EP2172279B1

EP2172279B1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer Kreisschwingung oder einer gerichteten Schwingung mit stufenlos verstellbarer Schwingungsamplitude bzw. Erregerkraft

Info

Publication number: EP2172279B1
Application number: EP09010928A
Authority: EP
Inventors: Hans-Werner Kürten
Original assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Current assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: ATE516089T1; US20100147090A1; JP5380234B2; JP2010099656A; EP2172279A1; CN101961710B; DE102008050576A1; CN101961710A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kreisschwingung oder einer gerichteten Schwingung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Solche Vorrichtungen kommen insbesondere bei Baumaschinen zur Bodenverdichtung zum Einsatz. Es werden gewöhnlich zwei parallel im gleichen Gehäuse angeordnete Grundwellen verwendet, auf denen sich jeweils Unwuchtgewichte befinden. Zur Erzeugung einer gerichteten Schwingung werden die Grundwellen synchron und gegensinnig beispielsweise mittels direkt kämmender Stirnräder in Rotation versetzt. Zur stufenlosen Verstellung der Schwingungsamplitude der Erregerkraft werden die Winkelstellungen der Unwuchtgewichte so geändert, dass die wirksame Erregerkraft, die sich aus den Fliehkräften einzelner Unwuchtgewichte zusammensetzt, stufenlos innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu- oder abnimmt.
Herkömmlich werden zur Verstellung der Schwingungsamplitude bzw. Erregerkraft Wellen verwendet, auf denen sich zum einen drehfest mit der Welle verbundene und zum anderen drehbar auf ihr gelagerte Unwuchtgewichte befinden. Zur Verstellung der Winkelstellung werden die drehbar gelagerten Unwuchtgewichte, meist nur im Stillstand, in ihren Positionen gegenüber den drehfesten Unwuchtgewichten verstellt und arretiert.
Aus DE 2736264 A1 ist ein Schwingungserreger mit zwei gegeneinander verschiebbaren Unwuchtkörpern bekannt, welcher auch eine Verstellung während des Betriebes ermöglicht. Dazu ist ein erster Unwuchtkörper in einem Gabelstück um eine Querachse drehbar mittels einer Schubstange mit einem axial auf der Rotationsachse verschiebbaren Schieber zum Umlegen des Unwuchtkörpers verbunden. Ein weiterer Unwuchtkörper steht mit dem ersten Unwuchtkörper mittels einer Verzahnung in formschlüssiger Verbindung. Wird der Schieber axial bewegt, so verdrehen sich die beiden Unwuchtkörper entweder zu- oder voneinander. Auf diese Weise wird die Amplitude der Erregerkraft variiert. Nachteilig allerdings ist, dass hierbei der axial verschiebbare Schieber und die Schubstangenverbindung sehr viel Platz auf der Rotationsachse einnehmen, so dass eine kompakte Bausweise des Schwingungserregers unmöglich ist.
Ferner besteht der Nachteil darin, dass bei dem Schwingungserreger gemäß DE 2736264 A1 bezüglich der Anordnung von Unwuchtkörpern kein Spielraum gegeben ist, da nur immer zwei Unwuchtkörper pro Rotationswelle angeordnet werden können. Wenn man beispielsweise zwei weitere Unwuchtkörper auf der gleichen Rotationsachse anordnen wollte, müsste ein weiterer Schieber mit einer weiteren Schubstange auf der anderen Stirnseite der Welle angeordnet werden, wodurch der Bauraum noch weiter vergrößert werden würde. Ferner stellt die Schubstange als Verbindungsteil zum Verstellelement ein empfindliches Bauteil dar. Außerdem ist aufgrund der asymmetrischen Anordnung der Schubstange und aufgrund der Form der Unwuchtköper selbst bei komplett umgelegten Unwuchtkörpern keine "Nulleinstellung" der Erregerkraft möglich, so dass die Maschine ständig eine Unwucht und somit eine gerichtete Schwingung erzeugt, solange sich die Welle dreht. Ein Schwingungserreger mit zwei gegen einander verschiebbaren umwuchtgewichten, welcher ebenfalls eine verstellung während des Betriebes ermöglicht ist aus US 4 850 821 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Nachteile des bekannten Standes der Technik überwindet. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, eine sehr kompakte Bauweise für eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kreisschwingung oder einer gerichteten Schwingung zu ermöglichen, wobei die Schwingungsamplitude der Erregerkraft zuverlässig und bequem zwischen einem minimalen Wert, welcher Null sein kann aber nicht sein muss, und einem maximalen Wert stufenlos verstellbar ist. Zusätzlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, bei der eine modulare Erweiterung der Grundwelle mit zusätzlichen Unwuchtgewichten einfach, kostengünstig und ebenfalls kompakt möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist Unwuchtgewichte auf, die um die jeweilige Grundwelle drehbar auf dieser gelagert sind. Zudem weist sie eine Kopplung auf, welche ein mit der Grundwelle drehfest verbundenes Übertragungsmittel umfasst. Dieses Übertragungsmittel ist so beschaffen, dass es zum einen als Mitnehmer auf die Unwuchtgewichte wirkt und zum anderen bei Verstellung der Schwingungsamplitude der Erregerkraft eine gegensinnige Verdrehung der Unwuchtgewichte bewirkt.
