CN100394017C - 用噪声隔离复合材料制成的发动机进气歧管管壳 - Google Patents

Abstract

一种共注射成型的进气歧管管壳，包括由一吸声或隔声芯隔开的内外表皮层。每一表皮层由聚酰胺树脂构成，该聚酰胺树脂可选地包括加强玻璃纤维和高比重填料如硫酸钡或钨。该吸声芯由呈泡沫结构的高密度材料如聚酰胺树脂构成。表皮层设置有多个允许在适合增大噪声传输损耗的预定部位上分布局部集中质量的鼓包。还提供了一种厚度不均匀的单层进气歧管管壳。该单层进气歧管管壳的厚度在振幅较大的预定噪声源上较厚，使得标称厚度的进气歧管管壳的噪声衰减最大。

Description

用噪声隔离复合材料制成的发动机进气歧管管壳

技术领域

本发明涉及限制空气传播和结构传播的声波传输的声音衰减系统，更具体地说，涉及一种结合有大大降低由发动机造成的噪声的组成成份上的和结构上的特征的进气歧管管壳。

背景技术

减小车辆重量和成本的持续不断的努力导致汽车制造用替代材料取代金属部件。塑料进气歧管就是这种趋势的一个例子。这些进气歧管的成本和重量降低，从而在燃油效率提高的同时制造成本降低。当今卖给原始设备制造商的进气歧管分成若干特征种类。通常考虑的重要的特征包括成本、温度性能、外观、可回收性方面和降低噪声的性能。

尽管进气歧管使用了如尼龙的材料，但满足汽车要求的这类努力存在制造和性能的问题；低成本噪声衰减进气歧管尚有很大改进余地。由于使用塑料部件而发出的紧迫噪声(imminent noise)增大，大多数发动机系统要求作为独立部件使用进气歧管或隔音件。用于隔音件的常用材料为通常加工在塑料壳体上的聚胺酯、泡沫和纤维填料。这一切都要求使用后注射成型工艺，因此成本提高。此外，这类隔音件提供的噪声衰减效果不令人满意。

通常，上述类型的进气歧管通过提高进气歧管管壳的表面密度来降低噪声。在确定噪声源的情况下，则加上加强肋或增加进气歧管管壳的质量。

没有人采用将噪声屏蔽功能结合到塑料部件本身中的方法，例如用共注射(co-injection)成型工艺和振动焊接在降低成本的同时提高噪声降低性能。在进气歧管管壳的制作中也未使用优良的声音传输损耗材料。

因此，在本领域中，需要有一种进气歧管，这种进气歧管具有紧凑的重量轻的结构，和改进的噪声吸收和衰减性能，这些因素一起起作用，从而高度可靠、经济地降低发动机噪声。

发明内容

本发明提供一种改进的进气歧管管壳，这种进气歧管管壳以低成本提供了大大改进的降噪性能。具有优良声音传输损耗性的材料与一种特别适合于提供提高的吸声性和优良的声音传输损耗性的隔音结构相结合。

在一实施例中，本发明提供一种共注射成型进气歧管管壳，包括由一吸声芯隔开的一外层和一内层。各外层由聚酰胺树脂制成。最好是，该聚酰胺树脂含有加强玻璃纤维和矿物填料如硫酸钡。内层由具有泡沫结构的低密度、高阻尼材料或离散的高密度材料如用加强玻璃纤维和用矿物填充的聚酰胺树脂制成。

可选地，这些内外层设有多个鼓包以在进气歧管管壳表面上的预定部位分布局部增大的芯厚度，这些部位选择成提高声音传输损耗。通过向局部鼓包处引入密度较高的材料以进一步提高声音传输损耗。

在另一实施例中，一双层进气歧管管壳包括由一空气芯隔开的内层和外层。

在另一实施例中，一单层进气歧管管壳由含有玻璃和矿物填料如硫酸钡的聚酰胺树脂或高阻尼碳毫微管(carbon nanotube)制成。可选地，该单层进气歧管管壳的厚度不均匀。为提高声音传输损耗，该厚度最好在从其上发出振幅较大噪声的预先选定的区域最大。

