WO2002038289A1 - Vorrichtung zur modulation der erregerenergie an masse-feder-schwingern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie zwecks Erregung einer erzwungenen periodischen Schwingung an einem Masse-Feder-Schwinger (300, 302, 306, 308). Es handelt sich um solche Schwinger, über welche eine Nutzenergie für Arbeitszwecke, z.B. für Verdichtungsarbeiten übertragen wird. Es sind zwei rotatorisch arbeitende, von zwei zugeordneten Antriebsmotoren angetriebene Energiewandler vorgesehen, die (z.B. mit Hilfe zweier Kurvengetriebe mit je einem translatorisch bewegten Abtriebsorgan) periodische, drehwinkelabhängige, unterschiedliche Energie-Portionen (∫(δ1), ∫(δ2)) (bevorzugt gemäss einer sinusförmigen Funktion) erzeugen. Die unterschiedlichen Energie-Portionen werden an eine Summationsstelle (312) weitergeleitet und dort vektoriell zu resultierenden Erregerenergie-Portionen summiert, welche letztendlich dem Schwinger zu dessen Erregung zugeführt werden. Die Antriebsmotoren sind bezüglich ihrer Drehpositionen um einen Phasenwinkel relativ zueinander verstellbar, womit durch eine Verstellung des Phasenwinkels zwischen 0° und 180° eine kontinuierliche Verstellung der Erregerenergie von Null bis zu einem Maximalwert möglich ist.

Description

VORRICHTUNG ZUR MODULATION DER ERREGERENERGIE AN MASSE-FEDER-SCHWINGERN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie zwecks beeinfluß- barer Erregung einer erzwungenen periodischen Schwingung an einem schwingfähigen Masse-Feder-System, welches zusammen mit einer Erregereinrichtung einen Resonanz- Vibrator bildet. Unter Resonanz-Vibratoren werden hier solche Vibratoren verstanden, bei denen die Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz des schwingfähigen Masse-Feder- Systems zusammenfällt (Resonanz) oder in dessen Nähe liegt, wobei der "Resonanz-Effekt" zwecks Reduzierung der Menge der pro Schwingungsperiode zuzuführenden Erregerenergie ausgenutzt wird. Die Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems ist dabei bestimmt durch das Verhältnis der bei der Schwingung in den Federn speicherbaren Energie (welche z.B. über die Größe der Federrate "c" festgelegt ist) und die Größe der mitschwingenden Masse "m". Die Schwingung wird bei dem hier vorgesehenen Einsatzfall der Erfindung neben dem Energieverlust durch innere Reibung der Federn und dem Energieverlust durch äußere Reibung der mitschwingenden Teile in erster Linie durch die von dem Resonanz-Vibrator bei jeder Schwingungsperiode abzugebenden Arbeitsenergie gedämpft. Die Arbeitsenergie wird z.B. beim Einsatz der Erfindung in Betonsteinmaschinen zur Verdichtung von in Formen enthaltenen kornförmigen Betonstoffen zu Betonsteinen abgegeben. Die Dämpfung des schwingfähigen Systems kann z.B. durch den sogenannten Dämpfungsfaktor "D"definiert werden.

Die Schwingweg-Amplitude A wird bei Resonanz-Vibratoren, wie dem Fachmann bekannt ist, in ihrer Größe bei vorgegebener Masse m, Eigenfrequenz, Erregerfrequenz, Dämpfung D und Erregerkraft-Amplitude "AF" durch die sogenannte Vergrößerungsfunktion bestimmt. Der Wert der Schwingweg-Amplitude A ist bei Annahme einer sinusförmig verlaufenden Erregerkraft, welche auch bei der vorliegenden Erfindung wenigstens annäherungsweise unterstellt wird, durch die "Resonanzkurve" beschreibbar. Zwecks Einstellung bzw. Regelung einer vorgegebenen Schwingweg-Amplitude A muß die pro Schwingungsperiode von der Erregereinrichtung an die schwingende Masse m übertragene Energie-Portion in ihrer Größe beeinflußt bzw. moduliert werden, was auch dem Verwendungszweck der vorliegenden Erfindung entspricht. Die für den praktischen Einsatz geeigneten Vorrichtungen zur Modulation der Erregerenergie müssen auch die Anforderung erfüllen, daß mit ihrer Hilfe der Vorgang der Erregung und Stillsetzung der Schwingbewegung innerhalb einer sehr kurzen Zeit Δt möglich ist, wobei für Betonsteinmaschinen in der Praxis ein Wert in der Größenordnung von Δt = 0,1 Sekunden gefordert ist. Eine Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie-Portionen zwecks Erregung einer erzwungenen Schwingung bei dem Resonanz-Vibrator einer Betonsteinmaschine ist in dem Dokument EP 0 870 585 gezeigt. Hier ist die Feder des Masse-Feder-Schwingsystems als eine komprimierbare Ölsäule ausgebildet, welche ihre Federkraft in einem entsprechenden Hydraulikzylinder entwickelt. Derselbe Hydraulikzylinder wird zugleich auch als Aktuator zur Umsetzung der Erregerenergie benutzt. Die Erregerenergie wird in diesem Falle moduliert, d.h. in entsprechende periodische Energie-Portionen unterteilt durch den Einsatz eines Ser- voventiles, welches die unmodulierte Energie bzw. den unmodulierten Volumenstrom von einer Druckquelle bezieht. Die Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie hat während ihres Einsatzes Energie-Portionen mit unterschiedlicher Periodenzahl (Frequenz) und mit unterschiedlichen Energieinhalten (die Schwingweg-Amplitude bestimmend) zu erzeugen, wobei der Energieinhalt einer Energie-Portion als Produkt eines periodischen Volumenstromes und eines zugehörigen Arbeitsdruckes definierbar ist.

