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Die Erfindung betrifft einen Schwingungserreger
für ein
Bodenverdichtungsgerät
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Derartige Schwingungserreger werden
vorwiegend bei Vibrationsplatten vorteilhaft eingesetzt und sind
z. B. aus der
EP 0
358 744 B1 bekannt.
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Ein ähnlicher Schwingungserreger
ist in der
DE 100
38 206 A1 beschrieben. Er weist zwei formschlüssig gegenläufig drehbar
gekoppelte Unwuchtwellen auf, die jeweils eine feststehende Unwuchtmasse
sowie eine relativ zu der feststehenden Unwuchtmasse und somit mit
der Unwuchtwelle drehbar bewegliche Unwuchtmasse tragen. Die Stellung der
beweglichen Unwuchtmassen ist durch Einstelleinrichtungen aktiv
in einem größeren Bereich
veränderbar.
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Bei Drehung der Unwuchtwellen ergibt
sich durch das Zusammenwirken der verschiedenen Unwuchtmassen eine
resultierende Gesamtkraft, die je nach Bedienerwunsch in Vorwärts- oder
Rückwärts-Fahrtrichtung
gerichtet sein kann. Die Änderung
der Fahrtrichtung wird durch die die beweglichen Unwuchtmassen ansteuernden
Einstelleinrichtungen bewirkt. Wenn der Bediener einen Stillstand des
Bodenverdichtungsgeräts
wünscht,
wird die resultierende Kraft der Fliehgewichte in Vertikalrichtung gestellt.
Das bedeutet auch, dass eine gezielte Verdichtung des Bodens im
Stand der Maschine erreicht werden kann.
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Nicht immer aber wünscht der
Bediener eine derart starke Verdichtung an einer lokal begrenzten Stelle
des Bodens. Insbesondere beim Hin- und Herfahren der Vibrationsplatte
kann im sogenannten Umkehr- oder Reversierpunkt eine übermäßig starke und
somit nachteilige Verdichtung des Bodens erreicht werden, da die
auf den Boden wirkende Kraft in dieser Stellung am größten ist,
während
sie sich bei der Vorwärts-
bzw. Rückwärtsfahrt
der Vibrationsplatte und dem damit verbundenen Verschwenken des
resultierenden Kraftvektors um beispielsweise 45° nach vorne oder hinten auf
1/√2 des Maximalwertes verringert.
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Auch wenn sich die beschriebenen
Anordnungen demnach bei der Erd-, Sandoder Kiesverdichtung hervorragend
bewährt
haben, können
sie sich bei der Verdichtung von Asphalt- oder Verbundsteinflächen als
problematisch erweisen, da durch die im Reservierpunkt vorherrschende
maximale Vertikalkraft punktuelle Setzungen auftreten können, die nicht
mehr korrigierbar sind. Bei Asphaltwalzen wird daher üblicherweise
im Reversierbetrieb die Vibration abgeschaltet, um ein zu tiefes
Eindringen der Walze in den Asphalt bei der Richtungsumkehr zu vermeiden.
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Zur Lösung dieses Problems wird in
der
DE 199 43 391
A1 ein Schwingungserreger beschrieben, bei dem die Phasenlage
der Fliehgewichte derart einstellbar ist, dass sich die Vertikalkomponenten
der durch die Fliehgewichte erzeugten Fliehkräfte in jeder Drehstellung aufheben,
während
sich die Horizontalkomponenten der Fliehkräfte entsprechend gleichgerichtet
addieren. Dies ermöglicht
es, dass die Vibrationsplatte im Stand keine Vertikalschwingungen
mehr in den Boden einbringt, sondern vielmehr über eine Bodenkontaktplatte
Schubspannungen in den Boden einleitet, mit denen z. B. bei einer Asphaltoberfläche Risse
und Poren in vorteilhafter Weise verdichtet werden können.
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Auch diese Anordnung hat sich in
der Praxis hervorragend bewährt.