Das Übertragungsmittel der Kopplung gemäß der Erfindung übernimmt im Wesentlichen zwei Funktionen. Zum einen dient es als Mitnehmer für die benachbart angeordneten Unwuchtgewichte, so dass diese Unwuchtgewichte im Normalbetrieb, d. h. wenn eine feste Einstellung für die Schwingungsamplitude der Erregerkraft gewählt ist, mit der Grundwelle synchron und gleichsinnig rotieren. Zusätzlich bewirkt das Übertragungsmittel bei gewünschter Änderung der Winkelstellungen der Unwuchtgewichte, um die Schwingungsamplitude der Erregerkraft während des Laufes der Vorrichtung zu ändern, eine gegensinnige Verdrehung der benachbarten Unwuchtgewichte.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden unter anderem große Vorteile hinsichtlich der Kompaktheit der gesamten Vorrichtung, Robustheit der Kopplung sowie einfacher und schneller Verstellungsmöglichkeit erzielt. Ferner können Herstellungskosten dank der Verwendung einfacher und gleicher Bauteile reduziert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll vorzugsweise zur Erzeugung einer Kreisschwingung mittels einer Welle oder einer gerichteten Schwingung, also mit mindestens zwei gegensinnig rotierenden Grundwellen, dienen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Kopplung eine Vorrichtung mit Verzahnungsteilen, vorzugsweise mit Kegelrädern, insbesondere mit mindestens einem Ritzel und zwei Tellerrädern, umfasst, wobei jeweils ein Unwuchtgewicht ein Tellerrad aufweist und das Übertragungsmittel das mindestens eine Ritzel ist, welches mit den beiden Tellerrädern im Eingriff steht. Tellerräder/Ritzel-Paarungen erweisen sich als besonders geeignet, um die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale zu erfüllen.
Es ist besonders zweckmäßig, dass die Kopplung mehrere jeweils um einen vorzugsweise gleichen Winkel versetzt angeordnete Übertragungsmittel aufweist. Vorzugsweise werden aus Gründen der symmetrischen Kraftverteilung zwei Übertragungsmittel verwendet. Allerdings können je nach Anwendungsfall auch mehr als zwei Übertragungsmittel eingesetzt werden.
Bevorzugt sind die Übertragungsmittel drehbar auf einem Übertragungsmittelträger angeordnet und weisen eine Rotationsachse auf, welche die Rotationsachse der Grundwelle senkrecht schneidet. Durch diese Bedingung werden die Funktionen des Übertragungsmittels, nämlich die Mitnehmer-Funktion und die Funktion der Drehsinnumkehr bei Verstellung, erleichtert. Es sind jedoch auch andere Ausführungen möglich.
Vorzugsweise weist die Grundwelle mindestens eine Querbohrung zur Aufnahme des Übertragungsmittelträgers auf. Mittels der Querbohrung kann der Übertragungsmittelträger durch die Grundwelle durchgesteckt werden und anschließend von beiden Seiten mit Übertragungsmittel, insbesondere Kegelräder, und weiteren Teilen bestückt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind auf dem Übertragungsmittelträger Mittel, insbesondere Axiallager, zur Aufnahme von Fliehkräften angeordnet, die durch das Übertragungsmittel erzeugt werden. Es werden dank der kompakten Ausführung der Übertragungsmittel ohnehin geringere Fliehkräfte erzeugt als bei herkömmlichen Vorrichtungen. Dennoch bieten sich kleine Axialkugellager zur Aufnahme von Fliehkräften an, um die Betriebssicherheit und Leichtgängigkeit noch weiter zu erhöhen.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass die Übertragungsmittelträger schwimmend auf dem Übertragungsmittelträger gelagert sind. Dadurch sind geringfügige Bewegungen der Übertragungsmittel entlang der Längsachse des Übertragungsmittelträgers möglich. Dadurch wird der Übertragungsmittelträger vor zu großer Belastung infolge von Biegemomenten und Spannungen bewahrt.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass nur eines der Unwuchtgewichte mit einer Verstelleinheit verbunden ist. Es ist also möglich, mit der Verstellung eines einzigen Gewichtes alle auf der gleichen Grundwelle angeordneten Unwuchtgewichte exakt zu verstellen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Grundwelle mehrere Unwuchtgewichtspaare mit jeweils zwei Unwuchtgewichten und einer zwischen diesen Unwuchtgewichten angeordneten Kopplung aufweist. Dabei können sämtliche Unwuchtgewichte gleiche Größe und Masse besitzen. Bei gleicher Masse der Unwuchtgewichte heben sich die Stützmomente über den Übertragungsmittelträger gegenseitig auf. Hierdurch sind die erforderlichen Stütz- und Verstellkräfte sehr gering. Es können je nach Anwendungsfall beliebig viele Unwuchtgewichtpaare auf einer Grundwelle angeordnet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante werden die Unwuchtgewichtspaare dadurch in Serie geschaltet, dass jeweils benachbarte Unwuchtgewichte der Unwuchtgewichtspaare phasengleich miteinander verbunden werden. In diesem Zusammenhang wird unter Phasengleichheit verstanden, dass die Winkelstellungen dieser Unwuchtgewichte bezüglich der Grundwelle gleich sind. Folglich wird unter Phasendifferenz der Unterschied der Winkelstellungen der Unwuchtgewichte zueinander verstanden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Grundwelle eine gerade Anzahl von Unwuchtgewichtspaaren aufweist, die in Serie geschaltet sind. Werden beispielsweise zwei, vier oder sechs Unwuchtgewichtpaare (also vier, sechs oder acht Unwuchtgewichte mit entsprechenden Kopplungen) auf einer Grundwelle in Serie geschaltet, so wird immer ein kippmomentfreies Betreiben der Vorrichtung gewährleistet, da die Winkelstellungen der Unwuchtgewichte links und rechts in Bezug auf den Schwerpunkt der Grundwelle symmetrisch sind.
