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Selbstbewegliche Verdichtungsmaschine Es sind bereits Verdichtungsmaschinen
zur Verdichtung von geschütteten oder gewachsenen sandigen Böden vorgeschlagen worden,
die auf der Fliehkraftwirkung exzentrischer, rotierender Massen beruhen. Hierbei
findet ein Paar gegensinnig rotierender Scheiben mit in ihrer Größe und Lage veränderlichen
Exzentergewichten Verwendung, wobei sich bei der Rotation der Scheiben die lotrechten
Flieh'kraftw irkungen addieren, während sich die waagerechten ausgleichen. Bei diesen
Verdichtungsmaschinen sind die zu einem Paar gehörenden Exzenterscheiben auf zwei
parallelen Wellen angeordnet. Es ist hier weiter vorgeschlagen, diese '.Maschinen
mit selbsttätiger Vorwärtsbewegung derart herzustellen, daß die Verbindungslinie
der Wellenmittelpunkte nicht parallel zur Maschinenunterkante, sondern gegen diese
geneigt ausgeführt wird. Schließlich ist bereits vorgeschlagen, den Neigungswinkel
der Verbindungslinie der Wellenmittelpunkte eines Exzenterscheibenpaares gegen die
Maschinenunterkante nach Erfordernis beliebig zu verstellen und durch Erzeugung
eines Drehmoments um die senkrechte Maschinenachse eine Rechts- bzw. Linkssteuerung
bei selbsttätiger Vorwärtsbewegung hervorzurufen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit einem Paar oder mehreren
Paaren gegensinnig rotierender Exzenterscheiben zur Erzeugung periodischer Kräfte,
die in vertikaler Richtung wirken und zur Fortbewegung und Lenkung dienen. Gemäß
der Erfindung werden die gegensinnig rotierenden Exzenterscheiben eines Exzenterscheibenpaares
auf
ein und derselben Welle angeordnet. Das bringt vor allem den Vorteil mit sich, daß
der Ausgleich der zu vernichtenden Horizontalkomponenten auf kürzestem Wege über
die Welle vor sich geht und nicht über dem Umweg über das Maschinengehäuse. Dadurch
werden vor allem die sonst auftretenden Spannungen im Gehäuse vermieden und die
Lebensdauer der Maschine erhöht. Weiterhin ist durch die Erfindung die Möglichkeit
gegeben, während des Laufens der Maschine die eine Exzenterscheibe eines Exzenterscheibenpaares
gegenüber der anderen um einen gewünschten Winkel zu verdrehen und dadurch eine
beliebig gegen die Grundplatte der Maschine geneigte Resultierende zu erzeugen,
die für ein schnelleres oder langsameres Vor- oder Rückwärtsfahren und auch für
eine Links- oder Rechtskurvenfahrt ausnutzbar ist.
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Von den beiden zu einem Exzenterscheibenpaar gehörenden Exzenterscheiben
wird zweckmäßig die eine Exzenterscheibe fest und die andere lose auf der Hauptwelle
angeordnet und diese letztere von der fest angebrachten Exzenterscheibe gegensinnig
angetrieben. Für diesen Antrieb kann ein Reibradgetriebe, ein Kegelradgetriebe,
ein Differential o. dgl. Anwendung finden.
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Findet ein Kegelradgetriebe Verwendung, so, kann die Ausführung so
gehalten sein, daß zwischen den beiden Exzenterscheiben ein Differential angeordnet
ist, das aus einer drehbar auf der Hauptwelle sitzenden Trägerscheibe mit mehreren
Kegelrädern mit radialer Drehachse besteht, die in Zahnkränze der Exzenterscheiben
eingreifen. Ein solches Getriebe ermöglicht gegenüber einem Reibradgetriebe eine
bessere und genauere Einstellung der Exzenterscheiben zueinander.
