CN101871377A - 用于旋转装置的可变频声音衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于旋转装置的可变频声音衰减器。具体地，提供了一种可旋转的声音衰减装置，包括：可绕第一轴线旋转的中心部分；从中心部分向外延伸的径向部分；和具有封闭的第一端和沿径向部分径向向外开口的第二端的腔室，该腔室限定了位于其中的第二轴线，该第二轴线具有到第一轴线的径向分量。活塞设置在腔室内，并可以响应于由中心部分和径向部分绕第一轴线的旋转而施加在活塞上的离心力，从而能够沿第二轴线运动到一个位置。偏置构件工作，以便限制活塞沿第二轴线的运动。四分之一波长腔室由腔室的第二开口端和活塞限定，具有由活塞沿腔室第二轴线的位置所限定的声音衰减长度。

Description

用于旋转装置的可变频声音衰减器
技术领域
本发明的示例性实施例涉及用于旋转装置的可变频噪声衰减，更具体地，涉及具有可变长度和体积的四分之一波长管。
背景技术
内燃发动机的应用(无论是固定的还是移动的)通常都需要有效的噪声、振动和声振粗糙度(“NVH”)工程设计来降低自然产生的声音频率。安装在内燃发动机中或与其相关联的旋转装置通常是这些噪声的共同来源。例如，风扇叶片或增压器叶轮这样的旋转部分可以产生在一定频率范围内变化的声音；该声音主要作为该部件旋转速度的函数。另外，旋转组件也可以在其经过固定物体时产生噪声。
与汽车内燃发动机相关联的发动机室内噪声和进气系统噪声是有效的NHV所关注的目标，这是因为期望给车辆操作者提供安静且舒适的驾驶体验的缘故。发动机产生的进气噪声取决于特定的发动机配置，并可以被气缸数、进气歧管的容积和形状、压力通风系统和进气转轮(intake runners)等因素所影响。通过使用发动机驱动的增压器或者废气驱动的涡轮增压器的进气压缩应用也可以是发动机室内噪声的重要来源。其他由发动机产生的发动机室内噪声可以源自使副机传动旋转、使相关附件和用于冷却发动机的风扇旋转。
四分之一波长管产生一定频率的抵消声波，抵消声波被微调至四分之一波长管四倍长的波长。四分之一波长管常常用来降低发动机进气系统产生的声音，但通常为固定长度，所以只限于处理特定频率。变化频率的噪声或若干不同阶次的噪声(例如，由可变速旋转部件产生的噪声)可能需要使用多个四分之一波长管或其他的声音衰减方案，这些方案可能很昂贵、难于封装并且效果有限。
因此需要提供一种声音衰减器，其类似于四分之一波长管，并且能衰减由旋转装置产生的变化的声音频率。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种可变频的声音衰减装置，其包括：可绕第一轴线旋转的中心部分；从所述中心部分向外延伸的径向部分；由所述径向部分限定的腔室，所述腔室具有封闭的第一端和沿所述径向部分向外开口的第二端，并且还具有由所述腔室限定的第二轴线，所述第二轴线具有径向分量。活塞布置在所述腔室中，并且可以响应于由所述中心部分和所述径向部分绕所述第一轴线的旋转施加在所述活塞上的离心力从而沿所述第二轴线运动。具有固定在腔室内的第一端和固定到活塞的第二端的偏置构件被配置为限制该活塞沿第二轴线的运动。可变长度的四分之一波长腔室由腔室、腔室的第二开口端、以及活塞限定，并且具有由活塞沿所述腔室第二轴线的位置所限定的可变频率的声音衰减长度。
本发明还提供了以下方案：
方案1：一种可变频的声音衰减装置，包括：
能够绕第一轴线旋转的中心部分；
从所述中心部分向外延伸的径向部分；
由所述径向部分限定的腔室，所述腔室具有封闭的第一端和沿所述径向部分向外开口的第二端；
由所述腔室限定的第二轴线，所述第二轴线还具有到所述第一轴线的径向分量；
设置在所述腔室内的活塞，所述活塞用来响应于由所述中心部分和所述径向部分绕所述第一轴线的旋转而施加在所述活塞上的离心力，从而沿所述第二轴线运动；
偏置构件，其具有固定在所述腔室内的第一端和固定到活塞的第二端，以便限制所述活塞沿所述第二轴线运动；和
