ISO 7096:2000 - Sitze in Erdbaumaschinen

Das Laborprüfverfahren für Führersitze in der Praxis

1. Einleitung

Die ISO 7096:2000 ist ein Laborprüfverfahren für Führersitze in Erdbaumaschinen. In der zurzeit aktuellen Version sind 9 verschiedene Anregungen für die Klassen EM1 bis EM9 definiert, wobei die Sitze jeweils Schwingungstests mit 2 Personengewichten (52-55kg und 98-103kg) und einem Dämpfungstest unterzogen werden. Die zu prüfende Position ist bezüglich einer in das Federsystem integrierten Höheneinstellung definiert (unterste Einstellung mit vollem Schwinghub nach Herstellerangaben), wobei es keine Festlegung bezüglich der Dämpfereinstellung bei Vorhandensein einer solchen gibt. Der Dämpfungstest wird mit einer Masse von 75kg auf dem Sitzpolster durchgeführt, was in etwa der schweren Versuchsperson entspricht.

Aus einer Studie der BG für Fahrzeughaltungen ist ersichtlich, dass im Bereich der Berufskraftfahrer (Reisebusse und Lastkraftwagen) ein Testpersonengewicht von ca. 100kg nicht die Realität nach oben hin abdeckt [2]. Sitze im Agrarbereich haben schon immer die Forderung nach einer Mindesttraglast von 120kg Fahrergewicht [3], was in etwa dem 95. Perzentil der Berufskraftfahrer entspricht. Bei Erdbaumaschinen liegt das 95. Perzentil weltweit bei eher 114kg als bei den 100kg der ISO 7096, dass 5. Perzentil stimmt in etwa, wenn man die Gewichte DIN EN ISO 3411:2007 zu Grunde legt [4].

Als Sitzhersteller haben wir uns, gerade auch im Blick auf die anstehende Revision der ISO 7096:2000 die Aufgabe gestellt, das Prüfverfahren hinsichtlich höherer Fahrergewichte (95. Perzentil und darüber hinaus) und einstellbarer Vertikalstoßdämpfung sowohl bezüglich der Schwingungsprüfung als auch des Dämpfungstests zu untersuchen. Hierzu werden im Folgenden Ergebnisse vorgestellt und diskutiert. Es geht bei dieser Untersuchung nicht um die Beurteilung eines einzelnen Sitztyps, sondern um die Darstellung der Auswirkungen heute vorhandener Sitzeinstellmöglichkeiten und deren Auswirkung auf die ISO 7096:2000, auch und insbesondere im Blick auf die anstehende Revision.

2. Schwingungsprüfung mit erhöhten Fahrergewichten und einstellbarer Dämpfung

Die Schwingungsanregungen der ISO 7096:2000 sind in 9 verschiedene Klassen eingeteilt (EM1 bis EM9). Bei den Messungen wurden die Klassen EM1, EM3 und EM6 ausgewählt. Die EM1 (Muldenkipper) und die EM3 (Radlader) als Beispiele tieffrequenter Anregungen mit großer Amplitude, die EM6 (Kettenraupen und Lader) als Beispiel hochfrequenter Anregung mit kleinerer Amplitude. Die Prüfungen wurden mit Personengewichten von 53kg, 77kg, 100kg, 120kg und 150kg durchgeführt, wobei die 120kg in die Richtung des 95. Perzentil der Population der Maschinennutzer geht, die auch in der Basisprüfnorm empfohlen wird [5].

Die 150kg Person wurde in die Untersuchungen integriert, um zu prüfen, ob es bei Fahrergewichten deutlich über das 95. Perzentil hinaus zu unerwarteten Problemen kommt. Für die Untersuchungen wurde ein luftgefederter Sitz mit einstellbarer Vertikaldämpfung und integrierter Höheneinstellung eingesetzt. Die Einstellung der eingesetzten Vertikaldämpfung ist stufenlos und das Verhältnis der Kräfte harter zu weicher Einstellung liegt etwa bei Faktor 6 (Weiche Einstellung 130N/200N und harte Einstellung 740N/1350N jeweils Zug-/Druckkräfte bei gleicher Prüfgeschwindigkeit), was einen sehr großen Variationsbereich für die Vertikaldämpfung bedeutet. Die Druckkräfte sind für diesen Einsatzfall zur Vermeidung von Anschlägen am unteren Endanschlag des Schwingweges höher als die Zugkräfte ausgelegt. In einer ersten Messreihe wurde der Einfluss der Dämpfereinstellung und des Fahrergewichts auf den SEAT-Faktor ermittelt. Gleichzeitig wurden die Schwingwege am Federsystem erfasst. Die Höheneinstellung wurde entgegen der ISO 7096:2000 auf Mittelposition eingestellt, so dass selbst bei der 150kg Versuchsperson ausreichend freier Schwingweg (ohne Kontakt zu den elastischen Endanschlägen des Federsystems) zur Verfügung stand. In Diagramm 1 sind die SEAT-Faktoren bei der Prüfung gemäß EM1 über dem Fahrergewicht dargestellt, in Diagramm 2 bei der Prüfung gemäß EM3 und in Diagramm 3 gemäß EM6. Der SEAT-Faktor ist das Verhältnis der frequenzbewerteten Effektivbeschleunigungen auf dem Sitz (unter dem Gesäß des Fahrers – Einleitungsstelle in die Wirbelsäule) und unter dem Sitz (an der Sitzmontagestelle). Dieser SEAT-Faktor gibt an, wie die in den Sitz eingeleiteten Schwingungen an den Fahrer unter Berücksichtigung der Frequenzbewertung nach ISO 2631-1 weitergegeben werden [6].

