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Einleitung
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Die Erfindung betrifft ein Bodenverdichtungsgerät mit einem Schwingungserreger mit mindestens einer Drehachse, um die herum mindestens eine Unwuchtmasse rotierbar ist, wobei die Unwuchtmasse während ihres Umlaufs um die erste Drehachse eine Drehbewegung um eine weitere Drehachse ausführt, die ihrerseits wiederum um die erste Drehachse rotiert.
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Unter Bodenverdichtungsgeräten können in diesem Zusammenhang beispielsweise Walzen oder Vibrationsplatten verstanden werden. Zur Erzeugung einer Schwingung werden typischerweise auf Wellen Unwuchtmassen, insbesondere in Form von Ringsegmentscheiben angebracht, durch die der Schwingungserreger und damit das mit ihm fest verbundene Bodenverdichtungsgerät bei Rotation der Wellen in Schwingungen versetzt wird, was über den senkrecht zum Boden eingebrachten Anteil der kinetischen Energie zur Verfestigung des überfahrenen Untergrundes führt. Insbesondere bei Vibrationsplatten werden dazu in der Regel eine oder mehrere dieser Unwuchtwellen eingesetzt, die zum Beispiel im Falle zweier parallel gelagerter Unwuchtwellen bei gleicher Aufteilung der Unwuchtmassen auf die beiden Wellen gegenläufig rotieren, um zum einen je nach Phasenlage der Unwuchten zueinander die Stärke der Schwingungsenergie in Bodenrichtung einstellen zu können, zum anderen aber auch eine Steuerung der Fahrtrichtung des Bodenverdichtungsgerätes zu erlauben.
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In der Druckschrift
DE 297 23 617 U1 wird ein Schwingungserreger mit drei parallel gelagerten Unwuchtwellen offenbart, wobei die Unwuchtmassen so verteilt sind, dass die beiden äußeren Wellen zusammen und die mittlere Welle jeweils die Hälfte der gesamten Unwuchtmasse „M” tragen. Dadurch entsteht eine Unwuchtmassenverteilung von M/4:M/2:M/4. Durch Verstellen der Phasenlage der Unwuchtmassen an den einzelnen Wellen lässt sich auf diese Weise im Vergleich zu Schwingungserregern mit nur zwei Erregerwellen eine bessere Steuerung des Bodenverdichtungsgerätes erreichen.
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Für einen besonders starken Vortrieb beziehungsweise eine besonders sensible Lenkung können, wie in Druckschrift
DE 20 2006 004 706 U1 vorgeschlagen, die Massen der Unwuchtkörper asymmetrisch auf die einzelnen Wellen verteilt werden. Das heißt, die mittlere Welle trägt mehr beziehungsweise weniger als 50% der gesamten Unwuchtmasse, womit auf die äußeren Wellen der komplementäre Massenanteil entfällt, der zudem auch noch zu ungleichen Teilen auf die beiden äußeren Wellen verteilt sein kann.
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Eine weitergehende Ausführungsform dieser Schwingungserreger ist in Druckschrift
DE 20 2006 004 707 U1 beschrieben. Durch den resultierenden Drehimpuls der rotierenden Unwuchtmassen sind zum einen Bewegungen senkrecht zur Rotationsachse, wie sie zum Beispiel bei Richtungsänderungen auftreten, mit einem erhöhten Kraftaufwand seitens der das Bodenverdichtungsgerät bedienenden Person verbunden, zum anderen treten dabei unerwünschte Taumel- und Kippbewegungen (Präzessions- bzw. Nutationsbewegungen) auf, die das Bedienen des Bodenverdichtungsgerätes zusätzlich erschweren können. Dies kann teilweise dadurch vermieden werden, dass die eine Unwuchtmasse der mittleren Welle koaxial in zwei Teilmassen aufgeteilt wird, die entweder zueinander in eine unterschiedliche Phasenlage gebracht werden können, oder deren Abstand zur Wellenachse jeweils separat variiert werden kann. Bei beiden Möglichkeiten wird ein Drehmoment im oder gegen den Uhrzeigersinn um die durch den Schwerpunkt des Bodenverdichtungsgerätes gehende vertikale Achse erzeugt und so die durch das Bedienpersonal durchgeführten Drehbewegungen des Bodenverdichtungsgerätes unterstützt. Auch erlaubt diese Aufteilung der mittleren Unwuchtmasse in zwei Teilmassen ein einfacheres Steuern des Bodenverdichtungsgerätes per Fernbedienung.