由所述腔室、所述腔室的第二开口端和所述活塞限定的长度可变的四分之一波长腔室，所述腔室具有由活塞沿所述腔室第二轴线的位置所限定的可变频率的声音衰减长度。
方案2：如方案1所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述中心部分包括用于增压器的转子，并且所述径向部分包括了转子叶轮。
方案3：如方案2所述的可变频的声音衰减装置，进一步包括：
增压器壳体；
在所述增压器壳体中与所述腔室的第二开口端相邻的开口，其中所述腔室径向向内延伸，并轴向通过所述转子叶轮，其中所述第二开口端位于和所述增压器壳体上的开口相邻，以便衰减与所述开口相邻的噪声。
方案4：如方案3所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述增压器壳体中的开口包括燃烧空气进口。
方案5：如方案2所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述偏置构件包括具有非线性弹簧刚度的弹簧，以便作为所述转子和所述转子叶轮绕所述第一轴线的转速的函数来改变所述活塞的运动和所述四分之一波长腔室的声音频率衰减。
方案6：如方案2所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述偏置构件包括具有线性弹簧刚度的弹簧，以便以所述转子和所述转子叶轮绕所述第一轴线的第一转速所生成的第一频率，和以所述转子和所述转子叶轮绕所述第一轴线的第二转速所生成的第二频率来改变所述活塞的运动和四分之一波长腔室的声音频率衰减。
方案7：如方案2所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述转子包括多个转子叶轮。
方案8：如方案1所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述中心部分包括风扇毂，并且所述径向部分包括风扇叶片。
方案9：如方案8所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述腔室基本上轴向延伸穿过所述风扇叶片，且所述第二端开口向外，与所述风扇叶片的径向外侧尖端相邻。
方案10：如方案9所述的可变频的声音衰减装置，其中，偏置构件包括具有非线性弹簧刚度的弹簧，用来作为所述毂和所述风扇叶片绕所述第一轴线的转速的函数来改变所述活塞的运动和所述声音衰减腔室的声音频率衰减。
方案11：如方案9所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述偏置构件包括具有线性弹簧刚度的弹簧，以便以所述毂和所述风扇叶片绕所述第一轴线的第一转速产生的第一频率和以所述毂和所述风扇叶片绕所述第一轴线的第二转速产生的第二频率来改变所述活塞的运动和四分之一波长腔室的声音频率衰减。
方案12：如方案9所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述毂包括多个风扇叶片。
方案13：如方案9所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述腔室位于所述风扇叶片的前缘的邻近处。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点通过下面对实现本发明的最佳模式的详细描述并结合附图将变得显而易见。
附图说明
其他目标、特征、优点和细节仅作为示例呈现在下面的实施例的详细描述中，这些详细描述涉及附图，附图中：
图1是机动车辆发动机舱的平面示意图；
图2是汽车增压器的透视图；
图3是图2中增压器的交错的转子的透视图；
图4是图3中的一个转子的放大图；
图5是冷却风扇组件的透视图；
图6是图5中的冷却风扇组件的冷却风扇叶片处于第一操作模式中时的局部放大图；和
图7是图5中的冷却风扇组件的冷却风扇叶片处于第二操作模式中时的局部放大图。
具体实施方式