Eine härtere Dämpfereinstellung führt zu einer Erhöhung des SEAT-Faktors, in den Klassen EM1 und EM3 teilweise geringfügig über den jeweiligen Grenzwert hinaus. Gleichzeitig reduzieren sich die Gesamtschwingwege (Differenz der maximalen Federwege nach oben und nach unten aus der Schwingmittellage) deutlich, was für die Klassen EM1 und EM3 in den Diagrammen 4 und 5 dargestellt ist. (Bei der EM6 liegen die Schwingwege immer kleiner 20mm und werden hier nicht weiter betrachtet).

Bei weicher Dämpfereinstellung werden bei dem 120kg-Fahrer Schwingwege von bis zu 100mm gemessen. Bei Einstellung des Sitzes auf die unterste Position der integrierten

Höheneinstellung treten bei den schwereren Versuchspersonen und weicher Dämpfereinstellung) spürbare Kontakte mit den unteren Endanschlägen auf. Nominelle Schwingwege liegen bei Baumaschinensitzen um die +/- 40-50mm. Bei in das Federsystem integrierter Sitzhöheneinstellung vergrößert diese Funktion den potentiellen Schwingweg, wenn keine mitfahrenden Anschläge verbaut sind. Der nominelle Schwingweg setzt sich aus freiem Schwingweg und dem zusätzlichen Weg zusammen, um welchen ein Endanschlagpuffer zusammendrückt werden kann. Dieser Weganteil „in den Anschlagpuffer hinein" kann durchaus 20mm und mehr betragen, was aber durch die Reduzierung des freien Schwingwegs Auswirkungen auf den SEAT-Faktor hat und weiter unten untersucht und diskutiert wird.

Hinweis für die Messpraxis: Treten in der Praxis Endanschläge auf, wird ein geschulter Fahrer seine Fahr- bzw. Arbeitsweise ändern oder seinen Fahrersitz anders einstellen. Hier bietet sich ihm die Möglichkeit entweder die Sitzhöheneinstellung auf eine höhere Position einzustellen, um ausreichend freien Schwingweg zu erhalten oder er wird eine härtere Einstellung des Dämpfers vornehmen, welche die Schwingwege auf ein entsprechendes geringeres Maß reduzieren. Bei Messungen an Maschinen zur Beurteilung des Arbeitsplatzes hinsichtlich Ganzkörperschwingungen ist daher zwingend auf eine korrekte, den Arbeits- und Fahrbedingungen angepasste Sitzeinstellung zu achten. Wir empfehlen in jedem Fall die gleichzeitige Erfassung des Federweges und der Beschleunigungsdaten an der Sitzbasis und auf dem Sitz, sowie die Speicherung der Zeitsignale mit mindestens 200Hz Abtastrate. Bei ausschließlicher Ermittlung und Speicherung der Mittelwerte der bewerteten Beschleunigungen unter und auf dem Sitz besteht später nur sehr eingeschränkt die Möglichkeit, Ursachen für unerwartete Messergebnisse zu finden. Werden die Mittelwerte nur auf dem Sitz und nicht auch unter den Sitz erfasst, besteht faktisch keine Möglichkeit Ursachenforschung zu betreiben.

