[0001] Die Erfindung betrifft einen Schwingungserzeuger, umfassend zwei, drei oder vier
Wellengruppen, auf denen mindestens zwei Unwuchtgruppen angeordnet sind und die mit
wenigstens einem Antrieb verbunden sind, durch den sie mit unterschiedlichen Drehzahlen
in Rotation versetzt werden.
[0002] Im Bauwesen werden Schwingungserzeuger verwendet, um Objekte, wie beispielsweise
Profile, in den Boden einzubringen oder aus dem Boden zu ziehen oder auch um Bodenmaterial
zu verdichten. Der Boden wird durch Vibration angeregt und erreicht so einen "pseudoflüssigen
Zustand". Durch statische Auflast kann das Rammgut dann in den Baugrund gedrückt werden.
Die Vibration ist gekennzeichnet durch eine lineare Bewegung und wird durch paarweise
gegenläufig rotierende Unwuchten generiert.
[0003] Die Schwingungserzeuger sind linear wirkende Schwingungserreger, deren Fliehkraft
durch rotierende Unwuchten generiert wird. Diese Schwingungserreger bewegen sich mit
veränderlicher Geschwindigkeit. Die Größe der Unwucht wird auch als statisches Moment
benannt. Der Verlauf der Geschwindigkeit des linearen Schwingungserregers entspricht
einer periodisch wiederkehrenden Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion. Auf Grund
des sinusförmigen Verlaufs der mittels der rotierenden Unwuchtmassen erzeugten Kraftwirkung
wird eine zeitlich versetzt abwechselnd in und entgegen der Vortriebsrichtung wirkender
Antrieb erzeugt. Diese wird letztlich durch statische Kräfte, insbesondere Eigengewicht
und statische Auflasten bestimmt. Ohne die Überlagerung der Schwingung mit statischen
Kräften würde sich das Rammgut nicht vorwärts bewegen, sondern lediglich vor-und zurückschwingen.
Nachteilig an den vorbekannten Systemen ist, dass der Rammvorgang mit dem vorgenannten
sinusförmigen Kraftverlauf einen erheblichen Energieverbrauch aufweist, der durch
Reibung des Rammguts im Boden zusätzlich vergrößert ist. Die für den Schwingungserzeuger
aufgewandte Energie bewirkt praktisch keinen Vortrieb.
[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,
einen Schwingungserzeuger zu schaffen, der eine gerichtete Kraftwirkung in Vortriebsrichtung
ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0005] Mit der Erfindung ist ein Schwingungserzeuger geschaffen, der eine gerichtete Kraftwirkung
in Vortriebsrichtung ermöglicht. Durch die Kopplung wenigstens zweier Wellengruppen
mit einem Drehzahlverhältnis von 2 : 1 und einem Verhältnis des statischen Moments
von zwischen 6 : 1 und 10 : 1 wird durch Überlagerung der durch die rotierenden Unwuchten
erzeugten sinusförmigen Kraftkennlinien eine gerichtete Kennlinie in Vortriebsrichtung
erzeugt. In Vortriebsrichtung ergibt sich eine wesentlich größere Maximalkraft im
Vergleich zur entgegengesetzten Richtung. Da beim Rammprozess der Boden der großen
Beschleunigung in Rammrichtung nicht folgen kann, reißt das Rammgut bei jedem Vortriebsimpuls
vom mitschwingenden Boden ab. Auf Grund dieser periodischen Entkopplung von Boden
und Rammgut wird dem Baugrund weniger Energie zugeführt. Hierdurch wird weiterhin
auch die Vibrationsbelastung der Umgebung deutlich reduziert. Bevorzugt ist das statische
Moment der ersten Wellengruppe acht Mal so groß wie das statische Moment der zweiten
Wellengruppe. Hierdurch ist eine ausgeprägte Kraftspitze in Vortriebsrichtung bewirkt.
[0006] Die vorliegende Aufgabe wird weiterhin durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.
Durch den Einsatz von drei Wellengruppen, auf denen mindestens drei Unwuchtgruppen
angeordnet sind, wobei die Wellengruppen ein Drehzahlverhältnis von 1 : 2 : 3 aufweisen
und das Verhältnis der statischen Momente der Wellengruppen zueinander im Wesentlichen
100 : 16,64 : 3,68 beträgt, wird die maximal wirkende Kraft durch eine weiter ausgeprägte
Kraftspitze in Vortriebsrichtung erhöht. Hierdurch ist eine weitere Steigerung der
Energieeffizienz, verbunden mit einer Beschleunigung des Rammprozesses, bewirkt.
[0007] Die gestellte Aufgabe wird weiterhin durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gelöst.
Durch den Einsatz von vier Wellengruppen, auf denen mindestens vier Unwuchtgruppen
angeordnet sind, wobei das Drehzahlverhältnis der Wellengruppen zueinander im Wesentlichen
1 : 2 : 3 : 4 beträgt und das Verhältnis der statischen Momente der Wellengruppen
zueinander im Wesentlichen 100 : 18,72 : 5,6 : 1,38 beträgt, ist eine weitere Ausprägung
des Kraftverlaufs in Vortriebsrichtung erzielt.
[0008] In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zur Verstellung der Wirkrichtung des Schwingungserzeugers
vorgesehen. Hierdurch ist eine Anpassung des Schwingungserzeugers an unterschiedliche
Prozessanforderungen wie beispielsweise Rammen und Ziehen ermöglicht.
