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Die Erfindung betrifft die Gestaltung von Exzenterwellen des „Zweiamplitudentyps” [type „dual amplitude”], die für die Verwendung in Verdichtungsgeräten wie beispielsweise Straßenwalzen bestimmt sind. Die Exzenterwellen haben in einer Drehrichtung ein hohes Exzentermoment und in der anderen Drehrichtung ein niedriges Exzentermoment. Die Exzenterwellen umfassen eine feste und eine bewegliche Exzentermasse. Die bewegliche Exzentermasse ist so angeordnet, dass sie mit der festen Exzentermasse in einer Drehrichtung der Exzenterwelle zusammenwirkt und in der anderen Drehrichtung der Exzenterwelle die feste Exzentermasse teilweise ausgleicht. Exzenterwellen sind so konstruiert, dass sie mit niedrigem Anfangsdrehmoment gestartet werden können. Letztere Eigenschaft trägt dazu bei, den Treibstoffverbrauch für die Verdichtungsgeräte zu vermindern. Während der Verdichtungsarbeit werden die Exzenterwellen von Walzen für die Verdichtung von Asphalt häufig gestartet und wieder angehalten. Daher ist die Erfindung besonders geeignet für diese Art von Verdichtungsgeräten, eignet sich aber auch für Erdverdichtungsgeräte. Dass die Exzenterwellen ein geringeres Anfangsdrehmoment benötigen ist einer von mehreren Faktoren, die es ermöglichen, in den Verdichtungsgeräten Verbrennungsmotoren mit geringerer Leistung zu installieren. Das erforderliche geringere Anfangsdrehmoment kann es auch ermöglichen, die Abmessungen der Kraftverteilungssysteme in den Verdichtungsgeräten zu verkleinern. Dies vermindert die Herstellungskosten der Systeme. Die Exzenterwelle ist besonders für Kassettenmontage [cassette-assembly] geeignet.
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US 3,722,381 (Vibro-verken) zeigt zwei im Walzenkörper einer Straßenwalze angeordnete Exzenterwellen des „Zweiamplitudentyps”. Die Exzentermassen der Exzenterwellen sind identisch gestaltet. Die Exzenterwellen sind in Kassetten angeordnet, die mit den Stirnseiten des Walzenkörpers verbunden sind. Ein Hydraulikmotor treibt/dreht eine der Exzenterwellen, die ihrerseits die Drehbewegung über eine Zwischenwelle auf die andere Exzenterwelle überträgt. Die Verbindung der Exzenterwelle zur Zwischenwelle ist so gestaltet, dass die Exzentermassen während der Drehung synchrone Positionen einnehmen.
1 der Patentschrift zeigt eine Hochamplitudenstellung, in welcher beide Exzentermassen der Exzenterwellen, die feste und die bewegliche, zusammenwirken, d. h. die Stellung, welche die Exzentermassen in einer der Drehrichtungen der Exzenterwelle einnehmen sollen. Die rotierenden und zusammenwirkenden Exzentermassen sollen in dieser Stellung den Walzenkörper der Walze mit der höchstmöglichen Amplitude schwingen lassen.
2 zeigt die Niedrigamplitudenstellung, welche die Exzentermassen in der anderen Drehrichtung der Exzenterwellen einnehmen. Ein gedachter Querschnitt durch eine der Exzenterwellen und ihre Exzentermassen in der zusammenwirkenden Stellung zeigt eine radiale Ausdehnung, die durch eine fünfseitige geometrische Form begrenzt wird. Ein Nachteil der fünfseitigen Form ist, dass sie im Hinblick auf das Massenträgheitsmoment nicht optimal ist. Man sieht in dem gedachten Schnitt auch, dass ein großer Teil des Schnitts von ausgeglichenen Massen eingenommen wird, was nicht zu den Exzentereigenschaften der Exzenterwelle beiträgt, sondern statt dessen zu einer unerwünschten Erhöhung des Massenträgheitsmoments der Exzenterwelle führt. Das gleiche gilt für die Ringe, welche die beweglichen Exzentermassen verbinden und relativ zu den festen Exzentermassen schwenkbar machen. In beiden Fällen folgt, dass die Exzenterwelle während des Starts wegen des hohen Massenträgheitsmoments unnötig Leistung und Energie verbraucht.