Ein besonderer Nachteil bei diesem in die Praxis eingeführten und als nächstgelegen zu bezeichnenden Stand der Technik ist der hohe Energieverlust. Es wird eine Druckquelle benötigt, welche eine große Kapazität bezüglich eines vorgespannten Druckfluid- Volumenstromes vorrätig halten muß, um einen Bedarf decken zu können, der sich bei An- wendung von periodischen Volumenströmen höchster Frequenz und höchsten geforderten Fluiddrücken ergibt. Dies bedingt bei einem geringeren Bedarf an Volumenströmen und Drücken, daß die überschüssige Leistung abgedrosselt und in Wärme verwandelt werden muß. Außerdem muß eine permanente Regelung des Quellen-Druckes (durch Drosseln) stattfinden, da anders eine Dosierung der wirklich benötigten Energie-Portionen nicht möglich ist. Ein weiterer Energieverlust ergibt sich aus dem Einsatz des benötigten Servoventiles selbst und aus seiner Betätigungsweise.

Auch in dem Dokument der PCT/DE00/04632 wird ein Resonanz-Vibrator für eine Betonsteinmaschine vorgestellt, wo eine Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie-Portionen zum Einsatz gelangt. Hier ist als nachteilig anzumerken, daß die in der Praxis gestellte An- forderung einer schnellen An- und Abschaltung der Schwingbewegungen nicht ausreichend erfüllt wird und daß der gerätetechnische Aufwand zu hoch ist.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, den Stand der Technik zu verbessern wobei insbesondere bei hydraulisch arbeitenden Modulations-Vorrichtungen die Energieverluste zu verringern sind und wobei auch der gerätetechnische Aufwand reduziert werden kann durch die Nutzung von bei modernen Antriebsmotoren (insbesondere elektrischen Motoren) für die Erzeugung der Erregerenergie-Portionen vorhandenen Möglichkeiten der gleichzeitigen Regelung von Drehzahlen, Drehwinkel-Positionen und Drehmomenten.

Die Lösung der Aufgabe ist durch den Patentanspruch 1 beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich weiterhin folgende Vorteile: Das bei dem zitierten Stand der Technik mit hoher Dynamik beanspruchte Servoventil mit notwendigerweise großer Baugröße verfügt über keine hohe Lebensdauer. Bei einer hydraulischen Lö- sung gemäß der Erfindung kommen lediglich bewährte, nicht verstellbare Hydropumpen und serienmäßige Antriebsmotoren für die Erzeugung der Erregerenergie in Frage. Überschüssige, nicht für die Erregung benötigte, jedoch in Bereitschaft stehende Erregerleistungen werden bei allen Ausführungsvarianten zurückgewonnen. Die schnelle An- und Abschaltung der Schwingbewegungen wird durch eine in sehr kurzer Zeit durchführbare Relativ- Verstellung der Drehpositionen der Antriebsmotoren von maximal 180° erreicht. Das erfinderische Prinzip erlaubt weiterhin auch den Einsatz einer rein elektro-mechanischen Lösung ohne jegliche hydraulische Ausrüstung unter Verwendung (wenigstens) zweier bezüglich ihrer Drehzahl, ihrer Drehlage und ihres Drehmomentes regelbarer Elektromotoren.

Die Erfindung wird anhand von 3 Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt eine Kurvenschar von Sinus- oder Cosinus-Funktionen anhand derer das erfinderische Prinzip ganz allgemein erläutert wird. Fig. 2 gibt schematisiert in 3 Teilfiguren die Funktionsweise einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung mit einer rein mechanischen Lösung mit einer starren Ankop- pelung der Erregerkraft an die schwingende Masse wieder. In Figur 3 wird ebenfalls eine rein mechanische Gestaltungsvariante gezeigt, bei der die Erregerkraft über Federn an die Systemmasse angekoppelt wird.

