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Die
Erfindung betrifft eine Vibrationsplatte nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1.
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Vibrationsplatten
sind bekannt und bestehen im Prinzip aus einer eine Bodenkontaktplatte
aufweisenden Untermasse und einer mit der Untermasse federnd beweglich
gekoppelten, einen Antrieb (z.B. einen Verbrennungs- oder Elektromotor)
aufweisenden Obermasse. Der Antrieb treibt eine zu der Untermasse
gehörende,
die Bodenkontaktplatte beaufschlagende Schwingungserregereinrichtung
an.
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Als
Schwingungserregereinrichtung ist ein so genannter Ein-Wellen-Erreger
bzw. Schleppschwinger bekannt, bei dem der Antrieb eine eine Unwuchtmasse
tragende Unwuchtwelle drehend antreibt. Die Unwuchtwelle reißt bei ihrer
Umdrehung die Bodenkontaktplatte nach oben und nach vorne, um eine
Vorwärtsbewegung
zu erreichen. Danach wird die Bodenkontaktplatte durch die Wirkung
der Unwuchtwelle nach unten gedrückt
und schlägt
auf den zu verdichtenden Boden auf.
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Bei
größeren Vibrationsplatten
weist die Schwingungserregereinrichtung zwei oder drei mechanisch
bzw. formschlüssig
gekoppelte Unwuchtwellen auf. Bei dem so genannten Zwei-Wellen-Erreger
sind zwei jeweils eine Unwuchtmasse tragende Unwuchtwellen formschlüssig gekoppelt
und gegenläufig
drehbar angeordnet. Die Phasenlage der Unwuchtwellen zueinander
kann mechanisch über
eine Kulisseneinrichtung oder ein Differenzialgetriebe verstellt
werden. Als Antriebe für
die Verstellung sind Hydraulikzylinder, Bowdenzüge oder Spindeln bekannt. Durch
die Verstellung der Phasenlage der Unwuchtwellen zueinander kann
die Richtung eines resultierenden Kraftvektors verändert werden,
was zu einer Änderung
des Vortriebsverhaltens führt.
Insbesondere kann auf diese Weise eine Vorwärts- und eine Rückwärtsfahrt
der Vibrationsplatte erreicht werden.
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Bei
einer Weiterentwicklung ist die Unwuchtmasse auf einer der Unwuchtwellen
in zwei oder mehrere relativ zueinander verstellbare Teil-Unwuchtmassen
aufgeteilt. Wenn die Teil-Unwuchtmassen auf der Unwuchtwelle asymmetrisch
zueinander verstellt werden, lässt
sich ein Giermoment um die Hochachse der Schwingungserregereinrichtung
erzeugen, wodurch die Vibrationsplatte gelenkt werden kann. Bei
einer symmetrischen Verstellung, insbesondere, wenn auf der betreffenden
Unwuchtwelle Teil-Unwuchtmassen fest angebracht sind und andere
Teil-Unwuchtmassen relativ dazu beweglich sind, lässt sich
die resultierende Unwuchtwirkung verstellen, was eine Einstellung
der resultierenden Unwuchtkräfte
ermöglicht.
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Aufgrund
der starken Unwuchtwirkung sind die Kräfte auf die Verstellantriebe
für die
Einstellung der Phasenlage der Unwuchtwellen zueinander und der
Phasenlage der verschiedenen Unwuchtmassen auf einer Unwuchtwelle
hoch. Die Verstellmechanik ist hohen Wechselkräften ausgesetzt, was ihre Lebensdauer
beeinträchtigt.
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Üblicherweise
sind die Unwuchtwellen bei bekannten Schwingungserregereinrichtungen
parallel zueinander angeordnet. Mit modernen Vibrationsplatten ist
es somit möglich,
eine Vorwärts-
und eine Rückwärtsfahrt
zu erreichen sowie die Vibrationsplatte auf der Stelle zu drehen
bzw. um eine Kurve zu fahren. Bei einigen Anwendungen wünscht der
Benutzer jedoch eine Querbewegung der Vibrationsplatte, um z. B.
hinter seitliche Vorsprünge
fahren zu können.
Bei der Bodenverdichtung von seitlich geneigten Flächen drifted
die Vibrationsplatte oft schräg nach
unten ab, so dass der Bediener die Vibrationsplatte zur Kompensation
schrägstellen
muss. Dabei wird der Boden jedoch am oberen und unteren Rand nur
durch eine Ecke der Bodenkontaktplatte verdichtet, was zu ungenügenden Verdichtungsergebnissen führt.
