DE4416044C2

DE4416044C2 - Schwingungsdämpfende Lagerung für motorgetriebene, handgehaltene Geräte

Info

Publication number: DE4416044C2
Application number: DE19944416044
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Eckert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-05-03
Filing date: 1994-05-03
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2014-05-04
Also published as: DE4416044A1

Description

Die Erfindung betrifft eine schwingungsdämpfende La gerung für motorgetriebene, handgehaltene Geräte nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus DE 40 07 919 C2 ist eine Schwingungsdämpfungsvor richtung für vertikale Schwingungen bekannt, wie sie beispielsweise an Griffholmen einachsiger, mit einem Verbrennungsmotor getriebener Geräte Verwendung findet.

Aus DE 24 34 633 A1 ist ein System aus Feder-Dämpfer- Elementen zur Aufhängung von Drehkolben-Brennkraftma schine/Getriebe-Kombinationen in Kraftfahrzeugen be kannt.

Handgehaltene, motorgetriebene Geräte, wie zum Bei spiel Motortrennschleifer oder Kettensägen, emittie ren beim Betrieb Schwingungen, welche den Gerätefüh rer bei der Durchführung seiner Arbeitsaufgabe beein trächtigen, wobei die Schwingungen durch die vom An triebsmotor und vom rotierenden oder oszillierenden Arbeitswerkzeug verursachten Vibrationen bedingt sind. Die Schwingungsbelastung kann, je nach Höhe und Dauer, zu chronischen Gesundheitsschädigungen führen. In der Liste der Berufskrankenheiten werden bei spielsweise die Erkrankungen durch Erschütterungen bei Arbeit mit Druckluftwerkzeugen oder gleichartig wirkenden Werkzeugen oder Maschinen (BK 2103) und die vibrationsbedingten Durchblutungsstörungen an den Händen, die zur Unterlassung aller Tätigkeiten ge zwungen haben, die für die Entstehung, die Verschlim merung oder das Wiederaufleben der Krankheit ursäch lich waren oder sein können (BK 2104), aufgeführt.

Es ist allgemein bekannt, daß es insbesondere beim Arbeiten mit Motorkettensägen zu einem häufigen Auf treten der mit BK 2104 bezeichneten Gesundheitsschä den kommt. Da zum Beispiel Motortrennschleifer ähn lich aufgebaut sind und ähnlich hohe Vibrationsbela stungen verursachen, kann auch beim Umgang mit diesen Geräten eine Gefährdung des Geräteführers durch die obengenannten vibrationsbedingten Berufskrankheiten nicht ausgeschlossen werden. Derartige Berufskrank heiten sind nicht nur für die von diesen Krankheiten betroffenen Personen von Bedeutung, es ergeben sich auch für die Versicherungsträger hohe Folgekosten in Form von Renten und Rehabilitationsleistungen.

Bestehende Konstruktionen handgeführter Geräte weisen nach dem derzeitigen Stand der Technik oftmals soge nannte Anti-Vibrations-Systeme auf, welche die Auf gabe haben, die Übertragung der vom Motor und/oder von der angetriebenen Werkzeugeinheit verursachten Schwingungen auf die Hand- bzw. Führungsgriffe zu verringern. Dabei werden üblicherweise aus Elastomer werkstoffen hergestellte Feder-Dämpfer-Elemente ein gesetzt. Diese sollen der schwingenden Einheit (z. B. Motor und rotierendes oder oszillierendes Werkzeug) Energie durch Umwandlung in Wärme entziehen und damit einen Teil der Schwingungsenergie vernichten, so daß nur ein Teil der emittierten Vibrationsenergie auf den restlichen Teil des Gerätes und damit auf die Hand- bzw. Führungsgriffe übertragen wird.

