Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bodenverdichtung, insbesondere im Erd- und Strassenbau, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Bodenverdichtungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 727 237 bekannt. Die bekannte Vorrichtung ist eine Vibrationswalze. Innerhalb eines Walzenkörpers als Druckausübungsorgan schwingt in einem sich mit diesem nicht drehenden, aber mit ihm formschlüssig verbundenen Vibrationsgehäuse ein Trägheitskörper hin und her, der zur Verschleissreduzierung seitlich federnd gehalten wird. Durch diese Anordnung ist die elastische Verbindung der auf- und abgehenden Masse mit dem Vibratorgehäuse hergestellt.
Eine weitere in der DE-OS 2 358 388 beschriebene Vorrichtung dieser Art (Strassenwalze) hat zur Erzeugung von Schwingungen als Trägheitskörper einen Kolben, der durch einen mit einem Impulssteuergerät gesteuerten \lstrom in Linearschwingungen versetzt wird.
Die bekannten Vibrationswalzen übertragen mit ihrem Druckausübungsorgan auf den zu verdichtenden Boden eine Vibrationskraft, welche durch Beschleunigung einer Trägheitsmasse entweder über einen Exzenter oder durch eine hydraulisch beschleunigte Auslenkung erzeugt wird. Die auf den zu verdichtenden Boden wirkende Vibrationskraft ergibt sich aus der bewegten Trägheitsmasse und deren Exzentrizität Die Auslenkung des Druckausübungsorgans ist bei den bekannten Vibrationswalzen durch Verändern der Vibrationsfrequenz, wodurch sich die Vibrationskraft verändert, einstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung zu schaffen, bei dem die periodische Auslenkung des Druckausübungsorgans unabhängig von der Vibrationsfrequenz veränderbar ist.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens Gegenstand des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung Gegenstand des Patentanspruchs 10.
Die Ansprüche 4 bis 7 bzw. 13 bis 15 und 18 lösen zusätzlich die Aufgabe ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung mit grossen Vibrationskräften bei einem niedrigen Gewicht des Druckausübungsorgans zu schaffen, wobei die zum Boden gerichtete Trägheitskraft grösser ist als in entgegengesetzter Richtung.
Durch die Ansprüche 8 und 9 bzw. 16 und 17 wird die weitere zusätzliche Aufgabe gelöst, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung zu schaffen, bei der während des Betriebes kontinuierlich die auf den zu verdichtenden Boden wirkende resultierende Vibrationskraft ohne Veränderung der Vibrationsfrequenz zu ändern.
Die Ansprüche 1 bis 9 bzw. 10 bis 18 lösen gesamthaft die Aufgabe die Grösse der Vibrationskraft (Trägheitskraft) zu verändern und eine in unterschiedliche Richtungen verschieden stark wirkende Vibrationskraft zu erzeugen. Die Vibrationskraft, deren Vibrationsfrequenz und die Auslenkung des Druckausübungsorgans gegenüber dem Boden sind frei und unabhängig voneinander einstellbar.
Die in einigen der Ansprüche erwähnte effektive Masse des Druckausübungsorgans, welches in der unten folgenden detaillierten Beschreibung ein Walzenkörper einer Strassenwalze ist, ist die Summe derjenigen Massen, welche starr und/oder gelenkig mit dem Druckausübungsorgan verbunden sind und durch die resultierenden Trägheitskräfte der sich bewegenden Trägheitsmassen synchron und ohne zeitliche Verschiebung der Auslenkungsmaximas mit dem Druckausübungsorgan angeregt werden.
Unter unwuchtigen Trägheitskörpern werden Trägheitskörper mit exzentrischer Masseverteilung in bezug auf deren Rotationsachse verstanden, wobei nur die durch die Unwucht verursachte Zentrifugalkraft als sog. Trägheitskraft wirkt.
Die vom Druckausübungsorgan in Richtung zum Boden übertragene Kraft kann so gerichtet werden, dass sie einen beliebigen Winkel kleiner 90 DEG zur Senkrechten auf die Bodenoberfläche einnimmt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Walzenkörpers einer Strassenwalze,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Walzenkörper entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine zeitliche Darstellung der auf den Walzenkörper wirkenden resultierenden Kraft Kc, zusammengesetzt aus den Kräften Ka und Kb von zwei Trägheitskörpern,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Variante mit einer Kolben-Zylinder-Einheit,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Getriebes zum Gegeneinanderverdrehen zweier exzentrisch angeordneter Massen der Trägheitskörper.
Das in Fig. 1 dargestellte Druckausübungsorgan ist ein hohlzylindrischer Walzenkörper 1, auch Bandage genannt, einer nicht dargestellten Strassenwalze und liegt auf einem zu verdichtenden Boden 3. Der Walzenkörper 1 ist über eine als Joch 4 ausgebildete Lagerhalterung mittels zweier nur schematisch dargestellter Dämpfungselemente 5 an einem Gestellteil 7 befestigt, der mit dem nicht dargestellten Chassis der Strassenwalze verbunden ist. Je nach Ausführungsart der Strassenwalze sind eine oder mehrere Walzenkörper 1, die auch angetrieben werden können, vorhanden. Das Gewicht der Strassenwalze wird über jeden Gestellteil 7 pro Walzenkörper 1 auf diesen übertragen.
