消声器、发动机及工程机械设备的制作方法

本发明涉及工程机械设备技术领域，尤其涉及一种消声器、发动机及工程机械设备。

背景技术：

发动机是工程机械的主要噪声源，其噪声由排气噪声与表面辐射噪声组成，而降低排气噪声最常见的措施是采用排气消声器。

目前，工程机械中使用较多的是抗性消声器或阻抗复合型消声器。上述消声器主要对排气噪声的某一宽频段噪声有效果，但很难有针对性地对发动机点火基频和倍频噪声进行消声。因此，如何改进消声器内部结构设计，使其能够有针对性地降低特定频段噪声，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种消声器、发动机及工程机械设备，此种消声器能够有针对性地消除特定频率点处的排气噪声。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种消声器，包括壳体、进气管和排气管，所述进气管和所述排气管设在所述壳体上，所述壳体内设有多个连通的消声腔，所述消声腔包括多个主消声腔，至少一个所述主消声腔具有串联连通的至少两个子腔，所述至少两个子腔包括：位于进气方向下游的第一子腔和位于进气方向上游的第二子腔，所述第一子腔仅与所述第二子腔连通，

所述第一子腔分隔为多个彼此气密隔离的空腔，每个所述空腔均通过所述第二子腔与所述进气管连通，所述排气管与所述第二子腔连通。

进一步地，至少两个所述空腔的体积和/或截面形状不同。

进一步地，所述第二子腔内设有多个穿孔管，多个所述穿孔管与所述空腔一一对应连通，各个所述空腔均通过相应的所述穿孔管与所述进气管连通。

进一步地，至少两个所述穿孔管具有不同的通径、高度和/或穿孔率。

进一步地，所述消声腔还包括位于所述主消声腔上游的进气腔，所述进气管通过所述进气腔与所述主消声腔连通，所述穿孔管的两端分别与所述进气腔和所述第一子腔连通。

进一步地，所述穿孔管的一端设有连通管，所述穿孔管与相应的空腔通过所述连通管实现连通。

进一步地，至少两个所述连通管的通径尺寸和/或长度不同。

进一步地，所述第一子腔和所述第二子腔沿着所述消声器的纵向排布。

进一步地，所述消声腔还包括位于所述主消声腔下游的排气腔，所述排气管贯穿所述排气腔和第一子腔与所述第二子腔连通，所述排气管与所述排气腔连通，且与所述第一子腔气密隔离。

进一步地，所述壳体包括内壳体和外壳体，所述内壳体上设有开口，在所述内壳体和所述外壳体之间设有第三穿孔管，所述第三穿孔管上布置有多个消声孔。

进一步地，所述外壳体与所述第三穿孔管之间有空隙。

进一步地，所述消声孔的通径尺寸从所述内壳体朝向所述外壳体逐渐增大。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种发动机，包括上述实施例所述的消声器。

为实现上述目的，本发明第三方面提供了一种工程机械设备，包括上述实施例所述的消声器和/或发动机。

基于上述技术方案，本发明的消声器，通过将主消声腔至少分隔为串联连通的第一子腔和第二子腔，第一子腔仅与第二子腔连通，且 第一子腔分隔为多个彼此气密隔离的空腔，将通过第二子腔进入各个空腔内的气体的传递路径隔断，每个空腔都作为一个共振消声单元的组成部分，当排气峰值频率与通过空腔配置出的消声单元消声频率接近时，就会在各个空腔内发生共振以消除噪声在该频率下的峰值，从而有针对性地对特定频率的噪声实现消声，同时各个空腔内的气体被阻挡后会再次返回第二子腔，气体在往复流通的过程中强化了消声效果。

在本发明的另一个实施例中，将此种消声器应用于发动机时，可以根据发动机的工作频率来配置消声器的各个参数，这样就能够有针对性地消除发动机点火基频和倍频处的噪声，以达到良好的消声降噪效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明消声器的一个实施例的外形结构示意图；

图2为图1所示消声器的A-A截面的剖视图；

图3为图2所示消声器的B处放大示意图；

图4为图2所示消声器的C-C截面剖视图；

图5为图2所示消声器的D-D截面剖视图；

图6为图2所示消声器中第三穿孔管的一个实施例的结构示意图；

图7为图2所示消声器中内壳体的一个实施例的结构示意图。

附图标记说明

1－进气管；2－排气管；3－第一端盖；4－内壳体；5－第二端盖；6－第一隔板；7－第三隔板；8－进气腔；9－主消声腔；10－排气腔；11－第二隔板；12－第二子腔；13－第一子腔；14－第一穿孔 管；15－第二穿孔管；16－连通管；17－分隔板；18－空腔；19－外壳体；20－空隙；21－第三穿孔管；22－支撑结构；23－消声孔。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