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Ferner beschreibt die gattungsgemäße
DE 1 758 996 A einen Mehrwellen-Kreisschwinger, der zwei Wellen aufweist, wobei sich eine erste Planetenwelle um eine zentral angeordnete zweite Welle bewegt. Auf der Planetenwelle ist eine Unwucht angeordnet, die im Zuge der Bewegung der Planetenwelle um die zentral angeordnete Welle rotiert und auf diese Weise eine Schwingung hervorruft. Typischerweise führt die Unwucht während einer Umdrehung der Planetenwelle um die zentrale Welle eine Vielzahl von Umdrehungen aus.
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Darüber hinaus beschreibt das
US-Patent 4 647 247 A ein Bodenverdichtungsgerät zur Verdichtung einer Bodenschicht, wobei dieses Bodenverdichtungsgerät einen Schwingungserreger aufweist, der über insgesamt drei rotierende Wellen verfügt, wobei diese Wellen übereinander in einer Ebene angeordnet sind und die mittlere Welle lediglich als Antriebswelle dient. An den beiden äußeren Wellen, die mittels Zahnriemen von der Antriebswelle angetrieben werden, sind gegenläufige Unwuchten angeordnet, die aufgrund der Rotation der Achsen zwei extremale Positionen zueinander einnehmen, wobei in der ersten Position beide Unwuchten maximal und umgekehrt in der zweiten Position beide Unwuchten minimal voneinander beabstandet sind.
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Der Nachteil solcher Bodenverdichtungsgeräte ist, dass sie, um eine ausreichend gute Bodenverdichtung zu erzeugen, relativ große Unwuchtmassen benötigen. Dadurch steigen die Anforderungen an den Antriebsmotor, der die Unwuchtmassen bewegen muss, sowie an die Stellmechanik des Bodenverdichtungsgerätes. Die damit verbundenen höheren Qualitätsanforderungen an das Material steigern folglich auch die Herstellungskosten für die Maschine. Durch das höhere Gewicht des Bodenverdichtungsgerätes wird zudem die Steuerung des Gerätes erschwert, womit die die Steuerung unterstützende Technik verkompliziert und verteuert wird.
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Aufgabe
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, ein Bodenverdichtungsgerät mit einem Schwingungserreger so zu gestalten, dass letzterer bei guten Verdichtungsleistungen eine geringere Masse und einen einfacheren Aufbau aufweist, wodurch die Bedienung erleichtert und die Herstellungskosten reduziert werden.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Bodenverdichtungsgerät der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Unwuchtmasse während eines Umlaufs um die erste Drehachse drei Umdrehungen um die zweite Drehachse ausführt. Durch die Rotation der Unwuchtmasse um eine zweite Drehachse, die sich mit einem Abstand und parallel zur ersten Drehachse befindet, können zusätzliche Kräfte erzeugt werden, die die Amplituden der bei der Rotation um die erste Drehachse erzeugten Schwingungen vergrößern können. Je nach Verhältnis der Umdrehungen der Unwuchtmasse um die erste Achse zu den Umdrehungen um die zweite Achse kann zudem das Frequenzspektrum der Schwingungen derart moduliert werden, dass zusätzliche Maxima und Minima erzeugt werden.