Innerhalb des Walzenkörpers 1 befinden sich zwei Trägheitskörper 11 und 12, deren Querschnitt in Figur 2 dargestellt ist. Der Trägheitskörper 12 ist als Hohlzylinder mit einer exzentrischen Verdickung 15 entlang einer Mantellinie ausgebildet. Die Länge des Hohlzylinders ist um eine Toleranz kleiner als die Innenlänge des Hohlzylinders des Walzenkörpers 1. Mittels zweier hohler Wellenstücke 17 und 18 ist der Trägheitskörper 12 koaxial zur geometrischen Achse 20 des Walzenkörpers 1 mit zwei Lagern 22 und 23 in innerhalb je eines Flansches 19 und 21 an beiden Stirnseiten des Walzenkörpers 1 gelagert. Die beiden Flansche 19 und 21 sind über je ein Wälzlager 24a und 24b im Joch 4 gelagert. Der Trägheitskörper 11 ist plattenförmig ausgebildet und an einer in der geometrischen Achse 20 liegenden Welle 27 exzentrisch befestigt.
Die Länge der Platte 25 ist um eine Toleranz kleiner als die Innenlänge des Trägheitskörpers 12. Der Trägheitskörper 11 ist innerhalb des Trägheitskörpers 12 und dieser innerhalb des Walzenkörpers 1 drehbar. Die Welle 27 ist mit zwei Lagern 29 und 30 in den Stirnseiten des Hohlzylinders des Trägheitskörpers 12 gelagert und wird innerhalb des hohlen Wellenstücks 17 mit diesem zusammen über ein Getriebe 32 durch einen Antrieb 33 angetrieben.
Das Getriebe 32 dreht den Trägheitskörper 11 mit doppelter Umdrehungszahl zum Trägheitskörper 12. Der Wert der einfachen Umdrehungszahl ergibt sich aus der gewünschten Bodenverdichtung, welche hauptsächlich von der Beschaffenheit des Bodens 3 abhängt. Da die Masseverteilung der Trägheitskörper 11 und 12, wie in Fig. 2 dargestellt, exzentrisch ist, ergeben sich hierdurch umlaufende Kräfte (Zentrifugalkräfte) zur Welle 27, die über die Lager 22, 23, 29 und 30 als resultierende Kraft Kc (Vibrationskraft) auf den Walzenkörper 1 wirken. Die zeitliche Zuordnung der Drehbewegungen der beiden Trägheitskörper 11 und 12 ist durch das Getriebe 32 so eingestellt, dass die Platte 25 bei jeder zweiten Umdrehung und die Verdickung 15 bei jeder Umdrehung an ihrem bodennächsten Punkt zusammen auf einer Geraden durch die Achse 20 liegen.
Die exzentrische Masseverteilung der beiden Trägheitskörper 11 und 12 ist nun so gewählt, dass bei einer Normdrehzahl die Zentrifugalkraft Ka des Trägheitskörpers 11 gleich gross ist, wie die Zentrifugalkraft Kb des Trägheitskörpers 12 bei der doppelten Normdrehzahl. Die hierzu benötigten Masseverteilungen, sowie deren jeweiliger exzentrischer Abstand von der Achse 20 lassen sich mit den Gesetzen der technischen Mechanik bestimmen. Die beiden Zentrifugalkräfte Ka und Kb der Trägheitskörper 11 und 12 überlagern sich, wie in Fig. 3 dargestellt, wobei pro Periode eine maximale resultierende Kraft Kc zum Boden und zwei etwa halb so grosse resultierende Kräfte Kc von ihm weg gerichtet sind.
In Fig. 3 sind über der Zeitachse t als Abszisse der zeitliche Verlauf während einer Periode P die jeweiligen zum Boden 3 gerichteten Kräfte Ka, Kb, und Kc als Ordinate aufgetragen. Eine nach unten, gegen den Boden 3 wirkende Kraft K zeigt auch hier nach unten. Die strichpunktierte Linie a gibt den Kraftverlauf der durch den Trägheitskörper 12 hervorgerufenen Kraft Ka, und die gestrichelte Linie b, denjenigen Kb hervorgerufen durch den Trägheitskörper 11 an. Die ausgezogene Linie c gibt den auf den Walzenkörper 1 wirkenden Kraftverlauf der resultierenden Kraft Kc an.
Die vom Boden 3 weg gerichteten resultierende Kraft Kc kann so gross gewählt werden, dass sie bis auf eine Toleranz kleiner ist als die Gewichtskraft (effektive Masse des Druckausübungsorgans) der Summe der Gewichte des Walzenkörpers 1, des Jochs 4 und die dazu gehörenden Lager 22, 23, 24a, 24b, 29 und 30, sowie eine durch die Dämpfungselemente 5 sehr stark reduzierte Gewichtskraft der Strassenwalze, aber ohne die Trägheitskörper 11 und 12, ohne ein Abheben des Walzenkörpers 1 vom Boden 3 befürchten zu müssen.
