EP0998609A1 - Bodenverdichtungsvorrichtung mit veränderbaren schwingungseigenschaften - Google Patents

Bodenverdichtungsvorrichtung mit veränderbaren schwingungseigenschaften

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EP0998609A1
EP0998609A1 EP98943738A EP98943738A EP0998609A1 EP 0998609 A1 EP0998609 A1 EP 0998609A1 EP 98943738 A EP98943738 A EP 98943738A EP 98943738 A EP98943738 A EP 98943738A EP 0998609 A1 EP0998609 A1 EP 0998609A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compacting device
soil compacting
damper
spring
mass
Prior art date
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Granted
Application number
EP98943738A
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English (en)
French (fr)
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EP0998609B1 (de
Inventor
Georg Sick
Michael Steffen
Thomas Maurer
Thomas Reiter
Franz Riedl
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Wacker Werke GmbH and Co KG
Original Assignee
Wacker Werke GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP0998609A1 publication Critical patent/EP0998609A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0998609B1 publication Critical patent/EP0998609B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02—Improving by compacting
    • E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C19/00—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving
    • E01C19/22—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving for consolidating or finishing laid-down unset materials
    • E01C19/30—Tamping or vibrating apparatus other than rollers ; Devices for ramming individual paving elements
    • E01C19/34—Power-driven rammers or tampers, e.g. air-hammer impacted shoes for ramming stone-sett paving; Hand-actuated ramming or tamping machines, e.g. tampers with manually hoisted dropping weight
    • E01C19/38—Power-driven rammers or tampers, e.g. air-hammer impacted shoes for ramming stone-sett paving; Hand-actuated ramming or tamping machines, e.g. tampers with manually hoisted dropping weight with means specifically for generating vibrations, e.g. vibrating plate compactors, immersion vibrators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/18—Mechanical movements
    • Y10T74/1856—Reciprocating or oscillating to intermittent unidirectional motion

Definitions

  • the invention relates to a soil compaction device according to the preamble of patent claim 1.
  • Vibratory rammers, vibratory plates or vibratory rollers are usually used for soil compaction. While rammers are excitation-induced vibration systems with a large amplitude, vibrations are generated by force excitation on vibration plates. For reasons of vibration excitation of the floor particles, the ability to be guided and to protect the operator against undesirable body vibrations, vibration plates are often designed in such a way that they have a relatively high frequency (40 to 80 Hz) and a small amplitude of the vibrating base plate. Trench rollers of the type of vibratory rollers are mostly used for soil compaction, in which vibrations are generated by rotating unbalances within the bandages or on the undercarriage forming a sub-mass.
  • the vibrating plate can sink into the soft soil and can no longer be moved.
  • this has meant that vibratory plates are not used in damp weather or for use on saturated, cohesive soils, although the soil compaction and surface quality that can be achieved with vibratory plates are highly recognized.
  • a vibrating device for compacting the ground with a vibrating plate is known.
  • the vibrating plate is attached to a road roller by springs between the front roller drum and the rear wheels.
  • hydraulic cylinders are provided which press the springs and the vibrating plate against the floor and thereby increase the spring preload.
  • the invention has for its object to provide a soil compaction device in which the above problem, the sinking of the device when temporarily driving over cohesive soils can be avoided.
  • a soil compaction device with an upper mass, a lower mass for soil compaction, a spring system coupling the upper and lower mass and with a damper system arranged between the upper mass and lower mass, which interacts with the spring system, is characterized in that the damping properties of the damper system during operation of the device are changeable.
  • the oscillation properties and the oscillation behavior of the device and, for example, to adjust it so that the oscillation width (amplitude) is increased when driving over, for example, cohesive soil in such a way that the upper mass is introduced into a resonant oscillation movement, in order to exert greater amplitudes and forces on the lower mass.
  • the lower mass is usually the actual base plate including the exciter, with which the soil is compacted, while the upper mass is formed by the drive and control of the device becomes.
  • damping properties can be adjusted manually or automatically, as defined in some of the following subclaims.
  • the forces generated by suitable changes in the vibration properties (frequency, amplitude, direction of vibration) of the lower and upper mass on the lower mass make it possible to overcome the increased vibration-related and adhesion-related adhesion to the base plate caused by damp floors.
  • the large amplitudes with a correspondingly directed force vector enable the device to jump, even on low-elastic and predominantly plastic floors.
  • At least one damper of the damper system has a damping material made of an electroviscous liquid.
  • the viscosity of the liquid can be changed under the influence of electrical voltage. This means that almost any viscosities and thus damping constants can be set on the damper depending on the application of an electrical voltage to the liquid.
