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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungserreger für Bodenverdichtungsvorrichtungen,
wie z. B. für Vibrationswalzen oder Vibrationsplatten.
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Für
Vibrationswalzen oder -platten sind Schwingungserreger bekannt,
bei denen wenigstens zwei zueinander parallel angeordnete Wellen
formschlüssig, z. B. durch Zahnräder miteinander
gekoppelt, gegenläufig drehbar sind. Jede dieser Wellen trägt
wenigstens eine Unwuchtmasse, wobei insbesondere für lenkbare
Vibrationsplatten auch mehrere Unwuchtmassen auf einer Welle vorgesehen
sein können, die relativ zu der sie tragenden Welle hinsichtlich
ihrer Phasenlage verschwenkbar sind.
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Durch
die gegenläufige Rotation der Wellen wird ein resultierender
Kraftvektor bewirkt, dessen Richtung von der Phasenlage der jeweils
gegeneinander rotierenden Unwuchtmassen bestimmt wird. Um die Phasenlage
verändern zu können, ist jeweils eine Phaseneinstelleinrichtung
vorgesehen, die die Relativlage der Unwuchtmassen zueinander einstellt. Zum
Beispiel ist es bekannt, eine Drall- oder Spiralhülse vorzusehen,
in der ein Kolben axial verschoben werden kann. Durch die axiale
Verschiebung des Kolbens und eines mit dem Kolben verbundenen Führungsstiftes
in einer Spiralnut der Drallhülse ändert sich
die Drehstellung der Drallhülse relativ zu der sie tragenden
Welle. Ist nun die Drallhülse ihrerseits formschlüssig
mit einer Unwuchtmasse verbunden, ändert sich auch die
Relativstellung bzw. Phasenlage dieser Unwuchtmasse im Verhältnis
zum restlichen System. Darüber hinaus sind auch andere
Phaseneinstellsysteme geeignet, wie z. B. abgewandelte Differenzial-
oder Planetengetriebe.
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Auf
diese Weise lässt sich auch die Phasenlage der beiden Wellen
zueinander und damit der betreffenden Unwuchtmassen zueinander verstellen, was
im Stand der Technik seit langem bekannt ist. Je nach Richtung des
resultierenden Kraftvektors bewegt sich die Vibrationsplatte in
Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung bzw.
arbeitet im Modus der Standrüttlung.
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Wenn
des Weiteren zwei Unwuchtmassen auf einer gemeinsamen Welle axial
versetzt zueinander angeordnet sind und darüber hinaus
eine Phaseneinstelleinrichtung zum Einstellen der Phasenlage dieser
Unwuchtmassen vorgesehen ist, kann ein Giermoment um die Hochachse
des Schwingungserregers und da mit der Vibrationsplatte erzeugt werden,
um die Vibrationsplatte zu lenken. Auch dies ist aus dem Stand der
Technik bekannt.
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Wie
oben bereits erläutert, kann die Phaseneinstelleinrichtung
eine Drallhülse und einen die Drehstellung der Drallhülse
vorgebenden, bezüglich der Welle unter Einwirkung eines
Hydrauliksystems axial verschiebbaren Stellkolben aufweisen. Die
Verstellung der Relativposition und damit der Phasenlage der Unwuchtmassen
wird in Form einer Steuerung realisiert. Der Bediener gibt über
ein Bedienelement einen Bedienerwunsch, z. B. Vorwärts-
oder Rückwärtsfahrt, vor. Dieser Befehl wird vom
System in eine bestimmte Stellung des Stellkolbens umgesetzt, der
durch das Hydrauliksystem entsprechend angesteuert wird. Eine Kontrolle,
ob die Unwuchtmassen tatsächlich die vorgesehene Relativstellung
zueinander einnehmen, erfolgt nicht. Der Bediener erkennt die Folgen
seiner Steuermaßnahmen erst am dann geänderten
Fahrverhalten der Vibrationsplatte.
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Das
bedeutet, dass der reale, sich tatsächlich ergebende Vektorwinkel
der resultierenden Erregerkraft nicht gemessen wird. Unter Umständen
kann es dabei zu erheblichen Abweichungen zwischen dem vom Bediener
gewünschten und dem sich tatsächlich einstellenden
Vektorwinkel kommen. Grund dafür sind z. B. Temperatureffekte
(das Hydrauliköl erwärmt sich, so dass sich das
Hydraulikvolumen ändert und der Kolben nicht die geplante
Stellung einnimmt) oder Verschleißwirkungen. Durch die
Kontaktkräfte des Bodens kann es ebenfalls zu starken Abweichungen
des Vektorwinkels kommen.