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Bei
diesen Anwendungsfällen
wäre es
hilfreich, wenn die Vibrationsplatte eine Querbewegung vollführen könnte. Um
eine derartige Querbewegung zu erreichen, müsste jedoch von der Schwingungserregereinrichtung
eine entsprechende Kraftwirkung in Querrichtung erzielt werden,
was nur durch schräg bzw.
winklig angeordnete Unwuchtwellen möglich ist. Die winklige Anordnung
von Unwuchtwellen in bekannten Schwingungserregereinrichtungen und
deren mechanische Ankopplung an den gemeinsamen Antrieb würde einen
erheblichen Getriebeaufwand und dementsprechend hohe Kosten und
Gewicht erfordern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vibrationsplatte anzugeben,
bei der der mechanische Aufwand für den Antrieb der Unwuchtwellen
in der Schwingungserregereinrichtung verringert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vibrationsplatte gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Vibrationsplatte weist
eine einen Antrieb umfassende Obermasse, eine wenigstens eine Bodenkontaktplatte
aufweisende Untermasse und eine die Bodenkontaktplatte beaufschlagenden
Schwingungserregereinrichtung auf. Die Schwingungserregereinrichtung
weist wenigstens zwei Einzelerreger auf, die jeweils wenigstens eine
eine Unwuchtmasse tragende Unwuchtwelle umfassen. Die Einzelerreger
sind erfindungsgemäß hinsichtlich
der Drehzahl und/oder der Phasenlage der jeweils zugeordneten Unwuchtwelle
individuell ansteuerbar.
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Somit
werden erfindungsgemäß kleine
Einheiten in Form von Einzelerregern vorgesehen, die im einfachsten
Fall nur eine einzelne Unwuchtwelle aufweisen. Die Drehzahl und
die Phasenlage dieser Unwuchtwelle können individuell, also unabhängig von
der Drehzahl oder der Phasenlage weiterer Unwuchtwellen angesteuert
werden. Die gesamte Schwingungserregereinrichtung hingegen weist
wenigstens zwei dieser individuell ansteuerbaren Einzelerreger auf.
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Die
Phasenlage der Unwuchtwelle bezieht sich auf ihre Relativstellung
im Verhältnis
zu der oder den weiteren, mit ihr zusammenwirkenden Unwuchtwellen.
Sofern man eine der Unwuchtwellen als Bezugssystem definiert, kann
die andere Unwuchtwelle bzw. können
die anderen Unwuchtwellen entweder mit der gleichen Phasenlage drehen
oder um einen bestimmten Phasenwinkel dazu verdreht sein. Die Phasenlage
von jeder der Unwuchtwellen sollte in Bezug auf ein einheitliches
Bezugssystem definiert sein.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
jeder der Einzelerreger einen die jeweilige Unwuchtwelle drehend
antreibenden Hydraulikmotor oder Elektromotor und einen die Position
der Unwuchtwelle in wenigstens einer Stellung erfassenden Positionsgeber
auf. Damit kann einerseits jede der Unwuchtwellen durch den ihr
zugeordneten Hydraulikmotor (Elektromotor) individuell angetrieben
werden, während
andererseits über
den Positionsgeber die tatsächliche
Position der Unwuchtwelle regelmäßig oder
ständig überwacht
wird. Der Positionsgeber sollte die Position der Unwuchtwelle wenigstens
in einer Stellung, d. h. während
einer Umdrehung der Unwuchtwelle ein mal erfassen, woraus die Drehzahl
der Unwuchtwelle ermittelt und auch Zwischenstellungen interpoliert
werden können.
Selbstverständlich
kann der Positionsgeber auch derart ausgestaltet sein, dass er die
Drehstellung der Unwuchtwelle und damit deren Drehzahl permanent
erfasst. Die genaue Erkennung der Drehstellung ist wichtig, um daraus
die Phasenlage der Unwuchtwelle ableiten zu können.
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Vorteilhafterweise
ist dem Hydraulikmotor ein Stellglied, insbesondere ein Hydraulikventil,
zugeordnet, wobei der Einzelerreger einen Regler aufweist, zum Auswerten
eines Signals von dem Positionsgeber und zum Ansteuern des Stellglieds,
derart, dass eine dem Regler für
die betreffende Unwuchtwelle vorgegebene Soll-Drehzahl und/oder
Soll-Phasenlage erreicht wird.
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Anstelle
des Hydraulikmotors kann auch ein anderer geeigneter Individualantrieb
für die
einzelnen Unwuchtwellen der Einzelerreger verwendet werden, z.B.
ein ansteuerbarer Elektromotor. Zur Zeit sind jedoch Elektromotoren
noch zu schwingungsanfällig
und dürften
daher angesichts der starken Schwingungen keine ausreichende Lebensdauer
haben.
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Somit
weist jeder Einzelerreger einen eigenen Regelkreis auf, bei dem
die Unwuchtwelle die Regelstrecke und der Positionsgeber das Messglied bildet.
Die Position der Unwuchtwelle und damit ihre Ist-Phasenlage und
Ist-Drehzahl wird mit Hilfe des Positionsgebers ermittelt und als
Messwert an den Regler geführt.
Selbstverständlich
kann die Auswertung des Signals von dem Positionsgeber auch erst in
dem Regler selbst erfolgen, um z. B. die Ist-Drehzahl zu ermitteln.