  • Damper with electroviscous liquid are therefore particularly suitable for being able to change its damping properties at short notice during operation of the damper.
  • the response time of typical electroviscous liquids is 3 milliseconds.
  • damping properties of the damper system provided for intermittent or continuous coupling of spring systems can therefore advantageously be adjusted by applying a suitable electrical voltage to the electroviscous fluid.
  • the electrical voltage is clocked. This is particularly useful when the vibration properties are set using automatic control.
  • the electrical voltage can also be set to different strengths.
  • timing i.e. to change the time periods for the application of voltage.
  • the electrical voltage or the timing can be set via an automatic control.
  • the automatic control advantageously has at least one sensor system.
  • the sensor system has at least one acceleration sensor. If the base plate of the vibrating plate sinks into a soft floor or comes into contact with a soft floor, the reaction forces that act on the plate from the floor change compared to the forces exerted by a solid surface. In addition, the frequency, amplitude and jump distance of the lower mass change, which can be detected by the acceleration sensor. If the preset limit values are undershot, the sensor can signal that the plate is currently increasing the contact area to soft ground or is already moving on it. This knowledge will then cause the automatic control to change the spring stiffness of the vibration system and thus the vibration behavior accordingly via the damping constant of the damper in order to achieve the effects described above.
  • magnetorheological liquids can also be used, the viscosity of which changes as a function of an applied magnetic field. The control and change of the magnetic field then takes place in a manner similar to the voltage variation or clocking in the case of electro-viscous liquids.
  • At least one spring of the spring system is advantageously arranged parallel to a damper of the damper system. It can also be expedient if at least one spring of the spring system is arranged in series with a damper of the damper system. Appropriate arrangement of springs and dampers in the entire spring-damper system of the vibration plate makes it possible to define suitable spring characteristic ranges within which the vibration properties can be changed.
  • the co-operating springs can have the same or different spring characteristics. It can be particularly advantageous if the spring stiffness of the overall system is adjusted by changing the damping constant in such a way that the upper mass comes into resonance oscillation when the device is operating. As a result, the greatest possible force with a large amplitude can be exerted on the sub-mass in order to overcome the static friction with the soft sub-surface.
  • At least one spring can be switched on or off by a damper connected in series. This is possible because the damper fully activates the spring with maximum rigidity, while eliminating the effect of the spring with a correspondingly soft setting.
  • the resulting direction of oscillation of the upper mass can advantageously be controlled by switching one or more springs on and off. So z. B. there is a resonance vibration of the upper mass in a predetermined or controllable direction and thus align the resulting force vector on the lower mass.
  • the lower mass or the upper mass is expediently coupled to a vibration exciter, by means of which the entire system is replaced by the vibration required for soil compaction and locomotion of the vibration plate.
  • the upper mass is connected to the lower mass at four points in each case by means of a spring-damper combination, the damping properties of the dampers being adjustable asymmetrically.
  • Unsymmetrical means that the dampers can have different damping coefficients at each of the four points, so that, for example, for cohesive soils, an advantageous jumping movement of the lower mass, that is to say the base plate, can be achieved.
  • Figure 1 shows the basic structure of a soil compaction device according to the invention.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a vibration plate according to the invention.
  • the invention is also applicable to other soil compaction devices, e.g. for vibratory rollers or vibratory rammers.
  • An upper mass 1 which essentially receives the drive is coupled via a spring system 2 to a lower mass 3 which represents the base plate.
  • the sub-mass 3 lies flat on the soil to be compacted.
  • the lower mass 3 carries one or more, possibly for the purpose of forming directed vibrations, in opposite directions, not shown, known vibration exciter.
  • the vibration exciter has one or two shafts with unbalance, which from the motor belonging to the upper mass 1 via z. B.
  • V-belts or hydraulics are driven and generate centrifugal forces. These dynamic forces cause both the movement of the slab and its compacting effect.
  • the centrifugal forces generated are always far above the weight of the vibrating plate, which means that the entire device is lifted and moved a few millimeters from the ground for a short time with each revolution of the unbalance.
  • the plate then accelerates back to the ground in order to act on the material to be compacted with the briefly high surface pressure with the built-up kinetic energy and the centrifugal force generated in the exciter.
  • a damper system 4 is arranged between the upper mass 1 and the lower mass 3, which interacts with the spring system 2 and forms an overall vibration system with the masses 1, 3.