Vorzugweise weisen die Unwuchtgewichte der erfindungsgemäßen Vorrichtung Mittel zur Axialspielverringerung und Verringerung des Zahnflankenspiels auf. Diese Mittel können beispielsweise Federelemente sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verstelleinheiten der beiden parallelen Grundwellen in Wirkverbindung. Dadurch dass die Verstellhülsen der Verstelleinheiten beispielsweise über direkt kämmende Stirnräder miteinander synchronisiert und gegensinnig verdrehbar verbunden sind, können z. B. bei hydraulischen Verstelleinheiten statt der doppelt wirkenden Zylinder auch einfach wirkende jeweils für eine Welle verwendet werden.
Vorzugsweise sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ölpumpe zur Schmierung der Verzahnungen und der Wälzlager vor. Durch die effiziente Dosierung mittels eines Berieselungsrohres kann das Ölniveau im Gehäuse reduziert werden. Dadurch wird der Leistungsverlust aufgrund des "Planschens" der Unwuchtgewichte im Ölbad verringert.
Es ist weiterhin vorteilhaft, die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels eines außerhalb des Gehäuses befindlichen Schwenkantriebes verschwenkbar auszuführen. Hierdurch kann bei Bedarf der Wirkwinkel der erfindungsgemäßen Vorrichtung angepasst werden.
Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zur Erfassung der momentanen Positionen der Unwuchtgewichte, insbesondere Sensoren zur Erfassung des relativen Phasenunterschieds der zu verstellenden Unwuchtgewichte aufweisen. Hierdurch ist es auch möglich, eine Frequenzverstellung unter Beibehaltung einer bestimmten Fliehkraft zu realisieren.
Ein großer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen Kompaktheit. Dadurch lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung problemlos nur mit geringem Aufwand auch in bereits bestehende Serienmaschinen einbauen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1: eine perspektivische Teilansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit teilweise ge- schnittener Verstellhülse in Ausgangsstellung;
Fig. 2: eine perspektivische Teilansicht wie Fig. 1, jedoch um einen Winkel verstellt;
Fig. 3: eine perspektivische Teilansicht wie Fig. 1, jedoch um 180° verstellt;
Fig. 4: einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 5: einen Längsschnitt wie Fig. 4, jedoch die Unwuchtgewichte um 180° verstellt;
Fig. 6: eine perspektivische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 7: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 8: eine perspektivische Ansicht wie Fig. 8, jedoch um - 45° verstellt;
Fig. 9: eine perspektivische Ansicht wie Fig. 8, jedoch um + 45° verstellt;
Fig. 10: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein erstes Unwuchtgewichtpaar 11 der ersten Grundwelle 10 mit den Unwuchtgewichten 12, 13. Zwischen den Unwuchtgewichten 12, 13 befindet sich die Kopplung 40, welche die beiden Tellerräder 43, 44 sowie die als Ritzel 41, 42 ausgeführte Übertragungsmittel 46 aufweist. Die Ritzel 41, 42 sind symmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse der Grundwelle 10, um 180° versetzt und drehbar auf dem Übertragungsmittelträger 45 angeordnet. Ferner sind Axiallager 48 erkennbar, die zur Aufnahme der durch die Ritzel 41, 42 erzeugten Fliehkräfte dienen.
Die Verstelleinheit 30 weist eine Verstellhülse 31 auf, welche mit dem ersten Unwuchtgewicht 12 drehfest mit einer Axialsicherung, z. B. über Schrauben 36, verbunden ist. Die innere Wandung der Verstellhülse 31 ist mit zwei um 180° versetzt angeordneten Wendelnuten 32 versehen. Der Verstellstift 33, der in einem Langloch 39 in der Grundwelle 10 geführt ist, greift in die Wendelnuten 32. Somit führt eine axiale Bewegung des Verstellkolbens 34, welche bei diesem Ausführungsbeispiel mittels eines einfach wirkenden Hydraulik-Zylinders ausgeführt wird, zu einer rotierenden Bewegung der Verstellhülse 31 und somit des Unwuchtgewichtes 12. Solche Verstelleinheiten sind beispielsweise aus DE 2409417 A1 bekannt. In der in Fig. 1 gezeigten Winkelstellungen der Unwuchtgewichte 12, 13 ist das Unwuchtgewicht 13 gegenüber dem Unwuchtgewicht 12 genau um 180° verdreht. Bei einer Rotation der Grundwelle 10 in der gezeigten Stellung heben sich die Fliehkraftkomponenten der Unwuchtgewichte gegenseitig auf, so dass keine Erregerkraft auftritt.
