EP0789801B1

EP0789801B1 - Vibrationswalze mit mindestens einer walzenbandage und einem in dieser angeordneten doppelwellen-schwingungserreger

Info

Publication number: EP0789801B1
Application number: EP96929220A
Authority: EP
Inventors: Gülertan Vural
Original assignee: Wacker Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Wacker Werke GmbH and Co KG
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 2001-09-26
Anticipated expiration: 2016-08-07
Also published as: JPH10507504A; WO1997006308A1; DE59607775D1; DE19529115A1; CA2202132A1; EP0789801A1; CA2202132C; JP3778939B2; US5934824A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vibrationswalze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vibrationswalzen sind aus EP 0 530 546 A1 bekannt. Bei diesen bekannten Vibrationswalzen sind die beiden Unwuchtwellen des Doppelwellen-Schwingungserregers parallel zueinander auf entgegengesetzten Seiten der Fahrachse der jeweiligen Bandage symmetrisch zu dieser in einem gemeinsamen Erregergehäuse drehbar gelagert, das wiederum in dem gemeinsamen Träger in der jeweiligen Walzenbandage verschwenkbar gelagert ist. Eine der beiden Unwuchtwellen ist über Zahnräder drehbar von einem hydraulischen Antriebsmotor angetrieben und über Zahnräder mit der anderen Antriebswelle so gekoppelt, daß die beiden Unwuchtwellen stets mit untereinander gleicher Drehzahl gegensinnig in dem Erregergehäuse umlaufen. Die Fliehgewichte der beiden Unwuchtwellen haben untereinander gleiche Masse und gleichen Schwerpunktanstand, so daß die in den beiden Bandagen befindlichen Schwingungserreger jeweils eine gerichtete Schwingung erzeugen, die sich radial zur Fahrachse der betreffenden Bandage erstreckt und deren Richtung von der räumlichen Einstellung des Gehäuses der Unwuchtwellen abhängig ist.

Die Lösung gemäß EP 0 530 546 A1 ist vorteilhaft anwendbar in Verbindung mit Bodenarten, die sich am besten durch die Ausübung von Scherspannungen und Kombinationen von Scher- und Druckspannungen auf sie verdichten lassen, und sie eignet sich auch sehr gut zum wirtschaftlichen Verdichten relativ großer Schichtdicken. Außerdem kann einem durch Scher- und Druckspannungskombinationen verursachten Schlupf entgegengewirkt und die Traktion der Walze unterstützt werden.

Die Lösung gemäß EP 0 530 546 A1 ist aber auch mit Nachteilen behaftet:

In der Praxis dauert ein Fahrtrichtungswechsel, insbesondere auf bituminösem Material, ca. 10-15 Sekunden, so daß bei einer Fahrgeschwindigkeit von ca. 5 Km/h für den Abbremsvorgung und die anschließende Beschleunigung auf 5 Km/h in der Gegenrichtung eine Wegstrecke von 3,5 bis 5 Metern benötigt wird. Auf dieser Fahrstrecke werden die Erregergehäuse bezüglich der Vertikalebene spiegelbildlich verstellt. Dieser Verstellvorgang hat sich laufend verändernde Druck- und Schubspannungen auf den Boden zur Folge, wodurch eine inhomogene Verdichtung und unerwünschte Dellenbildung hervorgerufen werden. Um eine solche inhomogene Verdichtung und Dellenbildung in zulässigen Grenzen zu halten, müßte der Verstellvorgang innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde erfolgen, was bei der bekannten Vibrationswalze praktisch nicht zu erreichen ist, weil der Schwingungserreger bezüglich der Schwenkachse ein sehr großes Trägheitsmoment (I= Σ mr²) aufweist, das durch das schwenkbare Erregergehäuse als solches und durch einen relativ großen Abstand der Unwuchtwellen von der mit der Bandagenfahrachse zusammenfallenden Schwenkachse des Erregergehäuses sowie durch die Lager- und Antriebseinheiten hervorgerufen wird. Zum verschwenken des Erregergehäuses wird ein Drehmoment M_d = I * ΔW/ Δt benötigt. Dieses Drehmoment wächst also proportional mit I und der Winkelbeschleunigung ΔW/Δt. Dies bedeutet, daß umso größere Drehmomente benötigt werden, je kürzer die Schwenkzeit angesetzt wird und je größer das Trägheitsmoment I des Erregersystems ist. Je größer die benötigten Drehmomente sind, desto komplizierter gestaltet sich aber wiederum der Regelprozess.