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Die Maschine soll den größtmöglichen Verdichtungseffekt dadurch erzielen,
daß die Drehzahl der Maschine gleich der Eigenschwingungszahl des Schwingungssystems
Maschine auf elastischer Bettung des Bodens gehalten wird, so daß die Maschine also
stets in Resonanz fährt. Die Resonanzlage der arbeitenden Maschine wird sich infolge
der verdichtenden Wirkung erhöhen, weil die Federkraft des verdichteten Bodens stärker
wird. Um die Drehzahl der Maschine stets in der Resonanzlage zu halten, ist daher
eine dauernde Drehzahlregelung erforderlich. Der Maschinist muß die Resonanzlage
auf einfache Weise erkennen können, um hiernach die entsprechende Drehzahlregelung
vorzunehmen. Zu diesem Zweck sind zwei im nachfolgenden näher beschriebene Schwingungsgeber
vorgesehen.
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Der Erfindungsgegenstand ist in beispielsweiser Ausführungsform in
der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Draufsicht auf den -Motor
mit einem Horizontalschnitt durch das die Exzenterscheiben enthaltende Getriebegehäuse,
Fig. a eine Ansicht einer Mitnehmerscheibe, Fig.3 bis 7 Einzelheiten für den Aufbau
der Maschine.
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Die Pfeilrichtung A in Fig. i stellt die Richtung für die Vorwärtsfahrt
der Maschine dar. Die horizontal liegende Motorwelle i steht über eine Kupplung
und ein Getriebe a mit einer mit dieser Welle axial liegenden Motorhilfswelle 3
und über die Kegelräder 4, 5, 6 mit den axial in gleicher Richtung liegenden Hauptwellen
7 und 7' in Verbindung. Auf der Hauptwelle 7 ist das Exzenterscheibenpaar 8 und
9 und auf der Hauptwelle 7' das Exzenterscheibenpaar 8' und g angeordnet. Die Exzenterscheiben
8 und 8' sind auf ihren Wellen 7 bzw. 7' aufgekeilt, Nvährend die Exzenterscheiben
9 und g auf Kugellagern laufen und, wie in der Zeichnung angedeutet, lose bzw. beweglich,
jedoch nicht axial verschiebbar auf den Wellen 7 und 7' sitzen. An Stelle zweier
Haupt4vellen könnte auch eine durchgehende Hauptwelle für beide Exzenterpaare Verwendung
finden. Die Exzenterscheiben laufen derart, daß in der Grundstellung (Fig.3 und
4) alle Exzenterschwerpunkte gleichzeitig ihre tiefste Lage bzw. ihren unteren Totpunkt
durchlaufen und dann auf einer waagerechten Achse liegen. Bei dieser Einstellung
ist in allen Lagen der Exzenterschwerpunkte während des Umlaufs der Scheiben die
Resultierende R (Fig.3) immer senkrecht zur 1Maschinengrundplatte wirksam. Der Übersichtlichkeit
wegen sind in Fig.3 und 5 die beiden Exzenterscheiben 8 und 9 verschieden groß gezeichnet,
ob-%v-olil sie in Wirklichkeit gleichen Durchmesser aufweisen. Die in allen Lagen
der Exzenterschwerpunkte während des Umlaufs senkrecht nach unten gerichtete Resultierende
erzeugt keine Horizontalkomponente, so daß bei der Lage der Exzenterschwerpunkte
nach Fig.3 und 4 sich die Maschine von ihrer jeweiligen Arbeitsstellung nicht weiterbewegt.
