DE19523030C2 - Schwingungserreger, Verfahren zur mechanischen Schwingungserzeugung. sowie Vibrtationsplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungserreger mit einer in einem Gehäuse beweglich gelagerten Erregermasse für die Schwingungserzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein zugehöriges Verfahren nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 8, sowie eine Vibrationsplatte nach Anspruch 11.

Ein Anwendungsbeipiel für derartige Schwingungserreger sind beispielsweise im Straßenbau verwendete Vibrations­ platten.

Bei solchen zur Bodenverdichtung eingesetzten Geräten sind zwei gerichtete Schwingungen erzeugende Unwuchtwellen in horizontaler Ebene nebeneinander angeordnet, von denen eine Unwuchtwelle mit einem Antriebsaggregat verbunden ist, während die zweite Unwuchtwelle von der ersten über ein Getriebe angetrieben ist. Die Phasenlage der Unwuchten auf den jeweiligen Unwuchtwellen ist verstellbar, wodurch eine Vortriebsbewegung der Vibrationsplatte vor- und rück­ wärts stufenlos einstellbar ist. Eine Variation der Schlagkraft ist im allgemeinen nur mit besonderem mechani­ schen Aufwand möglich und ist beispielsweise dadurch rea­ lisiert worden, daß jeder Unwuchtmasse eine weitere klei­ nere Unwuchtmasse zugeordnet worden ist, die sich in einer Umlaufrichtung der Unwuchtwellen zu der großen Unwucht­ masse addiert und in der anderen Umlaufrichtung der Un­ wuchtwellen von der großen Unwuchtmasse subtrahiert.

Mit einer derartigen Vorrichtung sind nur zwei unter­ schiedliche Schlagkraftwerte einstellbar.

Aus der DE-GM 17 68 865 ist ein als Handgerät ausgebilde­ ter Schwingungserreger bekannt, bei dem ein Antriebskolben mit konstanter Amplitude mechanisch in einem Gehäuse hin- und herbewegt wird. Über eine Luftsäule überträgt der Antriebskolben als Erregermasse eine Schwingungsbewegung auf einen im gleichen zylindrischen Gehäuse frei bewegli­ chen Arbeitskolben, der über eine Luftsäule mit dem An­ triebskolben gekoppelt ist. Auf der der Luftsäule gegen­ überliegenden Seite des Arbeitskolbens ist eine weitere Luftsäule vorgesehen, wobei das Volumen der beiden Luft­ säulen einstellbar ist, so daß die Schwingung des Arbeits­ kolbens und dessen Amplitude über das Luftvolumen der Luftsäulen variabel einstellbar ist. Der Arbeitskolben überträgt einen Schlagimpuls auf ein Werkzeug. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Ar­ beitskolben fest mit dem Werkzeug verbunden ist, so daß das Werkzeug eine oszillierende Bewegung ausführt.

Dieser Schwingungserreger kann demzufolge lediglich einen Schlagimpuls auf ein Werkzeug übertragen oder eine Schwin­ gungsbewegung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwin­ gungserreger sowie ein zugehöriges Verfahren zur mechan­ ischen Schwingungserzeugung zu schaffen, die eine stufen­ lose Verstellung von Schlagkraft, Schwingungsfrequenz und Schwingungsamplitude bei einfachem mechanischen Aufbau ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1, 8 bzw. 11.

Die Lösung sieht in vorteilhafter Weise einen hydraulisch betätigten Antriebskolben vor, dessen Arbeitshub mit Hilfe eines Steuerventils variabel einstellbar ist. Die Erreger­ masse ist starr mit dem hydraulisch betätigten Antriebs­ kolben der Kolben-Zylinder-Einheit gekoppelt, wodurch die Erregermasse die Schwingungen in das Gehäuse induziert. Erst dadurch ist der Schwingungserreger universell und beispielsweise für eine Vibrationsplatte einsetzbar.

Die Lösung ermöglicht eine weitgehende Entkopplung des Zusammenhangs zwischen Frequenz und Amplitude der Schwin­ gung und ermöglicht dadurch eine unabhängigere Variation von Frequenz und Amplitude. Der Aufbau des Schwingungs­ erregers ist vereinfacht und die Anzahl der Bauteile er­ heblich reduziert.

Der Schwingungsweg der Erregermasse wird z. B. bei einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit mit Hilfe eines 4/3- Wegeventils gesteuert, wobei der Arbeitsdruck die auf die Erregermasse ausgeübte Beschleunigungskraft bestimmt.

