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Umstrukturierung der Systematik (01.05.2014): nicht mehr im DGUV-Regelwerk enthalten

1 Vorbemerkung, Anwendungsbereich

Bei Montage und Reparatur überragen die Geräuschimpulse von Richt-, Positionier- und Eintreibarbeiten das übrige Geräuschniveau meist deutlich. Die Mittelung über eine Reihe von Hammerschlägen ergibt bei mittelschweren Richtarbeiten impuls-bewertete Schallpegel um 115 dB(AI) in Ohrhöhe des Beschäftigten, bei schweren Richtarbeiten werden Mittelungspegel von 120 dB(AI) nicht selten überschritten [ 1]. Wegen des Impulscharakters, der Pegelhöhe und des zeitlich nicht exakt vorhersehbaren Auftretens sind Nachbararbeitsplätze mehr oder weniger belastet. Die Entfernung, von der ab die Gehörschädigungsgrenze unterschritten wird, hängt von den Schallausbreitungsbedingungen ab. Stahlbau-Fertigungshallen sind selten räumlich unterteilt, und sie besitzen meist Raumbegrenzungsflächen ohne nennenswertes Schallabsorptionsvermögen.

Das vorliegende LSA- Blatt soll dazu anregen, in den Fällen, in denen das Arbeitsverfahren nicht geändert werden kann (z.B. Übergang zu hydraulischem Verformen), Stahlhämmer durch rückschlagfreie Kunststoffhämmer zu ersetzen. Die erreichbare Schallpegelsenkung wird angegeben, und auf Sicherheitsaspekte wird hingewiesen.

Abbildung 1: Stahlhämmer und Kunststoffhämmer mit verschiedenen großer Rückschlagunterdrückung

2 Geräuschentstehung, Einflussfaktoren

Richten zielt auf eine bleibende Verformung des Werkstückes, während beim Positionieren und Eintreiben Haft- und Gleitreibung zu überwinden sind. Insbesondere das Richten fordert eine zahlenmäßig große Krafteinwirkung und verursacht eine entsprechend stärkere Schwingungsanregung des Werkstückes. Einer Geräuschsenkung sind dadurch enge Grenzen gesetzt. Bei zu geringer Krafteinwirkung federt das Werkstückmaterial lediglich im elastischen Bereich ein. Dem Erfordernis plastischer Verformung steht entgegen, dass die Hammermasse durch menschliche Muskelkraft nur auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt werden kann; die Energie pro Schlag ist begrenzt. Eine hohe Kraftspitze ist daher nur erreichbar, wenn die Krafteinwirkung impulsartig über eine kurze Zeitspanne auf- und abgebaut wird.

Impulsartige Kraft- und Bewegungsabläufe sind durch umso breitbandigere Geräuschanregung gekennzeichnet, je kürzer ihre zeitliche Wirkungsdauer ist. Wegen der A-Bewertung sind besonders die höherfrequenten Geräuschanteile pegelbestimmend. Akustisch wünschenswert ist daher ein gedehnterer Kraft-Zeit-Verlauf, was aber aus den beschriebenen Gründen einen verminderten Kraftspitzenwert bedingt. Deshalb ist, insbesondere bei schweren Richtarbeiten, in jedem Fall zu prüfen, ob nicht lärmarme Verfahren, wie das bereits erwähnte hydraulische Verformen einsetzbar sind.

Neben dem Kraft-Zeit-Verlauf, der vom Werkzeug, d.h. dem Hammer, in Verbindung mit dem Werkstoff des Werkstückes bestimmt wird, hat die Form des Werkstücks wesentlichen Einfluss auf die Höhe der Geräuschabstrahlung. Klingende, dünnwandige Werkstücke, d.h. Werkstücke mit geringerer Biegesteifigkeit, großen im Hörschallbereich schwingungsfähigen Oberflächen, geringer innerer Dämpfung (Aluminium, Stahl) strahlen, wenn äußere Bedämpfung durch Einspannung oder angekoppelte bzw. körperschalldämpfende Auflagen fehlt, bei gleicher Schlaganregung mehr Geräusch ab als weniger klingende (z.B. massereiche) Werkstücke. JJ

3 Stahlhammer und rückschlagfreier Kunststoffhammer

Der Stahlhammer ist durch einen hohen Kraftspitzenwert bei sehr kurzzeitiger Wirkdauer der Kraft gekennzeichnet (Abb. 2). Die Geräuschabstrahlung ist breitbandig, die pegelbestimmenden höherfrequenten Anteile sind ausgeprägt.

