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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verdichtungsmaschinen und insbesondere Verdichtungswalzen.
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Hintergrund
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Vibrationsverdichter sind Maschinen zum Verdichten von Bodensubstraten. Beim Straßenbau kann beispielsweise nach dem Auftragen einer Asphaltsschicht auf einem vorbereiteten Straßenbett aus Dreck, Schotter oder Kies ein Vibrationsverdichter über die Fahrbahn bewegt werden, um eine vergleichsweise gleichbleibende Verdichtung und ebene Fahrbahn zu erzielen. Darüber hinaus kann ein Vibrationsverdichter das darunterliegende Straßenbett aus Dreck, Schotter oder Kies verdichten, ehe die Fahrbahn verlegt wird. Andere Verwendungen sind sicherlich auch möglich.
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Vibrationsverdichter haben sich über die Zeit stark gewandelt. Anfangs bestanden die Verdichter aus einfachen mit einem Gewicht beschwerte Walzen oder aus Walzen, die durch das Gewicht der Maschine beschwert wurden, um sie dann anschließend rotierend über die Oberfläche zu bewegen, sodass diese verdichtet wird. Später erkannte man, dass die Verdichtung der Fahrbahn dadurch verbessert werden kann, wenn die Walze während ihrer Rotation über dem Substrat gleichzeitig vibriert. Die Straßenbauindustrie hat sich mittlerweile derart weiter entwickelt, dass Vibrationswalzen angeboten werden, die entweder eine herkömmliche oder eine oszillierende Vibration aufweisen. Ein Kunde wird sich typischerweise in Abhängigkeit von der Dicke des zu verdichteten Materials zwischen einer herkömmlichen Vibrationswalze (einer herkömmlich vibrierenden Walze) und einer oszillierend vibrierenden Walze entscheiden. Beispielsweise wird für relativ dünne Asphaltschichten typischerweise eine oszillierende Vibration und für relativ dicke Asphaltsschichten eine herkömmliche Vibration verwendet.
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Ein Beispiel für eine derartige Technologie ist in der
US 6 829 986 offenbart. Der darin offenbarte Verdichter weist auf der Rückseite der Maschine eine oszillierend vibrierende Walze und auf der Vorderseite der Maschine eine herkömmlich vibrierende Walze auf. Obwohl die Maschine für ihren gedachten Einsatzbereich zweckmäßig sein kann, führt eine derartige Konstruktion zu einer Erhöhung der insgesamten Kosten der Maschine und macht die Maschine zudem komplizierter, da die erwünschte Vibration durch zwei separate Walzen des Vibrationsverdichters erfolgt.
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Aus diesem Grund besteht eine Notwendigkeit, einen Vibrationsverdichter bereitzustellen, der mit einer einzigen Walze eine herkömmliche und eine oszillierende Vibrationsmöglichkeit ermöglicht.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt der Offenbarung ist ein Vibrationswalzenaufbau offenbart. Der Vibrationswalzenaufbau kann eine Walze, einen Motor, der betriebsmäßig mit der Walze verbunden ist, eine durch den Motor angetriebene Antriebswelle, einen Exzenter mit einer unveränderbaren Masse, der mit einer zweiten Drehwelle im Inneren der Walze verbunden ist, und einen Exzenter mit einer veränderbaren Masse, der mit einer dritten Drehwelle im Inneren der Walze verbunden ist, aufweisen, wobei die zweite Drehwelle und die dritte Drehwelle drehbar mit der Antriebswelle verbunden sind.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Vibrationsverdichter offenbart, der ein Chassis, eine Antriebsmaschine, die von dem Chassis gelagert wird, und mindestens eine Walze, die das Chassis lagert, aufweisen kann, wobei die mindestens eine Walze dazu ausgebildet ist, herkömmliche Vibrationen zu erzeugen, wenn sie in einer ersten Richtung rotiert wird, und oszillierende Vibrationen zu erzeugen, wenn sie in einer zweiten Richtung rotiert wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Vibrationsverdichterwalze offenbart. Die Vibrationsverdichterwalze kann einen Zylinder, einen herkömmlichen Vibrator, der operativ mit dem Zylinder verbunden ist, um herkömmliche Vibrationen zu erzeugen, wenn er in eine erste Richtung gedreht wird, und einen oszillierenden Vibrator, der operativ mit dem Zylinder verbunden ist, um oszillierende Vibrationen zu erzeugen, wenn er in eine zweite Richtung gedreht wird, aufweisen.
