本发明提供由长纤维热塑性材料形成的复合消音器系统。长纤维 热塑性技术允许在较低的纤维负载下纤维维持足以提供结构强度的长 度。形成复合消音器系统的长纤维热塑性材料还提供增加的冲击强度 和抗蠕变性以及耐化学性和耐热性。用长纤维热塑性塑料模塑的消音 器与常规的短纤维基模塑制品相比，具有改进的尺寸稳定性。一种合 适的消音器结构是包括至少一个长纤维热塑性壳部分的多片消音器组 件。根据本发明，长纤维热塑性材料和模塑制品也可与将提供局部结 构性能的单方向的预成形体或织造嵌体(inlay)的重叠注塑结合。使用 这种预成形体尤其适合于在制造高温、结构制品，例如保险杠消音器 组合体中使用。
用于本发明复合消音器的长纤维热塑性模塑制品允许复杂的几何 形状和减少组装步骤的部件一体化，并作为单独的单元与车辆设计空 间相匹配的形状或者在其他车辆部件，例如保险杠系统、空气阻尼、 轮辋槽(wheel well)、嵌板和其他部件内一体化的形状，从而与现 有技术的方法相比，提供包装空间的减少和更好的经济性和改进的性 能。长纤维热塑性塑料和填充体系的结合以及另外与一体化的气流促 进特征结合将便于降低表面温度，这将进一步减少对防热层的需求以 及减少包装空间，而防热层是汽车中典型的。其他特征也可一体化， 例如车身底部保护功能和对车身的固定特征。
使用长纤维热塑性塑料基制品允许使用宽泛的各种模塑技术，例 如采用长纤维热塑性粒料作为供料的注塑和压塑等。还可使用粒料的 直接配混变通方案，或者使用基于织造纤维和混杂体(hybrid)的或者 无规纤维或者片材来压塑预配混的片材。纤维典型地是玻璃基纤维， 但可以是或者碳纤维、矿物纤维、天然纤维、钢纤维、铜纤维、其他 金属或合成纤维，例如芳族聚酰胺纤维。
使用长纤维热塑性材料允许制备复杂的设计细节和允许使用数个 消音器壳连接方法。具有长纤维热塑性材料的设计尤其适合于层叠组 装各部件，从而允许较高的效率和自动化组装的潜力。
根据本发明的第一方面，提供消音器组件作为机动车部件的一部 分，例如保险杠、嵌板、空气阻尼或边板。具有由长纤维热塑性复合 材料形成的外壳的消音器可形成部件的一部分，或者被形成以与这种 部件的外部横带相仿形。也就是说，消音器可以是独立于连接到其上 的部件的单独元件，或者作为该部件的整体的一部分形成。穿孔管道 可包括通过从管道中完全除去小的金属部分形成的开口。或者，穿孔 管道可包括放热口管道，其中通过切割和随后向外弯曲小部分该管道， 形成该开口。尽管为了简单起见，在图中示出了直接流过管道，但管 道可包括弯曲部分，在消音器组件内形成s-曲线或其他复杂曲线。
消音器进一步包括接收废气的穿孔管道，和在穿孔管道与外壳之 间的外壳内提供的纤维材料。该纤维材料可由分别在第一和第二壳部 分内接收的多种材料预成形体形成。或者，纤维材料可包括在外壳的 内部空腔内提供的松散或成袋(bagged)的“织构(texturized)”羊毛 类型的产品。还认为纤维材料可以是在穿孔管道周围包裹或者在其他 情况下填充外壳的内部空腔的毡片(mat)产品。还认为可使用这些填充 技术的结合。例如，毡片产品可安装在壳内以充当辅助加热和空气绝 缘部分，而主要的绝缘是预成形体或者在毡片和管道之间安装的“织 构”羊毛形式。
消音器组件可进一步包括位于消音器外壳和排气管之间的防热 层。它也可包括至少一个衬套用以保持一部分穿孔管道在外壳内。衬 套可执行数个任务，其中包括充当散热片降低管道温度，充当振动吸 收器降低由发动机传输到消音器壳上的物理应力，或者起到结构增强 作用，充当机动车碰撞(crash)管理系统的一部分。消音器典型地是具 有前部、后部、上部和下部表面的主体。一部分主体可确定消音器的 外壳以及机动车的横带或美学表面的至少一部分。
附图说明
为提供本发明进一步理解并引入和构成本说明书一部分而包括的 附图阐述了本发明的实施方案，它们和说明书一起起到解释本发明原 理的作用。在附图中：
图1是根据本发明的热塑性消音器的分解透视图。
图1A是沿着图1的线A-A获取的本发明消音器的部分截面。
图2是根据本发明的热塑性消音器的部分透视图。
图2A是沿着图2的线A-A获取的截面视图。
图2B是图2的消音器的相对侧面的详细透视图。
图3是根据本发明的热塑性消音器的分解透视图。
图4是根据本发明的消音器和一体形成的冲击元件的截面视图。
图5是根据本发明的消音器壳的透视图且示出了任选的保温层。
