 34S1 auf, der sich hierdurch zur ersten Öffnung 44S1 erstreckt. Ein erster Mittelabschnitt 45S1 trennt die erste und zweite Öffnung 44S1, 44S2.
Der zweite Mittelteilabschnitt 34S2 weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche 35B auf, die mit der Innenfläche 37 des Außenteils 24 im Hohlraum 32 eine Schnittstelle bildet. Der zweite Mittelteilabschnitt 34S2 weist eine dritte Öffnung 44S3 an einem äußeren Ende 42A des zweiten Mittelteilabschnitts 34S2 auf, der sich teilweise hierdurch erstreckt. Der zweite Mittelteilabschnitt 34S2 weist eine vierte Öffnung 44S4 an einem inneren Ende 42B des zweiten Mittelteilabschnitts 34S2 auf, der sich teilweise hierdurch zur dritten Öffnung 44S3 erstreckt. Das innere Ende 40B des ersten Mittelteilabschnitts 34S1 wendet sich zu und grenzt an das innere Ende 42B des zweiten Mittelteilabschnitts 34S2.
Ein zweiter Mittelteilabschnitt 45S2 trennt die dritte und vierte Öffnung 44S3, 44S4. Die Mantelflächen 35A, 35B werden an der Innenfläche 37 durch Aufpressen oder Aufschrumpfen gehalten. Die Gesamtlänge des Mittelteils 34S ist die Länge l2, die geringer als die Länge l des Außenteils 24 ist. Das Mittelteil 34S kann jedes der Materialien und relativen Dichten, wie hier beschrieben, sein. Die Öffnungen 44S1, 44S2, 44S3 und 44S4 weisen jeweils eine kreisförmige Querschnittsform auf und sind in den jeweiligen Mittelteilabschnitten 34S1, 34S2 um die Achse A des Außenteils 24 zentriert.
Die Mantelflächen 35A und 35B und der erste Mittelteilabschnitt 34S1 und der zweite Mittelteilabschnitt 34S2 an den äußeren Enden 40A und 42A können gerundete Kanten E mit Radien von etwa 0,2 mm bis etwa 3 mm zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen, abgewinkelten Kanten aufweisen. Die Oberflächen der Mittelteilabschnitte 34S1 und 34S2 an den Öffnungen 44S1, 44S2, 44S3 und 44S4 können einen Innenradius RI1 zwischen sich axial erstreckenden Abschnitten und sich radial erstreckenden Abschnitte, wie von etwa 0,5 mm bis 5 mm, zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen, abgewinkelten Kanten aufweisen.
Feste Mittelabschnitte 45S1 und 45S2 sind im Allgemeinen zum Überbrücken entlang der Achse A zwischen dem Kolben 12 und Pleuelstange 18 angeordnet (d. h., dass die Kanten des Kolbens 12 und der Pleuelstange 18 direkt radial auswärts der Mittelabschnitte 45S1 und 45S2 fallen), wodurch die Mittelabschnitte 45S1 und 45S2 Unterstützung in den Bereichen der größten Belastung bereitstellen, während Gewichtsreduzierung in anderen Bereichen geringer Belastung über die Öffnungen 44S1, 44S2, 44S3 und 44S4 erreicht werden.
23 und 24 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20T, der das Außenteil 24 und einen Mittelteil 34T beinhaltet. Das Außenteil 24 weist den Hohlraum 32 auf, der sich in Längsrichtung hierdurch erstreckt und das erste Volumen V1 aufweist, wie oben mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Ein Mittelteil 34T wird eingepresst oder anderweitig in den Hohlraum 32 eingesetzt. Das Mittelteil 34T beinhaltet mehrere diskrete Mittelteilabschnitte, die nebeneinander im Hohlraum 32 angeordnet sind. Die mehrfachen diskreten Mittelteilabschnitte beinhalten einen ersten Mittelteilabschnitt 34T1, einen zweiten Mittelteilabschnitt 34T2, einen dritte Mittelteilabschnitt 34T3, einen vierten Mittelteilabschnitt 34T4 und einen fünften Mittelteilabschnitt 34T5, längs gestapelt im Hohlraum 32 und jeder mit einer äußeren im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche 35T1, 35T2, 35T3, 35T4 und 35T5, die eine Schnittstelle mit der Innenfläche 37 des Hohlraums 32. Die Gesamtlänge des Mittelteils 34T ist die Länge l2, die geringer als die Länge l des Außenteils 24 ist.