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Diese und andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden zum besseren Verständnis durch die nun folgende Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Vibrationsverdichters, der gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung ausgestaltet ist;
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2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1 und zeigt die Innenmechanik des Vibrationswalzenaufbaus der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Vibrationswalzenaufbaus, die einen Exzenter mit einer unveränderbaren (fixen, festen) Masse und einen Exzenter mit einer veränderbaren (einstellbaren, anpassbaren, variablen) Masse zeigt;
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4 ist eine schematische Darstellung des Exzenters mit der veränderbaren Masse, der sich entgegen dem Uhrzeigersinn dreht;
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5 ist eine schematische Darstellung des Exzenters mit der veränderbaren Masse, der sich im Uhrzeigersinn dreht;
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6 ist eine Querschnittsendansicht einer Vibrationswalze, die gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgestaltet ist und in verschiedenen Drehpositionen (Drehstellungen) gezeigt ist, um herkömmliche Vibrationen zu erzeugen;
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7 ist eine Querschnittsendansicht vergleichbar mit der der 6, zeigt jedoch verschiedene Drehpositionen (Drehstellungen) der Vibrationswalze, um oszillierende Vibrationen zu erzeugen; und
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8 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Abfolge von Schritten zeigt, die gemäß der vorliegenden Offenbarung durchlaufen werden können.
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Obwohl die nun folgende detaillierte Beschreibung Bezug auf die gezeigten Ausführungsformen nimmt, muss verstanden werden, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung umfasst vielmehr alle Ausführungsformen sowie deren Äquivalente, die durch die Ansprüche umfasst sind.
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Detaillierte Beschreibung
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In den Figuren und insbesondere in der 1 ist ein Vibrationsverdichter, der mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist und gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgestaltet ist, gezeigt. Obwohl der dargestellte Verdichter eine vordere Walze 22 und eine hintere Walze 22 aufweist, sollte verstanden warden, dass die Lehre der vorliegenden Offenbarung gleichsam auf Verdichter mit einer einzigen Walze 22 anwendbar ist, wobei die Walze zudem an einer anderen Position angeordnet sein kann wie beispielsweise bei den Räder oder dergleichen.
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Der gezeigte Vibrationsverdichter 20 weist ein Chassis 24 auf, das von den Walzen 22 gehalten wird, eine Antriebsmaschine 25 und eine Bedienerstation 26. Die Antriebsmaschine 25 kann jede Art von Leistungserzeuger sein beispielsweise ein Dieselmotor, ein Ottomotor, ein Gasmotor, ein Elektromotor oder der gleichen. Der gezeigte Vibrationsverdichter 20 ist dazu ausgebildet, sich über eine Bodenfläche 28, die aus Asphalt, Kies, Schotter, Erde oder dergleichen besteht, zu bewegen, um diese zu verdichten.
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In der 2 ist ein Vibrationswalzenaufbau 30, der Teil der Walze 22 ist, in einer Schnittansicht gezeigt. Der Vibrationswalzenaufbau 30 kann eine Walze oder einen Zylinder 32 aufweisen, deren Außenfläche 34 als direkte Kontaktfläche für die zu verdichtende Oberfläche 28 dient. Die Walze 32 ist durch einen ersten Haltearm 36 und einen zweiten Haltearm 38 drehbar gelagert.