根据消声器的实际应用需求，为了能够消除特定频率处的噪声，本发明提供了一种消声器，在一个示意性的实施例中，如图1和图2所示，该消声器包括壳体、进气管1和排气管2，进气管1和排气管2设在壳体上，壳体内设有多个连通的消声腔，消声腔包括多个主消声腔9，至少一个主消声腔9具有串联连通的至少两个子腔，至少两个子腔包括：位于进气方向下游的第一子腔13和位于进气方向上游的第二子腔12，第一子腔13仅与第二子腔12连通，目的是使气体在通过第二子腔12进入第一子腔13后，无法继续向前流通，只能停留在第一子腔13或者按照原路径返回。

其中，第一子腔13分隔为多个彼此气密隔离的空腔18，如图4所示的C-C剖视图，每个空腔18均通过第二子腔12与进气管1连通，排气管2与第二子腔12连通。进气管1与第二子腔12的连通方式可以选择直接连通、通过管路连通或通过消声腔间接连通等方式，排气管2与第二子腔12的连通方式也可以在这几种结构中选择。

在该实施例中，从进气管1流入壳体内的气体有两条流通路径，其一，气体通过第二子腔12进入到各个空腔18中，受到空腔18的阻挡作用，部分气体会继续返回至第二子腔12，若该消声器安装在发动机的排气口，在此过程中，当气体往复运动时，由于受到摩擦和阻尼，会使一部分声能转变为热能而消耗掉。其二，气体进入第二子腔12中实现消声后，直接通过排气管2排出。从排气管2排出的气体既包括直接通过第二种路径进行消声后的气体，也包括第一种路径中从空腔18中返回第二子腔12的气体。

该实施例的消声器利用了共振消声的原理，通过对该实施例工作过程的分析，可知该消声器中的多个彼此气密隔离的空腔18中，将通过第二子腔12进入各个空腔18内的气体的传递路径隔断，每个空腔18都作为一个共振消声单元的组成部分。在设计消声器时，可以通过调节空腔18的设置数量和每个空腔18的体积和/或形状等参数为消声器匹配出不同的消声频率，当外来声波的振动频率与通过空腔18配置出的消声频率接近时，就会在各个空腔18内发生共振以消除噪声在该频率下的峰值，从而有针对性地对特定频率的噪声实现消声。与此同时，各个空腔18内的气体被阻挡后会再次返回第二子腔12，气体在往复流通的过程中强化了消声效果。

在理想状态下，每个特定的频率的噪声可以对应一个频率点，但是在实际应用中，每个特定的频率的噪声为包含该频率点的窄频段噪声。

由于本发明消声器具有能够消除特定频率噪声的特性，因而此种消声器尤其适用于对各类具有旋转驱动或执行功能的设备进行消声降噪，例如各类车辆上使用的发动机等。由于此类设备在工作时，噪声在设备工作基频与倍频处的幅值较大，与其它频段相比，噪声在基频与倍频处的能量占总能量的比例较大，因而采用此种消声器时，可以根据设备的工作频率设计消声器的结构参数，使得消声器能够对设备多个离散频率点(主要包括设备的工作基频和倍频)处的排气噪声同时进行消除，从而高效地实现消声降噪。

在一种配置消声频率的实施例中，至少两个空腔18具有不同的体积和/或截面形状。在设计过程中，通过对第一子腔13进行体积分配，能够匹配出不同的消声频率。如图4所示，若采用截面为圆形的壳体，可以在第一子腔13内平行于轴向设置多个分隔板17，多个分隔板17沿壳体的径向分布，通过改变相邻两个分隔板17之间的夹角，即可改变这两个分隔板17之间空腔18的体积。这种设置形式结构简单，易于调整空腔18的体积，而且方便使空腔18与第二子腔12相互连通。

在上述实施例的基础上，为了使消声器能够设计出更加丰富的消声频率值，从而适用于更多不同类型的噪声源，在另一个实施例中，如图2所示的A-A剖视图和图5所示的D-D剖视图，在第二子腔12内设有多个穿孔管，多个穿孔管与空腔18一一对应连通，各个空腔18均通过相应的穿孔管与进气管1连通。在该实施例中，每个空腔18与相应的穿孔管就相当于构成了一个共振消声单元，当排气峰值频率与通过空腔18和穿孔管配出出的消声单元的消声频率接近时，就会在各个空腔内发生共振以消除在该频率下的噪声。