  • the spring system 2 consists of several springs connected in parallel or in series, e.g. Metal or metal rubber elements, air springs or other elastic materials that are interconnected via dampers of damper system 4. Appropriate arrangements of springs 2 and dampers 4 are shown in FIGS. 2 and 3.
  • the damper systems react extremely quickly to the corresponding control (within 3 milliseconds) and consist of lifting cylinders filled with electroviscous liquid, the damping constant of which can be regulated in extremely wide ranges by pulsing an applied and additionally variable high voltage.
  • the extreme states of these damper elements lie between no damping, i.e. rigid transmission of the forces introduced, up to 100% damping, as a result of which the forces introduced in the working path of the damper are practically not transmitted but absorbed.
  • a sensor 5 is attached to the lower mass 3 and permanently measures the acceleration of the lower mass 3. If the vibrating plate is guided over a floor area that tends to stick or vibrate, the vibration behavior changes when approaching this floor area, i.e. the amplitude of the base plate (sub-mass 3), because the softer floor exerts other opposing forces on the plate than from a hard surface and the acceleration due to propulsion is reduced. This change is detected by the acceleration sensor 5 and reported to a control unit, not shown, which in turn carries out the adjustment of the viscosity in the damper system 4 by means of suitable voltage regulation and / or clocking of high voltage.
  • the resonance frequency of the oscillation system is set in the range of the excitation frequency, which results in different forms of oscillation depending on the excited natural shape, all of which are characterized by high amplitudes.
  • the resulting large-amplitude vibration can be directed in such a way that it exerts maximum force vectors on the lower mass and thereby promotes the detachment of the lower mass 3 from the ground.
  • the automatic control controls only a single damper element in the overall system or also a plurality of dampers. If several dampers are activated, they can be set to the same damping constant or - if this is expedient in the given application - to different damping constants.
  • the specialist can decide which effort is necessary and appropriate for the design of the automatic control. Even if only one damper is activated, the desired effect according to the invention can be achieved.
  • the acceleration value of the base plate detected by the acceleration sensor 5 is compared with preset target values. If it is determined that the base plate does not achieve the required acceleration pattern, the control unit concludes that the vibration plate is on a problematic surface. The control unit then controls the viscosity in the connected damper elements of the damper system 4 in accordance with predetermined characteristic curves.
  • the operator can also set the vibration behavior of the soil compaction device as a function of the subsurface that he is currently driving over, using control elements (not shown).
  • control elements for example, a switch can be provided which is to be operated by the operator when he detects that the base plate is adhering to soft ground. After actuation of the switch, a corresponding damper system with electroviscous damper elements is activated and the upper mass is brought into resonance in a suitable shape. After driving through the critical floor, the operator switches the switch off again, whereupon the device returns to its normal operating state.
  • the control behavior of the vibration plate is a significant advantage over the prior art, since it has only been possible to adapt or adjust the vibration plate to the soil to be compacted by designing the entire vibration system of the vibration plate and thus only by permanent presetting. So far it has not been possible to set the soil compaction device equally well for two different types of soil (non-cohesive and moist / cohesive soils).
  • RHEOBAY (5) products for example, have proven to be electroviscous or electrorheological liquids. With these liquids, the force usable shear stress and thus the dynamic viscosity increased by applying an electric field within milliseconds. After switching off the voltage, the original viscosity is restored.
  • the field strength to be applied is preferably between 0 and 3 kV / mm. Both direct and alternating voltages can be applied as voltage. The applied voltage can be clocked and pulse widths between 0 and 100% can be achieved.

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Abstract

Bei einer Bodenverdichtungsvorrichtung sind die Dämpfungseigenschaften eines Dämpfersystems (4), das in einem Schwingungssystem eine Obermasse (1) und eine Untermasse (3) zusammen mit einem Federsystem (2) koppelt, im Betrieb der Vorrichtung veränderbar. Dadurch ist es möglich, die Bodenverdichtungsvorrichtung beim Überfahren von Böden mit unterschiedlichen Eigenschaften durch Beeinflussen des Schwingungsverhaltens des Gesamtschwingungssystems stets optimal an den Untergrund anzupassen.

