EP2212477B1 - Bodenstampfvorrichtung mit adaptiver antriebsregelung - Google Patents

Bodenstampfvorrichtung mit adaptiver antriebsregelung Download PDF

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EP2212477B1
EP2212477B1 EP08802845.1A EP08802845A EP2212477B1 EP 2212477 B1 EP2212477 B1 EP 2212477B1 EP 08802845 A EP08802845 A EP 08802845A EP 2212477 B1 EP2212477 B1 EP 2212477B1
Authority
EP
European Patent Office
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drive motor
behaviour
aperiodic
rotational speed
behavior
Prior art date
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Not-in-force
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EP08802845.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2212477A1 (de
Inventor
Michael Steffen
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Wacker Neuson Produktion GmbH and Co KG
Original Assignee
Wacker Neuson Produktion GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2212477A1 publication Critical patent/EP2212477A1/de
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a ramming device for soil compaction.
  • Such a tamping device hereinafter also referred to as rammer, is known in various embodiments, such as from DE 44 45 188 A1 or DE 197 39 743 A1 ,
  • the basic principle is based on the fact that a rotary motion of a drive motor is converted into an oscillating linear motion, which is transmitted via a spring system to a ground contact element, for example a padfoot.
  • the rammer has an upper mass, which includes, among others, the drive motor, a part of a crank mechanism, housing elements and bearings. With the upper mass, a lower mass is movably coupled via a spring device, which has the ground contact element for soil compaction.
  • the crank mechanism converts the rotational movement of the drive motor into a linear reciprocating motion, which is transmitted by the spring device, in particular via a two-sided spring system, to the lower mass and thus to the ground contact element.
  • An example of the spring device is in the DE 197 39 743 A1 shown.
  • crank mechanism imposes a periodic, oscillating movement on the ground contact element. This periodic movement is also ideally maintained during soil compaction. Then the soil can be compacted very effectively.
  • rammers can usually be optimally designed only for a particular soil structure or stiffness, so that in some soil structures, the periodic movement at least approximately achieved and thus an effective compaction can be realized while other soils due to a not more periodic behavior can be condensed only limited. So it happens, for example, that a rammer on uncompressed, compaction-willing soil uniformly compacts the soil, while he falls with increasing soil density "out of kilter". This may, for example, result in a blank bang following two strokes of the padfoot because the spring-mass system formed by the rammer and the ground is no longer in synchronization. A blanking occurs especially when such a large recoil force acts on the lower mass in the previously effective impact that the entire rammer so is pressed high above the ground that in the subsequent cycle, the ground contact plate can no longer reach the ground.
  • the passive system (upper mass, guide handle) reacts with high amplitudes, which can lead to the loss of the controllability of the rammer.
  • the operator is burdened with the leadership of the rammer high, while the device works only with low efficiency.
  • the hand-arm accelerations reach high values, which reduces the useful life of the device.
  • FIG. 5 and 6 show examples of synchronous, periodic operation ( Fig. 5 ) and an asynchronous, aperiodic operation ( Fig. 6 ) of a rammer.
  • the amplitude curves are shown over time for belonging to the lower mass padfoot, belonging to the upper mass crankcase and also belonging to the upper mass, but usually cushioned handle.
  • FIG. 5 shown periodic operation
  • FIG. 6 shown asynchronous operation leads to a stochastic movement behavior of the components of the rammer.
  • a soil compacting device with variable vibration characteristics is known.
  • the soil compacting device is always optimally adapted to the ground when driving over soils with different properties by influencing the vibration behavior of the overall vibration system.
  • the invention has for its object to provide a stamping device, with a uniform, periodic work is possible even with different soil structures.
  • a ramming apparatus comprises in a known manner a drive motor, an upper mass receiving or encompassing the drive motor, a lower mass movably coupled to the upper mass via a spring means comprising a ground contact element for ground compaction, and a motion transfer means for transmitting a drive motion from the drive motor and generating a periodic one Movement of the ground contact element. Furthermore, a detection device for detecting a measurement parameter for the dynamic behavior of at least one component of the tamping device is provided. An evaluation device is used to evaluate the dynamic behavior and to recognize an aperiodic behavior. It can be displayed via a display device that an aperiodic behavior is detected by the evaluation device.
  • various subregions and components are conceivable, such as e.g. the motor shaft, a crank shaft belonging to the crankshaft, connecting rod, upper mass housing, padfoot with ground contact element, guide handle, etc.
  • a measuring parameter is permanently detected during operation of the tamping device, which serves as a criterion for the dynamic behavior of the component in question, but possibly also the entire tamping device.
  • the measurement parameter should correspond to the periodic excitation by the motion transmission means, e.g. a crank mechanism, also document a periodic behavior.
  • the evaluator determines that the measurement parameter and thus the actual dynamic behavior is of a substantially uniform, e.g. differs from sinusoidal periodic behavior, this is considered as a criterion for aperiodic behavior. It is concluded that the operation of the rammer is not optimal and therefore caused by the operator changes. The operator is then informed via the display device that an aperiodic behavior is present.
  • Static or dynamic rules may be stored in the evaluation device for defining recommendations for action on the part of the user, in particular how he should change the speed of the drive motor in order to reduce the aperiodic behavior.
  • the evaluation device is statically or dynamically capable of selecting a suitable recommended action as a function of the recognized aperiodic behavior and outputting it via the display device. The operator can be informed in this way to increase the speed or lower in order to achieve at least approximately periodic behavior of the rammer and thus a synchronous interaction between rammer and ground.
  • the tamping device has a control device for changing at least one dynamic parameter of at least one of the components of the tamping device if an aperiodic behavior is detected by the evaluation device.