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Bei
Druck-geführten Systemen ohne Kolbenstellungs-Messsystem
wird nur indirekt die Stellung des Kolbens bestimmt und daraus auf
die Winkelstellung der Unwuchtmassen geschlossen. Besteht ein deutliches
Spiel zwischen den Unwuchten, können sich merkliche Abweichungen
beim resultierenden Erregerkraftvektor ergeben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stufenlose Verstellung
eines Erregerkraftvektors mit großer Genauigkeit, aber
in möglichst einfacher Weise zu realisieren. Auf diese
Weise soll es möglich sein, z. B. eine Vorwärts-
oder Rückwärtsfahrtgeschwindigkeit einer Vibrationsplatte
derart einzustellen, dass eine langsame Vorwärtsfahrt mit
großer Erregerkraftamplitude in vertikaler Richtung (also
in Bodenrichtung) möglich ist. Ebenso soll es möglich
sein, Kurvenfahrten mit beliebigen Kurvenradien bei Verwendung mehrerer,
um den Schwerpunkt angeordneter Erregermodule zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schwingungserreger
nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein
erfindungsgemäßer Schwingungserreger weist wenigstens
zwei gegenläufig drehbar gekoppelte Wellen auf, auf denen
jeweils wenigstens eine Unwuchtmasse angeordnet ist, sowie eine
Phaseneinstelleinrichtung zum Verändern der Phasenlage
der beiden Unwuchtmassen zueinander, eine Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung
zum Bestimmen einer tatsächlichen Ist-Phasenlage (Istwert
für die Phasenlage) der beiden Unwuchtmassen zueinander,
eine Steuereinrichtung zum Vorgeben einer Soll-Phasenlage (Sollwert
für die Phasenlage) der Unwuchtmassen und eine Regeleinrichtung
zum Vergleichen der Ist-Phasenlage mit der vorgegebenen Soll-Phasenlage
und zum Ansteuern der Phaseneinstelleinrichtung derart, dass eine
Abweichung von Ist-Phasenlage und Soll-Phasenlage minimal ist.
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Die
Wellen können zueinander parallel oder auch winklig zueinander
angeordnet sein.
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Mit
Hilfe der Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung ist es möglich,
die Stellung bzw. Phasenlage der jeweiligen Unwuchtmassen zueinander
direkt zu messen. Die Regeleinrichtung vergleicht die somit festgestellte
Ist-Phasenlage der Unwuchtmassen mit einer von der Steuereinrichtung
vorgegebenen Soll-Phasenlage und ergreift entsprechende Regelmaßnahmen
durch Ansteuern der Phaseneinstelleinrichtung. Die Phaseneinstelleinrichtung
kann dabei in bekannter Weise ausgeführt werden und z.
B. eine Kolben-Zylinder-Einheit aufweisen, bei der der Kolben hydraulisch
bewegt wird.
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Durch
das direkte Erfassen der Phasenlage der Unwuchtmassen werden jegliche
Störeinflüsse ausgeschlossen, was eine sehr präzise
Regelung und damit Ansteuerung des Schwingungserregers ermöglicht.
Dementsprechend kann eine mit dem Schwingungserreger ausgestattete
Vibrationsplatte oder eine Vibrationswalze sehr präzise
und feinfühlig geführt werden, d. h., mit geeigneter
Geschwindigkeit vorwärts und rückwärts
verfahren sowie gelenkt werden.
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Die
Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung kann eine Positionserfassungseinrichtung
zum jeweiligen Erfassen einer Drehstellung von jeder der Unwuchtmassen
aufweisen, wobei durch die Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung aus
den Drehstellungen der jeweiligen Unwuchtmassen die Ist-Phasenlage
bestimmbar ist. Die Positionserfassungseinrichtung kann dabei derart
ausgebildet sein, dass die Drehstellung einer jeweiligen Unwuchtmasse
wenigstens an einer Stelle und/oder zu einem Zeitpunkt während
einer Umdrehung der Unwuchtmasse erfassbar ist.