Hinzu kommt, daß schwenkbare, den kompletten Aufbau des Erregersystems enthaltende Erregergehäuse und die zusätzlichen Schwenklager einen hohen technischen Aufwand bedingen und kostspielig sind.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Vibrationswalze gemäß EP 0 530 546 A1 ist ein ungünstiges Traktionsverhalten unter bestimmten Betriebsbedingungen:

Während des Verdichtungsvorgangs mit einer Vibrationswalze, die zwei hintereinander angeordnete, mit dem geschilderten Schwingungserreger ausgerüstete Walzenbandagen aufweist, hat die in Fahrtrichtung vordere Walzenbandage einen größeren Rollwiderstand als die hintere. Das für beiden Walzen vorgesehene, parallel geschaltete, hydraulische Fahrantriebssystem stellt sich auf die größeren benötigten Antriebsmomente ein. Für die hintere Walze ist das Antriebsmoment dann zu groß. Dadurch wird ein Schlüpfen der Walzen begünstigt. Eine möglicherweise vorgesehene Antischlupfregelung versucht den Schlupf durch unterschiedliche Einstellwinkel der Schwingungserreger in der vorderen und in der hinteren Bandage zu verhindern. Dies bedeutet aber, daß die beiden Walzenbandagen unterschiedliche Druck- und Schubspannungen auf den Boden ausüben, die sich wiederum während der Fahrt ständig ändern. Auch dadurch entsteht eine unerwünschte inhomogene Verdichtung. Diese inhomogene Verdichtung wird durch den Reibungskoeffizienten zwischen Walzenbandage und Boden, durch Änderungen des Rollwiderstandes und durch fehlerhaftes Fahrverhalten des Fahrers zusätzlich noch unkontrollierbarer.

Eine weitere bekannte Vibrationswalze (EP 053 598 A1) weist zwei parallel zur Walzenachse angeordnete Unwuchtwellen auf, die synchron mit gleichem Drehsinn umlaufen, aber um 180° in Bezug aufeinander phasenverschoben sind. Die Anordnung ist so getroffen, daß sich die von den Unwuchtwellen erzeugten Vertikalkräfte kompensieren während die entgegengesetzt gerichteten Horizontalkräfte ein Drehmoment auf die Walzenbandage um die Bandagendreh- bzw. fahrachse herum erzeugen. Dieses Drehmoment übt eine ihrer Größe nach nicht veränderbare Scherbelastung auf den Boden aus. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Lösung für die Verdichtung von dünnschichtigem, rolligem und bituminösem Material mit Vorteil anwendbar ist, und auch hinsichtlich der geforderten geringen Geräusch- und Schwingungsbelästigung für das Bedienungspersonal zu vorteilhaften Ergebnissen führt. Demgegenüber ist diese bekannte Vibrationswalze jedoch nicht wirtschaftlich einsetzbar generell bei größeren Schichtdicken und bei nicht rolligem Material, z.B. bei Mischböden, bindigen Böden und Felsen. Hinzu kommt, daß die bekannte Walze sehr schlupfgefährdet ist, was insbesondere bei Gefällen oder Steigungen zu Traktionsproblemen fhrt. Außerdem ist die bekannte Walze gemäß EP 053 598 A1 konstruktiv sehr aufwendig, weil die Unwuchtwellen weit entfernt von der Bandagenfahrachse gelagert werden müssen, damit sie das gewünschte Drehmoment erzeugen können.

In der den Oberbegriff von Anspruch 1 bildenden DE 32 25 235 A1 ist ein in einer Walze angeordneter Schwingungserreger beschrieben, der zwei konzentrisch zueinander angeordnete Unwuchtwellen aufweist, die gemeinsam mittels eines Hydraulikmotors angetrieben sind. Die eine Unwuchtwelle ist achsial translatorisch bewegbar und kann außer Eingriff mit einer Keilwellenkupplung gebracht werden, um sie relativ zu der anderen Unwuchtwelle in unterschiedlichen Drehpositionen einstellen zu können. Auf diese Weise ist es möglich, die Vibrationsamplituden zu vergrößern und zu verkleinern. Dieser bekannte Vibrationsmechanismus eignet sich für die Ausübung komplexer Spannungen auf passende Bodenarten, weil die angebotene kinetische Energie in Abhängigkeit von der Amplitudenverstellung in quadratischer Funktion vergrößert und verkleinert werden kann, doch haben solche amplitudenverstellbare Lösungen unter bestimmten Betriebsbedingungen auch wesentliche anwendungstechnische Nachteile. So ist es z.B. nicht möglich, kontrollierte Druck- und Scherspannungskombinationen für eine homogene und wirtschaftliche Verdichtung bei einigen Bodenarten zu erzeugen. Ferner ist eine Dosierung der angebotenen kinetischen Energie, die sich in quadratischer Funktion zur Amplitudenverstellung verändert, problematisch, weil bei fehlerhafter Einstellung des Angebots an kinetischer Energie mit steigendem Verdichtungsgrad unerwünschte Oberflächenlockerungen und bei bituminösem Material nicht erlaubte Materialzertrümmerungen herbeigeführt werden. Hinzu kommt, daß der vorstehend geschilderte bekannte Vibrationsmechanismus nicht die im Hinblick auf einen schonenden Einsatz des Verdichtungsgerätes und eine geringe Geräuschund Schwingungsbelästigung des Bedienungspersonals und seiner Umgebung zu stellenden Anforderungen erfüllt. Außerdem ist der bekannte Schwingungserreger kompliziert aufgebaut und störanfällig.