Abbildung 2: Kraft-Zeit-Verlauf bei Einsatz unterschiedlicher Hämmer

Rückschlagfreie Kunststoffhämmer rufen dagegen bei subjektiv gleich starkem Einsatz einen gedehnten Kraft-Zeit-Verlauf hervor. Die Fläche unter der Kraft-Zeit-Kurve (der Impuls) ist bei weitgehender Rückschlagfreiheit im Einzelfall doppelt so groß wie beim Stahlhammer, der erzielbare Kraftspitzenwert jedoch deutlich niedriger.

Der Rückprall wird durch eine freibewegliche Masse (im Allgemeinen Schrotfüllung) im Hammerkopf verhindert; beim Aufprall der Schlagfläche auf das Werkstück folgt die Schrotfüllung verzögert, durch den (weitgehend) fehlenden Rückprall wird die Schlagenergie sehr gut ausgenutzt, die Handhabbarkeit gegenüber dem nicht rückschlagfreien Stahlhammer wesentlich verbessert. Die Handlichkeit des rückschlagfreien Kunststoffhammers erlaubt eine gewisse Kompensation des gegenüber dem Stahlhammer verringerten Kraftspitzenwertes: Man kann i.a. den rückschlagfreien Kunststoffhammer um 1 bis 2 Gewichtsklassen schwerer wählen als den Stahlhammer.

Während das Ausmaß der Rückschlagfreiheit vom Verhältnis Hammerkopfmasse / Schrotmasse in Verbindung mit den Federungseigenschaften der Schlagflächen bestimmt wird, haben Härte und Material der Schlagflächen auf die Forderung nach Verschleißfestigkeit Rücksicht zu nehmen. -

Für die Handlichkeit im Einzelfall sind neben dem Maß der Rückschlagfreiheit die Massenaufteilung und die Hammergeometrie des Systems aus Hammerkopf, Schrotmasse und Stiel entscheidend. Dabei werden von unterschiedlich geübten Personen gleiche Hämmer als unterschiedlich handlich eingestuft. Völlig rückschlagfreie Hämmer erfordern, um diese Eigenschaft mustergültig zu zeigen, ein gut ausgerichtetes Aufsetzen beim Schlag; Verkanten mindert die Rückschlagfreiheit spürbar. Beschäftigte, die häufig Richtarbeiten ausführen, "verkanten" den Hammer nicht; sie bevorzugen den völlig rückschlagfreien Hammer, weil er wegen der vollständigen Energieübergabe an das Werkstück "besser zieht". Weniger geübte Beschäftigte empfinden dagegen den völlig rückschlagfreien Hammer unter Umständen wegen der unterschiedlichen Rückschlagunterdrückung bei gut ausgerichteten oder verkanteten Schlägen als unhandlich; in solchen Fällen ist ein Hammer mit nicht so stark ausgeprägter Rückschlagfreiheit empfehlenswert. Diese Empfehlung gilt im Einzelfall auch bei Richtarbeiten in winkligen oder stark gewölbten Oberflächenbereichen.

4 Sicherheit gegen Verletzung

Der Rückprall von Stahlhämmern beim Richten in Kopfhöhe und über Kopf und an auf dem Boden liegenden Werkstücken war in der Vergangenheit Ursache für Kopf- und Beinverletzungen. Insbesondere im Behälterbau werden aus diesem Grund seit einiger Zeit ausschließlich rückschlagfreie Kunststoffhämmer verwendet. Wegen der Gefahr von Fehlschlägen bei diesen Arbeiten sind Stahlstiele bzw. integrierte Kunststoffstiele mit Stahlseele bevorzugt anzutreffen.

5 Erzielbare Schallpegelsenkungen, Anwendungsbeispiele

Bei den meisten Richtarbeiten an Aluminium- und Stahlwerkstücken sind rückschlagfreie Kunststoffhämmer gegenüber Stahlhämmern um 1 bis 11 dB(A) leiser (Tabelle 1). Bei Werkstoffen mit hoher innerer Dämpfung sind die Geräuschminderungserfolge noch größer (18 dB(A) bei Stahlguss). Die geringeren Minderungsbeträge (bis 5 dB(A)) werden bei schwingungsfähigen (klingenden) Werkstücken erreicht.