Die im Standbetrieb der Vibrationsplatte herrschenden starken Horizontalschwingungen
sind jedoch für
den Bediener nicht immer angenehm und auch nicht immer zur Verdichtung
der Bodenoberfläche
erwünscht.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Schwingungserreger der vorgenannten Art derart weiterzuentwickeln,
dass sich eine übermäßig starke
Verdichtung des Bodens im Standbetrieb aufgrund starker Vertikalschwingungen
vermeiden lässt,
ohne dass der Bediener bzw. der zu verdichtende Boden im Gegenzug
starken Horizontalschwingungen ausgesetzt ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Schwingungserreger mit den Merkmalen von Patentanspruch 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein erfindungsgemäßer Schwingungserreger weist
vorzugsweise zwei parallel zueinander stehende, gegenläufig mit
gleicher Drehzahl antreibbare Unwuchtwellen auf, die jeweils eine
feststehende Unwuchtmasse und eine relativ zu der feststehenden Unwuchtmasse
bzw, der jeweiligen Unwuchtwelle drehbar bewegliche Unwuchtmasse
tragen. Jeder der Unwuchtwellen ist eine Einstelleinrichtung zugeordnet,
mit der sich die Relativstellung der jeweiligen beweglichen Unwuchtmasse
bezüglich
der sie tragenden Unwuchtwelle verstellen lässt. Erfin dungsgemäß sind die
Relativstellungen der beweglichen Unwuchtmassen bezüglich der
sie tragenden Unwuchtwellen durch die Einstelleinrichtungen derart
einstellbar, dass sich die bei Drehung der Unwuchtwellen durch die
Unwuchtmassen erzeugten Fliehkräfte
in jeder Drehstellung der Unwuchtwellen in ihrer Gesamtheit aufheben.
Das bedeutet, dass zwar jede Unwuchtmasse für sich eine Fliehkraft erzeugt;
die Fliehkräfte
sind jedoch richtungs- und betragsmäßig derart eingestellt, dass
sie sich in der Gesamtsumme kompensieren. Der Schwingungserreger
erzeugt somit in diesem Betriebszustand (Standstellung) keine Schwingungen,
obwohl sich die Unwuchtwellen drehen.
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Dadurch lässt sich in besonders vorteilhafter Weise
erreichen, dass sich die Größe der resultierenden
Gesamt-Fliehkraft, d. h. die Schwingungsstärke, in Abhängigkeit von der Fortbewegungs-Geschwindigkeit
der Vibrationsplatte einstellen lässt. Wird die Geschwindigkeit
reduziert, reduziert sich auch die wirksame Fliehkraft in einem
entsprechenden Verhältnis
bis hin zum Stillstand der Maschine, bei dem keine resultierende
Gesamt-Fliehkraft und somit keine Schwingung mehr vorliegt. Auf
diese Weise lässt sich
ein über
die zu verdichtende Fläche
sehr gleichmäßiger Energieeintrag
in den Boden erreichen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Relativstellung auf jeder einzelnen der Unwuchtwellen
derart einstellbar, dass sich die Fliehkräfte der von dieser Unwuchtwelle
getragenen Unwuchtmassen in jeder Drehstellung der Unwuchtwelle
aufheben. Das bedeutet, dass bereits bei dem Betrieb mit nur einer
Unwuchtwelle eine Relativstellung erreicht werden kann, in der keine
Schwingungswirkung vorliegt.
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Um eine Fortbewegung des Bodenverdichtungsgeräts wie bei
bekannten Geräten
zu erreichen, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die
Relativstellungen derart veränderbar, dass
sich die Fliehkräfte
der Unwuchtmassen nicht aufheben, sondern dass eine resultierende
Gesamt-Fliehkraft eine Horizontalkomponente aufweist. Damit lässt sich
eine Fortbewegung der Vibrationsplatte, wie aus dem Stand der Technik
bekannt, bewirken.
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Bei einem Richtungswechsel zwischen
z. B. einer Vorwärts-
und einer Rückwärts-Fahrtrichtung ist übergangsweise
die bereits beschriebene Stand-Stellung einnehmbar, in der keine
Schwingung in den Boden einwirkt. Damit lassen sich auch beim Richtungswechsel
im Reversierpunkt unerwünschte Vertikal-
bzw.
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Horizontalschwingungen vermeiden.
Da die Verstellung der beweglichen Unwuchtmassen ausreicht, um die
resultierende Fliehkraft mit der gewünschten Richtung und Größe zu erzeugen,
ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform nicht erforderlich,
dass die Phasenlage der Unwuchtwellen zueinander veränderbar
sein muss, wie dies z. B. bei dem in der
DE 100 38 206 A1 beschriebenen
Schwingungserreger der Fall ist.