图6是显示根据本发明任选的水平和垂直消音器组件的商业卡车 的透视图。
图7是根据本发明制造消音器可用的直接配混长纤维热塑性挤出 机的平面视图。
具体实施方案
图1中示出了本发明的长纤维热塑性复合消音器100，它包括第一 和第二外壳112A和112B，多孔管道114和入口衬套(bushing)116和 出口衬套118以供借助孔隙120流体连通来自内燃机的废气与腔室 110的内部然后到达大气。
如图1所示，可成型第一和第二外壳112A、112B，以适配车身下 的空间。可在消音器100的腔室内包括挡声板(baffle)122。挡声板隔 开壳的内部成离散的区域并起到改进消音器声学性能的作用且可任选 地穿孔，以允许在由挡声板122形成的离散的区域之间流体连通。腔 室可在多孔管道114和消音器腔室110的内表面之间用纤维吸收剂(未 示出)填充。通过吸音材料的声音吸收特征，这种吸收消音器有效地降 低声能。如图1A所示，可使衬套116成型，以包括正弦或其他成形的 增加的表面积，在金属聚合物界面处充当散热片降低温度到合适的水 平。壳112A、112B包括凸缘124A，以接收衬套116的外部边缘126。 边缘126和凸缘124A之间的连接可包括密封件128，所述密封件128 优选由柔性高温密封件，例如Viton(获自duPont of Wilmington，Delaware，USA)或硅酮基密封剂形成。密封件128进一步 降低凸缘124A处衬套116的温度，提供耐受度补偿并弥补不同的热膨 胀系数。密封件128可作为单一的环形物置于衬套116上，或者可在 消音器壳内模塑。尽管示出了矩形凸缘124A，但界面可具有提供密封 和定位的任何合适的几何形状。衬套界面的几何形状典型地为与排气 管垂直的圆形，但也可以是其他形状或位置。
根据图1看出，第一壳112A优选包括在消音器100的入口端处的 凸缘124A和在消音器的出口端处的第二凸缘(未示出)。第二壳114B 优选包括在消音器100的入口端处的凸缘124B和在消音器的出口端处 的第二凸缘130。根据本发明的一个实施方案，第一壳112A可包括模 塑的凸缘132A和第二壳112B可包括模塑的凸缘132B，以接收挡声板 122的外部边缘。模塑的凸缘132A、132B可包括类似于密封件128的 密封件(未示出)。消音器100可包括在消音器100的前缘上的导气管 136以增加流向衬套116的气流。在上游的衬套116处增加的气流和 冷却是有益的，因为上游的衬套116更加接近于发动机，和因此在比 衬套118高的温度下操作。散热片117可任选地添加到消音器100外 部的排气管114上，以降低衬套116处的温度。
根据本发明，组装消音器100，以包括多孔管道114和挡声板122。 使壳112A、112B在一起，以便边缘134A、134B接触。然后可通过各 种方法，例如热粘结、超声焊接、激光焊接，和粘合剂粘结边缘134A、 134B，或者可通过卡扣机构或许多钩子机械连接。
组装的消音器100可具有通过本领域的技术人员已知的任何大量 方法用绝热和绝声纤维材料(未示出)填充的空腔110。例如，在直接 填充方法中，借助加压空气隔开或织构化的多根长丝在外壳112A、 112B内形成松散的羊毛类型产品，参见美国专利Nos.5976453和 4569471。消音器100可包括接收绝缘材料的端口142和密封端口142 的盖子142。可通过任何合适的方法，例如化学粘结、焊接或机械连 接，将盖子142固定到端口上。安装绝缘材料的另一合适的方法是包 括在组装过程中置于空腔110内的预成形的纤维绝缘插件。在美国专 利Nos.5766541和5976453中公开了形成这种预成形体的方法和装置。
一种合适的吸收消音器是纤维玻璃插件。绳股优选是具有相对高 抗热降解的玻璃纤维，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玻璃或具有合适的 强度和热性能以耐受消音器内固有的热和物理应力的任何其他填料组 合物。纤维材料可包括分别在第一和第二壳部分内接收的第一和第二 纤维材料预成形体。或者，纤维材料可包括在外壳的内部空腔中提供 的松散或成袋的起绒羊毛类型产品。还认为纤维材料可包括在穿孔管 道周围包裹或者在其他情况下填充外壳的内部空腔的织物产品。