Description

Bodenverdichtungsvorrichtung mit veränderbaren Schwingungseigenschaften
Die Erfindung betrifft eine Bodenverdichtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Zur Bodenverdichtung werden üblicherweise Vibrationsstampfer, Vibrationsplatten oder Vibrationswalzen eingesetzt. Während es sich bei Stampfern um wegerregte Schwingungssysteme mit großer Amplitude handelt, werden bei Vibrationsplatten Schwingungen mittels Krafterregung erzeugt. Aus Gründen der Schwingungsanre- gung der Bodenpartikel, der Führbarkeit und zum Schutz des Bedieners gegen unerwünschte Körperschwingungen sind Vibrationsplatten oft so konzipiert, daß sie eine relativ hohe Frequenz (40 bis 80 Hz) und eine kleine Amplitude der schwingenden Grundplatte aufweisen. Aus der Gattung der Vibrationswalzen kommen zur Bodenverdichtung meist Grabenwalzen zur Anwendung, bei denen Schwingungen durch drehende Unwuchten innerhalb der Bandagen bzw. an dem eine Untermasse bildenden Fahrgestell erzeugt werden.
Beim Einsatz von insbesondere Vibrationsplatten auf feuchten Böden (sogenannte bindige Böden mit hohem Wasseranteil bzw. gesättigte Böden), wie Schluffe und Tone, also feinkörnige Böden mit geringer Neigung zur Wasserdurchlässigkeit, tritt das Problem auf, daß sich die Böden durch Vibrationseinwirkung nur bedingt verdichten lassen. Dies liegt daran, weil die für bindige Böden oft typische Kohäsion auf die Haftung der einzelnen Körner zueinander wirkt und somit eine Umlagerung der Körner verhindert. Bei Vibrationsplatten führt die kleine Amplitude der schwingenden Grundplatte in Verbindung mit der hohen Frequenz zu einer weiteren Wasserübersättigung des Bodens, wodurch dieser schwingungstechnisch weicher und plastischer wird und zusätzlich seine Haftungswirkung auf die Vibrationsplatte zunimmt. Als Ergebnis kann die Vibrationsplatte in dem weichen Erdreich einsinken und nicht mehr fortbewegt werden. Dies hat in der Praxis dazu ge- führt, daß Vibrationsplatten bei feuchtem Wetter oder zum Einsatz auf gesättigten, bindigen Böden nicht zur Anwendung gebracht werden, obwohl die durch Vibrationsplatten zu erzielende Bodenverdichtung und Oberflächenqualität hohe Anerkennung genießen.
In der Praxis tritt jedoch häufig das Problem auf, daß die Vibrationsplatten zwar primär nur auf nichtbindigen Böden eingesetzt werden, aber stellenweise übersättigte, bindige Böden überfahren müssen, die ebenfalls im Verdichtungsbereich liegen. Hierbei besteht für die Vibrationsplatten die Gefahr, daj3 sie beim Überfahren dieser Stellen einsinken bzw. sich durch ihre Eigenschwingung selbst eingraben.
Aus der DE-AS 1 1 68 350 ist eine Rüttelvorrichtung zum Verdichten des Baugrundes mit einer Rüttelplatte bekannt. Die Rüttelplatte ist mit Federn an einer Stra- ßenwalze zwischen der vorderen Walzentrommel und den Hinterrädern befestigt. Zur Erhöhung des Anpressdrucks der Rüttelplatte auf dem Boden sind Hydraulikzylinder vorgesehen, die die Federn und die Rüttelplatte gegen den Boden drücken und dadurch die Federvorspannung erhöhen. Das geschilderte Problem von selbstfahrenden Vibrationsplatten auf bindigen Böden tritt bei dieser Vorrichtung nicht auf, da die Walze für ausreichenden Vortrieb sorgt.
Ähnliche Fahrzeuge mit angebauten Bodenverdichtungsvorrichtungen sind aus DE 43 40 699 AI und DE-OS 20 46 840 bekannt, wo jeweils an einem schweren Fahrantrieb mehrere Rüttelplatten beziehungsweise Stampfer befestigt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bodenverdichtungsvorrichtung anzugeben, bei der sich das oben genannte Problem, das Einsinken der Vorrichtung beim temporären Überfahren von bindigen Böden vermeiden läßt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Bodenverdichtungsvorrichtung mit einer Obermasse, einer Untermasse zur Bodenverdichtung, einem die Ober- und die Untermasse koppelnden Federsystem und mit einem zwischen Obermasse und Untermasse angeordneten Dämpfersystem, das mit dem Federsystem zusammenwirkt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseigenschaften des Dämpfersystems im Betrieb der Vorrichtung veränderbar sind.
Auf diese Weise ist es möglich, die Schwingungseigenschaften und das Schwingverhalten der Vorrichtung zu verändern und zum Beispiel so einzustellen, daß die Schwingweite (Amplitude) beim Überfahren von beispielsweise bindigem Boden derart erhöht wird, daß die Obermasse in eine resonanzartige Schwingungsbewe- gung hineingeführt wird, um damit größere Amplituden und Kräfte auf die Untermasse auszuüben. Bei der Untermasse handelt es sich hierbei in der Regel um die eigentliche Grundplatte inkl. Erreger, mit der der Boden verdichtet wird, während die Obermasse durch den Antrieb und die Steuerung der Vorrichtung gebildet wird.