Fig.1 zeigt eine Abszissenachse, die die Drehwinkel "μ" zweier Antriebsmotoren für die Erzeugung von periodisch verlaufenden Erregerenergie-Mengen bzw. den zeitlichen Verlauf "t" der Erzeugung der Erregerenergie-Mengen repräsentiert. Die Ordinatenwerte zeigen die Funktionswerte von drei Sinus- bzw. Cosinus-Funktionen, welche die von den Antriebsmotoren unterschiedlich motorisch oder generatorisch erzeugten einzelnen Erregerkräfte [f(δ1) und f(δ2)] bzw. deren Summenbildung [f(φ)] wiedergeben. Die Drehwinkelwerte bzw. Zeitwerte haben einen Bezug zu der zu erregenden Schwingung, indem ein Drehwinkel von 2π (= eine Periode) sowohl einer vollen Motorumdrehung als auch einer Schwingungsperiode des Masse-Feder-Schwingsystems entspricht. Die Funktionen f(δ1) und f(δ2) beschreiben auch den von den Variablen μ bzw. t abhängigen Verlauf von aus den Antriebsleistungen der Antriebsmotoren in einer später noch zu erläuternden Weise abgeleiteten Erregerenergie-Mengen. Dabei stellen die über eine Winkeldrehung vom Wert μ = π zwischen den Kurvenverläufen und der Abszissenachse eingeschlossenen Flächen (eine dieser Flächen ist schraffiert dargestellt) jeweils Energie-Portionen dar, die nach ihrer vorzeichengerechten Summation dem Schwingsystem als Erregerenergie-Mengen zugeführt oder von ihm abgeführt werden können.

Die Kurven f(δ1) und f(δ2) weisen eine winkelmäßige Versetzung um den Winkel φ = 51 - δ2 auf , welcher nachfolgend als Phasenwinkel φ bezeichnet wird. Eine (vorzeichengerechte) Summation der beiden Funktionen f(δ1) und f(δ2) ergibt bekanntermaßen eine neue stetige Winkelfunktion mit der gleichen Periode 2π, deren Werte ebenfalls vom Phasenwinkel φ abhängig sind. In Fig. 1 ist die aus der Summation der beiden Funktionen f(δ1) und f(δ2) mit den Amplituden A1 resultierende Funktion f(φ) mit ihrer Amplitude A2 für einen Phasenwinkel φ = π / 2 (= 90°) dargestellt. Für einen Phasenwinkel φ = 0 würde sich für die Funktion f(φ) eine Amplitude von A2 = 2 * A1 einstellen und für einen Phasenwinkel φ = π würde die Funktion f(φ) eine Amplitude von A2 = 0 erhalten. Mit der Wahl eines beliebigen Wertes für den Phasenwinkel zwischen φ = 0 und φ = π kann man jeden beliebigen Wert der resultierenden Amplitude A2 zwischen A2 = 2 * A1 und A2 = 0 und damit jeden beliebigen Wert zwischen einem Maximalwert und einem Wert = Null der als Summe der einzelnen Funktio- nen sich ergebenden resultierenden Energie-Portionen erzeugen. Wie allgemein bekannt ist, könnte eine resultierende Funktion f(φ) auch durch die Summation von n = 3 oder mehr Funktionen f(δ1) bis f(δn) entstehen.

Es ist das allgemeine Prinzip der Erfindung, variable resultierende periodische Energie- Portionen mit der Energie E_R zwischen einem Minimalwert E_R = 0 und einem Maximalwert E_R = max durch Variation eines Phasenwinkels φ herstellen zu wollen, wobei die variablen resultierenden periodischen Energie-Portionen durch eine Summation von (bezüglich der Größe ihrer einzelnen Energie-Portionen im wesentlichen konstanten) zwei (oder drei) einzelnen periodischen Energie-Portionen mit dem zwischen ihren Zeitverläufen einstellbaren Phasenwinkel φ entstehen, wobei die Funktionen der vom Drehwinkel μ abhängigen Verläufe der Werte der Energie-Portionen wenigstens in erster Annäherung stetige Winkelfunktionen, bevorzugt Sinus- oder Cosinus-Funktionen sind und wobei die Drehwinkel μ Periodenwinkel (Drehwinkel) der die einzelnen Energie-Portionen erzeugenden motorischen Bewegungen sind. Die Anzahl der einzelnen (konstanten) periodischen Energie-Portionen mit zugeordneten motorischen Bewegungen, bevorzugt Drehbewegungen, muß 2 oder mehr sein und die Energie der einzelnen periodischen Energie-Portionen soll von den zugeordneten motorischen Bewegungen abgeleitet sein. Die variablen resultierenden periodischen Energie- Portionen sind in ihrer Größe beeinflußbar bzw. regelbar durch die Regelung der relativen (den Phasenwinkel φ definierenden) Positionslage der Motoren (= Drehlage bei rotatorisch arbeitenden Motoren) und die Frequenz der Perioden aller Energie-Portionen ist regelbar durch die Regelung der periodischen Geschwindigkeit der Motoren (= Motordrehzahl bei rotatorisch arbeitenden Motoren). Die Bewegung (Drehbewegung) aller Motoren verläuft winkelsynchron, mit Ausnahme während der Veränderung des Phasenwinkels φ. Anstelle der winkelabhängigen Verläufe der Werte der Energie-Portionen gemäß einer Sinus- oder Cosinus-Funktion kommen natürlich auch andersartige, stetig verlaufende Funktionen in Frage.