Die Feder- und Dämpfungsmittel bestehen vorzugsweise aus einer pneumatischen Kolben-Zylinder-Einheit. Der pneumati­ sche Arbeitsdruck bestimmt dabei die Feder- und Dämpfungs­ charakteristik des Federmittels, wobei das Druckmedium in den Umkehrpunkten der Erregermasse einen Energiespeicher bildet. Frequenz und Amplitudencharakteristik und die Schlagkraft der Erregermasse kann mit Hilfe des pneumati­ schen Arbeitsdrucks beeinflußt werden.

Die Erregermasse kann als Kolben in der Kolben-Zylinder- Einheit des Federmittels eingesetzt werden. Die Erreger­ masse in Form eines Kolbens ist dann doppelseitig mit dem pneumatischen Arbeitsdruck des Federmittels beaufschlagt und komprimiert mit zunehmenden Abstand von der Mittellage zwischen den beiden Umkehrpunkten seiner Schwingungsbewe­ gung das pneumatische Druckmittel.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß mehrere in Bewegungs­ richtung der Erregermasse entgegengesetzt wirkende pneuma­ tische Kolben-Zylinder-Einheiten als Feder- und Dämpfungs­ mittel an der Erregermasse angreifen und zwischen Erreger­ masse und Gehäuse angeordnet sind.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Schwingungsrichtung der Erregermasse in mindestens einer Ebene verstellbar ist. Die Verstellbarkeit der Schwingungsrichtung ermög­ licht aufgrund einer von der Vertikalen abweichenden Kraftkomponente die Erzeugung einer Vortriebskraft an dem Gehäuse des Schwingungserregers.

Das Gehäuse mit der Erregermasse kann vorzugsweise in Verlängerung der Bewegungsachse der Erregermasse schwenk­ bar an einer Vibrationsplatte angelenkt sein. Ein derarti­ ger Schwingungserreger kann beispielsweise zur Bodenver­ dichtung verwendet werden.

Eine Steuerung kann in Abhängigkeit der Schwingungscharak­ teristik hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Schlagkraft, den Schwingungsweg der Erregermasse, den Hydraulikdruck des Antriebs der Erregermasse und den pneumatischen Druck der Feder- und Dämpfungsmittel steuern.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine hydraulisch pneumatische Prinzipskizze des Schwingungserregers, und die

Fig. 2, 3 und 4 unterschiedliche Betriebszustände des Schwing- ungserregers.

Fig. 1 zeigt einen hydraulisch-pneumatischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels mit einer linear in einem Ge­ häuse 1 hin- und herbewegten Erregermasse 2. Die Erreger­ masse 2 ist in Form eines Kolbens 12 ausgebildet und wird innerhalb eines Zylinders 14 einer Kolben-Zylinder-Einheit 12,14, die ein Feder- und Dämpfungsmittel bildet, hin- und herbewegt. Die kolbenförmige Erregermasse 2 ist über eine Kolbenstange 3 mit einem Kolben 8, einer hydraulischen Antriebseinheit 4 für die Erregermasse 2 starr verbunden. Die Kolbenstange 3 ist in dem Gehäuse 1 geführt und mit einer Dichtung 5 abgedichtet. Der Zylinder 10 der hydrau­ lischen Kolben-Zylinder-Einheit 8,10 umschließt eine Druckkammer 9, die beidseitig des Kolbens 8 mit hydrauli­ schem Druck beaufschlagt wird, während die gegen die Druc­ kkammer 9 druckdichte Druckkammer 13 der Kolben-Zylinder- Einheit 12,14 beidseitig des Kolbens 12 pneumatisch beauf­ schlagt ist.

Die Bewegung des Antriebskolbens wird mit Hilfe eines 4/3- Wegeventils 7 gesteuert, mit dessen Hilfe der Arbeitsdruck über Druckleitungen 17,18 auf den oberen oder unteren Teil der Druckkammer 9 geleitet wird oder beide Teile der Druc­ kkammer 9 drucklos geschaltet werden. Mit Hilfe des 4/3- Wegeventils 7 kann die Schwingungsamplitude durch Begren­ zen des Schwingungsweges der Erregermasse 2 eingestellt werden.

Der hydraulische Arbeitsdruck wird mit Hilfe einer Hydrau­ likpumpe 22 erzeugt, die von einem Motor 20 angetrieben wird. Auf der Druckseite der Hydraulikpumpe 22 ist des weiteren ein Druckspeicher 24 zum Ausgleich von Druck­ schwankungen während der Schaltvorgänge der 4/3-Wegeven­ tils 7 vorgesehen. Zwischen der Ansaugleitung 26 und der Druckleitung 28 der Hydraulikpumpe 22 ist ein Druckbegren­ zungsventil 30 geschaltet. Die Ansaugleitung 26 und die Rücklaufleitung 32 von dem 4/3-Wegeventil 7 enden in einem Vorrats- und Auffangbehälter 34 für das Hydrauliköl. Der Arbeitsdruck kann durch Verändern der Einstellung des Druckbegrenzungsventils 30 variiert werden.