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3 der chinesischen Patentveröffentlichung
CN 102995521 zeigt eine Exzenterwelle vom Zweiamplitudentyp. Die Welle wird in einer Niedrigamplitudenstellung dargestellt, in welcher ihre bewegliche Exzentermasse (unten) die feste Exzentermasse (oben) teilweise ausgleicht. Das oben erwähnte Problem, dass Teile des Exzenterwellenquerschnitts nicht zu den Exzentereigenschaften der Exzenterwelle beitragen, wird dadurch gelöst, dass die feste Exzentermasse gleichzeitig eine „tragende” Funktion hat. Ein Querschnitt durch die Exzentermassen würde wahrscheinlich zeigen, dass die Querschnitte nach außen durch Kreisformen begrenzt sind. Die Kreisformen ergeben ein niedriges Massenträgheitsmoment, aber die Positionen der Kreisformen in Bezug auf den Schnittpunkt zwischen der Rotationsachse und der Schnittebene sind diesbezüglich nicht optimal. Die Kreisformen scheinen in einem Abstand von der Rotationswelle angebracht zu sein, der den Durchmesser der Kreisform überschreitet. In einer gedachten Hochamplitudenstellung, in der die bewegliche und die feste Exzentermasse zusammenwirken, ist es auch nicht optimal, wenn die Exzentermassen im Querschnitt auf zwei Kreisformen verteilt sind.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Exzenterwelle vom Zweiamplitudentyp zu beschaffen, die ein optimales (niedriges) Massenträgheitsmoment um die Rotationsachse, um die sie rotieren soll, aufweist. Erfindungsgemäß müssen die Querschnitte von fester und beweglicher Exzentermasse der Exzenterwelle so angeordnet sein, dass sie in einer Kreisform eingeschlossen sind, wenn die Massen zusammenwirken. Die Kreisform muss mit dem Schnittpunkt der Rotationsachse mit der Schnittebene zusammenfallen oder in unmittelbarer Nachbarschaft davon angeordnet sein. Genau gesagt muss die Kreisform so angeordnet sein, dass der Abstand zwischen einem Punkt P auf der Kreisform und dem Schnittpunkt 0 bis 0,1 D beträgt, wobei der Schnittpunkt durch den Schnitt der Rotationsachse mit dem Querschnitt der festen Masse definiert ist, wobei der Punkt P auf der Kreisform so nahe wie möglich beim Schnittpunkt angeordnet ist, und wobei D der Durchmesser der Kreisform ist.
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Die Erfindung wird mittels der beigefügten Zeichnungen 1 bis 7 näher beschrieben.
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1 zeigt eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Exzenterwelle in der Hochamplitudenstellung.
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2 zeigt die Exzenterwelle der 1 in der Niedrigamplitudenstellung.
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3 zeigt einen Querschnitt einer ersten und bevorzugten Ausführungsform der Exzenterwelle aus 1 und 2.
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4 und 5 zeigen Querschnitte einer zweiten und dritten Ausführungsform der Exzenterwelle aus 1 und 2.
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6 zeigt einen Querschnitt der Exzenterwelle aus 1 in Hochamplitudenstellung.
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7 zeigt einen Querschnitt der Exzenterwelle aus 2 in Niedrigamplitudenstellung.