Es versteht sich, daß die resultierenden periodischen Energie-Portionen in das schwingende Masse-Feder-System eingekoppelt werden müssen, was mit unterschiedlichen, von der Bauweise der Vorrichtung abhängigen Mitteln, die noch erläutert werden, geschehen kann. Prinzipiell kann dabei unterschieden werden zwischen einer Ankoppelung der Erregerkraft an die schwingende Masse über starre Bauteile (Fig. 2) und einer Ankoppelung der Erreger- kraft über Federn (Fig. 3). Das beschriebene allgemeine Prinzip der Erfindung kann in unterschiedlichen Ausbildungsformen physikalisch-technisch realisiert werden, welche vor allem charakterisiert sind durch die Art und Weise der Energieumwandlung, mit welcher die letztlich an der Masse des Masse-Feder-Systems angreifende Erregerkraft generiert wird. Als Energieumwandlungs-Prinzipien kommen neben elektrischen und mechanischen auch hydraulische Systeme in Frage.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die letztlich an der Masse des Masse-Feder- Systems angreifende Erregerkraft bezüglich der Ankoppelung an die schwingende Masse über starre Bauteile unter Einsatz eines mechanisch arbeitenden Energie-Umwandlungs- prinzips generiert wird. Anhand der Fig. 2a wird die Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie näher beschrieben: 200 ist eine in einer Geradführung 202 geführte Erregerkraft- Stange 200, die eine durch den Doppelpfeil 204 symbolisierte vertikale Oszillationsbewegung mit dem Hub "H" durchführt und dabei die resultierende periodische Erregerkraft bzw. die resultierenden periodischen Energie-Portionen auf die Masse des (nicht dargestellten) schwingenden Masse- Feder-Systems überträgt, welche Übertragung durch den Pfeil 206 angedeutet ist. (Das Masse-Federsystem könnte das in Fig. 3 mit den Teilen 300, 308, und 306 + 304 gezeigte sein, wobei die Erregerkraft-Stange 200 mit der Unterseite 312 des Führungskolbens 304 fest verbunden sein könnte). Ein Balken 210 ist vorgesehen, der als Summationsorgan fungiert. In die Ausnehmung 212 des Balkens ist das am unteren Ende der Erregerkraft-Stange 200 angebrachte Auge 214 eingeführt und dort mittels eines in dem Balken befestigten Bolzens 216 schwenkbeweglich und kraftübertragend befestigt. Damit ist es ermöglicht, daß bei einer um die Mittenachse des Bolzens durchgeführten Schwenkbewegung (angedeutet durch den Doppelpfeil 218) und bei einer gleichzeitig durchgeführten Hubbewegung des Balkens 210 an der Stelle der Bolzen-Mittenachse, eine Erregerkraft über die Erregerkraft-Stange während ihrer Oszillationsbewegung übertragen werden kann (ebenfalls symbolisiert durch den Doppelpfeil 204).

Die Hub- und Schwenkbewegung des Balkens 210 wird erzeugt mittels zweier Kurven- Getriebe, welche durch die Zusammenarbeit zweier kreisförmiger Kurvenscheiben 230 und 232 mit dem Balken 200 entstehen, wobei der Balken mittels zweier Federn 220 gegen die Kurvenscheiben gedrückt wird. Bei der Drehung der Kurvenscheiben erfolgt eine gleitende Relativbewegung zwischen Kurvenscheibe und Balken. Die symmetrisch zur Mitte der Erregerkraft-Stange 200 angeordneten gleichgearteten Kurvenscheiben sind mittels nicht dargestellter Lager gelagert und um ihre Mittenachsen, symbolisiert durch die Rauten 234 und 236, in Richtung der Pfeile 238 und 240 rotierbar (wobei die Rotationsbewegung auch ge- genläufig sein könnte). Die nicht dargestellten, feststehenden Lagerteile hat man sich als fest mit der Geradführung 202 verbunden vorzustellen. Die Lagerungen 234, 236 der kreisförmigen Kurvenscheiben sind um einen Betrag "e" exzentrisch zur Kreismitte versetzt. Die Drehlage der Kurvenscheiben relativ zueinander ist durch die Winkel δ1 und δ2 gekennzeichnet, welche mit Bezug auf eine horizontale Linie in Fig. 2a den Wert 90° aufweisen. Beide Kurvenscheiben sind durch je einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor angetrieben, mit dessen Rotor sie bezüglich des zu übertragenden Drehmomentes steif verbunden sind. Beide Motoren sind bezüglich ihrer Drehzahl (und ihres Drehmomentes) und bezüglich ihrer durch die Winkel δ1 bzw. δ2 gekennzeichneten Drehlage regelbar, wobei auch während der Drehung ein beliebiger Phasenwinkel φ = δ1 - δ2 einstellbar ist.