Aufgrund der dem Regler vorgegebenen Werte für die Soll-Drehzahl bzw. die
Soll-Phasenlage steuert der Regler das Stellglied, insbesondere
das Hydraulikventil, an, damit der zugeordnete Hydraulikmotor die
Unwuchtwelle in der gewünschten
Weise antreibt.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
eine Zentralsteuerung vorgesehen, zum Koordinieren der Regler der
Einzelerreger und zum Vorgeben einer individuellen Soll-Drehzahl
und/oder Soll-Phasenlage für
jeden Regler der Einzelerreger, derart, dass ein von einem Bediener
gewünschtes
und/oder von einem Arbeits- oder Fahrprogramm vorgegebenes Verhalten
der Bodenkontaktplatte erreicht wird.
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Die
Zentralsteuerung, z.B. ein Prozessrechner, hat somit die Aufgabe,
das Bindeglied zwischen dem Bediener und den Einzelerregern der
Schwingungserregereinrichtung zu bilden. Der Bediener gibt der Zentralsteuerung
einen Fahrwunsch für
die Vibrationsplatte, z. B. Vorwärts-,
Rückwärts-, Drehungs-, Quer- oder Kurvenfahrt
vor. In der Zentralsteuerung werden diesem Bedienerwunsch entsprechende Fahrprogramme
zugeordnet, aus denen sich Vorgaben für die individuellen Soll-Drehzahlen
und insbesondere Soll-Phasenlagen der Unwuchtwellen in den Einzelerregern
ableiten. Diese Sollwerte werden den Reglern der Einzelerreger individuell
zugeleitet, wobei die Regler der Einzelerreger ein entsprechendes Verhalten
der jeweils zugeordneten Unwuchtwellen gewährleisten.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird statt der Regler der Einzelerreger und der übergeordneten
Zentralsteuerung lediglich ein "gesamtverantwortlicher" Zentralregler vorgesehen. Der
Zentralregler dient zum Auswerten der Signale von den einzelnen
Positionsgebern der Einzelerreger und zum individuellen Ansteuern
der Stellglieder der Einzelerreger, derart, dass das vom Bediener
gewünschte
und/oder von einem Fahrprogramm vorgegebene Verhalten der Bodenkontaktplatte
erreicht wird. Im Gegensatz zu dem oben erläuterten, eher dezentralen Regelungsaufbau
stellt der Zentralregler eine zentralisierte Steuerung bereit. Der
Zentralregler erfasst zentral das Verhalten von jeder Unwuchtwelle
und ergreift die erforderlichen Maßnahmen, damit die Unwuchtwelle
das von ihr verlangte Drehverhalten erreicht. Auch hier ist der
Bedienerwunsch bzw. ein vorgegebenes Fahrprogramm maßgeblich, wonach
z. B. eine Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt
der Bodenkontaktplatte verlangt wird.
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Bei
der Regelung von Drehzahl und Phasenlage der Unwuchtwellen kann
eine Besonderheit ausgenutzt werden: Aufgrund energetischer Wechselwirkungen
haben Unwuchtwellen, die auf einem gemeinsamen steifen Träger angeordnet
sind, das Bestreben, sich hinsichtlich ihrer Drehzahl selbst zu synchronisieren.
Die Regler müssen
dann lediglich – entsprechende
Sollwerte insbesondere für
die Phasenlage vorausgesetzt – die Änderungen
bzw. Differenz aus der Selbstsynchronisierlage heraus einstellen,
um die gewünschte
Relativstellung bzw. Phasenlage der betreffenden Unwuchtwelle zu
erreichen.
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Vorzugsweise
werden die Unwuchtwellen der Einzelerreger mit gleicher Drehzahl
angetrieben. Auf diese Weise kann ein Verhalten der zusammenwirkenden
Einzelerreger erreicht werden, das dem Verhalten von bekannten,
rein mechanisch arbeitenden, insbesondere auf einer formschlüssigen Kopplung
der beteiligten Unwuchtwellen basierenden Schwingungserreger entspricht.
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Durch
die individuelle Ansteuerbarkeit der Einzelerreger ist es jedoch
in vorteilhafter Weise auch möglich,
dass die Unwuchtwelle von wenigstens einem der Einzelerreger mit
einer anderen Drehzahl angetrieben wird, als die Unwuchtwellen der restlichen
Einzelerreger. Insbesondere kann diese andere Drehzahl ein ungerades
Vielfaches, z. B. ein Dreifaches oder ein Fünffaches der Drehzahl der Unwuchtwellen
der restlichen Einzelerreger betragen. Auf diese Weise kann in bestimmten
Anwendungsfällen
ein besonderes Schwingungsverhalten der Schwingungserregereinrichtung
erreicht werden, was bei rein mechanisch arbeitenden Schwingungserregern
mit Verzahnungsgetrieben praktisch nicht oder nur mit erheblichem
Aufwand realisierbar wäre. Eine
nur zeitweilige Abweichung der Drehzahl wäre bei rein mechanisch arbeitenden
Schwingungserregern nahezu ausgeschlossen, weil dafür ein Schaltgetriebe
erforderlich wäre.
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Die
unterschiedliche Drehzahl von wenigstens einer der Unwuchtwellen
kann es ermöglichen, dass
für bestimmte
Anwendungsfälle
besonders harte Schläge
in den Boden eingeleitet werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist
wenigstens einer der Einzelerreger derart ansteuerbar, das die ihm
zugeordnete Unwuchtwelle gezielt eine ungleichförmige Drehgeschwindigkeit erreicht.