还认为可使用陶瓷纤维材料替代玻璃纤维材料填充外壳112A、 112B。陶瓷纤维(若连续的话)可直接填充在壳内或者用于形成预成形 体，随后将所述预成形体置于壳112A、112B内。还认为可通过制备在 住宅和商业应用中用作绝热材料的玻璃纤维所使用的岩棉方法或者纺 丝(spinner)方法制备的不连续的玻璃纤维产品制备预成形体。进一步 认为可在多孔管114周围包裹不锈钢，或者将不锈钢制成圆柱形预成 形体，然后在管道114插入到外壳内之前在管道114上滑移(slip)。 另外认为E玻璃针刺毡片制成圆柱形预成形体，并在多孔管114上滑 移。可在针刺毡片预成形体和多孔管114之间提供不锈钢层。
如图2所示，本发明的消音器-保险杠组件200可至少包括由长 纤维热塑性材料或标准的机动车横带材料，例如片材模塑料或本体模 塑料形成的保险杠横带202。横带202提供空腔，所述空腔包封排气 管管道204和衬套210A、210B。可成型入口衬套210A和出口衬套210B， 包括正弦式或其他形式，以增加表面积，充当散热片。如上所述，横 带可包括凸缘(未示出)，以接收衬套210。在横带202和衬套210之 间的连接优选包括凸缘(未示出)和柔性高温密封件(未示出)。排气管 道206可包括柔性连接器208以隔离来自发动机和排放废气到大气中 的尾管212的振动与噪音。
在本发明的一个实施方案中，可使衬套210A、210B和内部消音器 挡声板216呈波纹状，充当能量吸收防撞压损部件，以满足保险杠的 碰撞要求。消音器组件也可包括导气管214。导气管214增加空气跨 过消音器组件200的流动，降低该组件的温度。
图2A示出了沿着A-A线获取的保险杠消音器组件200的组装截 面视图，其中排气管204和内部挡声板216提供给保险杠消音器组件 200结构完整性。该组件包括充当机动车横带的第一壳202，和第二壳 214。组件200还包括第一纤维预成形体215B和第二纤维预成形体 215B。还包括纤维毡片217，在管道204和第一壳202之间提供额外 的绝热，毡片217可有益于抑制在横带上的砂眼，或者限制在保险杠 200上的过热点，其中它可接触单独负载主干(trunk)的腿。还示出了 嵌体207，以增强在外部加固肋图案205处的区域。嵌体207可置于 形成壳202所使用的模具内。嵌体207提供至少一部分壳额外的强度。 嵌体207可以是织造或非织造纤维增强形式。
图2B示出了第一壳202的透视图，它包括外部加固肋图案205以 增加结构完整性和壳以及因此消音器组件的冲击强度。
如图3所示，本发明的消音器-保险杠组件230可至少包括由长 纤维热塑性材料或标准的机动车横带材料，例如片材模塑料或本体模 塑料形成的保险杠横带240。横带240典型地提供非结构的在美学上 令人愉悦的表面。通过排气管234喂入消音器232并通过尾管236排 放废气到大气中。该结构可类似于以上所述的那些，或者消音器组件 232可悬挂在结构保险杠部件238下面。图3A示出了保险杠消音器组 件230的截面，其中排气管234和消音器232悬挂在结构冲击部件234 下面。消音器组件230可任选地与导气管(未示出)一起形成，所述导 气管可与消音器232一起一体模塑或者可以是单独的形成件。
图4示出了根据本发明的消音器组件250，其中模塑结构冲击部件 252和消音器256，和随后安装排气管254。横带258可由任何合适的 材料形成，这是因为要求很少的强度。消音器组件250可任选地与导 气管260一起形成并一体模塑导气管260。尽管在图4中以具有冲击 部件252的单一的模塑制品形式示出了消音器256，但同样可作为单 独的单元形成消音器组件256以供随后与冲击部件252连接。如图2A 和图2B所示，也可形成消音器组件200，以便排气管204形成冲击部 件。
如图5所示，由玻璃纤维或其他合适的高温绝声和绝热材料形成 的毡片150可置于壳112B(以及相对的壳112A(未示出))内的内部表面 处。毡片150充当气流扩散器避免过热点并提供均匀的温度负载分布。 毡片可包括薄的金属反射或其他热防护膜。通过在壳内模塑的特征， 通过粘合剂或者通过插入纤维绝缘器152(图5B中未示出)，将毡片150 的毡材料固定到壳112B上。
如图6所示，商业卡车可包括边板或嵌板组件282形式或者作为 空气阻尼或扰流板284的本发明的消音器。
