Bestimmung der Leistungsdissipation menschlicher Hand-Arm-Systeme als Voraussetzung für die Beurteilung ihrer Ankopplung an Handmaschinen

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menschlicher Hand-Arm-Systeme als Voraussetzung für die Beurteilung ihrer Ankopplung an Handmaschinen

J. Kinne, M. Schatte

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J. Kinne M. Schatte

Bestimmung der Leistungsdissipation menschlicher Hand-Arm-Systeme als Voraussetzung für die Beurteilung ihrer

Ankopplung an Handmaschinen

Dortmund/Berlin/Dresden 2012

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Diese Veröffentlichung ist die Langfassung eines Vortrages zur Internationalen VDI- Tagung „Humanschwingungen“ am 3. und 4. Mai 2010 in Würzburg.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Autoren: Dr. Jens Kinne

Dr. Martin Schatte

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Inhaltsverzeichnis

Seite

Kurzreferat 5

Abstract 6

1 Einleitung 7

2 Messung der Impedanz menschlicher Hand-Arm-Systeme (HAS) 10

2.1 Einhand-Impedanz 10

2.2 Zweihand-Impedanz 13

3 Schwingungsschutz durch Trennung von Mensch und Maschine

mit Hilfe biomechanischer Hand-Arm-Modelle (HAM) 18 4 Die multifaktorielle Kennfunktion Impedanz des menschlichen

HAS 20 5 Berechnung der Leistungsdissipation in einem HAS 22 6 Berechnung und Auswertung von Leistungsumwandlungsspektren

(LUSP) 26

6.1 Datenbestand 26

6.2 Ergebnisse 27

6.2.1 Beispiele für LUSP 27

6.2.2 Adaptionsvorgänge 29

6.2.3 Einfluss der beruflichen Tätigkeit 32

7 Beurteilung der LUSP von HAS in Bezug auf die

Ankopplungsqualität zwischen HAS und Handmaschine 35 7.1 Einführung einer Altersgruppeneinteilung der Versuchspersonen 35 7.2 Formulierung von Beurteilungsindikatoren für die LUSP in Form

von Schwellwerten 35

7.2.1 Frequenz des Maximalwertes des LUSP in Hz 35

7.2.2 Relatives Flächenverhältnis in % 36

7.2.3 Ankopplungsmaß 37

7.2.4 Leistungsumwandlung des HAS in Nmm/s 38

7.2.5 Maximalwert des LUSP in Nmm/s 38

7.3 Beurteilung der vorliegenden LUSP 39

8 Auswertung 46

9 Vergleich der Ergebnisse mit denen des

Forschungsthemas F 2118 48

10 Vergleich der Ergebnisse mit Arbeiten von Morschhäuser 52

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11 Diskussion des Geltungsbereichs von gemessenen

Hand-Arm-Schwingungsfrequenzen 54

12 Zusammenfassung 56

13 Ausblick 58

Literaturverzeichnis 60

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 64

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Bestimmung der Leistungsdissipation menschlicher Hand-Arm-Systeme als Voraussetzung für die Beur- teilung ihrer Ankopplung an Handmaschinen

Kurzreferat

Im Arbeitsschutz spielt der Präventionsgedanke eine wesentliche Rolle. Diesen Ge- danken sucht der Technische Schwingungsschutz zu verwirklichen, in dem er beispielsweise technische Lösungen erarbeitet, die die Arbeitnehmerinnen und Arbeit- nehmer vor der schädigenden Einwirkung mechanischer Schwingungen auf ihren Körper, im vorliegenden Fall auf die beiden menschlichen HAS, bewahrt. Eine mögli- che Lösung dieses Problems ist die Anwendung des Prinzips der Trennung von Mensch und Maschine und hier im Besonderen eines automatisierter Handmaschi- nen-Prüfstands, welcher biomechanische HAM enthält. Mit Hilfe derartiger biomechanischer HAM kann eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) überflüssig gemacht werden.

Für die Generierung biomechanischer HAM wird die multifaktorielle Kennfunktion Impedanz des menschlichen HAS verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit handelt es sich dabei um die neu vorgestellte Zweihand-Impedanz. Da dieser multifaktoriellen Kennfunktion vielfältige Informationen über das oder die HAS eingeprägt sind wurde untersucht, ob Informationen nutzbar gemacht werden können, die die Ankopplung eines HAS an eine Handmaschine sichtbar machen.

Zu diesem Zweck wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Art und Weise der Ankopplung eines HAS an den Haupthandgriff einer Handmaschine sichtbar machen lässt. Dies wird möglich durch die Berechnung von Spektren der im HAS dissipierten Leistung auf der Grundlage gemessener Impedanzverläufe. Diese sogenann- ten Leistungsumwandlungsspektren des durch eine Handmaschine belasteten HAS geben nicht nur den Wert der umgewandelten Leistung an, sondern ermöglichen auch durch den Vergleich mit anderen, aber gleich ermittelten Spektren das Sicht- barmachen von Adaptionsvorgängen bei der Ankopplung und zeigen Abhängigkeiten vom Beruf miteinander verglichener Versuchspersonen (VP) auf. Die Anwendung dieser Spektren wird aufgrund der vorgelegten Ergebnisse zukünftig auch das Trai- ning von HAS für die Verbesserung und Optimierung von deren Ankopplung an Handmaschinen ermöglichen.

Ein spezieller Datenvergleich bestätigte die Annahme, dass ein Leistungs- umwandlungsspektrum als arbeitswissenschaftlicher Beanspruchungsindikator An- wendung finden kann. Es ist daher wahrscheinlich, dass die bisher durch entsprechende Untersuchungen nachgewiesene Anzahl älterer Arbeitnehmer mit Leistungs- einschränkungen an Handmaschinenarbeitsplätzen 50 % übersteigen wird.

Schlagwörter:

Arbeitsschutz, Prävention, Schwingungsschutz, Hand-Arm-System, Mensch- Maschine-Schnittstelle, Handmaschine, Hand-Arm-Modell, Biomechanik, Zweihand- Impedanz, Leistung, Dissipation, Berechnungsverfahren, Ankopplung, Arbeitswissen- schaft, Beanspruchungsindikator

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Determination of the Power Dissipation of Human Hand-Arm Systems as a Prerequisite to Assessing their Coupling to Manually Operated Machines

Abstract

In the field of occupational safety, the idea of prevention plays an essential role. The technical vibration protection strives to implement this idea e.g. by devising technical solutions that protect employees from the harmful impact of mechanical vibrations on their body; in the present case, on both the human hand-arm systems (HAS). A possible solution to this problem is to apply the principle of separating human and machine and, in this particular case, to apply an automated test stand for manually operated machines that contains biomechanical hand-arm models (HAM). With the help of such biomechanical HAM, a human-machine interface (HMI) can be redundan- tised.

In generating biomechanical HAM, the multifactorial characteristic function ‘impedance of the human HAS’ is used. In the context of this work, this function is the newly introduced two-hand impedance. Since this multifactorial characteristic function in- volves multifaceted information about the HAS, an analysis was performed regarding the possible utilisation of information that visualises the coupling of an HAS to a manually operated machine.

For this purpose, a method was developed serving to visualise the way an HAS is coupled to the main handle of a manually operated machine. This is made possible by calculating the spectra of the power dissipated in the HAS on the basis of meas- ured impedance gradients. These so-called power conversion spectra of an HAS stressed by a manually operated machine do not only indicate the value of the con- verted power but, by means of the comparison with different but equally determined spectra, also make it possible to visualise adaptation processes in coupling and show dependencies on the profession of test subjects that were compared to each other.

Based on the results presented here, the use of these spectra will also permit to train HAS in order to improve and optimise their coupling to manually operated machines.

A special data comparison confirmed the assumption that a power conversion spec- trum can be used as stress indicator in work science. Therefore, the number of older employees with performance limitations at workplaces with manually operated machines that has hitherto been verified by corresponding tests will probably exceeds 50%.