Grundsätzlich
muss davon ausgegangen werden, dass die Drehgeschwindigkeit einer
Unwuchtwelle auf Grund des permanenten Energieaustauschs zwischen
der kinetischen Energie der Unwuchtwelle selbst und der von ihr
beaufschlagten Bodenkontaktplatte schwankt. Der zugeordnete Regler
wird zwar stets versuchen, die Drehzahl der Unwuchtwelle auf dem
vorgegebenen Sollwert zu halten. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit
ist jedoch davon auszugehen, dass der Regler nicht in der Lage sein
wird, die Drehzahlschwankungen für
den Energieaustausch auszugleichen. Vielmehr wird es für den Normalfall
genügen, die
mittlere Phasenlage und Drehzahl der Unwuchtwelle auf den gewünschten
Sollwert einzustellen.
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Bei
der hier genannten Ausführungsform
hat der Regler jedoch die Aufgabe, unabhängig von der in der Praxis
nahezu unvermeidbaren Drehzahlschwankung gezielt eine ungleichförmige Drehgeschwindigkeit
aufzuprägen.
Dabei könnte
es zweckmäßig sein,
dass die Unwuchtwelle während
einer Umdrehung gezielt unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten erreicht,
um z. B. einen längeren
Bodenkontakt der Bodenkontaktplatte zu ermöglichen, damit die Stoßenergie
wirkungsvoll in den Boden eingeleitet werden kann.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
eine die Bodenkontaktplatte beaufschlagende zweite Schwingungserregereinrichtung
vorgesehen, mit wenigstens zwei miteinander formschlüssig gekoppelten,
gegenläufig
drehend angetriebenen Unwuchtwellen. Wenigstens einer der Unwuchtwellen
der zweiten Schwingungserregereinrichtung ist ein Positionsgeber
zum Bestimmen der Phasenlage dieser Unwuchtwelle zugeordnet. Ein
Signal dieses Positionsgebers wird zu der Zentralsteuerung oder
zu dem Zentralregler geführt, um
die Drehzahl und/oder die Phasenlage der Unwuchtwellen der zweiten
Schwingungserregereinrichtung mit den Einzelerregern zu koordinieren.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird somit eine "konventionelle", rein mechanisch
durch formschlüssige
Kopplung (Zahnräder)
arbeitende Schwingungserregereinrichtung mit den oben beschriebenen
Einzelerregern der erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung
kombiniert. Dadurch ist es möglich, die
rein mechanisch arbeitende zweite Schwingungserregereinrichtung,
deren Wirkprinzip sich über
viele Jahre hervorragend bewährt
hat, weiterhin zu nutzen. Zum Beispiel kann die zweite Schwingungserregereinrichtung
dazu dienen, Vibrationskräfte
zu erzeugen, die lediglich für
die Vorwärts-
oder Rückwärtsfahrt
genutzt werden, während
Kraftwirkungen zum Lenken oder für
eine Querfahrt der Vibrationsplatte durch die erfindungsgemäße Schwingungserregereinrichtung
mit Einzelerregern erzielt werden. Bei einer anderen Variante dient
die lediglich mechanisch arbeitende zweite Schwingungserregereinrichtung
ausschließlich
dazu, vertikale Verdichtungskräfte
zu erzeugen, während
die Kräfte
zur Fortbewegung und Lenkung der Vibrationsplatte durch die Einzelerreger
der erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung
erreicht werden.
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Die
Zentralsteuerung oder der Zentralregler koordinieren das Verhalten
der zweiten Schwingungserregereinrichtung mit den Einzelerregern
der erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung,
um das gewünschte
Verhalten der Bodenkontaktplatte zu erreichen.
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Vorzugsweise
weist der Positionsgeber eine Drehwinkelerfassungseinrichtung auf.
Damit ist es möglich,
die Stellung und damit auch die Drehzahl einer Unwuchtwelle jederzeit
präzise
zu erfassen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Einzelerreger und/oder die zweite Schwingungserregereinrichtung
auf mehreren Bodenkontaktplatten verteilt angeordnet. Die Untermasse
weist somit mehrere Bodenkontaktplatten auf, denen jeweils eine
rein mechanische zweite Schwingungserregereinrichtung und/oder ein
oder mehrere Einzelerreger zugeordnet sind. Hierbei sind nahezu beliebige
Kombinationen möglich.
Selbstverständlich ist
es auch denkbar, ausschließlich
Einzelerreger der erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung auf
den Bodenkontaktplatten zu verteilen, ohne dass eine zweite Schwingungserregereinrichtung
vorhanden sein muss.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
wenigstens einige der Unwuchtwellen der Einzelerreger derart auf
der Bodenkontaktplatte angeordnet, dass von ihnen erzeugte Kraftvektoren
in unterschiedlichen Ebenen wirken. Durch die Rotation der Unwuchtwellen
erzeugen die darauf angeordneten Unwuchtmassen jeweils einen Fliehkraftvektor,
der in einer Ebene rotiert, die zur Drehachse der Unwuchtwelle senkrecht steht.