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Neben den beschriebenen drei Umdrehungen der ersten Drehachse um die zweite Drehachse kann es generell vorteilhaft sein, wenn die Unwuchtmasse während eines Umlaufs um die erste Drehachse N Umdrehungen um die zweite Drehachse ausführt, wobei N stets eine natürliche ungerade Zahl größer als 1 ist. Ist die Frequenz der Umdrehungen der Unwuchtmasse um die zweite Drehachse ein Vielfaches der Frequenz der Umdrehungen um die erste Drehachse, so erhält man je nach Ausgangslage der Unwuchtmasse nicht nur zusätzliche Minima und Maxima, sondern die bestehenden Minima und Maxima können vergrößert oder verkleinert werden. Dadurch kann je nach Erfordernis mehr oder weniger Energie in den Boden eingebracht werden, wodurch dieser stärker oder schwächer verdichtet wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass eine die zweite Drehachse verkörpernde Welle, an der die Unwuchtmasse befestigt ist, eine Verzahnung besitzt, die mit einer Verzahnung zusammenwirkt, die sich an einem Zahnrad befindet, das koaxial zur ersten Drehachse angeordnet ist. Bei der Rotation der zweiten Drehachse um die erste Drehachse bewirkt das Eingreifen der Verzahnung der die zweite Drehachse verkörpernden Welle in die Verzahnung des koaxial zur ersten Drehachse liegenden Zahnrades, dass die Unwuchtmasse um die zweite Drehachse herum rotiert. Durch die Wahl der Übersetzung, das heißt durch die Wahl des Verhältnisses der Anzahl der Zähne zueinander, wird das Verhältnis N der Drehzahlen der Unwuchtmasse um die erste und die zweite Drehachse gebildet.
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Die die zweite Drehachse verkörpernde Welle kann in zwei Scheibenkörpern gelagert sein, die synchron um die erste Drehachse rotieren. Die Scheibenkörper sind dazu jeweils mit einer Lagerbuchse für je ein Wälzlager versehen, das speziell als Zylinderrollenlager ausgeformt sein kann. Damit soll sichergestellt werden, dass bei geringer Reibung ausreichend hohe Kräfte bei gleichzeitig langer Lebensdauer übertragen werden können.
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Die Scheibenkörper sollen dabei von einem Antrieb rotierbar sein, durch den dann gleichzeitig auch die Rotation der Unwuchtmasse um die zweite Drehachse verursacht wird. Somit kann mit geringem Aufwand über einen einzigen Antrieb der gesamte komplexe Bewegungsablauf ausgeführt werden.
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Der Radius der Kreisbahn der zweiten Drehachse um die erste Drehachse sollte größer oder kleiner sein als der Radius der Bahnkurve des Schwerpunktes der Unwuchtmasse um die zweite Drehachse. Ist der Bahnradius der zweiten Drehachse um die erste Drehachse kleiner als der Bahnradius des Schwerpunktes der Unwuchtmasse um die zweite Drehachse, so bewegt sich die Unwuchtmasse bei ihrem Umlauf um die zweite Drehachse durch die erste Drehachse hindurch. Eine solche Vergrößerung des Bahnradius des Unwuchtmassenschwerpunktes führt zu einer Erhöhung der in den Boden eingebrachten Kräfte.
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Die Unwuchtmasse soll vorteilhafter Weise die Form eines Teilzylinders, insbesondere die eines Halbzylinders oder eines Drittelzylinders besitzen. Damit wird die größtmögliche Masse in die für eine Unwucht günstigste Form mit dem kleinstmöglichen Volumen gepackt.
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Der Schwingungserreger ist vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet und die Bahnkurve der Unwuchtmasse ist, relativ zum Gehäuse gesehen, um die erste Drehachse herum verdrehbar. Wird die Unwuchtmasse in der Startposition in oder gegen die Rotationsrichtung verdreht, wird eine resultierende Kraft in die entsprechende Richtung erzeugt, die zur Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt des Bodenverdichtungsgerätes genutzt werden kann.
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Die Relativverdrehung der Bahnkurve der Unwuchtmasse bzgl. des Gehäuses ist zum Beispiel mittels einer Zahnstange-Zahnrad-Paarung oder einer Schnecke-Zahnrad-Paarung einstellbar, wobei die Zahnstange bzw. die Schnecke gehäusefest angeordnet ist. Eine solche Zahnstange-Zahnrad-Paarung beziehungsweise Schnecke-Zahnrad-Paarung stellt eine technisch mit geringem Aufwand herstellbare, aber dennoch robuste Einstellmöglichkeit für die Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt des Bodenverdichtungsgerätes dar.