Dadurch, daß das Schwingverhalten über die Dämpfungseigenschaften eines zur teilweisen oder vollständigen Ankopplung von Federn vorgesehenen Dämpfersy- stems im Betrieb der Vorrichtung veränderbar ist, kann der Bedienungsmann den bindigen Boden ohne Unterbrechung seiner Arbeit überfahren. Die Verstellung der Dämpfungseigenschaften kann manuell oder automatisch erfolgen, wie in einigen der nachfolgenden Unteransprüche definiert ist.
Die durch geeignete Veränderung der Schwingungseigenschaften (Frequenz, Amplitude, Schwingungsrichtung) von Unter- und Obermasse erzeugten Kräfte auf die Untermasse ermöglichen es, die durch feuchte Böden bewirkte erhöhte schwingungstechnisch- und adhäsionsbedingte Haftung an der Grundplatte zu überwinden. Die großen Amplituden mit entsprechend vorwärts gerichtetem Kraftvektor er- möglichen eine Sprungbewegung der Vorrichtung auch auf niedrigelastischen und überwiegend plastischen Böden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens ein Dämpfer des Dämpfersystems ein Dämpfungsmaterial aus einer elektrovisko- sen Flüssigkeit auf. Bei elektroviskosen Flüssigkeiten ist die Viskosität der Flüssigkeit unter Einwirkung elektrischer Spannung veränderbar. Das bedeutet, daß je nach Beaufschlagen der Flüssigkeit mit einer elektrischen Spannung nahezu beliebige Viskositäten und damit Dämpfungskonstanten am Dämpfer einstellbar sind. Dämpfer mit elektroviskoser Flüssigkeit eignen sich daher in besonderer Weise, um im Betrieb des Dämpfers seine Dämpfungseigenschaften kurzfristig ändern zu können. Die Reaktionszeit typischer elektroviskoser Flüssigkeiten liegt bei 3 Millisekunden.
Vorteilhafterweise sind daher die Dämpfungseigenschaften des zur intermittieren- den oder kontinuierlichen Kopplung von Federsystemen vorgesehenen Dämpfersystems durch Beaufschlagung der elektroviskosen Flüssigkeit mit einer geeigneten elektrischen Spannung einstellbar.
Besonders zweckmäßig kann es sein, wenn die elektrische Spannung getaktet ist. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn die Einstellung der Schwingungseigenschaften über eine automatische Regelung erfolgt. Die elektrische Spannung kann zusätzlich auf verschiedene Stärken eingestellt werden.
Es ist aber auch möglich, die Taktung zu variieren, d.h. die Zeitabschnitte für die Beaufschlagung mit Spannung zu verändern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Spannung oder die Taktung über eine automatische Regelung einstellbar. Vorteilhafterweise weist die automatische Regelung wenigstens ein Sensorsystem auf.
Besonders vorzuziehen ist es, wenn das Sensorsystem wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweist. Wenn nämlich die Grundplatte der Vibrationsplatte in einen weichen Boden einsinkt bzw. in Kontakt mit einem weichen Boden gelangt, verändern sich die Reaktionskräfte, die vom Boden auf die Platte wirken, gegen- über den Kräften, die von einem festen Untergrund ausgeübt werden. Außerdem verändern sich Frequenz, Amplitude und Sprungweite der Untermasse, was durch den Beschleunigungssensor erfaßt werden kann. Bei Unterschreiten voreinstellbarer Grenzwerte kann der Sensor das Signal geben, daß die Platte in diesem Moment den Kontaktbereich zu weichem Boden erhöht oder bereits auf diesem fährt. Diese Erkenntnis wird dann die automatische Regelung dazu veranlassen, über die Dämpfungskonstante des Dämpfers die Federsteifigkeit des Schwingungssystems und damit das Schwingverhalten entsprechend zu verändern, um die oben beschriebenen Wirkungen zu erzielen.
