This thesis is the result of a 4-year collaboration between the Technical University of Munich and the BMW Group. The goal was to apply substructuring methods to the Noise Vibration Harshness (NVH) engineering needed for integrating electric climate compressors in upcoming vehicles. The compressor is one of the major contributors to the cabin noise in battery electric vehicles (BEVs). An accurate yet practical development process for its vehicle integration is crucial for industry. Specifically, the aim was to simulate the compressor noise in the cabin for different, virtual design variants of the isolation concept. Therefore, the methods from two broader fields were applied: First, the excitation of the compressor was modeled with component transfer path analysis (TPA) methods. Second, the full transfer path from the compressor to the driver's ear is assembled from multiple subcomponent models, via dynamic substructuring (DS). For accomplishing the above-mentioned goals, different gaps in the current technology have been identified, which will be addressed in this thesis. With frequency-based substructuring (FBS), a subclass of DS, it is possible to couple experimental and numerical substructure models in a virtual assembly. For the compressor, it was found that including rigid body models in the transfer path is a valuable addition. The proper formulation and integration of rigid body models in the framework of FBS will be presented. Another bottleneck at the onset of this project, was the proper modeling of rubber bushings in the transfer path. A novel method for experimentally identifying accurate substructure models of rubber isolators was developed. The rotating components in the compressor introduce gyroscopic effects that influence its dynamics. A novel substructuring method for virtually coupling gyroscopic terms to a component could prove that these effects are not relevant for the compressor case. The compressor's excitation is described by blocked forces. Applying the blocked forces to the substructured transfer path of the assembly allows to simulate the sound in a virtual prototype. One goal was to make the simulated results audible to non-acoustic experts, which required the creation of sound files. This allowed for a subjective comparison of different designs at an early development stage. Since the noise predictions with TPA are typically in the frequency domain, some signal processing is required to create sound files in the time domain. Different methods for auralization will be compared, which could not be found in the existing TPA literature. Due to the inverse process for identifying the blocked forces, measurement noise can be amplified to unacceptably high levels, which are audible in the sound predictions. Regularization methods have the potential to significantly suppress the noise amplification, which is explained and exemplified for blocked force TPA. Additionally, it was found that only the structure-borne sound transmission was not sufficient to describe the compressor noise in the cabin. The compressor is also directly radiating air-borne sound from its housing, which will be included in the NVH model by means of equivalent monopoles. The application examples at the thesis' end are extending the current state-of-the-art, by showing how the modular vehicle models can be used for early phase, parametric design optimizations on a complex NVH problem.     «

This thesis is the result of a 4-year collaboration between the Technical University of Munich and the BMW Group. The goal was to apply substructuring methods to the Noise Vibration Harshness (NVH) engineering needed for integrating electric climate compressors in upcoming vehicles. The compressor is one of the major contributors to the cabin noise in battery electric vehicles (BEVs). An accurate yet practical development process for its vehicle integration is crucial for industry. Specif...     »