  • the control device automatically carries out suitable measures in order to achieve a periodic, synchronous behavior in the case of an aperiodic behavior. If the controller performs these measures continuously or with very short time intervals, the operator will not notice.
  • the vibration behavior of the rammer can be determined by a suitable measurement parameter, which is selected from the group of rotational speed of the drive motor, load surges on a motor shaft of the drive motor, speed of the motion transmission device, movement behavior of the relevant monitored component, relative movement between the upper mass and lower mass, acceleration of the relevant component, Acceleration of the upper mass, acceleration of the lower mass, acceleration of a mounted on the upper mass guide handle, rotation angle between the guide handle and the upper mass.
  • a suitable measurement parameter which is selected from the group of rotational speed of the drive motor, load surges on a motor shaft of the drive motor, speed of the motion transmission device, movement behavior of the relevant monitored component, relative movement between the upper mass and lower mass, acceleration of the relevant component, Acceleration of the upper mass, acceleration of the lower mass, acceleration of a mounted on the upper mass guide handle, rotation angle between the guide handle and the upper mass.
  • the load surges on the motor shaft of the drive motor cause a change in the engine speed, which can be detected relatively easily.
  • the shocks result from a pulsating power consumption of the ramming system and lead to a periodic change in the engine speed.
  • the speed changes are significantly different with regular exchange of force of the padfoot (ground contact element) with the ground than with empty laps of the ramming system, that can adapt to an aperiodic behavior.
  • the evaluation assumes a proper operation.
  • deviations from the periodic change occur ie if an aperiodic behavior is detected, the appropriate measures can be taken.
  • the movement behavior or the acceleration of a respectively suitable component of the rammer can also be detected and evaluated.
  • the dynamic parameter is selected from the group speed of the drive motor, torque of the drive motor, spring stiffness of the spring device between the upper mass and lower mass, and damping properties of a arranged between the upper mass and lower mass damper.
  • a change in the speed of the drive motor will be the easiest way to influence the dynamic behavior of the tamping device.
  • the speed can either be changed manually by the operator if the display device gives him a corresponding action recommendation.
  • the control device can automatically change the speed of the drive motor in a suitable manner when an aperiodisches behavior is detected.
  • the spring stiffness of the upper mass and the lower mass coupling spring means can be changed.
  • Corresponding devices for this are known from many areas of technology, for example from the automotive industry. Additionally or alternatively, it is possible to make interventions in the damping system of the rammer.
  • the spring device also has damping properties that can be changed, for example, by activatable active damping elements between the upper mass and the lower mass.
  • the amplitude or amplitude of the ground contact element i. in particular to adjust the jump height of the padfoot. This is e.g. by adjusting the transmission behavior of the motion transmission device possible.
  • the crank radius of the tamping drive to be adjusted to change the stroke for the excitation of the transmission system serving spring system.
  • the oscillation frequency of the ground contact element e.g. the transmission ratio between the drive motor and the motion transmission device are adjusted so that a change in frequency of the tamping movement takes place at the same engine speed.
  • both the engine speed and the gear ratio can be changed to change the overall vibration frequency.
  • An aperiodic behavior can be detected, in particular, if the correspondingly provided measurement parameter deviates from an ideal periodic behavior beyond a predetermined extent.
  • the ideal periodic behavior should be set in such a way that it can be easily achieved in the normal, efficient operation of the rammer. Deviation within this range is permitted by this ideal periodic behavior. Only when the tolerance range is exceeded, an aperiodic behavior is assumed, so that the appropriate measures are taken.
  • the drive motor is a gasoline engine, wherein the variable speed as a dynamic parameter is a nominal or limit speed.
  • the drive motor may also be an electric motor, e.g. having an electronic speed controller in the form of a voltage or frequency controller.
  • the limit speed may be changed to thereby influence the drive frequency of the ram.
  • the gasoline engine may include a map-controlled ignition device, wherein the speed of the gasoline engine by the ignition device by means of a variation of an ignition timing is to be kept substantially constant to the value of the limit speed.
  • control device may be designed such that upon detection of aperiodic behavior of the motor shaft, a change in the rotational speed of the drive motor is effected in accordance with predetermined rules.
  • the rules can be stored in the evaluation device, e.g. in the form of specifications which prescribe a specific control measure when the aperiodic behavior occurs, as well as by characteristic curves, maps and / or predetermined operating points on characteristic curves or characteristic diagrams.
  • rules are specified in the evaluation device which, if an aperiodic behavior has been recognized, are to be taken by the control device. This can mean a slow linear increase or decrease in the limit speed of the drive motor.
  • specific operating points can be set selectively on the respectively associated characteristic curve or the characteristic diagrams which can be pre-defined in advance by the manufacturer. It is possible, for example, to specify, in addition to the normal operating point, three to five alternative operating points, which may be set in succession by the control device in order to test whether the vibration behavior of the rammer improves. It has been found that in most cases an improvement of the periodic rammer behavior can be achieved.
  • Fig. 1 shows a typical tamper in side view, with an upper mass 1 and a lower mass 2, which includes a paddle foot 3 serving as a ground contact element.
  • To the upper mass 1 includes a drive motor 4, which is designed as a gasoline engine.
  • a guide handle 5 is elastically attached to the upper mass 1, on which the operator can guide the rammer and carries a fuel tank 6.
  • crank mechanism Inside a belonging to the upper mass 1 housing 7, a crank mechanism is arranged in a known manner, which converts the rotational movement of the drive motor 4 in an oscillating linear motion, via a not shown, known spring system on the lower mass 2 and finally on the padfoot. 3 is transmitted.