In der Mitte zwischen seinen beiden Flanschen 19 und 21 an der der Welle 27 abgewandten Seite des Jochs 4 hat dieses eine Stütze 34, von der je eine Führungsschiene 35a und 35b horizontal mit dem Gestellteil 7 verbunden sind. Beide Führungsschienen 35a und 35b sind sowohl an der Stütze 34, wie auch am Gestellteil 7 mit Gelenken 36a, 36b, 36c und 36d, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, beweglich befestigt. Zwei Zusatzkörper 37a und 37b sind auf den Führungsschienen 35a und 35b mit einem in sich geschlossenen Zahnriemen 38 verschiebbar angeordnet. Der Zahnriemen 38 wird über zwei an den Gestellteilen 7 befestigten Rollen 39a und 39b umgelenkt, wobei der eine Zusatzkörper 37a mit dem einen Teil des Zahnriemens 38 und der andere Zusatzkörper 37b mit dem umgelenkten Teil des Zahnriemens 38 verbunden ist.
Die Rolle 39a wird über einen weiteren Zahnriemen 40 von einer schematisch dargestellten Verstelleinrichtung 41 angetrieben. Die Zusatzkörper 37a und 37b sind derart ausgebildet, dass sie mit ihrem ganzen Gewicht auf den Führungsschienen 35a und 35b lasten; der Zahnriemen 38 dient nur zur horizontalen Verschiebung. Sie sind so am Zahnriemen 38 befestigt, dass ihre Bewegung gegenläufig erfolgt. Die Führungsschienen 35a und 35b sind so ausgebildet, dass sie während des Vibrationsbetriebs nicht in Eigenschwingung kommen.
Werden die Zusatzkörper 37a und 37b mittels der Verstelleinheit 41 gegen die Gelenke 36a und 36d geschoben, so wirken sie nur mit einer vernachlässigbaren Gewichtskraft auf den Walzenkörper 1, während sie bei einem Anschlag an den Gelenken 36b und 36c mit ihrem gesamten Gewicht als Zusatzmasse wirken. Zwischen diesen beiden Extrema lassen sich alle Werte über die Lage der Zusatzkörper 37a und 37b auf den Führungsschienen 35a und 35b einstellen. Die Auslenkung ist umgekehrt proportional zur effektiven Masse des Walzenkörpers 1 (Druckausübungsorgan) und direkt proportional der resultierenden Zentrifugalkraft Kc (Trägheitskraft) der exzentrischen Massen 15 und 25.
Die effektive Masse des Walzenkörpers 1 ergibt sich als Summe der Massen des Walzenkörpers 1, des Jochs 4, der Stütze 34, zweimal der halben Masse der Führungsschienen 35a und 35b und dem auf den Wal zenkörper 1 wirkenden prozentualen Gewichtsanteil der Zusatzkörper 37a und 37b.
Anstatt die beiden Zusatzkörper 37a und 37b nur im Raum zwischen den beiden Gestellteilen 7 zu bewegen, kann die Befestigung der Führungsschienen 35a und 35b derart gewählt werden, dass sie auch in den Raum ausserhalb der Gestellteile 7 verschoben werden können. Befinden sich die Zusatzkörper 37a und 37b ausserhalb der Gestellteile 7, so wird die effektive Masse des Druckausübungsorgans 1 reduziert.
Anstelle rotierende exzentrische Massen zur Erzeugung von auf den Boden 3 übertragbaren Kräften (Vibrationskräften) zu verwenden, können auch zwei Kolben-Zylinder-Einheiten 43a und 43b, wie in Fig. 4 dargestellt, verwendet werden, wobei jeweils eine Zusatzmasse 44a bzw. 44b auf einem der Kolben 45a bzw. 45b angebracht ist. Die Kolben 45a und 45b werden in je einem Zylinder 46a und 46b mittels Hydraulikflüssigkeit, die durch je zwei Leitungen 47/48 und 49/50 von einem Hydrauliksteuergerät 52 periodisch hin und her gepresst werden, bewegt. Nach dem physikalischen Prinzip actio = reactio ergibt sich bei einem nach oben beschleunigten Kolben 45a bzw. 45b durch das eingepumpte Hydrauliköl eine nach unten gerichtete Gegenkraft auf die untere Stirnfläche 53a bzw. 53b des Zylinders 46a bzw. 46b.
Die im oberen Teil des Zylinder 46a bzw. 46b über dem Kolben 45a bzw. 45b befindliche Hydraulikflüssigkeit kann frei durch die Hydraulikleitung 48 bzw. 50 abfliessen, wodurch sich nur eine geringe Gegenkraft ergibt, welche auf den Reibungswiderstand in den Rohren 48 und 50 zurückgeht. Die Kraft auf die untere Stirnfläche 53a bzw. 53b wird über den Zylinder 46a bzw. 46b auf den mit ihm verbundenen Walzenkörper 1 übertragen. Die Überlagerung der Kräfte erfolgt analog zu den rotierenden exzentrischen Massen 15 (Verdickung) und 25 (Platte) der Trägheitskörper 11 und 12. Ist die Zusatzmasse 44b nur halb so gross wie die Zusatzmasse 44b und ihre Schwingungsfrequenz doppelt so gross wie die der Zusatzmasse 44a, ergibt sich das in Fig. 3 dargestellte Bild.