Tabelle 1: Erzielbare Pegelminderung bei Verwendung eines rückschlagfreien Kunststoffhammers an Stelle eines Stahlhammers in Abhängigkeit von Werkstückmaterial und -geometrie und Maßnahmen zur zusätzlichen äußeren Bedämpfung

In Abbildung 3 sind die Geräuschmessergebnisse beim Richten eines massereicheren Behälters dargestellt. Man erkennt deutlich den im Bereich zwischen 1000 Hz und 8000 Hz beachtlichen Geräuschabbau bei Ersatz des Stahlhammers.

Abbildung 3: Oktavpegelspektren und Gesamtschallpegel beim Richten der Ringzone am offenen Ende eines einseitig geschlossenen, auf Stahlrollen aufliegenden Stahlbehälters (WSt E 36) 1700 mm Ø, 3000 mm Länge, 22 mm Wanddicke

Zu erkennen ist aber auch, dass der schwerere rückschlagfreie Kunststoffhammer B gegenüber dem leichteren Hammer C leiser ist, weil er besonders im Frequenzbereich um 2000 Hz weniger Schall erzeugt. Die Geräuschminderung gegenüber dem Stahlhammer beträgt 11 dB(A). Dass der Geräuschunterschied zwischen den beiden rückschlagfreien Kunststoffhämmern vergleichsweise gering bleibt, liegt in der höheren Anregung durch den Hammer B im Bereich von 8 bis 16 kHz begründet. Bei dieser in einem Unternehmen des Behälterbaues durchgeführten Untersuchung wurde der Hammer C wegen seiner völligen Rückschlagfreiheit trotz des geringeren Gewichtes von geübten Beschäftigten eindeutig bevorzugt.

Erfahrungen haben gezeigt, dass sich die Selbstauswahl des passenden Hammergewichtes grundsätzlich positiv auswirkt. Der Beschäftigte optimiert offensichtlich unbewusst den Energieeinsatz im Sinne einer zum Erreichen des Richtzieles angemessenen Schlagzahl. Als Folge bleibt bei gleicher Blechdicke die Geräuschabstrahlung der verschieden schweren Stahlhämmer ungefähr gleich, bei rückschlagfreien Kunststoffhämmern sinkt sie mit steigendem Hammergewicht leicht ab (häufigerer Fall) oder bleibt etwa konstant. Nur wenn der Hammer im Vergleich zur Werkstückdicke deutlich zu schwer ausgewählt wurde, steigt die Geräuschabstrahlung an (für eine Blechdicke von 1,5 mm beispielsweise um etwa 2 dB(A) bei Verwendung verschieden schwerer Hämmer des gleichen Konzepts). Die bereits angesprochene Empfehlung, bei Richtarbeiten den rückschlagfreien Kunststoffhammer um 1 bis 2 Gewichtsklassen schwerer auszuwählen, um der geringeren Schlagkraftspitze entgegenzuwirken, ist demnach akustisch nicht schädlich. Lediglich bei eindeutig zu schweren Hämmern gelingt es augenscheinlich nicht mehr, den Energieeinsatz proportional anzupassen. Die Wahl des optimalen Gewichtes des rückschlagfreien Hammers ist akustisch nicht sehr kritisch; bei steigendem Energieeinsatz verläuft der Pegelanstieg deutlich flacher als beim Stahlhammer.

Beim Richten ebener Bauteile auf Richtplatten oder -tischen ist zu berücksichtigen, dass nicht bedämpfte Platten oder Tische bei ausreichender Anregung selbst nennenswert Schall abstrahlen können. Auch hier gilt Entsprechendes sinngemäß für Positionier- und Eintreibarbeiten. Es ergeben sich zwei Grenzfälle, zwischen denen der einzelne Anwendungsfall einzuordnen ist.

Bei massereichen Richtplatten und dünnen Werkstücken (beim Eintreiben massearmer Bauteile in biegesteife massereiche Konstruktionen) liegt eine akustisch günstige Fehlanpassung vor; die eingesetzte Schlagenergie ist zu gering, um Richtplatte (und Werkzeug) nennenswert anzuregen, die Werkstücke selbst werden vergleichsweise gut bedämpft. Die Werkzeugart ist von untergeordneter Bedeutung, entsprechend ist die Geräuschsenkung beim Übergang auf rückschlagfreie Kunststoffhämmer auf 1 bis 4 dB(A) (bei einem mittleren Geräuschpegel von etwa 114 dB(AI)) begrenzt.