Anhand von Fig. 1, 2 und 3 wird die erfindungsgemäße Verstellung der Unwuchtgewichte 12, 13 genauer beschrieben. Hierzu wird zunächst nur die reine Verstellbewegung beschrieben, d. h. in diesem Fall wird zum besseren Verständnis angenommen, dass die Grundwelle 10 steht. Wird auf den Verstellkolben 34 Druck ausgeübt, so bewegt sich der mit dem Verstellkolben 34 verbundene Verstellstift 33 axial in Richtung positiver x-Achse, also in die angezeigte Pfeilrichtung 100. Dadurch verdreht sich die Verstellhülse samt dem damit verbundenen Unwuchtgewicht 12 in die Pfeilrichtung 101 und 102, also gegen den Uhrzeigersinn um die x-Achse, wenn man diese Drehung vom Stößel 35 aus in Richtung positiver x-Achse betrachtet.
Das Tellerrad 43, welches mit dem Unwuchtgewicht 12 fest verbunden ist, dreht sich ebenso wie das Unwuchtgewicht 12 in Pfeilrichtung 102. Dadurch werden die Ritzel 41, 42, welche drehbar auf einem Übertragungsmittelträger 45 angeordnet sind und mit dem Tellerrad 43 über die Kegelverzahnung im Eingriff sind, wobei der Übertragungsmittelträger 45 in einer Querbohrung 49 drehfest mit der Grundwelle 10 verbunden ist, gedreht. Die Drehung der Ritzel 41, 42 erfolgt in angezeigte Pfeilrichtungen 103, 104, also im Uhrzeigersinn, wenn man die Drehung vom Axiallager 48 des Ritzels 42 in Richtung positiver z-Achse beobachtet. Die Drehung der Ritzel 41, 42 verursacht die Verdrehung des Tellerrads 44 und damit auch des Unwuchtgewichtes 13. Allerdings ist aufgrund der Ausführung der Kopplung 40 mittels Kegelräder, d. h. mittels Tellerräder 43, 44 und Ritzel 41, 42, die Drehrichtung des Unwuchtgewichtes 13 (Pfeilrichtung 105) der Drehrichtung des Unwuchtgewichtes 12 entgegengesetzt.
Es zeigt sich also, dass mit Hilfe der Kopplung 40 eine sehr kompakte und einfache Verstellung der Winkelstellungen der Unwuchtgewichte 12, 13 erreicht wird. Eine Verdrehung des Unwuchtgewichts 12 beispielsweise um 90° gegenüber seiner Ausgangsstellung bezüglich der Unwuchtwelle 10 bewirkt eine Verdrehung des Unwuchtgewichts 13 ebenfalls um 90°, allerdings in die entgegengesetzte Drehrichtung, so dass sich die Unwuchtgewichte 12, 13 relativ zu- oder voneinander um 180° verdrehen. Die Wendelnuten 32 der Verstellhülse 31 sind so ausgelegt, dass sich die Verstellhülse 31 von einer in Fig. 1 gezeigten Stellung (Einstellung für minimale bzw. keine Erregerkraft) zu einer in Fig. 3 gezeigten Stellung (Einstellung für maximale Erregerkraft) um genau 90° drehbar ist. Dadurch können die Unwuchtgewichte jeweils um 90° gegensinnig relativ auf insgesamt 180° verdrehen. Zwischen den Einstellungen für minimale und maximale Erregerkraft ist eine beliebige stufenlose Einstellung möglich.
Die Verdrehung der Unwuchtgewichte 12, 13 erfolgt meist in Betrieb während der Rotation der Grundwelle 10. Bei einem fest eingestellten Phasenunterschied der Unwuchtgewichte 12, 13 werden die drehbar mittels Wälzlager 14, 15 gelagerten Unwuchtgewichte 12 und 13 über die Übertragungsmittel 46, in diesem Fall über die Verzahnung mit den Ritzeln 41, 42 mitgenommen. Dabei stehen die Ritzel still. Die Verbindung über die Verzahnung ist somit als eine statische Verbindung zu betrachten. Die eingestellten Unwuchtgewichte 12, 13 rotieren gleichsinnig mit der Grundwelle. Hierbei wird ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich. Aufgrund der Ausführung der Kopplung 40 mittels Tellerräder 43, 44 und Ritzel 41, 42 stützen sich die bei der Rotation der Grundwelle 10 auftretenden Massenträgheiten der Unwuchtgewichte 12, 13 gegenseitig über die Ritzel 41, 42 ab, so dass keine ungewollte Verdrehung der Unwuchtgewichte 12, 13 auftreten kann. Die Kopplung 40 samt der Übertragungsmittel 46 begünstigt eine Art Selbstarretierung. Es folgt ferner, dass die Übertragungsmittelträger 45 aufgrund des symmetrischen Eingriffs der Verzahnungsteile in Bezug auf die Symmetrieachse des Übertragungsmittelträgers 45 nur minimale Stützkräfte und Stützmomente aufnehmen müssen, so dass große Vorteile hinsichtlich Lebensdauer und Robustheit der erfindungsgemäßen Kopplung 40 erzielt werden. Zudem kann die Verzahnung beispielsweise als geschmiedete oder gegossene Verzahnungsteile einfach und kostensgünstig ausgeführt sein.