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Wird die Exzenterscheibe 9 gegenüber der Scheibe 8 um einen gewissen
Verdrehungswinkel verstellt (Fig. 5 und 6), so ergibt sich eine schräg zur Maschinenunter
kante gerichtete Resultierende R', die in eine lotrechte tin<1 eine waagerechte
Komponente zerlegbar ist. Die lotrechte Komponente kann zur Verdichtung des Bodens
und die waagerechte Komponente zum Vorschub entgegengesetzt zur Richtung dieser
Komponenten benutzt werden. Werden bei beiden Exzenterpaaren in der gleichen geneigten
Lage wirkende Resultierende erzeugt, läuft die Maschine geradeaus. Wird der Winkel
y des einen Exzenterpaares gegenüber dem Winkel y des anderen Exzenterpaares von
den Handkurbeln i9 bzw. i9' aus vergrößert, so wird eine Links- bzw. Rechtskurve
der Maschine gefahren. Ruft man bei dem einen Exzenterpaar eine Resultierende R'
hervor, die nach rechts unten bzw. links oben verläuft und bei dem anderen Exzenterpaar
eine Resultierende R', die unter demselben Winkel nach links unten bzw. rechts oben
gerichtet ist, so entsteht ein Drehmoment um die mittlere lotrechte -Maschinenachse.
Bei einem Winkel y von i8o° wird eine horizontal gerichtete Resultierende R' erzeugt.
Bei der Einstellung der Exzenterschwerpunkte nach Fig.5 und 6 treffen sich die beiden
Exzenterschwerpunkte auf einem Meridan, der mit der Senkrechten den halben Verdrehungswinkel
bildet.
Die Exzentermassen auf jeder Scheibe bestehen vorteilhaft
aus zwei Teilen, die am Umfang der Scheibe gegeneinander einstellbar angeordnet
sind. Stehen die beiden Exzentermassen einander auf dem Scheibenumfang diametral
gegenüber, so ist die Exzentrizität null. Sie wächst mit Verringerung des Spitzenwinkels
bzw. Exzentrizitätswinkels, den die Verbindungslinien der Massenschwerpunkte mit
der Drehachse bilden.
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Um von den Exzenterscheiben 8 bzw. 8' die Exzenterscheiben 9 bzw.
g anzutreiben und um die letzteren gegenüber den ersteren um einen gewünschten Winkel
zu verdrehen, ist zwischen den Exzenterscheiben ein Differential vorgesehen. Zu
diesem Differential gehört eine zwischen den Scheiben 8 und 9 bzw. 8' und g angeordnete
und drehbar auf der Hauptwelle 7, 7' sitzende Trägerscheibe io bzw. iö . Auf jeder
Trägerscheibe io bzw. iö sind vier Kegelräder Il, 12, 13, 14 mit radial zum Zentrum
der Trägerscheiben gerichteten Drehachsen angeordnet. Die Kegelräder greifen in
Zahnkränze 15, 15' und 16, 16' der Exzenterscheiben 8, 9 bzw. 8', g ein. Die Trägerscheiben
to, io' können ortsfest eingestellt werden. Ist die Trägerscheibe io bzw. io' ortsfest
eingestellt, so wird von den Exzenterscheiben 8 bzw. 8' aus über das Differential
bei den Exzenterscheiben 9 und 9' eine Umkehrung des Drehungssinnes bei völlig gleicher
Drehgeschwindigkeit der beiden Exzenterscheiben 8, 9 bzw. 8', 9' bewirkt. Um die
Exzenterscheiben 9 bzw. g gegenüber den Scheiben 8, 8' um einen gewünschten Winkel
zu verdrehen, ist der Umfang der Trägerscheiben io bzw. iö mit Schneckengängen versehen,
in welche bei jeder Trägerscheibe eine Schnecke 17 bzw. 17' mit selbsttätiger Sperrung
eingreift. Die Schnecken 17 und 17'. sind im Maschinengehäuse i8 gelagert und von
Handkurbeln i9 bzw. ig aus drehbar. Mittels jeder Schnecke kann jede Trägerscheibe
ortsfest eingestellt werden. Wenn die Trägerscheibe io bzw. iö von den Handkurbeln
i9 bzw. i9' über die Schnecken 17 bzw. 17' verdreht wird, so ändert sich während
der Umdrehung der Relativgeschwindigkeit der beiden gegensinnig laufenden Exzenterscheiben.
