Elektrowerkzeuge

Schwingungen am ­Elektrowerkzeug

Die Benutzer von Maschinenwerkzeugen sind während deren Anwendung Schwingungen ausgesetzt. Bei länger dauernder Einwirkung können sich unerwünschte gesundheitliche Auswirkungen ergeben.

Der Europäische Rat hat deshalb Richtlinien und Grenzwerte festgelegt, welche ab Mitte 2005 in nationales Recht umgesetzt werden. Hierin wird der Arbeitgeber verpflichtet, dass die Richtwerte in seinem Betrieb eingehalten werden und die Grenzwerte der Belastung von den Arbeitnehmern nicht überschritten werden.

Um die Anwender von Elektrowerkzeugen mit dem bisher wenig bekannten Thema von Schwingungen vertraut zu machen, werden im Folgenden Schwingungsursachen, Wirkungen auf den Anwender und Maßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen in leicht verständlicher Form dargestellt.

Schwingungen an Maschinenwerkzeugen

Äußern sich Schwingungen als sichtbare oder fühlbare Bewegung eines Gegenstandes, so bezeichnet man sie meist als Vibrationen. Im Begriff der Werkzeugtechnik sind Vibrationen meist störend, sofern sie nicht Mittel und Zweck des Werkzeuges darstellen wie beispielsweise bei Vibrationsförderern, Stampfern und Verdichtern.

Schwingungen an Maschinenwerkzeugen treten meist in folgenden Formen auf:

– längsgerichtet

– kreisförmig

– Mischformen

Ursachen von Schwingungen

Ursächlich für Schwingungen sind bewegte Massen. Man versteht hierunter rotierende Massen, hin- und hergehende Massen sowie Mischformen aus beiden Bewegungsarten. Die daraus entstehenden Schwingungen werden populär auch als Vibrationen oder Unwucht bezeichnet. Die Unwucht kann sowohl statischer als auch dynamischer Natur sein. Bei handgeführten Maschinenwerkzeugen entstehen Schwingungen durch das Maschinenwerkzeug und seine Konstruktionselemente wie Motor, Getriebe oder Kurbeltriebe.

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Im Leerlauf sind die Schwingungen in der Regel so gering, dass sie vernachlässigbar sind. Weitere Schwingungsquellen sind Einsatzwerkzeuge, Bearbeitungsvorgänge und der zu bearbeitende Werkstoff. Die hierdurch hervorgerufenen Vibrationen können unter Umständen erheblich sein.

Wirkungen von Schwingungen

Schwingungen wirken sich auf den Anwender von Werkzeugen unterschiedlich aus. Man unterscheidet in kurz-, mittel- und langfristige Einwirkungen.

Der Industrieeinsatz unterscheidet sich vom Handwerklichen Einsatz im Wesentlichen dadurch, dass stets gleichförmige Arbeitsaufgaben und Arbeitsabläufe vorhanden sind. In Folge dessen lassen sich die Auswirkungen wesentlich besser bestimmen als bei jeder anderen Anwendungsart. Die zeitliche Anwendung kann höher sein als im handwerklichen Anwendungsbereich.

Kurzfristige Einwirkungen

Kurzfristige Einwirkungen von Schwingungen sind aus medizinischer Sicht vernachlässigbar. Sie werden zwar als unangenehm empfunden, wirken sich aber nicht nachweisbar aus. Beispiel: Gelegentliches Bohren eines Loches mit der Schlagbohrmaschine oder mit dem Bohrhammer.

Mittelfristige Einwirkungen

Mittelfristige Einwirkungen von Schwingungen führen vorwiegend zur Ermüdung der Hand- und Armmuskulatur und sind abhängig von der Zeit mit der mit dem Werkzeug gearbeitet wird. Beispiele: Kontinuierliches Arbeiten mit Winkelschleifern, Schwing- und Exzenterschleifern; wiederholtes Bohren mit Bohrhämmern und Schlagbohrmaschinen über Kopf und in anderen körperlichen Zwangshaltungen.

Langfristige Einwirkungen

Langfristige Einwirkungen von Schwingungen können Schäden an den Gefäßen und/oder den peripheren Nerven der betreffenden Hand verursachen. Diese Wirkung , als „Weißfingerkrankheit“ und „traumatisches Raynaud-Phänomen“ bekannt, wird unter dem Begriff „Vibrationsbedingtes Vasospastisches Syndrom (VVS)“ zusammengefasst. Das Krankheitsbild ist anfallsartig und örtlich begrenzt durch Störungen der Durchblutung und der Sensibilität an den Fingern gekennzeichnet. Die Störungen treten meist nach einigen Monaten bzw. Jahren auf und sind abhängig von der vorausgegangenen Intensität der täglichen Exposition. Die Häufigkeit der Störungen ist unterschiedlich. Vereinzeltes oder mehrmaliges tägliches Auftreten ist möglich, ebenso ein Auftreten unabhängig von der momentanen Arbeit. Kälte begünstigt das Auftreten, Wärmeeinwirkung kann die Störungsdauer verkürzen.