Anstelle elektroviskoser Flüssigkeiten können auch magnetorheologische Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, deren Viskosität sich in Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld ändert. Die Ansteuerung und Veränderung des Magnetfelds erfolgt dann in ähnlicher Weise wie die Spannungsvariation bzw. Taktung bei ele- troviskosen Flüssigkeiten.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Feder des Federsystems parallel zu einem Dämpfer des Dämpfersystems angeordnet. Es kann auch zweckmäßig sein, wenn wenigstens eine Feder des Federsystems in Reihe zu einem Dämpfer des Dämpfersystems angeordnet ist. Durch entsprechende Anordnung von Federn und Dämp- fern in dem gesamten Feder-Dämpfersystem der Vibrationsplatte lassen sich dadurch geeignete Federkennlinienbereiche definieren, innerhalb denen die Schwingungseigenschaften verändert werden können. Die zusammenwirkenden Federn können gleiche oder verschiedene Federkennlinien aufweisen. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Federsteifigkeit des Gesamtsystems über die Veränderung der Dämpfungskonstanten derart eingestellt wird, daß die Obermasse im Betrieb der Vorrichtung in Resonanzschwingung gerät. Dadurch kann eine größtmögliche Kraftwirkung bei großer Amplitude auf die Untermasse ausgeübt werden, um für diese die Haftreibung mit dem weichen Untergrund zu überwinden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Feder durch einen in Reihe geschalteten Dämpfer zu- oder abschaltbar. Dies ist dadurch möglich, daß der Dämpfer bei maximaler Steifigkeit die Feder vollständig aktiviert, während er bei entsprechend weicher Einstellung die Wirkung der Feder eliminiert.
Vorteilhafterweise ist die resultierende Schwingrichtung der Obermasse durch Zu- und Abschalten von einer oder mehreren Federn steuerbar. So kann z. B. eine Resonanzschwingung der Obermasse in vorgegebener oder regelbarer Richtung erfolgen und damit den auf der Untermasse resultierenden Kraftvektor zweckmäßig ausrichten.
Zweckmäßigerweise ist die Untermasse oder die Obermasse mit einem Schwingungserreger gekoppelt, durch den das Gesamtsystem in die für die Bodenverdichtung und Fortbewegung der Vibrationsplatte erforderliche Schwingung ersetzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Obermasse an vier Stellen jeweils über eine Feder-Dämpferkombination mit der Untermasse verbunden, wobei die Dämpfungseigenschaften der Dämpfer unsymmetrisch einstellbar sind. Unsymmetrisch bedeutet, daß die Dämpfer an den vier Punkten jeweils unterschiedliche Dämpfungskoeffizienten einnehmen können, wodurch beispielsweise für bindige Böden eine vorteilhafte Sprungbewegung der Untermasse, das heißt der Grundplatte erreicht werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Bodenverdichtungsvorrichtung ;
Fig. 2 und 3 geeignete Anordnungen von Feder- und Dämpferelementen.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau von einer erfindungsgemäßen Vibrationsplatte. Selbstverständlich ist die Erfindung auch bei anderen Bodenverdichtungsvorrichtungen anwendbar, z.B. bei Vibrationswalzen oder auch Vibrationsstampfern.
Eine im wesentlichen den Antrieb aufnehmende Obermasse 1 ist über ein Federsystem 2 mit einer die Grundplatte darstellenden Untermasse 3 gekoppelt. Die Untermasse 3 liegt auf dem zu verdichtenden Boden flächig auf.
Die Untermasse 3 trägt einen oder mehrere, auch zwecks Ausbildung gerichteter Schwingungen möglicherweise gegenläufige, nicht dargestellte, an sich bekannte Schwingungserreger. Je nach Bauart der Vibrationsplatte weist der Schwingungserreger eine oder zwei Wellen mit Unwuchten auf, die von dem zur Obermasse 1 gehörenden Motor über z. B. Keilriemen oder Hydraulik angetrieben werden und dabei Zentrifugalkräfte erzeugen. Diese dynamischen Kräfte bewirken sowohl die Fortbewegung der Platte als auch ihre Verdichtungswirkung. Die erzeugten Zentrifugalkräfte liegen stets weit über dem Eigengewicht der Vibrationsplatte, wodurch das gesamte Gerät bei jeder Umdrehung der Unwuchten kurzfristig um ein paar Millimeter vom Boden abgehoben und fortbewegt wird. Danach beschleunigt die Platte wieder auf den Boden zurück, um dabei mit der aufgebauten kinetischen Energie und der im Erreger erzeugten Zentrifugalkraft mit einer kurzzeitigen hohen Flächenpressung auf das zu verdichtende Material einzuwirken.
Zwischen der Obermasse 1 und der Untermasse 3 ist darüber hinaus ein Dämpfersystem 4 angeordnet, das mit dem Federsystem 2 zusammenwirkt und mit den Massen 1 , 3 ein Gesamtschwingungssystem bildet.