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Der Begriff "Unwuchtmasse" ist im Zusammenhang mit dieser Beschreibung
abstrakt gemeint. Selbstverständlich
kann eine Unwuchtmasse auch aus mehreren Unwuchtelementen bestehen,
die auf der jeweiligen Unwuchtwelle verteilt sind.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale
der Erfindung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der begleitenden
Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Schnitt in der Draufsicht durch einen erfindungsgemäßen Schwingungserreger
in Standstellung; und
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2 schematische
Schnitte durch zwei Unwuchtwellen in verschiedenen Drehstellungen
mit den jeweiligen Stellungen der Unwuchtmassen.
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Wie bereits erwähnt, sind Schwingungserreger
in vielfältigen
Ausprägungen
bekannt. Ebenso sind – wie
z. B. in der
DE 199
43 391 A1 dargelegt – sogenannte "Phaseneinstelleinrichtungen", also Einstelleinrichtungen
zum Verstellen von Relativstellungen zwischen Unwuchtmassen und
Unwuchtwellen bekannt. Da die Erfindung nicht die detaillierte und konkrete
Gestaltung eines bestimmten Schwingungserregers oder einer bestimmten
Einstelleinrichtung, sondern vielmehr eine dafür besonders geeignete, aber
bisher nicht bekannte Relativstellung (Phasenlage) betrifft, ist
eine detaillierte Beschreibung des Schwingungserregers nicht erforderlich.
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Dennoch soll anhand von 1 kurz der Aufbau eines
erfindungsgemäßen Schwingungserregers
beschrieben werden.
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In einem Gehäuse 1 sind zwei Unwuchtwellen 2, 3 drehbar
gelagert, wobei die Unwuchtwelle 2 von einem nicht dargestellten
Antrieb drehend angetrieben wird.
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Die Unwuchtwelle 2 trägt Unwuchtelemente 4 und 5,
die mit der Unwuchtwelle 2 fest verbunden sind und eine
feststehende Unwuchtmasse bilden.
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Weiterhin ist auf der Unwuchtwelle 2 eine drehbar
bewegliche Unwuchtmasse 6 angeordnet, die über eine
Nabe 7 und Lager 8 relativ zu der Unwuchtwelle 2 verdrehbar
ist.
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Die Relativstellung zwischen der
beweglichen Unwuchtmasse
6 und der Unwuchtwelle
2 wird mit
Hilfe einer Einstelleinrichtung
9 festgelegt. Das Wirkprinzip
einer derartigen Einstelleinrichtung ist seit langem bekannt und
z. B. in der
DE 100
38 206 A1 beschrieben. Die Einstelleinrichtung
9 weist
im Wesentlichen einen unter Hydraulikwirkung axial verstellbaren
Kolben
10 auf, der in einem hohlen Bereich der Unwuchtwelle
2 axial
hin- und herbewegbar ist. Der Kolben
10 trägt einen
Querbolzen
11, der zwei in der Wandung der Unwuchtwelle
2 ausgebildete Längsnuten
12 durchdringt
und in spiralförmige
Nuten
13 eingreift, die auf der Innenseite der Nabe
7 ausgebildet
sind. Bei axialer Verstellung des Kolbens
10 und damit
des Querbolzens
11 verdreht sich somit die Nabe
7 und
die von ihr getragene bewegliche Unwuchtmasse
6 relativ
zu der Unwuchtwelle
2.
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Die Unwuchtwelle 2 trägt weiterhin
ein Zahnrad 14, das mit einem Zahnrad 15 kämmt, welches auf
der Unwuchtwelle 3 angebracht ist. Über die Zahnräder 14 und 15 wird
die Drehbewegung der angetriebenen Unwuchtwelle 2 auf die
Unwuchtwelle 3 formschlüssig übertragen,
die somit gegenläufig, aber
mit gleicher Drehzahl dreht.