Die Verstellung der Schwingungsamplitude der Erregerkraft in Betrieb mittels gegensinniger Verdrehung der Unwuchtgewichte 12, 13 ist als eine Superposition der Teilbewegungen "Rotation der Unwuchtgewichte 12, 13 mit der Drehzahl der Unwuchtwelle 10" und "gegensinnige Verdrehung der Unwuchtgewichte 12, 13 um einen gewünschten Winkelbetrag" zu betrachten.
Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer Stellung, bei der die Erregerkraft maximal ist, da die Unwuchtgewichte 12, 13 bezüglich der Grundwelle 10 gleiche Winkelstellungen aufweisen.
Figur 4 zeigt einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Unwuchtgewichtpaare 11, 21 mit den Unwuchtgewichten 12, 13 und 22, 23 auf der Grundwelle 10 über die Wälzlager 14, 15, 24, 25 drehbar angeordnet. Jedes Unwuchtgewichtpaar 11, 21 weist eine Kopplung 40 bzw. 50 auf. Zusätzlich werden die benachbarten Unwuchtgewichte 13, 22 der Unwuchtgewichtpaare 11, 21 mittels eines formschlüssigen Verbindungselements 19 phasengleich verbunden. Hierdurch wird eine Serienschaltung der Unwuchtgewichtspaare 11, 21 ermöglicht, so dass nur eine einzige Verstelleinrichtung 30 mit nur einem einzigen Unwuchtgewicht 12 verbunden sein muss, um eine gleichzeitige Verstellung aller auf der Unwuchtwelle 10 befindlichen Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 zu ermöglichen. Alle Unwuchtgewichte 12, 13, 22 23 sind zweckmäßigerweise gleich groß und gleich schwer. Ebenso sind auch die Kopplungen 40 und 50 gleich.
Um von den in Fig. 4 gezeigten Winkelstellungen der Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 (minimale bzw. keine Erregerkraft) zu den in Fig. 5 gezeigten Winkelstellungen der Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 (maximale Erregerkraft) zu gelangen, wird die Verstellhülse 31 der Verstelleinheit 30, wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 bis 3 beschrieben, um 90° verdreht. Die Kopplung 40 bewirkt eine gegensinnige Verdrehung der Unwuchtgewichte 12, 13 um jeweils 90°, so dass die relative Verdrehung der Unwuchtgewichte 12, 13 insgesamt 180° beträgt. Zusammen mit dem Unwuchtgewicht 13 verdreht sich das mit ihm phasengleich und formschlüssig verbundene Unwuchtgewicht 22 des zweiten Unwuchtgewichtpaares 21 um den gleichen Winkelbetrag. Die Kopplung 50 führt zu einer gegensinnigen Verdrehung des Unwuchtgewichtes 23 im Vergleich zu den Unwuchtgewichten 22, 13. Insgesamt läst sich also festhalten, dass durch die Serienschaltung der Unwuchtgewichtpaare 11, 21 die inneren Unwuchtgewichte 13, 22 phasengleich gehalten werden und bei Verstellung in die entgegengesetzte Richtung drehen als die äußeren Unwuchtgewichte 12, 23, die ihrerseits mittels der Kopplungen 40, 50 und des Verbindungselements 19 phasengleich gehalten werden.