Key words:

occupational safety, prevention, vibration protection, hand-arm system, human- machine interface, hand-held machine, biomechanics, two-hand impedances, power, dissipation, calculation method, coupling, work science, stress indicator

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1 Einleitung

In der zweiten Hälfte der 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts beschloss die damalige Forschungsgruppe (FG) Technischer Schwingungsschutz der Bundes- anstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) unter Leitung von Dr.-Ing. R.

Melzig-Thiel, ihre Forschungsausrichtung zu verändern. Hatte sie bisher zur Verbes- serung des Schutzes der Arbeitnehmer vor der Einwirkung mechanischer Schwin- gungen an ihren Arbeitsplätzen als präventive Maßnahme hauptsächlich die Tren- nung von Mensch und Maschine und dabei zweigleisig sowohl Ganzkörper- schwingungen (GKS) als auch Hand-Arm-Schwingungen (HAS) untersucht, so beschloss sie nun, ihre Forschungsausrichtung nur mehr dem HAS zuzuwenden.

Die FG konnte bis dato sowohl ein einfaches mechanische Modell des sitzenden Menschen, siehe [6], [7], [9], [22], [23], als auch einen automatisierten Handmaschi- nenprüfstand für Handmaschinen bis zu 20 kg Masse [26] Wissenschaft und Wirt- schaft einsatzbereit zur Verfügung stellen.

Reale Modelle des sitzenden Menschen lassen sich beispielsweise bei der Prüfung von Schwingsitzen für Nutzfahrzeuge einsetzen, für die noch immer leider der Mensch das Maß aller Dinge ist. Dies ist durchaus in Übereinstimmung mit geltenden Normen möglich.

Ein Handmaschinenprüfstand kann für die Prüfung von Handmaschinen, für Stand- zeit- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen usw. eingesetzt werden und hat in der ausgeführten Form sogar noch den Vorteil, dass er autonom arbeiten kann. Lärm-, Staub- und Klimabelastung fallen also für den damit befassten Arbeitnehmer weg.

Beiden Entwicklungen lag die Kennfunktion Impedanz zugrunde. Zum einen waren dies die Impedanz des sitzenden Menschen nach [R2] und zum anderen die des menschlichen HAS nach [R3].

Die Arbeit mit beiden Impedanzen und die Anwendung dieser Impedanzen bei der Suche nach technischen Lösungen hatte in der FG lange Tradition. Die Impedanz, gemessen am menschlichen Körper an der Mensch-Maschine Schnittstelle (MMS), körperseitig also an der Trennstelle zwischen dem Körperinneren und dem Körper- äußeren ist ja eine zweifach interpretierbare Funktion.

Zum einen ist sie ohne die Physiologie des Menschen nicht denkbar, enthält also eingeprägte physiologische Informationen und wird auch so interpretierbar sein. Zum anderen ist sie aber auch biomechanisch interpretierbar. Physiologisch betrachtet gibt sie einerseits das Zusammenspiel von Körper und Geist am HAS bei der Reakti- on auf beispielsweise eine aufgeprägte äußere Kraft auf die Hand wieder. Anderer- seits ist genau diese Reaktion auf diesen Vorgang messtechnisch erfassbar und biomechanisch, also auch technisch interpretierbar und damit technisch nutzbar. Die Impedanz selbst ist physikalisch gesehen eine Kennfunktion, die an oder in einem Punkt gemessen wird. Streng genommen ist sie auch nur an diesem Punkt anwend- und interpretierbar. Und eben deswegen ist sie auch, was ihre Messung am menschlichen Körper anbetrifft immer eine multifaktorielle Funktion, vgl. Abschnitt 4.

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Zum vorbeschriebenen Zeitpunkt gelangte die FG nach längerer wissenschaftlicher Diskussion zu der Ansicht, dass der Technische Schwingungsschutz in Bezug auf GKS kaum noch Ansatzpunkte für erhebliche Verbesserungen der Gesamtsituation bot. Es standen in dieser Beziehung ausreichend wirksame Verfahren des Techni- schen Schwingungsschutzes zur Anwendung in Wissenschaft und Wirtschaft bereit.

Anders stellte sich die Situation im Bereich der HAS dar. Die Anzahl der Arbeitsplätze mit HAS-Expositionen war um Größenordnungen höher, die finanziellen Auswirkun- gen auf lange Sicht infolge des BK-Geschehens in den BK 2103 und BK 2104 volks- wirtschaftlich bedeutsam, siehe auch [R1] und [7]. Zudem war unter anderem bei der Bearbeitung verschiedener Forschungsthemen, wie [26] oder auch bei Kinne und Melzig-Thiel [11] sowie von Kinne und Latzel [12] zu Tage getreten, dass die Impe- danz nach DIN 45677 [R3] nicht der Realität bei der Interaktion Mensch-Maschine an einem Handmaschinenarbeitsplatz entsprach. Deswegen begannen intensive For- schungsarbeiten in diese Richtung, die zum einen zu einer Arbeit von Latzel [14] und zum anderen zur Dissertation von Kinne [7] führten. Immer wieder war es in der Zwi- schenzeit Gegenstand wissenschaftlicher Diskussion in der FG, dass aufgrund der beschrieben Informationenvielfalt, die in der Kennfunktion Impedanz verborgen ist, nach Einbeziehung der Realitäten am Arbeitsplatz, also nach vollzogenem Übergang von der Messung der Einhand-Impedanz zur Zweihand-Impedanz im Labor sich auch neue Wege beispielsweise bei der Suche nach einer Antwort auf die Frage, wie das Zusammenspiel zwischen HAS und Handmaschine einschätz- und nutzbar gemacht werden kann, ergeben würden.

Energiebetrachtungen am HAS lagen schon vor, als Auswahl daraus wird hier nur auf die Arbeiten von Lidström [15] und von Sörensen und Burström [27] verwiesen.

Besondere Erwähnung soll an dieser Stelle aber eine Arbeit von Fritz [4] finden. Er stellt darin eine Berechnung der dissipierten Energie mit Hilfe eines einfachen Ein- massen-HAS-Schwingungsmodells an der Schnittstelle HAS-Handmaschine vor. Da- bei verwendet er im Berechnungsgang auch die Impedanz des HAS zur Ermittlung des Einflusses der Handkräfte auf die dissipierte Leistung.

Die dissipierte Energie verwendet er, um zu zeigen, dass man aus der dissipierten Energie unter Berücksichtigung der im Arbeitsleben verwendeten Handmaschinen und der zugehörigen tatsächlichen Expositionszeiten auf relativ einfache Weise der Einzahlangabe frequenzbewertete Schwingbeschleunigung vergleichbare und mögli- cherweise den Erkrankungszusammenhang besser treffende Zusammenhänge erhalten könnte. In dieser Ansicht weiß er sich verbunden mit Burström und Lundström, siehe [2] und [3].

Die vorliegende Arbeit wird zeigen, dass die Erwartungen an eine weitere Nutzung der Impedanz verwirklicht werden können.

Ebenfalls in dieser Zeit begannen Melzig-Thiel und Kinne angesichts der immer stär- keren Wahrnehmung des Einflusses der zu erwartenden demografischen Verände- rungen in unserer Gesellschaft das Design für ein Fremdforschungsthema vorzube- reiten, dass sich der Frage widmen sollte, welchen Einfluss das höhere Alter von Ar- beitnehmern an einem Handmaschinenarbeitsplatz in Bezug auf die Sicherheit am Arbeitsplatz hat. Die Frage ist ja, ob geriatrische Veränderungen der Arbeitnehmer

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sich auf das System Mensch-Maschine, bei dem die Handmaschine sich ja zumeist nicht ändert, möglicherweise in einer Minderung der Sicherheit am Arbeitsplatz aus- drücken könnten, vgl. [24]. Mit den Ergebnissen dieses Forschungsthemas sowie mit Veröffentlichungen von Morschhäuser, siehe [19] und [20], werden die Ergebnisse der vorgelegten Arbeit verglichen.

Die Verfasser schlagen vor, für eine bessere Akzeptanz des Begriffes Leistungsdissi- pation im menschlichen HAS für breite Anwenderkreise den Begriff Leistungsum- wandlung zu verwenden.