In der CH-B- 271 578 ist eine Vibrationsplatte mit einem auf die Bodenkontaktplatte aufgesetzten Schwingungserreger dargestellt und beschrieben, der zwei koaxial zueinander angeordnete, also um eine gemeinsame Rotationsachse umlaufende Unwuchtwellen aufweist, die mittels eines sie für gegensinnigen Umlauf mit synchroner Drehzahl dauernd koppelnden Differentialgetriebes in ihrer gegenseitigen Phasenlage verstellbar sind, so daß es möglich ist, die Wirkungsrichtung der von den Unwuchtwellen erzeugten gerichteten Schwingung bezüglich der Bodenkontaktplatte zu verstellen. Die Vibrationsplatte kann dadurch selbstfahrend im Vorlauf und im Rücklauf betrieben werden.

Die DE- 195 39 150 A1 zeigt und beschreibt in verschiedenen Ausführungsformen Vibrationsantriebe für Schwingmaschinen, die alle zueinander koaxiale Unwuchtwellen aufweisen. Die Vibrationsantriebe sind speziell für einen Einsatz bei Schwingsieben, Fördervorrichtungen und Rüttlern vorgesehen. Bei allen Ausführungsformen bis auf eine sind die Unwuchtwellen ohne die Möglichkeit einer Verstellung der gegenseitigen Phasenbeziehung während des Betriebes zwangsweise gegensinnig angetrieben. Bei dieser einen abweichenden Ausführungsform erfordert ein Antrieb mit gleicher Drehrichtung jedoch einen gesonderten Antrieb für jede Unwuchtwelle, was einen erheblichen technischen Aufwand bedingt.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine universell anwendbare Vibrationswalze zu schaffen, die es je nach Einstellung ermöglicht,

um die Bandagenfahrachse herum oszillierende Drehschwingungen zu erzeugen und damit auf den zu verdichtenden Boden überwiegend Scherspannungen auszuüben,
an der Bandagenfahrachse eine gerichtete Kraft einzuleiten und den Kraftvektor beliebig in alle Richtungen einzustellen, um auf den zu verdichtenden Boden optimal kombinierbare Druck- und Scherspannungen ausüben zu können, oder
eine an der Bandagenfahrachse eingeleitete und um diese rotierend wirkende sowie ihrer Größe nach veränderbare Zentrifugalkraft zu erzeugen, um auf den zu verdichtenden Boden komplexe Spannungen auszuüben.

Trotz dieser vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten soll sich die erfindungsgemäße Vibrationswalze durch einen einfachen konstruktiven Aufbau, geringe Störanfälligkeit und lange Lebensdauer auszeichnen.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vibrationswalze kann jeweils optimal an die verschiedenen Bedürfnisse des zu verdichtenden Bodens angepaßt werden, und zwar derart, daß die vorteilhaften Wirkungsweisen der verschiedenen bekannten Vibrationswalzen jeweils aufrechterhalten, deren Nachteile aber vermieden werden.

Ein besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Vibrationswalze besteht dabei auch darin, daß das Trägheitsmoment des Schwingungserregers bezüglich der Fahrachse der jeweiligen Bandage überaus gering, im Vergleich zu der Vibrationswalze gemäß EP 0 530 546 A1 z.B. praktisch mindestens um das Zehnfache kleiner, ist, so daß der Schwingungserreger in der Einstellung zum Einleiten einer gerichteten Vibrationskraft an der Bandagenfahrachse zur Veränderung der Richtung der gerichteten Schwingung eines weitaus geringeren Drehmoments als bei der bekannten Walze bedarf und demgemäß in wesentlich kürzerer Zeit in die neue Richtung verschwenkbar werden kann, so daß es möglich ist, Inhomogenitäten und Dellen im verdichteten Boden zu minimieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät ist für die verschiedenen Bodenarten und Schichtdicken durch eine aus der Vielzahl gebotener Möglichkeiten ausgewählte entsprechende Grundeinstellung des Schwingungserregungssystems und der dadurch erzeugten verschiedenen Schub- und Druckspannungskombinationen eine optimale Verdichtung erreichbar, und es können damit auch Schlupferscheinungen in einem zulässigen Bereich gehalten werden.

Die Unteransprüche 2 bis 18 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Vibrationswalze nach Patentanspruch 1.

Die Erfindung betrifft auch ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Vibrationswalze nach Patentanspruch 1. Dieses Verfahren ist Gegenstand der Patentansprüche 19 bis 22.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vibrationswalze mit zwei Walzenbandagen,
Fig. 2: einen axialen Querschnitt durch eine der beiden untereinander gleichen Walzenbandagen der Vibrationswalze gemäß Fig. 1,
Fig. 3: eine Stirnansicht im Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2,
Fig. 4: eine schematische Darstellung des in einer der möglichen Grundeinstellungen (Einstellung I) des Schwingungserregers in horizontaler Richtung wirkenden Kraftvektors,
Fig. 5: eine schematische Darstellung des gegenüber Fig. 4 in vertikaler Richtung wirkenden Kraftvektors,
Fig. 6: eine schematische Darstellung des unter einem Schwenkwinkel α gegenüber der Horizontalen geneigten Kraftvektors in der gleichen prinzipiellen Grundeinstellung wie in Fig. 4 und 5,
Fig. 7: eine schematische Darstellung eines Regelkreises für die automatische Korrektur des Anstellwinkels α des Kraftvektors in der prinzipiellen Einstellung gemäß Fig, 4 bis Fig. 6, und
Fig. 8a und 8b: schematische Darstellungen des in einer anderen möglichen Grundeinstellung (Einstellung II) des Schwingungserregers rotierenden Kraftvektors in verschiedenen gegenseitigen Phasenlagen der Unwuchtwellen und dementsprechend unterschiedlicher Größe der Zentrifugalkraft.