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1 zeigt eine Exzenterwelle 1 vom Doppelamplitudentyp, die im Walzenkörper einer (nicht gezeigten) Asphaltwalze drehbar um eine Rotationsachse 2 angeordnet ist. 1 zeigt eine Momentansicht der Exzenterwelle 1, wenn sie in einer ihrer Drehrichtungen um die Rotationsachse 2 gedreht wird. Die Drehrichtung ist im Uhrzeigersinn und wird durch einen gebogenen Pfeil in der Zeichnung veranschaulicht. Die Exzenterwelle umfasst eine feste Exzentermasse 3 und eine bewegliche Exzentermasse 4. Die feste Exzentermasse 3 ist in ein Gussteil aus Sphäroguss eingebaut. Beide Wellenenden der Exzenterwelle 1 sind mit der festen Exzentermasse 3 verbunden und haben maschinell nachbearbeitete Oberflächen für die (nicht gezeigten) Lager, welche die Drehung der Welle 1 ermöglichen. Die Lager sind in einer (nicht gezeigten) Kassette in einem der Stirnseiten des Walzenkörpers angeordnet. Ein Wellenende (das linke) ist mit einem (nicht gezeigten) Hydraulikmotor verbunden, welcher die Welle 1 um die Rotationsachse 2 dreht. Das andere Wellenende (das rechte) ist über eine (nicht gezeigte) Zwischenwelle mit einer gleichartigen Exzenterwelle verbunden, die in einer Kassette an der anderen Stirnseite des Walzenkörpers angeordnet ist. Die Verbindung ist so ausgeführt, dass die festen Exzentermassen während der Drehung der Wellen gleiche und synchrone Stellungen in Bezug auf den Walzenkörper erhalten. Die bewegliche Exzentermasse 4 ist schwenkbar um eine Achse angeordnet, die nahezu mit der Rotationsachse 2 zusammenfällt. Wenn die Exzenterwelle 1 in Drehung versetzt wird, schwenkt die bewegliche Exzentermasse 4 etwas bezüglich der festen Masse 3 und wird von dieser angehalten. Die feste Exzentermasse 3 schiebt die bewegliche Exzentermasse 4 während der fortgesetzten Drehung der Exzenterwelle 1 in Uhrzeigerrichtung in der in 1 gezeigten Stellung vor sich her. Die Stellung ist zweckmäßig angepasst und entspricht einer Stellung, in der die bewegliche Exzentermasse 4 mit der festen Exzentermasse 3 zusammenwirkt. Die im Uhrzeigersinn rotierenden Exzenterwellen regen auf beabsichtigte Weise den Walzenkörper zum Schwingen und zum Verdichten des Bodens mit größtmöglicher Amplitude an.
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2 zeigt eine Momentansicht der Exzenterwelle 1 bei der Drehung in die andere Richtung, d. h. entgegen dem Uhrzeigersinn. Wenn die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn gestartet wird, schwenkt die Exzentermasse 4 fast eine halbe Umdrehung um ihre Achse, wonach ihre Drehung durch einen Endanschlag 5 (in Verbindung mit 7 beschrieben) angehalten wird. Bei fortgesetzter Drehung der Exzenterwelle 1 entgegen dem Uhrzeigersinn veranlasst der Endanschlag 5 die bewegliche Exzentermasse 4 der Drehung in der angenommenen Stellung zu folgen, was in 2 gezeigt ist. Diese Stellung ist zweckentsprechend angepasst und entspricht der Stellung, in der die bewegliche Exzentermasse 4 die feste Exzentermasse 3 teilweise ausgleicht. Die bewegliche Exzentermasse 4 ist so eingerichtet, dass sie die feste Exzentermasse 3 zur Hälfte ausgleicht. Die entgegen dem Uhrzeigersinn rotierenden Exzenterwellen regen demzufolge den Walzenkörper zum Schwingen mit einer Amplitude, welche die Hälfte der höchstmöglichen Amplitude beträgt, an. Selbstverständlich kann man die Exzentermassen so anpassen, dass andere Amplitudenkombinationen erhalten werden.
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3 zeigt einen Querschnitt der festen Exzentermasse 3. Der Querschnitt der festen Exzentermasse 3 wird durch eine Kombination von durchgehenden und gestrichelten Linien in den 3 bis 7 dargestellt. 3 zeigt, wie die maximale radiale Ausdehnung UB eines Querschnitts der festen Exzentermasse 3 in Bezug auf die Rotationsachse 2 durch eine kreisbogenförmige Kurve 6 begrenzt wird. Die Kurve 6 kann zu einer Kreisform 7 mit dem Durchmesser D erweitert werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Kreisform 7 so angeordnet, dass sie mit dem Schnittpunkt 8 der Rotationsachse 2 mit der Querschnittsfläche zusammenfällt. In der bevorzugten Ausführungsform wird jeder Querschnitt der festen Exzentermasse durch gleiche Kreisformen mit gleichem Durchmesser und gleicher Anordnung bezüglich des Schnittpunkts 8 der Rotationsachse 2 mit der Querschnittsfläche begrenzt. Desgleichen wird die kreisbogenförmige Kurve 6 durch einen Kreisbogen und die Kreisform 7 durch einen Kreis gebildet. Die Ausführungsform verleiht der Exzenterwelle 1 ein optimal geringes Massenträgheitsmoment um die Rotationsachse 2. Der Ausdruck „kreisbogenförmige Kurve” umfasst alle Kurven, die durch eine kreisbogenförmige Kurve angenähert werden können, wobei kein Teil der Ursprungskurve um mehr als einen Abstand von 0,04 D (0,04 multipliziert mit D) von der Näherung abweicht. „D” ist also in diesem Fall ist der Durchmesser D der Kreisform, zu der die Näherung erstreckt werden kann. In der Ausführungsform nach 3 fällt also der auf der Kreisform 7 so nahe wie möglich am Schnittpunkt 8 angeordnete Punkt P mit dem Schnittpunkt 8 zusammen. Dementsprechend ist die maximale radiale Erstreckung UB bezüglich der Rotationsachse 2 in 3 mit D identisch.