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2 Messung der Impedanz menschlicher Hand- Arm-Systeme (HAS)

2.1 Einhand-Impedanz

Die Messung der Impedanz menschlicher HAS entwickelte sich aus der Anwendung der Admittanzkonzeption, siehe [16] und [28], beispielsweise bei der Beschreibung der Köperschallanregung von Gebäuden durch Maschinen zur Darstellung der schwingungstechnischen Eigenschaften einer Gebäudedecke. Hierbei wurde in Ana- logie zur Akustik und Elektrotechnik in einen Punkt der Gebäudedecke eine bekannte Anregung eingeleitet. Gleichzeitig wurde die Antwort der Gebäudedecke in demsel- ben Punkt gemessen. Damit wurden die dynamischen Eigenschaften der Gebäude- decke in diesem Punkt beschrieben. Die Reaktionen anderer Punkte des Gebäudes, also der „komplizierten Struktur“, interessierten dabei zunächst nicht.

Die mathematische Beziehung für die Admittanz (auch Geschwindigkeitsadmittanz) an einem Punkt ist

h = v / F (2.1)

wobei h, F, v komplexe Größen im Frequenzbereich sind.

Da einer Messung relativ einfach zugänglich, wurde auch im Bereich der Hand-Arm Schwingungen zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften menschlicher HAS u. a. von Meltzer et al. [23] und [24] die Beschleunigungsadmittanz

ha = a / F (2.2)

verwendet, wobei ha, F, a ebenso komplexe Größen im Frequenzbereich sind.

Nur für den Fall der Betrachtung eines Punktes ist die Impedanz (Punktimpedanz, auch Eingangsimpedanz, im englischen Sprachraum mit driving point impedance bezeichnet) der Kehrwert der Admittanz.

Die mathematische Beziehung für die Ermittlung der frequenzabhängigen Größe lau- tet

v

z  F (2.3)

Auch hierbei handelt es sich im Einzelnen um komplexe Größen.

Das Prinzip der Impedanzmessung für ein HAS kann der Abb. 2.1 entnommen werden.

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Abb. 2.1 Prinzip der Einhand-Impedanzmessung

(Typische Arbeitshaltungen mit einer Schlagbohrmaschine)

Obwohl Kuhn [13] bereits 1953 eine Arbeit zur Impedanz des menschlichen HAS vor- legte, begann erst um 1970 in der Scientific Community, die sich in vielen Ländern mit der Erforschung des Schwingungsverhaltens der menschlichen HAS befasste, mit Abrams [1] die Entwicklung hin zur Verwendung der freien Impedanz des vor- zugsweise rechten männlichen HAS zur Beschreibung dieses Schwingungsverhal- tens und dies trotzdem der messtechnische Aufwand für ihre Ermittlung ziemlich um- fangreich ist, wie [10] entnommen werden kann. Freie Impedanz ist dabei die Be- zeichnung derjenigen Impedanz des HAS, die keine Anteile der Masse des zur Im- pedanzmessung verwendeten Handgriffs oder der Impedanzmesseinrichtung mehr enthält.

Derzeit existieren zwei Normen zur mechanischen Eingangsimpedanz des menschlichen HAS, national die DIN 45677 [R3] und international die ISO 10068 [R6]. Die erste Ausgabe der DIN 45677 erfolgte 1993. Die entsprechende internationale Norm ISO 10068 konnte von der International Organisation for Standardization (ISO) erst 1998 herausgegeben werden. Dann allerdings mit der Einarbeitung inzwischen ent- standener neuerer Erkenntnisse und Messergebnisse. Aus diesem Grund erfolgte eine Revision der DIN 45677, bei deren Neufassung 2001 die wesentlichen Inhalte der ISO 10068 berücksichtigt wurden. Beide Normen sind also vom Inhalt her weit- gehend identisch. Es wird jedoch in der DIN 45677 nur eines der mechanischen Mo- delle für die freie Impedanz des menschlichen HAS aus der ISO 10068 angegeben.

Im vorliegenden Fall sind also der internationale und der nationale Stand des Wis- sens auf einer vergleichbaren Höhe. Für die Beschreibung des Schwingungsverhal- tens des menschlichen HAS fand demnach seit 1993 die DIN 45677 Anwendung, ab 1998 hingegen die ISO 10068 und ab 2001 konnte die Fachwelt sich auf beide Stan- dards gleichermaßen beziehen. In beiden Standards kann man Hinweise zu mögli- chen Abhängigkeiten der Impedanz des HAS von der Greifkraft, der Andruckkraft, der Armhaltung u. a. finden. Für die Messung und Bewertung der Greif- und Andruckkräf- te wurde eine eigene DIN 45679 [R4] entwickelt.

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Eine der Begründungen für den Wechsel von der Beschleunigungsadmittanz zur (Geschwindigkeits-)Impedanz wird im Kurvenverlauf beider Funktionen gesehen.

Betrachtet man Abb. 2.2, entnommen [9], so fällt auf, dass man aus diesem Beschleunigungsadmittanzverlauf ad hoc kaum Rückschlüsse im Hinblick auf die Interpretation des vorliegenden biomechanischen Systems in Bezug auf die mögliche Generierung einer Schwingerkette ziehen kann.

Abb. 2.2 Eingangsbeschleunigungsadmittanz eines HAS

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Verwendet man hingegen die Impedanz als beschreibende Funktion für das HAS, so kann man aus ihr sehr wohl ad hoc Hinweise erhalten. Zu ersehen ist dies aus der folgenden Abbildung nach [10]:

10 100 1000

1 10 Frequenz in Hz 100 1000

Betrag der Impedanz in Ns/m

MW Imp. rechts Betrag (Ns/m); korr.(34) m: 1,45 kg (Phi=90)

c: 340,0 Ns/m (Phi=0) k: 145000 N/m (Phi=-90) m: 0,11 kg (Phi=90) m: 2,00 kg (Phi=90)

Abb. 2.3 Impedanzkurve des rechten HAS mit Kennwertinterpretation

Wie ebenda [10] beschrieben, ist es möglich, näherungsweise die Parameter Masse, Federsteifigkeit und Dämpfung aus dem Verlauf der Impedanzkurve zu ermitteln.

Wenn es auch nur erste Hinweise sind, so kann im vorliegenden Fall doch zunächst vom Vorhandensein wenigstens einer Zweimassenschwingerkette ausgegangen werden. Dies ist eine Interpretationsmöglichkeit, die man in der Admittanzkurve so nicht sofort finden kann.

2.2 Zweihand-Impedanz

Durch Arbeiten von Kinne und Latzel et al. [10] und Kinne [7] wurde anstelle der Ein- hand-Impedanzmessung die Zweihand-Impedanzmessung zur Anwendung empfoh- len. Hierbei werden die beiden HAS nach ihrem Krafteinsatz im Messverfahren in Krafthand und Führhand unterschieden.

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Krafthand: Hand bzw. Hand-Arm-System mit dem

größeren Krafteinsatz beim Arbeitsvorgang F

_gr

= 50 N, F

_fe

= 60 N

Führhand: Hand bzw. Hand-Arm-System mit dem

geringeren Krafteinsatz beim Arbeitsvorgang F

_gr

= 30 N, F

_fe

= 10 N

Beugewinkel a linkes HAS: 120°±15°

(Oberarm/Unterarm)

rechtes HAS: 90°±15°

Krafthand: Hand bzw. Hand-Arm-System mit dem

größeren Krafteinsatz beim Arbeitsvorgang F

_gr

= 50 N, F

_fe

= 60 N

Führhand: Hand bzw. Hand-Arm-System mit dem

geringeren Krafteinsatz beim Arbeitsvorgang F

_gr

= 30 N, F

_fe

= 10 N

Beugewinkel a linkes HAS: 120°±15°

(Oberarm/Unterarm)

rechtes HAS: 90°±15°

Abb. 2.4 Bezeichnung der Hände nach dem Krafteinsatz bei der Anwendung einer Handmaschine in Andruckrichtung

Die Bezeichnung eines HAS kann ja je nach Händigkeit des Menschen wechseln.