进一步地，在穿孔管的一端开设连通管16，穿孔管通过连通管16与第一子腔13连通，连通管16与排气管2在轴向上相互错开。当气体在消声单元内往复运动时，连通管16能够起到摩擦和阻尼作用，会使一部分声能转变为热能而消耗掉。优选地，至少两个连通管16的通径尺寸和/或长度不同。在该实施例中，每个空腔18与相应的连通管16和穿孔管共同构成一个共振消声单元。

优选地，多个穿孔管具有不同的参数，例如具有不同的直径、高度或者穿孔率，以能够根据实际需求匹配出更多的消声频率。

以图5为例，在第二子腔12内设有两个第一穿孔管14和两个第二穿孔管15，且第一穿孔管14和第二穿孔管15间隔设置，第一穿孔管14的直径大于第二穿孔管15。这四个穿孔管分别与图4所示的四个空腔18一一对应。其中，穿孔率是指单位面积上穿孔的总面积和单位面积之比。在一种具体的设置形式中，第一穿孔管14和/或第二穿 孔管15的穿孔率为12％－18％。

通过对上述各个实施例的结构和效果进行阐述，本发明消声器的主要改进点在于将主消声腔9分隔为至少两个子腔，且其中位于进气方向最下游的子腔能够作为共振腔实现消声，而且更为关键的是将第一子腔13分隔为多个彼此气密隔离的空腔18，或进一步在第二子腔12内设置多个穿孔管，多个空腔18与穿孔管一一对应并通过连通管16实现连通，这样通过调整各个空腔18的体积和/或截面积、各个穿孔管的结构参数(例如通径、高度、穿孔率)和连通管16的参数，就可以调整通过空腔18配置出的消声单元的消声频率，多个消声单元就可以同时消除多个峰值频谱。如果第二子腔12内不设置穿孔管，且第一子腔13内不分隔为多个空腔18，则只能消除某一宽频段的噪声，由于无法灵活配置消声频率，因而不能消除特定频率点或窄带频率的噪声。

作为一种优选的设置形式，第一子腔13和第二子腔12沿着消声器的纵向排布，此处提到的纵向是指气体的主体流动方向，即图2实施例中的竖直方向。在该实施例中，各个消声腔分布在同一直线上，这样从进口管1流入壳体内的气体可尽量减少迂回的流通路径，有利于减小消声器的排气背压。当然，在其它设置形式中，对于图2所示实施例，第一子腔13和第二子腔12也可按水平方向排布。

在上述各实施例的基础上，消声腔还包括位于主消声腔9上游的进气腔8，进气管1通过进气腔8与主消声腔9连通，第一穿孔管14的两端分别与进气腔8和第一子腔13连通。气体在进入第二子腔12之前，可以首先在进气腔8内进行消声，能够进一步增强消声效果。

如图2所示，进气管1伸入进气腔8中，进气管1可以通过端部和/或侧壁上的多个孔与进气腔8连通，进气管1伸入进气腔8的一端设计为贯通结构，且在进气管1的至少部分长度上布置多个孔，可以减小消声器的排气背压。

进一步地，消声腔还可包括位于主消声腔9下游的排气腔10，排气管2贯穿排气腔10和第一子腔13与第二子腔12连通，排气管2 与排气腔10连通，且与第一子腔13气密隔离。这样进气腔8、第二子腔12、第三子腔13和排气腔10沿着进气方向串联设置。

优选地，排气管2的至少部分长度上布置多个孔，可以起到进一步减小消声器排气背压的作用。在一种可选的设置形式中，排气管2的穿孔率为25％±5％。此处需要注意的是，排气管2在伸入第一子腔13内的长度上不设置孔，以保证第一子腔13仅和第二子腔12连通。

进一步地，排气管2内设有横向的隔板，能够减小气体流动的压力损失，该隔板将排气管2从伸入壳体的一端起优选的分隔比例值范围为1－1.5。

为了分隔出上述实施例中提到的各个消声腔，如图2所示，壳体内从靠近进气管1的一端起依次设有第一隔板6、第二隔板11和第三隔板7，第一隔板6和壳体之间形成进气腔8，第一隔板6和第二隔板11之间形成第二子腔12，第二隔板11和第三隔板7之间形成第一子腔13，第三隔板7和壳体之间形成排气腔10，穿孔管的两端分别与第一隔板6和第二隔板11连接，排气管2伸入壳体内的一端穿过第三隔板7连接在第二隔板11上。壳体上设有第一端盖3和第二端盖5，进气管1固定在第二端盖5上，排气管2固定在第一端盖3上。