Man kann hierdurch einen gewünschten Verdrehungswinkel y einstellen. Bei jedem Exzenterscheibenpaar
ist der Verdrehungswinkel einstellbar und regelbar. Daher kann man bei dem linken
Exzenterscheibenpaar 8, 9 eine Horizontalkomponente in der Fortbewegungsrichtung
der Maschine und bei dem rechten Exzenterscheibenpaar 8', g eine Horizontalkomponente
entgegen der Laufrichtung hervorrufen. Auf diese Weise wird ein rechtsdrehendes
Moment wirksam, das eine Rechtskurve der Maschine erzeugt. In entsprechender Weise
kann man eine Linkskurve hervorrufen. Nachdem die gewünschte Bewegungsrichtung eingestellt
ist, werden die Verdrehungswinkel wieder bei beiden Exzenterscheibenpaaren gleichsinnig
eingestellt, so daß dann die Maschine wieder geradeaus läuft. Der Maschinist hat
es in der Hand, die Horizontalkomponenten beliebig zu verstärken bzw. zu verändern.
Der Maschinist kann daher leicht zu verdichtende Böden durch Erhöhung der Horizontalkomponenten
schneller bearbeiten, weil dort nur ein geringer Teil der Gesamtfliehkraft für die
Verdichtungswirkung benötigt wird, also ein größerer Teil für den Vortrieb frei
bleibt. Umgekehrt kann bei schwer zu verdichtenden Böden der Anteil der lotrechten
Komponente entsprechend hoch gehalten werden, wodurch der Verdichtungsvorgang intensiver
und der Vortrieb langsamer vor sich geht. Um dem Maschinisten zu ermöglichen, die
Dreh, zahl der Maschine der Eigenschwingungszahl des Schwingungssystems anzupassen,
d. h. um die Drehzahl der Maschine in einer Resonanzlage zu halten, sind an der
Maschine zwei Schwingungsgeber vorgesehen.
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Ein Schwingungsgeber sitzt unmittelbar an der Hauptwelle des Vibrators
und gibt Frequenz und Phase der Erregerschwingung an. Zu diesem Zweck wird ein gewöhnlicher
Autozündmagnet verwendet, der an die Hauptwelle angeflanscht ist, also mit deren
Drehzahl läuft. Der Unterbrecher wird abgebaut und statt dessen der Primärstromkreis
durch einen Kontakt geschlossen, der an zwei Hilfsscheiben angebracht ist, deren
Drehungssinn und -frequenz genau den Exzenterscheiben eines Paares entspricht. Der
Strom wird gerade in dem Augenblick geschlossen, in dem die Exzentergewichte der
entgegengesetzt rotierenden Scheiben durch denselben Meridian laufen, also dann,
wenn dieser Meridian mit der Lotrechten den Winkel 1/z y (Fig.6) einschließt und
der Maximalwert der Fliehkraft 'hervorgerufen ist. Dieser momentan geschlossene
und gleich wieder unterbrochene Primärstrom verursacht im Zündmagnet einen hochgespannten
Sekundärstrom, dessen Spannungsmaximum zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Primärstromes
auftritt. Ein Schwingungsgeber registriert die Schwingung .der Maschine auf der
elastischen Stützung des Bodens, ist also am einfachsten als elektrischer Seismograph
(Tauchspulengerät) auszubilden und wird mit seinem Gehäuse am besten unmittelbar
auf der Grundplatte des Vibrators befestigt. Das Spannungsmaximum des durch Schwingung
der abgefederten Tauchspule gegen das Gehäuse induzierten Stromes tritt am Scheitelwert
der erzeugten Bodenschwingung auf. Die induzierten Ströme beider Geber werden elektrisch
verstärkt und an einen Kathodenstrahloszillographen gelegt, derart, daß der eine
Schwingungsvorgang (Erregerschwingung) z. B. eine lotrechte und die erzwungene Schwingung
dagegen eine waagerechte Richtung auf den Schirm der Braunschen Röhre einnimmt.