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Zwei gleich große Unwuchtmassen sollen eine gegenphasige Bewegung auf einer hinsichtlich ihrer Form übereinstimmenden Bahnkurve um zwei zueinander parallele erste Drehachsen ausführen. Durch den Einsatz zweier gegenläufig in Phase rotierender Schwingungserreger mit jeweils zwei Drehachsen werden die senkrecht in den Boden eingebrachten Kräfte verstärkt, die parallel zum Untergrund auftretenden Schwingungen jedoch unterdrückt. Dies wirkt sich positiv auf das Komfortverhalten des Bodenverdichtungsgerätes aus.
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Vorzugsweise sind die Bahnkurven der Unwuchtmassen beider Schwingungserreger relativ zum Gehäuse verdrehbar, um im Falle von Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt resultierende Drehmomente um eine Achse, die mittig zwischen und parallel zu den beiden ersten Drehachsen der Schwingungserreger angeordnet ist, zu vermeiden. Wird nur die Bahnkurve der Unwuchtmasse eines Schwingungserregers verdreht, so sind die in den Boden eingebrachten Energiebeträge von beiden Schwingungserregern unterschiedlich, was zu einem ungleichmäßigen Springen des Bodenverdichtungsgerätes führen kann. Daher erhöht eine synchrone Verdrehung der Bahnkurven der Unwuchtmassen beider Schwingungserreger den Bedienkomfort des Bodenverdichtungsgerätes beträchtlich.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen für ein Bodenverdichtungsgerät mit einem Schwingungserreger näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine 3-D-Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Schwingungserregers,
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2: eine Draufsicht auf den Schwingungserreger gemäß 1 in bzw. entgegen der Rotationsrichtung,
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3: eine Seitenansicht des Schwingungserregers gemäß 1,
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4: einen Schnitt durch einen Schwingungserreger in einer zweiten Ausführungsform mit Bodenkontaktelement in Draufsicht,
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5: eine schematische Seitenansicht des Schwingungserregers mit Bodenkontaktelement gemäß 4,
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6a: eine schematische Darstellung des Bewegungsablaufs ohne Phasenverdrehung der Unwuchtmasse,
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6b: eine schematische Darstellung des Bewegungsablaufs mit Phasenverdrehung der Unwuchtmasse,
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7a: Kurvenverlauf der Bewegung des Unwuchtmassenschwerpunkts in vertikaler Richtung gemäß 6a,
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7b: Kurvenverlauf der Bewegung des Unwuchtmassenschwerppunkts in vertikaler Richtung gemäß 6b.
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In 1 ist ein Schwingungserreger 1 perspektivisch dargestellt, eine Draufsicht senkrecht zu den Drehachsen des Schwingungserregers 1 zeigt 2. Zwischen zwei rotationssymmetrischen Scheibenkörpern 9 befindet sich azentrisch und parallel zu einer zentralen ersten Drehachse 3 der Scheibenkörper 9 eine Welle 5, die in an den Scheibenkörpern 9 befestigten Wälzlagern 11 rotierbar gelagert ist. Diese Wälzlager 11, die speziell als Zylinderrollenlager 12 ausgeformt sein sollen, befinden sich in Lagerbuchsen 10, die an den Scheibenkörpern 9 fest angebracht sind. Um genau berechenbare Schwingungen des Orbitalschwingungserregers 1 zu erzeugen, wird die Masse der Lagerbuchsen 10 und der Welle 5 auf der entgegengesetzten Seite der Scheibenkörper 9 durch ringsegmentartige Gegengewichte 16 ausgeglichen.
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Durch die Welle 5 wird eine zweite Drehachse 4 definiert, die mit einem Abstand versehen parallel zur ersten Drehachse 3 verläuft. An der Welle 5 ist eine Unwuchtmasse 2 befestigt, die die Form eines Halbzylinders besitzt und die um die zweite Drehachse 4 herum rotierbar ist. Durch die azentrische Lage der Welk 5 vollführt die Unwuchtmasse 2 bei Rotation der Scheibenkörper 9 eine überlagerte Rotationsbewegung aus, die sich aus einer Rotation um die erste Drehachse 3 und einer weiteren Rotation um die zweite Drehachse 4 zusammensetzt.