Anstelle die Zusatzmassen 44a und 44b auf den Kolben 45a und 45b zu befestigen, können auch die Kolben 45a bzw. 45b mit dem betreffenden Gewicht ausgebildet werden. Auch können die Zusatzmassen 44a und 44b vom jeweiligen Kolben 45a bzw. 45b entfernt werden und über je eine nicht dargestellte Pleuelstange und einen nicht dargestellten Hebelarm durch den Kolben 45a bzw. 45b bewegt werden. Hierdurch lässt sich die Richtung und die Grösse der Kraftwirkung frei wählen.
Anstelle zwei Kolben 45a und 45b mit einer harmonischen Schwingung schwingen zu lassen, kann auch nur ein einziger Kolben verwendet werden, der mit einer erzwungenen Bewegung, deren Beschleunigung in Aufwärtsrichtung grösser als in Abwärtsrichtung ist, gearbeitet werden. Nachteilig ist hierbei der grössere Energieaufwand einer sog. erzwungenen Schwingung, welche im Gegensatz zur harmonischen Schwingung, die bis auf eine Deckung ihrer Reibungs- und andere Verluste (Bodenverdichtung), eine zusätzlich zugeführte Energie zur Aufrechterhaltung der Bewegung benötigt.
Anstelle zweier Massen können je nach Platzbedarf beliebig viele bewegte Massen, welche mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen, welche ganzzahlige Vielfache einer gewünschten Grundschwingung des Druckausübungsorgans 1 sind, verwendet werden. Als Antrieb lassen sich sowohl rotierende und hydrodynamische Antriebe, sowie auch Kolben-Zylinder-Einheiten, in denen ein Gasgemisch durch Entzündung zur Krafterzeugung gebracht wird, verwenden. Die optimalen Umdrehungszahlen, sowie deren Zuordnungen lassen sich bei Vorgabe des gewünschten Kraftzeitdiagramms mit bekannten mathematischen Näherungsverfahren, wie z.B. einer "angenäherten harmonischen Analyse", dargelegt in Bronstein-Semendjajew, "Taschenbuch der Mathematik", B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1963, Seite 480 ff berechnen.
Bei der Berechnung ergeben sich unendlich lange trigonometrische Reihen, welche aber mit hinreichender Genauigkeit für die erstrebte Bewegungsform schon nach den ersten Gliedern abgebrochen werden können.
Als Druckausübungsorgan kann ausser einem Walzenkörper 1 auch eine Platte oder ähnliches verwendet werden.
Anstelle die Kräfte senkrecht auf die Oberfläche des zu verdichtenden Bodens 3 wirken zu lassen, kann auch ein beliebiger Winkel gewählt werden. Der Winkel der maximalen Kraftwirkung hängt nur vom Winkel ab, bei dem sich die Kräfte der einzelnen Schwingungen maximal überlagern. Über das Getriebe 32 lässt sich dieser Winkel einstellen.
Oftmals ist es wünschenswert, die Kraft, mit der das Druckausübungsorgan 1 auf den Boden 3 einwirkt, unter Beibehaltung der Vibrationsfrequenz zu verändern. In diesem Fall wird, wie in Fig. 5 dargestellt, eine resultierende Zentrifugalkraft hervorgerufen durch je eine exzentrische Masseverteilung zweier rotierender Trägheitskörper verändert. Es sind nur die beiden Trägheitskörper mit ihrer exzentrischen Masseverteilung 73 und 75 und ein sie antreibendes Planetengetriebe 60 (es kann auch ein Differentialgetriebe mit Kegelrädern verwendet werden) dargestellt; weitere mit anderen Umdrehungszahlen rotierende Massen sind weggelassen worden, um die Fig. 5 nicht zu überladen. Über eine Welle 65 wird ein Getriebeteil 62 und eine Zahnriemenscheibe 63 des Planetengetriebes 60 vom Getriebe 32 angetrieben. Der Getriebeteil 62 besitzt drei miteinander kämmende Zahnräder 62a, 62b und 62c.
Die Achsen der Zahnräder 62a und 62c, sowie die Achsen 65 und 76 liegen auf einer Geraden und die Achse des Zahnrads 62b schneidet diese Gerade. Die Achse 76 des Zahnrads 62c ist mit einem analog dem Trägheitskörper 11 aufgebauten Trägheitskörper mit der exzentrischen Masseverteilung 75 verbunden und ist durch sie in Umdrehungen versetzbar. Die Zahnriemenscheibe 63 treibt über einen Zahnriemen 66 eine Zahnriemenscheibe 64, welche über eine Welle 67 ein Zahnrad 69 bewegt, welches mit einem Zahnrad 71 kämmt. Das Zahnrad 71 ist mit einem zum Trägheitskörper 12 analog gestalteten Trägheitskörper mit der exzentrischen Masseverteilung 73 verbunden. Im Betrieb ist die Achse des Zahrads 62b fest, kann aber um die Achse 76 verdreht werden.