  • Fig. 2 shows the rammer in a simplified schematic representation, where there is also a the upper mass 1 with the lower mass 2 coupling spring device 8 is located.
  • Fig. 3 the rammer is shown simplified again in the form of the drive motor 4, which drives a connecting rod 10 via a crankshaft 9, whose linear reciprocating motion is transmitted to the lower mass 2 via the spring device 8.
  • crankshaft 9 which in the example shown is simultaneously a motor shaft 4a of the drive motor 4, is detected by a rotational speed sensor 11.
  • a rotational speed sensor 11 e.g., a rotational speed sensor 10.
  • the motor shaft 4 a of the drive motor 4 initially drives a transmission which is finally coupled to the crankshaft 9.
  • a speed sensor 11 are conventional sensors.
  • the information about the speed behavior can also be obtained by monitoring the ignition, etc.
  • a control processor of the ignition system of the drive motor 4 can be used to obtain information about the speed behavior of the motor shaft 4a or the crankshaft 9. The aim is to detect and monitor the change in the speed in the drive train due to the load surges occurring when working with the rammer.
  • the corresponding measurement signal from the rotational speed sensor 11 or alternative information is supplied to a detection device 12, which detects the dynamic behavior of the crankshaft 9 or the motor shaft 4a.
  • Corresponding information is transferred by the detection device 12 to an evaluation device 13, which detects an aperiodic behavior by evaluating the dynamic behavior. If the evaluation device 13, the exemplary in Fig. 6 If it detects the aperiodic behavior of the rammer shown, it can indicate this via a display device 14. In an example for a better understanding of the invention, it can pass on the information to a control device 15, which controls an ignition system 16 of the drive motor 4 according to predetermined rules to change the speed. By changing the speed, a changed dynamic behavior of the rammer is achieved, which ideally results in an improvement of the periodic behavior, so that an example in Fig. 5 shown movement behavior can be achieved.
  • the operator is informed by the display device 14 that an aperiodic behavior has been detected.
  • the operator is given recommendations for action, which measures he should take in order to reduce aperiodic behavior. So could e.g. two LEDs labeled "plus” and “minus” encourage the operator to increase or decrease the speed by operating the throttle lever.
  • Fig. 4 shows different characteristics or two-dimensional maps that define the ignition timing in dependence on the engine speed. In a range from 0 to about 3,700 rpm, the maps are the same. In the important for the operation of work area from 3700 to 5000 min -1, however, four maps are spread by corresponding characteristic curves and thereby define a different behavior.
  • the evaluation device 13 or the control device 15 selects either within a characteristic field or for different maps predetermined operating points that can be set upon detection of aperiodic behavior.
  • the dynamic behavior of the rammer can be changed until an improvement in the periodic behavior is achieved.
  • An ignition map controlled on this basis is suitable e.g. for two-stroke engines in which the limit speed of the engine is maintained by varying the ignition timing.
  • the period of the flywheel mounted on the crankshaft is used, from which magnetic signals are obtained in the magneto ignition, which are used as criterion for the speed and replace the signal of a speed sensor 11 so that it can be dispensed with.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stampfvorrichtung zur Bodenverdichtung.
  • Eine derartige Stampfvorrichtung, nachfolgend auch als Stampfer bezeichnet, ist in vielfältigen Ausführungsformen bekannt, so z.B. aus DE 44 45 188 A1 oder DE 197 39 743 A1 .
  • Das Grundprinzip beruht darauf, dass eine Drehbewegung eines Antriebsmotors in eine oszillierende Linearbewegung gewandelt wird, die über ein Federsystem auf ein Bodenkontaktelement, z.B. einen Stampffuß übertragen wird. Der Stampfer weist eine Obermasse auf, die u.a. den Antriebsmotor, einen Teil eines Kurbeltriebs, Gehäuseelemente und Lager umfasst. Mit der Obermasse ist über eine Federeinrichtung eine Untermasse beweglich gekoppelt, die das Bodenkontaktelement zur Bodenverdichtung aufweist. Der Kurbeltrieb wandelt die Drehbewegung des Antriebsmotors in eine lineare Hin- und Herbewegung, die durch die Federeinrichtung, insbesondere über ein zweiseitig wirkendes Federsystem auf die Untermasse und damit auf das Bodenkontaktelement übertragen wird. Ein Beispiel für die Federeinrichtung ist in der DE 197 39 743 A1 gezeigt.
  • Durch die Bewegung des Kurbeltriebs wird dem Bodenkontaktelement eine periodische, oszillierende Bewegung aufgezwungen. Diese periodische Bewegung wird auch im Idealfall bei der Bodenverdichtung beibehalten. Dann kann der Boden besonders effektiv verdichtet werden.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Stampfer meist nur für eine bestimmte Bodenstruktur bzw. -steifigkeit optimal ausgelegt werden können, so dass bei einigen Bodenstrukturen die periodische Bewegung zumindest annäherungsweise erreicht und damit eine wirkungsvolle Verdichtung realisiert werden kann, während bei anderen Böden aufgrund eines nicht mehr periodischen Verhaltens nur noch eingeschränkt verdichtet werden kann. So kommt es z.B. vor, dass ein Stampfer auf unverdichtetem, verdichtungswilligem Boden gleichmäßig den Boden verdichtet, während er bei zunehmender Bodendichte "außer Tritt" fällt. Dies kann z.B. dazu führen, dass auf zwei Arbeitsschläge des Stampffußes ein Leerschlag folgt, weil sich das Feder-Massen-System, dass durch den Stampfer und den Boden gebildet wird, nicht mehr in Synchronisation befindet. Ein Leerschlag erfolgt insbesondere dann, wenn bei dem vorher wirksamen Schlag eine derart große Rückstoßkraft auf die Untermasse wirkt, dass der gesamte Stampfer derart hoch über den Boden gedrückt wird, dass im nachfolgenden Zyklus die Bodenkontaktplatte den Boden nicht mehr erreichen kann.
