CN101460714B - 长纤维热塑性复合材料的消声器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种消声器饰板组件，它包括消声器(200)，该消声器具有至少一个热塑性材料外壳，该热塑性材料外壳形成于机动车上的饰板组件(202)中。饰板可以为机动车的任意合适本体部分，例如保险杠、踏脚板、前扰流器、阻流板、侧栏板或本体模块。本发明的组件包括用于提供碰撞管理特征的结构部件，以便提高强度和抗冲击性。

Description

长纤维热塑性复合材料的消声器系统
技术领域
本发明涉及一种复合材料的消声器系统，该复合材料的消声器系统包括长纤维，以提供结构完整性。消声器可以模制成形，这使得它们能够用于机动车内的限定空间内，或者与饰板组合以形成部件，例如保险杠、踏脚板、前扰流器、阻流板、侧栏板和本体模块。
背景技术
发明内容
本发明涉及一种消声器饰板组件，它包括消声器，该消声器具有至少一个热塑性塑料外壳，该热塑性塑料外壳形成于机动车的饰板组件中。饰板可以是机动车的任意合适的本体部件，例如保险杠、踏脚板、前扰流器、阻流板、侧栏板或本体模块。本发明的组件包括用于提供增大的强度和抗冲击性的结构部件。根据本发明，长纤维热塑性材料和模铸还可以与预制件的覆盖模制组合，该预制件具有单向、不定向或织物镶嵌件，它提供局部结构性能。使用这样的预制件特别适合用于制造高温结构物品，例如保险杠消声器的组合。
用于本发明的复合材料消声器的长纤维热塑性材料的模制能够用于复杂的几何形状和部件的整合，从而减少了装配步骤，并成形为做为单独单元，或者集成在其它车辆部件例如保险杠系统、前扰流器、轮室、踏脚板等中与车辆的设计空间匹配，从而使包装空间减小，并与现有技术的方法相比具有更好的经济性，并提高了性能。长纤维热塑性塑料与填充系统的组合以及与集成气流促进特征的附加组合将能够降低表面温度，这进一步减少了对热屏蔽的需要(通常在小汽车中需要热屏蔽)，还减少了包装空间。还可以结合有其它特征，例如物体下部保护功能和安装在小汽车本体上的特征。
使用基于长纤维热塑性塑料的物品将能够使用一定范围的模制技术，例如以长纤维热塑性小球作为输入的注射模制和压缩模制。还可以使用各种小球的直接混合或者预混合板的压缩模制，该预混合板使用任意纤维或基于织物纤维和杂合物的板。纤维通常基于玻璃，但是也可选择为碳、矿物、天然物、钢、铜、其它金属或合成纤维例如芳族聚氨酯。
使用长纤维热塑性材料能够制造复杂设计的零件，并且能够使用各种消声器外壳连接方法。具有长纤维热塑性材料的设计特别适合部件的堆垛装配，从而能够具有更高效率，并可以自动装配。
根据本发明的第一方面，提供了一种消声器组件，它作为机动车部件的一部分，该机动车部件为例如保险杠、踏脚板、前扰流器或侧栏板。消声器具有外壳，该外壳由长纤维热塑性合成材料形成，它可以形成部件的一部分，或者形成为与该部件的外部饰板相符。也就是，消声器可以为与它所连接的部件分开的元件，或者消声器形成为该部件的整体部分。多孔管可以包括开口，该开口通过从管上完全除去很小金属部分而形成。也可选择，多孔管可以包括有天窗的管，其中，开口通过使管的很小部分进行切割和随后向外弯曲而形成。尽管图中为了简单表示了通过管的平直流，但是该管可以包括弯曲部分，以便在消声器组件中形成S曲线或其它复杂曲线。
消声器还包括多孔管，用于接收排气，且纤维材料布置在外壳中并位于多孔管和外壳之间。纤维材料可以由分别装入第一和第二外壳部分中的多个材料预制件形成。也可选择，纤维材料可以包括松散或袋装的“有纹理”羊毛型产品，该产品布置在外壳的内部空腔中。还考虑纤维材料可以为卷绕在多孔管周围或者以其它方式填充外壳的内部空腔的垫产品。还考虑可以使用这些填充技术的组合。例如，垫产品可以安装在外壳内，以便用作第二隔热和隔离空气部分，同时第一隔离是安装在垫和管之间的预制件或“有纹理”羊毛的形式。
消声器组件还可以包括位于消声器外壳和排气管之间的热屏蔽件。它还可以包括至少一个衬套，用于将多孔管的一部分保持在外壳内。衬套可以用于多个任务，包括用作散热器，以便降低管的温度；作为振动吸收器，以便减小从发动机传递给消声器外壳的物理应力；或者作为结构增强件，它用作机动车碰撞管理系统的一部分。消声器的主体通常具有前部表面、后部表面、上部表面和下部表面。主体的一部分可以限定消声器的外壳的至少一部分以及机动车的饰板或美观表面。
附图说明