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In gleicher Weise wie die Unwuchtwelle 2 trägt die Unwuchtwelle 3 zwei
Unwuchtelemente 16, 17, die zusammen eine feststehende
Unwuchtmasse bilden. Weiterhin ist eine auf der Unwuchtwelle 3 drehbar
bewegliche Unwuchtmasse 18 vorgesehen, deren Relativstellung
bezüglich
der Unwuchtwelle 3 über
eine Einstelleinrichtung 19 einstellbar ist. Da die Einstelleinrichtung 19 den
gleichen Aufbau aufweist, wie die Einstelleinrichtung 9 wird
auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
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Die in dem Schnitt von 1 gezeigte Stellung der
Unwuchtmasse entspricht der erfindungsgemäßen Relativstellung, in der
sich die einzelnen, durch die jeweiligen Unwuchtmassen bzw. -elemente erzeugten
Fliehkräfte
in ihrer Gesamtheit aufheben (Standstellung). Das bedeutet, dass
die Unwuchtwirkung der Unwuchtelemente 4, 5 bzw. 16, 17 einerseits
und die Unwuchtwirkung der beweglichen Unwuchtmassen 6, 18 andererseits
betragsmäßig identisch,
aber entgegengesetzt sein müssen.
Die zugehörigen
mr-Werte (Produkte aus Masse m x Radius r des Unwuchtschwerpunkts)
müssen
entsprechend aufeinander abgestimmt sein.
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Als Ergebnis können demnach die Unwuchtwellen 2 und 3 rotieren,
ohne dass eine nach außen wirksame
Unwucht und somit eine Schwingung entsteht. Bei Verstellung der
beweglichen Unwuchtmassen 6, 18 durch die Einstelleinrichtungen 9, 19 wird jedoch
dieser Gleichgewichtszustand aufgehoben, so dass die gewünschten
Vertikal- und Horizontalschwingungen zur Bodenverdichtung entstehen
können.
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Die verschiedenen Relativstellungen
und die sich daraus ergebenden Schwingungszustände sind in 2 dargestellt. 2 zeigt stark schematisierte Seitenansichten
von rechts in 1.
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Die schraffierten Halbkreise entsprechen den
beweglichen, also verstellbaren Unwuchtmassen 6, 18,
während
die nicht schraffierten Halbkreise den bezüglich den Unwuchtwellen 2, 3 feststehenden Unwuchtmassen 4, 5 und 16, 17 entsprechen
sollen, wie dies z. B. in dem Feld a) "Stand" von 2 erkennbar
ist.
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Der in 1 dargestellte
Zustand wird in Zeile a) von 2 unter
der Überschrift "Stand" aufgegriffen. Die
Drehrichtung der Unwuchtwellen 2, 3 und damit der Unwuchtmassen
ist durch gekrümmte
Pfeile dargestellt. Die feststehenden Unwuchtmassen 4, 5 bzw. 16, 17 stehen
jeweils den beweglichen Unwuchtmassen 6, 18 gegenüber.
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In den Zeilen a) bis d) sind verschiedene Drehzustände der
Unwuchtwellen 2, 3, jeweils um 90° verdreht,
dargestellt. Die Drehrichtung der Unwuchtwellen 2, 3 ist
selbstverständlich
jedes Mal die gleiche.
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Zum Erreichen einer Vorwärtsbewegung
der Vibrationsplatte (linke Spalte von 2) werden die beweglichen Unwuchtmassen 6, 18 bezüglich der feststehenden
Unwuchtmassen 4, 5 bzw. 16, 17 verdreht.
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In dem gezeigten Beispiel ist die
bewegliche Unwuchtmasse 6 um 90° relativ zu den feststehenden
Unwuchtelemente 4, 5 sowie zur Unwuchtwelle 2 verdreht
worden. Außerdem
wurde die bewegliche Unwuchtmasse 18 bezüglich der
feststehenden Unwuchtelemente 16, 17 auf der Unwuchtwelle 3 um 90° in die gleiche
Richtung wie die bewegliche Unwuchtmasse 6 verdreht. Der
entsprechende Zustand ist in 2a) in
der Spalte "Vorwärts" dargestellt. Auch
hier sind in der Spalte "Vorwärts" unter a) bis d) verschiedene
Drehzustände
der Unwuchtwellen 2, 3 gezeigt.
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Es ist erkennbar, dass sich die Fliehkräfte aufgrund
der Unwuchtmassen 4, 5 einerseits und 6 andererseits
bzw. 16, 17 und 18 nicht mehr kompensieren,
wie dies bei der Standrüttelung
der Fall war. Vielmehr überlagern
sich die Fliehkräfte
derart, dass sich eine in a) dargestellte
resultierende Kraft nach links oben ergibt, was der Vorwärts-Richtung entsprechen
soll.