  • Bei einem asynchronen, aperiodischen Betrieb reagiert das passive System (Obermasse, Führungshandgriff) mit hohen Amplituden, was zum Verlust der Führbarkeit des Stampfers führen kann. Der Bediener wird dabei mit der Führung des Stampfers hoch belastet, während das Gerät nur mit geringer Effektivität arbeitet. Die Hand-Arm-Beschleunigungen erreichen hohe Werte, was die Nutzungszeit des Gerätes verringert.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen Beispiele für den synchronen, periodischen Betrieb (Fig. 5) und einen asynchronen, aperiodischen Betrieb (Fig. 6) eines Stampfers. Dabei sind jeweils die Amplitudenverläufe über der Zeit für den zur Untermasse gehörenden Stampffuß, das zur Obermasse gehörende Kurbelgehäuse und den ebenfalls zur Obermasse gehörenden, jedoch meist abgefederten Handgriff dargestellt. Deutlich erkennbar sind die harmonischen Bewegungen von Fuß, Kurbelgehäuse und Handgriff bei dem in Figur 5 gezeigten periodischen Betrieb, während der in Figur 6 gezeigte asynchrone Betrieb zu einem stochastischen Bewegungsverhalten der Komponenten des Stampfers führt.
  • Aus der DE 197 31 731 A1 ist eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit veränderbaren Schwingungseigenschaften bekannt. Die Bodenverdichtungsvorrichtung ist beim Überfahren von Böden mit unterschiedlichen Eigenschaften durch Beeinflussung des Schwingungsverhaltens des Gesamtschwingungssystems stets optimal an den Untergrund anzupassen.
  • Eine ähnliche Bodenverdichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und mit Schwingungsdetektion ist in der WO 01/81680 A1 beschrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stampfvorrichtung anzugeben, mit der ein gleichmäßiges, periodisches Arbeiten auch bei unterschiedlichen Bodenstrukturen möglich ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stampfvorrichtungen gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Eine Stampfvorrichtung weist in bekannter Weise einen Antriebsmotor, eine den Antriebsmotor aufnehmende bzw. umfassende Obermasse, eine mit der Obermasse über eine Federeinrichtung beweglich gekoppelte Untermasse, die ein Bodenkontaktelement zur Bodenverdichtung umfasst, und eine Bewegungsübertragungseinrichtung zum Übertragen einer Antriebsbewegung von dem Antriebsmotor und Erzeugen einer periodischen Bewegung des Bodenkontaktelements auf. Weiterhin ist eine Detektionseinrichtung zum Erfassen eines Messparameters für das dynamische Verhalten von wenigstens einer Komponente der Stampfvorrichtung vorgesehen. Eine Auswerteeinrichtung dient zum Auswerten des dynamischen Verhaltens und zum Erkennen eines aperiodischen Verhaltens. Über eine Anzeigeeinrichtung kann angezeigt werden, dass durch die Auswerteeinrichtung ein aperiodisches Verhalten erkannt wird.
  • Als Komponente der Stampfvorrichtung sind verschiedene Teilbereiche und Bauelemente denkbar, wie z.B. die Motorwelle, eine zum Kurbeltrieb gehörende Kurbelwelle, Pleuel, Obermassengehäuse, Stampffuß mit Bodenkontaktelement, Führungshandgriff etc.
  • Somit wird während des Betriebs der Stampfvorrichtung permanent ein Messparameter erfasst, der als Kriterium für das dynamische Verhalten der betreffenden Komponente, gegebenenfalls aber auch der gesamten Stampfvorrichtung dient. Im Idealfall soll der Messparameter entsprechend der periodischen Anregung durch die Bewegungsübertragungseinrichtung, also z.B. eines Kurbeltriebs, ebenfalls ein periodisches Verhalten dokumentieren. Wenn jedoch die Auswerteeinrichtung feststellt, dass der Messparameter und damit das tatsächliche dynamische Verhalten von einem im Wesentlichen gleichförmigen, z.B. sinusförmigen periodischen Verhalten abweicht, wird dies als Kriterium für ein aperiodisches Verhalten angesehen. Daraus wird geschlossen, dass der Betrieb des Stampfers nicht optimal erfolgt und daher Änderungen durch den Bediener veranlasst sind. Der Bediener wird dann über die Anzeigeeinrichtung darüber informiert, dass ein aperiodisches Verhalten vorliegt.
  • In der Auswerteeinrichtung können statische oder dynamische Regeln hinterlegt sein, zum Definieren von Handlungsempfehlungen für den Benutzer, insbesondere wie er die Drehzahl des Antriebsmotors verändern sollte, um das aperiodische Verhalten zu mindern. Die Auswerteeinrichtung ist statisch oder dynamisch in der Lage, eine geeignete Handlungsempfehlung in Abhängigkeit von dem erkannten aperiodischen Verhalten auszuwählen und über die Anzeigeeinrichtung auszugeben. Dem Bediener kann auf diese Weise mitgeteilt werden, die Drehzahl zu erhöhen oder zu senken, um wieder ein wenigstens annähernd periodisches Verhalten des Stampfers und damit ein synchrones Zusammenwirken zwischen Stampfer und Boden zu erreichen.