Bei einer synchronen Rotation beider Kurvenscheiben mit einer Ausgangssituation gemäß der Anordnung in Fig. 2a hat die Erregerkraft-Stange 200 nach einem Drehwinkel von 180° einen Hub H = 2 * e durchgeführt. Der während der Drehung der Kurvenscheibe um einen Winkel μ durchgeführte Hubweg des Balkens 200 unmittelbar an der Berührungsstelle mit der Kurvenscheibe folgt wegen der vorgesehenen kleinen Exzentrizität "e" mit einer guten Annäherung der Gesetzmäßigkeit einer Sinus-Funktion, wobei der Wert der Exzentrizität "e" der Amplitude A1 in Fig. 1 entspricht. Die Erregerkraftstange 200 könnte (bei Verzicht auf die Federn 220) die Erregerkraft in beiden Richtungen auch vollständig nur von den Kurvenscheiben 230 und 232 übernehmen, sofern die Kurvenscheiben in zwei in dem Balken 210 untergebrachten Kulissen arbeiten würden, durch welche den Kurvenscheiben die Möglich- keit gegeben wäre, sich in Längsrichtung des Balkens relativ zu diesem zu bewegen, ohne in dieser Richtung Kräfte zu übertragen.

Die Figuren 2b und 2c zeigen die Situation für einen Phasenwinkel φ = 90° bzw. φ = 180°. Bei einer synchronen Drehung der Kurvenscheiben mit einer Ausgangssituation gemäß Fig. 2b ergibt sich für die Schwingbewegung des Hubes H eine Schwingweg-Amplitude von A2 = 1 ,41 * A1 (= 1,41 * e), was den gezeichneten Verhältnissen in Fig. 1 für den Winkel φ = π/2 (=90°) entspricht. Man erkennt, daß der durch die Kurvenscheiben bewegte Balken 210 an der Stelle der Mittenachse des Bolzens 216, das ist die Stelle der Anlenkung der Erregerkraft-Stange 200, eine Summierung der beiden Einzelbewegungen des Balkens an der Kontaktstelle mit den beiden unterschiedlichen Kurvenscheiben durchführt. Während einer halben Periode hat die Erregerkraft-Stange 200 bei ihrer Aufwärtsbewegung dabei eine Erregerenergie-Portion übertragen, welche bei einer beispielsweise angenommenen nur aufwärts wirkenden konstanten Erregerkraft der Fläche zwischen einem der Kurvenbögen der Funktion f(φ) und der Abszissenachse entspricht.

Bei einer synchronen Drehung der Kurvenscheiben mit einer Ausgangssituation gemäß Fig. 2c ergibt sich für die Schwingbewegung des Hubes H eine Schwingweg-Amplitude von (wenigstens annäherungsweise) A2 = 0, entsprechend einem Winkel φ = π in Fig. 1, womit auch die durch die Erregerkraft-Stange 200 übertragenen Erregerenergie-Portionen den Wert Null annehmen. Man versteht aus den Verhältnissen der Figuren 2b und 2c auch, daß die während der Aufwärtsbewegung des einen Balkenendes durch die eine Kurvenscheibe erzeugte und ihrem zugehörigen einer^Motor entnommene Energiemenge teilweise (in Fig. 2b) oder gänzlich (in Fig. 2c) während der Abwärtsbewegung des anderen Balkenendes durch die andere Kurvenscheibe wieder zurückgewonnen und ihrem zugehörigen anderen Motor wieder als generatorische Energie zugeführt wird.

Bezüglich der durch die beiden Kurvenscheiben bei jeder Schwingungsperiode nach einer sinusähnlichen Zeitfunktion übertragenen einzelnen Energie-Portionen kann ganz allgemein festgestellt werden, daß ihre Funktionswerte zu einer resultierenden Energie-Portion überlagert, d.h., summiert werden. Als Summationsstelle bzw. als Summationsorgan erweist sich in diesem Falle der Balken 210, bzw. auch der Bolzen 216. In Fig. 3 wird ein Resonanz-Vibrator gezeigt, bei welchem die Ankoppelung der Erregerkraft an die schwingende Masse über 2 Federn erfolgt. Die schwingende Masse, bestehend aus einem Schwingtisch 306 und einem daran befestigten Führungskolben 304, ist über eine als Elastomerfeder ausgebildete Systemfeder 308 gegen das Fundament 300 abgestützt. Die zur Durchführung der Schwingbewegungen mit den Schwingweg-Amplituden + A_s benötigten Beschleunigungskräfte werden überwiegend durch die bei der Verformung der Systemfeder erzeugten Federkräfte geliefert. Der Schwingtisch 306 ist bei seiner vertikalen Bewegung durch eine Linearführung geführt, welche dadurch gebildet ist, daß der Führungskolbens 304 gleitbeweglich in einer mit dem Fundament 300 verbundenen Führungsbahn 302 untergebracht ist. Die Erregerkräfte werden an die schwingende Masse über zwei spiegelsymmetrisch angeordnete gleichartige Erreger-Federn, eine linke 322 und eine rechte 320 übertragen, wobei die Befestigung der Erreger-Federn am Führungskolben 304 durch Strich-Punkt-Linien 323 angedeutet ist. Die Erreger-Federn können vorteilhafterweise aus einem hochelastischen und gleichzeitig auch steifen Faserverbundwerkstoff, z.B. aus einem Kohlenfaser- Verbundwerkstoff hergestellt sein.