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Mit
Hilfe der Positionserfassungseinrichtung ist es somit möglich,
wenigstens einmal während einer Umdrehung der Unwuchtmasse
bzw. -welle die Position der Unwuchtmasse festzustellen. Gleichzeitig
wird auch der Zeitpunkt erfasst, zu dem die Unwuchtmasse die betreffende
Position einnimmt. So ist es möglich, zu einem bestimmten
Zeitpunkt festzustellen, an welcher Stelle sich die rotierende Unwuchtmasse
gerade befindet. Ebenso ist es möglich, das Vorhandensein
der Unwuchtmasse an einer bestimmten Stelle während einer
Umdrehung festzustellen und dabei den genauen Zeitpunkt zu ermitteln.
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Aus
diesen Informationen lassen sich die Stellungen der einzelnen Unwuchtmassen
präzise bestimmen und zueinander in Beziehung setzen, so dass
resultierend die Phasenlage der Unwuchtmassen zueinander bestimmt
werden kann. Eine geregelte Verstellung der Phasenlage bzw. des
Phasenwinkels der Wellen bzw. der Unwuchtmassen und damit der daraus
resultierenden Unwuchtkräfte kann dann basierend auf diesem
tatsächlich gemessenen Phasenwinkel vorgenommen werden.
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Aufgrund
von Energieaustauschvorgängen zwischen den Erregerwellen
des Schwingungserregers und dem Rest des Systems schwanken die Drehgeschwindigkeiten
der Erregerwellen. Durch die zeitliche und/oder örtliche
Diskretisierung der Messwerte der Positionen der Unwuchtmassen kann
deshalb immer nur ein gemittelter Phasenwinkel bzw. eine gemittelte
Phasenlage bestimmt werden. Das Zeitintervall, über das
gemittelt wird, sowie die tatsächliche Abweichung des Phasenwinkels
von diesem Mittelwert hängen direkt von der zeitlich/örtlichen
Diskretisierung ab.
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Die
Positionserfassungseinrichtung kann wenigstens zwei Näherungssensoren
aufweisen, die jeweils in der Nähe eines Bewegungswegs
von einer jeweils zuge ordneten Unwuchtmasse angeordnet sind und
eine Annäherung der zugeordneten Unwuchtmasse erfassen.
Mit Hilfe der Sensoren ist es besonders einfach möglich,
das Vorhandensein einer Unwuchtmasse an einer vorbestimmten Stelle
zu erkennen. Gleichzeitig dazu wird der Zeitpunkt bestimmt, an dem
sich die Unwuchtmasse in der Nähe des Näherungssensors
befindet. Dabei ist es möglich, z. B. das Annähern
der Unwuchtmasse an den Sensor oder auch das Entfernen der Unwuchtmasse vom
Sensor – nachdem die Unwuchtmasse den Sensor passiert hat – zu
detektieren, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Mit
Hilfe der Näherungssensoren können die Zeitpunkte
erfasst werden, zu den die jeweils zu detektierenden Unwuchten die
Näherungssensoren passieren. Aus der Wiederholgeschwindigkeit
wird die Periodendauer (T) als Kehrwert der Drehgeschwindigkeit
ermittelt. Aus dem Zeitunterschied der einzelnen Wellen zueinander
(ΔT) kann unter Berücksichtigung der Messpositionen,
d. h. der Lage der Näherungssensoren relativ zur jeweiligen
Welle (φPosition) und der Periodendauer
dann die Phasendifferenz bestimmt werden: φ = φPosition + ΔTT
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Alternativ
oder ergänzend zu den Näherungssensoren kann die
Positionserfassungseinrichtung auch einen Inkrementalencoder aufweisen,
der in einfachster Ausführung die Position der jeweiligen Unwuchtmasse
an lediglich einer Stelle ermittelt. Bei einer höherwertigeren
Ausführung ist es auch möglich, die Erfassung
der Position mit höherer Auflösung, also mehrmals
während einer Umdrehung der Unwuchtmasse festzustellen.
Ebenso kann der Inkrementalencoder derart ausgebildet sein, dass
er die Position der Unwuchtmasse kontinuierlich erfasst.
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So
kann der Inkrementalencoder z. B. ein zusätzliches Rädchen
aufweisen, dass auf der die Unwucht tragenden Welle sitzt und dessen
Drehbewegung digital oder analog erfasst wird, z. B. mittels Fotodioden.