用于进一步理解本发明且包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图表示本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1A是本发明的消声器沿图1中的线A-A的局部剖视图。
图2是本发明的热塑性塑料消声器的分解透视图。
图2A是沿图2中的线A-A的剖视图。
图2B是图2的消声器的相对侧的详细透视图。
图3是本发明的热塑性塑料消声器的分解透视图。
图4是本发明的消声器和整体形成的冲击部件的剖视图。
图5是本发明的消声器外壳的透视图，显示了可选的绝热覆盖层。
图6是本发明的商用卡车的透视图，显示了可选的水平和垂直消声器组件。
图7是直接混合长纤维热塑性塑料挤出器的平面图，该挤出器用于制造本发明的消声器。
具体实施方式
在图1中显示的本发明的长纤维热塑性复合材料消声器100包括第一和第二外壳112A和112B、多孔管114以及进口衬套116和出口衬套118，该进口衬套116和出口衬套118用于使得来自内燃机的排气通过孔120而与腔室110内部流体连通，然后通向大气。
如图1中所示，第一和第二外壳112A、112B可以成形为装配在车辆本体下面的空间中。折流板122可以包含在消声器100的腔室内。该折流板将外壳内部分离成离散区域，用于提高消声器的声学性能，并可以选择地被穿孔，以便允许在由折流板122形成的离散区域之间流体连通。腔室可以在多孔管114和消声器腔室110的内表面之间充满纤维吸收剂(未示出)。这样的吸收消声器通过声音吸收材料的声音吸收特征来高效地降低声能。如图1A中所示，衬套116可以成形为包括正弦形或其它形成的增大表面面积，用作散热器，以便在金属聚合物界面处使温度降低至合适水平。外壳112A、112B包括凸缘124A，用于接收衬套116的外边缘126。在边缘126和凸缘124A之间的连接可以包括密封件128，该密封件128优选是由柔性高温密封件形成，例如Viton(可由DuPont of Wilmington，Delaware，USA获得)或基于硅酮的密封剂。密封件128进一步降低了衬套116在边缘124A处的温度，提供了公差补偿和对不同热膨胀系数的补偿。密封件128可以布置在衬套116上作为单个环，或者可以模制在消声器外壳中。尽管表示了矩形凸缘124A，但是界面可以有能够提供密封和定位的任意合适几何形状。衬套界面的几何形状通常为垂直于排气管的圆形，但是也可以有其它形状或位置。
如图1中所示，第一外壳112A优选是包括在消声器100的进口端处的凸缘124A以及在消声器的出口端处的第二凸缘(未示出)。第二外壳114B优选是包括在消声器100的进口端处的凸缘124B和在消声器的出口端处的第二凸缘130。根据本发明实施例，第一外壳112A可以包括模制凸缘132A，第二外壳112B可以包括模制凸缘132B，以便接收折流板122的外边缘。模制凸缘132A、132B可以包括与密封件128类似的密封件(未示出)。消声器100可以包括在消声器100的前边缘上的空气引导件136，以便增加朝向衬套116的气流。增加的气流和冷却优选是在上游衬套116处，因为上游衬套116与衬套118相比更靠近发动机，因此在更高温度下工作。散热器117可以选择地添加在排气管114上并在消声器100的外侧，以便降低衬套116处的温度。
根据本发明，消声器100装配成包括多孔管114和折流板122。外壳112A、112B合拢在一起，从而使边缘134A、134B接触。然后，边缘134A、134B可以通过各种方法粘接，例如热粘接、超声波焊接、激光焊接和粘接剂粘接，或者可以通过卡扣机构或多个挂钩而机械连接。
装配后的消声器100可以具有空腔110，该空腔110通过本领域技术人员已知的任意多个方法而充装有纤维隔热和隔音材料(未示出)。例如，在直接充装方法中，由美国专利No.5976453和4569471可知，通过增压空气来分离多个细丝或使多个细丝形成纹理，以在外壳112A和112B中形成松散羊毛型产品。消声器100可以包括：口142，用于接收隔离材料；以及帽142，用于密封该口142。帽142可以通过任意合适的方法(例如化学粘接、焊接或机械安装)而固定在口上。用于安装隔离材料的另一合适方法是包括预先形成的纤维隔离材料插入件，它在装配过程中布置在空腔110内。用于形成该预制件的方法和装置在美国专利No.5766541和5976453中公开。