Wenn die Drehachsen der Unwuchtwellen auf der Bodenkontaktplatte
unterschiedlich gerichtet angeordnet sind, wirken dementsprechend
auch die Kraftvektoren der Unwuchtmassen in unterschiedlichen Ebenen.
Je nach Ansteuerung der Unwuchtwellen können Kraftwirkungen in unterschiedliche
Richtungen erzeugt werden, die ein entsprechendes Bewegungsverhalten
der Bodenkontaktplatte bewirken.
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Vorzugsweise
sind wenigstens einige der Unwuchtwellen der Einzelerreger auf der
Bodenkontaktplatte sternförmig,
axial, parallel oder winklig zueinander auf der Bodenkontaktplatte
angeordnet. Selbstverständlich
sind jegliche Mischformen dieser Arten von Anordnungen denkbar,
um ein gewünschtes
Fahr- und Richtungsverhalten der einen Bodenkontaktplatte oder der
mehreren Bodenkontaktplatten zu erreichen.
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Bei
einer Weiterentwicklung der Erfindung trägt wenigstens eine der Unwuchtwellen
eine größere Unwuchtmasse
als andere Unwuchtwellen. Eine derartige Ausführungsform trägt z. B.
der Erkenntnis Rechnung, dass die Vibrationsplatte im überwiegenden
Fall im Vorwärts-
und Rückwärtsfahrbetrieb
eingesetzt wird, während
Drehungen sowie Kurven- und Schrägfahrten
mehr die Ausnahme darstellen bzw. geringere Kraftwirkungen erfordern.
Dementsprechend sollten die Einzelerreger, die für die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt dienen, Unwuchtwellen
mit größerer Unwuchtmasse
aufweisen als die Einzelerreger, die lediglich eine Kurven- oder
Schrägfahrt
bewirken sollen.
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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
schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Einzelerreger;
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2 eine
erfindungsgemäße Schwingungserregereinrichtung
mit zwei Einzelerregern;
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3 eine
Variante einer erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung
mit zwei Einzelerregern;
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4 eine
Draufsicht auf eine Bodenkontaktplatte mit einer erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
Draufsicht auf eine Bodenkontaktplatte mit einer erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Draufsicht auf eine Bodenkontaktplatte mit einer erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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7 Beispiele
für Anordnungen
von Einzelerregern.
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Wie
oben beschrieben, betrifft die Erfindung eine als Vibrationsplatte
ausgeführte
Bodenverdichtungsvorrichtung, deren Aufbau im Prinzip bekannt ist.
Wesentlicher Bestandteil einer Vibrationsplatte ist eine Schwingungserregereinrichtung,
die eine gerichtete Schwingung in eine Bodenkontaktplatte einleitet.
Die schwingende Bodenkontaktplatte wirkt in den Boden ein, um ihn
zu ver dichten. Weiterhin kann die von der Schwingungserregereinrichtung
erzeugte resultierende Gesamtkraft einen Vortrieb in Längs- oder
Querrichtung und eine Lenkung der Vibrationsplatte erreichen. Da
dieser Aufbau im Prinzip seit langem bekannt ist, erübrigt sich
eine eingehendere Beschreibung.
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Die
erfindungsgemäße Vibrationsplatte
weist eine Schwingungserregereinrichtung auf, mit wenigstens zwei
Einzelerregern 13, die auf eine Bodenkontaktplatte 12 einwirken.
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1 zeigt
in einer Schnittdarstellung den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Einzelerregers 13.
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In
einem z. B. röhrenförmigen Gehäuse 1 ist eine
Unwuchtwelle 2 drehend gelagert. Die Unwuchtwelle 2 trägt eine
Unwuchtmasse 3.
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Die
Unwuchtwelle 2 wird von einem Hydraulikmotor 4 drehend
angetrieben. Dem Hydraulikmotor 4 wird Hydraulikflüssigkeit über eine
Hydraulikleitung 5 von einer nicht dargestellten Hydraulikversorgung zugeführt. Die
Hydraulikversorgung kann bei der Vibrationsplatte im Wesentlichen
an der Obermasse angeordnet sein. Bestandteil der Hydraulikversorgung ist
z. B. ein Diesel-, Benzin- oder
Elektroaggregat, das eine Hydraulikpumpe antreibt. Die Hydraulikpumpe
erzeugt einen Hydraulikdruck in einer Hydraulikflüssigkeit,
die in einem Hydraulikspeicher gespeichert werden kann. Weiterhin
muss ein Hydraulikvorratsbehälter
zum Sammeln und Aufbewahren der Hydraulikflüssigkeit vorgesehen sein. Aufgrund der
starken Schwingungswirkung in der Untermasse ist es zweckmäßig, wenn
die meisten Komponenten der Hydraulikversorgung in der von der Untermasse schwingungsmäßig entkoppelten
Obermasse angeordnet sind. Dadurch ist es nur noch erforderlich,
eine Verbindung von der Hydraulikversorgung zu dem Hydraulikmotor 4 mit
Hilfe der Hydraulikleitung 5 herzustellen.