  • Bei einem Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung weist die Stampfvorrichtung eine Steuereinrichtung auf, zum Verändern von wenigstens einem Dynamikparameter von wenigstens einer der Komponenten der Stampfvorrichtung, wenn ein aperiodisches Verhalten durch die Auswerteeinrichtung erkannt wird. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass der Bediener über das aperiodische Verhalten informiert wird und Steuerungsmaßnahmen wie z.B. ein Verändern der Drehzahl, ergreift. Vielmehr führt die Steuereinrichtung selbst automatisch geeignete Maßnahmen durch, um im Falle eines aperiodischen Verhaltens wieder ein periodisches, synchrones Verhalten zu erreichen. Sofern die Steuereinrichtung diese Maßnahmen kontinuierlich oder mit sehr kurzen Zeitabständen vollzieht, wird der Bediener davon gar nichts mitbekommen.
  • Selbstverständlich ist es möglich, auch bei dieser Variante eine Anzeigeeinrichtung vorzusehen, um den Bediener darüber zu informieren, dass ein aperiodisches Verhalten durch die Auswerteeinrichtung erkannt wird. Die Änderung des Dynamikparamters bzw. Durchführung der Steuermaßnahmen kann aber auch erfolgen, ohne dass der Bediener informiert wird. Die Anzeigeeinrichtung ist dann nicht erforderlich.
  • Das Schwingungsverhalten des Stampfers kann durch einen geeigneten Messparameter festgestellt werden, der ausgewählt ist aus der Gruppe Drehzahl des Antriebsmotors, Laststöße auf eine Motorwelle des Antriebsmotors, Drehzahl der Bewegungsübertragungseinrichtung, Bewegungsverhalten der betreffenden überwachten Komponente, Relativbewegung zwischen Obermasse und Untermasse, Beschleunigung der betreffenden Komponente, Beschleunigung der Obermasse, Beschleunigung der Untermasse, Beschleunigung eines an der Obermasse angebrachten Führungshandgriffs, Drehwinkel zwischen dem Führungshandgriff und der Obermasse.
  • Die Laststöße auf die Motorwelle des Antriebsmotors bewirken eine Änderung der Motordrehzahl, die verhältnismäßig einfach erfasst werden kann. Die Stöße resultieren aus einer pulsierenden Leistungsaufnahme des Stampfsystems und führen zu einer periodischen Veränderung der Motordrehzahl. Die Drehzahlveränderungen sind bei regelmäßigem Kraftaustausch des Stampffußes (Bodenkontaktelement) mit dem Boden signifikant anders als bei Leerschlägen des Stampfsystems, die sich bei einem aperiodischen Verhalten einstellen können. Solange sich die Motordrehzahl periodisch ändert, unterstellt die Auswerteeinrichtung einen ordnungsgemäßen Betrieb. Treten hingegen Abweichungen von der periodischen Änderung auf, wird also mithin ein aperiodisches Verhalten festgestellt, können die entsprechenden Maßnahmen ergriffen werden.
  • Ergänzend oder alternativ zu der Drehzahl kann auch das Bewegungsverhalten oder die Beschleunigung einer jeweils geeigneten Komponente des Stampfers erfasst und ausgewertet werden. Zudem kann es zweckmäßig sein, auch den Drehwinkel des Führungshandgriffs relativ zu der Obermasse zu erfassen und auszuwerten.
  • In einer einfachen Ausführungsform genügt es, nur einen Messparameter zu erfassen. Je nach gewünschter Genauigkeit kann es aber auch zweckmäßig sein, mehrere Messparameter, z.B. auch durch mehrere Messaufnehmer (Drehzahlsensor, Beschleunigungssensor etc.) auszuwerten, um ein möglichst präzises Bild über das Bewegungsverhalten des Stampfers zu erhalten.
  • Der Dynamikparameter ist ausgewählt aus der Gruppe Drehzahl des Antriebsmotors, Drehmoment des Antriebsmotors, Federsteifigkeit der Federeinrichtung zwischen Obermasse und Untermasse, sowie Dämpfungseigenschaften einer zwischen Obermasse und Untermasse angeordneten Dämpfungseinrichtung.
  • Eine Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors wird die einfachste Möglichkeit sein, das dynamische Verhalten der Stampfvorrichtung zu beeinflussen. Die Drehzahl kann entweder manuell durch den Bediener geändert werden, wenn ihm die Anzeigeeinrichtung eine entsprechende Handlungsempfehlung gibt. Bei einem Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung kann aber auch die Steuereinrichtung automatisch die Drehzahl des Antriebsmotors in geeigneter Weise verändern, wenn ein aperiodisches Verhalten festgestellt wird.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann auch die Federsteifigkeit der die Obermasse und die Untermasse koppelnden Federeinrichtung verändert werden. Entsprechende Einrichtungen dafür sind aus vielen Bereichen der Technik, z.B. aus dem Automobilbau, bekannt. Ergänzend oder alternativ dazu ist es möglich, Eingriffe in das Dämpfungssystem des Stampfers vorzunehmen. So weist im Regelfall die Federeinrichtung auch Dämpfungseigenschaften auf, die z.B. durch ansteuerbare aktive Dämpfungsglieder zwischen der Obermasse und der Untermasse verändert werden kann.
  • Ebenso alternativ oder ergänzend ist es möglich, die Schwingweite bzw. Amplitude des Bodenkontaktelements, d.h. insbesondere die Sprunghöhe des Stampffußes einzustellen. Das ist z.B. durch Verstellen des Übertragungsverhaltens der Bewegungsübertragungseinrichtung möglich. So kann z.B. der Kurbelradius des Stampfantriebs verstellt werden, um den Hub für die Anregung des zur Bewegungsübertragung dienenden Federsystems zu verändern.