本发明将隔音和吸声技术结合在塑料结构中，从而在实现现有技术的节约空间、减轻重量和降低成本的同时减小总体噪声传输。

附图说明

通过参照以下详细说明和附图可更充分理解本发明和清楚看出其它优点，附图中：

图1为示出一常见进气歧管管壳结构的透视图；

图2为一共注射成型进气歧管管壳的剖面图；

图3为一设有一鼓包的共注射成型进气歧管管壳的剖面图；以及

图4为一有一空气芯的双层进气歧管管壳的剖面图。

具体实施方式

用作汽车和消费工业的中隔音系统的声音衰减热塑材料具有某些随隔音材料的刚性和密度而变的声学特性。隔音材料的一个重要声学特性是其声音传输损耗(STL)。STL决定着材料衰减无用噪声的效率。因此，隔音板是一种当声波通过其传播时造成声波损失能量的材料，声音传输损耗就是作为声音在该材料中传播的一个结果的失去的该部分能量。一般来说，STL越高意味着隔音材料的噪声衰减性能越好。

尽管没有具体的理论进行界定，但传输损耗系数定义成：

$\mathrm{\τ}={\left(\frac{P_t}{P_i}\right)}^2---\left(1\right)$

其中：P_t＝传输声功率

P_i＝入射声功率

在一特定频带中的声音传输损耗为空气传播的入射声功率与传输声功率之比的常用对数的10倍，用分贝表示：

STL＝10log 1/τ(2)

比方说应用于一板的降低噪声的通用方法包括：或是增加该板的表面密度，或是在噪声源确定的情况下在该板的基本上整个表面上均匀地增加加强肋或质量。为了提高一用这类材料制成并用作隔音板的单(层)的板或隔音件的声音传输损耗性，必须增加其表面质量。

这一点按照如下经验的质量定律等式实现：

STL＝20log₁₀ρ_s+20logf-C(3)

其中：ρ_s＝隔音板的表面密度(kg/m²)

f＝频率(Hz)

C＝常数(使用上述单位时为47.2)

STL＝声音传输损耗(dB)

一典型单板STL曲线界定各频率范围及其对传输损耗的影响。STL性能可分成如下三个控制区：

1、刚度和共振控制区-小于200Hz；

2、质量控制区(质量定律)-介于200Hz与临界频率之间，该临界频率根据下文等式4设定的参数约为5000Hz至20,000Hz；

3、声波重合(在临界频率上)和刚度控制区-大于临界频率。

表面质量的增加会使临界频率下移。在该频率上，入射声波与板中的弯曲波耦合，从而增加隔音板的运动，该运动然后传到另一边。这一现象造成声音传输损耗下降，从而造成上述STL曲线下降。下降的临界频率减小该材料的应用的有效范围。

均质隔音板的临界频率由下式给出：

$f_c=\frac{c^2}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{B}}=\frac{c^2}{1.8t}\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{E}\right)---\left(4\right)$

其中，

c＝声音在传播介质中的速度(m/sec)

ρs＝隔音板的表面密度(kg/m²)

B＝隔音板的每单位宽度的抗弯刚度N-m＝Et³/12

E＝隔音板的杨氏模量/弹性模量(N/m²)

ρ_m＝隔音板的体积密度(kg/m³)

不必增加“质量”就大大提高STL性能的一种方法是使用双壁隔音板结构。噪声、振动和(不)平顺性(NVH)技术领域的新近进展表明，与单板相比，用气隙隔开的双层系统可提供非常好的噪声隔离特性。

本发明提供一种噪声降低性能优良的进气歧管管壳。我们发现，能通过进气歧管管壳提供优良噪声降低性能，该进气歧管管壳包括：

a)具有最佳密度和质量/厚度分布的厚度均匀的单层；

b)由一吸声芯(夹)层隔开的双层；

c)其上有分布最佳的集中质量的“局部突出”或“小型鼓包”的单层或夹层结构；以及

d)具有最佳分布的肋结构的单层结构。

发动机进气歧管管壳结构a)和b)分别按照“质量定律”理论和“双层”理论降低噪声。情况b)中的芯层为气泡、泡沫结构、高阻尼弹性体和/或高密度材料。可为吸声型材料的芯层材料用作一去耦器(decoupler)，因为它使两隔音壁互相分离或隔绝，从而有助于提高STL性能。情况c)通过把局部固有频率偏离输入的驱动频率域而降低噪声；通过增加集中质量降低该频率。情况d)通过使该局部区变硬而使频率偏移来降低噪声。分布的质量和气泡的位置和数量可根据要滤去的噪声的性质最佳化。

使用其上最佳分布有肋结构通过的单层结构使得局部固有频率偏离被确认为噪声如隆隆声、嘶嘶声和空气冲击声的频率分量来降低噪声。它们增加局部肋来降低频率；通过硬化局部区域来提高频率。