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Insbesondere am ersten Haltearm 36 sind ein Getriebe 40 und ein Antriebsmotor 42 angebracht, die ein Drehen der Walze 32 und damit ein Fortbewegen des Verdichters 20 ermöglichen. Das Getriebe 40 und der Motor 42 sind wiederum betriebsmäßig mit einem ersten Endflansch 44 verbunden, der sich von dem Getriebe 40 radial nach außen zu einer Innenfläche 46 der Walze 32 erstreckt. Zwischen dem Motor 42 bzw. dem Getriebe 40 und der Innenfläche 46 der Walze 32 können mehrere Gummielemente oder Isolationselemente 48 vorhanden sein, die eine Dämpfung ermöglichen.
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An dem dem Getriebe 40 gegenüberliegenden Ende ist ein Vibrationsmotor 50 angeordnet. Darüber hinaus ist benachbart zu mehreren Isolationselementen 54 ein Walzenlager 52 an dem Haltearm 38 angebracht. Ein zweiter Endflansch 56 verbindet die Isolationselemente 54 mit der Innenfläche 46 der Walze 32. Der zweite Endflansch 56 weist eine Öffnung 58 auf, deren Notwendigkeit im Folgenden beschrieben wird.
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Flankiert durch den ersten und zweiten Endflansch 44, 56 erstreckt sich quer zur Walze 32 eine mittige Trennwand 60. An der mittigen Trennwand 60 sind ein mittiges Lager 62, ein Exzenteraufbau 64 mit einer unveränderbaren Masse und ein Exzenteraufbau 66 mit einer veränderbaren Masse angebracht. Das mittige Lager 62 lagert eine Antriebswelle 68, die ihrerseits mit einer Eingangswelle 70, die sich von dem Vibrationsmotor 50 erstreckt, verbunden ist. Demzufolge führt eine Rotation des Vibrationsmotors 50 zu einer Rotation (Drehung) der Eingangswelle 70, die wiederum eine Rotation (Drehung) der Antriebswelle 68 erzeugt.
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Aus den 2 und 3 wird ersichtlich, dass die Antriebswelle 68 zudem mit einer ersten und einer zweiten Laufrolle 72, 74 verbunden ist. Darüber hinaus ist eine dritte Laufrolle 76 drehbar mit dem Aufnahmeraum 77 für die unveränderbare Masse verbunden, wobei der Aufnahmeraum 77 einen Teil des Exzenteraufbaus 64 mit der unveränderbaren Masse bildet. Eine vierte Laufrolle 78 ist drehbar mit dem Aufnahmeraum 79 für die veränderbare Masse verbunden, wobei der Aufnahmeraum 79 einen Teil des Exzenteraufbaus 66 mit der veränderbaren Masse bildet. Ein erster Antriebsriemen 80 ist mit der ersten und der dritten Laufrolle 72, 76 verbunden. Ein zweiter Antriebsriemen 82 ist mit der zweiten und der vierten Laufrolle 74, 78 verbunden. Natürlich müssen in anderen Ausführungsformen keine Antriebsriemen verwendet warden. Vielmehr können diese durch Kettenantriebe, direkte Lagerverbindungen oder dergleichen ersetzt werden.
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Gemäß den 2 und 3 umfasst der Aufnahmeraum 77 für die unveränderbare Masse ein hohles Gehäuse 84, das eine Welle 86 für die unveränderbare Masse drehbar lagert. Ein Exzenter 88 mit einer unveränderbaren Masse, der aus einem festen Metallblock wie beispielsweise Stahl oder Eisen hergestellt ist, ist mit der Welle 86 für die unveränderbare Masse verbunden. Eine Rotation (Drehung) der Welle 86 führt demnach zu einer Rotation (einer Drehung) des Exzenters 88 mit der unveränderbaren Masse. Aufgrund der exzentrischen Lagerung der Masse relativ zur Welle 86 führt eine dreartige Rotation zu Vibrationen. Da darüber hinaus der Aufnahmeraum 77 für die unveränderbare Masse fest mit der mittigen Trennwand 60 verbunden ist, werden diese Vibrationen auf bzw. durch die Walze 32 und damit auf die zu verdichtende oder zu asphaltierende Oberfläche 26 übertragen.