Erfolgt eine Verdrehung, so werden die beiden exzentrischen Massen 73 und 75 der Trägheitskörper, d.h. ihre Masseschwerpunkte je nach Drehrichtung aufeinander zu oder voneinander weg gedreht. Die resultierende, exzentrisch wirkende Zentrifugalkraft verringert oder vergrössert sich hierdurch in den Grenzen zwischen der Summe und der Differenz der Zentrifugalkräfte der einzelnen exzentrischen Masseverteilungen 73 und 75, wie aufgrund der Gesetzmässigkeiten der technischen Mechanik leicht einzusehen ist. Die Verstellung ist während des Betriebs möglich, d.h. während der Rotation der beiden Trägheitskörper mit den exzentrischen Massen 73 und 75.
Anstelle die Masseschwerpunkte zweier exzentrischer Massen 73 und 75 gegeneinander zu verdrehen, kann auch der Masseschwerpunkt durch radiales Verschieben einer Teilmasse verändert werden. Hierzu wird eine (nicht dargestellte) annähernd rotationssymmetrische Masseverteilung ver wendet, die auf einer mit der Achse 76 festverbundenen (nicht dargestellten) Stange als Führungselement verschiebbar, aber nicht verdrehbar, angeordnet ist. Die Hohlwelle 78 wird annähernd bis zum Befestigungspunkt der Stange verlängert und mit einer Zahnradpaarung versehen, welche auf eine (nicht dargestellte) Gewindestange als Verstellelement wirkt, die in einem (nicht dargestellten) Gewinde der Teilmasse steckt.
Wird nun die Achse des Zahnrads 62b um die Achse 65 gedreht, so dreht sich die Gewindestange im Gewinde und verschiebt hierdurch die Teilmasse und somit den Masseschwerpunkt, wodurch bei Rotation die Zentrifugalkraft je nach Drehrichtung verstellt wird.
Die Auslenkung des Walzenkörpers 1 (Druckausübungsorgan) lässt sich somit einmal durch Verstellen der Exzentrizität, wie bereits oben beschrieben und durch Verschieben der Zusatzkörper 37a und 37b verändern. Da eine Veränderung der Exzentrizität die Amplitude verändert, kann diese Veränderung durch Verschieben der Zusatzkörper 37a und 37b rückgängig gemacht werden.
Durch die oben beschriebenen Vorrichtungen ist durch Veränderung der Masse des Druckausübungsorgans dessen Auslenkung gegenüber dem Boden verstellbar.
Ferner ist eine Veränderung der effektiven Zentrifugalkräfte möglich, indem die exzentrische Masseschwerpunkte mehrere Trägheitskörper gegeneinander oder der Masseschwerpunkt des Trägheitskörpers in bezug auf dessen Rotationsachse mittels eines Planetengetriebes verstellt werden.
Ausserdem ist es möglich, gezielt in eine bestimmte Richtung, in der Regel in Richtung zum zu verdichtenden Boden, eine grössere Kraft als in die entgegengesetzte Richtung wirken zu lassen. Bei den bekannten Vorrichtungen war es bis jetzt nur möglich in eine und in die dazu entgegengesetzte Richtung jeweils die gleiche Kraft wirken zu lassen. Das hatte zur Folge, dass eine maximal wirkende Kraft, welche auf das Druckausübungsorgan 1 wirken sollte, durch dessen Gewicht vorgegeben war. Um möglichst grosse Kräfte aufbringen zu können, musste man das Druckausübungsorgan 1 bei den bekannten Vorrichtungen möglichst schwer machen, was wiederum seine Auslenkung gegenüber dem Boden 3 verringerte.
Das schwere Druckausübungs organ 1 der bekannten Vorrichtungen vergrössert das Gewicht der gesamten Maschine und damit ihren Bewegungswiderstand auf dem zu verdichtenden Boden, was wiederum eine hohe Antriebsleistung nach sich zieht. Das erfindungsgemässe Verfahren erhöht die zur Verdichtung verwendbare Auslenkung des Druckausübungsorgans 1 und reduziert die gesamte Antriebsleistung der Strassenwalze bei gleicher Verdichtungswirkung. Auch lassen sich nicht nur vertikale Kräfte auf den Boden aufbringen, sondern Kräfte unter jedem beliebigen Winkel.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsformen ist unabhängig voneinander die Grösse der Vibrationskraft, die Richtung der maximalen wirkenden Vibrationskraft, deren Vibrationsfrequenz und deren Amplitude einstellbar, sowie eine in unterschiedlichen Richtungen verschieden stark wirkende Vibrationskraft erzeugbar. Durch diese Einstellvielfalt ist eine Bodenverdichtung in Abhängigkeit von ihrer Bodenbeschaffenheit optimal zu verwirklichen.
The invention relates to a method for soil compaction, in particular in earthworks and road construction, according to the preamble of patent claim 1 and a soil compaction device for carrying out the method according to the preamble of patent claim 10.
A device of this type is known from German utility model 1 727 237. The known device is a vibratory roller. Within a roller body as a pressure-exerting member, an inertial body swings back and forth in a vibration housing that does not rotate, but is positively connected to it, and is held laterally resiliently to reduce wear. With this arrangement, the elastic connection of the rising and falling mass with the vibrator housing is made.
Another device of this type (road roller) described in DE-OS 2 358 388 has a piston for generating vibrations as an inertial body, which is set into linear vibrations by a \ l current controlled by a pulse control device.