Ebenso ist es möglich, ein optisches Muster auf der Unwuchtmasse
oder der Welle vorzusehen, dass durch eine optische Einrichtung
erfasst und ausgewertet wird. Des Weiteren kann ein Zahnrad vorgesehen
sein, das mit der Unwuchtmasse rotiert und dessen Zwischenräume
optisch, induktiv oder kapazitiv abgetastet werden.
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Mit
Hilfe der Positionserfassungseinrichtung kann auch die Drehgeschwindig keit
der Wellen und damit der Unwuchtmassen ermittelbar werden. Wenn z.
B. mit Hilfe der oben genannten Näherungssensoren das Vorhandensein
einer jeweiligen Unwuchtmasse während einer Umdrehung in
der Nähe des Näherungssensors erfasst wird, lässt
sich aufgrund des Zeitbedarfs, den die Unwuchtmasse für
eine weitere Umdrehung benötigt, die Drehgeschwindigkeit präzise
bestimmen. Auch hier kann es sinnvoll sein, nicht nur das Vorhandensein,
sondern z. B. auch bereits das Annähern der Unwuchtmasse
an den Näherungssensor als Kriterium auszuwerten, was sich
z. B. in Form eines Signalanstiegs und einer entsprechenden Signalflanke äußert.
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Die
Positionserfassungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass
die Drehstellung einer jeweiligen Unwuchtmasse indirekt durch Bestimmen der
Position eines mit der Unwuchtmasse formschlüssig gekoppelten
Elements erfassbar ist. In diesem Fall wird nicht die Position der
Unwuchtmasse direkt bestimmt, sondern die Position eines „Ersatz"-Elements,
das aber mit der Unwuchtmasse derart gekoppelt ist, dass auch die
Position des Ersatzelements sich exakt mit der Position der jeweiligen
Unwuchtmasse ändert.
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Zum
Beispiel kann die Phaseneinstelleinrichtung einen mechanisch, hydraulisch
und/oder elektrisch bewegbaren Kolben und eine durch eine Bewegung
des Kolbens formschlüssig verdrehbare Drallhülse
aufweisen. Die Drallhülse kann mit wenigstens einer der
Unwuchtmassen und/oder einer der Wellen formschlüssig gekoppelt
sein, wobei das für die Erfassung der Position der Unwuchtmasse
relevante formschlüssig gekoppelte Element der Kolben oder die
Drallhülse ist.
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Aufgrund
der formschlüssigen Kopplung der Unwuchtmasse mit der Drallhülse
und dem die Drallhülse verstellenden Kolben muss jede Änderung
der Phasenlage der Unwuchtmasse auch eine entsprechende Änderung
der Position der Drallhülse oder des Kolbens nach sich
ziehen. Somit kann die Positionsänderung der Drallhülse
oder des Kolbens auch als präzises Kriterium für
die Phasenlage der Unwuchtmasse herangezogen werden.
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Zwischen
der Positionserfassungseinrichtung und der restlichen Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung
und/oder zwischen der Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung und der
Regeleinrichtung kann eine Datenübertragungsstrecke vorgesehen sein,
die einen Datenübertragungsweg über Kabel oder
Funk aufweist.
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Somit
ist es möglich, lediglich die Positionserfassungseinrichtung,
also z. B. die Sensoren oder andere Aufnehmer, direkt im Bereich
der Unwuchtmassen vorzusehen, während andere, insbesondere schwingungsempfindliche
Bauelemente der Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung, aber auch die
Regeleinrichtung und die Steuereinrichtung entfernt von den Unwuchtmassen
angeordnet werden können. Zum Beispiel können
diese Komponenten bei einer Vibrationsplatte an einer schwingungsmäßig
von dem Schwingungserreger entkoppelten Obermasse angeordnet sein.
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Die
Steuereinrichtung kann ein von einem Bediener handhabbares Bedienelement
zum Eingeben eines Fahrtrichtungswunschs aufweisen. Die Steuereinrichtung
kann dann derart ausgebildet sein, dass sie aufgrund des Fahrtrichtungswunschs
eine geeignete Soll-Phasenlage für die betreffenden Unwuchtmassen
festlegt. Die Soll-Phasenlage wird dann von der Regeleinrichtung
als Vorgabe verwendet, nach der die Ist-Phasenlage nachgeregelt
werden soll.