Trotz des seit mehreren Jahren üblichen Einsatzes derartiger Anti-Vibrations-Systeme liegen die Vibra tionsbelastungen zum Beispiel bei Kettensägen oder Motortrennschleifern nach wie vor sehr hoch, so daß eine starke Belastung der Geräteführer durch mechani sche Schwingungen gegeben ist. Bei der Auslegung der artiger Anti-Vibrations-Systeme ist neben der gefor derten Dämpfung der Schwingungen auch die Übertrag barkeit von Führungs-, Halte- und Bearbeitungskräften zu berücksichtigen. Letztere bedingen vom Prinzip her eine möglichst steife Lagerung, während für die ge forderte Schwingungsdämpfung eine möglichst weiche Lagerung notwendig ist. Beide Anforderungen sind bei der Dimensionierung einer schwingungsdämpfenden Lage rung zu berücksichtigen.

Ebenfalls zu berücksichtigen ist, daß die einzelnen schwingungsdämpfenden Feder-Dämpfer-Elemente so an zuordnen sind, daß sie durch das Gewicht der schwin genden Einheit und die beim Betrieb auftretenden Be arbeitungskräfte gleichmäßig belastet werden. Dies ist bei den Kettensägen und Motortrennschleifern nach dem Stand der Technik oftmals nicht der Fall. Bei diesen werden offensichtlich durch eine nicht geeig nete Anordnung und Auswahl der Feder-Dämpfungs-Ele mente einzelne Elemente zum Teil, andere hingegen kaum belastet.

Die Folge dieser ungleichmäßigen Belastung ist, daß die Hersteller der Geräte gezwungen sind, die Stei figkeit oder die Anzahl der verwendeten Feder-Dämp fer-Elemente zu erhöhen. Beide Maßnahmen führen nicht zur Beseitigung der ungleichmäßigen Belastung und bedingen durch die verminderte Effizienz der Anti- Vibrations-Systeme eine unnötige Erhöhung der Schwin gungsbelastung des Geräteführers. Gleichzeitig führt die Verwendung zusätzlicher Feder-Dämpfer-Elemente zur Erhöhung von Montageaufwand und Herstellungsko sten der betrachteten Geräte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine schwingungsdämpfende Lagerung für motorgetriebene, handgehaltene Geräte, wie Motortrennschleifer und Kettensägen zu schaffen, durch die eine effiziente Dämpfung der von dem Antriebsmotor und der angetrie benen Werkzeugeinheit verursachten Schwingungen bei gleichmäßiger Belastung der Feder-Dämpfer-Elemente ermöglicht wird, wobei gleichzeitig die Anzahl der verwendeten Feder-Dämpfer-Elemente minimiert wird und eine gute Übertragbarkeit von Führungs- bzw. Bearbei tungskräften gewährleistet werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die Lagerungspunkte der Feder-Dämpfer- Elemente entsprechend einer fest definierten mathema tischen Beziehung in bezug auf die räumliche Lage des Schwerpunkts der schwingenden Einheit gewählt wird, kann eine Reduzierung der an der Griffvorrichtung auftretenden Schwingungsbelastung um bis zu 80% ge genüber Systemen nach dem Stand der Technik erzielt werden. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige Belastung der Feder-Dämpfer-Elemente bei gleichzeiti ger Minimierung ihrer Anzahl möglich.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung in Auf sicht und in Seitenansicht eines Mo tortrennschleifers mit der erfindungs gemäßen Anordnung der Feder-Dämpfer- Elemente.

Der in Fig. 1 dargestellte Motortrennschleifer 1 weist eine aus einem Vordergriff 2 und einem Gasgriff 3 bestehende Griffvorrichtung 4 und eine elastisch gelagerte Einheit 5 auf, die ihrerseits aus einem Motor mit Trennscheibenantrieb 6 und einer Trenn scheibe 7 besteht. Die Einheit 5 ist relativ zu der Griffvorrichtung 4 über mehrere Feder-Dämpfer-Elemen te 8, 9, 10 elastisch gelagert, die ein Anti-Vibra tions-System bilden.