The known vibratory rollers with their pressure-exerting member transmit a vibratory force to the ground to be compacted, which is generated by acceleration of an inertial mass either via an eccentric or by a hydraulically accelerated deflection. The vibrating force acting on the soil to be compacted results from the inertial mass moved and its eccentricity. The deflection of the pressure exerting member can be adjusted in the known vibrating rollers by changing the vibrating frequency, as a result of which the vibrating force changes.
The object of the invention is to provide a method and a device for soil compaction in which the periodic deflection of the pressure exerting member can be changed independently of the vibration frequency.
The solution to this problem according to the invention is the subject matter of patent claim 1 with regard to the method and the subject matter of patent claim 10 with respect to the device.
Claims 4 to 7 or 13 to 15 and 18 additionally solve the problem of creating a method or a device for soil compaction with large vibratory forces with a low weight of the pressure exerting member, the inertial force directed towards the ground being greater than in the opposite direction.
Claims 8 and 9 or 16 and 17 solve the further additional object of creating a method or a device for soil compaction in which the resulting vibration force acting on the soil to be compacted is continuously changed during operation without changing the vibration frequency .
Claims 1 to 9 and 10 to 18, on the whole, solve the task of changing the magnitude of the vibration force (inertial force) and generating a vibration force which acts to different extents in different directions. The vibration force, its vibration frequency and the deflection of the pressure exerting member relative to the floor are freely and independently adjustable.
The effective mass of the pressure exerting member mentioned in some of the claims, which in the detailed description below is a roller body of a road roller, is the sum of those masses which are rigidly and / or articulatedly connected to the pressure exerting member and by the resulting inertial forces of the moving inertial masses be excited synchronously and without a time shift of the deflection maxima with the pressure exerting organ.
Unbalanced inertial bodies are understood to mean inertial bodies with an eccentric mass distribution with respect to their axis of rotation, only the centrifugal force caused by the unbalance acting as a so-called inertial force.
The force transmitted by the pressure exerting member in the direction of the ground can be directed in such a way that it assumes any angle of less than 90 ° to the vertical on the ground surface.
Exemplary embodiments of the device according to the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
1 is a schematic representation of a roller body of a road roller,
2 shows a section through the roller body along the line II-II in FIG. 1,
3 shows a time representation of the resulting force Kc acting on the roller body, composed of the forces Ka and Kb of two inertial bodies,
4 shows a schematic representation of a variant with a piston-cylinder unit,
Fig. 5 is a schematic representation of a gear for rotating against each other two eccentrically arranged masses of the inertial body.
1 is a hollow cylindrical roller body 1, also called a bandage, of a road roller, not shown, and lies on a soil 3 to be compacted. The roller body 1 is connected to one via a bearing bracket designed as a yoke 4 by means of two damping elements 5, only shown schematically Fixed frame part 7 which is connected to the chassis of the road roller, not shown. Depending on the design of the road roller, one or more roller bodies 1, which can also be driven, are present. The weight of the road roller is transferred to each frame part 7 per roller body 1.
Inside the roller body 1 there are two inertial bodies 11 and 12, the cross section of which is shown in FIG. The inertial body 12 is designed as a hollow cylinder with an eccentric thickening 15 along a surface line. The length of the hollow cylinder is smaller by a tolerance than the inner length of the hollow cylinder of the roller body 1. By means of two hollow shaft pieces 17 and 18, the inertial body 12 is coaxial with the geometric axis 20 of the roller body 1 with two bearings 22 and 23 in each within a flange 19 and 21 mounted on both end faces of the roller body 1. The two flanges 19 and 21 are each supported by a roller bearing 24a and 24b in the yoke 4. The inertial body 11 is plate-shaped and is eccentrically fastened to a shaft 27 lying in the geometric axis 20.
The length of the plate 25 is smaller by a tolerance than the inner length of the inertial body 12. The inertial body 11 is rotatable within the inertial body 12 and this within the roller body 1. The shaft 27 is mounted with two bearings 29 and 30 in the end faces of the hollow cylinder of the inertial body 12 and is driven within the hollow shaft piece 17 together with the latter via a gear 32 by a drive 33.
The gear 32 rotates the inertial body 11 at twice the number of revolutions to the inertial body 12. The value of the single number of revolutions results from the desired soil compaction, which mainly depends on the nature of the soil 3. Since the mass distribution of the inertial bodies 11 and 12, as shown in FIG. 2, is eccentric, this results in circumferential forces (centrifugal forces) to the shaft 27, which result via the bearings 22, 23, 29 and 30 as the resultant force Kc (vibration force) act on the roller body 1. The timing of the rotary movements of the two inertial bodies 11 and 12 is set by the gear 32 so that the plate 25 lies every second revolution and the thickened portion 15 every revolution at its point closest to the ground on a straight line through the axis 20.
The eccentric mass distribution of the two inertial bodies 11 and 12 is now selected such that the centrifugal force Ka of the inertial body 11 is the same at a standard speed as the centrifugal force Kb of the inertial body 12 at twice the standard speed. The mass distributions required for this, as well as their respective eccentric distance from the axis 20, can be determined using the laws of technical mechanics. The two centrifugal forces Ka and Kb of the inertial bodies 11 and 12 are superimposed, as shown in FIG. 3, with a maximum resulting force Kc directed towards the ground and two approximately half as large resulting forces Kc directed away from it per period.