Die in Fig. 1 dargestellte Vibrationswalze weist zwei in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Walzenbandagen 1 und 2 auf. Auf der Walzenbandage 1 ist ein Rahmen 2a angeordnet, und auf der Walzenbandage 2 befindet sich ein Rahmen 2b mit Fahrerstand. Die Rahmen 2a und 2b sind zur Lenkbarkeit der Vibrationswalze über ein vertikales Schwenkpendellager 29 miteinander verbunden.

In beiden Walzenbandagen 1 und 2 ist jeweils ein Doppelwellen-Schwingungserreger S angeordnet, dessen Aufbau im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Gemäß Fig. 2 befinden sich im Innern jeder Walzenbandage 1, 2 zwei koaxial zueinander angeordnete Unwuchtwellen 3 und 4, wobei die eine - innere - Unwuchtwelle 3 mit Hilfe von Wälzlagern 3b stirnseitig in der sie ummantelnden anderen - äußeren - Unwuchtwelle 4 drehbar gelagert ist.

Die äußere Unwuchtwelle 4 ist mit Hilfe von Wälzlagern 5,6 an ihren Enden jeweils in dem einen bzw. anderen von zwei in den Walzenbandagen 1 und 2 angeordneten, diese diagonal im gegenseitigen Abstand durchquerenden Trägern 1a und 1b drehbar in einer solchen Position gelagert, daß ihre Drehachse 28, die gleichzeitig die Drehachse der inneren Unwuchtwelle 3 darstellt, mit der Bandagen-Fahrachse zusammenfällt, um die sich die Walzenbandagen 1, 2 gegenüber dem Bandagenträger 23 bzw. 24 dreht, der an dem jeweiligen Walzenrahmen 2a bzw. 2b auf der einen bzw. anderen Seite der Bandagen 1 bzw. 2 befestigt ist und stirnseitig etwas in die Bandage hineinragt.

An dem für den Betrachter der Fig. 2 linken Ende weist die äußere Unwuchtwelle 4 ein zur Drehachse 28 koaxiales Kegelrad 14 auf. Die innere Unwuchtwelle 3 hat eine sich durch das linke stirnseitige Ende der äußeren Unwuchtwelle 4 und durch das an dieser befestigte Kegelrad 14 hindurch erstreckende Verlängerung 13a, auf der, dem Kegelrad 14 zugewendet, im axialen Abstand hiervon ein Kegelrad 11 befestigt ist, das beim Ausführungsbeispiel den gleichen Durchmesser und die gleiche Zähnezahl aufweist wie das Kegelrad 14 an der äußeren Unwuchtwelle 4. Die beiden Kegelräder 11 und 14 bilden zusammen mit zwei bezüglich der Verlängerung 3a diametral einander gegenüberliegend angeordneten, um eine die Rotationsachse 28 senkrecht schneidende Drehachse drehbaren, in sie eingreifenden Kegelrädern 12 und 13 ein Differentialgetriebe mit einem Steg 15, der als die Verlängerung 3a rundherum umgebendes, für den Betrachter der Fig. 1 auch nach links stirnseitig geschlossenes Gehäuse ausgeführt ist und nach links in einen rohrförmigen, stirnseitig nach links offenen Ansatz ausläuft, an dem endseitig ein Zahnrad 16 befestigt ist. Der Steg 15 bildet ein verschwenkbares Gehäuse, das mittels Wälzlagern in einem koaxial zur Fahrachse 28 an dem für den Betrachter der Fig. 2 linken Träger 1b befestigten, das Differentialgetriebe umgebenden Fahrlagergehäuse 17 drehbar gelagert ist.

Das Fahrlagergehäuse 17 weist auf der für den Betrachter der Fig. 2 linken Seite einen zur Fahrachse 28 konzentrischen Bund auf, mit dem es über ein Wälzlager 20 in einer Lagerplatte 21 gelagert ist, die über Puffer 22 an dem Bandagenträger 23 befestigt ist. Die mit dem Bandagenträger 23 eine undrehbare Einheit bildende Lagerplatte 21 trägt einen Antriebsmotor 9 mit zur Fahrachse 28 koaxialer Antriebswelle, die über eine im rohrförmigen Ansatz am Steg 15 des Differentialgetriebes untergebrachte Kupplung 10 mit der Verlängerung 3a der inneren Unwuchtwelle 3 verbunden ist.

Auf der für den Betrachter der Fig. 2 rechten Seite ist die Walzenbandage 1 bzw. 2 an dem dortigen Bandagenträger 24 über eine Lagerplatte 26 gelagert, die über Puffer 27 an dem die Bandage diagonal durchquerenden Träger 1a befestigt ist und koaxial zur Fahrachse 28 in einem in Fig. 2 im einzelnen nicht dargestellten Lager an dem Bandagenträger 24 gelagert ist. An dem Bandagenträger 24 ist ein Fahrantriebsmotor 25 befestigt, mit dem die Lagerplatte 26 gegenüber dem Bandagenträger 24 um die Fahrachse 28 in Drehung versetzbar ist.