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Als
Bedienelement eignet sich z. B. ein an einer Deichsel einer Vibrationsplatte
vorhandener Bedienhebel. Ebenso ist es aber auch möglich,
eine Fernsteuerung (Infrarot, Funk, Kabel) vorzusehen, über
die der Bediener seine Fahrtrichtungswünsche eingibt. Außer
Befehlen für eine Vorwärts- und Rückwärtsfahrt
kann der Bediener auch Lenkbefehle vorgeben.
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Die
Steuereinrichtung kann eine Zieleinrichtung aufweisen, zum Vorgeben
der Soll-Phasenlage in Abhängigkeit von Weg-, Verdichtungs-
und/oder Geschwindigkeitszielen. Diese Ziele können z.
B. vom Bediener, aber auch von einem Navigationssystem oder einem
Steuerprogramm vorgegeben werden.
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Aufgrund
der Tatsache, dass der erfindungsgemäße Schwingungserreger
es erlaubt, die Stellung der Unwuchtmassen mit sehr hoher Präzision
vorzuwählen und dann auch konstant zu halten, lassen sich
kontinuierlich veränderbare Phasenwinkel des resultierenden
Erregervektors realisieren. Auf diese Weise lässt sich
z. B. eine Vibrationsplatte sehr feinfühlig steuern. Zum
Beispiel ist es möglich, eine sanfte Beschleunigung der
Vibrationsplatte in eine bestimmte Richtung zu erreichen. Ebenso
sind Kurvenfahrten mit unterschiedlich großen Kurvenlagen
möglich. Für eine lenkbare Vibrationsplatte kann
es erforderlich sein, die Unwuchtmassen auf wenigstens einer der
Unwuchtwellen axial zu teilen und hinsichtlich ihrer Phasenlage
relativ zueinander verstellen zu können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme
von begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Vibrationsplatte mit einem erfindungsgemäßen Schwingungserreger.
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2 den
Schwingungserreger in schematischer Draufsicht;
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3 einen
Zusammenhang zwischen der Phasenlage der Unwuchtmassen und dem resultierenden
Kraftvektor;
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4 den
Zusammenhang zwischen Phasenlage und Kraftvektor bei einer anderen
Phasenlage der Unwuchtmassen;
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5 ein
Blockschaubild des regelungstechnischen Aufbaus; und
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6 eine
Positionserfassungseinrichtung in schematischer Darstellung.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Vibrationsplatte mit einem erfindungsgemäßen Schwingungserreger
mit einem beispielhaften Aufbau. Der Schwingungserreger könnte
ebenso auch in einer Vibrationswalze zur Bodenverdichtung eingebaut
werden.
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Die
Vibrationsplatte weist eine Bodenkontaktplatte 1 zur Verdichtung
des Bodens auf. Auf der Bodenkontaktplatte 1 ist ein Schwingungserreger 2 angeordnet.
Die Bodenkontaktplatte 1 und der Schwingungserreger 2 bilden
zusammen eine Untermasse. Über der Untermasse ist eine
Obermasse 3 angeordnet, die unter anderem einen nicht dargestellten
Antrieb für den Schwingungserreger 2 in bekannter
Weise aufweist. Die Obermasse 3 ist von der Untermasse,
insbesondere von der Bodenkontaktplatte 1 über
Feder-Dämpfer-Elemente 4 schwingungsmäßig
entkoppelt, so dass die Bodenkontaktplatte 1 gegenüber
der Obermasse 3 relativ beweglich ist.
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Der
Schwingungserreger
2 weist zwei parallel zueinander angeordnete,
gegenläufig drehbar gekoppelte Wellen
5a,
5b auf.
Die formschlüssige Kopplung der Wellen
5a,
5b kann
z. B. mit Hilfe von miteinander kämmenden Zahnrädern
er reicht werden. Jede der Wellen
5a.
5b trägt
wenigstens eine Unwuchtmasse
6 (bzw.
6a und
6b).
Durch Rotation der Wellen
5a,
5b gegeneinander
entsteht aufgrund der Unwuchtwirkung der Unwuchtmassen
6 ein
resultierender Kraftvektor, dessen Richtung von der Phasenlage der
Unwuchtmassen
6 zueinander abhängt. Dieser Zusammenhang
ist bereits in der
DE 100
53 446 A1 erläutert.