根据本发明的示例性实施例，图1示出了机动车辆12的发动机室内区域10。在不偏离本发明范围的情况下，内燃发动机14可以包括直列配置、V型配置、卧式/卧式对置配置或其他已知的配置之一。另外，内燃发动机14可以包括任何数量的气缸，例如通常用于宽广车辆应用范围的3、4、5、6、8、10或12个气缸。燃烧空气进气系统(总体上以16指示)包括：空气进气导管18、空气进气歧管20、以及图1所示配置中的增压器22，增压器22用于在燃烧空气被输送到进气歧管20之前对其进行压缩，从而增强内燃发动机14的性能。
冷却系统24配置为使例如水和乙二醇的混合物这样的冷却介质循环通过内燃发动机14，以便自其移除多余的热量。冷却系统通常包括冷却剂软管26，冷却剂软管26将冷却剂引导至散热器28并且还从散热器28回收冷却剂。散热器28通常与一个或多个冷却风扇30相关联，冷却风扇可以由发动机驱动或由电提供动力，并配置为强制空气流过散热器28的散热片(未示出)，从而将热量从流过其中的冷却介质移除。
现在参照图2和图3，在示例性实施例中增压器22可以是正排量式螺旋叶轮增压器(positive displacement，helical lobed supercharger)，其包括轴向延伸的壳体32，壳体32具有分别由周围壁36、上游端壁38和下游端壁40限定的内腔34。上游端壁38中的进入开口42将内腔34与来自燃烧空气进气系统16的进入空气源流体连通。出口开口44延伸穿过周围壁36，与轴向延伸的壳体32的下游端壁40相邻，并且将内腔34与图1中燃烧空气进气系统16的加压侧46连通。一对增压器转子48和50可旋转地安装在内腔34中，每个转子都具有多个径向延伸的具有相反螺旋角的部分或叶轮52和54。当装配在增压器壳体32的内腔34中时，转子叶轮52和54交错，以便和该壳体一起限定一系列的螺旋转子腔室(未示出)。在示出的示例性实施例中，径向延伸的转子叶轮52和54以相等但相反的螺旋角盘绕。转子叶轮52从进入开口42到出口开口44的盘绕方向是逆时针方向，而转子叶轮54的盘绕方向或螺旋变化方向则是顺时针的。发动机驱动轴(未示出)可以是皮带、链条或者齿轮驱动的，并且发动机驱动轴使增压器转子48、50在轴向延伸的中心部分或分别限定了转子轴线72和74的转子轴56和57上旋转。随着发动机速度的增加，增压器转子48、50的转速也会增加，从而通过进入开口42吸入燃烧进气空气的增加量。与进入开口42相关联的燃烧空气可能会经受压力脉动，该压力脉动是转子叶轮52、54快速转动时经过(index with)进入开口42而造成的。
在图3和图4详细示出的示例性实施例中，径向延伸的转子叶轮52和54在每个叶轮的至少一部分中包括径向向内延伸、并且沿腔室轴线62轴向延伸的中空部分或腔室58。腔室58可以沿着任何合适的促进转子48、50转动平衡的轴向向内路径。腔室58穿过开口60终止，开口60与空气进入开口42相邻，空气进入开口42和增压器壳体32的上游端壁38相关联。中空的增压器转子48、50可以使用成型后钻孔、熔模铸造、螺纹拉模铸造(helical pull die-casting)或其他合适的制造方法来生产，并且通常用金属合金、陶瓷或其他在高温高压环境下能够具有耐用性的合适材料来构造。转子叶轮腔室38有效地降低了转子叶轮52、54的转动惯量。
在示例性实施例中，图4中转子叶轮腔室58的轴线62包括相对于转子轴的轴线72、74的轴向分量和径向分量。活塞64被设置在每一个转子叶轮腔室58中，并且配置为在腔室里沿腔室轴线62运动。偏置构件(例如，弹簧66)被设置在每个活塞64的轴向内侧。弹簧在相邻于转子叶轮腔室58的封闭内端68处附接到转子叶轮52和54，并且附接到活塞64，以便在增压器工作时防止活塞64通过腔室开口60脱出。所述多个径向延伸的转子叶轮52、54，终止在开口60中的转子叶轮腔室58、和被偏置的活塞64相互协作以限定噪声衰减装置或四分之一波长管70。