  • Ergänzend oder alternativ dazu ist es möglich, die Schwingfrequenz des Bodenkontaktelements zu ändern. Dabei kann z.B. das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebsmotor und der Bewegungsübertragungseinrichtung verstellt werden, so dass bei unveränderter Motordrehzahl eine Frequenzänderung der Stampfbewegung erfolgt. Ebenso können natürlich sowohl die Motordrehzahl als auch das Übersetzungsverhältnis verändert werden, um die Schwingfrequenz insgesamt zu ändern.
  • Die genannten Möglichkeiten für die Festlegung des Dynamikparameters können einzeln, aber auch in Kombination ergriffen werden. Dabei ist es möglich, dass die Maßnahmen in die gleiche, aber auch in die entgegengesetzte Richtung wirken können. So ist es z.B. denkbar, dass der Kurbelradius verkleinert und gleichzeitig die Motordrehzahl bzw. Stampffrequenz erhöht wird.
  • Ein aperiodisches Verhalten kann insbesondere dann erkannt werden, wenn der entsprechend vorgesehene Messparameter über ein vorgegebenes Maß hinaus von einem idealperiodischen Verhalten abweicht. Das idealperiodische Verhalten sollte derart vorgegeben werden, dass es im normalen, wirkungsvollen Betrieb des Stampfers problemlos erreicht werden kann. Von diesem idealperiodischen Verhalten sind Abweichungen im Rahmen des vorgegebenen Maßes zulässig. Erst wenn der Toleranzbereich überschritten wird, wird von einem aperiodischen Verhalten ausgegangen, so dass die entsprechenden Maßnahmen ergriffen werden.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Antriebsmotor ein Benzinmotor, wobei die als Dynamikparameter veränderbare Drehzahl eine Nenn- oder Grenzdrehzahl ist.
  • Zur Regelung der Nenn- bzw. Grenzdrehzahl bei Benzinmotoren werden mechanische und elektronische Drehzahlsteller eingesetzt, welche aus der Motordrehzahl eine Wirkung auf leistungs- und drehzahlbestimmende Baugruppen (Vergaserdrossel oder Zündkennfeld bei Verbrennungsmotoren) erzeugen, um die Motordrehzahl nicht über die vorgegebene Grenzdrehzahl ansteigen zu lassen bzw. auf der vorgegebenen Nenndrehzahl zu halten. Je nach Last wird die Öffnung der Vergaserdrossel, der Zündwinkel und das Tastverhältnis der Zündung so eingeregelt, dass die Drehzahl-Regeldifferenz minimal wird.
  • Analog übrigens kann der Antriebsmotor auch ein Elektromotor sein, der z.B. einen elektronischen Drehzahlsteller in Form eines Spannungs- bzw. Frequenzreglers aufweist.
  • Die in Zusammenhang mit dem Benzinmotor vorgenannten Regler bei üblichen Stampfer-Antriebsmotoren arbeiten statisch. Ihr Kennfeld wird durch Auslegung der Fliehgewichte, der Federn etc. oder durch Vorgaben des Zündkennfeldes festgelegt und dient zur Einhaltung einer bestimmten Drehzahl. Eine manuelle oder adaptive Variation der Höhe der geregelten Grenzdrehzahl (und damit der Antriebsfrequenz des Stampfers) ist beim Stand der Technik weder manuell noch elektronisch vorhanden.
  • Bei der genannten Ausführungsform hingegen kann die Grenzdrehzahl verändert werden, um dadurch die Antriebsfrequenz des Stampfers zu beeinflussen.
  • Der Benzinmotor kann eine Kennfeld-gesteuerte Zündeinrichtung aufweisen, wobei die Drehzahl des Benzinmotors durch die Zündeinrichtung mit Hilfe einer Variation eines Zündzeitpunkts im Wesentlichen auf den Wert der Grenzdrehzahl konstant zu halten ist.
  • Bei einem Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung kann die Steuereinrichtung derart ausgebildet sein, dass bei Erkennen eines aperiodischen Verhaltens der Motorwelle eine Veränderung der Drehzahl des Antriebsmotors entsprechend vorgegebener Regeln bewirkt wird.
  • Die Regeln können in der Auswerteeinrichtung hinterlegt sein, z.B. in Form von Vorgaben, die bei Auftreten des aperiodischen Verhaltens eine bestimmte Steuermaßnahme vorschreiben, sowie durch Kennlinien, Kennfelder und/oder vorgegebene Arbeitspunkte auf Kennlinien oder Kennfeldern.
  • In der Auswerteeinrichtung sind somit Regeln vorgegeben, die dann, wenn ein aperiodisches Verhalten erkannt worden ist, durch die Steuereinrichtung zu ergreifen sind. Dies kann ein langsames lineares Anheben oder Absenken der Grenzdrehzahl des Antriebsmotors bedeuten. Ebenso können gezielt bestimmte Arbeitspunkte auf der jeweils zugehörigen Kennlinie bzw. den Kennfeldern eingestellt werden, die im Vorfeld beim Hersteller vordefiniert werden können. Es ist z.B. möglich, außer dem normalen Arbeitspunkt noch drei bis fünf alternative Arbeitspunkte vorzugeben, die - u.U. nacheinander - durch die Steuereinrichtung eingestellt werden, um zu testen, ob sich das Schwingungsverhalten des Stampfers verbessert. Es hat sich dabei herausgestellt, dass in den meisten Fällen eine Verbesserung des periodischen Stampferverhaltens erreicht werden kann.
  • Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Stampfer;
    • Fig. 2 ein mechanisches Ersatzbild des Stampfers von Fig. 1;
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Stampfvorrichtung;
    • Fig. 4 ein zweidimensionales Kennfeld für einen Stampfer mit Benzinmotor;
    • Fig. 5 das Schwingungsverhalten von Komponenten eines Stampfers bei synchron-periodischem Betrieb; und
    • Fig. 6 das Bewegungsverhalten der Komponenten bei asynchronaperiodischem Betrieb.
  • Fig. 1 zeigt einen typischen Stampfer in Seitenansicht, mit einer Obermasse 1 und einer Untermasse 2, die einen als Bodenkontaktelement dienenden Stampffuß 3 umfasst. Zu der Obermasse 1 gehört ein Antriebsmotor 4, der als Benzinmotor ausgeführt ist. An der Obermasse 1 ist außerdem ein Führungshandgriff 5 elastisch befestigt, an dem der Bediener den Stampfer führen kann und der einen Kraftstofftank 6 trägt.
  • Im Inneren eines zu der Obermasse 1 gehörenden Gehäuses 7 ist in bekannter Weise ein Kurbeltrieb angeordnet, der die Drehbewegung des Antriebsmotors 4 in eine oszillierende Linearbewegung wandelt, die über ein nicht dargestelltes, an sich bekanntes Federsystem auf die Untermasse 2 und schließlich auf den Stampffuß 3 übertragen wird.
  • Fig. 2 zeigt den Stampfer in vereinfachter schematischer Darstellung, wobei dort auch eine die Obermasse 1 mit der Untermasse 2 koppelnde Federeinrichtung 8 eingezeichnet ist.
  • In Fig. 3 ist der Stampfer nochmals vereinfacht dargestellt in Form des Antriebsmotors 4, der über eine Kurbelwelle 9 ein Pleuel 10 antreibt, dessen lineare Hin- und Herbewegung über die Federeinrichtung 8 auf die Untermasse 2 übertragen wird.
  • Die Drehbewegung bzw. Drehzahl der Kurbelwelle 9, die in dem gezeigten Beispiel gleichzeitig eine Motorwelle 4a des Antriebsmotors 4 ist, wird durch einen Drehzahlsensor 11 erfasst. Selbstverständlich sind auch Ausführungen denkbar, bei der die Motorwelle 4a des Antriebsmotors 4 zunächst ein Getriebe antreibt, das schließlich mit der Kurbelwelle 9 gekoppelt ist.
  • Als Drehzahlsensor 11 eignen sich übliche Messaufnehmer. Ebenso kann die Information über das Drehzahlverhalten auch durch Überwachen der Zündung etc. gewonnen werden. Somit kann auch ein Steuerprozessor der Zündanlage des Antriebsmotors 4 genutzt werden um eine Information über das Drehzahlverhalten der Motorwelle 4a oder der Kurbelwelle 9 zu erhalten. Ziel ist es dabei, die Änderung der Drehzahl im Antriebsstrang aufgrund der beim Arbeiten mit dem Stampfer auftretenden Laststöße zu erfassen und zu beobachten.
  • Es ist daher nicht unbedingt erforderlich, einen eigenen Drehzahlsensor 11 bereitzustellen.
  • Das entsprechende Messsignal von dem Drehzahlsensor 11 bzw. eine alternative Information wird an eine Detektionseinrichtung 12 geliefert, die das dynamische Verhalten der Kurbelwelle 9 oder der Motorwelle 4a erfasst.
  • Eine entsprechende Information wird von der Detektionseinrichtung 12 an eine Auswerteeinrichtung 13 übergeben, die durch Auswerten des dynamischen Verhaltens ein aperiodisches Verhalten erkennt. Wenn die Auswerteeinrichtung 13 das beispielhaft in Fig. 6 gezeigte aperiodische Verhalten des Stampfers erkennt, kann sie dies über eine Anzeigeeinrichtung 14 anzeigen. Bei einem Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung kann sie die Information an eine Steuereinrichtung 15 weitergeben, die entsprechend vorgegebener Regeln ein Zündsystem 16 des Antriebsmotors 4 ansteuert um die Drehzahl zu verändern. Durch Ändern der Drehzahl wird ein geändertes dynamisches Verhalten des Stampfers erreicht, das im Idealfall eine Verbesserung des periodischen Verhaltens zur Folge hat, so dass ein beispielhaft in Fig. 5 gezeigtes Bewegungsverhalten erreicht werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird der Bediener durch die Anzeigeeinrichtung 14 darüber informiert, dass ein aperiodisches Verhalten festgestellt wurde. Es werden dem Bediener Handlungsempfehlungen gegeben, welche Maßnahmen er ergreifen sollte, um das aperiodische Verhalten zu mindern. So könnte z.B. durch zwei Leuchtdioden, die mit "Plus" und "Minus" gekennzeichnet sind, der Bediener angeregt werden, die Drehzahl durch Betätigen des Gashebels zu erhöhen oder zu senken.
  • Fig. 4 zeigt verschiedene Kennlinien bzw. zweidimensionale Kennfelder, die den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Motordrehzahl definieren. In einem Bereich von 0 bis etwa 3.700 min-1 sind die Kennfelder gleich gestaltet. In dem für den Betrieb wichtigen Arbeitsbereich zwischen 3.700 und 5.000 min-1 hingegen sind vier Kennfelder durch entsprechende Kennlinien aufgespreizt und definieren dadurch ein unterschiedliches Verhalten.