Der vorstehend beschriebene Schwingungserreger S mit seinen an einem Ende über das Differentialgetriebe verbundenen Unwuchtwellen 3 und 4 ist in zwei unterschiedlichen Einstellungen des Differentialgetriebes bezüglich der benachbarten Vorrichtungsteile betreibbar.

In einer ersten, nachstehend als Einstellung I bezeichneten Grundeinstellung ist der gehäuseartige Steg 15 des Differentialgetriebes gegenüber der Trägerplatte 21 über das Zahnrad 16 fixiert, steht also mit dieser still, wobei jedoch seine Winkelstellung gegenüber der Lagerplatte 21 mit Hilfe eines in das Zahnrad 16 eingreifenden, von einem Motor 31 verstellbaren Zahnrads 30 (Fig. 3) gesteuert koaxial zur Fahrachse 28 veränderbar ist. Da der Steg 15 des Differentialgetriebes stillsteht, wird von der vom Motor 9 in Drehung versetzten inneren Unwuchtwelle 3 über die Kegelräder 11, 12, 13 und 14 die äußere Unwuchtwelle 4 im Gegensinn zur inneren Unwuchtwelle 3 mit gleicher Drehzahl angetrieben, so daß der Schwingungserreger S eine gerichtete Schwingung erzeugt, deren Vektor wegen der koaxialen Anordnung der Unwuchtwellen 3 und 4 die Fahrachse 28 senkrecht schneidet. Durch Verdrehen des Steges 15 gegenüber der Lagerplatte 21 mittels des Stellmotors 31 über die Zahnräder 30 und 16 (Fig. 3) ist die räumliche Phasenlage der Unwuchtwellen 3 und 4 und mit dieser die Wirkungsrichtung des Vektors der gerichteten Schwingung um 360° um die Fahrachse 28 herum veränderbar, wobei jedoch von dieser Verstellmöglichkeit nur im Rahmen eines vorbestimmten Winkelbereiches Gebrauch gemacht wird.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen verschiedene unterschiedliche Einstellungen der räumlichen Phasenlage der Unwuchtwellen 3 und 4 in der prinzipiellen Grundeinstellung I und die zugehörige Wirkungsrichtung des Vektors F₂ der gerichteten Schwingung. Es ist ersichtlich, daß die räumliche Phasenlage der beiden Unwuchtwellen 3 und 4, d. h. der Schwenkwinkel α des Schwingungserregers S, so gewählt ist, daß bei der Phasenlage gemäß Fig. 4 sich die von den Unwuchten erzeugten Zentrifugalkräfte in horizontaler Richtung verstärken, in vertikaler Richtung hingegen kompensieren, bei der Phasenlage gemäß Fig. 5 die von den Unwuchten erzeugten Zentrifugalkräfte sich in vertikaler Richtung verstärken und in horizontaler Richtung kompensieren, und bei der Phasenlage gemäß Fig. 6 die von den Unwuchten erzeugten Zentrifugalkräfte sich in der vom Schwenkwinkel α des Schwingungserregers S definierten Richtung verstärken und senkrecht zu dieser Richtung kompensieren. Die von den Unwuchtwellen 3 und 4 ausgehenden Rüttelkräfte werden dabei jeweils über die Lager 5 und 6 und die Lagergehäuse 7 und 8 auf die Träger 1a und 1b und über diese auf den jeweiligen Mantel der Walzenbandagen 1 bzw. 2 übertragen.

Der Motor 9 ist vorzugsweise ein Hydraulikmotor.

Die Phasenverstellung mittels des Stellmotors 31 und der Zahnräder 30 und 16 kann von Hand gesteuert vorgenommen aber auch automatisch gesteuert durchgeführt werden.

Die Fig. 7 zeigt die Funktion eines Regelkreises zur automatischen Steuerung der Phasenlage der Unwuchtwellen 3 und 4 in solcher Weise, daß einem Schlupf der Walzenbandagen 1 und 2 auf dem zu verdichtenden Boden entgegengewirkt wird. Gemäß Fig. 7 ist in jeder Walzenbandage 1, 2 ein in der Zeichnung hinsichtlich seines Aufbaus und des Anbringungsortes nicht dargestellter Incremental-Geber 35, 36 angeordnet, der die Winkelbeschleunigung dω/dt = ξ(t) und die Winkelgeschwindigkeit ω(t) der Walzenbandagen 1 und 2 mißt. Wenn eine Walzenbandage dazu neigt, im Vergleich zu der nicht schlüpfenden Walzenbandage ihren Toleranzbereich hinsichtlich ξ(t) und ω(t) zu verlassen, werden die Differenzwerte Δξ und Δω durch ein in der Zeichnung ebenfalls nicht im einzelnen dargestelltes Vergleichselement 37 ermittelt. Liegen die Werte Δξ und Δω über einem vorgegebenen, mittels eines Sollwertgebers 40 voreinstellbaren Wert, so werden über einen Verstärker 38 die beiden Einstellmotoren 31₁ und 31₂ der Walzenbandagen 1 und 2 in solcher Weise aktiviert, daß die Winkelposition des Schwingungserregers S im Sinne einer Vergrößerung der Horizontalkomponente der resultierenden Zentrifugalkraft so lange verändert wird, bis der vom Vergleichselement 37 festegestellte Schlupf unter dem eingestellten Grenzwert liegt. Dieser neue Schwenkwinkelwert wird bei beiden Walzenbandagen 1 und 2 synchron eingestellt. Bei einem Fahrtrichtungswechsel wird der eingestellte oder einregulierte Schwenkwinkelwert der Zentrifugalkraft automatisch spiegelbildlich bezüglich der Vertikalen jeweils in Fahrtrichtung positioniert. Vorzugsweise wird die Positionierung wie folgt vorgenommen:

Wenn sich der Schwenkwinkel des Erregerkraftvektors im Bereich von 0° bis 45° befindet, verstellt er sich im Uhrzeigersinn spiegelbildlich, und wenn er sich im Bereich von 45° bis 90° befindet, verstellt er sich entgegen dem Uhrzeigersinn spiegelbildlich.

Zahlreiche Untersuchungen haben zu folgenden Ergebnissen und Erkenntnissen geführt:

Für rollige und bituminöse Materialien werden überwiegend dynamische Scherspannungen mit einem mit steigender Schichtdicke steigenden Druckspannungsanteil benötigt.
Bei schwer verdichtbaren Böden braucht man für eine optimale Verdichtung überwiegend dynamische Druckspannungen, wobei mit steigender Schichtdicke wachsende Druckspannungsanteile benötigt werden.
Der resultierende Kraftvektor hat, je nach Einstellwinkel orientiert, eine horizontale, in Fahrtrichtung weisende Komponente, der zwei Funktionen zukommen, nämlich zum einen das Erzeugen der für die Verdichtung notwendigen Scherspannungen und zum anderen die Unterstützung der Traktion.
Die andere, vertikale Kraftkomponente ist auf den Boden gerichtet und erzeugt die für die Verdichtung notwendigen Druckspannungen, wobei sie gleichzeitig die Reibungskraft zwischen Walzenbandage und Boden erhöht. Dies spielt wiederum eine wichtige Rolle für die Scherspannungsübertragung zu dem zu verdichtenden Boden.

Aus diesen Erkenntnissen heraus kann davon ausgegangen werden, daß zum Erreichen einer optimalen Verdichtung für rollige und bituminöse Materialien der Einstellwinkel α von 0° bis 45° variieren und mit wachsender Schichtdicke des Materials einen Wert von 45° erreichen sollte.

Um bei schwer verdichtbaren Böden eine optimale Verdichtung zu erreichen, sollte der Einstellwinkel α im Bereich von 45° bis 90° variieren und mit wachsender Schichtdicke des Materials einen Wert von 90° erreichen.

Auf zahlreichen Untersuchungsergebnissen basierende Erfahrungen belegen andererseits, daß

erstens ein je nach Bodenart und Schichtdicke orientierter Grundwert des Einstellwinkels des Kraftvektors eine gewisse Reserve für eine Traktionsunterstützung und Reibungskrafterhöhung zwischen Walzenbandage und Boden berücksichtigen sollte, und
zweitens eine nach jedem Verdichtungsübergang orientierte Reduzierung des Einstellwinkels in Abhängigkeit von der Bodenart und Schichtdicke eine homogene Verdichtung innerhalb dieser zu gewährleisten vermag. Es ist, wie vorstehend bereits erwähnt, zweckmäßig, die Anpassung der Schwenkwinkel des Kraftvektors in der Grundeinstellung I zu automatisieren, damit zum einen eine optimale Verdichtung erreicht und andererseits der Schlupf zwischen Walzenbandage und Boden auf ein nicht schädliches Minimum reduziert wird.

Ein hierfür an der Vibrationswalze installiertes vorprogrammiertes Kommandoinstrument kann es dem Fahrer ermöglichen, die Grundeinstellungen manuell vorzunehmen.

Wenn die anwendungsorientierte Grundeinstellung des Schwenkwinkels des Kraftvektors des Schwingungserregers S z.B. bei beiden Walzenbandagen einer Tandemwalze infolge des Rollwiderstandes und des Reibungskoeffizienten zwischen Walze und Boden insbesondere bei steigenden Gewichtsverteilungsunterschieden zwischen der in Fahrtrichtung vorderen ersten Walze und der zweiten Walze nicht ausreichen sollte, um die Rutschneigung der einen Walze zu eleminieren, dann wird vorzugsweise die vorstehend bereits erörterte einfache Regelung eingsetzt, wonach die vorprogrammierten Grundeinstellungen des Erregersystems korrigierend eingreifen, und zwar bei einer Tandemwalze bei beiden Walzenbandagen.

Gemäß der Erfindung sind die Unwuchtwellen 3 und 4 abweichend von der vorstehend geschilderten Grundeinstellung I auch in eine Grundeinstellung II einstellbar, in der sie sich gleichsinnig drehen und in der ihre relative Phasenlage zur Einstellung der Größe der resultierenden Zentrifugalkraft einstell- und fixierbar ist.