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Zum
Verändern der Phasenlage der Unwuchtmassen 6 ist
eine Phaseneinstelleinrichtung 7 vorgesehen, die in 1 nur
schematisch dargestellt ist.
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An
der Obermasse 3 ist eine Regeleinrichtung 8 vorgesehen,
die die Phaseneinstelleinrichtung 7 ansteuert und mit der
die Phasenlage der Unwuchtmassen 6 in Abhängigkeit
von einem Fahrtrichtungswunsch eines Bedieners eingestellt werden
kann.
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Zu
diesem Zweck ist eine Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 zum
Bestimmen der tatsächlichen Phasenlage der beiden Unwuchtmassen
zueinander vorgesehen. Die Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 weist
zwei als Positionserfassungseinrichtung dienende Näherungssensoren 10 auf,
die an der Untermasse im Schwingungserreger 2 in der Nähe
des Bewegungswegs der rotierenden Unwuchtmassen 6 angebracht
sind, wie später noch erläutert wird. Die Näherungssensoren 10 dienen
dazu, die jeweilige Position der Unwuchtmassen 6 zu erfassen,
um daraus die Phasenlage des resultierenden Erregerkraftvektors
ableiten zu können. Anstelle der Bewegungen der Unwuchtmassen
können auch die Rotationsbewegungen von Ersatzelementen
(z. B. Markierungen) erfasst werden, die sich z. B. mit den Unwuchtwellen 5a, 5b mitdrehen.
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Die
Signale der Näherungssensoren 10 werden von der
Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 ausgewertet und als
Information für die Ist-Phasenlage der beiden Unwuchtmassen 6 an
die Regeleinrichtung 8 geliefert.
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Weiterhin
ist eine Steuereinrichtung 11 zum Vorgeben einer Soll-Phasenlage
für die Unwuchtmassen 6 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 11 kann
z. B. einen Bedienhebel 12 aufweisen, mit dem der Bediener
in konventioneller Weise seinen Fahrtrichtungswunsch mitteilen kann.
Ebenso ist es möglich, eine Fernbedienung vorzusehen, mit
der der Bediener über Kabel, Infrarot oder Funk Steuerungsdaten
an die Vibrationsplatte übermitteln kann. Der Bedienerwunsch
wird von der Steuerungseinrichtung 11 bzw. der Regelungseinrichtung 8 in
eine ge eignete Soll-Phasenlage „übersetzt", die
als Sollwert für die Regelungseinrichtung 8 gilt.
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Aufgrund
eines Vergleichs von Soll-Phasenlage und Ist-Phasenlage steuert
die Regelungseinrichtung 8 die Phaseneinstelleinrichtung 7 derart
an, dass die Ist-Phaselage der Soll-Phasenlage möglichst
nahe kommt. Auf diese Weise ist eine sehr feinfühlige Geschwindigkeits-
und Richtungssteuerung der Vibrationsplatte möglich.
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Die
Signalleitungen sind in 1 gestrichelt dargestellt.
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2 zeigt
den wirkungsmäßigen Aufbau des Schwingungserregers 2 und
der weiteren Elemente der Vibrationsplatte in schematischer Detaillierung.
Gleiche Bauelemente wie in 1 werden
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
zu der Obermasse 3 gehörender Antriebsmotor 13 treibt über
einen Riemenantrieb 14 eine erste Unwuchtwelle 5a drehend
an. Die Drehbewegung der ersten Unwuchtwelle 5a wird über
eine Zahnradkopplung 15 auf eine zweite Unwuchtwelle 5b übertragen,
so dass sich die zweite Unwuchtwelle 5b zwar mit gleicher
Drehzahl, jedoch gegenläufig zu der ersten Unwuchtwelle 5a dreht.
Jede der Unwuchtwellen 5a, 5b trägt zwei
Unwuchtmassen 6. Die Unwuchtmassen 6 sind in dem
gezeigten Beispiel jeweils fest mit der sie tragenden Unwuchtwelle 5a, 5b verbunden.
Bei anderen Ausführungsformen ist es jedoch möglich,
dass wenigstens eine der Unwuchtmassen 6 relativ zu der
sie tragenden Unwuchtwelle 5a, 5b verschwenkbar
ist, um die Phasenlage dieser Unwuchtmasse 6 im Verhältnis
zu der betreffenden Unwuchtwelle 5a, 5b zu verändern.