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Um diese überlagerte Drehbewegung der Unwuchtmasse 2 umzusetzen, befindet sich zum einen außerhalb der Scheibenkörper 9 koaxial zur ersten Drehachse 3 ein Zahnrad 14 mit einer Verzahnung 7, das jedoch nicht an der Rotation der Scheibenkörper 9 teilnimmt, sondern sich während des Bewegungsablaufs zu einem Gehäuse 13, wie in 4 gezeigt, relativ in Ruhe befindet. Des weiteren ist auf der Welle 5 in deren Verlängerung ebenfalls außerhalb der Scheibenkörper 9 ein weiteres Zahnrad 8 mit einer Verzahnung 6 befestigt, die in die Verzahnung 7 des Zahnrades 14 eingreift (siehe 3). Rotieren nun die Scheibenkörper 9 um die erste Drehachse 3, so rotiert mit ihnen auch die Welle 5, das mit ihr fest verbundene Zahnrad 8 sowie die mit der Welle 5 verbundene Unwuchtmasse 2 um diese erste Drehachse 3. Das Eingreifen der Verzahnung 6 des Zahnrades 8 in die Verzahnung 7 des feststehenden Zahnrades 14 bewirkt nun, dass das Zahnrad 8 auf dem Zahnrad 14 abrollt und dadurch eine Eigenrotation vollführt, die direkt auf die Welle 5 übertragen wird, wodurch die zusätzliche Rotationsbewegung der Unwuchtmasse 2 um die durch die Welle 5 definierte zweite Drehachse 4 erzeugt wird.
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Um eine Vorwärts- beziehungsweise eine Rückwärtsfahrt des Bodenverdichtungsgerätes zu ermöglichen, kann durch Drehen am Zahnrad 14 die Lage der Unwuchtmasse 2 in oder entgegen der Rotationsrichtung um die erste Drehachse 3 verändert werden. Dadurch wird ein Teil der Energie, die sonst zur Bodenverdichtung verwendet wird, in Bewegungsenergie für die Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt umgewandelt. der resultierende Unwuchtvektor weist in diesen Fällen nicht in vertikale Richtung, sondern schräg nach vorn beziehungsweise nach hinten.
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In 4 ist eine Bodenplatte 18 eines im übrigen nicht weiter dargestellten, aber aus dem Stand der Technik hinsichtlich seines grundsätzlichen Aufbaus her bekannten Bodenverdichtungsgerätes mit einem Schnitt durch zwei darauf angebrachte Schwingungserreger 1 gezeigt. Die Schwingungserreger 1, die von einem auf der Bodenplatte befestigten oder einstückig mit der Bodenplatte ausgebildeten Gehäuse 13 umgeben sind, liegen derart nebeneinander, dass ihre Drehachsen 3 und 4 koaxial zueinander angeordnet sind. Auf der einen Seite dieses Gehäuses 13 befindet sich eine Stellvorrichtung 19 für die Lagepositionierung der Unwuchtmassen 2, wobei die Einstellung der Lage der Unwuchtmassen 2 mittels einer Zahnstange 15 über eine im Betrieb stillstehende Welle 20 und weiter über die zwischen den Schwingungserregem positionierten Zahnräder 8 und 14 erfolgt. Wird mm die Zahnstange 15 in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeils bewegt, so wird das Zahnrad 14 und damit das Zahnrad 8 um die entsprechende Anzahl an Zähnen bewegt und die Unwuchtmassen 2 um einen entsprechenden Winkel verdreht.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 13 befindet sich eine Antriebsscheibe 17 für einen vom Motor kommenden, hier nicht gezeigten Riemenantrieb, die über einen Arm 21 mit den Wellen 5 gekoppelt ist, und somit die vom Motor kommende Energie auf die Unwuchtmassen 2 der beiden Schwingungserreger überträgt. Die im ersten Ausführungsbeispiel offenbarten Scheibenkörper 9 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch einen Arm 21 ersetzt. 5 zeigt schließlich eine schematische Seitenansicht des Bodenverdichtungsgerätes mit der relativen Position der Schwingungserreger 1 zur Bodenplatte.