Auch in der Grundeinstellung II wird die Unwuchtwelle 3 mittels des Hydraulikmotors 9 über die zwischen diesem und ihr installierte Kupplung 10 angetrieben. Veränderungen und Fixierungen der Phasenlage der Unwuchtwelle 3 gegenüber der Unwuchtwelle 4 werden dabei wie folgt auf einfache Weise vorgenommen:

Die Unwuchtwelle 3 wird zunächst mittels des Hydraulikmotors 9 in ihrer augenblicklichen Position festgehalten und sodann der gehäuseartige Steg 15 des Differentialgetriebes manuell (zeichnerisch nicht dargestellt) oder mit einem Verstellmechanismus, z.B. dem in Fig. 3 zu sehenden, d.h. mit dem Hydraulikmotor 31 und dem Zahnradpaar 30, 16, im Bedarfsfalle in solcher Weise verstellt, bis die sich hierbei ändernde Phasenlage zwischen den Unwuchtwellen 3 und 4 einen gewünschten Wert erreicht hat. Dann wird die nunmehr voherrschende gegenseitige Phasenlage der Unwuchtwellen 3 und 4 fixiert, wofür lediglich zwischen der Abtriebswelle des Hydraulikmotors 9 und dem Steg 15 z.B. mittels einer schaltbaren Kupplung (zeichnerisch nicht dargestellt) eine starre Verbindung hergestellt und gleichzeitig die Verbindung zwischen den Zahnrädern 16 und 30 gelöst zu werden braucht. Dadurch bilden der gehäuseartige Steg 15, die Kegelräder 11, 12, 13 und 14 und die untereinander positionierten und fixierten Unwuchtwellen 3, 4 eine einzige, im gleichen Drehsinn umlaufende Vibrationseinheit und üben auf die Walzenbandage eine um Walzenfahrachse 28 rotierend wirkende Zentrifugalkräfte aus, deren Größe von der eingestellten gegenseitigen Phasenlage der Unwuchtwellen 3 und 4 abhängt. Diese Wirkungsweise ist schematisch in Fig. 8a und 8b für unterschiedliche Einstellungen der Phasenbeziehung der Unwuchtwellen 3 und 4 ersichtlich.

Claims

Vibrationswalze mit mindestens einer Walzenbandage (1) und einem in dieser angeordneten Doppelwellen-Schwingungserreger (S), dessen durch einen gemeinsamen Antrieb (9) angetriebene Unwuchtwellen in einem in der Walzenbandage (1) befindlichen gemeinsamen Träger (1a, 1b) jeweils mit zur Fahrachse (28) der Walzenbandage (1) paralleler Drehachse drehbar gelagert sind, wobei

die Unwuchtwellen (3, 4) so ausgebildet und in Bezug aufeinander sowie bezüglich der Walzenbandage (1) in dem Träger (1a, 1b) angeordnet sind, dass die eine - äußere - Unwuchtwelle (4) die andere - innere - Unwuchtwelle (3) koaxial drehbar umgibt und die gemeinsame Drehachse der Unwuchtwellen (3, 4) mit der Fahrachse (28) der Walzenbandage (1) zusammenfällt, und