Die pneumatische Schaltung zur Einstellung der Feder- und Dämpfungscharakteristik des Federmittels 6 bestehend aus der Kolben-Zylinder-Einheit 12,14 weist einen Kompressor 36 und ein einstellbares Druckregelventil 38 auf, das par­ allel zum Kompressor 36 geschaltet ist. Pneumatische Druckleitungen 40,42 leiten jeweils einen gleichhohen Druck in den oberen bzw. unteren Teil der Druckkammer 13, so daß die als Kolben 12 verwendete Erregermasse 2 beid­ seitig mit dem gleichen pneumatischen Druck beaufschlagt ist, der mit Hilfe des Druckregelventils 38 je nach ge­ wünschter Schwingungscharakteristik unterschiedlich ein­ stellbar ist.

Unterhalb der Kolben-Zylinder-Einheit 12,14 ist angedeu­ tet, daß abweichend von einer vertikalen Auf- und Abbewe­ gung der Erregermasse 2 durch Neigen der Kolben-Zylinder- Einheiten 8,10; 12,14 die Krafteinleitung auf ein Schwenk­ gelenk 44 auch unter einem von der Vertikalen abweichenden Winkel erfolgen kann, um eine Vortriebsbewegung in der Horizontalen und orthogonal zu der Schwenkebene zu erhal­ ten.

Die Fig. 2, 3 und 4 erläutern unterschiedliche Betriebs­ zustände des Schwingungserregers bei einer Ankopplung an eine Vibrationsplatte 16 zur Bodenverdichtung.

Der Schwingungserreger ist dabei schwenkbar mit Hilfe eines Schwenkgelenkes 44 an der Vibrationsplatte 16 befe­ stigt, wobei entsprechend der Schwenkstellung eine unter­ schiedliche Vortriebskraft vorwärts oder rückwärts erziel­ bar ist.

Die nachfolgende Tabelle erläutert unterschiedliche Auf­ gabenstellungen für ein derartiges Bodenverdichtungsgerät und erläutert die Lösungsmöglichkeiten nach dem Stand der Technik bzw. nach dem hier beschriebenen linearen Schwin­ gungserreger.

Fig. 2 zeigt den Betriebszustand des Schwingungserregers in dem Fall, in dem eine hohe Amplitude bei niedriger Fre­ quenz und hoher Schlagkraft erforderlich ist. In diesem Fall ist die Druckkammer 13 nur mit einem geringen pneuma­ tischen Druck beaufschlagt, während mit Hilfe des 4/3- Wegeventils 7 ein großer Hub des Antriebskolbens 8 und damit auch der Erregermasse 2 eingestellt ist. Des weite­ ren kann mit Hilfe des 4/3-Wegeventils 7 in Verbindung mit dem Arbeitsdruck in den Druckleitungen 17,18 die Frequenz der Schwingung eingestellt werden. Aufgrund des geringen pneumatischen Gegendrucks in der Druckkammer 13 ergeben sich in den Umkehrpunkten der Bewegung der Erregermasse 2 hohe Spitzenwerte für die Schlagkraft.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist eine mittlere Schwingungsamplitude bei höherer Frequenz und kleinerer Stoßkraft erwünscht. In diesem Fall ist der pneumatische Druck in der Druckkammer 13 erhöht, so daß die Federung und Dämpfung gegen die Bewegung der Erregermasse 2 in der Kolben-Zylinder-Einheit 12,14 erhöht ist. In Verbindung mit der Steuerung des 4/3-Wegeventils 7 läßt sich Amplitu­ de und Frequenz der Schwingung entsprechend an die ge­ stellte Aufgabe anpassen. Zusätzliche Anpassungsmöglich­ keiten ergeben sich durch die Einstellung eines bestimmten Arbeitsdrucks.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist schließlich eine kleine Amplitude bei höchster Frequenz und relativ geringer Schlagkraft erwünscht. In diesem Fall wird der pneumatische Druck in der Druckkammer 13 weiter erhöht, wodurch die Einhaltung eines kurzen Schwingungsweges er­ leichtert wird. Die Kompression des pneumatischen Druckme­ diums wirkt in der Weise eines Energiespeichers und er­ leichtert die Steuerung der Umkehrbewegung der Erreger­ masse 2.