Der erste Mittelteilabschnitt 34T1, der dritte Mittelteilabschnitt 34T3, und der fünfte Mittelteilabschnitt 34T5 weisen jeweils eine im Allgemeinen zentrale Öffnung 44T1, 44T2 und 44T3 auf, die sich in Längsrichtung hierdurch und mittig im jeweiligen Mittelteilabschnitten 34T1, 34T3 und 34T5 um die Achse A des Außenteils 24 erstrecken. Der zweite und vierte Mittelteilabschnitt 34T2, 34T4 sind fest, ohne Öffnungen, und somit trennen sie die zentralen Öffnungen 44T1, 44T2 und 44T3 voneinander, sodass sie nicht zueinander geöffnet sind. Die Mantelflächen 35T1 und 35T5 des ersten Mittelteilabschnitts 34T1 und der fünfte Mittelteilabschnitt 34T5 an den äußeren Enden 40T1 und 42T1 können gerundete Kanten E mit Radien von etwa 0,2 mm bis etwa 3 mm zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen abgewinkelten Kanten aufweisen.
Der feste zweite und vierte Mittelteilabschnitt 34T2, 34T4 sind im Allgemeinen zum Überbrücken entlang der Achse A zwischen dem Kolben 12 und der Pleuelstange 18 angeordnet (d. h., sodass die Kanten des Kolbens 12 und der Pleuelstange 18 direkt radial auswärts des zweiten und vierten Mittelteilabschnitt 34T2, 34T4 fallen, wodurch der zweite und der vierte Mittelteilabschnitt 34T2, 34T4 Unterstützung in den Bereichen der größten Belastung bereitstellen, während Gewichtsreduzierung in anderen Bereichen geringer Belastung über die Öffnungen 44T1, 44T2 und 44T3 erreicht wird.
25 und 26 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20U, der das Außenteil 24 und einen Mittelteil 34U beinhaltet. Die Außenteil 24 hat den Hohlraum 32 sich in Längsrichtung erstreckt und das erste Volumen V1, wie oben mit Bezug auf 1 und 2. Die Gesamtlänge des Mittelteils 34U ist die Länge l2, die geringer als die Länge l des Außenteils 24 ist. Das Mittelteil 34U wird eingepresst oder anderweitig in den Hohlraum 32 eingesetzt. Das Mittelteil 34U beinhaltet mehrere diskrete Mittelteilabschnitte nebeneinander im Hohlraum 32. Die mehrfachen diskreten Mittelteilabschnitte beinhalten einen ersten Mittelteilabschnitt 34U1, einen zweiten Mittelteilabschnitt 34U2 und einen dritten Mittelteilabschnitt 34U3, längs gestapelt im Hohlraum 32 und jeder mit einer äußeren im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche 35U1, 35U2 und 35U3, die eine Schnittstelle mit der Innenfläche 37 des Hohlraums 32 bildet.
Der erste Mittelteilabschnitt 34U1 weist eine im Allgemeinen zentrale Öffnung 44U1 an einem äußeren Ende 40U1 auf, die sich nur teilweise hierdurch in Längsrichtung erstreckt. Der dritte Mittelteilabschnitt 34U3 weist ebenso eine im Allgemeinen zentrale Öffnung 44U3 an einem äußeren Ende 42U1 auf, die sich nur teilweise hierdurch in Längsrichtung erstreckt. Die Oberflächen der Mittelteilabschnitte 34U1 und 34U3 an den Öffnungen 44U1 und 44U3 können einen Innenradius RI1 zwischen sich axial erstreckenden Abschnitten und radial sich erstreckenden Abschnitten, wie von etwa 0,5 mm bis 5 mm, zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen abgewinkelten Kanten aufweisen. Die Mantelflächen 35U1 und 35U3 des ersten Mittelteilabschnitts 34U1 und der dritte Mittelteilabschnitt 34U3 an den äußeren Enden 40U1 und 42U1 kann gerundete Kanten E mit Radien von etwa 0,2 mm bis etwa 3 mm zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen abgewinkelten Kanten aufweisen. Die Innenflächen 40U2 und 42U2 der ersten und dritten Mittelteilabschnitte 34U1 und 34U3 und beide Stirnflächen 43U1 und 43U2 des zweiten Mittelteilabschnitts 34U2 können gerundete Kanten RO2 mit Radien bis ca. 0,5 mm zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen abgewinkelten Kanten aufweisen.