在来自Honeywell的夹有6mm气隙的Capron

8233尼龙6挤出片材上进行声音传输损耗(STL)行为测试。具有这一构造的结构表现出对声音衰减特性的大大提高。双壁系统只在该系统经受双壁共振后才表现出高性能。这种现象是因为当该板起由一弹簧或衬垫连接的两质量的作用时形成的双壁的质量-空气-质量共振。双壁共振频率由下式给出：

$f_{\mathrm{dw}}=\frac{k_3}{\sqrt{\mathrm{wd}}}\mathrm{Hz}---\left(5\right)$

其中：

w＝等效的表面密度＝w₁w₂/(w₁+w₂)

w₁w₂＝单个隔音壁的表面密度

d＝两隔音壁之间衬垫材料的厚度(假定衬垫材料的重量可忽略不计)

k₃＝常数

  ＝42，如w的单位为Kg/m²，并且d的单位为m

  ＝120，如w的单位为lb/ft²，并且d的单位为inch。

频率小于f_dw时，该双壁系统的行为和质量与两壁质量之和相等的单壁相同。因此，在该区域中，只要质量相同，双壁和单壁系统的性能相同。但是，在该频率上时，声音传输损耗下降到单板的声音传输损耗以下。如频率大于f_dw，两壁互相去耦，声音传输损耗在受到两壁中任一壁的临界频率的限制前大大提高(理论上18dB/倍频程)。因此，双壁系统的有效性在低频区中受到双壁共振频率、在高频时受到各壁的临界频率的限制。

在f_dw和(由隔开这两层的气隙或空腔的物理尺寸和形状造成的)空腔共振上，一具有吸声性的芯层可用作一耦合材料。该耦合材料可大大提高声音传输损耗并对质量-空气-质量(f_dw)和空腔共振起到阻尼作用。该耦合材料的吸声性造成声波振幅随距离衰减。传输与入射声压比的通解因此为(按照F.J.Fahy，Sound and Structural Vibration：Radiation，Transmission and Response-Academic，New York，1987)：

$\frac{{\tilde{P}}_t}{{\tilde{P}}_i}=-\frac{4j{\mathrm{\ω}}^3{{\mathrm{\ρ}}_0}^2\mathrm{c\γ}{\left(\sinh \mathrm{\γd}\right)}^{-1}}{{\mathrm{\γ}}^2{\tilde{a}}_1{\tilde{a}}_2-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ρ}}_{0}y({\tilde{a}}_1+{\tilde{a}}_2)\coth \mathrm{\γd}+{\mathrm{\ω}}_0^2{\mathrm{\ρ}}_0^2}---\left(6\right)$

其中

${\tilde{a}}_1=\mathrm{j\ω}({\tilde{z}}_1+{\mathrm{\ρ}}_{0}c)$

${\tilde{a}}_2=\mathrm{j\ω}({\tilde{z}}_2+{\mathrm{\ρ}}_{0}c)$

${\tilde{z}}_1=m_1(\mathrm{j\ω}+{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\ω}}_1)-j{s}_1/\mathrm{\ω}$

${\tilde{z}}_2=m_2(\mathrm{j\ω}+{\mathrm{\η}}_2{\mathrm{\ω}}_2)-j{s}_2/\mathrm{\ω}$

γ＝耦合器的传播常数

η_1，2＝该隔音结构的机械损耗因数

当耦合材料的衰减常数大时，这些层变成去耦。低频质量-空气-质量共振变得不明显。同样，该耦合器的声音吸收抑制空腔共振。按照Fahy的理论，最大声压传输比例为：

$\frac{{\tilde{P}}_t}{{\tilde{P}}_i}=-j\left(\frac{2{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{\mathrm{\ω}{m}_1}\right)\left(\frac{2{\mathrm{\ρ}}_{0}c}{\mathrm{\ω}{m}_2}\right)\left(\frac{K}{\mathrm{\β}}\right)\exp (-\mathrm{\αd})---\left(7\right)$

从而得出

$\mathrm{STL}=\mathrm{TL}\left(o_1{m}_1\right)+\mathrm{TL}\left(o_1{m}_2\right)+8.6\mathrm{\αd}+20\mathrm{lo}{g}_{10}\left(\frac{\mathrm{\β}}{K}\right)---\left(8\right)$