一种合适的吸收消声器是玻璃纤维插入件。优选是，股线为具有相对较高抗热降解性的玻璃纤维，例如A玻璃、标准E玻璃、S玻璃、T玻璃、ECR玻璃、ADVANTEX(钙-铝-硅酸盐玻璃)、ZENTRONTM玻璃或者具有合适强度和热特性的任意其它填料组分，以便承受在消声器中固有的热和物理应力。纤维材料可以包括第一和第二纤维材料预制件，该第一和第二纤维材料预制件分别装入第一和第二外壳部件中。也可选择，纤维材料可以包括松散或袋装的松软、羊毛型产品，该产品布置在外壳的内部空腔中。还考虑纤维材料可以包括卷绕在多孔管周围或者以其它方式填充外壳的内部空腔的垫产品。
还考虑陶瓷纤维材料可以用于代替玻璃纤维材料来填充外壳112A、112B。陶瓷纤维在连续时可以直接填充至外壳中，或者用于形成预制件，该预制件随后置于外壳112A、112B中。还考虑预制件可以由不连续玻璃纤维产品来制造，该不连续玻璃纤维产品通过用于制造在住宅和商业用途中作为绝热材料的玻璃纤维的矿物棉纤维处理或纺纱处理而制成。还考虑不锈钢可以卷绕在多孔管114周围，或者制成为圆柱形预制件，然后在管114插入到外壳内之前在该管114上滑动。另外还考虑E玻璃针毡垫制成为圆柱形预制件，并在多孔管114上滑动。一层不锈钢可以布置在针毡垫预制件和多孔管114之间。
如图2中所示，本发明的消声器-保险杠组件200可以包括至少保险杠饰板202，该保险杠饰板202由长纤维热塑料材料或标准汽车饰板材料(例如板模制化合物或块模制化合物)形成。饰板202提供了空腔，该空腔封装排气管204和衬套210A、210B。进口衬套210A和出口衬套210B可以成形为包括正弦形或其它形状，以便增大表面面积，从而用作散热器。如上所述，饰板可以包括凸缘(未示出)，以便接收衬套210。在饰板202和衬套210之间的连接优选是包括凸缘(未示出)和柔性高温密封件(未示出)。排气管206可以包括：柔性连接件208，用于隔离来自发动机的振动和噪音；以及排气尾管212，用于使排气通向大气。
在本发明的一个实施例中，衬套210A、210B和内部消声器折流板216可以形成波纹形，以便用作能量吸收皱褶部件，从而满足保险杠的碰撞要求。消声器组件还可以包括空气引导件214。空气引导件214增加了流过消声器组件200的空气，从而降低了组件的温度。
图2A显示了保险杠消声器组件200沿线A-A的组件剖视图，其中，排气管204和内部折流板216向保险杠消声器组件200提供了结构完整性。该组件包括：第一外壳202，该第一外壳202用作机动车的饰板；以及第二外壳214。组件200还包括第一纤维预制件215B和第二纤维预制件215B。它还包括纤维垫217，以便在管204和第一外壳202之间提供附加绝热，垫217可以有利地防止饰板上起泡，或者限制在保险杠200上的热点，其中，该保险杠200可能与承载在行李箱上的个人的腿接触。图中还显示了镶嵌物207，以便增强外部肋图形205处的区域。镶嵌物207可以布置在用于形成外壳202的模具中。镶嵌物207为外壳的至少一部分提供了附加强度。镶嵌物207可以为纺织或无纺纤维增强件的形式。
图2B显示了第一外壳202的透视图，该第一外壳202包括外部肋图形205，用于增强外壳和(因此)消声器组件的结构完整性和抗冲击强度。
如图3中所示，根据本发明的消声器-保险杠组件230可以包括至少保险杠饰板240，该保险杠饰板240由长纤维热塑性材料或标准汽车饰板材料(例如板模制化合物或块模制化合物)形成。饰板240通常提供了非结构性的、美观的表面。消声器232由排气管234来供给，并通过排气尾管236使排气通向大气。该结构可以与上面所述类似，或者消声器组件232可以悬挂在结构性保险杠部件238上。图3A显示了保险杠消声器组件230的剖视图，其中，排气管234和消声器232悬挂在结构性冲击部件234上。消声器组件230可以任选地形成有空气引导件(未示出)，该空气引导件可以与消声器232一体地模制，或者可以是单独形成的零件。
图4显示了本发明的消声器组件250，其中，结构性冲击部件252和消声器256被模制形成，随后安装排气管254。饰板258可以由任意合适材料形成，因为几乎不需要强度。消声器组件250可以任选地形成有成一体模制成的空气引导件260。尽管在图4中消声器256显示为与冲击部件252整体模制，但是同样可以使消声器组件256形成为单独单元，用于随后与冲击部件252连接。如图2A和2B所示，还可以形成消声器组件200，这样，排气管204形成冲击部件。