Beide Erregerfedern weisen an ihren unteren Enden Federaugen 324 und 326 auf, in denen zylindrische Lagerbohrungen 328 und 330 untergebracht sind. In den Lagerbohrungen 328, 330 sind Exzenterscheiben 340, 342 mit zylindrischer Außengestalt drehbar eingepaßt, so daß sie mit den Lagerbohrungen Gleitlager bilden. Die Exzenterscheiben sind um ihre Mit- tenachsen, symbolisiert durch die Rauten 344 und 346, unter Benutzung von nicht dargestellten Lagern rotierbar gelagert und sind durch je einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor angetrieben, mit dessen Rotor sie drehmoment-steif verbunden sind. Die nicht dargestellten, feststehenden Lagerteile hat man sich als fest mit dem Fundament 300 verbunden vorzustellen. Die Lagerungen 344, 346 der kreisförmigen Exzenterscheiben sind um einen Be- trag "e" exzentrisch zur Kreismitte versetzt. Die Drehlage der Exzenterscheiben relativ zueinander ist durch die Winkel δ1 und δ2 gekennzeichnet, welche mit Bezug auf eine horizontale Linie in Fig. 3 den Wert 90° aufweisen. Beide Motoren sind bezüglich ihrer Drehzahl und bezüglich ihrer durch die Winkel δ1 bzw. δ2 gekennzeichneten Synchron-Drehlage regelbar, wobei auch während der Drehung ein beliebiger Phasenwinkel φ = 51 - δ2 einstellbar ist. Die Drehrichtung ist durch die Pfeile 350, 352 gekennzeichnet, wobei die Rotationsbewegung auch gegenläufig sein könnte.

Bei einer Rotation beider Exzenterscheiben erfolgen Verformungen der Erregerfedern in horizontaler Richtung (symbolisiert durch die Doppelpfeile 356, 356') und in vertikaler Richtung (symbolisiert durch die Doppelpfeile 354, 354'). Die aus den Deformationen der Erre- gerfedern in horizontaler Richtung resultierenden Federkräfte werden, sofern sie sich nicht gegenseitig kompensieren, durch die Linearführung des Führungskolbens 304 aufgenommen. Die aus den Deformationen der Erregerfedern in vertikaler Richtung resultierenden Federkräfte werden, sofern sie sich nicht gegenseitig kompensieren, in ihrer vektorischen Summe als Erregerkräfte genutzt. Hierbei ist zu beachten, daß bei Abweichung vom Pha- senwinkel φ = 0 die von beiden Exzenterscheiben erzeugten und über die Erregerfedern übertragenen einzelnen Erregerkräfte unterschiedliche Größen und Vorzeichen haben können.

Bei einer (synchron durchgeführten) Rotation beider Exzenterscheiben mit einer Ausgangssituation gemäß der Anordnung in Fig. 3 beträgt der Wert der Verlagerung "V" der Mittel- punkte der Lagerbohrungen 328 und 330 nach einem Drehwinkel μ von 180° V = 2 * e, und es werden in vertikaler Richtung Erregerkräfte entwickelt, welche von gleicher Größe und Richtung sind. Bezüglich der Erregerfedern wird vereinfachend angenommen, daß bei einer vertikalen Veränderung des Abstandes zwischen Mitte der Lagerbohrung 328, 330 und Führungskolben 304 für beide Veränderungsrichtungen eine gleiche und konstante Federrate wirksam ist. Die Größe der durch die Erregerfedern übertragenen Erregerkraft richtet sich nach der Größe der Schwingwegamplitude A_s und nach der Größe eines zwischen dem Periodenverlauf der Drehung der Exzenterscheiben und dem Periodenverlauf der Schwingungen des Schwingsystems definierbaren zweiten Phasenwinkels ψ.

Definiert man die Größe der auf den Führungskolben 304 über die Erregerfedern bei einer ganz langsamen Drehung (quasistatischer Betrieb) der Exzenterscheiben übertragenen quasistatischen resultierenden Kraft F_R, _s über die dabei erzielte Verformungs-Amplitude A_F (statische Federverformung), so kann man feststellen, daß bei Einstellung eines Phasenwinkels φ = 0°, wie in Fig. 3 gezeichnet, sich bei einem maximalen Wert für die resultierenden Kraft F_R, _F eine maximale Amplitude A_F, _max ergibt, die in Fig. 3 gemäß den eingezeich- neten Verhältnissen gerade erreicht ist. Für einen eingestellten Phasenwinkel φ =180° (man vergleiche auch Fig. 2c) erhält man eine quasistatische resultierenden Kraft F_R, _F vom Wert = Null mit einer Amplitude A_F = Null. Bei einer stetigen Veränderung des Wertes von φ von dem Wert φ = 0° bis zu dem Wert φ = 180° gibt es für den Wert der quasistatischen resultierenden Kraft F_{Rι F} ebenfalls eine stetige Veränderung von dem maximalen Wert bis zu dem Wert Null. Die Überlagerung der vom Winkel φ und der Drehwinkelposition μ abhängigen Einzelkräfte der beiden Erregerfedern zu einer resultierenden Kraft verläuft in Abhängigkeit von dem Drehwinkel μ oder der Zeit t ähnlich wie beim Beispiel der Fig. 1.