对于本发明的目的来说，术语长纤维热塑性材料是包含大于4.5mm 的起始玻璃纤维进料的材料。存在各种长纤维热塑性塑料的形成方法， 两种最常见的方法是造粒和直接配混。在直接配混中，使用粗纱作为 进料，并在纤维与聚合物熔体混合过程中短切起始的玻璃进料到一定 长度。优选地，在模塑产品内，占长玻璃纤维热塑性材料至少5％重量 ％的玻璃纤维部分的平均长度/直径之比(L/D)大于35。
制备长纤维热塑性材料的一种合适的方法是在标题为“Chemical Treatments for Fibers and Wire-Coated Composite Strands for Molding Fiber-Reinforced Thermoplastic Composite Articles(模 塑纤维增强的热塑性复合制品用的纤维和漆包线涂布的复合绳股的化 学处理)”的美国专利No.5972503中公开的所谓漆包线涂布。在漆包 线涂布工艺中，通过常规的挤出机，将漆包线涂布机喂以熔融的聚合 物材料，包覆预浸渍的玻璃绳股。漆包线涂布机包括具有引出口的模 头以供将鞘成型为所需的厚度和/或截面。然后可切割包覆的绳股到预 定长度。
另一合适的方法是直接配混方法，其中添加玻璃粗纱到预熔融的 热塑性配混料内。在直接配混工艺中，如图7所示，从树脂加料14 处提供热塑性树脂，优选粒料形式的热塑性树脂到树脂主挤出机12 中。该树脂可以是拟用于例如尼龙、热塑性聚氨酯和聚酯的产品目的 的任何各种可接受的热塑性树脂。熔融螺杆16在挤出机10的熔融机 筒18内旋转。尽管熔融螺杆16的剪切力可提供充足的热量熔融和调 节聚合物，但可提供具有额外热源的熔融机筒18，这是本领域已知的。
可在机筒40的下游端处使用流动控制板20，控制树脂15流出挤 出机机筒18并进入涂布模头22内。通过减少直径或者在其他情况下 限制在机筒18内的流动，板20典型地限制树脂15流动。涂布模头 22和与树脂15接触的任何装置可包括合适的热元件，以维持所需的 树脂温度。可通过压力传感器，监控在涂布模头内的压力，所述压力 传感器提供给熔融螺杆16的传动电动机17控制信号。
纤维轴24提供结构增强纤维束26直接喂料。通过注射喷嘴28将 纤维牵引到涂布模头22的涂布腔室32内。然后紧密地共混纤维26 并用熔融聚合物材料15涂布。涂布的纤维26然后经互换插件30的模 头孔隙36离开涂布模头22。可通过改变插件30，调节模头孔隙36 的直径，以控制纤维26与树脂15的比例。
树脂15，纤维26的混合物离开涂布模头22，并可通过在外壳54、 56内的切割腔室50中的刀片52，切割纤维26。树脂15和纤维26的 混合物借助孔隙58离开腔室50进入挤出机60内。挤出机60典型地 包括机筒62，所述机筒62将树脂15和纤维26的混合物喂入到挤出 模头64内。进料螺杆66在机筒62内旋转且可任选地沿着轴72往复， 将模塑材料原料经孔隙63喂入到模头64的膜腔68内。原料螺杆66 通过电源元件70驱动。
可通过一个或更多个加热元件，和温度探针控制的微处理器(未示 出)来控制在机筒18、涂布腔室32、切割腔室50和挤出机60内的温 度。
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和PA12)，芳族聚酰胺，聚苯醚(PPE)和聚酰胺 共混物，聚苯醚(PPE)和环氧树脂的共混物，聚醚酰亚胺(PEI)及其共 混物，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)，间规聚苯乙烯(SPS)，液晶聚合 物(LCP)，聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，热 塑性聚氨酯(TPU)，聚四氟乙烯(PTFE)，聚(偏氟乙烯)(PVDF)，聚醚酮 (PEK)，聚醚醚酮(PEEK)，脂族聚酮(PK)，高热聚碳酸酯等级(例如， Tough Z HR Grade，获自IDEMITSU KOSAN，日本)以及其他热塑性材 料具有合适的机械、热和熔体流动性能。另一组合适的热塑性聚合物 是所谓的可陶瓷化(ceramifiable)热塑性聚合物，它可以以常规的 热塑性聚合物形式形成，但当加热时形成类似于陶瓷材料性能的材料。
以上一般地且针对具体实施方案描述了本申请的发明。尽管以认 为优选实施方案的形式列出了本发明，但可在一般公开内容中选择本 领域的技术人员已知的宽泛的各种替代品。在其他情况下不限制本发 明，除非在以下列出的权利要求中予以限定。