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In 2c)
entsteht eine entsprechende Gegenwirkung nach rechts unten. In diesem
Fall stützt sich
die Vibrationsplatte am Boden ab und leitet die Schwingungsenergie
in den Boden ein.
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Eine Rückwärtsbewegung der Vibrationsplatte
(in 2 nach rechts) ist
in der rechten Spalte von 2 dargestellt.
Dazu sind die beweglichen Unwuchtmassen 6 und 18 bezüglich der
sie tragenden Unwuchtwellen 2, 3 in gegenüber der
Vorwärtsrichtung
entgegengesetzter Richtung und gegenüber der Standstellung um 90° verdreht
worden, wie in 2a) in der Spalte "Rückwärts" erkennbar.
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Hierdurch wird, wie in den a) und c) "Rückwärts" durch gerade Pfeile
dargestellt, eine Hin- und Herschwingung der Vibrationsplatte nach rechts
oben bzw. links unten erreicht, was in einer Rückwärtsfahrt resultiert.
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Die in 2 gezeigten
Stellungen der Unwuchtmassen sind Extremstellungen. Je nach Ausbildung
der Einstelleinrichtungen 9, 19 sind auch beliebige
Zwischenstellungen, d. h. andere Verstellwinkel als 90° erreichbar,
so dass ein kontinuierlicher Wechsel zwischen Vorwärtsfahrt,
Standbetrieb und Rückwärtsfahrt
erreicht werden kann.
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Für
die Einstelleinrichtungen 9, 19 ist es einerseits
möglich,
auf bekannte Mittel, wie Hydrauliksteuerung, Elektromotoren, elektromechanische Stellglieder etc.
zurückzugreifen.
Alternativ dazu kann bei einer vereinfachten Ausführungsform
auch eine Ansteuerung der beweglichen Unwuchtmassen mit Hilfe von
einfachen Zug-Druckkabeln erfolgen, die über einen gemeinsamen Geber
vom Bediener ansteuerbar sind. Dadurch lassen sich auch bei einfacheren
Vibrationsplatten erhebliche Kosten sparen.
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Um einen präzisen Wechsel zwischen den einzelnen
Betriebszuständen
zu erreichen, sollte die Verstellung der Relativstellungen durch
die Einstelleinrichtungen 9, 19 synchron durchführbar sein.
Gegebenenfalls kann es darüber
hinaus aber auch zweckmäßig sein,
eine individuelle Verstellbarkeit der beweglichen Unwuchtmassen
ohne Synchronisierungszwang zu ermöglichen.
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Der kontinuierliche Wechsel zwischen
Vorwärts-
und Rückwärtsfahrt,
bei dem übergangsweise der
Standbetrieb ohne Schwingungserzeugung einnehmbar ist, ermöglicht es,
dass der Betrag der resultierenden Fliehkraft und somit die wirksame Schwingung
proportional zu der Fortbewegungs-Geschwindigkeit der Vibrationsplatte
anpassbar ist. Je langsamer die Vibrationsplatte fährt, desto
geringer ist die resultierende Fliehkraft, bis im Stillstand der
Vibrationsplatte, z. B. im Reversierpunkt, keine Schwingung mehr
in den Boden eingeleitet wird. Diese proportionale Abhängigkeit
ergibt sich aus dem Aufbau des erfindungsgemäßen Schwingungserregers, ohne
dass aufwändige
Regelungsmaßnahmen ergriffen
werden müssen.
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Selbstverständlich ist es mit dem erfindungsgemäßen Schwingungserreger
auch möglich,
andere Relativstellungen als die in
2 gezeigten
einzunehmen. Bei entsprechender Ausbildung der Einstelleinrichtungen
9,
19 lassen
sich z. B. Relativstellungen erreichen, bei denen im Stillstand
der Vibrationsplatte zwar keine Vertikalschwingungen, aber dafür starke
Horizontalschwingungen erzeugt werden, wie in der
DE 199 43 391 A1 bekannt.
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Die Erfindung ist am Beispiel eines
Schwingungserregers nach 1 erläutert worden.
Selbstverständlich
lässt sich
das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip auch auf andere Schwingungserreger übertragen,
die z. B. mehrere bewegliche Unwuchtmassen oder eine andere Anzahl
von Unwuchtwellen aufweisen.