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Der Ausdruck „Exzentermasse” bezieht sich auf die unausgeglichene Masse mit Zweck und Hauptbeitrag zum Exzentermoment der Exzenterwelle 1 bei der Drehung um die Rotationsachse 2. Geringe unausgeglichene Massen außerhalb der Kreisform 7, welche sich aus anderen Funktionen ergeben, wie etwa Endanschläge und dergleichen, müssen bei der Auslegung dieses Ausdrucks vernachlässigt werden.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Exzenterwelle 1. Der Querschnitt der festen Exzentermasse 3 ist bei dieser Ausführungsform so angeordnet, dass die Kreisform 7 mit dem Durchmesser D mit einem kleinsten Abstand A von 0,1 D vom Schnittpunkt 8 der Rotationsachse 2 mit der Querschnittfläche angeordnet ist, und zwar so, dass der Punkt 8 innerhalb der Kreisform 7 angeordnet ist. Die Kreisform 7 wird auch in dieser Ausführungsform durch einen Kreis gebildet und die feste Exzentermasse 3 ist so angeordnet, dass jeder ihrer Querschnitte identische Kreisformen mit identischen Positionen bezüglich des Punktes 8 aufweist. In der Ausführungsform nach 4 hat der auf der Kreisform angeordnete und bezüglich des Punkts 8 nächstliegende Punkt P einen Abstand A vom Schnittpunkt 8. Folglich entspricht die maximale radialer Erstreckung UB bezüglich der Rotationsachse 2 in der Ausführungsform nach 4 UB = D – A.
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Die Exzenterwelle 1 erhält auch in dieser Ausführungsform ein akzeptables Massenträgheitsmoment, aber mit im Vergleich zur Welle 1 nach der ersten Ausführungsform erhöhtem Gewicht. Daher ist es weniger von Interesse, die Exzentermasse 3 so zu gestalten, dass der Abstand A > 0,1 D wird, weil dies zu einer noch größeren Gewichtssteigerung führen würde. Eine Gestaltung mit einem kürzeren Abstand A als 0,1 D und insbesondere mit einem Abstand A von 0,05 D oder kürzer führt dagegen zu guten Eigenschaften. Ein solcher Abstand kann eine Folge von ausgiebigen Toleranzen bei der Fertigung der Exzenterwelle 1 sein, die nach der ersten Ausführungsform in 3 gestaltet wurde.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Exzenterwelle 1. Der Querschnitt der festen Exzentermasse 3 ist auch in dieser Ausführungsform so angeordnet, dass die Kreisform 7 mit dem Durchmesser D in einem kleinsten Abstand A von 0,1 D von dem Schnittpunkt 8 der Rotationsachse 2 mit der Querschnittsfläche angeordnet ist. Die Position ist so angeordnet, dass der Punkt 8 sich außerhalb der Kreisform 7 befindet. Die Kreisform 7 ist auch in dieser Ausführungsform durch einen Kreis gebildet und die feste Exzentermasse 3 ist so angeordnet, dass jeder ihrer Querschnitte identische Kreisformen mit identischen Stellungen relativ zum Punkt 8 aufweist. In der Ausführungsform nach 5 hat der auf der Kreisform 7 zum Schnittpunkt 8 nächstliegende Punkt P vom Schnittpunkt 8 einen Abstand A. Folglich entspricht die maximale radiale Ausdehnung UB bezüglich der Rotationsachse 2 in der Ausführungsform nach 5 UB = D + A.
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Die Exzenterwelle 1 erhält auch in dieser Ausführungsform ein akzeptables Massenträgheitsmoment. Jedoch nimmt die Biegespannung im tragenden Teil der festen Exzentermasse 3 zu. Daher ist es weniger von Interesse, die Exzentermasse 3 so zu gestalten, dass der Abstand A länger als 0,1 D wird, weil dies zu einer noch größeren Steigerung der Biegespannung führen würde. Die Gestaltung nach der dritten Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn niedriges Gewicht der Exzenterwelle 1 wichtiger ist als ein optimal niedriges Massenträgheitsmoment.