Die Beziehung zwischen dem Phasenwinkel φ und der an die schwingende Masse durch die beiden Erreger-Federn übertragenen resultierenden Kraft F_R in Abhängigkeit von dem Drehwinkel μ oder der Zeit t bleibt natürlich auch erhalten bei einer höheren Drehfrequenz der Exzenterscheiben beim Betrieb des Resonanz-Vibrators in seiner Resonanzstelle oder in dessen Nähe. Bei der Erregervorrichtung gemäß der Fig. 3 kann also durch Variation des Phasenwinkels φ ebenfalls die pro Schwingungsperiode übertragbare Menge von Erregere- nergie moduliert werden. Der Führungskolben 304 ist demnach auch eine Summationsstelle zur (vektoriellen) Summation der pro Schwingungsperiode von beiden Erreger-Federn übertragbaren Energie-Portionen bzw. zur Summation der Wirkung der übertragbaren Energie- Portionen.

Die Erzeugung bzw. Modulation einer resultierenden Energie-Portion für die Erregung des Schwingsystems könnte gemäß der Erfindung auch hydraulisch wie folgt geschehen: Ein hydraulischer einfach wirkender Zylinder mit einem Zylinderraum, in den ein Fluidvolumen hinein und heraus gelassen wird, fungiert als Erreger-Aktuator und ist über den Kolben mit der schwingenden Masse verbunden. Zwei Antriebsmotoren, die wie die Antriebsmotoren der Vorrichtungen nach Fig. 2 oder 3 arbeiten, sind mit jeweils einer eigenen Hydraulikpum- pe mit nur einer Verdrängerkammer, z.B. mit einer Axialkolbenpumpe, verbunden, wobei die Verdrängungskammern beider Pumpen über je eine eigene Leitung mit dem Zylinderraum verbunden sind.

Während der Bewegungsperiode (z.B. = 1 Umdrehung = 2π) wird bei einem eingestellten Phasenwinkel von φ = 0° während einer ersten Halbperiode π aus beiden Verdrängungs- kammern ein Fluidvolumen verdrängt und gelangt gemeinsam in den Zylinderraum, um dort einen Kolbenhub entsprechend der Größe des doppelten Verdrängungsvolumens zu erzeugen und eine resultierende Erregerenergie-Portion umzusetzen. Während einer zweiten Halbperiode π wird das aus dem Zylinderraum zu verdrängende Fluidvolumen wieder zu gleichen Teilen in die Verdrängerkammern der Pumpen zurückgeführt. Die eigenen Leitun- gen beider Pumpen sind jedoch miteinander durch eine Verbindungsleitung derart verbunden, daß ein Fluidvolumenaustausch zwischen beiden Verdrängerkammern stattfinden kann. Diese Verbindungsleitung stellt im Falle einer Abweichung des Wertes des Phasenwinkels vom Wert φ = 0° eine Summationsstelle zur Summation einer resultierenden und in ihrer Größe vom Wert des Phasenwinkels φ abhängigen Energie-Portion dar. Diese Wirkung kann am einfachsten erklärt werden für den Fall φ = π, wo die resultierende Energie-Portion den Wert Null aufweist. In diesem Falle wird nämlich das aus der einen Verdrängerkammer verdrängte Fluidvolumen in seiner ganzen Größe von der anderen Verdrängerkammer wieder aufgenommen. Dieses Prinzip kann auch unter Benutzung eines doppelt wirkenden Ak- tuator-Zylinders realisiert werden, wenn pro Pumpe zwei um einen Verdrehungswinkel von π versetzte Verdrängerkammern vorhanden sind. Allgemein gelten für alle Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch folgende Anmerkungen: Der Phasenwinkel φ der Wellen der Motoren könnte auch unter Einsatz eines mit beiden Wellen verbundenen mechanischen Überlagerungsgetriebes beliebig erzeugt bzw. variiert werden. Die Antriebsmotoren können auch als lineare Motoren aus- geführt sein, die (synchron) mit periodischen Oszillationsbewegungen arbeiten. Die (synchrone) Bewegung der Antriebsmotoren kann mit beliebig vorgebbaren Werten für die Bewegungsgeschwindigkeit geregelt werden, auch bei gleichzeitig durchgeführter Regelung der Schwingweg-Amplituden. Anwendungsgebiete für die Erfindung sind Resonanz- Vibratoren in Betonsteinmaschinen und Geräten für die Verdichtung von Böden und Stra- ßenbelägen. Zur Benutzung von Begriffen sei noch angemerkt, daß die auf eine Schwingungsperiode oder eine Motorumdrehung bezogene Energie-Portion für die Erregerenergie auch als eine Leistung angesehen werden kann, da die Bezugsgröße der Schwingungsperiode bzw. der Motorumdrehung eine Zeitgröße darstellt. Der Drehwinkel eines Antriebsmotors kann bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit auch mit einem Zeitbetrag gleichgesetzt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zur Modulation der Erregerenergie für die Erregung von erzwungenen periodischen Schwingungen an einem Masse-Feder-Schwinger (300, 302, 306, 308), gekenn- zeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- Es sind zwei unterschiedliche periodische Energie-Portionen (f(δ1), f(δ2)) in motorischer und/oder generatorischer Weise erzeugt, wobei jede Energie-Portion während eines bestimmten Periodenteiles der Schwingung (π) aus der Antriebsleistung eines ihr zugeordne- ten eigenen Antriebsmotors umgesetzt ist,

