Minimierung der Humanschwingungen bei Motorsägen

Schwingungen am Haltegriff einer Motorsäge (oberes Bild) können sich schwerwiegend auf den menschlichen Organismus (Arme, Handgelenke und Finger) des Bedieners auswirken. Das Eigenschwingungsverhalten des Haltegriffs sowie die Erregermechanismen spielen dabei zentrale Rollen.

Bei der untersuchten Motorsäge ist der Haltegriff über Gummipuffer am Motorgehäuse befestigt. Die Kette läuft über das Schwert, das mit dem Motorgehäuse verschraubt ist. Durch dynamische Motor- und Kettenkräfte hervorgerufene Schwingungen wirken, mehr oder weniger stark durch den Haltegriff reduziert, auf den Bediener ein.

Das mittlere Bild zeigt die Eigenschwingungsform der Motorsäge bei 74 [Hz]. Motor und Schwert kippen um Quer- und Hochachse, der Haltegriff kippt dagegen und verformt sich. Motor- und Kettenkräfte führen in dieser Eigenschwingungsform im Drehzahlbereich um 9000 [min^-1] zu erhöhten Beschleunigungen am Haltegriff. Resonanzbedingte Erhöhungen findet man auch bei 56 [Hz], 62 [Hz], 68 [Hz] und 84 [Hz].

Die niedrigste Erregerordnung des eingesetzten Zweitaktmotors (EO1) bildet sich bei der Betriebsschwingungsanalyse (unteres Bild) deutlich auf dem Beschleunigungssignal am Haltegriff ab. Des Weiteren werden im hinsichtlich Humanschwingungen kritischen Frequenzbereich (0-100) [Hz] auch subharmonische Ordnungen angeregt. Oberhalb von 7500 [min^-1] tritt abrupt die Erregerordnung EO1/2 auf. Mit der Drehzahl steigende Erregerintensitäten führen dann bei 9400 [min^-1] zur typischen Frequenzsplittung mit Resonanzen bei 62 [Hz] und 84 [Hz].

Ein mittels der Chaostheorie formuliertes Ersatzmodell beschreibt dieses Phänomen. Über eine Variation der Modellparameter wurden konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung der Schwingungen entwickelt. Die Amplituden im Frequenzbereich der Humanschwingungen konnten dadurch um ca. 60% reduziert werden.