Die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Betriebszustände entsprechend der in der Tabelle angegebenen Anwendungs­ fälle lassen sich bei dem linearen Schwingungserreger durch die stufenlose Verstellbarkeit der Feder- und Dämp­ fungscharakteristik des Federmittels, der stufenlosen Verstellbarkeit der Frequenz und der Amplitude der Schwin­ gung und der Verstellbarkeit des Arbeitsdrucks mit einem einzigen Gerät erzielen.

Eine im einzelnen nicht dargestellte Steuerung koordiniert entsprechend der einzustellenden Schwingungscharakteristik die Einstellung des Druckbegrenzungsventils 30 zur Steue­ rung des Arbeitsdruckes, die Steuerung des 4/3-Wegeventils 7 zur Einstellung der Schwingungsfrequenz und des Schwin­ gungsweges und die Einstellung des pneumatischen Drucks in der Druckkammer 13 über das Druckregelventil 38.

Bei dem Arbeitsprinzip der rotierenden Unwucht nach dem Stand der Technik sind verstellbare Unwuchtmassen wirt­ schaftlich kaum realisierbar. Separate Bodenverdichter als Spezialgeräte für die jeweiligen in der Tabelle angegebe­ nen Anforderungen sind nicht bekannt, so daß bisher nur Universal-Bodenverdichter mit einer Schwingung mittlerer Frequenz und mittlerer Amplitude einstellbar waren.

Claims (11)

1. Schwingungserreger mit einem Gehäuse (1), in dem eine beweglich gelagerte Erregermasse (2) für die Schwin­ gungserzeugung und ein aus einer Kolben-Zylinder-Ein­ heit (8, 10) bestehender Antrieb (4) für die Erreger­ masse (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermasse (2) mit einem hydraulisch ange­ triebenen Antriebskolben (8) der Kolbenzylinderein­ heit (8, 10) starr gekoppelt ist, daß die Erregermas­ se (2) gegen die Wirkung von in der Federkennung variabel einstellbaren Feder- und Dämpfungsmitteln (6) linear hin- und herbewegbar ist und daß die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude der in das Gehäuse (1) induzierten Schwingungen veränder­ lich sind.

2. Schwingungserreger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder- und Dämpfungsmittel (6) aus auf die Erregermasse (2) einwirkenden pneumatischen Drücken besteht.

3. Schwingungserreger nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Feder- und Dämpfungsmittel (6) aus mindestens einer pneumatischen Kolben-Zylinder-Ein­ heit (12, 14) bestehen und daß die Erregermasse (2) als Kolben (12) in der Kolben-Zylinder-Einheit (12, 14) eingesetzt ist.

4. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Bewegungsrich­ tung der Erregermasse (2) entgegengesetzt wirkende pneumatische Kolben-Zylinder-Einheiten (12, 14) als Feder- und Dämpfungsmittel (6) zwischen dem Gehäuse (1) und der Erregermasse (2) angeordnet sind.

5. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsrichtung der Erregermasse (2) in mindestens einer vertikalen Ebene verstellbar ist.

6. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) mit der Erregermasse (2) vorzugsweise in Verlängerung der Bewegungsachse der Erregermasse (2) schwenkbar an einer Vibrationsplatte (16) angelenkt ist.

7. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung in Abhän­ gigkeit der Schwingungscharakteristik hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Stoßkraft der Schwingung die Länge des Schwingungsweges der Erregermasse (2), den Hydraulikdruck des Antriebs (4) der Erregermasse (2) und den pneumatischen Druck der Feder- und Dämpfungs­ mittel (6) steuert.

8. Verfahren zur mechanischen Schwingungserzeugung für Schwingungserzeuger, durch bewegliches Lagern einer Erregermasse (2) in einem Gehäuse (1) und durch An­ treiben der Erregermasse (2) mit vorbestimmter Schwingungsfrequenz und Schwingungsamplitude, gekennzeichnet durch das lineare Hin- und Herbewegen der Erregermasse (2) gegen die Wirkung von in der Federkennung variabel einstellbaren Feder- und Dämpfungsmitteln (6) und durch starres Ankoppeln der Erregermasse (2) an einen Antriebskolben (8) der wechselseitig mit hydrauli­ schem Druck beaufschlagbar ist, wobei Schwingungen mit variabler Schwingungsfrequenz und Schwingungs­ amplitude in das Gehäuse (1) induziert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Feder- und Dämpfungsmittel (6) für die Erre­ germasse (2) ein pneumatischer Druck verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kolben-Zylinder-Einheit (12, 14) als Feder- und Dämpfungsmittel (6) verwendet wird, wobei die Erregermasse (2) als Kolben (12) eingesetzt wird.

11. Vibrationsplatte mit einem Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 bis 7.