Ein großer Vorteil bei der Anordnung einer geraden Anzahl von in Serie geschalteten Unwuchtgewichtspaaren 11, 21 auf einer Grundwelle 10 liegt darin, dass die Wälzlager 28, 29 der Unwuchtwelle 10 dank der annähernd symmetrischen Auslegung der Unwuchtwelle 10 in Bezug auf die Mitte der Unwuchtwelle 10 nicht durch unerwünschte "Kippmomente" belastet werden.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht einer Ausführungsform der Erfindung. Ein hydraulischer Antrieb 90 mit der Antriebswelle 91 treibt eine der beiden Grundwellen 10 oder 60 über Stirnräder (hier nicht dargestellt) direkt an. Über das Stirnradpaar 82, 83 findet die Synchronisierung und Drehsinnumkehr statt, so dass die Unwuchtwellen 10, 60 in Betrieb mit gleicher Drehzahl, jedoch gegensinnig rotieren. Die Grundwellen 10, 60 weisen die gleichen Bestandteile auf. Auch die Funktionsweisen beider Grundwellen 10, 60 stimmen überein. Das Stirnrad 80 ist über Verbindungselemente, wie z. B. Schrauben/ Mutter, fest mit dem ersten Unwuchtgewicht 12 der Grundwelle 10 verbunden und somit auch mit der Verstellhülse 31 der Verstelleinheit 30. Ebenso ist das Stirnrad 81 mit dem Unwuchtgewicht 62 der Grundwelle 60 und mit der Verstellhülse der Verstelleinheit 70 verbunden. Über das Stirnräderpaar lässt sich auch die Verstellbewegung der Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 der Grundwelle 10 mit der Verstellbewegung der Unwuchtgewichte 62, 63, 65, 66 der Grundwelle 60 synchronisieren und im Drehsinn umkehren. Dadurch lassen sich die hydraulischen Ansteuerungen 37 beider Verstelleinheiten 30, 70 so kombinieren, dass jeweils statt der doppelt wirkenden nur einfach wirkende Hydraulikzylinder verwendet werden können. Wird beispielsweise der Verstellstift 33 der Verstelleinheit 30 in die positive x-Richtung (Fig. 4) "hineingedrückt", so wird über die gegensinnige Synchronisierung mittels der Stirnräder 80, 81 der Verstellstift (hier nicht dargestellt) der Verstelleinheit 70 entsprechend in die negative x-Richtung "herausgedrückt".
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Schwingungsamplitude der Erregerkraft einfach und schnell durch die Verdrehung der Unwuchtgewichte von einem Minimalwert, also 0 kN auf einen Maximalwert, beispielsweise 174 kN, stufenlos und während des Rotierens der Welle verstellt werden. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 sowie 62, 63, 65, 66 in Betrieb bis zum Erreichen der Nenndrehzahl der Grundwellen 10, 60 in den in Fig. 1, 4 oder 6 gezeigten Winkelstellungen bleiben. Bei diesen Winkelstellungen wird keine gerichtete Schwingung erzeugt. Nach dem Erreichen der Nenndrehzahl können die Unwuchtgewichte so verdreht werden, bis ein gewünschter Betrag der Schwingungsamplitude der Erregerkraft erreicht ist. Hierdurch lässt sich ein "sanftes" Anfahren ermöglichen. Da der Antriebsmotor der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, beispielsweise ein Dieselmotor, konstant bei Nenndrehzahl betrieben werden kann und nur die Verstellung der Erregerkraft einen Einfluss auf den Motorbetrieb ausübt, kann der Antriebsmotor effizient und verbrauchsoptimiert betrieben werden. Das Anfahrverhalten wird insgesamt besser.
Genauso werden beim Ausstellen oder Reversieren der Maschine mit erfindungsgemäßer Vorrichtung 1 die Unwuchtgewichte zunächst bei Nenndrehzahl in die "Nullstellung" verdreht, so dass keine Erregerkräfte erzeugt werden und anschließend die Maschine abgestellt bzw. reversiert. Durch den ständigen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Nenndrehzahl werden unerwünschte Resonanzbereiche vermieden. Dadurch tritt kein "Taumeln" des Walzkörpers auf. Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung für bodenverdichtende Maschinen verwendet, so lassen sich beispielsweise unerwünschte Querrillen vermeiden, so dass sich insgesamt die Qualität der Verdichtung verbessern lässt. Die Möglichkeit der schnellen und bequemen Anpassung der Erregerkraft an die lokalen Gegebenheiten trägt ebenso zur Verbesserung bei. Aufgrund der Kompaktheit lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch in bereits bestehende Serienmaschinen problemlos einbauen. Durch die Anpassung der Verdichtungsleistung an den Untergrund wird eine Lärmreduzierung sowohl für die Umgebung als auch für den Fahrer erreicht. Ferner wird die Schwingungsbelastung der Maschinenstruktur erheblich verringert.
Figuren 7 bis 9 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung. Im Unterschied zu den in Figuren 4 bis 6 gezeigten Beispielen sind die beiden benachbarten Unwuchtgewichte 13, 22 der Unwuchtgewichtpaare 11 und 21 nicht phasengleich und fest miteinander verbunden, sondern mittels einer zusätzlichen Kopplung 150, welche im Wesentlichen den Kopplungen 40, 50 entspricht, gegeneinander verdrehbar angeordnet. Ferner weist die zweite Grundwelle 60 ein Unwuchtgewicht 160 auf, welches drehfest auf der zweiten Grundwelle 60 angeordnet ist. Durch die Verbindung aller benachbarten Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 mittels Kopplungen 40, 150, 50 wird die Maschine, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) ausgestattet ist, fahr- und lenkbar gemacht. Solche Maschinen können beispielsweise Vibrationsplatten zur Bodenverdichtung sein.