Damit einerseits die Führungs- bzw. Arbeitskräfte gut auf die elastisch gelagerte Einheit 5 übertragen wer den und andererseits die Feder-Dämpfer-Elemente 8, 9, 10 gleichmäßig belastet werden, sind die Lage rungspunkte in besonderer Weise bestimmt worden. Dazu wird zuerst die räumliche Lage des Schwerpunktes der elastisch gelagerten Einheit 5 bestimmt, wobei in dem Fall, daß unterschiedliche Anbauwerkzeuge Bestandteil der elastisch gelagerten Einheit sein können, von all den für die einzelnen Werkzeuge bestimmten Schwer punkten, deren Lage unterschiedlich sein kann, die mittlere Lage des Schwerpunktes gewählt wird. In die se (mittlere) Schwerpunktlage wird ein dreidimensio nales Koordinatensystem gelegt, wobei die z-Richtung die vertikale Richtung bestimmt und die x-Richtung die Fortschreitrichtung der Trennscheibe darstellt. Ausgehend von diesem Koordinatensystem werden die Feder-Dämpfer-Elemente nach den folgenden Gleichungen angeordnet:

In diesen Gleichungen bedeuten:

x_j = Abstand eines einzelnen Feder-Dämpfer-Elementes "j" von der Position des (mittleren) Schwerpunk tes in x-Richtung
y_j = Abstand eines einzelnen Feder-Dämpfer-Elementes "j" von der Position des (mittleren) Schwerpunk tes in y-Richtung
z_j = Abstand eines einzelnen Feder-Dämpfer-Elementes "j" von der Position des (mittleren) Schwerpunk tes in z-Richtung
c_Dj = Steifigkeit eines einzelnen Feder-Dämpfer- Elementes "j" bei translatorischer Druckbe lastung
c_Sj = Steifigkeit eines einzelnen Feder-Dämpfer- Elementes "j" bei translatorischer Schubbe lastung.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die An zahl der Lagerungspunkte, d. h. der Feder-Dämpfer-Ele mente 8, 9, 10 vorteilhafterweise auf drei be schränkt, es können jedoch auch mehr sein. In Fig. 1 sind die Koordinaten der Lagerpunkte der Feder-Dämp fer-Elemente 8, 9, 10 in bezug auf den Schwerpunkt 11 schematisch angegeben.

Die Feder-Dämpfer-Elemente 8 bis 10 werden abhängig von der zu erwartenden maximalen Belastung ausgewählt und entsprechend den aufzunehmenden Kräften an den entsprechenden Lagerpunkten ausgerichtet eingebaut. Im Falle der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Motortrennschleifer, aber auch bei Kettensägen, wer den diese in der x- und z-Richtung auf Schub und in y-Richtung auf Druck belastet. Die üblichen Feder- Dämpfer-Elemente haben bei Druckbelastung eine hohe Federsteifigkeit und sind für die Schubbelastung re lativ weich, d. h. sie weisen eine geringe Federstei figkeit auf, so daß sie in der x- und z-Richtung eine gute Dämpfung gewährleisten.

Für die Dimensionierung, d. h. die Auswahl der bei dem Ausführungsbeispiel verwendeten Feder-Dämpfer-Elemen te, ist zu berücksichtigen, daß die aus der Gesamt masse der elastisch gelagerten Einheit 5 resultieren de Schubbelastung in z-Richtung, und entsprechend in x-Richtung, geringer ist als die zulässige Belastung der Elemente. Gleichzeitig gilt für die Gesamtfeder steifigkeit der verwendeten Feder-Dämpfer-Elemente, daß sich abhängig von der Gesamtmasse der elastisch gelagerten Einheit 5 eine Eigenfrequenz f_z in z-Rich tung und f_x in x-Richtung ergibt, die etwa um den Faktor 0,7 kleiner ist als die niedrigste, auf das System wirkende Frequenz der in der elastisch gela gerten Einheit vorhandenen Erregerquellen. Wird dies nicht berücksichtigt, so kann es in dem Frequenzbe reich zu schädlichen Resonanzen kommen, oder es ist zumindest keine Dämpfungswirkung vorhanden. Der ge nannte Faktor von etwa 0,7 (1/) läßt sich aus den entsprechenden Schwingungsübertragungsfunktionen be stimmen.