- die unterschiedlichen periodischen Energie-Portionen sind an einer Summationsstelle (216, 312) summiert zu einer resultierenden periodischen Energie-Portion (f(φ)), die der schwingfähigen Masse als Erregerenergie zugeführt ist,

- die Erzeugungs-Perioden der unterschiedlichen periodischen Energie-Portionen (f(δ1), f(δ2)) sind um einen Phasenwinkel φ gegeneinander nach vorgegebenen Werten zeitlich oder winkelmäßig versetzbar, wobei durch die Veränderung des Phasenwinkels φ die resultierende periodische Energie-Portion (f(φ)) moduliert ist, oder ihr Betrag geregelt oder ge- steuert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren rotatori- sche Motoren mit einem Rotor und einem Stator sind, und daß jede unterschiedliche periodische Energie-Portion während ihrer Erzeugungs-Periode mittels eines eigenen Energie- Wandlers (230, 210; 232, 210) aus der Antriebsleistung des ihr zugeordneten Antriebsmotors umgewandelt ist, z.B. dadurch, daß eine vom Antriebsmotor rotatorisch erzeugte motorische und/oder generatorische Leistung durch ein Kurbelgetriebe (340,328; 342, 330) in eine periodische Hub-Energie-Portion gewandelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkel φ erzeugbar und variierbar sind durch die Regelung oder Steuerung der Relativlage (φ = δ1- δ2) der Bewegungspositionen der zugeordneten Antriebsmotoren, z.B. durch die Regelung der Relativlage der Drehpositionen bei rotatorischen Antriebsmotoren.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren periodisch oszillierende elektrische Linearmotoren sind, wobei, wenn die Summationsstelle (216, 312) mechanisch ausgeführt ist, die Antriebsmotoren auf die beiden gleichlangen Hebelarme eines um eine Schwenkachse (216) schwenkbaren Bauelementes (210) wirkend sind, wobei die Schwenkachse (216) translatorisch verlagerbar ist und wobei durch die Verlagerungsbewegung der Schwenkachse die resultierende periodische Energie- Portion der schwingfähigen Masse zugeführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren rotatorische Motoren mit einem Rotor und einem Stator sind und daß jede unterschiedliche periodische Energie-Portion während ihrer Erzeugungs-Periode mittels eines eigenen hydraulischen Energiewandlers in Form einer Verdrängerpumpe aus der An- triebsleistung des ihr zugeordneten Antriebsmotors umgewandelt ist,

- wobei jeder unterschiedlichen Energie-Portion ein durch die eigene Pumpe verdrängtes oder wieder aufgenommenes Fluidvolumen entspricht,

- wobei die unterschiedlichen verdrängten und wieder aufgenommenen Fluidvolumina durch eine als Summationsstelle wirkende Ausgleichsleitung verbunden sind, - und wobei die Summationsstelle mit einem die schwingfähige Masse erregenden Hydraulikkolben verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsbewegung der Antriebsmotoren synchron geführt ist, mit Ausnahme der Verstellung des Phasenwinkels φ.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungs-Perioden der unterschiedlichen periodischen Energie-Portionen im wesentlichen einer Periodenzeit π entsprechend sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen periodischen Energie-Portionen (f(δ1), f(δ2)) und die resultierende periodische Energie-Portion (f(φ)) nach einer stetigen Funktion erzeugt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkel φ bei der Anwendung von rotatorisch arbeitenden Antriebsmotoren veränderbar ist mittels eines mechanischen Überlagerungsgetriebes mit einem Überlagerungseingang und mit zwei Synchronisierausgängen, welche letzteren drehfest mit jeweils einem Motorrotor verbunden sind, wobei durch die Betätigung des Überlagerungseinganges die Motorroto- ren bei sonst synchroner Drehung um einen vorgegebenen Phasenwinkels φ verstellbar sind.