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Anhand der 6a und 6b soll der oben umrissene Bewegungsablauf des Schwerpunkts der Unwuchtmasse 2 beschrieben werden. Dargestellt ist jeweils eine durch die Zahnräder 8 und 14 vorgegebene Einstellung, bei der die Unwuchtmasse 2 während eines Umlaufs um die erste Drehachse 3 drei Umläufe um die zweite Drehachse 4 ausführt. Dies entspricht einem Übersetzungsverhältnis von 1:2, wobei das rotierende Zahnrad 8 gegenüber dem stehenden Zahnrad 14 die halbe Zähnezahl aufweist. In 6a ist die Anfangsposition der Unwuchtmasse 2 für einen maximalen Energieeintrag in den Boden eingestellt, das heißt, am höchsten und am tiefsten Bahnpunkt liegen der Schwerpunkt der Unwuchtmasse 2 und die beiden Drehachsen 3 und 4 auf einer Linie, die senkrecht zu einer von dem zu verfestigenden Untergrund aufgespannten Ebene ausgerichtet ist. Gleichzeitig befindet sich der Schwerpunkt der Unwuchtmasse 2 außerhalb des Bahnradius der zweiten Drehachse 4, das heißt am unteren Totpunkt der Anordnung. Hierbei wird keine resultierende Kraft in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung ausgeübt. Ein Kurvenverlauf des Schwerpunktes der Unwuchtmasse 2 zu dieser Konfiguration bezüglich der Normalenrichtung der Bodenplatte 18 und in Abhängigkeit von der Zeit ist in 7a wiedergegeben. Es ergibt sich eine im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik her bekannten Schwingungserreger vergrößerte Amplitude in positiver und negativer Normalenrichtung, die jeweils von zwei kleinen Minima beziehungsweise Maxima begleitet werden.
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In 6b ist die Unwuchtmasse 2 in der Anfangsposition, in der die beiden Drehachsen 3 und 4 direkt übereinander, das heißt senkrecht über der durch den Untergrund aufgespannten Ebene liegen, mittels der Zahnstange 15 um einen Winkel α in Vorwärtsrichtung des Bodenverdichtungsgerätes verdreht. Damit ergibt sich keine gerade Verbindungslinie zwischen den Drehachsen 3 und 4 und dem Schwerpunkt der Unwuchtmasse 2. Als Folge davon wird ein Teil der kinetischen Energie, die im ersten Beispiel vollständig für die Bodenverdichtung aufgebracht wurde, in Bewegungsenergie für die Vorwärtsbewegung verwendet. 7b stellt einen Kurvenverlauf für dieses Beispiel, wieder auf die Normalenrichtung der Bodenplatte 18 bezogen, dar. Der Startpunkt der Bewegung in 7b ist allerdings der obere Totpunkt der zweiten Drehachse 4, im Gegensatz zu der linken Abbildung in 6b, bei der sich die zweite Drehachse 4 schon aus diesem oberen Totpunkt herausbewegt hat. Hier erkennt man eine Verzerrung der Bewegungskurve, die aus der Phasenverschiebung der Unwuchtmasse herrührt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingungserreger
- 2
- Unwuchtmasse
- 3
- Drehachse
- 4
- Drehachse
- 5
- Welle
- 6
- Verzahnung
- 7
- Verzahnung
- 8
- Zahnrad
- 9
- Scheibenkörper
- 10
- Lagerbuchse
- 11
- Wälzlager
- 12
- Zylinderrollenlager
- 13
- Gehäuse
- 14
- Zahnrad
- 15
- Zahnstange
- 16
- Gegenmasse
- 17
- Antriebsscheibe
- 18
- Bodenplatte
- 19
- Stellvorrichtung
- 20
- Welle
- 21
- Arm