分量8.6αd(dB/m)与该吸声耦合器的传输损耗对应。

如前所述，提高隔音材料性能的可选方法之一是增加该材料的“质量”(或表面密度)。以上研究表明，隔音板的表面密度加倍则STL性能提高6dB。此外，表面密度再次加倍STL则性能提高12dB。这一方法由于发生重量和成本的增加从制造方面考虑是不实际的。除了质量增加以外，材料的临界频率降低，这是不希望的。为确立一基线，用Matlab release 11编写了一程序，以根据变动厚度和特性参数来从理论上计算和画出STL曲线。接着，选用其中添加有不同含量的硫酸钡填料的新开发的尼龙6的品种以计算和画出单质量结构和双质量结构的NVH性能与铝作比较。

为了了解比重和密度对性能的影响，选择Honeywell的Capron8267尼龙6(15％玻璃纤维和25％矿物)和Capron8233尼龙6(33％玻璃纤维)互相作比较并与铝作比较。结果表明，这两种材料的性能相当(比重变动不大)，但由于密度的影响比铝的性能低。

结果表明，STL性能由于新材料的该组成而大大提高。使用SAE J1400公式计算24”×24”片材的STL。结果发现，基于SAE J1400的计算结果基本上与理论入射场算出的曲线相符合。为进行关联，将实验结果散布在(intersperse)理论入射场算出的TL′s中。

对厚3mm的板进行STL测试。所测试样本分布如下：

样本编号	样本说明	所测数据表面重量：kg/m<sup>2</sup>(lb/ft<sup>2</sup>)
			1	基于XA2934尼龙6的聚合物：单壁	6.0(1.2)
2	基于XA2935尼龙6的聚合物：单壁	6.3(1.3)
			3	基于8233G HS BK 102尼龙6的聚合物：单壁	4.0(0.8)
4	基于8233G HS BK 102尼龙6的聚合物：双壁(由6mm气隙隔开的双壁)	8.0(1.6)

用表面重量为4.9kg/m²(1.0lb/ft²)的薄铅板计算SAE J1400中所引用的关联因数。用于(在一508mm×508mm或20英寸×20英寸开口上的)该测试的测量最低可用频带为(根据声源室和声音接收室之间的该开口的0.72m或2.36英尺的对角线)125Hz。

在声源室中6个扩音器位置进行测量和在声音接收室中离开样本100mm(4英寸)的一个位置上进行6次测量。

从这些样本获得的STL数据清楚表明，使用新材料获得的性能比使用比方说现有Capron

8233树脂材料提高，例如，把用Capron

8233树脂单片材和双壁结构获得的STL数据进行比较。结果清楚地表明双壁结构的性能优于单壁结构。使用一吸声芯层可消除临界频率在双壁系统的较低频率区域中下降。高比重CapronXA2935树脂已被证明具有高STL性能，具有6mm气隙的双壁结构可提供优越的STL性能。

共注射成型为一种在一模制件中生成一表皮和芯材料结构的工艺。首选把表皮材料注入模腔中，然后马上注入芯材料。随着表皮材料流入模腔，与模腔壁相邻的材料凝固，材料沿一中央通道向下流动。芯料流入时，通过向前推动表皮而使中央通道中的表皮材料移动。表皮材料一边在芯料前方流动，一边继续凝固在壁上，从而生成表皮层。

图1示出一普通进气歧管10的透视图。进气歧管10包括多个焊接成一组件的管壳；进气歧管10由多个流道12和增压室14构成。空气经节气门体颈部16流入增压室14后分配到各流道12中，所述流道12把空气供应给发动机汽缸(未示出)。

图2示出一共注射成型的多层进气歧管管壳20的剖视图。进气歧管管壳20包括外层22、吸声芯24和内层26。最好是，内层26和/或外层22包括聚酰胺树脂如尼龙树脂、高比重填料，可选的加强纤维和可选的弹性体。该聚酰胺最好包括尼龙6、尼龙6/6和尼龙6/66的至少之一。该高比重填料最好包括矿物和/或金属填料，更优选为硫酸钡和钨至少之一。该弹性体如存在的话，最好包括官能化的苯乙烯-丙烯共聚物、官能化的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(styrene-ethylene butadiene-styrenecopolymer)、和金属盐中和的乙烯-甲基丙烯酸二元和三元共聚物(ethylenemethylacrylic acid di-and ter-polymer)至少之一。该加强纤维如存在的话最好包括玻璃纤维、碳纤维和钢纤维的至少之一。最好是，聚酰胺如果存在的话的含量为约20％至约45％的重量百分比，高比重填料的含量为约40％至约70％的重量百分比。加强纤维的含量可上达约30％的重量百分比，弹性体的含量可上达约10％的重量百分比。一种被发现特别适用于内层26和/或外层22的聚酰胺树脂为含有玻璃纤维和矿物填料的Capron