Das Prinzip der Zweihand-Impedanzmessung zeigt Abb. 2.5.

Abb. 2.5 Messaufbau für die praxisnahe Impedanzmessung (Zweihand-Impedanz) Es steht mit diesen Arbeiten ein modernes Labormessverfahren zur Verfügung, wel- ches

1. die Impedanz beider HAS unter praxisnahen Bedingungen gleichzeitig und damit aus Anwendungssicht handmaschinengerecht ermittelt,

2. den Messwert simultan um die Impedanzen der Messhilfsmittel korrigiert und 3. während der Messung Impedanzbetrag und Phasenbeziehung der schwin-

genden Massen berücksichtigt.

Die mit diesem Verfahren gewonnenen Hand-Arm-Impedanzen unterscheiden sich sowohl von den bisher gemessenen Impedanzen als auch von HAS zu HAS. Der in der geltenden Norm empfohlene Vorschlag der Verdopplung der Impedanz des rech-

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ten HAS zur Gewinnung der Summe der Impedanzen des rechten und linken HAS ist infolge des nunmehrigen Kenntnisstandes nicht aufrecht zu erhalten.

In den folgenden Abbildungen werden die zur Einführung in die Normung empfohle- nen Messergebnisse dargestellt:

10 100 1000

10 100 Frequenz in Hz 1000

Impedanz in Ns/m

MW rechts Betrag DIN 45677 DIN StAbw(o) DIN StAbw(u)

Mittelwert von 54 VP

Abb. 2.6 Vergleich des Verlaufs des Impedanzbetrages nach DIN 45677 mit dem Mittelwert des Impedanzbetrages der Krafthände, hier des rechten HAS (mit Standardabweichung)

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10 100 1000

10 100 Frequenz in Hz 1000

Impedanz in Ns/m

MW links Betrag DIN 45677 DIN StAbw(o) DIN StAbw(u)

Abb. 2.7 Vergleich des Verlaufs des Impedanzbetrages nach DIN 45677 mit dem Mittelwert des Impedanzbetrages der Führhände, hier des linken HAS (mit Standardabweichung)

Die folgende Abbildung stellt die Zweihand-Impedanzen gegenüber:

10 100 1000

1 10 100 Frequenz in Hz 1000

Impedanz in Ns/m

MW rechts MW links

Abb. 2.8 Vergleich der Mittelwerte der Kraft- und Führhände

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Der Vergleich summierter Zweihand-Impedanzen mit verdoppelten Einhand- Impedanzen nach [7] in der nächsten Abbildung zeigt auch, dass für biomechanische Modellierungen beider HAS nur die Impedanzen der jeweiligen Kraft- oder Führhand verwendet werden sollten. Dabei entspricht die rote Impedanzkurve der gleichfarbi- gen Impedanzkurve in der vorherigen Abbildung.

100 1000

10 100 1000

MW rechts rechts+links MW DIN 45677 MW DIN 45677 verdoppelt 2*MWrechts

Abb. 2.9 Vergleich der Summierung, Verdopplung und Multiplikation von Impedanzkurven

Die Arbeit von Kinne [7] zeigt darüber hinaus insbesondere, dass derart ermittelte Impedanzen beider HAS die Startwerte für biomechanische Modellierungen der HAS deutlich verbessern. Mit Hilfe dieser Impedanzverläufe konnte ein anatomienahes mechanisches 3-Massen-Schwingungsmodell für beide HAS generiert werden, dass die anthropometrischen Armteilmassen in guter Näherung wiedergibt.

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3 Schwingungsschutz durch Trennung von Mensch und Maschine mit Hilfe biomecha- nischer Hand-Arm-Modelle (HAM)

Im Arbeitsschutz spielt der Präventionsgedanke eine wesentliche Rolle. Diesen Ge- danken sucht der Technische Schwingungsschutz zu verwirklichen, in dem er beispielsweise technische Lösungen erarbeitet, die die Arbeitnehmerinnen und Arbeit- nehmer vor der schädigenden Einwirkung mechanischer Schwingungen auf ihren Körper, im vorliegenden Fall auf die beiden menschlichen HAS, bewahrt. Eine mögli- che Lösung dieses Problems ist die Anwendung des Prinzips der Trennung von Mensch und Maschine. Diese Trennung kann auf zwei Arten erfolgen:

1. Physikalische Trennung, obere Bilderreihe und 2. physikalischer Ersatz, unter Bilderreihe.

Abb. 3.1 Realisierung der Trennung von Mensch und Maschine durch

(im Uhrzeigersinn) einen Bohrwagen, eine ferngesteuerte Grabenwalze, einen automatisierten Handmaschinen-Prüfstand und ein

biomechanisches Modell des sitzenden Menschen

Eine dieser Möglichkeiten der Anwendung des Prinzips der Trennung von Mensch und Maschine, der automatisierte Handmaschinen-Prüfstand, setzt die Entwicklung und den Bau biomechanischer HAM voraus.

Hierbei versucht man „künstliche HAS“ im Sinne der Nachbildung der mechanischen Eigenschaften der HAS des Menschen zu schaffen, die den Menschen präventiv von technischen Prozessen trennen, die potenziell gesundheitsgefährdend sind. Damit wird eine MMS überflüssig gemacht. Andere Eigenschaften (oder Fähigkeiten) des Menschen werden bei diesen Prozessen nicht benötigt, oder, wie im Fall des Bei- spiels Grabenwalze auf anderem Wege realisiert.

(20)

Der Zweck des dargestellten Einsatzes biomechanischer HAM bringt es mit sich, dass es ausreicht, derartige Schwingungsmodelle mit Hilfe einer am HAS messbaren mechanischen Antwort (auf eine Schwingungserregung) zu generieren. Das HAS selbst wird nicht mehr benötigt, es genügt, dass es seine mechanische Antwort zur Verfügung stellt. Diese mechanische Antwort ist die am HAS messbare physikalische Größe Impedanz.

Aus dem Kurvenverlauf des Betrags der Impedanz kann man erkennen, ob sich da- hinter beispielsweise ein mehrmassiges Schwingungssystem verbirgt, siehe Abb.

2.3. Außerdem kann man Parameter wie Masse, Federsteifigkeit und Dämpfung nä- herungsweise ermitteln. Kurz gesagt: der Impedanzverlauf ist ein biomechanisches Abbild, im vorliegenden Fall des oder der menschlichen HAS.

Die Impedanz charakterisiert also die mechanischen Eigenschaften des Hand-Arm- Systems. Es kann zwar erwartet werden, dass diese Eigenschaften bei allen Men- schen wegen des Knochenaufbaus der Hand-Arm-Systeme ähnlich sind, doch gibt es in jedem Fall intra- und interindividuelle Unterschiede. Zudem können im HAS Kennwertunterschiede durch das Trainieren von Eigenschaften des HAS, durch Mas- severänderungen und z. B. auch durch krankhafte Veränderungen an Gelenken, Muskeln und Sehnen des HAS auftreten. Es ist durchaus vorstellbar, dass man durch Impedanzmessung sozusagen den derzeitigen oder Ist-Zustand eines HAS in Bezug auf seine mechanischen Eigenschaften feststellen und diesen Zustand dann mit einer sehr viel später ausgeführten Messung der Impedanz des HAS vergleichen kann.

Wenn man dies kann, so ist auch ein weiterer Schritt vorstellbar und zwar der, dass es möglich sein muss, an der MMS ein weiteres Mal in das HAS „hinein-zuschauen“

und zu versuchen, mit Hilfe der Impedanz eine Aussage über die leistungsmäßige Reaktion des menschlichen HAS auf eine Schwingungsexposition zu finden.

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4 Die multifaktorielle Kennfunktion Impedanz des menschlichen HAS

Die in ISO 10068 [R6] und DIN 45677 [R3] beschriebene Kennfunktion des menschlichen HAS ist die physikalisch messbare physiologische Antwort auf eine multifaktorielle Belastung des HAS, siehe Abb.

