Unabhängige Einstellung von Vorschubkraft, Schlagfrequenz und Einzelschlagenergie beim Hammerbohren durch zyklische Motoransteuerungen = Independent adjustment of feed force, impact frequency and single impact energy for hammer drilling by cyclical motor controls

Die Arbeitsproduktivität zu steigern ist ein Ansatz, um Kosten im Baugewerbe senken zu können. Neue Produktgenerationen von Bohrhämmern zielen daher auf eine geringere Belastung des Anwenders und höhere Bohrgeschwindigkeiten ab. Eine Reduktion der Vibrationsemission schützt präventiv vor vibrationsbedingten Erkrankungen und erhält somit langfristig die Arbeitsproduktivität. Eine gesteigerte Bohrgeschwindigkeit erhöht direkt die Arbeitsproduktivität. Daher kann die Arbeitsproduktivität und Anwenderbelastung beim Hammerbohren über die Bohrgeschwindigkeit und die Vibrationsemission des Bohrhammers bewertet werden.
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Kern des Problems bei Untersuchungen und Optimierungen beim Hammerbohren ist, dass die Faktoren Vorschubkraft, Schlagfrequenz und Einzelschlagenergie stark korrelieren. Dies bedeutet zum einen, dass die Faktoren nur abhängig voneinander eingestellt werden können. Für verschiedene Anwendungen beim Hammerbohren sind jedoch unterschiedliche Faktorkombinationen optimal. Es müssen Kompromisse zwischen den genannten Faktoren gemacht werden, was Abstriche bezüglich der Arbeitsproduktivität und Anwenderbelastung zur Folge hat. Zum anderen können Effektanteile der Faktoren auf Zielgrößen des Bohrhammers nicht eindeutig einzelnen Faktoren zugeordnet werden. Optimale Faktoreinstellungen können daher unbekannt sein. Korrelierende Faktoren erschweren somit Optimierungen beim Hammerbohren.
In dieser Arbeit wurde daher untersucht, wie Korrelationen von Vorschubkraft, Schlagfrequenz und Einzelschlagenergie beim Hammerbohren aufgelöst werden können. Der in dieser Arbeit fokussierte Ansatz nutzt Motoransteuerungen. Der Bohrhammer DualDrive mit getrennt angetriebenem Schlagwerk und Bohrrotation wurde als Untersuchungsumgebung aufgebaut. Mit einer konstanten Motoransteuerung konnten die Effektanteile von Vorschubkraft und Schlagfrequenz auf die Bohrgeschwindigkeit und die Vibrationsemission erstmalig in einer Bohrstudie bestimmt werden. Die neue zyklische Motoransteuerung Cyclical Independent Impact Drive (CIID) kann die Einzelschlagenergie unabhängig von der Schlagfrequenz einstellen. CIID ermöglichte eine Variation der Einzelschlagenergie um bis zu 54 % gegenüber dem Wert einer konstanten Motoransteuerung. In einer Bohrstudie wurde der Effekt einer unabhängig eingestellten Einzelschlagenergie auf die Bohrgeschwindigkeit und die Vibrationsemission ermittelt.
Es wurde damit gezeigt, dass durch eine konstante sowie mit der Schlagfrequenz zyklischen Motoransteuerung die Faktoren Vorschubkraft, Schlagfrequenz und Einzelschlagenergie beim Hammerbohren unabhängig eingestellt werden können. Erstmals lässt sich die Einzelschlagenergie mit der neuen Motoransteuerung CIID unabhängig von der Schlagfrequenz einstellen. Die Auflösung der Korrelationen allein durch Motoransteuerungen ermöglicht weitere Optimierungen beim Hammerbohren.

Increasing labour productivity is one approach to reducing costs in the construction industry. New product generations of hammer drills therefore aim to minimise user stress and increase drilling speeds. Reducing vibration emissions provides preventative protection against vibration-related occupational illnesses and therefore maintains labour productivity in the long term. Increased drilling speed directly increases labour productivity. Labour productivity and user stress during hammer drilling can therefore be assessed via the drilling speed and vibration emission of the hammer drill.
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The problem with investigations and optimisations in hammer drilling is that the parameters feed force, impact frequency and single impact energy correlate strongly. On the one hand, this means that the factors can only be adjusted in relation to each other. However, different factors are optimal for different hammer drilling activities. Compromises must be made between the factors mentioned, which results in compromises in terms of labour productivity and user stress. On the other hand, the effects of the factors on the target variables of the hammer drill cannot be clearly assigned to individual factors. Optimum factor settings may therefore be unknown. Correlating factors therefore make optimisations in hammer drilling more difficult.
This work therefore investigated how correlations of feed force, impact frequency and single impact energy in hammer drilling can be resolved. The approach focussed on in this work uses motor controls. The DualDrive hammer drill with a separately driven impact mechanism and drill bit rotation was developed as a test environment. With constant motor control, the effect shares of feed force and impact frequency on the drilling speed and vibration emission could be determined for the first time in a drilling study. The new Cyclical Independent Impact Drive (CIID) motor control can adjust the single impact energy independently of the impact frequency. With CIID it was possible to vary the single impact energy by up to 54 % compared to the value of a constant motor control. The effect of an independently set single impact energy on the drilling speed and vibration emission was determined in a drilling study.
It was demonstrated that the parameters feed force, impact frequency and single impact energy can be set independently during hammer drilling with a constant and cyclic motor control. The motor control has to be cyclic with the impact frequency. For the first time, the single impact energy can be set independently of the impact frequency with the new CIID motor control. The resolution of the correlations solely through motor control enables further optimisation in hammer drilling.