Der zweite Mittelteilabschnitt 34U2 weist eine im Allgemeinen zentrale Öffnung 44U2 auf, die sich in Längsrichtung hierdurch erstreckt. Die Öffnungen 44U1, 44U2 und 44U3 erstrecken sich in Längsrichtung teilweise (d. h., die Öffnungen 44U1 und 44U3) oder vollständig (d. h., Öffnung 44U2) hierdurch und sind in den jeweiligen Mittelteilabschnitten 34U1, 34U2 und 34U3 um die Achse A des Außenteils 24 zentriert. Der zweite Mittelteilabschnitt 34U2 kann an ein inneres Ende 40U2 des ersten Mittelteilabschnitts 34U1 und an ein inneres Ende 42U2 des dritten Mittelteilabschnitts 34U3 angrenzen. Die festen Abschnitte 45U1 und 45U2 der ersten und dritten Mittelteilabschnitte 34U1, 34U3 (wobei die zentralen Öffnungen 44U1 und 44U3 sich nicht erstrecken) sind im Allgemeinen zum Überbrücken entlang der Achse A zwischen dem Kolben 12 und der Pleuelstange 18 (d. h., sodass die Ränder der beiden Kolben 12 und Pleuelstange 18 direkt radial auswärts der festen Abschnitte 45U1 und 45U2 fallen, wodurch die festen Abschnitte 45U1 und 45U2 in den Bereichen der größten Belastung Unterstützung bereitstellen, während Gewichtsreduzierung in anderen Bereichen geringer Belastung über die Öffnungen 44U1, 44U2 und 44U3 erreicht wird.
27 und 28 stellen eine weitere Ausführungsform eines Kolbenbolzens 20V dar, der das Außenteil 24 und einen mehrteiligen Mittelteil 34V mit mehreren diskreten Mittelteilabschnitten beinhaltet. Das Außenteil 24 weist den Hohlraum 32 auf, der sich in Längsrichtung erstreckt und das erste Volumen V1 aufweist, wie oben mit Bezug auf 1 und 2 diskutiert. Die Gesamtlänge des Mittelteils 34V ist die Länge l2, die geringer als die Länge l des Außenteils 24 ist. Das Mittelteil 34V wird eingepresst oder anderweitig in den Hohlraum 32 eingesetzt. Das Mittelteil 34V beinhaltet mehrere diskrete Mittelteilabschnitte innerhalb des Hohlraums 32. Die mehrfachen diskreten Mittelteilabschnitte beinhalten einen ersten Mittelteilabschnitt 34V1 mit einer im Allgemeinen zylindrischen Außenfläche 35V1, die eine Schnittstelle mit der Innenfläche 37 des Hohlraums 32 bildet. Der erste Mittelteilabschnitt 34V1 weist eine erste Öffnung 44V1 auf, die sich hierdurch in Längsrichtung erstreckt. Die erste Öffnung 44V1 erstreckt sich längs durch den Mittelteilabschnitt 34V1 und ist im Mittelteilabschnitt 34V1 um die Achse A des Außenteils 24 zentriert. Ein zweiter Mittelteilabschnitt 34V2 und ein dritter Mittelteilabschnitt 34V3 sind in der ersten Öffnung 44V1 angeordnet und zueinander beabstandet, sodass sie sich nicht miteinander in Kontakt sind. Die zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2, 34V3 können als Stecker bezeichnet werden. Die äußeren Oberflächen 35V2 und 35V3 der zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2 und 34V3 bilden eine Schnittstelle mit einer Innenfläche 38V des ersten Mittelteilabschnitts 34V1 in der ersten Öffnung 44V1. Die zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2 und 34V3 können in den ersten Mittelteilabschnitt 34V1 eingepresst werden, oder der erste Mittelteilabschnitt 34V1 kann um die zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2, 34V3 eingeschrumpft werden. Des Weiteren könnten die zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2 und 34V3 jeweils eine im Wesentlichen zentrale Öffnung aufweisen, die sich hierdurch erstreckt, mit einem oder mehreren zusätzlichen Steckern darin angeordnet.