Belastungsparameter:

Schwingungsbelastung, normiert Handandruckkraft

Greifkraft

Zwangshaltung des HAS (festgelegte Armhaltung pro HAS) 4 gleichzeitig wirkende Parameter bei einhändiger und

7 gleichzeitig wirkende Parameter bei zweihändiger Impedanzmessung

Belastungsparameter:

Schwingungsbelastung, normiert Handandruckkraft

Greifkraft

Zwangshaltung des HAS (festgelegte Armhaltung pro HAS) 4 gleichzeitig wirkende Parameter bei einhändiger und

7 gleichzeitig wirkende Parameter bei zweihändiger Impedanzmessung

Abb. 4.1 Multifaktorielle Kennfunktion Impedanz des HAS

Wenn die bisher zusammengestellten Informationen zur biodynamischen Kennfunkti- on Impedanz des HAS zutreffend sind, dann sollte es möglich sein, im Weiteren die nachfolgenden Hypothesen bestätigen zu können:

1. Hypothese

Wenn die Impedanz als biomechanische Kennfunktion die mechanischen Eigen- schaften eines oder beider HAS wiedergibt, dann müsste es möglich sein, die Güte der Ankopplung eines HAS als Schwingungssystem an eine schlagende oder drehschlagende Handmaschine darstellen zu können. Dafür scheint die Ermittlung der dissipierten Leistung eines HAS im System Mensch-Maschine ge- eignet zu sein. (spektrale Darstellung: Leistungsumwandlungsspektrum (LUSP)) Gelingt dies, so ist mit ihrer Hilfe sicher eine Unterscheidung in eine qualitativ effektive oder ineffektive Ankopplung des HAS an eine Handmaschine möglich.

2. Hypothese

Trifft die 1. Hypothese zu, dann können mit Hilfe dieser Spektren mögliche Adap- tionsvorgänge (im Sinne einer besseren Ankopplung des HAS an eine Handma- schine) im System HAS - Handmaschine oder aber auch Anpassungsverschlech- terungen sichtbar gemacht werden. Eine schlechtere Adaption wäre als Abfall der Leistungsbereitschaft des Menschen deutbar. Zudem könnte daraus ein Verfah- ren zur Unterscheidung der Leistungsbereitschaft der HAS von Arbeitnehmern an einem Handmaschinenarbeitsplatz entwickelt werden. Damit könnte dieses Ver- fahren präventiv zum Training der Ankopplung des HAS an eine Handmaschine von Auszubildenden oder Arbeitnehmern an Handmaschinenarbeitsplätzen Ein- satz finden.

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3. Hypothese

Wenn die Hypothesen 1 und 2 zutreffen, kann bei langandauernder Schwin- gungsexposition auf eine wahrscheinliche Schädigung eines HAS bei ineffektiver Ankopplung geschlossen werden.

Ausgangspunkt hierfür sind Überlegungen zur Energiedissippation in einem HAS.

Wenn ein(e) Arbeitnehmer(in) an einem Handmaschinenarbeitsplatz eine geringe Energie- oder Leistungsdissipation (Leistungsumwandlung) im HAS aufweist, so kann angenommen werden, dass sein (ihr) HAS als Schwingungssystem in ineffektiver Weise an die Handmaschine angekoppelt ist. Bei geringer Leistungs- umwandlung im HAS wird dasselbe durch die Schwingungsexposition wesentlich stärker belastet. Diese ineffektive Ankopplung kann bewusst oder unbewusst ge- schehen oder aber durch eine bereits vorhandene Schädigung des HAS hervor- gerufen werden.

Effektive Ankopplung hingegen wird eine hohe Leistungsumwandlung und damit eine geringere Belastung des HAS zur Folge haben.

(23)

5 Berechnung der Leistungsdissipation in einem HAS

Von drehschlagenden und schlagenden Handmaschinen wird Energie auf das oder die HAS übertragen. Da die Impedanz im Labor unter festgelegten Bedingungen in praxisgerechter Weise gemessen werden kann (Simulation eines Handmaschinen- Arbeitsplatzes), liegt die Vorstellung nahe, dass an der, für die Ermittlung der Impe- danz notwendigen MMS ein Kräftegleichgewicht zwischen dem HAS der Versuchs- person und der Versuchseinrichtung vorliegen muss. Bei der in [10] zur Simulierung eines Handmaschinen-Arbeitsplatzes verwendeten Versuchseinrichtung wurde eine Hydropulsanlage zur Schwingungserregung des menschlichen HAS verwendet, siehe Abb. 5.1.

Abb. 5.1 Praxisgerechte Messung der Zweihand-Impedanz an einem Handmaschinenmodell

An der Kontaktfläche zwischen Hand und Handgriff entstehen während der Messung Gleichgewichtsbeziehungen. Dies betrifft z. B. die Andruckkraft, die der Mensch bei der Nutzung einer Handmaschine bzw. Anwendung einer Handmaschine, aufbringen muss. Dieser Andruckkraft liefert die Hydropulsanlage eine gleich große Gegenkraft.

Das gilt auch für die dynamische Kraft, wie die folgende Abbildung deutlich macht:

(24)

F

^stat

F

err

E

HAS, dissipiert

F

^stat

F

err

W

Erregerkraft

F

^stat

F

err

E

HAS, dissipiert

F

^stat

F

err

W

Erregerkraft

Abb. 5.2 Kraft- und Energiegleichgewicht

Bei dieser Darstellung entspricht das Gleichgewicht zwischen der Arbeit W der Erre- gerkraft und der vom HAS dissipierten Energie E einer Aussage von Fritz in [4].

Fritz stellt in dieser Arbeit dar, dass ein Zusammenhang zwischen der Höhe der von einem HAS dissipierten Energie (dissipierte Energie = gewandelte Energie oder auch Verlustenergie) und dem Risiko der Entstehung einer Vibrationskrankheit im expo- nierten HAS wahrscheinlich ist, vgl. Abschnitt 11.

Um zu dieser Schlussfolgerung gelangen zu können, beschreibt Fritz die Berech- nung der in einem HAS dissipierten Energie auf der Basis eines Einmassen- Schwingungsmodells, wie z. B. dem Folgenden aus [7]

Abb. 5.3 Einmassenschwingungsmodell des HAS

(25)

Die dissipierte Energie ergibt sich aus



d^t xxdt E

0

0  . (5.1)

Unter der Annahme harmonischer cos-Schwingungen mit der Amplitude xˆ bestimmt sich die Zeitfunktion der Geschwindigkeit zu

) ˆsin(

)

(t x t

x , (5.2)

damit wird die dissipierte Energie während einer Schwingungsperiode T zu

 



^

d x ^T t dt

E

0 2 2 2

0  ˆ sin( ) . (5.3)

Durch die Erregerkraft wird der schwingenden Masse eine Arbeit zugeführt:



 ^t f t xdt W

0

)

(  (5.4)

Unter der Annahme einer harmonischen Erregerkraft mit der Amplitude Fˆ wird wäh- rend einer Schwingungsperiode die Arbeit zu



ˆˆsin 5

,

0 T Fx

W  . (5.5)

Die Arbeit der vorbezeichneten Erregerkraft ist gleich dem Betrag der vom HAS dissipierten Energie und bezogen auf eine Periodendauer T ergibt sich aus der Arbeit die dissipierte Leistung der Erregerkraft



ˆˆsin 5

,

0 Fx

P  bzw. P 0,5Fˆvˆsin . (5.6)

Wird in dieser Gleichung die Amplitude der Erregerkraft durch den Betrag der Impe- danz Z Fˆ vˆ ersetzt, so kann die im HAS dissipierte Leistung aus der gemessenen Impedanz berechnet werden:

 ˆ cos 5

,

0 Z v²

P   . (5.7)

Was hier nach Fritz [4] an einer rein harmonischen Schwingung dargestellt wurde, ist natürlich auch bei einer Anregung mit einem beliebigen Spektrum berechenbar. Lie- gen nun gemessene, um die Handgriffmasse korrigierte Impedanzverläufe sowie die dazugehörige Beschleunigung sowie der Phasenwinkel β zwischen Erregerkraft und Beschleunigung a als Spektrum vor, so können aus diesen Werten nachträglich oder ggfls. direkt während der Messung Spektren der dissipierten Leistung berechnet werden:

) ( cos )]

ˆ( [ ) ( 5 , 0 )

(f Z f a f ² f

P     . (5.8)

Φ, ψ bzw. β sind die Phasenwinkel von Weg x, Geschwindigkeit v bzw. Beschleuni- gung a zur Erregerkraft F, f die Frequenz des jeweiligen Spektralanteils.