In FIG. 3, the course over time during a period P is plotted against the time axis t as the abscissa, the respective forces Ka, Kb and Kc directed to the floor 3 as ordinate. A downward force K acting against the floor 3 also points downward here. The dash-dotted line a indicates the force profile of the force Ka caused by the inertial body 12, and the dashed line b indicates that Kb caused by the inertial body 11. The solid line c indicates the force curve of the resulting force Kc acting on the roller body 1.
The resulting force Kc directed away from the bottom 3 can be selected to be so large that it is smaller than the weight force (effective mass of the pressure exerting member) of the sum of the weights of the roller body 1, the yoke 4 and the associated bearings 22, 23, 24a, 24b, 29 and 30, and a weight of the road roller that is greatly reduced by the damping elements 5, but without the inertial bodies 11 and 12, without fear of the roller body 1 being lifted off the ground 3.
In the middle between its two flanges 19 and 21 on the side of the yoke 4 facing away from the shaft 27, the yoke 4 has a support 34, of which a guide rail 35a and 35b is horizontally connected to the frame part 7. Both guide rails 35a and 35b are movably fastened both to the support 34 and to the frame part 7 with joints 36a, 36b, 36c and 36d, as indicated schematically in FIG. 1. Two additional bodies 37a and 37b are slidably arranged on the guide rails 35a and 35b with a self-contained toothed belt 38. The toothed belt 38 is deflected via two rollers 39a and 39b fastened to the frame parts 7, one additional body 37a being connected to one part of the toothed belt 38 and the other additional body 37b being connected to the deflected part of the toothed belt 38.
The roller 39a is driven via a further toothed belt 40 by a schematically shown adjusting device 41. The additional bodies 37a and 37b are designed such that they bear the entire weight of the guide rails 35a and 35b; the toothed belt 38 is used only for horizontal displacement. They are attached to the toothed belt 38 in such a way that their movement takes place in opposite directions. The guide rails 35a and 35b are designed such that they do not vibrate naturally during the vibration operation.
If the additional bodies 37a and 37b are pushed against the joints 36a and 36d by means of the adjusting unit 41, then they act on the roller body 1 only with a negligible weight, whereas they act with their entire weight as an additional mass when they are struck on the joints 36b and 36c. Between these two extremes, all values can be set via the position of the additional bodies 37a and 37b on the guide rails 35a and 35b. The deflection is inversely proportional to the effective mass of the roller body 1 (pressure exerting element) and directly proportional to the resulting centrifugal force Kc (inertial force) of the eccentric masses 15 and 25.
The effective mass of the roller body 1 results from the sum of the masses of the roller body 1, the yoke 4, the support 34, twice half the mass of the guide rails 35a and 35b and the percentage weight portion of the additional bodies 37a and 37b acting on the roller body 1.
Instead of moving the two additional bodies 37a and 37b only in the space between the two frame parts 7, the fastening of the guide rails 35a and 35b can be selected such that they can also be moved into the space outside the frame parts 7. If the additional bodies 37a and 37b are located outside the frame parts 7, the effective mass of the pressure application member 1 is reduced.
Instead of using rotating eccentric masses to generate forces (vibration forces) that can be transmitted to the floor 3, two piston-cylinder units 43a and 43b, as shown in FIG. 4, can also be used, each with an additional mass 44a or 44b one of the pistons 45a or 45b is attached. The pistons 45a and 45b are each moved in a cylinder 46a and 46b by means of hydraulic fluid, which are periodically pressed back and forth by a hydraulic control device 52 through two lines 47/48 and 49/50. According to the physical principle actio = reactio, in the case of a piston 45a or 45b accelerated upward, the pumped hydraulic oil results in a downward counterforce on the lower end face 53a or 53b of the cylinder 46a or 46b.
The hydraulic fluid located in the upper part of the cylinder 46a or 46b above the piston 45a or 45b can flow freely through the hydraulic line 48 or 50, which results in only a slight counterforce which is due to the frictional resistance in the tubes 48 and 50. The force on the lower end face 53a or 53b is transmitted via the cylinder 46a or 46b to the roller body 1 connected to it. The forces are superimposed analogously to the rotating eccentric masses 15 (thickening) and 25 (plate) of the inertial bodies 11 and 12. If the additional mass 44b is only half as large as the additional mass 44b and its oscillation frequency is twice as large as that of the additional mass 44a, the picture shown in FIG. 3 results.
Instead of attaching the additional masses 44a and 44b to the pistons 45a and 45b, the pistons 45a and 45b can also be designed with the relevant weight. The additional masses 44a and 44b can also be removed from the respective piston 45a or 45b and moved through the piston 45a or 45b via a connecting rod (not shown) and a lever arm (not shown). This allows the direction and the size of the force to be freely selected.
Instead of having two pistons 45a and 45b vibrate with a harmonic oscillation, only a single piston can be used which is operated with a forced movement, the acceleration of which is greater in the upward direction than in the downward direction. The disadvantage here is the greater energy expenditure of a so-called forced oscillation, which, in contrast to the harmonic oscillation, which, apart from covering its friction and other losses (soil compaction), requires additional energy to maintain the movement.