  • Die Auswerteeinrichtung 13 bzw. die Steuereinrichtung 15 wählt entweder innerhalb eines Kennfeldes oder für verschiedene Kennfelder vorgegebene Arbeitspunkte aus, die bei Erkennen eines aperiodischen Verhaltens eingestellt werden können. Gegebenenfalls durch automatisches "Ausprobieren" verschiedener Arbeitspunkte oder durch Abfahren der Kennlinien kann das dynamische Verhalten des Stampfers so lange verändert werden, bis eine Verbesserung des periodischen Verhaltens erreicht wird.
  • Ein auf dieser Basis Kennfeld-gesteuertes Zündsystem eignet sich z.B. für Zweitaktmotoren, bei denen durch Variation des Zündzeitpunkts die Grenzdrehzahl des Motors eingehalten wird. Als alleinige Eingangsgröße wird die Periode des auf der Kurbelwelle montierten Lüfterrads mit Zündmagnet genutzt, aus der im Magnetzünder elektrische Signale gewonnen werden, die als Kriterium für die Drehzahl verwendet werden und das Signal eines Drehzahlsensors 11 ersetzen, so dass auf diesen verzichtet werden kann.
  • Aus den vom Magnetzünder gewonnen elektrischen Signalen wird die Motordrehzahl und die aktuelle Winkelstellung der Kurbelwelle 9 relativ zum oberen Totpunkt eines Kolbens im Verbrennungsmotor 4 gewonnen. In einem geeigneten zweidimensionalen Kennfeld gemäß Fig. 4 erfolgt die Winkelvorgabe des Zündvorganges relativ zum oberen Totpunkt des Motors 4.
  • Mit Hilfe der adaptiven Einflussnahme auf die Antriebsdrehzahl des Antriebsmotors 4 des Stampfers wird eine Anpassung des Stampfers an seine Umgebung bewirkt. Dies führt zu optimalen Arbeitsergebnissen und einem ruhigen Lauf auch bei stärker verdichteten Böden. Die Hand-Arm-Schwingungen werden dadurch vermindert, während die Führbarkeit des Stampfers auch bei bindigen Böden verbessert wird.

Claims (6)

  1. Stampfvorrichtung, mit
    - einem Antriebsmotor (4);
    - einer den Antriebsmotor (4) aufnehmenden Obermasse (1);
    - einer mit der Obermasse (1) über eine Federeinrichtung (8) beweglich gekoppelten Untermasse (2), die ein Bodenkontaktelement (3) zur Bodenverdichtung aufweist;
    - einer Bewegungsübertragungseinrichtung (9) zum Übertragen einer Antriebsbewegung von dem Antriebsmotor (4) und Erzeugen einer periodischen Bewegung des Bodenkontaktelements (3);
    - einer Detektionseinrichtung (11, 12) zum Erfassen eines Messparameters für das dynamische Verhalten von wenigstens einer Komponente der Stampfvorrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass die Stampfvorrichtung
    - eine Auswerteeinrichtung (13) zum Auswerten des dynamischen Verhaltens und Erkennen eines aperiodischen Verhaltens; und
    - eine Anzeigeeinrichtung (14) zum Anzeigen, dass ein aperiodisches Verhalten durch die Auswerteeinrichtung (13) erkannt wird, aufweist, wobei
    - in der Auswerteeinrichtung (13) Regeln hinterlegt sind, zum Definieren von Handlungsempfehlungen für einen Benutzer, wie die Drehzahl des Antriebsmotors (4) zu verändern ist, um das aperiodische Verhalten zu mindern;
    - durch die Auswerteeinrichtung (13) eine Handlungsempfehlung in Abhängigkeit von dem erkannten aperiodischen Verhalten ausgewählt wird;
    - die ausgewählte Handlungsempfehlung durch die Anzeigeeinrichtung (14) angezeigt wird; und wobei
    - der Messparameter ausgewählt ist aus der Gruppe
    + Drehzahl des Antriebsmotors (4);
    + Laststöße auf eine Motorwelle (4a) des Antriebsmotors (4);
    + Drehzahl der Bewegungsübertragungseinrichtung (9);
    + Relativbewegung zwischen Obermasse (1) und Untermasse (2);
    + Beschleunigung der Obermasse (1);
    + Beschleunigung eines an der Obermasse (1) angebrachten Führungshandgriffs (5);
    + Drehwinkel zwischen dem Führungshandgriff (5) und der Obermasse (1).
  2. Stampfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass ein aperiodisches Verhalten dann erkannt wird, wenn der Messparameter über ein vorgegebenes Maß hinaus von einem idealperiodischen Verhalten abweicht.
  3. Stampfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Antriebsmotor (4) ein Benzinmotor ist; und
    - die als Dynamikparameter veränderbare Drehzahl eine Nenn- oder Grenzdrehzahl ist.
  4. Stampfvorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Benzinmotor (4) eine Kennfeld-gesteuerte Zündeinrichtung aufweist; und
    - dass die Drehzahl des Benzinmotors (4) durch die Zündeinrichtung mit Hilfe einer Variation eines Zündzeitpunkts im Wesentlichen auf dem Wert der Nenn- oder Grenzdrehzahl konstant zu halten ist.
  5. Stampfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuereinrichtung (15) derart ausgebildet ist, dass bei Erkennen eines aperiodischen Verhaltens der Motorwelle (4a) eine Veränderung der Drehzahl des Antriebsmotors (4) entsprechend vorgegebener Regeln bewirkt wird.
  6. Stampfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in der Auswerteeinrichtung (13) als Regeln hinterlegt sind:
    - Vorgaben, um bei Auftreten des aperiodischen Verhaltens eine vorgegebene Steuermaßnahme zu ergreifen;
    - Kennlinien;
    - Kennfelder; und/oder
    - vorgegebene Arbeitspunkte auf Kennlinien oder Kennfeldern.
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