Figur 7 zeigt eine Einstellung der Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 für die "Geradeausfahrt" in die angezeigte Pfeilrichtung 170. Hierbei nehmen die Unwuchtgewichte 12, 23 in der y-z-Ebene einen Winkel von + 45° bezüglich der positiven z-Achse ein. Die Unwuchtgewichte 13, 22 weisen einen Winkel von - 45° bezüglich der z-Achse auf. Bei einer synchron gegensinnigen Rotation der Grundwellen 10, 60 in den gezeigten Winkelstellungen wird neben der Vertikalkomponente der Erregerkraft eine Horizontalkomponente erzeugt, wodurch sich die Vorrichtung in die gezeigte Laufrichtung, nämlich in die positive y-Achse, geradeaus bewegt. Der Betrag der Horizontalkomponente ist in einem Bereich verstellbar, so dass die Fahrtgeschwindigkeit optimal angepasst werden kann. Wird die Vorrichtung für eine Vibrationsplatte verwendet, so ist kein separater Antrieb für die Vor- oder Rückwärtsbewegung der Vibrationsplatte notwendig.
Figur 8 zeigt eine Einstellung der Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 für die "Kurvenfahrt nach links" in die angezeigte Pfeilrichtung 180. Hierfür wird das erste Unwuchtgewicht 12 über die bekannte Verstelleinrichtung 30, die mit dem Unwuchtgewicht 12 fest verbunden ist, ausgehend von der in Fig. 7 gezeigten Winkelstellung um - 45° bezüglich der positiven z-Achse gedreht, so dass die Unwuchtkraft des Unwuchtgewichtes 12 parallel zur z-Achse in Richtung der positiven z-Achse zeigt. Die Kopplung 40 bewirkt eine gegensinnige Verdrehung des Unwuchtgewichtes 13 in Bezug auf das Unwuchtgewicht 12, so dass die Unwuchtgewichte 12, 13 phasengleich sind. Die Kopplungen 150, 50 führen jeweils zur gegensinnigen Verdrehung der benachbarten Unwuchtgewichte 13, 22 bzw. 22, 23, so dass die Unwuchtgewichte die in Fig. 8 gezeigten Winkelstellungen einnehmen. Die Kraftvektoren des "linken" Unwuchtgewichtpaares 21 mit den Unwuchtgewichten 22, 23 weisen in die entgegengesetzte Richtung, so dass sie sich aufheben. Die Kraftvektoren des "rechten" Unwuchtgewichtpaares 11 mit den Unwuchtgewichten 12, 13 dagegen weisen in die gleiche Richtung, so dass sie aufsummiert werden. Im Betrieb wird eine resultierende Erregerkraft gebildet, wodurch neben der gerichteten Schwingung in Richtung der vertikalen z-Achse auch eine horizontale Komponente erzeugt wird, welche eine Kurvenfahrt nach links, also in Richtung der positiven x-Achse ermöglicht.
Figur 9 zeigt eine Einstellung der Unwuchtgewichte 12, 13, 22, 23 für die "Kurvenfahrt nach rechts" in die angezeigte Pfeilrichtung 190. Hierfür wird das erste Unwuchtgewicht 12 über die bekannte Verstelleinrichtung 30, die mit dem Unwuchtgewicht 12 fest verbunden ist, ausgehend von der in Fig. 7 gezeigten Winkelstellung um + 45° bezüglich der positiven z-Achse gedreht, so dass die Unwuchtkraft des Unwuchtgewichtes 12 parallel zur y-Achse in Richtung der positiven y-Achse zeigt. Dies führt aufgrund der Kopplung 40 zu einer gegensinnigen Verdrehung des Unwuchtgewichtgewichtes 13 um - 45°. Das Unwuchtgewicht 22 wird aufgrund der Kopplung 150 um + 45° gedreht, also in die gleiche Drehrichtung wie das Unwuchtgewicht 12. Die Kopplung 50 führt zu einer Verdrehung des Unwuchtgewichtes 23 um - 45°. Im Vergleich zu der in Fig. 8 gezeigten Einstellung sind die Kraftvektoren des "linken" Unwuchtgewichtpaares 21 mit den Unwuchtgewichten 22, 23 gleichgerichtet und die Kraftvektoren des "rechten" Unwuchtgewichtpaares 11 mit den Unwuchtgewichten 12, 13 entgegen gerichtet. Hierdurch wird im Betrieb die Kurvenfahrt nach rechts, also in Richtung der negativen x-Achse, ermöglicht.
Mit Hilfe des in Figuren 7 bis 9 gezeigten, erfindungsgemäßen Beispiels kann auf einfache und kompakte Weise eine fahr- und lenkbare Maschine, insbesondere Vibrationsplatte zur Bodenverdichtung, realisiert werden, wobei die Fahrgeschwindigkeit und die Amplitude der Erregerkraft je nach Bedarf optimal angepasst werden können.