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6 zeigt, wie die feste Exzentermasse 3 die bewegliche Exzentermasse 4 vor sich her schiebt, wenn die Massen 3, 4 bei der Drehung der Exzenterwelle 1 um die Rotationsachse 2 im Uhrzeigersinn zusammenwirken. Der Querschnitt der beweglichen Exzentermasse 4 ist in den 6 bis 7 mit einem Gittermuster dargestellt. Die feste Exzentermasse 3 umfasst einen Ausschnitt in Form einer Ausnehmung 9. Die Ausnehmung 9 und die bewegliche Exzentermasse 4 sind so angeordnet, dass der Querschnitt der beweglichen Exzentermasse 4 von einer Projektion der Kreisform 7 in diesem Querschnitt eingeschlossen ist. Die Ausnehmung 9 und die bewegliche Exzentermasse 4 sind so angeordnet, dass jeder Querschnitt der Masse 4 von Projektionen der Kreisform 7 auf die Querschnitte eingeschlossen ist. Die bewegliche Exzentermasse 4 ist in einem Plattenabschnitt umfasst, kann aber auch als Gussteil gestaltet werden. Letztere Gestaltung kann es ermöglichen, die Masse 4 so zu gestalten dass sie die Ausnehmung 9 fast vollständig ausfüllt. Die bewegliche Exzentermasse 4 ist schwenkbar um einen Zapfen 10 angeordnet, der längs in derselben Richtung wie die Rotationsachse 2 verläuft. Der Zapfen 10 muss mit geringstmöglichem Durchmesser eingerichtet werden, weil er nicht zur Exzentrizität der Exzenterwelle 1 beiträgt, aber andererseits zum Massenträgheitsmoment der Welle 1. Daher wird der Zapfen 10 mit einem Durchmesser gestaltet, der wesentlich kleiner als der Durchmesser der Exzenterwellenenden ist. Die Mittellinie des Zapfens 10 ist gegenüber der Rotationsachse 2 etwas parallel verschoben, um während des Übergangs zwischen Niedrig- und Hochamplitudenstellung günstige Einstellkräfte zu erzeugen. Die Verschiebung ist so eingerichtet, dass die im Schwerpunkt der beweglichen Exzentermasse 4 wirkende Zentrifugalkraft eine geringe Kraftkomponente erhält, welche die Masse 4 während der Einstellung antreibt, die Hoch- oder Niedrigamplitudenstellung einzunehmen. Die Exzenterwelle 1 und die bewegliche Exzentermasse 4 werden von einem Loch 11 in derselben Richtung wie die Rotationsachse 2 durchdrungen. Die bewegliche Exzentermasse 4 erhält eine Schwenkverbindung zur Exzenterwelle 1 durch den Zapfen 10, der in einer geeigneten Lage durch die Löcher 11 gepresst wird. Die Löcher 11 sind so angepasst, dass man zwischen dem Zapfen 10 und der beweglichen Exzentermasse 4 eine Spielpassung und zwischen dem Zapfen 10 und der Exzenterwelle 1 eine Presspassung erzielt.
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7 zeigt, wie der Endanschlag 5 die bewegliche Exzentermasse 4 antreibt, um der Drehung der Exzenterwelle 1 um die Rotationsachse 2 entgegen der Uhrzeigerrichtung zu folgen. Der Endanschlag 5 ist in dem Plattenabschnitt angebracht, welcher die bewegliche Exzentermasse 4 umfasst. Der Endanschlag 5 ist so gestaltet, dass er auf einen mit der festen Exzentermasse 3 verbundenen Anschlag trifft.
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Es ist gut möglich, die feste Exzentermasse „spulenförmig” zu gestalten, indem man ihre Querschnitte durch Kreisformen mit variablen Durchmessern und/oder Positionen bezüglich des Schnittpunktes der Rotationsachse mit der Querschnittsfläche begrenzen lässt. Die Querschnitte der beweglichen Exzentermasse sollen in solchen Fällen so gestaltet werden, dass sie in diejenige Kreisform eingeschlossen sind, welche den größten Durchmesser zeigt. „Spulenförmige” Exzenterwellen sind jedoch sehr viel schwieriger herzustellen als die in der vorliegenden Anmeldung gezeigten Wellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3722381 [0002]
- CN 102995521 [0003]