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Stromab
von dem Hydraulikmotor 4 ist ein als Stellglied dienendes
Hydraulikventil 6 angeordnet, das den Hydraulikabfluss
nach dem Hydraulikmotor 4 steuert und damit die Drehzahl
des Hydraulikmotors 4 beeinflusst. Selbstverständlich kann
das Hydraulikventil 6 auch stromauf von dem Hydraulikmotor 4 angeordnet
werden.
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An
einem dem Hydraulikmotor 4 gegenüberliegenden Ende der Unwuchtwelle 2 ist
ein Positionsgeber 7 angeordnet. Der Positionsgeber 7 – z. B.
eine Drehwinkelerfassungseinrichtung – ist in der Lage, die Position
der Unwuchtwelle 2 in wenigstens einer Stellung zu erfassen.
Dies kann z. B. optisch, magnetisch, induktiv oder kapazitiv erfolgen.
Aus der Möglichkeit,
wenigstens einmal während
einer Umdrehung der Unwuchtwelle 2 deren Stellung zu erfassen, lassen
sich die Drehzahl und die Phasenlage der Unwuchtwelle 2 ermitteln.
Weiterhin ist es ohne weiteres möglich,
durch Interpolation über
die Zeit mit ausreichender Genauigkeit die Stellung der Unwuchtwelle 2 zu
jedem beliebigen Zeitpunkt festzustellen. Die Position der Unwuchtwelle 2 ist
deshalb von Bedeutung, weil die von ihr getragene Unwuchtmasse 3 bei Rotation
eine starke Fliehkraftwirkung erzeugt. Die Fliehkraft der Unwuchtmasse 3 wirkt
mit den Fliehkräften
der weiteren, zu der Schwingungserregereinrichtung gehörenden Einzelerregern 13 zusammen und
erzeugt so eine gesamtresultierende Kraftwirkung, die das Bewegungsverhalten
der von den Einzelerregern 13 beaufschlagten Bodenkontaktplatte 12 bestimmt.
Nur dann, wenn sowohl die Drehzahl der Unwuchtwellen 2 als
auch ihre Phasenlagen zueinander präzise abgestimmt sind, kann
sich die Bodenkontaktplatte 12 in der gewünschten
Weise bewegen.
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Die
erfindungsgemäße Schwingungserregereinrichtung
weist wenigstens zwei dieser Einzelerreger 13 auf, die
in geeigneter Weise auf der Bodenkontaktplatte 12 angeordnet
sind. Hinsichtlich der möglichen
Anordnungsformen wird später
noch Stellung genommen.
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Der
in 1 gezeigte Einzelerreger 13 weist darüber hinaus
einen Regler 8 auf, der ein von dem Positionsgeber 7 erzeugtes
Signal auswertet und wenigstens die Drehzahl und/oder die Lage der
Unwuchtmasse 3 in Bezug auf einen bestimmten Zeitpunkt
(Phasenlage) ermittelt.
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Der
Regler 8 erhält
darüber
hinaus – wie
später
noch erläutert
wird – ein
Sollwertsignal 9, mit dem die erforderliche Soll-Drehzahl
oder Soll-Phasenlage vorgegeben wird. Der Regler 8 steuert
dementsprechend das Hydraulikventil 6 an, um mit Hilfe
des Hydraulikmotors 4 die gewünschte Drehzahl und Phasenlage
der Unwuchtwelle 2 bzw. Unwuchtmasse 3 zu erreichen.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Schwingungserregereinrichtung mit
zwei Einzelerregern 13 gemäß 1. Die Einzelerreger 13 sind
in 2 parallel zueinander angeordnet.
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Es
ist eine Zentralsteuerung 10 vorgesehen, die für jeden
der Regler 8 der Einzelerreger 13 Sollwertsignale 9 vorgibt.
Jeder Regler 8 gewährleistet dann
in der oben beschriebenen Weise für den ihm zugeordneten Einzelerreger 13,
dass sich die Unwuchtwelle 2 in der gewünschten Weise verhält.
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Die
von der Zentralsteuerung 10 vorgegebenen Sollwertsignale 9 können sich
für jeden
der Einzelerreger 13 unterscheiden. Wesentliche Unterscheidungsparameter
sind dabei Soll-Drehzahl, Soll-Phasenlage und Soll-Drehrichtung.
Die Änderung
der Drehrichtung ist optional und erfordert einen zusätzlichen
Bauaufwand bei der Realisierung des Hydraulikmotors 4 bzw.
des Hydraulikventils 6. Im Normalfall wird eine Änderung
der Drehrichtung nicht erforderlich sein.
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In 2 sind
beispielhaft zwei Einzelerreger 13 gezeigt. Selbstverständlich ist
es ohne weiteres möglich,
eine erfindungsgemäße Schwingungserregereinrichtung
mit mehr als zwei individuell ansteuerbaren Einzelerregern 13 vorzusehen.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Erfindung, wobei ebenfalls die Schwingungserregereinrichtung mit
zwei Einzelerregern 13 dargestellt ist.