die Unwuchtwellen für einen Betriebszustand, genannt zweiter Betriebszustand, in dem sie die Walzenbandage mit einer Kreisschwingung beaufschlagen, so miteinander koppelbar sind, dass sie sich gleichsinnig drehen, wobei ihre relative Phasenlage zur Einstellung der Größe der resultierenden Zentrifugalkraft einstell- und fixierbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass
die Unwuchtwellen für einen anderen Betriebszustand, genannt erster Betriebszustand, in dem sie eine gerichtete Schwingung erzeugen, so miteinander koppelbar sind, dass sie sich gegenläufig drehen und der Winkel (α bzw. α + 180°), den die Richtungen maximaler resultierender Zentrifugalkraft mit der Fahrtrichtung der Walzenbandage (1) einschließen, beliebig einstell- und fixierbar ist.
Vibrationswalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unwuchtwellen (3, 4) so in der Walzenbandage (1) gelagert sind, daß sie von deren Drehbewegung nicht beeinflußt werden.
Vibrationswalze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger zwei im axialen Abstand befindliche Stirnwände (1a, 1b) der Walzenbandage (1) dienen, in die Lagergehäuse (7, 8) mit ersten Wälzlagern (5, 6) zur Lagerung der äußeren Unwuchtwelle (4) eingebaut sind.
Vibrationswalze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wälzlager (5, 6) zugleich als Fahrlager dienen, über die die Walzenbandage (1) am Fahrgestell (23, 24) der Vibrationswalze gelagert ist.
Vibrationswalze nach Anspruch 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet, daß die innere Unwuchtwelle (3) in der äußeren Unwuchtwelle (4) mittels zweiter Wälzlager (3b) gelagert ist, die in die äußere Unwuchtwelle (4) in der Nähe der Lagergehäuse (7) eingebaut sind.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Betriebszustand der Winkel (α bzw. α + 180°) zwischen dem Vektor der gerichteten Schwingung und der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene über den ganzen Bereich von 360° veränderbar ist.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten Betriebszustand die Kopplung der Unwuchtwellen (3, 4) zu gleichsinnigem Umlauf und die Einstellung und Fixierung der relativen Phasenlage der Unwuchtwellen (3, 4) von Hand im Stillstand des Schwingungserregers oder automatisch vornehmbar sind.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im zweiten Betriebszustand die Drehrichtung der Unwuchtwellen (3, 4) umkehrbar ist.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Betriebszustand die Kopplung der Unwuchtwellen (3, 4) zu gegensinnigem Umlauf und die Einstellung und Fixierung des Winkels (α bzw. α + 180°) zwischen dem Vektor der gerichteten Schwingung und der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene von Hand im Stillstand des Schwingungserregers vornehmbar sind.
Vibrationswalze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Betriebszustand die Kopplung der Unwuchtwellen (3, 4) zu gegensinnigem Umlauf und die Einstellung und Fixierung des Winkels (α bzw. α + 180°) zwischen dem Vektor der gerichteten Schwingung und der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene automatisch vornehmbar ist.
Vibrationswalze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unwuchtwellen (3, 4) endseitig mittels eines Differentialgetriebes (11-15) miteinander koppelbar sind, das zwei gegenläufige Zentralräder (11, 14) gleicher Zähnezahl aufweist, von denen das eine (11) drehfest und koaxial auf der inneren Unwuchtwelle (3) sitzt und das andere (14) drehfest und koaxial auf der äußeren Unwuchtwelle (4) angeordnet ist, und dessen Steg (15) zur Veränderung der relativen Phasenlage der Unwuchtwellen (3, 4) mittels eines Stelltriebs (30, 31, 16) um seine Drehachse (28) drehbar und in jeder eingestellten Winkelposition gegen den Bandagenträger (21, 22, 23, 24) der Vibrationswalze fixierbar ist.
Vibrationswalze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe (11-15) als Kegelradgetriebe ausgeführt ist.
Vibrationswalze nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (15) ein das eine Ende (3a) der einen Unwuchtwelle (3) übergreifendes Schwenkgehäuse bildet, dessen eine Stirnseite dem Bandagenträger (21, 22, 23) zugewendet ist und ein zur Fahrachse (28) der Walzenbandage (1) koaxiales Stell-Zahnrad (16) trägt, das mit dem Ritzel (30) od. dgl. eines an dem Bandagenträger (21, 22, 23) befestigten Stellmotors (31) des Stelltriebs (30, 31, 16) kämmt.
Vibrationswalze nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herbeiführen des zweiten Betriebszustandes der Steg (15) des Differentialgetriebes (11-15) mit einer (3) der Unwuchtwellen (3,4) koppelbar und der Eingriff zwischen dem Ritzel (30) des Stellmotors (31) und dem Zahnrad (16) aufhebbar ist.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (15) drehbar in einem Träger (17) gelagert ist, der an einer (1b) der Walzenstirnwände (1a, 1b) befestigt ist.
Vibrationswalze nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (17) das Differentialgetriebe (11-15) als Schutzgehäuse umgibt.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein im ersten Betriebszustand wirksames Vergleichselement (37), das einerseits von einem Geber (35 oder 36) gelieferte, von einer nicht schlüpfenden Walzenbandage (1 oder 2) abgeleitete, deren Winkelgeschwindigkeit (ω₁ oder ω₂) und deren Winkelbeschleunigung (ξ₁ oder ξ₂) entsprechende Signale und andererseits von einem Geber (35 oder 36) gelieferte, von einer zum Schlüpfen neigenden Walzenbandage (1 oder 2) abgeleitete, deren Winkelgeschwindigkeit (ω₁ oder ω₂) und deren Winkelbeschleunigung (ξ₁ oder ξ₂) entsprechende Signale miteinander vergleicht und beim Überschreiten einer bestimmten Differenz (Δω und Δξ) dieser Signale ein Stellglied (31) aktiviert, welches wiederum den Winkel (α), den der Vektor der gerichteten Schwingung mit der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene einschließt, entsprechend reduziert.
Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Unwuchtwellen (3, 4) gleiches Schwungmoment (m*r) haben.
Verfahren zum Betreiben der Vibrationswalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Betriebszustand der Winkel (α), den der Vektor der gerichteten Schwingung mit der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene einschließt, so eingestellt wird, daß er bei rolligem oder bituminösem Boden 0° bis 45° und bei schwer verdichtbarem Boden 45° bis 90° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α), den der Vektor der gerichteten Schwingung mit der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene einschließt, in Abhängigkeit von der Dicke der zu verdichtenden Bodenschicht programmgesteuert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fahrtrichtungswechsel der Vektor der gerichteten Schwingung automatisch spiegelbildlich zu der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α), den der Vektor der gerichteten Schwingung mit der die Fahrachse (28) beinhaltenden, zum Boden parallelen Ebene einschließt, mit jedem Übergang der Vibrationswalze über den zu verdichtenden Boden programmgesteuert reduziert wird.