Ist nun die Erregerschwingung mit der erzwungenen Schwingung phasengleich, so stellt
sieh auf dem Schirm eine unter .I5° geneigte Gerade ein, die ja stets ein feststehendes
Bild ergeben muß, weil die Frequenzen beider Schwingungen gleich sind. Ändert sich
die Phasenlage zwischen Erregung und erzwungener Schwingung, so erweitert sich bei
der geschilderten Anordnung die unter 45° geneigte Gerade in eine Ellipse, um bei
Phasenverschiebung von 9o° in
einen Kreis überzugehen. Es entstehen
hier die sog. Lissajou-Figuren.
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Zur Bedienung der Maschine wird zunächst eine geringe Exzentrizität,
z. B. der Exzentrizitätswinkel t70°, an jeder Exzenterscheibe und eine Relativstellung
der Exzenterscheiben für lotrechte Resultierende nach dem Muster der Fig. 3 und
4 eingestellt. Dann wird der Motor angeworfen und das Getriebe wie bei der Bedienung
eines Kraftfahrzeuges stufenweise hochgeschaltet. Vom Bedienungssitz des Maschinisten
wird festgestellt, bei welcher Drehzahl beim Hochfahren der Maschine Resonanz vorhanden
ist. Der Maschinist muß hierzu während des Hochfahrens der Maschine die Mattscheibe
der Braunschen Röhre beobachten und in dem Augenblick, wo das Bild einen Kreis darstellt,
an dem Tachometer die Drehzahl der Maschine ablesen. Ist die Resonanzfrequenz bestimmt,
so wird unter Benutzung eines Diagramms oder einer Tabelle, aus der der Zusammenhang
zwischen Fliehkraft, Exzentrizitätswinkel und Exzentergewichte einer Scheibe und
der Eigenfrequenz ersichtlich ist, der Exzentrizitätswin'kel bestimmt und sämtliche
Exzenterscheiben so eingestellt, daß bei beiden Exzenterscheibenpaaren in der gleichen
Schrägrichtung geneigte Resultierende entstehen. Dann wird die Maschine neu in Bewegung
gesetzt und während des Laufes der Hauptwelle der größte Neigungswinkel y/2 Maximum
der Resultierenden gegen die Lotrechte unter Benutzung einer optischen Einrichtung
eingestellt. Zu dieser optischen Einrichtung gehören zwei früher bereits erwähnte
Hilfsscheibenpaare, deren Drehungssinn und -frequenz genau demjenigen der festen
und beweglichen Exzenterscheiben entspricht. Jede Scheibe jedes Hilfsscheibenpaares
erhält auf einem Radius liegende und beim Umlauf der Scheiben sich deckende Bohrungen,
so daß von einer angestrahlten Platte aus in dem Augenblick, in dem die Bohrungen
beim Umlauf übereinanderliegen, ein Lichtschein durch die Bohrungen durchtreten
kann, der den Eindruck eines vom Drehmittelpunkt ausgehenden Lichtpfeiles erweckt.
Die Scheibe mit ihren Bohrungen sind so eingestellt, daß dieser Lichtpfeil unter
dem halben Verdrehungswinkel gegen die Vertikale geneigt ist. Eine um den Umfang
der rotierenden Scheibe gelegte Skala gibt dann die Möglichkeit, den von dem Lichtpfeil
bestimmten Winkel abzulesen. Der Maschinist hat darauf zu achten, daß stets eine
Frequenz gehalten wird, die der Resonanzlage gleichkommt. Durch Vergrößern des Winkels
y von den Handkurbeln i9 oder i g' aus kann der Maschinist während der Geradeausfahrt
der Maschine bei dem einen oder anderen Exzenterscheibenpaar die Horizontalkomponente
der Resultierenden R' erhöhen und damit eine Links- oder Rechtskurve der Maschine
herbeiführen.