(26)

Die statischen Kräfte der Hand (Handandruckkraft, Greifkraft) leisten keinen Beitrag zu der berechneten Arbeit.

Die Nutzung der dissipierten oder auch umgewandelten Leistung des HAS noch vor der Formulierung eines Zusammenhangs zwischen dissipierter Energie und den für langandauernd schwingungsexponierte HAS möglichen Berufskrankheiten BK 2103 und 2104 gemäß Berufskrankheitenverordnung [R1]:

BK 2103: Erkrankungen durch Erschütterungen bei der Arbeit mit Druckluft- werkzeugen oder gleichartig wirkenden Werkzeugen oder Maschinen;

BK 2104: Vibrationsbedingte Durchblutungsstörungen an den Händen, die zur Un- terlassung aller Tätigkeiten gezwungen haben, die für die Entstehung, die Verschlimmerung oder das Wiederaufleben der Krankheit ursächlich waren oder sein können

erscheint den Verfassern als interessante Möglichkeit, noch vor der Klärung des eben beschriebenen Zusammenhangs und damit schon eher präventiv zum Schutz der menschlichen HAS vor möglichen schädigenden Auswirkungen langandauernder Schwingungsexposition wirksam werden zu können.

In Abschnitt 1 wird von den Verfassern für die Leistungsdissipation des HAS PHAS, diss.

der Begriff Leistungsumwandlung eingeführt. Um den neuen Begriff mit einem For- melzeichen zu verbinden, wird deshalb konsequenterweise

PHAS, diss zu LHAS, diss. .

Dies weil im Folgenden vielfach die Abkürzung LUSP für Leistungsumwand- lungsspektrum Anwendung finden wird und so beides besser miteinander verbunden wird.

(27)

6 Berechnung und Auswertung von Leistungs- umwandlungsspektren (LUSP)

6.1 Datenbestand

Für die Berechnung von Leistungsumwandlungsspektren konnte auf Zweihand- Impedanzmessungen für das Forschungsthema F1955 [10] an 31 männlichen Ver- suchspersonen und auf simultane Impedanzmessungen bei zwei praxisähnlichen Belastungssimulationen des HAS an Handmaschinenarbeitsplätzen an der gleichen Versuchseinrichtung im Rahmen des Forschungsthemas F 2118 [24] zurückgegriffen werden. Bei letzterem Thema handelte es sich um 53 männliche Versuchspersonen.

Insgesamt gesehen handelt es sich hierbei also um eine geschlechtsspezifische Un- tersuchung, die auf Daten von insgesamt 84 männlichen VP zugreift.

Die Impedanzmessungen nach [10] erfolgten gemäß der Abb. 2.5 und der Abb. 5.1.

Die Versuchsbedingungen der Impedanzmessungen im Rahmen von [24] finden sich in den folgenden beiden Abbildungen:

Abb. 6.1 F 2118, Impedanzmessungen, Versuch A, 13 männliche Versuchspersonen

Versuch A am Standort Dresden:

Simulation einer Belastung des

Menschen durch kleine Winkelschleifer

Versuchsdesign:

Schwingungsbelastg. mittels Hydropulsanlage (f_max= 150 Hz, a_hwz= 6 m/s²,

60s Expositionszeit, zwei Durchläufe) Griffdurchmesser 61 mm,

Ankopplungskraft 90 N.

(28)

Abb. 6.2 F 2118, Impedanzmessungen, Versuch C, 40 männliche Versuchspersonen

In der Regel wurden jeweils drei Einzelmessungen für eine Versuchsperson ausge- führt und dann ein Mittelwert gebildet.

Die Berechnung von Leistungsumwandlungsspektren erfolgte mit dem im Abschnitt 5 dargestellten Berechnungsverfahren.

6.2 Ergebnisse

6.2.1 Beispiele für LUSP

Da die verwendete Messkette piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer enthält, wurde zur Sicherheit eine Auswertung erst oberhalb einer Frequenz von f = 5 Hz be- gonnen. Die beiden folgenden Beispielspektren zeigen interessanterweise, das oberhalb einer Frequenz von f = 100 Hz offenbar keine Leistungsumwandlung mehr erfolgt. Deswegen wurde die Rechnung bei dieser Frequenz abgebrochen.

Versuch C am Standort Dresden

Simulation einer Belastung des Werkers durch die Bedienung von Hochdruck- reinigern, dies entspricht einer

Maximalbeanspruchung!

Versuchsdesign:

Belastung mittels Hydropulsanlage (weißes Rauschen, a_hwz= 4 m/s², Expositionszeit 90s, drei Durchläufe) Ankopplungskraft 180 N

Vorzeitiges Versuchsende bei körperlicher Erschöpfung möglich.

(29)

Spektrum der Leistung in Nm/s

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Abb. 6.3 links: F1955, VP 25, Alter: 42 Jahre/rechts: F1955, VP 30, Alter: 50 Jahre Beiden LUSP ist gemeinsam, dass die Frequenz ihres Maximums unterhalb von f = 10 Hz liegt und sie sowohl unterhalb dieser Frequenz als auch oberhalb einer Frequenz von f = 30 Hz einen negativen Verlauf aufweisen können. Außerdem gehö- ren die beiden VP einer Altersgruppe (AG) an. Die Einteilung in Altersgruppen wird in Abschnitt 7.1 näher erläutert. In den nächsten beiden Beispielen gehören die VP unterschiedlichen AG’en an:

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Abb. 6.4 links: Versuch A, VP 13, 37 Jahre/rechts: Versuch C, VP 5, 64 Jahre Auch zu diesen Beispielspektren kann der obige Kommentar Verwendung finden.

Bemerkenswert ist jedoch, dass das LUSP der VP 5 aus dem Versuch C das Kur- venmaximum oberhalb einer Frequenz von f = 10 Hz aufweist und zwar bei f = 14 Hz.

Die Gewinnung von LUSP gemäß Hypothese 1 aus Abschnitt 4 ist also möglich gewesen.

(30)

6.2.2 Adaptionsvorgänge

Hypothese 2 zufolge, sind im System HAS-Handmaschine durchaus Adaptions- vorgänge in der Art zu vermuten, dass hier eine Eigenschaft des Menschen sichtbar wird, bei einer Tätigkeit stets nach dem geringsten Aufwand zu streben, seinen Ener- gieaufwand in einem Prozess also zu minimieren. Sind Mensch und Maschine, hier das System HAS - Handmaschine ein gemeinsames Schwingungssystem, dann ist dieses Streben erfolgreich gewesen und der Mensch wird die Handmaschine auch ohne übermäßige Anstrengung beherrschen können.

Dass dem so ist, zeigen die folgenden Abbildungen:

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Abb. 6.5 Versuch C, VP 16, 57 Jahre; im Uhrzeigersinn, beginnend links oben, Darstellung der 3 aufeinander folgenden Messungen

Das erste Spektrum hat sein Maximum oberhalb einer Frequenz von f = 10 Hz und das Maximum des Betrages liegt unter einem Wert von 7 Nmm/s. Von Messung zu Messung verschiebt sich die Frequenz des Maximalwertes zu f = 10 Hz, das Spekt- rum verändert seine Form, die von Spektralkurve und Ordinate eingeschlossene Flä- che wird größer und das Maximum des Betrages nähert sich dem Wert von 9 Nmm/s

(31)

an. Mit anderen Worten: die Leistungsumwandlung verbessert sich. Das nächste Beispiel zeigt diesen Adaptionsvorgang für eine jüngere VP:

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Der oben beschriebene Vorgang spektraler Veränderung über 3 Messungen ist auch hier zu beobachten.