Das Federsystem 2 besteht aus mehreren parallel bzw. in Reihe geschalteten Federn aus z.B. Metall oder Metallgummielementen, Luftfedern oder anderen elastischen Werkstoffen, die über Dämpfer des Dämpfersystems 4 miteinander verschal- tet sind. Zweckmäßige Anordnungen von Federn 2 und Dämpfern 4 sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Da die Dämpfungseigenschaften des Dämpfersystems 4 und damit der einzelnen Dämpfer im Betrieb der Vorrichtung veränderbar sind, können sehr unterschiedliche Kennlinien des Gesamtschwingungssystems eingestellt werden. Unter der Annahme, daß der Dämpfer 4 in Fig. 2 extrem hart eingestellt ist, ist erkennbar, daß die beiden dargestellten Federn 2a, 2b parallel geschaltet sind und sich ihre Fe- derkonstanten addieren. Ist der Dämpfer 4 hingegen extrem weich eingestellt, verliert die Feder 2b ihre Wirkung im Gesamtschwingungssystem, so daß lediglich die Feder 2a das System bestimmt.
Ähnliche Betrachtungen können auch für die Serienschaltung von Federelementen gemäß Fig. 3 angestellt werden.
Die Dämpfersysteme reagieren extrem schnell auf entsprechende Ansteuerung (innerhalb von 3 Millisekunden) und bestehen aus mit elektroviskoser Flüssigkeit gefüllten Hubzylindern, deren Dämpfungskonstante durch Taktung einer angelegten und zusätzlich variablen Hochspannung in extrem weiten Bereichen geregelt werden kann. Die Extremzustände dieser Dämpferelemente liegen zwischen keiner Dämpfung, also starrer Übertragung der eingeleiteten Kräfte, bis zu 100 %-iger Dämpfung, wodurch die eingeleiteten Kräfte im Arbeitsweg des Dämpfers praktisch nicht übertragen sondern absorbiert werden.
An der Untermasse 3 ist ein Sensor 5 angebracht, der permanent die Beschleunigung der Untermasse 3 mißt. Wenn die Vibrationsplatte über eine zum Kleben bzw. zum Einrütteln neigende Bodenstelle geführt wird, ändert sich bei Annäherung an diese Bodenstelle das Schwingungsverhalten, d.h. die Amplitude der Grundplatte (Untermasse 3), weil von dem weicheren Boden andere Gegenkräfte auf die Platte ausgeübt werden als von einem harten Untergrund und sich die Vortriebsbeschleunigung verringert. Diese Veränderung wird über den Beschleunigungssensor 5 erfaßt und an eine nicht dargestellte Regeleinheit gemeldet, die wiederum die Einstellung der Viskosität im Dämpfersystem 4 durch geeignete Span- nungsregelung und/oder Taktung von Hochspannung durchführt. Dadurch wird erfindungsgemäß die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems in den Bereich der Anregungsfrequenz eingestellt, wodurch sich je nach angeregter Eigenform unterschiedliche Schwingungsformen ergeben, die alle durch hohe Amplituden gekennzeichnet sind. Durch geeignete Frequenzauswahl und Anbringung der Feder- und Dämpferelemente kann die nunmehr resultierende großamplitudige Schwingung so gerichtet sein, daß sie maximale Kraftvektoren auf die Untermasse ausübt und dadurch das Loslösen der Untermasse 3 vom Boden fördert. Je nach Ausführungsform steuert die automatische Regelung nur ein einzelnes Dämpferglied in dem Gesamtsystem oder auch mehrere Dämpfer an. Werden mehrere Dämpfer angesteuert, können sie auf die gleiche Dämpfungskonstante eingestellt werden oder - falls dies im gegebenen Anwendungsfall zweckmäßig ist - auf unterschiedliche Dämpfungskonstanten. Hier kann der Fachmann entscheiden, welcher Aufwand für die Auslegung der automatischen Regelung erforderlich und angemessen ist. Schon bei Ansteuerung von nur einem Dämpfer kann gegebenenfalls die gewünschte erfindungsgemäße Wirkung erzielt werden.
In der Regeleinheit wird der vom Beschleunigungssensor 5 erfaßte Beschleunigungswert der Grundplatte mit voreingestellten Sollwerten verglichen. Wird festgestellt, daß die Grundplatte die geforderten Beschleunigungsmuster nicht erreicht, schließt die Regeleinheit daraus, daß sich die Vibrationsplatte auf problematischem Untergrund befindet. Daraufhin steuert die Regeleinheit die Viskosität in den angeschlossenen Dämpferelementen des Dämpfersystems 4 entsprechend von vorgegebenen Kennlinien an.