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Um die empfindlichen Meßinstrumente, insbesondere die Braunschen Röhre,
möglichst gegen die bei der Maschine auftretenden Stöße zu sichern, wird für diese
Meßinstrumente eine besondere Lagerung vorgesehen, wie sie in Fig. 7 dargestellt
ist. Hier sind die Meßinstruinente 20 mittels der Federn 21 auf einer Masse 22 gelagert.
Die Masse 22 ist wiederum mittels Federn 23 gegenüber dem Schwingergehäuse 2,4 abgestützt.
Auf diese Weise ist ein gekoppeltes Schwingungssystem geschaffen, das eine weitgehende
Abfederung ermöglicht.
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Die Erfindung ist anwendbar nicht nur auf dem Gebiete der Verdichtung
von Böden, sondern auch dort, wo es sich darum handelt, Schwingungen zu untersuchen
und zu ermitteln, und auch Schwingungen in gewünschten Richtungen zu erzeugen. So
kann die Erfindung unter anderem Anwendung finden für Schwingungsprüfmaschinen,
um Probekörper oder fertige Teilkonstruktionen auf ihre Schwingungsfestigkeit zu
prüfen, um Brücken, Flugzeuge einer Schwingungsprüfung zu unterziehen und die Eigenschwingungszahlen
zu ermitteln und die Spannungen zu messen, die durch eine periodisch auftretende
Kraft bei den einzelnen Konstruktionsteilen auftreten. Auch Messungen über die Dauerfestigkeit
sind mit der Erfindung durchzuführen. Ein besonderer Vorteil über die Anwendung
der Erfindung auf diesem Gebiete liegt besonders darin, daß der Winkel der Resultierenden
beliebig eingestellt und sogar während der Bewegung verstellt werden kann.
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Die Erfindung eignet sich besonders auch für die Baugrunduntersuchung.
Hier ist besonders für Tiefgründungen die Erforschung größerer Tiefen beachtenswert.
Für die Braugrunduntersuchüng in größeren Tiefen lädt sich nach der Erfindung ein
Schwingungssystem bauen, bei dem auf einer lotrechten Welle zwei Exzenterscheiben
vorgesehen sind und bei dem der Antrieb entweder durch einen unmittelbar auf der
Welle sitzenden Motor oder durch einen über Tage laufenden Motor mit Hilfe einer
biegsamen Welle erfolgt. Der lichte Bohrlochdurchmesser bestimmt die Größe der Exzenterscheiben.
Man kann hierbei mehrere auf der Welle aufgesetzte Exzenterscheibenpaare vorsehen,
wodurch sich die Wirkung entsprechend vervielfacht. Je nach der Lage der Relativstellung
der beiden Scheiben zueinander ist die Lage der Resultierenden einstellbar. Das
ergibt den Vorteil, daß die Erregerkraft eine gewünschte Richtung haben kann und
die Wirkung der Erregung polarisiert ist. In der zu untersuchenden Achse bzw. in
der Richtung der Resultierenden erhält man mit der Erfindung eine besonders große
Schwingungsenergie, wodurch die Reichweite wächst. Man kann daher nach Einbringung
des Schwingersystems und der Meßgeräte in beliebiger Tiefenlage jede zu untersuchende
Bodenschicht für sich untersuchen.
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Mit der Erfindung wird der bisherige Mangel, eine bevorzugte Richtung
der Untersuchung einstellen zu können, behoben. Zum Beispiel ist dies wichtig, wenn
vor der Brust eines vorgetriebenen Stollens eine Untersuchung des weiter in der
geplanten Stollenachse liegenden Materials nötig ist. Diese Feststellungen sind
nicht nur im Tunnelbau, sondern auch im Ingenieur-Tiefbau mitunter notwendig. So
z. B. dann, wenn es sich darum handelt, die Tragfähigkeit einer in größeren Tiefen
anstehenden
ungünstigen Bodenschicht zu ermitteln.