(32)

Nun folgt ein Beispiel für den natürlich ebenso möglichen gegenteiligen Vorgang:

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Der Grund für diese Verschlechterung der Adaption zwischen HAS und Handmaschi- ne ist natürlich an Hand der wenigen vorhandenen Beispiele nicht abschließend zu formulieren. Einerseits handelt es sich hier um eine im Lebensalter ähnlich fortge- schrittene VP wie im ersten Beispiel. Andererseits ist die Händigkeit dieser VP nor- malerweise links, sie musste sich beim Messvorgang in der Händigkeit umorientie- ren. Zudem ist ja die Leistungsbereitschaft der Menschen ohnehin unterschiedlich und von außen nicht einschätzbar. Eine Messung aber ist in der Regel davon unbe- einflusst.

Festzustellen ist jedenfalls, dass die Mehrheit der VP relativ gleichmäßig reagiert hat.

Dies hängt möglicherweise unter anderem davon ab, dass sie sich der gestellten Si- tuation gut anpassen können und wahrscheinlich auch von ihrem Erfahrungshorizont im Umgang mit Handmaschinen.

(33)

6.2.3 Einfluss der beruflichen Tätigkeit

Während der Bearbeitung der vorliegenden Daten stellte sich heraus, dass offensichtlich durch Vergleiche von LUSP auch Abhängigkeiten dieser Spektren von der beruflichen Tätigkeit der VP sichtbar werden. Dies soll im Folgenden vorgestellt werden:

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Abb. 6.8 F 1955; im Uhrzeigersinn, beginnend links oben, Darstellung der

Spektren von VP 25, 42 Jahre, Handwerker; VP 38, 42 Jahre, Ltr. eines Ing.-Büros, VP 39, 66 Jahre, pens. Chirurg; VP 35, 63 Jahre, wiss.

Mitarbeiter

Verglichen werden in diesen 4 Spektren VP’en mit gleichem oder ähnlichem Alter und sehr unterschiedlichen beruflichen Tätigkeiten. Die obere Spektrenpaar vergleicht einen Handwerker mit jahrzehntelanger Erfahrung, auch im Gebrauch von Handma- schinen, mit einem Wissenschaftler, von dem man eine ähnlich intensive Sammlung von Erfahrungen im Gebrauch von Handmaschinen wohl nicht erwarten kann.

Das untere Spektrenpaar vergleicht einen jahrzehntelang in herausgehobener Stel- lung arbeitenden Chirurgen ebenso mit einem wissenschaftlich tätigen Angestellten.

Interessant ist hier, dass der Chirurg zwar auch Erfahrungen mit Handmaschinen hat, diese innerhalb seiner Tätigkeit aber wesentlich kleiner und in der Masse sehr viel geringer sind als in der gewerblichen Wirtschaft genutzte.

(34)

Noch interessanter aber ist der Vergleich des Spektrums des Chirurgen mit dem Spektrum des Handwerkers. Obwohl im Alter zwei Jahrzehnte voraus, weist der Chi- rurg eine nahezu gleiche Fähigkeit seines HAS zur Leistungsumwandlung wie der Handwerker auf. Dies kann wohl nur durch jahrzehntelanges Training von Lockerheit, entspanntem Arbeiten trotz höchster Konzentration, Anpassung an jede vorkommen- de Situation usw. erreicht werden. Das ist offensichtlich ein gutes Beispiel dafür, dass ältere Menschen zwar an körperlichen Fähigkeiten verlieren können, es jedoch mög- lich ist, dies durch Erfahrung und Training auszugleichen.

Zur besseren Einordnung dieser LUSP werden ihnen noch Spektren aus dem Ver- such C zur Seite gestellt.

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Abb. 6.9 Versuch C; im Uhrzeigersinn, beginnend links oben, Darstellung der Spektren von VP 18, 20 Jahre, Lokführer; VP 30, 23 Jahre,

Industriemechaniker, VP 24, 37 Jahre, Architekt; VP 36, 36 Jahre, Verwaltungsangestellter

Prinzipiell ist diese Abbildung mit der vorhergehenden vergleichbar. Das obere Spekt- renpaar vergleicht die Berufe Lokführer/Industriemechaniker und erinnert in ihrer Aussage an den Vergleich der Berufe Chirurg/Handwerker. Auch Lokführer müssen speziellen psychischen Anforderungen genügen und sind durch ihre Ausbildung, die auch eine Schlosserausbildung beinhaltet, mit Handmaschinen gut vertraut.

(35)

Möglicherweise hat im unteren Spektrenpaar der Architekt eine Ausbildung im Bau- handwerk und dort auch eine Zeit lang gearbeitet, jedenfalls ist der Unterschied in der Fähigkeit seines HAS zur Leistungsumwandlung zu einem Verwaltungsangestell- ten doch sehr deutlich.

Obwohl für diese Arbeit Daten von 84 VP’en zur Verfügung standen ist der Wissens- stand noch viel zu gering. Zudem sind nur die angegebenen Berufe bekannt, eine berufliche Anamnese würde genauere Einschätzungen ermöglichen. Immerhin bleibt aber festzustellen, dass mit einer Vergrößerung des Datenbestandes auch die Fest- stellung beruflicher Abhängigkeiten möglich werden wird.

(36)

7 Beurteilung der LUSP von HAS in Bezug auf die Ankopplungsqualität zwischen HAS und Handmaschine

7.1 Einführung einer Altersgruppeneinteilung der Versuchs- personen

Für die Auswertung der Leistungsumwandlungsspektren und anschließende Beurtei- lung der Adaptionsqualität zwischen HAS und Handmaschine wurde die folgende Altersgruppeneinteilung, die in [18] zur Auswertung des Datenbestandes eingeführt wurde - und sich dabei erfolgreich bewährte - angewendet:

Altersgruppe 1(AG1): 18 bis 35 Lebensjahre Altersgruppe 2(AG2): 35 bis 55 Lebensjahre Altersgruppe 3(AG3): über 55 Lebensjahre

Abb. 7.1 Altersgruppeneinteilung nach [24]

Sinn und Zweck dieser Einteilung ist es, einerseits geriatrische Veränderungen von Indikatoren zwischen den einzelnen AG’en und andererseits, mögliche Veränderun- gen von Indikatoren innerhalb einer AG feststellen zu können.

7.2 Formulierung von Beurteilungsindikatoren für die LUSP in Form von Schwellwerten

Für den jetzt folgenden Schritt werden allein die bisher bekannten Zusammenhänge verwendet. Festgestellt wurde, dass die LUSP eines HAS mit ihrem Verlauf Adapti- onsvorgänge im Sinne einer besseren Ankopplung an eine Handmaschine aufzeigen können und auch Abhängigkeiten von der Berufstätigkeit darstellbar sind.

Dies machte eine Unterscheidung der Spektren aufgrund ihrer Form möglich.

Erkenntnisse, die in dem bisherigen Verfahren gewonnen wurden, werden nun ge- nutzt, um Indikatoren für die Beurteilung der Spektrenform zu formulieren.

Mit deren Hilfe und unter Einbeziehung der Altersgruppeneinteilung und der Annah- men der Hypothesen 2 und 3 können möglicherweise intra- und interindividuelle Un- terschiede zwischen den Altersgruppen und Unterschiede zwischen den „effektiv“

angekoppelten und „ineffektiv“ angekoppelten HAS sichtbar gemacht werden.

7.2.1 Frequenz des Maximalwertes des LUSP in Hz

Die bisher dargestellten Spektren, vgl. Abschnitt 6.2.3, legen die Vermutung nahe, dass die LUSP eines erfahrenen Handwerkers, eines Chirurgen, eines Lokführers

(37)

und eines Architekten möglicherweise eine „effektive Ankopplung“ des HAS der betreffenden Person an eine Handmaschine wiedergeben. Die Frequenzen ihrer Ma- ximalwerte liegen unterhalb einer Frequenz von f = 10 Hz. Deutlich wird dies auch in den Abbildungen 6.5 bis 6.7 aus Abschnitt 6.2.2, die effektivierende oder gegenteilig verlaufende Adaptionen zwischen HAS und „quasi Handmaschine“ sichtbar machen.

