Experimental Assessment of Structure-Borne Noise Excitation by Axial Piston Pumps

Die kontinuierliche Reduzierung der Geräuschemissionen von Verbrennungsmotoren sowie der zunehmende Einsatz von, im Vergleich zu Verbrennungsmotoren, deutlich leiseren Elektromotoren in batteriebetriebenen Systemen haben die Nachfrage nach geräuscharmen Komponenten in mobilen Arbeitsmaschinen erhöht. Während diese Ent-wicklung für Komponentenhersteller Herausforderungen mit sich bringt, bietet sie zugleich ein großes Potenzial zur Senkung des Gesamtgeräuschpegels mobiler Arbeitsmaschinen. Eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung geräuscharmer Maschinen ist die zuverlässige Identifikation, Bewertung und Quantifizierung des Beitrags einzelner Geräuschquellen.
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Eine der wesentlichen Geräuschquellen in mobilen Arbeitsmaschinen sind Hydraulikpumpen, wie beispielsweise Axialkolbenpumpen. Eine zentrale Herausforderung bei der experimentellen Bewertung des Geräuschbeitrags von Hydraulikpumpen besteht darin, dass sie alle drei Arten von Geräuschen emittieren: Luftschall, Flüssigkeitsschall und Körperschall. Während für die Flüssigkeitsschallanregung am Hochdruckanschluss der Pumpe sowie für die Luftschallabstrahlung über das Pumpengehäuse etablierte experimentelle Methoden zur Quellencharakterisierung existieren, gibt es kaum Untersuchungen zur Körperschallanregung an der mechanischen Anbindung von Hydraulikpumpen. Folglich stellt die Charakterisierung des Körperschalls den fehlenden Baustein für die vollständige Geräuschbewertung von Hydraulikpumpen dar.
Eine Methode, die in jüngster Zeit insbesondere im Automobilbereich zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ist die In-situ-Blocked-Force-Methode. Dieser Ansatz ermöglicht eine robuste Charakterisierung von Körperschallquellen in ihrer typischen Einbausituation auf Basis sogenannter blockierter Kräfte. Blockierte Kräfte sind empfängerunabhängige Schnittstellenkenngrößen, die eine quellspezifische Beschreibung der Körperschallanregung erlauben und somit eine vielversprechende Grundlage für die Bewertung der Körperschallanregung durch Axialkolbenpumpen darstellen.
In dieser Arbeit wird die Eignung der In-situ-Blocked-Force-Methode zur Charakterisierung der Körperschallanregung einer Axialkolbenpumpe untersucht. In diesem Zusammenhang werden unterschiedliche Schnittstellendefinitionen analysiert und eine bevorzugte Konfiguration identifiziert, die sowohl eine intuitive Interpretation der Anregung ermöglicht als auch über verschiedene Pumpenbefestigungsgeometrien hinweg konsistent bleibt. Auf Basis der Quellencharakterisierung mittels blockierter Kräfte werden vereinfachte Methoden zur Bewertung der Körperschallanregung von Axialkolbenpumpen abgeleitet. Diese umfassen zwei quellspezifische Ansätze, bei denen die Bewertungsgrößen ausschließlich von der Pumpe abhängen, sowie ein empfängerabhängiger Ansatz, welcher das dynamische Verhalten eines elektrifizierten Baggers mitberücksichtigt. Die abgeleiteten Kenngrößen sollen eine einfache Bewertung der Körperschallanregung einer Pumpe ermöglichen und damit die Identifikation kritischer Betriebspunkte sowie den Vergleich unterschiedlicher Pumpen erleichtern. Im Rahmen einer umfangreichen experimentellen Untersuchung einer spezifischen Axialkolbenpumpe werden die Kenngrößen hinsichtlich ihrer Praktikabilität, Robustheit und Aussagekraft bewertet.

The continuous reduction of noise emissions from internal combustion engines, together with the increasing adoption of significantly quieter electric motors in battery-driven systems, has increased the demand for low-noise components in mobile machinery. While this development poses major challenges for component manufacturers, it also offers substantial potential for reducing the overall noise levels of mobile working machines. A fundamental prerequisite for the development of low-noise machinery is the reliable identification, assessment, and quantification of the contribution of individual noise sources.
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One of the primary sources of noise in mobile machinery are hydraulic pumps, such as axial piston pumps. A challenge in experimentally assessing the noise contribution of hydraulic pumps arises from the fact that they emit all three types of noise: airborne noise~(ABN), fluid-borne noise~(FBN), and structure-borne noise~(SBN). While well-established experimental source characterization methods exist for FBN excitation at the pump's discharge port and for ABN emissions through the pump housing, studies on SBN excitation at the mechanical mounting of hydraulic pumps are rare. Consequently, the characterization of SBN represents the missing link in the complete noise assessment of hydraulic pumps.
A method that has recently gained increasing attention, particularly in the automotive sector, is the In Situ Blocked Force method. This approach enables a robust characterization of SBN sources in their typical installation environment based on so-called blocked forces. Blocked forces are receiver-system-independent interface quantities, allowing for a source-specific description of SBN excitation and thus providing a promising basis for assessing the SBN excitation by axial piston pumps.
This thesis investigates the suitability of the In Situ Blocked Force method for characterizing the SBN excitation by an axial piston pump. In this context, different interface definitions are examined, and a preferred configuration is identified that allows intuitive interpretation of the excitation while remaining consistent across pump mounting geometries. Based on the blocked-force-based source characterization, simplified methods for assessing the SBN excitation by axial piston pumps are derived. These include two source-specific approaches, where the assessment metrics depend solely on the pump, and one receiver-dependent approach incorporating the dynamic behavior of an electrified excavator. These approaches aim to enable a straightforward evaluation of a pump’s SBN excitation, facilitating the identification of critical operating points and comparison of different pumps. Through an extensive experimental study of a specific axial piston pump, the metrics are evaluated in terms of practicality, robustness, and explanatory capability.