在示例性实施例中，在内燃发动机14工作期间，发动机驱动的中心部分或转子轴56、57旋转增压器转子48和50以及相关的径向延伸的转子叶轮52和54。作为每个转子叶轮腔室58的轴线62中相对于转子轴56、57的轴线72、74的径向分量的结果，每个活塞64在叶轮腔室内随着转子的旋转将经受到向外方向的离心力。如图3和图4所示，作为径向向外方向的力的结果，活塞64会沿叶轮腔室轴线62朝向叶轮腔室58的开口60运动，并且抵抗弹簧66的偏置。
活塞运动的结果会缩短四分之一波长管70的长度(“L”)，导致基于发动机14的转速以及相关的增压器转子48和50的转速，能够可变的调整由四分之一波长管衰减的声音频率。更具体地，当转速增加时，所衰减的频率要比在低转速时所衰减的频率更高。这种变化允许有效地降低存在于增压器壳体32的进口处的压力脉动，因为该压力脉动基于增压器转子48、50的转速而变化。发动机14和增压器转子48、50转速的降低，以及随之发生的作用在活塞64上的惯性力的降低，会使弹簧66的偏置力将活塞64拉回到转子叶轮52、54的腔室58中，从而增加四分之一波长管70的长度“L”；从而再次导致基于发动机14的速度对所衰减的声音频率的可变调整。由于作用在活塞上的径向力与速度的平方是成比例的，所以需要具有非线性弹簧刚度的弹簧66来实现在一定发动机速度范围上的期望的微调特性。可替代地，如果需要衰减的声音频率仅有两个，那么弹簧66可以是线性的，并且可以使用沿着腔室58的长度定位在期望位置处的活塞止动件(未示出)，以便迅速地固定管的长度“L”。
至此，已结合用于内燃发动机的增压器的旋转转子叶轮的应用性描述了本发明的示例性实施例。应该理解，本发明还具有用于可变地降低由旋转装置所产生的声音频率的其他所设想的实施例。参看图5，示出了用于如图1所示的汽车应用中的风扇护罩组件72。在所示实施例中，风扇护罩组件72包括两个风扇30，两个风扇30安装成当由电动机82提供动力时绕风扇电动机轴线78旋转。在具有变化的负载和工作环境的许多车辆中，取决于必须从发动机移除的热能，电动机可以使风扇30以变化的速度旋转。当必须从发动机移除的热能很少或没有时，风扇可以低速运转或关掉，以便减少由风扇产生的噪音并节省能量。在具有发动机驱动的冷却风扇的车辆中，风扇的转速可以一直随发动机14的速度不断变化。
在工作时，风扇30可能是产生的声音的重要来源，特别是当所述多个径向延伸部分或风扇叶片84经过例如支撑支架86这样的固定部件时。在示例性实施例中，并且如在图6和图7中详细示出的那样，每个风扇叶片84的一部分(在本实施例中指的是叶片的前缘)限定了从相邻于中心部分的位置或风扇毂90径向延伸到相邻于风扇叶片尖端92的开口的腔室88。活塞94设置在每个腔室88内，并且配置为沿腔室轴线91在腔室88内轴向运动。偏置构件(例如，弹簧96)设置在每个腔室88内，位于每个活塞94的轴向内侧。每个弹簧96在相邻于中空腔室88的径向内端98处被附接到其相应的风扇叶片，以及被附接到活塞94，以便在风扇30绕风扇电机轴线78旋转时防止活塞从中空腔室88中脱出。选择弹簧96的弹性刚度，以便提供所期望的活塞94的保持和延伸，其对于实现对所期望的声音频率衰减(即，达到期望的四分之一波长微调)是必需的。风扇叶片84包括终止在风扇叶片尖端92相邻处的中空腔室88，还包括弹簧偏置的活塞94，由此风扇叶片84限定了噪声衰减装置，或四分之一波长管100。
当风扇30运转时，电动机82使中心部分或风扇毂90及相关联的多个径向部分或风扇叶片84绕风扇电动机的轴线78旋转。如图7所示，作为由风扇叶片84的旋转而产生的离心力的结果，活塞94会向抵抗弹簧96的偏置而朝向风扇叶片尖端92径向向外运动。活塞运动的结果将使每个四分之一波长管100的长度(“L”)缩短，导致可以根据风扇30的转速来可变地调节通过管来衰减的声音频率。这种变化可以有效地降低由风扇旋转产生的声音，这是因为该声音是基于风扇电动机82的转速而变化的。风扇30转速的降低以及作为结果施加在活塞94上的径向向外方向的离心力的降低会允许弹簧96的偏置力将活塞94拉回到中空腔室88中，从而增加图6中四分之一波长管100的长度(“L”)；从而再次对所衰减的声音频率进行可变的调整。由于作用在活塞64上的径向力与速度的平方是成比例的，所以需要具有非线性弹簧刚度的弹簧，用于在一定的转速范围上的特定微调特性。可替代地，如果需要衰减的声音频率仅有两个，那么弹簧66可以是线性的，并且可以使用沿着中空腔室88的长度置于期望位置处的活塞止动件(未示出)，以便迅速地固定管的长度“L”。
尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本发明范围的情况下，可以实现各种更改以及可以用等同物替换其中的元件。另外，在不背离本发明的实质范围的情况下，可以为了使特殊情况或材料适应本发明的教导而实现许多修改。因此，本发明不是意图被限制于作为实施本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是，本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种可变频的声音衰减装置，包括：
能够绕第一轴线旋转的中心部分；
从所述中心部分向外延伸的径向部分；
由所述径向部分限定的腔室，所述腔室具有封闭的第一端和沿所述径向部分向外开口的第二端；
由所述腔室限定的第二轴线，所述第二轴线还具有到所述第一轴线的径向分量；
设置在所述腔室内的活塞，所述活塞用来响应于由所述中心部分和所述径向部分绕所述第一轴线的旋转而施加在所述活塞上的离心力，从而沿所述第二轴线运动；
偏置构件，其具有固定在所述腔室内的第一端和固定到活塞的第二端，以便限制所述活塞沿所述第二轴线运动；和
由所述腔室、所述腔室的第二开口端和所述活塞限定的长度可变的四分之一波长腔室，所述腔室具有由活塞沿所述腔室第二轴线的位置所限定的可变频率的声音衰减长度。
2.如权利要求1所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述中心部分包括用于增压器的转子，并且所述径向部分包括了转子叶轮。
3.如权利要求2所述的可变频的声音衰减装置，进一步包括：
增压器壳体；
在所述增压器壳体中与所述腔室的第二开口端相邻的开口，其中所述腔室径向向内延伸，并轴向通过所述转子叶轮，其中所述第二开口端位于和所述增压器壳体上的开口相邻，以便衰减与所述开口相邻的噪声。
4.如权利要求3所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述增压器壳体中的开口包括燃烧空气进口。
5.如权利要求2所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述偏置构件包括具有非线性弹簧刚度的弹簧，以便作为所述转子和所述转子叶轮绕所述第一轴线的转速的函数来改变所述活塞的运动和所述四分之一波长腔室的声音频率衰减。
6.如权利要求2所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述偏置构件包括具有线性弹簧刚度的弹簧，以便以所述转子和所述转子叶轮绕所述第一轴线的第一转速所生成的第一频率，和以所述转子和所述转子叶轮绕所述第一轴线的第二转速所生成的第二频率来改变所述活塞的运动和四分之一波长腔室的声音频率衰减。
7.如权利要求2所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述转子包括多个转子叶轮。
8.如权利要求1所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述中心部分包括风扇毂，并且所述径向部分包括风扇叶片。
9.如权利要求8所述的可变频的声音衰减装置，其中，所述腔室基本上轴向延伸穿过所述风扇叶片，且所述第二端开口向外，与所述风扇叶片的径向外侧尖端相邻。
10.如权利要求9所述的可变频的声音衰减装置，其中，偏置构件包括具有非线性弹簧刚度的弹簧，用来作为所述毂和所述风扇叶片绕所述第一轴线的转速的函数来改变所述活塞的运动和所述声音衰减腔室的声音频率衰减。
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