Statt einer automatischen Regelung kann der Bediener auch über nicht dargestellte Bedienelemente das Schwingungsverhalten der Bodenverdichtungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Untergrund, den er gerade überfährt, einstellen. So kann beispielsweise ein Schalter vorgesehen werden, der dann vom Bediener zu betätigen ist, wenn er ein Haften der Grundplatte auf weichem Boden feststellt. Nach Betätigung des Schalters wird dann ein entsprechendes Dämpfersystem mit elektroviskosen Dämpferelementen aktiviert und die Obermasse in Resonanz einer ge- eigneten Eigenform gebracht. Nach Durchfahren des kritischen Bodens schaltet der Bediener den Schalter wieder aus, worauf die Vorrichtung wieder ihren normalen Betriebszustand erreicht.
In dem Regelverhalten der Vibrationsplatte ist ein bedeutender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik zu sehen, da es bisher nur durch Auslegung des gesamten Schwingungssystems der Vibrationsplatte und damit nur durch dauerhafte Voreinstellung gelang, die Vibrationsplatte auf den zu verdichtenden Boden annähernd anzupassen bzw. einzustellen. Dabei war es bisher nicht möglich, die Bodenverdichtungsvorrichtung für zwei unterschiedliche Arten von Böden (nicht bindige und feuchte/bindige Böden) gleichermaßen gut einzustellen.
Als elektroviskose bzw. elektrorheologische Flüssigkeiten haben sich beispielswei- se RHEOBAY (5) -Produkte erwiesen. Bei diesen Flüssigkeiten wird die zur Kraftüber- tragung nutzbare Schubspannung und damit die dynamische Viskosität durch Anlegen eines elektrischen Feldes innerhalb von Millisekunden angehoben. Nach Abschalten der Spannung stellt sich die Ursprungsviskosität wieder ein. Die anzulegende Feldstärke liegt vorzugsweise zwischen 0 und 3 kV/mm. Als Spannung können sowohl Gleich- als auch Wechselspannungen angelegt werden. Die angelegte Spannung kann getaktet werden und Pulsbreiten zwischen 0 und 100 % erreichen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Bodenverdichtungsvorrichtung mit
- einer Obermasse (1); - einer Untermasse (3) zur Bodenverdichtung;
- einem die Obermasse und die Untermasse koppelnden Federsystem (2); und mit
- einem zwischen Obermasse und Untermasse angeordneten Dämpfersystem (4), das mit dem Federsystem zusammenwirkt; dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseigenschaften des Dämpfersystems (4) im Betrieb der Vorrichtung aktiv veränderbar sind.
2. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Dämpfer des Dämpfersystems (4) ein Dämpfungsmaterial aus einer elektroviskosen oder magnetorheologischen Flüssigkeit aufweist.
3. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseigenschaften des Dämpfersystems (4) durch Beaufschlagen der elektroviskosen Flüssigkeit mit einer geeigneten elektrischen Spannung oder der magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem geeigneten Magnetfeld einstellbar sind.
4. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung getaktet ist.
5. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung auf verschiedene Werte einstellbar ist.
6. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Taktung der Spannung variierbar ist.
7. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung oder die Taktung über eine automatische Regelung einstellbar ist.
8. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Regelung wenigstens ein Sensorsystem (5) aufweist.
9. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem wenigstens einen Beschleunigungssensor (5) aufweist.
10. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Feder des Federsystems (2) parallel zu einem Dämpfer des Dämpfersystems (4) angeordnet ist.
11. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da- durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Feder des Federsystems (2) in Reihe zu einem Dämpfer des Dämpfersystems (4) angeordnet ist.
12. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Federn (2a, 2b) mit dem Dämpfer (4) zusam- menwirken, die gleiche oder verschiedene Federkennlinien aufweisen.
13. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseigenschaften derart einstellbar sind, daß die Obermasse (1) im Betrieb der Vorrichtung in Resonanzschwingung gerät.
14. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Feder (2) durch einen in Reihe geschalteten Dämpfer (4) zu- oder abschaltbar ist.
15. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine resultierende Schwingrichtung der Obermasse durch Zu- oder Abschalten von einer oder mehreren Federn (2) steuerbar ist.
16. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Untermasse (3) mit einem Schwingungserreger gekoppelt ist.
17. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Obermasse (1) an vier Stellen jeweils über eine Feder-Dämpferkombination (2, 4) mit der Untermasse (3) verbunden ist, und daß die Dämpfungseigenschaften der Dämpfer unsymmetrisch einstellbar sind.
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