Die Mantelflächen 35V1, 35V2 und 35V3 der ersten, zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V1, 34V2 und 34V3 kann gerundete Kanten E mit Radien von etwa 0,2 mm bis etwa 3 mm zum Verringern von Spannungskonzentrationen im Vergleich zu scharfen abgewinkelten Kanten. Belastungen treten stattdessen allein aufgrund reiner Druckbelastung des Kolbenbolzens 20V auf oder durch Biegen des Außenteils 24. Die zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2 und 34V3 sind im Allgemeinen zum Überbrücken entlang der Achse A zwischen dem Kolben 12 und Pleuelstange 18 (d. h., dass sowohl der Kolben 12 und die Pleuelstange 18 direkt radial auswärts der zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2 und 34V3 fallen, wodurch die zweiten und dritten Mittelteilabschnitte 34V2 und 34V3 dadurch Unterstützung in den Bereichen der größten Belastung bereitstellen, während Gewichtsreduzierung in anderen Bereichen mit weniger Belastung über die Öffnung 44V1 erreicht wird.
In verschiedenen Ausführungsformen über nicht einschränkende Beispiele könnte der erste Mittelteilabschnitt 34V1 aus Aluminium oder Titan bestehen, und der zweite und dritte Mittelteilabschnitt 34V2 und 34V3 könnten aus Aluminium oder Titan bestehen. Alle Mittelteilabschnitte könnten beispielsweise aus Aluminium, alle Mittelteilabschnitt könnten aus Titan, der erste Mittelteilabschnitt könnte aus Aluminium und der zweite und dritte Mittelteilabschnitt könnte aus Titan oder der erste Mittelteilabschnitt könnte Titan und der zweite und dritte Mittelteilabschnitt könnte aus Aluminium bestehen.
Die hierin beschriebenen Mittelteile können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf Aluminium, Kohlenstofffaser, Titan oder Stahl oder Kombinationen von diesen Materialien. Das Außenteil 24 kann aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, ist jedoch im Allgemeinen aus Stahl. Je nach verwendetem Material für den Mittelteil können beliebige hierin beschriebene Kolbenbolzen 20–20V durch Extrudieren des Mittelteils, Blasen des Mittelteils aus Metallschaum, Gießen des Mittelteils, Sintern des Mittelteils aus Metallpulver oder dreidimensionales Drucken des Mittelteil hergestellt werden. Jedes beliebige Mittelteil kann in das Außenteil 24 durch Einpressen oder Aufschrumpfen eingesetzt werden. Alternativ kann das Außenteil 24 zum thermischen Ausdehnen aufgeheizt werden und das Mittelteil kann dann in den Hohlraum 32 eingesetzt werden und dann kann das Außenteil 24 abkühlen gelassen werden zum Einpassen auf dem Mittelteil. Andere geeignete Verfahren zum Einsetzen können verwendet werden.
Während die besten Arten zur Durchführung der zahlreichen Aspekte der vorliegenden Lehren im Detail geschildert wurden, werden diejenigen, die mit diesen Lehren vertraut sind, verschiedene alternative Aspekte zur Durchführung der gegenwärtigen Lehren erkennen, die zum Umfang der beigefügten Ansprüche gehören.