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Im
Unterschied zu den in Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen
Einzelerregern weisen die Einzelerreger bei 3 keinen
individuell zugeordneten Regler 8 auf. Vielmehr werden die
Signale der Positionsgeber 7 an einen Zentralregler 11 geführt, der
sämtliche
Signale von allen Einzelerregern 13 auswertet. Der Zentralregler 11 steuert dann
entsprechend individuell jedes der Hydraulikventile 6 an,
um für
jeden der Einzelerreger 13 individuell das gewünschte Verhalten
der Unwuchtwelle 2 zu erreichen.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird der Bauaufwand aufgrund der Tatsache, dass lediglich ein einziger
Regler erforderlich ist, geringer sein als bei der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform. Diese
wiederum bietet den Vorteil, dass der individuell zugeordnete Regler 8 einen
sehr schnellen kleinen Regelkreis ermöglicht.
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Die
Zentralsteuerung 10 bzw. der Zentralregler 11 enthalten
geeignete Arbeits- oder
Fahrprogramme, mit denen die vom Bediener über Bedienelemente (Fernsteuerung,
Bedienhebel, Tasten) vorgegebenen Wünsche für das Fahr- und Schwingungsverhalten
der Vibrationsplatte in Steuervorgaben für die Einzelerreger 13 umgesetzt
werden können.
Wünscht
der Bediener z. B. einen Übergang
aus der Standverdichtung der Vibrationsplatte in eine Vorwärtsfahrt,
bewirkt die Zentralsteuerung 10 bzw. der Zentralregler 11 eine
Verstellung der Phasenlage bei wenigstens einem der Einzelerreger 13,
wodurch die resultierende Gesamtkraft ihre Wirkungsrichtung ändert.
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Für einen
zuverlässigen
Normalbetrieb ist es anzustreben, dass sich die Unwuchtwellen 2 soweit möglich exakt
mit der gleichen Drehzahl drehen. Da jedoch zusätzlich auch ständig die
Lage der Unwuchtwelle 2 überwacht wird, können Drehzahlabweichungen
jederzeit korrigiert werden, damit die gewünschte Phasenlage zwischen
den Unwuchtwellen eingehalten wird. Ein fortschreitendes Abweichen
der Drehzahl ist damit ausgeschlossen.
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Das
als Stellglied für
die Steuerung der Drehzahl und der Phasenlage der Unwuchtwelle 2 dienende
Hydraulikventil 6 sollte in der Lage sein, schnell geschaltet
zu werden. In der Praxis bieten sich verschiedene Lösungen in
Ergänzung
oder auch alternativ zu der in 1 gezeigten
Ausführungsform
an:
Das Hydraulikventil 6 kann auch stromauf im Zulauf des
Hydraulikmotors 4 angeordnet werden. Es sollte ein schnelles
Proportionalventil sein. Bei einem Mehrwegeventil besteht die Möglichkeit,
den Hydraulikmotor 4 steif einzuspannen und auf diese Weise die
Unwuchtwelle 2 für
eine gewisse Zeit nicht an der Schwingungserzeugung zu beteiligen.
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Weiterhin
können
mehrere Hydraulikmotoren 4 über einen Hydrauliksynchronisierblock
mit gleicher Ölmenge
versorgt werden. Alternativ kann jedem Hydraulikmotor 4 eine
individuelle Hydraulikpumpe zugeordnet werden. Die Korrektur der
Drehzahl und Phasenlage der Unwuchtwelle erfolgt mit Hilfe kleinerer,
individuell zugeordneter Zudosierungs- oder Ablassventile, die den
Volumenstrom von Hydraulikflüssigkeit
zu dem Hydraulikmotor oder von dem Hydraulikmotor 4 weg
leicht erhöhen
bzw. absenken.
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Vor
dem Hydrauliksynchronisierblock kann darüber hinaus ein Proportionalventil
angeordnet werden, um die Drehzahl des Gesamtsystems den Notwendigkeiten
anzupassen. Der Hydrauliksynchronisierblock kann auch durch vergleichsweise langsame,
individuell vorgesehene Dosierventile ersetzt werden.
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Weiterhin
ist es möglich,
schnell geschaltete Auf-/Zuventile – auch in Kombination mit einer
der vorbeschriebenen Varianten – vorzusehen.
Wenn mehrere schnelle Auf-/Zuventile parallel geschaltet werden,
lässt sich
gestuft eine Proportionalität
nachbilden.
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Ebenso
können
der Hydraulikmotor 4 und das Hydraulikventil 6 durch
einen Verstell-Hydraulikmotor ersetzt werden, der direkt von dem
Regler 8 ansteuerbar ist. Weiterhin kann für jede Unwuchtwelle 2 eine
individuell zugeordnete Verstell-Hydraulikpumpe vorgesehen sein.
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Wegen
der hohen Schwingungsamplituden an der Untermasse ist es nicht zweckmäßig, dort elektromagnetische
Ventile anzuordnen. Diese müssten
in jedem Fall an der Obermasse vorgesehen sein. Jedoch befinden
sich bereits heute vibrationsfestere Ventile in der Entwicklung,
wie z. B. Piezoventile oder Magnetfluid-Ventile, die – sofern
sie sich in der Praxis bewähren – sehr nahe
am Hydraulikmotor 4 angeordnet werden könnten. Auf diese Weise würden Ungenauigkeiten
durch die Kompressibilität
der Hydraulikflüssigkeit
und der Elastizität
der Leitungen ausgeschlossen.