Die vorliegende Arbeit entstand während eines 4-jährigen Kooperationsprojekts zwischen der TU München und der BMW Group. Das Ziel war die akustische Integration von elektrischen Klimakompressoren, in einer frühen Entwicklungsphase, durch virtuelle akustische Prototypen. Dies wurde durch Substrukturierungsmethoden erreicht. Der Klimakompressor ist eine der dominantesten Geräuschquellen in batterie elektrischen Fahrzeugen. Daher ist es essenziell für Automobil-Hersteller die akustische Integration in einem genauen und praktisch umsetzbaren Entwicklungsprozess zu beherrschen. Das konkrete Vorhaben war das Kompressor-Geräusch im Innenraum virtuell für verschiedene Isolationskonzepte vorherzusagen und somit Optimierungen am virtuellen Prototyp durchzuführen. Dies wurde durch Anwendung von Methoden aus zwei Forschungsfeldern erreicht: Zuerst wird die Anregung des Kompressors mit Methoden der Komponenten-basierten Transfer Pfad Analyse (TPA) modelliert. Anschließend wird der komplette Übertragungspfad vom Kompressor bis zum Fahrerohr aus mehreren Einzelkomponenten, durch dynamische Substrukturierung (DS), virtuell zusammengebaut. Um die oben genannten Ziele zu erreichen, wurden einige Beiträge zum aktuellen Stand der Technik geleistet, welche in dieser Arbeit beschrieben werden. Durch frequenz-basierte Substrukturierung (FBS) ist es möglich experimentelle und numerische Substruktur-Modelle virtuell miteinander zu koppeln. Für den Kompressor stellte sich heraus, dass es von großem Vorteil ist auch Starrkörper-Modelle in den Übertragungspfad zu koppeln. Die Herleitung einer Formulierung zur akkuraten Integration von Starrkörpermodellen in den Übertragungspfad ist Teil dieser Arbeit. Zu Beginn der Arbeit war nicht klar wie Gummilager mit ausreichender Genauigkeit für eine Substrukturierung modelliert werden können. Eine neue Methode zur experimentellen Identifikation von Gummilagermodellen wurde entwickelt, um diese Anforderung zu erfüllen. Die rotierenden Teile im Kompressor erzeugen Kreiseleffekte, welche die Dynamik des Systems beeinflussen. Eine neue FBS basierte Methode wurde entwickelt um die Kreiseleffekte virtuell an ein System zu koppeln, wobei nachgewiesen werden konnte, dass diese für den Fall der Klimakompressor-Akustik nicht relevant sind. Die Anregung des Kompressors wird durch sog. „blocked forces“ beschrieben. Werden diese auf die substrukturierte Übertragungsfunktion des Gesamtfahrzeugs angewendet, kann der Schall im Innenraum vorhergesagt werden. Ein Ziel der Arbeit war es diese Ergebnisse auch Nicht-Akustikern zugänglich zu machen. Dies geschieht durch das Erstellen von Sound-Dateien mittels derer die Ergebnisse für unterschiedliche virtuelle Konzepte subjektiv verglichen werden können. Da die TPA Ergebnisse üblicherweise im Frequenzbereich vorliegen, ist es notwendig Signalverarbeitungs-Methoden anzuwenden um die Sound-Dateien im Zeitbereich zu erstellen. Verschiedene Methoden zum Erstellen der Zeitsignale werden in dieser Arbeit erklärt und verglichen, was oft in der TPA Literatur nicht beschrieben wird. Bei der Ermittlung der „blocked forces“ wird eine Matrix invertiert, was das Messrauschen in den aufgenommenen Signalen hörbar und inakzeptabel stark verstärken kann. Regularisierungs-Methoden können dieses Problem signifikant reduzieren, was an einigen konkreten Beispielen erklärt und demonstriert wird. Für den Kompressor ist der über die Struktur übertragene Schall nicht ausreichend, um den Schalldruck im Innenraum vollständig zu beschreiben. Der direkt vom Kompressor-Gehäuse abgestrahlte Schall wird zusätzlich über äquivalente Monopole in das akustische Modell eingebaut. Die Beispiele am Ende der Arbeit zeigen wie die entwickelten, modularen Akustik-Modelle schon in frühen Entwicklungsphasen für eine parametrische Optimierung des Systems eingesetzt werden können.      «

Die vorliegende Arbeit entstand während eines 4-jährigen Kooperationsprojekts zwischen der TU München und der BMW Group. Das Ziel war die akustische Integration von elektrischen Klimakompressoren, in einer frühen Entwicklungsphase, durch virtuelle akustische Prototypen. Dies wurde durch Substrukturierungsmethoden erreicht. Der Klimakompressor ist eine der dominantesten Geräuschquellen in batterie elektrischen Fahrzeugen. Daher ist es essenziell für Automobil-Hersteller die akustische Int...     »