Instead of two masses, any number of moving masses can be used, depending on the space requirement, which masses with different numbers of revolutions, which are integer multiples of a desired basic vibration of the pressure exerting element 1. Both rotating and hydrodynamic drives, as well as piston-cylinder units, in which a gas mixture is caused to generate force by ignition, can be used as the drive. The optimal number of revolutions, as well as their assignments, can be determined with known mathematical approximation methods, e.g. an "approximate harmonic analysis", presented in Bronstein-Semendjajew, "Taschenbuch der Mathematik", B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1963, page 480 ff.
The calculation results in infinitely long trigonometric rows, which, however, can be broken off after the first links with sufficient accuracy for the desired form of movement.
In addition to a roller body 1, a plate or the like can also be used as the pressure exerting element.
Instead of letting the forces act perpendicularly on the surface of the soil 3 to be compacted, an arbitrary angle can also be selected. The angle of the maximum force effect only depends on the angle at which the forces of the individual vibrations are superimposed. This angle can be set via the gear 32.
It is often desirable to change the force with which the pressure exerting member 1 acts on the floor 3 while maintaining the vibration frequency. In this case, as shown in FIG. 5, a resulting centrifugal force is caused by an eccentric mass distribution of two rotating inertial bodies. Only the two inertial bodies with their eccentric mass distribution 73 and 75 and a planetary gear 60 driving them (a differential gear with bevel gears can also be used) are shown; further masses rotating at different numbers of revolutions have been omitted so as not to overload FIG. 5. A gear part 62 and a toothed belt pulley 63 of the planetary gear 60 are driven by the gear 32 via a shaft 65. The gear part 62 has three meshing gears 62a, 62b and 62c.
The axes of the gear wheels 62a and 62c, as well as the axes 65 and 76 lie on a straight line and the axis of the gear wheel 62b intersects this straight line. The axis 76 of the gearwheel 62c is connected to an eccentric mass distribution 75 by an inertial body constructed analogously to the inertial body 11 and can be rotated by it. The toothed belt pulley 63 drives a toothed belt pulley 64 via a toothed belt 66, which moves a toothed wheel 69 via a shaft 67, which meshes with a toothed wheel 71. The gearwheel 71 is connected to an inertial body with the eccentric mass distribution 73 which is configured analogously to the inertial body 12. In operation, the axis of gear 62b is fixed, but can be rotated about axis 76.
If there is a rotation, the two eccentric masses 73 and 75 of the inertial bodies, i.e. their center of gravity turned towards or away from each other depending on the direction of rotation. The resulting eccentrically acting centrifugal force thereby decreases or increases in the limits between the sum and the difference of the centrifugal forces of the individual eccentric mass distributions 73 and 75, as can easily be seen due to the laws of technical mechanics. The adjustment is possible during operation, i.e. during the rotation of the two inertial bodies with the eccentric masses 73 and 75.
Instead of rotating the center of gravity of two eccentric masses 73 and 75 against one another, the center of mass can also be changed by radially shifting a partial mass. For this purpose, an approximately rotationally symmetrical mass distribution (not shown) is used, which is arranged on a rod (not shown) that is fixedly connected to the axis 76 as a guide element, but is displaceable but not rotatable. The hollow shaft 78 is approximately extended to the attachment point of the rod and provided with a gear pair which acts on a threaded rod (not shown) as an adjusting element which is inserted into a thread (not shown) of the partial mass.
If the axis of the gear 62b is now rotated about the axis 65, the threaded rod rotates in the thread and thereby shifts the partial mass and thus the center of gravity, whereby the centrifugal force is adjusted depending on the direction of rotation during rotation.
The deflection of the roller body 1 (pressure exerting element) can thus be changed once by adjusting the eccentricity, as already described above, and by moving the additional bodies 37a and 37b. Since a change in the eccentricity changes the amplitude, this change can be reversed by moving the additional bodies 37a and 37b.
By means of the devices described above, the deflection of the pressure-exerting member can be adjusted relative to the floor by changing the mass.
Furthermore, the effective centrifugal forces can be changed by adjusting the eccentric center of gravity of several inertia bodies against each other or the center of mass of the inertia body with respect to its axis of rotation by means of a planetary gear.
In addition, it is possible to let a greater force act in a specific direction, generally in the direction of the soil to be compacted, than in the opposite direction. In the known devices it has so far only been possible to allow the same force to act in one direction and in the opposite direction. As a result, a maximum acting force, which should act on the pressure exerting element 1, was predetermined by its weight. In order to be able to apply the greatest possible forces, the pressure exerting element 1 had to be made as heavy as possible in the known devices, which in turn reduced its deflection with respect to the floor 3.
The heavy pressure application organ 1 of the known devices increases the weight of the entire machine and thus its resistance to movement on the soil to be compacted, which in turn entails a high drive power. The method according to the invention increases the deflection of the pressure exerting member 1 that can be used for compression and reduces the total drive power of the road roller with the same compression effect. It is also not only possible to apply vertical forces to the floor, but also forces at any angle.
With the embodiments described above, the magnitude of the vibration force, the direction of the maximum acting vibration force, its vibration frequency and its amplitude can be set independently of one another, as well as a vibration force acting in different directions with different strengths. With this variety of settings, soil compaction can be optimally achieved depending on the nature of the soil.