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Diametral gegenüber dem Aufnahmeraum 77 für die unveränderbare Masse ist der Aufnahmeraum 79 für die veränderbare Masse. Wie in der 2 gezeigt, umfasst der Aufnahmeraum 79 für die veränderbare Masse ein hohles Gehäuse 90, das vergleichbar mit dem Aufnahmeraum 77 für die unveränderbare Masse eine Exzenterantriebswelle 92 für die veränderbare Masse drehbar lagert. Im Unterschied zu dem Aufnahmeraum 77 für die unveränderbare Masse ist jedoch nicht ein Exzenter mit einer unveränderbaren Masse fest mit der Exzenterantriebswelle 92 verbunden, sondern ist ein Behälter 94 mit einer veränderbaren (veränderlichen, einstellbaren) Masse fest mit der Exzenterantriebswelle 92 verbunden. Im Inneren des Behälters 94 ist ein Exzenter 96 mit einer veränderbaren Masse, wie beispielsweise ein Volumen, das mit metallischem Material wie Schrotkugeln oder dergleichen gefüllt ist, vorhanden. Wie jedoch im Folgenden beschrieben wird, ist der Behälter 94 nicht vollständig mit dem metallischen Material 96 gefüllt. Wenn folglich die Antriebswelle 92 rotiert, rotiert der Behälter 94 zusammen mit der Antriebswelle 92, sodass sich das metallische Material 96 im Inneren des Behälters 94 bewegt. In Abhängigkeit von der Drehrichtung (des Behälters 94) können die von dem Vibrationswalzenaufbau 30 erzeugten Vibrationen zwischen ozillierenden Vibrationen und herkömmlichen Vibrationen wechseln, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
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In den 4 und 5 ist der Aufnahmeraum 79 für die veränderbare Masse in einer Endansicht gezeigt, sodass die Form des Behälters 94 für die veränderbare Masse erkennbar ist. Wie gezeigt, weist der Behälter 94 eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und hat einen keilförmigen Leerraum 98, der durch Trennwände 100, 102 gebildet wird. Demzufolge wird, wenn sich der Aufnahmeraum 66 für die veränderbare Masse, wie in der 4 gezeigt ist, entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, das metallische Material 96 im Inneren des Behälters 94 derart bewegen, dass es in der Nähe der ersten Trennwand 100 ist. Wenn sich jedoch der Aufnahmeraum 66 für die veränderbare Masse in die entgegengesetzte Richtung, das heißt in der in der 5 gezeigten Richtung im Uhrzeigersinn dreht, wird sich das metallische Material 96 im Inneren des Behälters 94 wiederum derart bewegen, dass es in der Nähe der zweiten Trennwand 102 ist.