Hier liegt der Gedanke nahe anzunehmen, dass eine Frequenz des Maximalwertes eines LUSP von

f < = 10 Hz

ein effektives LUSP wiedergeben könnte.

7.2.2 Relatives Flächenverhältnis in %

-0,002 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014

1 10 100

Abb. 7.2 Auszug aus Abb. 6.7 in Abschnitt 6.2.2

Den wenigen in Abschnitt 6.2.2 dargestellten Beispielen kann man immerhin, wie eben schon angesprochen, entnehmen, dass die LUSP anscheinend einer „Ideal- form“ zustreben. Der Abstand des Spektrums (blaue Farbe) zur eingezeichneten Ver- bindungsgeraden (rote Farbe) zwischen Lmax und dem Abszissenpunkt f = 100 Hz wird sich demzufolge verändern und zwar in dem Sinne, dass mit kleiner werdendem relativen Flächenverhältnis die Form des Spektrums „idealer“ wird.

Das relative Flächenverhältnis berechnet sich nur für Werte von L > 0 aus dem Verhältnis von

L Gerade = ⁽¹⁰⁰



⁾

max) (

) (

Hz f

L f

Gerade f df

L zu L Kurve = ⁽¹⁰⁰



⁾

max) (

) (

Hz f

L f

df f

L (7.1)

und wird in % angegeben.

(38)

7.2.3 Ankopplungsmaß

Folgt man den Gedankengängen zu den beiden vorhergehenden Indikatoren über die Form „effektiver“ oder „idealer“ LUSP, so wird der mit Schwingungsmessungen, - berechnungen, -auswertungen usw. vertraute Betrachter eine verblüffende Ähnlich- keit der „effektiven“ Form mit der Übertragungsfunktion eines schwingungsfähigen Einmassensystems nicht umhin kommen festzustellen.

Hier liegt es nahe, die Ermittlung der Resonanzbandbreite für ein derartiges System als Vorbild für ein in ähnlicher Weise ermitteltes Ankopplungsmaß zu nutzen. Die Re- sonanzbandbreite wird ja aus der Übertragungsfunktion eines statisch vorbelasteten, harmonisch erregten schwingungsfähigen Einmassensystems unter Bezug auf die Resonanzfrequenz des Systems ermittelt und dient der Ermittlung des Dämpfungs- grades des elastischen Elementes des Systems, siehe [17]. Es beschreibt also eine bestimmte Kurvenform, die im vorliegenden Fall ja wünschenswert, weil anscheinend

„effektiv“ ist.

Die Ermittlung des Ankopplungsmaßes ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

L_max

L_max/ ²

Ankopplungsmaß L_max

L_max/ ² L_max/ ²

Ankopplungsmaß

Abb. 7.3 Ermittlung des Ankopplungsmaßes

Das Ankopplungsmaß entspricht also der Frequenzdifferenz der Schnittpunkte des LUSP mit einer zur Abszisse (Frequenzachse) im Abstand von L max / 2 parallelen Gerade und wird im Weiteren dimensionslos verwendet.

(39)

7.2.4 Leistungsumwandlung des HAS in Nmm/s

Als Leistungsumwandlung wird das Integral über das LUSP (nur für Werte von L > 0) im Bereich von f = 5 Hz bis f = 100Hz (



^Hz

Hz

df f L

100

5

)

( ) bezeichnet.

Die Verwendung dieses Indikators versteht sich von selbst. Es ist natürlich anzunehmen, dass der Anstieg des Wertes der Leistungsumwandlung eine Verbesserung der Situation für das HAS erbringt, allerdings muss sich dies im Zusammenhang mit der Anwendung der anderen Indikatoren erst erweisen.

Ohnehin sind die in Hypothese 3 (Abschnitt 4) beschriebenen möglichen Zusam- menhänge zwischen Leistungsumwandlung im HAS und Veränderungen im HAS im Sinne von Erkrankungen vorerst nur Annahmen.

7.2.5 Maximalwert des LUSP in Nmm/s

Leider kann dieser Abschnitt nur mit einer Feststellung beginnen. Es ist nicht mög- lich, alle vorliegenden Leistungsumwandlungsspektren im Rahmen einer solchen Ar- beit bildlich darzustellen.

Es ist aber dennoch so, dass eine Durchsicht aller Spektren ergab, das sie sich im Wertebereich von 0 Nmm/s bis 16 Nmm/s bewegen und der Wert 8 Nmm/s offensichtlich ein Schwellenwert zwischen „effektiven“ und „ineffektiven“ LUSP darstellt. In Kenntnis dieses Zusammenhangs kann man dies in den vorhandenen Abbildungen durchaus finden.

Gründe dafür können in dem geringen Unterschied der Erregerbeschleunigungen von 4 m/s²zu 5,5 m/s²(Effektivwert) für die gemessenen Datensätze und dem schon von Fritz [4] festgestellten fehlenden Einfluss der Handkräfte auf die Leistungsdissi- pation gesehen werden.

Es wird aber vermutet, dass dieser Schwellenwert des Maximums der Leistungsum- wandlung einen großen Einfluss bei der Beurteilung der Spektren haben wird.

Dieser Wert wird deshalb auf 8 Nmm/s festgelegt.

Die Tendenz der ersten drei Beurteilungsindikatoren besteht in einer Beschreibung der Verschlechterung der spektralen Form durch das Anwachsen des Wertes über den Schwellwert. Die beiden letzten Beurteilungsindikatoren beschreiben hingegen eine Verbesserung der spektralen Form durch das Anwachsen ihres Wertes über den Schwellwert.

(40)

7.3 Beurteilung der vorliegenden LUSP

Im Laufe des Beurteilungsvorgangs wurde für den Maximalwert des Leistungsum- wandlungsspektrums eine Toleranz von +/- 0,20 Nmm/s eingeführt.

Da nur zwei Schwellwerte vorher festgelegt werden konnten, mussten die drei verbleibenden durch vergleichende Betrachtung im Verfahren ermittelt werden. Es ergab sich das

Ankopplungsmaß zu einem Wert von 8,

relative Flächenverhältnis zu einem Wert von 32 % und die Leistungsumwandlung des HAS zu einem Wert von 134 Nmm/s.

Alle Schwellwerte konnten für die drei unterschiedlich simulierten Handmaschinen- Arbeitsplätze beibehalten werden. Ob dies immer so sein kann und wird, kann erst durch weitere diesbezügliche Untersuchungen festgestellt werden.

Im Ergebnis zeigte sich, dass die sichere Beurteilung der Form der Spektren nur mit Hilfe aller fünf Beurteilungsindikatoren möglich ist, was ja rechentechnisch gesehen keine Behinderung darstellt.

Vier Beurteilungen einer der beiden möglichen Spektralformen „effektiv“ oder „ineffektiv“ reichen für eine sichere Zuordnung aus.

Sind nur drei Beurteilungen vorhanden, so sind die Indikatoren f(Lmax) und Maximal- wert entscheidend. Ist f(Lmax) positiv beurteilt, so bestimmt der Maximalwert die Ein- ordnung des Spektrums (Versuch C DD, AG 2 und 3). Jedoch kann durchaus ein Grenzfall auftreten (Versuch C DD, AG 1), der bisher nur durch Augenschein zuge- ordnet werden kann.

Ob man auf einen der Indikatoren verzichten kann, oder ob ein weiterer und vielleicht treffsicherer entwickelt werden kann wird erst die Zukunft zeigen.

Die Ergebnisse können den folgenden Abbildungen entnommen werden.

Die Abbildungen 7.4 bis 7.6 zeigen die Ergebnisse für die Impedanzen des rechten HAS der VP aus F1955.