Die Verformung dickerer und biegesteiferer Werkstücke (das Eintreiben bei höherer Haftreibung) erfordert mehr Energie. Die Richtplatte (das angrenzende Bauteil) wird mit steigendem Energieeinsatz stärker angeregt, die Bedämpfung des Bauteiles durch die Richtplatte (die Umgebungskonstruktion) wegen der sich annähernden Teilmassen abgeschwächt. Teilweise wird die Bedämpfung sogar durch die Eigenschallanregung von Richtplatte bzw. Umgebungskonstruktion aufgehoben. Die Anregung im pegelbestimmenden Frequenzbereich oberhalb von 1000 Hz ist beim rückschlagfreien Kunststoffhammer geringer, so dass nicht nur subjektiv der Eindruck einer spürbaren Geräuschsenkung entsteht. Die tatsächlichen absoluten Geräuschminderungserfolge rückschlagfreier Kunststoffhämmer sind jedoch nicht selten auf ca. 5 dB(A) begrenzt. Eine Bedämpfung von Richtplatte bzw. umgebender Konstruktion wirkt sich mit zunehmender Werkstückdicke des bearbeiteten Bauteiles positiv aus, wobei die Verbesserung durch "äußere" Bedämpfung beim Einsatz des Stahlhammers naturgemäß größer ist. Beispielsweise betrug die Geräuschsenkungswirkung einer Sandwich-Richtplatte [ 2] mit dem Aufbau (von unten): Stahl, 25 mm - körperschalldämpfende Zwischenschicht, 12 mm - Stahl, 15 mm, gegenüber einer 40 mm dicken unbedämpften Stahlrichtplatte für den Stahlhammer etwa 8 dB(A), für den rückschlagfreien Kunststoffhammer etwa 7 dB(A).

Abbildung 4: Vergleich der Geräuschabstrahlung bei Einsatz von Stahlhämmern bzw. rückschlagfreien Hämmern auf unterschiedlichen Richtplatten:

1. Richtplatte unbedämpft,
2. Richtplatte bedämpft (Sandwichplatte).
   

Wird statt der ungünstigsten Variante eines Stahlhammers auf unbedämpfter Richtplatte zum Richten des 3 mm dicken Werkstückes ein rückschlagfreier Kunststoffhammer auf einer bedämpften Richtplatte (günstigste Variante) eingesetzt, dann beträgt die erzielbare Geräuschminderung 11 dB(A), also 3 dB(A) mehr als bei alleinigem Austausch der Richtplatte. Liegt das Werkstück während des gesamten Richtvorganges nicht mit größeren Flächenanteilen auf der Richtplatte auf, dann ist der Einfluss des Werkzeuges, d.h. des Hammers größer. So kann beispielsweise eine Werkstückbedämpfung durch 40 % Flächenbelegung mit Magnetmatten hinter der Anregestelle bei mittleren Blechdicken den Geräuschpegel bei Einsatz des Stahlhammers um maximal 8 dB(A) abbauen, bei Einsatz des rückschlagfreien Kunststoffhammers um ca. 2 dB(A), während bei unbedämpftem Werkstück die Geräuschabstrahlung bei Einsatz des rückschlagfreien Kunststoffhammers in günstigen Fällen um mehr als 10 dB(A) niedriger ist als bei Einsatz des Stahlhammers. Lediglich bei geringer Werkstückdicke liegt die mittlere Geräuschsenkungswirkung bei Bedämpfung und Übergang rückschlagfreien Hammer mit ca. 6 dB(A) in gleicher Größenordnung (wie erwähnt bis 5 dB(A) ohne Bedämpfung).

6 Anwendungsempfehlungen

Grundsätzlich sind rückschlagfreie Kunststoffhämmer leiser als Stahlhämmer, kritisch ist bei schweren Richtarbeiten ihr gegenüber Stahlhämmern deutlich geringerer Kraft-Spitzenwert. Hier liegt vermutlich auch der Grund für in der Literatur erwähnte Klagen der Beschäftigten beim Zusammenbau schwerer Blechteile [ 3], wobei der rückschlagfreie Kunststoffhammer mit größerem Gewicht als Vorschlaghammer eingesetzt wurde. Die körperliche Belastung wurde als erhöht empfunden.

Einen Ausweg bietet im Einzelfall nach [ 4] der Austausch der Kunststoffschlagflächen gegen Finnen bzw. Kalotten aus Stahl; in [ 4] wird gegenüber Stahlhämmern für diese Variante rückschlagfreier Hämmer von Lärmminderungserfolgen zwischen 2 bis 5 dB(A) für Blechdicken oberhalb von 6 mm berichtet.