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In
dem Drehmomentfluss zwischen der ersten Unwuchtwelle 5a und
der zweiten Unwuchtwelle 5b ist im Bereich der Zahnradkopplung 15 die
Phaseneinstelleinrichtung 7 vorgesehen. In bekannter Weise
weist die Phaseneinstelleinrichtung 7 einen in der hohl
ausgeführten Unwuchtwelle 5b axial bewegbaren
Stellkolben 16 auf, der einen Querzapfen 17 trägt.
Der Querzapfen 17 ist in einer Spiralnut 18 einer
Drallhülse 19 verschiebbar. Wird nun der Stellkolben 16 mit
dem Querzapfen 17 axial bewegt, muss die Drallhülse 19 dieser
Bewegung folgen, indem sie sich relativ zu der zweiten Unwuchtwelle 5b verdreht. Aufgrund
der Abstützung über die Zahnradkopplung 15 gegenüber
der ersten Unwuchtwelle 5a wird die Phasenlage zwischen
den beiden Unwuchtwellen 5a, 5b verändert.
Je nach Axialstellung des Stellkolbens 16 ergibt sich somit
eine bestimmte Phasenlage zwischen den Unwuchtwellen 5a, 5b.
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Die
Axialstellung des Stellkolbens 16 wird durch eine Kolben-Zylindereinheit 20 vorgenommen. Die
Kolben-Zylindereinheit 20 ist mit einer Hydraulikeinheit 21 mit
einem Ölreservoir 22, einer Hyraulikpumpe 23 und
einem Druckbegrenzungsventil 24 verbunden. Die Steuerung
der Ölzu- und -abfuhr erfolgt mit Hilfe eines elektrisch
betätigbaren Ventils 25, z. B. einer Fluidflusssteuerung
in Form eines 4/3-Wegeventils mit Magnetsteuerung.
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Das
Ventil 25 wird durch die Regeleinrichtung 8 angesteuert.
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Die
Regeleinrichtung 8 erhält – wie oben
bereits beschrieben – von der Steuerungseinrichtung 11 und
z. B. dem Bedienhebel 12 Steuerungsbefehle, die als Signal
für eine Soll-Phasenlage angesehen werden.
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Weiterhin
sind im Inneren des Schwingungserregers 2 die Näherungssensoren 10 vorgesehen, die
an wenigstens zwei Stellen eine Annäherung einer jeweils
zugeordneten Unwuchtmasse 6 während deren Rotation
detektieren. Dieses Näherungssignal wird ebenfalls an die
Regeleinrichtung 8 bzw. die dort vorgesehene Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 geliefert,
so dass die Regeleinrichtung 8 in geeigneter Weise das
Ventil 25 ansteuern kann, um die geforderte Phasenlage
zu erreichen.
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3 zeigt
schematisch ein Beispiel für eine Phasenlage von zwei Unwuchtwellen 5a, 5b bzw.
der jeweils von ihnen getragenen Unwuchtmassen 6a, 6b.
Die Unwuchtwelle 5a wird als vordere Unwuchtwelle angesehen,
während die Unwuchtwelle 5b die hintere Unwuchtwelle
ist.
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Aufgrund
der jeweiligen Kraftwirkung der Unwuchtmassen 6a, 6b während
der gegenläufigen Rotation ergibt sich ein resultierender
Erregerkraftvektor, dessen Richtung mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnet
ist. Die Richtung 26 kann durch einen Vektorwinkel α gegenüber
der Vertikalen bestimmt werden. Ein Vektorwinkel von 0° entspricht
somit einer Erregerkraft, die rein vertikal wirkt und eine Standrüttelung
bedeutet. Der Vektorwinkel α der Erregerkraft ist der halbe
Phasenwinkel zwischen den beiden Unwuchtmassen 6a, 6b.
Eine Verringerung des Phasenwinkels zwischen den Unwuchtmassen 6a, 6b führt
somit auch zu ei nern kleineren Vektorwinkel α und damit
zu einem größeren Anteil der Erregerkraft in vertikaler
Richtung und zu einem kleineren Anteil in horizontaler Richtung.
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Der
Phasenwinkel in 3 beträgt 45°,
so dass dementsprechend der Vektorwinkel α 22,5° beträgt.