Wirkungen auf die Sicherheit

Der durch den Einfluss von Schwingungen hervorgerufene Gefühlsverlust oder Kraftverlust beeinträchtig die beim Umgang mit Maschinenwerkzeugen notwendigen Führungs- und Haltekräfte so erheblich, das es zu Fehlhandlungen kommen kann. Im Grenzfall wird das Werkzeug nicht mehr beherrscht, wodurch es zum Beispiel bei blockierendem Einsatzwerkzeug zu einem Verlust der Kontrolle über das Werkzeug kommen kann und durch Rückdrehmomente Unfälle verursacht werden können.

Wirkungen auf die Werkzeuglebensdauer

Durch Schwingungen entstehen zusätzliche Beanspruchungen des Werkzeuges und seiner Konstruktionselemente. Befestigungsmittel wie Schrauben oder Steckverbindungen können losgerüttelt werden, an Werkzeughaltern und anderen hochbeanspruchten Konstruktionselementen können Dauerbrüche und Risse auftreten. Konstruktiv lassen sich hier zwar Bauelemente entsprechend robust auslegen, aber meist ist dies mit einem höheren Gewicht verbunden. Ein von vorneherein schwingungsarmes Werkzeug lässt sich konstruktiv und ergonomisch besser optimieren.

Grenzwerte

Die Auswirkungen von Schwingungen sind, wie beschrieben, in erster Linie abhängig von der Schwingungsenergie und der Einwirkungsdauer. Um die Auswirkungen zu begrenzen sollten also beide Einflussfaktoren möglichst gering sein. Zwei mögliche Lösungen sind die Anwendungszeit pro Mann und Tag zu begrenzen oder die Effizienz des Werkzeuges so zu erhöhen, dass die Arbeitsaufgabe schneller beendet werden kann.

Um Klarheit über diese Zusammenhänge und ihre Auswirkungen in der Praxis zu schaffen wurden im Jahre 2002 vom Europäischen Parlament Richtlinien erarbeitet, welche in 2005 als nationales Recht in den Mitgliedsländern gültig werden. Hierin sind die Meßmethoden und die zulässigen Grenzwerte rechtsverbindlich bestimmt. Die Meßmethoden sind in der Anweisung EN 50144 dokumentiert.

Messverfahren

Die Messverfahren sind in ISO 5349-1 und ISO 5349-2 dokumentiert. Die Messungen erfolgen in drei Achsen am typischen Einsatzfall. Hierbei wird für jeden Handmaschinentyp das Messverfahren festgelegt.

Schwingungsbelastung

Die mögliche Anwendungsdauer einer handgeführten Maschine hängt von der ermittelten Schwingbeschleunigung ab.

Die Eckwerte der EG-Richtlinie für Hand-Arm-Vibrationen sind über einen Arbeitstag von acht Stunden normiert

– Auslösewert 2,5 m/s2

– Grenzwert 5, 0 m/s2

Unterhalb des Auslösewertes sind keine Maßnahmen erforderlich. Der Grenzwert darf nicht überschritten werden. Innerhalb des Bereiches zwischen Auslösewert und Grenzwert sind technische oder organisatorische Maßnahmen durch den Arbeitgeber erforderlich.

Handgeführte Werkzeuge werden meist verteilt über den Arbeitstag eingesetzt, so dass echte Betriebszeiten bei industrieller Nutzung von mehr als drei Stunden selten sind. Vereinfacht bedeutet dies, dass bei Werkzeugen mit einem Schwingungswert von 8 m/s² die zulässige Anwendungsdauer drei Stunden betragen darf bevor der Grenzwert erreicht wird.

Dämpfungsverfahren

Die Dämpfung von Schwingungen am Elektrowerkzeug erfolgt durch eine Kombination von aktiven und passiven Maßnahmen.

Aktive Maßnahmen

Als aktiv kann man alle die Maßnahmen bezeichnen, die konstruktiv im Werkzeug zur Verhinderung von Schwingungen vorgesehen werden. Hierzu gehören vor allem:

– Auswuchten der rotierenden Massen

– Vermeiden von Eigenfrequenzen

– Reduktion von Getriebetoleranzen

– Ausgleichsgewichte bei Kurbeltrieben

– Hohe Fertigungsqualität

– Automatische Ausgleichsmassen

Passive Maßnahmen

Als passiv bezeichnet man die Maßnahmen, mit denen erreicht wird, dass nachträglich entstehende Vibrationen, wie sie beispielsweise durch die Wirkung des Einsatzwerkzeuges am Werkstück hervorgerufen werden, gedämpft werden.