Liegt der Grenzfall besonders schwerer Richtarbeiten nicht vor, dann empfiehlt sich, zur Kompensation der geringeren Schlagkraft-Spitze statt des bisherigen Stahlhammers einen um 1 bis 2 Gewichtsklassen schwereren rückschlagfreien Kunststoffhammer vorzugeben. Die Handlichkeit wird dadurch nicht verschlechtert, das Arbeiten mit dem rückschlagfreien Kunststoffhammer wird wegen des fehlenden Rückpralls besonders bei mittleren Hammergewichten als weniger anstrengend empfunden. Bei größeren Hammergewichten nähert sich subjektiv das Arbeitsvermögen des rückschlagfreien Hammers dem des vorher verwendeten Stahlhammers an.

Völlig rückschlagfreie Hämmer werden von geübten Personen eindeutig bevorzugt, ein verbleibender geringer Rückprall kommt weniger geübten Personen entgegen, weil dann die Unterschiede zwischen genau senkrechtem Schlag und Verkanten des Hammers geringer sind.

Die Geräuschhöhe ist nicht streng mit der Härte der Schlagfläche verknüpft, in der Praxis waren einzelne Hämmer mit härterer Schlagfläche leiser als Hämmer mit weicherer Schlagfläche.

Zwischen Handlichkeit, dem Bestreben nach minimaler Schlagzahl zum Erreichen des Arbeitszieles und geringer Geräuschabstrahlung muss häufig ein Kompromiss getroffen werden. Der Eindruck guter Handhabbarkeit ist mit dem Werkstück verknüpft (Geometrie der Schlagstelle). Es ist deshalb empfehlenswert, im Einzelfall die Beschäftigten aus einem Sortiment den am meisten zusagenden Hammer selbst auswählen zu lassen.

Der Einsatz rückschlagfreier Kunststoffhämmer ist auch dann von Vorteil, wenn für den Beschäftigten selbst die Gehörschädigungsgrenze nicht unterschritten werden kann, er also nach wie vor auf persönlichen Gehörschutz angewiesen ist. Die durch Verwendung rückschlagfreier Kunststoffhämmer erreichte Geräuschsenkung führt auch dazu, dass Nachbararbeitsplätze in geringerer Entfernung als bei Einsatz des Stahlhammers bereits nicht mehr einem vom Richten verursachten Lärmbereich angehören.

Bei schweren Richtarbeiten ist der Stahlhammer im Einzelfall ggf. nicht zu ersetzen. Bei leichten Eintreibarbeiten und Positionierarbeiten kann jedoch auf Stahlhämmer grundsätzlich verzichtet werden, weil hier der Kraft-Spitzenwert des Stahlhammers nicht erforderlich ist und sich die geringere Anregung des Werkstückes durch den rückschlagfreien Kunststoffhammer im Geräuschpegel deutlich niederschlägt. Dies um so mehr, als in Montagezonen häufig Eintreib- und Positionierarbeiten einen größeren Zeitanteil aufweisen als echte Richtarbeiten.

Sind, wie im Behälterbau, Sicherheitsfragen (Kopf- und Beinverletzungen) bei der Wahl des Werkzeuges zu berücksichtigen, dann sollte der Einsatz von Stahlhämmern grundsätzlich vermieden werden. Längere erfolgreiche Anwendung rückschlagfreier Kunststoffhämmer beim Richten im Behälterbau hat gezeigt, dass selbst bei Arbeiten, die höheren Energieeinsatz erfordern, der Stahlhammer weitgehend durch geräuschärmere Kunststoffhämmer ersetzt werden kann. A

7 Zusammenfassung

Der Ersatz von Stahlhämmern durch rückschlagfreie Kunststoffhämmer führt zu Geräuschminderungen bis zu 11 dB(A). Die Höhe der Geräuschminderung im Einzelfall hängt wesentlich vom Werkstück ab; die Einflussgrößen werden beschrieben. Es werden Anwendungsempfehlungen ausgesprochen, Einschränkungen aufgezeigt und Sicherheitsaspekte genannt.

8 Schrifttum

Bearbeiter: Dr.-Ing. Siegfried Fischer, Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz, Fachbereich: Arbeitsgestaltung - Physikalische Einwirkungen.

ENDE