在上述各实施例的基础上，为了使消声器达到更优的性能，在一个改进的实施例中，如图3所示的B处放大图，壳体包括内壳体4和外壳体19，如图6和图7所示的结构示意图，内壳体4上设有开口41，以便使噪声通过开口41进入到内壳体4和外壳体19之间的区域实现进一步的消声。而且，在内壳体4和外壳体19之间设有第三穿孔管21，第三穿孔管21上布置有多个消声孔23。优选地，消声孔23为变径孔。如图7所示内壳体4的结构示意图，开口41呈矩形，并沿着内壳体4的轴向和周向均匀排列，另外，开口41所选的形状和排布方式对消声效果无实质影响，开口41占据的总面积越大，就能使越多的噪声通过内壳体4向外流通，从而达到更好的消声效果。

在该实施例中，气体在各个消声腔进行消声后，还会进一步通过内壳体4上的开口41进入到内壳体4和外壳体19之间，以通过第三 穿孔管21上的消声孔23实现消声。优选地，第三穿孔管21的径向厚度为4mm－10mm。该实施例的结构是利用微孔共鸣的原理消除噪声。

优选地，图6为第三穿孔管21的结构示意图，消声孔23的通径尺寸从内壳体4朝向外壳体19逐渐增大。较佳地，消声孔23靠近内壳体4一端的孔径为0.8mm－1.2mm，靠近外壳体19一端的孔径为1.4mm－2mm，当然也可根据降噪需求设计为其它尺寸。

在此基础上，如图3所示，外壳体19与第三穿孔管21之间有空隙20，该结构是利用空隙消声的原理消除噪声。空隙20中通过支撑结构22进行支撑，例如，支撑结构22可以选择芯材，多根芯材推挤第三穿孔管21以保证外壳体19与第三穿孔管21之间形成空隙20。

在实际中为了使消声器方便加工，优选地将消声器设计为圆柱形结构，由此内壳体4、外壳体19和第三穿孔管21均为空心的圆柱形结构，相适应地，芯材为圆环状结构。

对于图3所示的实施例，气体在各个消声腔进行消声后，会进一步通过内壳体4上的开口41进入消声孔23，接着进入到空隙20中，其中消声孔23发挥与共鸣器同样的消声作用，声波进入空隙层20后不断反射或折射，造成声能的损耗，以达到进一步降噪目的。

其次，本发明还提供了一种发动机，包括上述各实施例所述的消声器，消声器可以安装在发动机的排气口处。由于本发明的消声器通过合理配置各个空腔18的体积、各个穿孔管的结构尺寸(例如通径、高度、穿孔率)以及连通管16的直径，可以对多个特定频率进行针对性的消声。考虑到发动机基频和倍频噪声幅值较大，因而在设计消声器时可以根据发动机的工作频率来配置消声器的各个参数，这样就能够有针对性地消除发动机点火基频和倍频处的噪声，以达到良好的消声降噪效果。在一些优选的实施例中，消声器的排气背压较低，能够减少对发动机排气造成的影响。

为了使本领域技术人员对本发明的消声器有更深入的理解，下面将结合图2所示的具体实施例，对此种消声器的工作过程进行详细说明。

将该消声器安装在发动机的排气端，以使发动机尾气首先能够通过管路进入进气管1，气体首先从进气管1通过端部或侧壁上的孔进入进气腔8，接着从第一穿孔管14和第二穿孔管15的端部进入，并通过连通管16进入对应的空腔18，在受到阻挡后气体继续返回第一穿孔管14和第二穿孔管15中，各个穿孔管之间通过侧壁上的孔均与第二子腔12连通，第二子腔12内的气体部分通过排气管2的端部排出，部分通过排气管2侧壁的孔进入排气腔10进一步实现消声。

气体在经过主消声腔9消声的同时，还会从内壳体4上的开口41流动至第三穿孔管21的消声孔23进行微孔消声，再流动至空隙20中进行空隙消声，壳体中设置的消声结构起到辅助消声的作用。

另外，本发明还提供了一种工程机械设备，安装有上述各实施例所述的发动机。本发明的消声器已应用于装载机中发动机的消声。由于本发明的发动机在工作时已经通过消声器消除了能量较高的基频和倍频噪声，极大地减少了向外辐射的噪声，因而此种工程机械设备在作业时，向外界环境中辐射的噪声较少，具有较优的环保性能。

除此之外，如果工程机械设备中还存在除发动机以外的其它噪声源，例如其它执行部件或驱动部件，也可以将本发明安装在这些噪声源的排气路径中，这样就可以消除这些噪声源辐射的特定频率的噪声。

以上对本发明所提供的一种消声器、发动机及工程机械设备进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。