如图5所示，由玻璃纤维或其它合适的高温隔音和隔热材料形成的垫150可以布置在外壳112B(以及相对的外壳112A(未示出))的内表面处。垫150用作气流扩散器，以避免热点，并提供均匀的温度负载分布。垫可以包括薄金属反射或其它热保护薄膜。垫150可以通过模制在外壳中的特征、通过粘接剂或通过插入纤维绝缘体152(如图5B所示)而固定在外壳112B上。
如图6所示，商用卡车可以包括本发明的消声器，该消声器成侧板或踏脚板组件282的形式，或者作为前扰流器或阻流板284。
对于本发明，术语长纤维热塑性材料是包括比4.5mm长的初始玻璃纤维输入的材料。有多种形成长纤维热塑性塑料的方法，两种最普通的方法是压丸和直接混合。在直接混合中，粗纱用作输入，且初始玻璃输入在纤维与聚合物熔融物混合的过程中被剁碎成一定长度。优选地，长纤维热塑性材料具有材料的至少5％重量的玻璃纤维部分，且在模制产品中，该材料的5％重量的玻璃纤维部分的平均长度/直径比(L/D)大于35。
用于制备长纤维热塑性材料的一种合适方法是所谓的丝线涂覆方法，如美国专利No.5972503(标题是“Chemical Treatments for Fibersand Wire-Coated Composite Strands for Molding Fiber-ReinforcedThermoplastic Composite Articles”)中所述。在丝线涂覆方法中，丝线涂覆器通过普通的挤出器来供给熔融聚合物材料，以便嵌入预浸渍玻璃股线。丝线涂覆器包括模具，该模具具有出口开口，用于把鞘成形为具有合适的厚度和/或截面。嵌入的股线然后被切断至预定长度。
另一合适的方法是直接混合方法，其中，玻璃粗纱添加至预熔融热塑性化合物中。在直接混合方法中，如图7中所示，热塑性树脂(优选是小球形式)从树脂供给源14提供给树脂第一挤出器12。树脂可以是对于预定产品目标可接受的任意热塑性树脂，例如尼龙、热塑性聚氨酯和聚酯。熔融螺旋传送器16在挤出器10的熔融筒18中旋转。尽管熔融螺旋传送器16的剪切力可以提供足够的加热以便熔融和调节聚合物，但是熔融筒18也可以设有附加热源，如本领域已知的。
流量控制板20可以用在筒40的下游端，以便控制树脂15流出挤出器筒18和流入涂覆模具22。板20通常通过减小直径或通过其它方式约束筒18中的流动而限制树脂15的流动。涂覆模具22和与树脂15接触的任意装置都可以包括合适的热元件，以便使树脂保持合适温度。在涂覆模具中的压力可以由温度传感器来监测，该温度传感器向熔融螺旋传送器16的驱动马达17提供控制信号。
纤维卷筒24提供结构增强纤维26束的直接供给。纤维通过注射喷嘴28而被拉入涂覆模具22的涂覆腔室32中。纤维26然后与熔融聚合物材料15紧密混合，并且被熔融聚合物材料15涂覆。涂覆的纤维26然后通过可更换插入件30的模具孔36离开涂覆模具22。模具孔36的直径可以通过改变插入件30来调节，以便控制纤维26与树脂15的比例。
树脂15和纤维26的混合物离开涂覆模具22，且纤维26可以通过壳体54、56的切割腔室50中的刀片52而进行切割。树脂15和纤维26的混合物通过孔58离开腔室50进入挤出器60。挤出器60通常包括筒62，该筒62将树脂15和纤维26的混合物供给挤出模具64。供给螺旋传送器66在筒62中旋转，并可以任选地沿轴线72往复运动，以便将模制材料的供料通过孔63供给模具64的模制空腔68中。供给螺旋传送器66由动力单元70驱动。
在筒18、涂覆腔室32、切割腔室50和挤出器60中的温度可以通过由微处理器(未示出)控制的一个或多个加热元件和温度探针来进行控制。
合适的聚合物包括热塑性聚合物，例如聚酰胺(PA6、PA66、PA46、PA11、PA6.12、PA6.10&PA12)、聚芳酰胺、聚苯醚(PPE)和聚酰胺混合物、聚苯醚(PPE)和环氧树脂的混合物、聚醚酰亚胺(PEI)和它的混合物例如PEI/硅酮、聚醚砜(PES)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚苯硫醚(PPS)、间同立构聚苯乙烯(SPS)、液晶聚合物(LCP)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚1，1-二氟乙烯(PVDF)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、脂肪族聚酮(PK)、高热聚碳酸酯等级(例如Tough Z HR级，可由日本的IDEMITSU KOSAN获得)以及其它具有合适的机械、热和熔融流动特性的热塑性材料。另一类型的合适热塑性聚合物是所谓的陶瓷化热塑性聚合物，它可以形成为普通的热塑性聚合物，但是当加热时形成特性类似于陶瓷材料的材料。