Absorption im Griffbereich

Die Griffbereiche sind die Schnittstelle zwischen dem Maschinenwerkzeug und dem Anwender. Sie sind damit auch genau die Maschinenteile, welche eventuelle Schwingungen übertragen können. Als wirkungsvolle Maßnahme bei Schwingungen hoher Frequenz und niedriger Amplitude haben sich schwingungsabsorbierende Beläge in den Griffbereichen bewährt.

Entkopplung der Griffbereiche

Schwingungen mit niedriger bis mittlerer Frequenz aber großer Amplitude können am besten mit entkoppelten Griffbereichen vom Anwender ferngehalten werden. Bewährt haben sich hierbei Zwischenlagen aus Elastomeren sowie Federn, deren konstruktive Gestaltung auf die Schwingungsfrequenz und -Amplitude abgestimmt ist. Sie stellen eine äußerst wirksame Maßnahme dar, um die Übertragung von Schwingungen zu dämpfen.

Die wichtigste Sicherheitsmaßnahme bei entkoppelten Griffbereichen ist, dass die Sicherheit in der Maschinenführung auch im Defektfall gewährleistet ist. Beim Bruch des Dämpfungselementes darf also der Kraftschluss zum Werkzeug auf keinen Fall verloren gehen. Meist werden hierzu Schrauben verwendet, welche aber nicht an der Dämpfungsfunktion beteiligt sind.

Werkzeugunabhängige Dämpfungsverfahren

Werkzeugunabhängige Dämpfungsverfahren haben den Vorteil, dass sie auch bei vorhandenen, ungedämpften Werkzeugen verwendet werden können. Ein Beispiel sind Handschuhe mit gelgefüllten Futtereinlagen. Der Dämpfungseffekt beschränkt sich jedoch auf hohe Frequenzen niedriger Amplitude.

Beispiele schwingungsgedämpfter Elektrowerkzeuge

Elektrowerkzeuge zeichnen sich durch eine große Typenvielfalt aus. Die Anwendungsbereiche und damit die Arbeitsaufgaben sind zahlreich. Eine Dämpfung von Schwingungen kann daher nicht durch eine allgemeine Maßnahme erfolgen, sondern stets durch typspezifisch optimierte Einzelmaßnahmen. Folgend einige beispielhafte Grundtypen und die dabei angewendeten Maßnahmen.

Schwingschleifer und Exzenterschleifer

Schwingschleifer und Exzenterschleifer sind insofern ein Sonderfall, weil Schwingungen das Arbeitsprinzip dieser Schleifer darstellen. Sie haben gemeinsam, dass die Amplitude der Schwingungen klein ist bei relativ hoher Frequenz. Durch geeignete Gegengewichte auf der Schwingachse des Antriebs lässt sich eine gute Schwingungsdämpfung im unbelasteten Zustand realisieren. Beim Arbeiten auf dem Werkstück werden allerdings Schwingungen auf das Maschinengehäuse übertragen. Durch dämpfende Beschichtungen in den Griffbereichen wird ein hoher Anteil der Schwingungen absorbiert. Typischerweise werden Schwingschleifer und Exzenterschleifer, besonders beim Bearbeiten von großen Flächen, im Dauerbetrieb betrieben.

Winkelschleifer

Winkelschleifer haben ein breites ausgeprägtes Schwingungsspektrum. Neben dem Arbeitsfall und dem zu bearbeitenden Material, tragen ungleichmäßige Abnutzung der Schleifscheibe bzw. Restunwuchten im Einsatzwerkzeug dazu bei. Die Schwingungen belegen ein breites Band bezüglich der Amplitude und Frequenz. Eine wirksame Möglichkeit ist dagegen die Entkopplung der Griffbereiche durch Dämpfungselemente. Die Realisierung erfolgt über entsprechende elastische Bauteile im Zusatzhandgriff und rückwärtigen Griffbereich des Maschinengehäuses. Die Entkopplungselemente sind ausfallsicher („failsafe“) gestaltet, d. h. der Bruch eines Dämpfungselementes führt nicht zum Verlust der Kontrolle über die Maschine. Die Anwendungszeiten können zwischen wenigen Minuten (Schweißnahtbearbeitung) bis zu mehreren Stunden (Gussputzen) betragen. Dämpfende Beschichtungen (sog. Soft-Grip) reichen nicht vollständig aus, um die hohen Anforderungen an die Dämpfung zu erfüllen.

Drehschlagschrauber

Bei Drehschlagschraubern (Schlagschraubern) wird die Entstehung von Rückdrehmomenten, die sich als Schwingungen tiefer Frequenz, aber sehr hoher Amplitude auswirken können durch die Entkopplung der Antriebsmassen vom Maschinengehäuse erreicht. Durch diese Entkopplung sind sehr hohe Festziehmomente und Lösemomente, wie sie bei harten Schraubfällen vorkommen, ohne wesentliche Rückwirkung auf den Anwender möglich.

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