Bei Laborversuchen, wie hier bei der ISO 7096:2000, aber auch bei Messungen in Maschinen kann in einfacher Weise ein Seilwegsensor die Schwingwege erfassen. Die Wegmessung bietet die Möglichkeit, vor, während und nach der Messung die eingestellte Schwingposition zu kontrollieren. Undichtigkeiten bei pneumatisch gefederten Sitzen, Verstellung der Höhe während der Messdauer (zum Beispiel durch thermische Effekte bei geschlossenen Luftfedersystemen) oder mögliche Defekte an der Federung können erkannt und es kann sofort korrigierend eingegriffen werden. Insbesondere bei Messungen auf Maschinen empfiehlt sich die sofortige Kontrolle der Messungen, auch zwischen einzelnen Messfahrten. Werden Messfehler, Fehleinstellungen des Sitzes oder Defekte am Sitz erst später erkannt, sind die Messungen unter Umständen nicht verwertbar und es entsteht

unnötiger zusätzlicher Aufwand bei einer ohnehin kostenintensiven Aufgabenstellung. Wir empfehlen vor Ort die Analyse der Daten mit Berechnung der Sitzübertragungsfunktion. Kenntnisse über Schwingsitze und ihrer Einstellmöglichkeiten, sowie Erfahrung in der Interpretation von Schwingungsmessungen, sind unserer Auffassung nach hier eine Grundvoraussetzung.

3. Schwingungsprüfung mit stufenlos einstellbarer Vertikaldämpfung

Die Auswirkungen einer variablen Dämpfereinstellung auf den SEAT-Faktor und auf die Schwingwege wurden neben harter und weicher Einstellung auch bei einer mittleren Dämpfereinstellung und zusätzlich bei festgesetztem Federsystem gemessen. Für die beiden Versuchspersonen der ISO 7096:2000 (53kg-Person und 100kg-Person) sind die Ergebnisse für die Maschinenklasse EM3 dargestellt.

Eine mittlere Dämpfereinstellung bietet dem 100kg-Fahrer die Möglichkeit der deutlichen Reduzierung der Schwingwege gegenüber der weichen Einstellung bei deutlich besserem SEAT-Faktor gegenüber der harten Dämpfereinstellung. Die Messung mit starrem Schwingsystem wurde aufgenommen, um zu zeigen, dass ein sogenannter statischer Sitz - ein Polstersitz ohne Schwingsystem - die Schwingungen nicht 1:1 an den Fahrer weitergibt, sondern durch die Charakteristik des Polster im Zusammenwirken mit der Frequenzbewertung der Schwingungseinwirkung auf den sitzenden Menschen (ISO 2631 Teil 1 [6]) die in den Sitz eingeleiteten Schwingungen deutlich verstärkt (hier ca. 35%). Zudem werden Stöße ungehindert weitergegeben. Eine variable Dämpfereinstellung bietet somit insbesondere den schweren Fahrern eine gute Möglichkeit der Anpassung – nicht nur an das eigene Fahrergewicht.

Bei leichten Fahrergewichten sind die Schwingwege erwartungsgemäß geringer. Eine harte Dämpfereinstellung blockiert das Federsystem bereits fast vollständig.

4. SEAT-Faktor versus Endanschläge

Um aufzuzeigen, welchen Einfluss Endanschläge auf den SEAT-Faktor haben, wurden die Messungen der Klasse EM1 in unterster Höheneinstellung wiederholt. Für die Messungen wurde ein typischer Schwingweg von 40mm nach unten eingestellt. Der freie Schwingweg (bis zur Berührung des Anschlagpuffers) betrug 28mm. Bis zum nominellen Einfederweg von 40mm wird der Anschlagpuffer um 12mm komprimiert.

Je größer das Gewicht der Versuchspersonen, desto größer der Einfluss. Leichte Fahrer erfahren Endanschläge seltener und weniger intensiv. Der genannte Effekt wird noch durch den Einbau längerer Endanschlagpuffer verstärkt. Die zweite eingesetzte Bauform hat lediglich 21mm freien Schwinghub zur Verfügung.

Zur Erfüllung der Schwingungsprüfung der ISO 7096:2000 ist es demnach vorteilhaft, möglichst kurze Endanschläge einzusetzen, um diese bei der Prüfung nicht zu berühren und so einem möglichst großen freien Schwinghub zur Verfügung zu stellen. Dies kann bei der Auslegung der Sitze auf Grund begrenzten Bauraumes zu kurzen und relativ harten Endanschlagpuffern führen.

Um ein hartes Durchschlagen von Sitzen im Praxiseinsatz bei entsprechend harten Bedingungen zu verhindern, sollte ein solches Durchschlagen möglichst nicht unvermittelt auftreten, sondern sich „ankündigen". Der Fahrer sollte, wie auch das Forschungsvorhaben TESTOP [7] gezeigt hat, vorgewarnt werden, zum Beispiel durch einen frühzeitigen Kontakt mit einem progressiv einsetzenden Endanschlag. Bei steigenden Schwingamplituden sollte die Kraft eines Endanschlages nicht plötzlich extrem ansteigen.