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4 zeigt
in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine Bodenkontaktplatte 12,
auf der vier Einzelerreger 13 winklig zueinander angeordnet
sind. Durch entsprechende Ansteuerung der Einzelerreger 13 lässt sich
ein nahezu beliebiges Fahrverhalten der Bodenkontaktplatte 12 in
Vorwärts-,
Rückwärts- und Querrichtung
sowie eine Drehung im Stand und eine Kurvenfahrt erreichen.
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Die 5 und 6 zeigen
weitere Ausführungsformen
der Erfindung in Form von unterschiedlich angeordneten Einzelerregern 13 auf
der Bodenkontaktplatte 12. Die Einzelerreger 13 sind
sternförmig
(5), axial (5), parallel
(5 und 6) oder winklig (4 bis 6)
zueinander auf der Bodenkontaktplatte angeordnet.
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Bei
der Wahl der Anordnung stehen dem Fachmann nahezu beliebige Möglichkeiten
zur Verfügung,
da er nicht mehr, wie bisher, die mechanische Kopplung der Unwuchtwellen
des Schwingungserregers beachten muss. Vielmehr kann er die jeweils eine
komplette Einheit darstellenden Einzelerreger 13 beliebig
auf der Bodenkontaktplatte 12 anordnen. Für ihn besteht
dann lediglich das Problem, die Steuerung in Form der Zentralsteuerung 10 oder
des Zentralreglers 11 in geeigneter Weise zu programmieren, um
der Anordnung der Einzelerreger 13 Rechnung zu tragen.
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7 zeigt
weitere Möglichkeiten
der Anordnung der Einzelerreger 13 auf der Bodenkontaktplatte 12.
Zur Vereinfachung sind die Einzelerreger 13 nur noch als
Striche dargestellt.
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In 7a) sind dementsprechend die Unwuchtwellen
der Einzelerreger 13 teilweise parallel, axial verschoben,
koaxial und/oder teilweise winklig zueinander angeordnet.
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In 7b) sind zusätzlich zu den "normalen" Einzelerregern 13 verstärkte Einzelerreger 14 vorgesehen,
die eine Unwuchtwelle mit größerer Unwuchtmasse
aufweisen. Dementsprechend sind die verstärkten Einzelerreger 14 nicht
als Striche, sondern als gestreckte Kästchen symbolhaft dargestellt.
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Die
verstärkten
Einzelerreger 14 können
vorwiegend dazu eingesetzt werden, eine verstärkte Verdichtungswirkung oder
eine zügigere
Vorwärts- und
Rückwärtsfahrt
zu erreichen. Dementsprechend sind die "normalen" Einzelerreger 13 bzw. die
Einzelerreger mit geringeren Unwuchtmassen für die Lenkung der Vibrationsplatte
vorgesehen. Die bei den verstärkten
Einzelerregern 14 vorgesehenen Unwuchtwellen mit vergrößerten Unwuchtmassen
können
jedoch durch "normale" Einzelerreger 13 ersetzt werden,
wenn z. B. mehrere Einzelerreger 13 hintereinander parallel
zueinander angeordnet werden.
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In 7c) ist eine Ausführungsform symbolhaft dargestellt,
bei der statt einer Bodenkontaktplatte 12 drei Teil-Bodenkontaktplatten 12a, 12b, 12c vorgesehen
sind, die jeweils Einzelerreger 13 tragen und die über Verbindungsglieder 15 miteinander
verbunden sind. Dadurch lässt
sich eine verhältnismäßig große Vibrationsplatte
realisieren, die trotzdem aufgrund einer durch die geteilten und relativ
zueinander beweglichen Bodenkontaktplatten 12a bis 12c erreichbaren
Flexibilität
im Gelände
einfach verfahrbar ist.
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Die
Zentralsteuerung 10 bzw. der Zentralregler 11 ermöglichen
es, vorgegebene Programme nachzuvollziehen und dadurch definierte
Fahrzustände
durchzuführen.
Hierzu gehört
die Geradeausfahrt vorwärts
und rückwärts, die
Standrüttelung
oder die Kurvenfahrt. Bei mehr als vier unabhängig voneinander ansteuerbaren
Einzelerregern 13 besteht auch die Möglichkeit, die Bewegung der
Untermasse durch Veränderung
der Winkelstellungen der Unwuchtwellen zueinander derart einzustellen,
dass der Aufschlag der Bodenkontaktplatte 12 auf den Boden parallel
oder gezielt als Kantenschlag erfolgt, bei dem eine Kante oder sogar
nur eine Ecke zuerst den Boden berührt und dann erst die übrige Unterseite
der Bodenkontaktplatte 12 auftrifft. Für die Zentralsteuerung 10 oder
den Zentralregler 11 sind intelligente Steuerungen mit
Fuzzy-Logik und/oder adaptivem Verhalten zu bevorzugen, um eine
Anpassung an die tatsächlichen
Boden- und Geländeverhältnisse
zu ermöglichen.