Claims

Anordnung umfassend: einen Kolbenbolzen beinhaltend: ein Außenteil mit einem Hohlraum, der sich in Längsrichtung hierdurch erstreckt; worin der Hohlraum ein erstes Volumen aufweist; und ein Mittelteil passend Außenteil im Hohlraum; worin das Mittelteil ein zweites Volumen kleiner als das erste Volumen aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, worin das Mittelteil mindestens teilweise eine erste Öffnung definiert, die sich in Längsrichtung durch mindestens einen Abschnitt des Mittelteils erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 2, worin: der Hohlraum zylindrisch mit einer inneren zylindrischen Oberfläche ist; das Mittelteil eine äußere zylindrische Oberfläche aufweist, die zur inneren zylindrischen Fläche des Außenteils passt; die Öffnung eine erste Öffnung ist; das Mittelteil mindestens teilweise eine zweite Öffnung definiert, die sich in Längsrichtung durch das Mittelteil erstreckt; und die erste Öffnung und die zweite Öffnung die einzigen Öffnungen im Mittelteil sind und in benachbarten Quadranten des Mittelteils angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 3, in Kombination mit einem Kolben, worin: der Kolben eine Bolzenbohrung aufweist; der Kolbenbolzen bezüglich des Kolbens in der Bolzenbohrung befestigt ist, dass die erste Öffnung und die zweite Öffnung in einer Hälfte des Mittelteils am nächsten zu einem Kronenabschnitt des Kolbens angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 2, worin die erste Öffnung eine zentrale Öffnung ist, die sich durch das Mittelteil erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 5, worin zusätzliche Öffnungen um die zentrale Öffnung beabstandet sind und sich in Längsrichtung durch das Mittelteil erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 1, worin: das Außenteil eine erste Länge aufweist; das Mittelteil eine zweite Länge kleiner als die erste Länge aufweist, sodass sich das Außenteil axial über den Mittelteil hinaus zu entgegengesetzten Enden des Mittelteils erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 1, worin das Mittelteil mehrere diskrete Mittelteilabschnitte, nebeneinander innerhalb des Hohlraums angeordnet, beinhaltet.
Anordnung nach Anspruch 8, worin der Hohlraum im Allgemeinen zylindrisch ist, und die mehreren diskreten Mittelteilabschnitt beinhalten: einen ersten Mittelteilabschnitt beinhaltend: eine im Allgemeinen zylindrische äußere Oberfläche, die eine Schnittstelle mit einer Innenfläche des Außenteils im Hohlraum bildet; eine erste Öffnung an einem äußeren Ende des ersten Mittelteilabschnitts, die sich teilweise hierdurch erstreckt; eine zweite Öffnung an einem inneren Ende des ersten Mittelteilabschnitts, die sich teilweise hierdurch zur ersten Öffnung erstreckt; und einen ersten Mittelteilabschnitt, der die ersten und zweiten Öffnungen trennt; einen zweiten Mittelteilabschnitt beinhaltend: eine im Allgemeinen zylindrische äußere Oberfläche, die eine Schnittstelle mit der Innenfläche des Außenteils im Hohlraum bildet; eine dritte Öffnung an einem äußeren Ende des zweiten Mittelteilabschnitts, die sich teilweise hierdurch erstreckt; eine vierte Öffnung an einem inneren Ende des zweiten Mittelteilabschnitts und sich teilweise hierdurch zur dritten Öffnung erstreckt; worin das innere Ende des ersten Mittelteilabschnitts Flächen des inneren Endes des zweiten Mittelteilabschnitts gegenüberliegt; und ein zweiter Mittelteilabschnitt die dritten und vierten Öffnungen trennt.
Anordnung nach Anspruch 8, worin der Hohlraum im Allgemeinen zylindrisch ist, und die mehreren diskreten Mittelteilabschnitte Folgendes beinhalten: einen ersten Mittelteilabschnitt mit einer im Allgemeinen zylindrischen äußeren Oberfläche, die eine Schnittstelle mit einer Innenfläche des Hohlraums bildet; worin der erste Mittelteilabschnitt eine erste Öffnung aufweist, die sich hierdurch in Längsrichtung erstreckt; einen zweiten Mittelteilabschnitt in der ersten Öffnung des ersten Mittelteilabschnitts; und einen dritten Mittelteilabschnitt in der ersten Öffnung des ersten Mittelteilabschnitts und beabstandet vom zweiten Mittelteilabschnitt.