Wird dieser Aspekt durch den Dämpfungstest der ISO 7096:2000 hinreichend berücksichtigt?

5. Dämpfungstest mit verschiedenen Massen

Beim Dämpfungstest der ISO 7096:2000 wird der Sitz mit 75kg Masse belastet, was in etwa der 100kg schweren Versuchsperson entspricht. Nach Ermittlung der sich dann ergebenen Resonanzfrequenz wird mit genau dieser Frequenz die Aufspannfläche des Sitzes mit einem Sinus-Wegsignal angeregt. Die Amplitude (Spitze-Spitze) wird auf 40% des Gesamtschwingweges des Sitzes (laut Herstellerangaben) eingestellt. In der ISO 7096:2000 ist ein Grenzwert der Verstärkung der Schwingung bei dieser Resonanzfrequenz von 1,5 bzw. 2,0 angegeben (z. Bsp. für EM1 und EM3 beträgt dieser Grenzwert 1,5).

Insbesondere um höhere Fahrergewichte im Dämpfungstest zu berücksichtigen, wurden sowohl mit der definierten Masse von 75kg als auch mit Massen entsprechend der Versuchspersonen von 53kg bis 150kg Dämpfungstests in unterster Höheneinstellung durchgeführt.

Die Ergebnisse in Diagramm 8 zeigen, dass selbst bei weicher Einstellung und einem Fahrergewicht von 150kg der Grenzwert von 1,5 im Dämpfungstest eingehalten wird, obwohl es bei den Messungen des SEAT nach EM3 bzw. EM1 bereits mit der 120kg Versuchsperson zu Berührungen mit dem Endanschlagpuffer kommt.

Der Dämpfungstest in seiner bisherigen Form auch mit einer der 120kg Versuchsperson angepassten Masse stellt nicht sicher, dass es bei der Schwingungsprüfung nicht zu deutlich spürbarem Durchschlagen der Sitzfederung in die Endanschläge kommt. Es wird ein Aufschwingen des Sitzes in der Resonanzfrequenz bewertet, wobei diese Resonanzfrequenz selbst unabhängig von den jeweiligen Anregungsfrequenzen der zu prüfenden Klassen der ISO 7096:2000 ist. Bei dem untersuchten System war es nicht notwendig zur Erfüllung des Dämpfungstests eine andere als die niedrigste Dämpfereinstellung zu wählen. Wie mit einer solchen Einstellmöglichkeit in Verbindung mit dem Schwingungstest zu verfahren ist, ist bislang in der Norm nicht berücksichtigt.

6. Diskussion

Eine einstellbare Vertikaldämpfung bietet dem Fahrer die Möglichkeit Endanschläge zu vermeiden oder die auftretenden Schwingamplituden zur Erfüllung der Fahr- bzw. Arbeitsaufgabe zu begrenzen. Eine in das (luftgefederte) Federsystem integrierte Höheneinstellung erhöht den Komfort durch eine pneumatische Höheneinstellung und bietet eine Variation des (freien) Schwinghubes bis zu den Endanschlagpuffern. Das heute vorhandene 95% Perzentil ist in der ISO 7096:2000 sowohl beim Schwingungstest als auch beim Dämpfungstest nicht berücksichtigt. Die in diesem Vortrag vorgestellten Aspekte sind bei der anstehenden Revision nach unserer Auffassung mit zu berücksichtigen.

[1] ISO 7096:2000
[2] Helbig K., Küchmeister, G. BG für Fahrzeughaltungen Projektbericht 2000, nicht veröffentlicht [3] 78/764/EWG Richtlinie des Rates … über den Führersitz von land- und forstwirtschaftlichen Zugmaschinen
[4] DIN EN ISO 3411:2007 "Erdbaumaschinen - Körpermaße von Maschinenführern und Mindestfreiraum
[5] DIN EN ISO 30326-1:1994/A2:2011 Mechanische Schwingungen - Laborverfahren zur Bewertung der Schwingungen von Fahrzeugsitzen
[6] ISO 2631-1:1997 Mechanical Vibration and shock – Evaluation of human exposure to whole-body vibration Part 1: General Requirements
[7] SMT4 CT97 2161 EC Standards Measurement and Testing Program

TESTOP Testing Suspension Seats for End-stop Impacts – Final Report Nov. 2000

Autor des Artikels:

Dipl.-Ing. Lutz Meyer
Dipl.-Ing. Henning Meyer

ISRINGHAUSEN GmbH&Co.KG
32657 Lemgo, ISRINGHAUSEN-Ring 58