Entwicklung eines Versuchsstandes zur reproduzierbaren Messung der Vibration schlagender handgeführter Maschinen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 3185 / F achgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Ludolf Cronjager Dipl. -Ing. Reiner Jahn Dipl. -Ing. Herbert Riederer Institut fUr spanende Fertigung Universitlit Dortmund Entwicklung eines Versuchsstandes zur reproduzierbaren Messung der Vibration schlagender handgefilllrter Maschinen Westdeutscher Verlag 1984 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Cronj~ger. Ludolf: Entwicklung eines Versuchsstandes zur repro duzierbaren Messung der Vibration schlagender handgefUhrter Maschinen / Ludolf Cronj~ger ; Reiner Jahn ; Herbert Riederer. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1984. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 3185 : Fachgruppe Maschi nenbau, Verfahrenstechnik) ISBN 978-3-531-03185-9 ISBN 978-3-322-87723-9 (eBook) DOl 10.1007/978-3-322-87723-9 NE: Jahn, Reiner:; Riederer, Herbert:; Nordrhein-Westfalen: Forschungsberichte des Landes .,. © 1984 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Herstellung: Westdeutscher Verlag - 1 - Inhaltsverzeichnis o. Formelzeichen und AbkOrzungen ..................•........... 3 1. Problembeschreibung und Zielsetzung des Projektes .......... 6 2. Li teraturauswertung Ober Hand-Arm-Modelle .................. 8 2.1 Vorgehensweise bei der Entwicklung von mechanischen Hand- Arm-Mode lIen ............................................... 8 2.2 EinfluBfaktoren auf die Verlaufe der Impedanzkurven 13 2.3 Beschreibung der einzelnen Hand-Arm-Modelle ................ 14 2.4 Anmerkungen zur Eignung der einzelnen Modelle fOr eine Bohrhammerankopplung ....................................... 21 2.5 Benutzung von Hand-Arm-Modellen beim Aufbau von Versuchs- standen fOr handgefOhrte Maschinen ......................... 23 3. Ermittlung von Daten fOr die konstruktive Auslegung der Bohrhammerankopplung 28 3.1 Daten aus den Hand-Arm-Modellen ......•..................... 28 3.2 Rechnerische Ermittlung der erforderlichen Federsteifig- keiten einer Bohrhammerankopplung ......................... . 28 3.2.1 Abschatzung fOr die vertikale Richtung .................... . 29 3.2.2 Abschatzung fOr die horizontalen Richtungen ............... . 35 3.3 Dimensionierung geeigneter Ankopplungselemente ............ . 39 - 2 - 4. Beschreibung des Testbohrstandes mit Bohrhammerankopplung •. 42 5. Entwicklung eines Handgriffes zur Greifkraftmessung und DurchfOhrung von Vibrationsmessungen .•••••..•...•••.•..•... 49 5.1 Beschreibung der MeBkette .........•••••.•••......••••••.... 49 5.2 Handgriff zur Greifkraftmessung .•..•••....•.•.•..•....•••.. 50 5.2.1 Mogliche MeBprinzipien zur Greifkraftmessung ...........•... 51 5.2.2 Auswahl eines geeigneten MeBprinzips und Beschreibung des MeBgri ffes •.......••••••......••.••..............•......... 57 5.3 Vibrationsmessungen am handgefOhrten Bohrhammer ..••.•...... 62 5.4 Vibrationsmessungen am Testbohrstand und endgOltige Dimensionierung der Ankopplungselemente •••....•....•....... 64 6. Zusammenfassung ..•.•••••........•.......•..........•••..... 