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Die Signifikanz dieser Bewegung und deren Einfluss auf das Ermöglichen von herkömmlichen oder oszillierenden Vibrationen durch den Vibrationswalzenaufbau 30 sind in den 6 und 7 gezeigt. Der hier verwendete Begriff “herkömmliche“ Vibrationen bezeichnet Vibrationen, die eine konstante oder gleichmäßige Frequenz bzw. Amplitude aufweisen. Der hier verwendete Begriff „oszillierende“ Vibrationen bezeichnet Vibrationen, die inkonsistente, uneinheitliche bzw. nicht-gleichmäßige Frequenzen bzw. Amplituden aufweisen. Beginnend mit der 6 ist der Vibrationswalzenaufbau 30 in einer Endschnittansicht gezeigt, sodass die relativen Positionen des Exzenters 88 mit der unveränderbaren Masse (Exzenteraufbau 64 mit der unveränderbaren Masse) und des Exzenters 96 der veränderbaren Masse (Exzenteraufbau 66 mit der veränderbaren Masse) verdeutlicht werden können. Es wird anerkannt werden, dass in einer derartigen Konfiguration der Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse und der Exzenter 96 mit der veränderbaren Masse synchron bzw. in Phase rotieren können, da sie immer bei dem gleichen radialen Versatz bezüglich ihrer jeweiligen Antriebswellen 86, 92 angeordnet sind. Mit anderen Worten ist, wenn der Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse relativ zu seiner Antriebswelle 86 bei 12 Uhr angeordnet ist, der Exzenter 96 mit der veränderbaren Masse relativ zu seiner Antriebswelle 92 bei 12 Uhr angeordnet, wie in dem ersten Block 104 der 6 gezeigt ist. Entsprechend ist, wenn der Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse relativ zu seiner Antriebswelle 86 bei 3 Uhr angeordnet ist, der Exzenter 96 mit der veränderbaren Masse relativ zu seiner Antriebswelle 92 bei 3 Uhr angeordnet, wie in dem dritten Block 108 der 6 gezeigt ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Vibrationswalzenaufbau 30 in einer derartigen Konfiguration herkömmliche Vibrationen erzeugt.
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Wenn mit Bezug zur 7 der Vibrationsmotor 50 jedoch in die entgegengesetzte Richtung rotiert, bewegt sich das metallische Material im Inneren des Behälters 94 derart, dass der Exzenter 96 mit der veränderbaren Masse und der Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse nicht synchron bzw. nicht in Phase sind. In den dargestellten Ausführungsformen werden die Exzenter 88, 96 im Uhrzeigersinn gedreht, um die herkömmlichen Vibrationen der 6 zu erzeugen, und werden die Exzenter 88, 96 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, um die oszillierenden Vibrationen der 7 zu erzeugen. Es wird jedoch verstanden werden, dass die umgekehrte Richtung bzw. Drehrichtung ebenfalls möglich ist. Darüber hinaus sind die oszillierenden Vibrationen in der Anordnung der 7 derart, dass der Exzenter 96 mit der veränderbaren Masse gegenüber dem Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse um 180° verschoben bzw. außer Phase ist. Es wird jedoch auch verstanden werden, dass der Phasenversatz jeden beliebigen Wert zwischen 0° und 360° annehmen bzw. aufweisen kann. Beispielsweise kann der Drehwinkel, bei dem der Behälter 94 fest mit der Antriebswelle 92 verbunden ist, derart eingestellt werden, dass der gewünschte Wert an Phasenversatz erzielt wird. Alternativ oder darüber hinaus kann das Volumen des Materials 96 gegenüber dem in dem Behälter 94 zur Verfügung stehenden Volumen oder das Gewicht des Materials 96 gegenüber dem Gewicht des Exzenters 88 mit der unveränderbaren Masse verändert bzw. eingestellt werden, um den Phasenversatz zu erzielen.
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Schließlich kann in der Bedienerstation ein Bediener-Interface 136 vorhanden sein, sodass der Bediener des Vibrationsverdichters 20 zwischen herkömmlichen Vibrationen und oszillierenden Vibrationen wählen kann. Ein derartiges Bediener-Interface 136 kann jede beliebige Ein-/Ausgabe-Vorrichtung sein, wie beispielsweise Touchscreens, Druckknöpfe, Kippschalter oder dergleichen. Darüber hinaus kann ein Computer-Prozessor 138 mit dem Bediener-Interface 136 zusammenarbeiten, sodass die von dem Bediener-Interface 136 empfangenen Eingangssignale entsprechende Ausgangssignale erzeugen, um den Vibrationsmotor im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn zu betreiben, je nachdem, ob herkömmliche oder oszillierende Vibrationen erwünscht sind.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die obige Beschreibung macht deutlich, dass die hierin offenbarte Technologie in unterschiedlichen Bereichen gewerblich anwendbar ist, so zum Beispiel in Maschinen, die zum Verdichten von Bodensubstraten wie beispielsweise Asphaltsbelägen, Erdreich, Kies, Schotter oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise kann durch die Lehre der vorliegenden Offenbarung ein Vibrationsverdichter hergestellt werden, der nicht nur Asphalt für einen neuen Straßenbelag verdichten kann, sondern Vibrationen erzeugt, die zu einem ebeneren und effizienter verdichteten Straßenbelag führt.