Figur 10 zeigt eine besonders kompakte und einfache Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erste Grundwelle 10 umfasst nur ein Unwuchtgewichtpaar 11 mit den drehbar gelagerten Unwuchtgewichten 12, 13 und eine zwischen den Unwuchtgewichten 12, 13 angeordnete Kopplung 40 sowie eine Verstelleinrichtung 30, welche mit dem ersten Unwuchtgewicht 12 verbunden ist. Mit der ersten Grundwelle 10 ist eine zweite Grundwelle 60 formschlüssig gekoppelt, wobei die zweite Unwuchtwelle ein drehfest auf ihr angeordnetes Unwuchtgewicht 160 aufweist. Die Verstellung der Winkelstellungen der Unwuchtgewichte 12, 13 erfolgt auf bisher beschriebene, erfindungsgemäße Weise. Durch diese Anordnung der Unwuchtgewichte kann im Betrieb, also bei der synchron gegensinnigen Rotation der Grundwellen 10, 60, ein kontrollierbares "Taumeln" infolge des auftretenden Kippmoments eingestellt werden, wenn die Unwuchtgewichte nicht phasengleich sind. Dadurch kann die Maschine, beispielsweise eine Vibrationsplatte, eine Kurvenfahrt nach rechts oder links ausführen. Nach erfolgter Kurvenfahrt kann während des Betriebes dann wieder auf einfache und bequeme Weise in den Normalbetrieb gewechselt werden.

Claims

Vorrichtung einer Bodenverdichtungsmaschine, insbesondere Kreiserreger, zur Erzeugung einer variablen, rotierenden Erregerkraft mittels einer rotierenden Grundwelle (10), wobei die Grundwelle (10) Unwuchtgewichte (12, 13) sowie eine Kopplung (40) zwischen den Unwuchtgewichten (12, 13) aufweist und wobei die Schwingungsamplitude der Erregerkraft mittels einer Verstelleinheit (30) über die Relativdrehung der Unwuchtgewichte (12, 13) zu- oder voneinander zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert stufenlos in Betrieb verstellbar ist, wobei
die Unwuchtgewichte (12, 13) um die Grundwelle (10) drehbar auf dieser gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kopplung (40) ein mit der Grundwelle (10) drehfest verbundenes Übertragungsmittel (46) umfasst, welches so beschaffen ist, dass es als Mitnehmer auf die Unwuchtgewichte (12, 13) wirkt und ferner eine Verstellung der Schwingungsamplitude der Erregerkraft durch die gegensinnige Verdrehung der Unwuchtgewichte (12, 13) bewirkt, wobei eines der Unwuchtgewichte (12) mit der Verstelleinheit (30) verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Schwingung (1) mit zwei Vorrichtungen gemäß Anspruch 1, wobei die Grundwellen (10, 60) dieser Vorrichtungen parallel angeordnet sind und gegensinnig synchron rotieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei
die Kopplung (40) eine Vorrichtung mit Kegelrädern, insbesondere mit mindestens einem Rit-zel (41) und zwei Tellerrädern (43, 44), umfasst, und jeweils ein Unwuchtgewicht (12, 13) ein Tellerrad (43, 44) aufweist und das Übertragungsmittel das mindestens eine Ritzel (41) ist, welches mit den beiden Tellerrädern (43, 44) im Eingriff steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
die Kopplung (40) mehrere jeweils um einen Winkel, vorzugsweise um einen gleichen Winkel, versetzt angeordnete Übertragungsmittel (46) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
das Übertragungsmittel (46) drehbar auf einem Übertragungsmittelträger (45) angeordnet ist und eine Rotationsachse aufweist, die die Rotationsachse der Grundwelle senkrecht schneidet.
Vorrichtung nach Anspruch 5,
wobei
die Grundwelle (10) mindestens eine Querbohrung (49) zur Aufnahme des Übertragungsmittelträgers (45) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
wobei
auf dem Übertragungsmittelträger (45) Mittel (48), insbesondere Axiallager, zur Aufnahme von Fliehkräften, die durch das Übertragungsmittel (41) erzeugt werden, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei
die Übertragungsmittel (46) schwimmend auf dem Übertragungsmittelträger (45) gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
die Grundwelle (10) eine Anzahl von Unwuchtgewichtpaaren (11, 21) mit gleich großen Unwuchtgewichten (12, 13, 22, 23) aufweist, wobei jedes Unwuchtgewichtpaar (11, 21) eine dazwischen angeordnete Kopplung (40, 50) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9,
wobei
die Unwuchtgewichtpaare (11, 21) dadurch in Serie geschaltet sind, dass benachbarte Unwuchtgewichte (13, 22) der Unwuchtgewichtpaare (11, 21) phasengleich miteinander bevorzugt formschlüssig verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
die Unwuchtgewichte (12, 13, 22, 23) Mittel zur Axialspielverringerung (17), insbesondere Federelemente, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
wobei
die Grundwelle (10) eine gerade Anzahl von Unwuchtgewichtpaaren (11, 21), die in Serie geschaltet sind, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
die Unwuchtgewichtpaare (11, 21) über eine weitere Kopplung (150) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
die zweite Grundwelle (60) ein drehfest mit ihr verbundenes Unwuchtgewicht (160) aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Schwingung (1) nach Anspruch 14 für eine Vibrationsplatte zur Bodenverdichtung,
wobei
die Vibrationsplatte fahr- und lenkbar ist.