XA2935树脂。最好是，该矿物填料的比重为4至20，例如硫酸钡或钨。在Capron

XA2935树脂中，硫酸钡的含量基本上为约53％的重量百分比，加强玻璃纤维的含量大致为约15％的重量百分比。芯24也可由呈泡沫结构的低密度材料如聚酰胺树脂构成。该泡沫结构在特性上可为开口泡或封闭泡，并通过将本领域公知的化学或物理发泡剂引入粒状或熔融状聚酰胺树脂中而制成。该泡沫的泡结构的平均直径范围为从一微米的数量级(即通过MuCell发泡工艺)到一厘米大。聚酰胺树脂发泡处理后密度减小范围为10％至70％。

最好是，芯24由高阻尼弹性体构成，例如市场上有售的能与聚酰胺树脂共注射成型的热塑弹性体和热塑聚胺酯。一种被证明特别适用于芯层的高阻尼弹性体为单独使用或与高阻尼“碳毫微管”结合使用的基于聚酰胺的Santoprene。

图3中总体用标号30所示的一包括外层32、吸声芯34和内层36的进气歧管管壳剖面可选地设有多个鼓包38，以在进气歧管管壳30上预定部位分布局部增大的芯厚度。进气歧管管壳30上的鼓包38的这一布置提高了质量效应。其位置选择成使得噪声传输损耗增加。通过把局部固有频率偏离输入的驱动频率域并通过增加集中质量以降低该频率而减小噪声。这些分布的质量或鼓包的位置和数量视要滤去的噪声的位置(locus)和振幅而最佳化。

图4示出本发明另一实施例。该图示出一进气歧管管壳的剖面图。一总体用40表示的双层进气歧管管壳包括由空气芯44隔开的聚酰胺树脂内层46和外层42。最好是，该气隙的厚度为约1至约25mm，聚酰胺树脂层中含有加强玻璃纤维和矿物填料。矿物填料最好为含量占该聚酰胺树脂成份的约40％至70％的重量百分比的硫酸钡。加强玻璃纤维的含量为该成份的约0至约30％的重量百分比。

在本发明另一实施例中，进气歧管管壳使用单层Capron

XA2935树脂来获得优良的噪声降低性能。进气歧管管壳的厚度也可不均匀。进气歧管管壳具有增大的厚度的部位位于预定区域上，从而通过质量效应的提高来提高噪声传输损耗。这些部位选择成使得在较大振幅传输点上的噪声衰减最大，从而使得在进气歧管管壳的基本上整个表面积上都具有提高的噪声传输损耗。较厚的进气歧管管壳部位的这一布置通过把局部固有频率偏离输入的驱动频率域并通过增加集中质量以降低该频率来减小噪声。对于重量、大小和厚度给定的进气歧管，可通过配适这些分布质量的位置和数量使得噪声衰减最佳。可经济地使用最少量材料制作出小型、轻质、高效、且工作非常可靠的进气歧管。

以上十分详细地说明了本发明，但本领域技术人员不难理解，本发明不必局限于这些细节，而是可在由后附权利要求书限定的本发明范围内作出种种改动和修正。

Claims (12)

1.一种多层的发动机进气歧管管壳，包括：

a、外层；

b、吸声芯；以及

c、内层，

其中，所述内层和所述外层的至少之一包括一种聚酰胺树脂，所述聚酰胺树脂包括高比重填料、加强玻璃纤维，其中，所述聚酰胺树脂还包括弹性体，所述弹性体包括官能化的乙烯-丙烯共聚物、官能化的苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物以及金属盐中和的乙烯-甲基丙烯酸二元和三元共聚物的至少之一。

2.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述弹性体在所述聚酰胺树脂中的含量上达10％的重量百分比。

3.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述填料包括一矿物和/或一金属填料。

4.按权利要求3所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述填料包括硫酸钡和钨的至少之一。

5.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述高比重填料在所述聚酰胺树脂中的含量为40％至70％的重量百分比。

6.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述加强玻璃纤维在所述聚酰胺树脂中的含量上达30％的重量百分比。

7.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述内层和所述外层的至少之一由包括聚酰胺树脂的组份形成，该聚酰胺树脂包括尼龙6、尼龙6/6和尼龙6/66至少之一。

8.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述芯包括一种高比重材料。

9.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述芯包括一种泡沫结构。

10.按权利要求9所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述泡沫结构包括一种发泡的聚酰胺树脂。

11.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述芯包括一种高阻尼弹性体。

12.按权利要求1所述的进气歧管管壳，其特征在于，所述各层设置有多个鼓包。

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