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4 zeigt
die gleiche Anordnung wie 3, jedoch
mit einem Phasenwinkel von 90°, der zu einem Vektorwinkel α von
45° führt.
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5 zeigt
schematisch das Konzept des Phasenwinkel-Regelkreises, wie es oben
auch anhand von 2 erläutert wurde.
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Am
Eingang der Regeleinrichtung 8 wird die Ist-Phasenlage
und die Soll-Phasenlage über den jeweiligen Phasenwinkel
verglichen. Die Regeleinrichtung 8 ergreift dann über
das Ventil 25 geeignete Regelmaßnahmen, die zu
einer Verdrehung der Drallhülse 19 und damit einer
Verstellung des Schwingungserregers 2 führen.
Die Stellung der Unwuchtmassen 6a, 6b im Schwingungserreger 2 wird
mit Hilfe der Näherungssensoren 10 und der Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 ermittelt,
die den Ist-Phasenwinkel bestimmt.
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Als
Regeleinrichtung 8 kann ein üblicher Industrieregler
analoger oder digitaler Bauweise verwendet werden. Vorteilhafterweise
ist die Regeleinrichtung 8 an der Obermasse 3 angeordnet,
da dort wesentlich geringere mechanische Belastungen vorherrschen.
Der tatsächlich gemessene Phasenwinkel wird der Regeleinrichtung 8 von
der Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 zur Verfügung
gestellt. Die Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 kann
direkt an der Regeleinrichtung 8 vorgesehen sein, aber
auch an anderer Stelle auf der Vibrationsplatte.
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Die
Signalübertragung an die Regeleinrichtung 8 erfolgt
z. B. mittels Kabel, kann aber auch per Funk erfolgen. Ebenso können
die von den Näherungssensoren 10 abgegebenen Signale
per Kabel oder Funk an die Phasenlagen-Bestimmungseinrichtung 9 oder
an die Regeleinrichtung 8 übertragen werden. Die
von der Regeleinrichtung 8 berechneten Stellsignale (üblicherweise
die Ventilspannung für die Stellventile, z. B. das Ventil 25)
werden dann meist über Kabel an die Ventile übertragen.
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Wie
oben bereits erläutert, können zur Messung der
Position der Unwuchtmassen 6a, 6b die Näherungssensoren 10,
z. B. induktive digitale Näherungsschalter, eingesetzt
werden, wie schematisch auch in 6 gezeigt.
Dazu wird z. B. jeweils seitlich für jede zu überwachende
Welle 5a, 5b ein Näherungssensor 10 in
dem Erregergehäuse 2a befestigt. Die Näherungssensoren 10 können
auch als Hall-Sensoren oder als kapazitive Sensoren ausgeführt
sein.
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Befindet
sich nun die jeweilige Unwuchtmasse 6a, 6b unter
oder in der Nähe des Näherungssensors 10,
so gibt der Näherungssensor 10 einen hohen Pegel
aus, ansonsten einen niedrigen Pegel. Anhand des Signalniveauwechsels
lässt sich dementsprechend der Zeitpunkt erkennen, bei
dem sich der Beginn einer Unwuchtmasse 6a, 6b in
Rotationsrichtung sowie später das Ende der Unwuchtmasse 6a, 6b vorbeibewegt.
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Aus
der Position der Näherungssensoren relativ zu den Unwuchtmassen 6a, 6b lässt
sich der Winkel zwischen den Unwuchtmassen 6a, 6b zu
diesen beiden Zeitpunkten bestimmen. Da die Unwuchtwinkel der beiden
Unwuchtmassen 6a, 6b nicht zum gleichen Zeitpunkt
bestimmt werden und sich die Phasenlage der Unwuchtmassen 6a, 6b ändern
kann und soll, können z. B. Stützwerte der Winkelposition z.
B. durch lineare Interpolation gewonnen werden. Dazu wird die Winkelgeschwindigkeit
der jeweiligen Unwuchtwelle 5a, 5b benötigt,
an der die Interpolation vorgenommen werden soll. Die Winkelgeschwindigkeit
kann daraufhin aus zwei nacheinander folgenden Signalflanken (Anstieg
oder Abfall) und der dazwischen verstrichenen Zeit bestimmt werden.
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Anstelle
der Näherungssensoren 10 können auch
z. B. Inkrementalencoder zur Bestimmung der Position der Unwuchtmassen 6a, 6b genützt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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