Die erfindungsgemäße Lagerpunktanordnung läßt sich mittels der oben angegebenen Gleichungen iterativ bestimmen, d. h. es werden aufgrund der vorgegebenen Belastungsbedingungen beispielsweise drei Feder-Dämp fer-Elemente und deren Anordnung gewählt und anhand der Gleichungen wird festgestellt, ob diese erfüllt sind oder nicht. Falls die Gleichungen nicht erfüllt sind, wird eine oder mehrere der veränderlichen Grö ßen (geometrische Anordnung und/oder Federsteifigkeit der einzelnen Feder-Dämpfer-Elemente) verändert, bis die Bedingungen eingehalten werden.

Claims

1. Schwingungsdämpfende Lagerung für motorgetriebe ne, handgehaltene Geräte mit einer in bezug auf eine Griffvorrichtung über Feder-Dämpfer-Elemen te elastisch gelagerten Einheit bestehend aus Antrieb und Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder-Dämpfer-Elemente (8, 9, 10) bezüg lich eines durch den Schwerpunkt (11) der ela stisch gelagerten Einheit (5) gelegten dreidi mensionalen Koordinatensystems derart angeordnet sind, daß wobei
x_j = Abstand eines einzelnen Feder-Dämpfer-Ele mentes "j" von der Position des Schwerpunk tes in x-Richtung,
y_j = Abstand eines einzelnen Feder-Dämpfungs- Elementes "j" von der Position des Schwer punktes in y-Richtung,
z_j = Abstand eines Feder-Dämpfungs-Elementes "j" von der Position des Schwerpunktes in z- Richtung,
c_Dj= Steifigkeit eines einzelnen Feder- Dämpfer-Elementes "j" bei translatori scher Druckbelastung, und
c_Sj = Steifigkeit eines einzelnen Feder- Dämpfer-Elementes "j" bei translatori scher Schubbelastungbedeuten.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Feder-Dämpfer-Elemente (8, 9, 10) an mindestens drei Lagerpunkten vorgesehen sind.

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei unterschiedlichen mit dem Ge rät verwendbaren Werkzeugen die jeweilige räum liche Lage des Schwerpunktes bestimmt wird und der mittlere Schwerpunkt als Schwerpunkt gewählt wird.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Feder- Dämpfer-Elemente (8, 9, 10) unterschiedliche Druck- und/oder Schubsteifigkeiten aufweisen.

5. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Feder- Dämpfer-Elemente (8, 9, 10) identisch ausgebildet sind.

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Gesamtfederstei figkeit der Feder-Dämpfer-Elemente (8, 9, 10) so bestimmt wird, daß unter Berücksichtigung der Gesamtmasse der elastisch gelagerten Einheit (5) sich eine Eigenfrequenz (f_z) des Federsystems in z-Richtung und/oder eine Eigenfrequenz (f_x) in x-Richtung ergibt, die um einen vorgegebenen Faktor kleiner als die für die während des Gerä tebetriebs auftretende Schwingungsbelastung re levante niedrigste Frequenz der in der elastisch gelagerten Einheit (5) vorhandenen Erregerquel len ist.

7. Lagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der vorbestimmte Faktor etwa 1/ be trägt.

8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Feder-Dämpfer-Ele mente (8, 9, 10) so ausgewählt und angeordnet sind, daß sie in z- und x-Richtung eine geringe Federsteifigkeit und in y-Richtung eine hohe Federsteifigkeit aufweisen.