上面已经总体和针对特殊实施例介绍了本发明申请。尽管已经介绍了认为是优选实施例的本发明，但是本领域技术人员已知的多种可选方式都可以在总体公开中选择。本发明除由后面所述的权利要求来限定外，不受其它的限制。

Claims (14)

1.一种抗冲击的纤维增强聚合物消声器(200)和机动车部件的组件，包括：
第一纤维增强热塑性聚合物外壳；
饰板(202)；
排气管(204)，用于运送排气通过所述聚合物外壳；
纤维耗散消声器；和
至少一个折流板，该折流板位于所述聚合物外壳内并与所述聚合物外壳和所述排气管接触；
其中所述至少一个折流板是能量吸收褶皱部件。
2.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述机动车部件从以下组中选择，该组包括：保险杠、踏脚板、前扰流器、阻流板、侧栏板和本体模块。
3.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述至少一个折流板为波纹形。
4.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述饰板和所述第一聚合物外壳进行连接，以在它们之间保持所述至少一个折流板，所述饰板、所述第一聚合物外壳和所述至少一个折流板形成单独的消声器腔室。
5.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，还包括纤维材料的垫，该纤维材料的垫位于所述至少一个折流板和所述第一聚合物外壳之间。
6.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，还包括纤维材料的垫，该纤维材料的垫位于所述至少一个折流板和所述饰板之间。
7.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，还包括增强镶嵌物，该增强镶嵌物模制在所述第一聚合物外壳中。
8.根据权利要求1所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，还包括第二纤维增强热塑性聚合物外壳，
其中，所述至少一个折流板布置在所述第一和第二聚合物外壳中，并且与所述第一聚合物外壳、所述第二聚合物外壳和所述排气管接触。
9.根据权利要求8所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述纤维增强热塑性聚合物外壳的至少5％重量的玻璃纤维部分具有大于35的平均长度/直径比(L/D)。
10.根据权利要求8所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述至少一个折流板为波纹形。
11.根据权利要求8所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述第一聚合物外壳和所述第二聚合物外壳进行连接，以将所述至少一个折流板保持在它们之间，所述第一和第二聚合物外壳和所述至少一个折流板形成单独的消声器腔室。
12.根据权利要求8所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，还包括纤维材料的垫，该纤维材料的垫位于所述至少一个折流板和所述第二聚合物外壳之间。
13.根据权利要求8所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述第二聚合物外壳和所述饰板进行连接，以形成保险杠消声器组件。
14.根据权利要求8所述的抗冲击的纤维增强聚合物消声器和机动车部件的组件，其中：所述第一和第二聚合物外壳包括模制肋，所述饰板安装在所述第二聚合物外壳的所述模制肋上；以及
所述至少一个折流板在所述第一和第二聚合物外壳内形成多个能量吸收褶皱部件，所述多个能量吸收褶皱部件与所述第一聚合物外壳、所述第二聚合物外壳和所述排气管接触，所述能量吸收褶皱部件将所述消声器分离成离散的腔室。
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