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Der Vibrationsverdichter kann dies während des Betriebs aufgrund seiner bereits beschriebenen Struktur erreichen aber auch durch ein Ausführen des im Folgenden beschriebenen Verfahrens. Das Verfahren kann wie in dem dargestellten Flussbild der 8 bei einem Schritt 200 beginnen, bei dem ein Betrieb des Vibrationsverdichters 20 durch einen Bediener gestartet wird. Bei einer ersten Entscheidung 202 wird dann festgestellt, ob eine dünne Asphaltsschicht erwünscht ist. Wird dies bejaht, werden oszillierende Vibrationen benötigt, wie dies durch den Schritt 204 angedeutet ist. An dieser Stelle wird der Vibrationsmotor 50 derart betrieben, dass er in einer ersten in dem Schritt 206 gezeigten Richtung rotiert, was wiederum dazu führt, dass sich das metallische Material 96 im Inneren des Aufnahmebereichs 79 für die veränderbare Masse derart bewegt, dass es außer Phase mit dem Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse rotiert, wie im Schritt 208 angedeutet ist.
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Wenn allerdings eine relativ dicke Asphaltsschicht erwünscht ist, werden herkömmliche Vibrationen benötigt, wie durch den Schritt 210 angedeutet ist. An dieser Stelle wird der Vibrationsmotor 50 derart betrieben, dass er in einer zweiten Richtung, die die entgegengesetzte Richtung zur ersten Richtung ist, betrieben wird, wie in dem Schritt 212 gezeigt ist. Dies führt wiederum dazu, dass sich das metallische Material 96 derart bewegt, dass es in Phase mit dem Exzenter 88 mit der unveränderbaren Masse rotiert, was durch den Schritt 214 angedeutet ist.
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Bei jedem Zweig des Entscheidungsbaums fragt das System, ob eine Verdichtung weiterhin wie erwünscht erfolgen soll, wie durch den Schritt 216 gezeigt ist. Wenn dies der Fall ist, springt das Verfahren zum Anfangsschritt 200 zurück. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Betrieb des Vibrationsverdichters 20 gestoppt, wie durch den Endschritt 218 gezeigt ist.
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Aus der obigen Beschreibung wird klar, dass der Vibrationsverdichter der vorliegenden Offenbarung die Walze während des Rotierens nicht nur vibriert, sondern ferner dazu ausgebildet ist, herkömmliche Vibrationen wie auch oszillierende Vibrationen bei derselben Walze hervorzurufen. Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, der bislang typischerweise eine an einer Vorderseite oder an einer Rückseite der Maschine angeordnete erste Walze zum Erzeugen von herkömmlichen Vibrationen und eine auf der verbleibenden Seite der Maschine angeordnete zweite Walze zum Erzeugen von oszillierenden Vibrationen benötigt hat. Indem eine einzige Walze bereitgestellt wird, die beide Vibrationsarten erzeugen kann, ist es möglich, dass der Vibrationsverdichter der vorliegenden Offenbarung nicht nur dicke und dünne Asphaltsschichten gleichmäßig gut bearbeiten kann, sondern dies auch noch bei stark reduzierten Kosten und stark erhöhter Zuverlässigkeit gegenüber dem Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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