77 7. Literaturverzeichnis .......•......................•.••..•.. 79 - 3 - o. Formelzeichen und AbkOrzungen A m' Flache aX' ay• aZ mIs' Bohrhammerbeschleunigung B B-Schlag b N·m ·s Drehdampfung des Hand-Arm-Systems c N/m Federsteifigkeit cD N/m Steifigkeit des B-Schlag-Elementes cH N/m Hand-Arm-Steifigkeit D DopperrOckpral1 dD N·s/m Dampfung des B-Schlag-Elementes dDr m Drahtdurchmesser dH N·s/m Hand-Arm-Dampfung dK m Kolbendurchmesser F N Kraft FA N AndrOckkraft FAK N Antriebskolben-Tragheitskraft Fc N Federkraft des Hand-Arm-Systems FeD N Feder-Dampfungs-Kraft (B-Schlag-Element) FGR N Greifkraft FH N Dampfungskraft des Hand-Arm-Systems FL N Luftkraft G N/m' Gleitmodul HAS Hand-Arm-System hO m Luftfederlange I A Stromaufnahme des Bohrhammermotors Ubersetzungsverhaltnis zw. Motor und Bohrer-Drehantrieb Jp m4 polares Flachentragheitsmoment des Drahtes k N·m/rad Ersatz-Drehfedersteifigkeit des Hand-Arm-Systems k 1 k-Faktor fOr DMS kDr N.m/rad Drehfedersteifigkeit des Drahtes LF Luftfederkompression m Drahtlange - 4 - IA m Mittlerer Abstand zwischen Sohrhammerdrehachse und Rundgummielement MS N'm Soh rmome nt mAK kg Antriebskolbenmasse mGE kg Gehausemasse mH kg Masse des Hand-Arm-Systems mK kg Korpermasse mSK kg Schlagkolbenmasse n 1 Is Motordrehzahl Ps W Schlagleistung P bar Druck P, bar Atmospharendruck P2 bar Druck im Schlagwerksraum r m Abstand zwischen Bohrer- und Schwerachse am Bohrhammer rK m Kurbelradius t.R/R relative Widerstandsanderung des DMS t s Zeit t, s Seobachtungszeitpunkt t.t s Dauer der Schwingbewegung U V Motorspannung VB mis' Vektorsummenbetrag der Bohrhammergriffbeschleunigungen X,X,Z Schwingungsrichtungen nach ISO xAK m Antriebskolbenweg xAK mis' Antriebskolbenbeschleunigung xGE m Gehauseweg xGE m/s Gehausegeschwindigkeit x GE mis' Gehausebeschleunigung xSK m Schlagkolbenweg z 1/s Schlagzahl - 5 - Dehnung E Bohrhammer-Gesamtwirkungsgrad T] 8 kgom2 Massentragheitsmoment des Bohrhammers fUr die Bohrerachse kgom Massentragheitsmoment des Bohrhammers 2 fUr die Schwerachse rad Bohrhammerdrehwinkel rad maximaler Bohrhammerdrehwinkel l/s Winkelgeschwindigkeit des Bohrhammers 1/s2 Winkelbeschleunigung des Bohrhammers 1 Isentropenexponent l/s Winkelgeschwindigkeit III l/s Eigenkreisfrequenz der Bohrhammerdrehschwingung - 6 - 1. Problembeschreibung und Zielsetzung des Projektes Bei der Durchfuhrung von Lebensdaueruntersuchungen, Versuchen zur Produktoptimierung und Messungen zur Beurteilung der Vibration an schlagenden handgefuhrten Bohrhammern und Bohrwerkzeugen sind eine Vielzahl von Tests erforderlich. Hierbei werden die Maschinen in den meisten Fallen von einer Bedienungsperson von Hand gefuhrt, weil bisher nur auf diese Weise die Forderung realitatsnaher Bedingungen erfullt werden kann. Speziell bei den Lebensdaueruntersuchungen sind die Bedienungspersonen uber einen langeren Zeitraum hohen Emissionsbelastungen (Larm, Vibration, Staub) ausgesetzt, wobei durch die Geratevibration im Laufe der Jahre gesundheitliche Schaden im Hand-Arm-Bereich auftreten konnen. Dabei handelt es sich urn folgende Krankheiten: - Vasomotorische Storungen und degenerative Veranderungen der Nerven und - krankhafte Veranderungen an GliedmaBen und Gelenken des Hand-Arm-Systems. AuBerdem beeinfluBt die Bedienungsperson durch die Ruckwirkung des Hand-Arm-Systems auf die Bohrhammerdynamik in starkem MaBe die Versuchsergebnisse und vermindert ihre Reproduzierbarkeit. Durch den Einsatz automatischer Testbohrstande mit einer allseitig nachgiebigen Gerateankopplung, die in ihrem dynamischen Verhalten weitgehend dem menschlichen Hand-Arm-System entspricht, lassen sich die o.g. Nachteile verringern bzw. ganz vermeiden. Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, eine Hand-Arm-Nachbildung zu entwickeln, die sich fOr eine Ankopplung von Bohrhammern einer mittleren Gewichtsklasse in Testbohrstanden eignet. Die Daten fur die Auslegung dieser Nachbildung sollten durch eine Auswertung der vorhandenen Literatur Ober Hand-Arm-Modelle ermittelt werden. Zur Oberprufung der Praxisnahe bzw. Gute dieser Bohrhammerankopplung sollten durch Messungen an einem von Hand gefuhrten Bohrhammer unter - 7 - Einsatz verschiedener Bedienungspersonen statistisch gesicherte Werte fUr die Vibrationsbelastung aber auch fUr Stromaufnahme und Bohrgeschwindigkeit des Hammers gefunden und mit den am Testbohrstand gemessenen Werten verglichen werden. Zur Konstanthaltung einer festgelegten Greifkraft beim manuellen Bohren muBte fUr den verwendeten Bohrhammer ein spezieller MeBgriff entwickelt werden, der die Erfassung dieser Kraft ermoglichte. - 8 - 2. Literaturauswertung uber Hand-Arm-Modelle Seit den fruhen 50-er Jahren ist man bestrebt, die dynamischen Eigenschaften des menschlichen Hand-Arm-Systems durch mechanische Ersatzmodelle nachzubilden, urn theoretische Betrachtungen uber das Bewegungsverhalten handgefuhrter vibrierender Gerate durchfuhren zu konnen und fur jeweils ganz bestimmte Geratetypen bzw. Versuchsbedingungen (Bedienungskrafte, Armhaltung usw.) Grundlagen zur Konstruktion von Gerateankopplungen in Versuchsstanden zur Verfugung zu haben. Hiermit kann z.B. auch die Wirksamkeit einer Griffabfederung untersucht werden. Urn fur die konstruktive Auslegung der geplanten nachgiebigen Bohrhammerankopplung Daten fur die Auswahl geeigneter Feder-Masse-Dampfer-Elemente zu erhalten, wurde zunachst eine Literaturauswertung uber bisher bekannte mechanisch- mathematische Schwingungsmodelle des menschlichen Hand-Arm-Systems durchgefuhrt. Diese Madelle werden im folgenden zunachst in Form einer zusammenfassenden Darstellung vorgestellt. 2.1 Vorgehensweise bei der Entwicklung von mechanischen Hand-Arm Model len Bei der Bildung von Model len ist, wie schon erwahnt, die Kenntnis der dynamischen Eigenschaften des menschlichen Hand-Arm-Systems notwendig. Zu diesem Zweck wurden von den verschiedenen Autoren in den meisten Fallen Impedanzmessungen vorgenommen. Der Betrag der mechanischen Impedanz ist definiert als Izl= F/v worin F die in die Hand eingeleitete Kraftamplitude und v die an der Krafteinleitungsstelle der Hand vorhandene Geschwindigkeitsamplitude darstellt. Zur Ermittlung der Impedanzkurven wurde meistens folgende Vorgehensweise gewahlt: Eine Testperson umfaBte den an einen Schwingerreger angekoppelten MeBgriff. Zwischen Griff und Erreger
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