Analyse des Einflusses von Querkräften beim Hammerbohren auf die Arbeitsproduktivität und die Schwingungseinwirkung auf den Menschen = Analysis of the influence of lateral forces on work productivity and human exposure to vibration during hammer drilling

Das Ziel der Ergonomie ist die qualitative und wirtschaftliche Optimierung des Arbeitsergebnisses. Gleichzeitig soll der Anwender während der Tätigkeit möglichst wenig ermüden und keine Schäden davontragen. In der Entwicklung von Bohrhämmern sind deshalb die Steigerung der Arbeitsproduktivität sowie die Prävention einer möglichen Schädigung des Anwenders durch Vibrationen wichtige Ziele. Um das Produkt hinsichtlich dieser Größen optimieren zu können, müssen die relevanten Einflüsse bekannt sein. In bisherigen Studien zur Analyse von Einflussgrößen wurden Kräfte, welche senkrecht zur Vorschubkraft wirken, noch nicht untersucht. ... mehrExperimente haben jedoch gezeigt, dass Anwender beim Hammerbohren Querbewegungen aufbringen, welche zu Querkräften im Bohrloch führen. Bislang fehlt das Wissen, in welcher Größenordnung die Querkräfte beim Arbeiten mit einem Bohrhammer auftreten und ob diese einen Einfluss auf das Hammerbohren haben. Weiterhin ist nicht bekannt, ob ein möglicher Einfluss auf unterschiedliche Bohrhammer-Bohrer-Setups und Randbedingungen übertragbar ist.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Querkraft und den Größen Vorschubgeschwindigkeit sowie die für den Menschen schädlichen Vibrationen zu analysieren. Zur Erreichung dieses Ziels wurden zunächst die auftretenden Querkräfte mittels einer Laborstudie mit Probanden untersucht. Anschließend wurden anhand zweier Studien auf einem roboterbasierten Prüfstand mit über 6000 Einzelversuchen Vorschubkräfte und Querkräfte mehrstufig aufgebracht, um deren Zusammenhang mit der Vorschubgeschwindigkeit sowie mit den Gehäusevibrationen zu ermitteln. Um aufzuzeigen, ob Interaktionseffekte zwischen der Querkraft und aus dem Stand der Forschung bekannter Einflussgrößen bestehen, wurden neben den Anwenderkräften die Betonfestigkeit, der Bohrhammer, der Bohrertyp und dessen Verschleiß variiert. Abschließend wurde eine Verifikation der auf dem Prüfstand gewonnenen Ergebnisse, inwieweit diese auf das manuelle Hammerbohren übertragbar sind, durchgeführt. Durch manuelle Versuche mit professionellen Anwendern konnte nachgewiesen werden, dass beim Hammerbohren Querkräfte auftreten und wodurch diese entstehen. Die anschließenden kausalen Studien zeigten, dass diese Querkräfte die Vorschubgeschwindigkeit negativ beeinflussen und unterschiedliche Effekte bei den Bohrhammervibrationen hervorrufen. Hierbei treten Interaktionseffekte zwischen den untersuchten Faktoren und der Querkraft auf.
Anhand der Ergebnisse konnte somit gezeigt werden, dass die vom Anwender erzeugten Querkräfte die Arbeitsproduktivität und die für den Menschen schädlichen Vibrationen beeinflussen. Darüber hinaus konnten Potentiale für die Optimierung von Schwingungsentkopplungen der Hauptgriffe von Bohrhämmern aufgedeckt werden. Des Weiteren kann das Wissen für die Abbildung von realitätsnäheren Anwendereinflüssen im Testing oder für die Verbesserung von Normen zur Bewertung der Bohrhammervibrationen genutzt werden.

The aim of ergonomics is the qualitative and economic optimization of the work result. At the same time, the user should suffer as little fatigue as possible during the task and should not be caused any harm. Therefor work productivity and prevention of damage to the user due to vibrations are target quantities in the development of hammer drills. In order to optimize the product with regard to these quantities, the relevant influences must be known. In previous studies on the analysis of influencing variables, forces which occur perpendicular to the feed force have not yet been investigated. ... mehrHowever, experiments have shown that users apply transverse movements during hammer drilling. So far, there is a lack of knowledge about the magnitude of lateral forces that arise when working with a hammer drill and whether these have an influence on the hammer drill process. Furthermore, it is not known whether a possible influence is transferable to different hammer drill-drill bit setups and boundary conditions.
The objective of this work is to analyze the relationships between the lateral force and the parameters rate of penetration and vibrations harmful to humans. To achieve this goal, the lateral forces that occur during the drilling process were first investigated by means of a laboratory study with test subjects. Subsequently, by performing two studies on a robot-based test rig with over 6000 individual test runs, feed forces and lateral forces were applied in multiple levels in order to determine their relationship with the rate of penetration as well as hammer drill vibrations. To be able to show whether interaction effects exist between the shear force and influencing variables known from the current state of research, the concrete strength, the hammer drill, the drill bit type and its wear condition were varied in addition to the user forces. Finally, a verification of the results obtained on the test rig was carried out to determine the extent to which they can be transferred to manual hammer drilling. Manual test runs with professional users proved that lateral forces occur during hammer drilling and how they are caused. The subsequent causal studies showed that these lateral forces reduce the rate of penetration and show various effects on the hammer drill vibrations. Here, interaction effects occur between the investigated factors and the lateral force.
Based on the results, it was possible to show that the lateral forces generated by the user during the drilling process influence work productivity and vibrations that are harmful to humans. By means of the gained knowledge, potentials for the optimization of vibration decoupling of the main handles could be revealed. Furthermore, this knowledge can be used for the simulation of more realistic user influences in testing environments or for the improvement of standards for the evaluation of hammer drill vibration.