[0009] In Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Verstellung der Wirkrichtung
einen Schwenkmotor, über den die Phasenlage wenigstens zweier mit unterschiedlicher
Drehzahl rotierender Unwuchtgruppen zueinander veränderbar ist. Hierdurch ist eine
Umstellung der Wirkrichtung ohne erforderliche Umbaumaßnahmen ermöglicht.
[0010] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei Unwuchtgruppen über
Zahnräder mit dem Schwenkmotor verbunden, wobei wenigstens eine Unwuchtgruppe mit
dem Stator und wenigstens eine Unwuchtgruppe mit dem Rotor des Schwenkmotors verbunden
ist. Hierdurch ist eine direkte Verstellung der Unwuchtgruppen über den Schwenkmotor
ermöglicht.
[0011] Vorteilhaft ist der Schwenkmotor ein Drehflügelschwenkmotor mit einem Flügel. Dieser
zeichnet sich gegenüber den 180 Grad verstellbaren Schwenkmotoren durch mehrfach höheres
Drehmoment und geringere Reibung aus. Alternativ kann der Schwenkmotor auch ein Schwenkmotor
mit Steilgewinde sein.
[0012] Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen
angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1
- die schematische Darstellung eines Getriebes eines Schwingungserzeugers für gerichtetes
Vibrieren mit zwei Wellen- gruppen;
- Figur 2
- das Vibrationsgetriebe aus Figur 1 mit zusätzlichem Schwenkmotor zur Richtungsumschaltung;
- Figur 3
- die schematische Darstellung eines gerichtet wirkenden Getriebes mit zwei Wellengruppen,
jeweils bestehend aus drei Wellen;
- Figur 4
- die schematische Darstellung verschiedener Varianten gerichtet wirkender Vibratorgetriebe
mit: a) sechswelliger, kurzer Bauform; b) siebenwelliger, einfacher Bauform; c) siebenwelliger,
kurzer Bauform;
- Figur 5
- die schematische Darstellung gerichtet wirkender, richtungsumschaltbarer Vibratorgetriebe
mit a) sechswelliger, einfacher Bauform; b) sechswelliger, kurzer Bauform;
- Figur 6
- die Darstellung des Vibratorgetriebes aus Figur 5 in kompakter Aus- führung und
- Figur 7
- die schematische Darstellung eines richtungsumschaltbaren Vibratorgetriebes mit acht
Wellen.
[0013] Die als Ausführungsbeispiel gewählten Schwingungserzeuger sind als Vibratorgetriebe
ausgeführt. Solche Vibratoren bestehen im Wesentlichen aus einem Gehäuse, in dem mit
Zahnrädern versehene Wellen drehbar gelagert sind. Die Zahnräder sind jeweils mit
Unwuchtmassen versehen. Derartige Vibratorgetriebe mit drehbar gelagerten Unwuchtmassen
sind dem Fachmann beispielsweise aus der
DE 20 2007 006 283 U1 bekannt. Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsbeispiele beschränkt sich im
Wesentlichen auf die Anordnung von Wellen und Unwuchtmassen.
[0014] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind zwei Wellengruppen 1, 2 angeordnet. Die
Wellen 11, 12 der Wellengruppe 1 sind mit Zahnrädern 112, 122 versehen, an denen Unwuchtmassen
111, 121 angeordnet sind. Die Unwuchtmassen 111, 121 sind im Ausführungsbeispiel gleichartig
ausgeführt. Die Wellen 21, 22 der Wellengruppe 2 sind gleichsam mit Zahnrädern 212,
222 versehen, an denen gleichartige Unwuchtmassen 211, 221 angeordnet sind. Die Zahnräder
112, 122, 212, 222 sind derart ausgeführt, dass bei Rotation die Drehzahl der Wellen
21, 22 der Wellengruppe 2 doppelt so groß ist, wie die Drehzahl der Wellen 11, 12.
Die Unwuchtmassen 111, 121, 211, 221 sind derart angeordnet, dass das statische Moment
der Wellengruppe 1 acht Mal so groß ist wie das statische Moment der Wellengruppe
2.
[0015] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist zusätzlich ein Schwenkmotor 5 angeordnet,
dessen Stator ein Zahnrad 51 und dessen Rotor ein Zahnrad 52 aufweist. Die Wellengruppen
1, 2 sind derart über den Schwenkmotor 5 miteinander verbunden, dass das Zahnrad 112
der Welle 11 mit dem Zahnrad 52 des Schwenkmotors 5 im Eingriff steht; die Zahnräder
212, 222 der Wellengruppe 2 stehen mit dem Zahnrad 51 des Schwenkmotors 5 im Eingriff.
Durch relative Verschwenkung des Rotors gegenüber dem Stator ist nun die Einstellung
einer Phasenverschiebung der Schwingungen der Wellengruppe 2 relativ zu den Schwingungen
der Wellengruppe 1 ermöglicht, wodurch eine Richtungsveränderung einstellbar ist.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Schwenkmotor 5 um einen Drehflügelschwenkmotor
mit einem Flügel.
[0016] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind die Wellengruppen 1, 2 aus jeweils drei
Wellen 11, 12, 13, 21, 22, 23 gebildet, welche jeweils mit Unwuchtmassen 111, 121,
131, 211, 221, 231 versehen sind. Die Unwuchtmassen 111, 121 und 131 bilden die Unwuchtgruppe
101, die Unwuchtmassen 211, 221 und 232 bilden die Unwuchtgruppe 201. Die Zahnräder
112, 122, 132, 212, 222, 232 der Wellen 11, 12, 13, 21, 22, 23 sind wiederum derart
gewählt, dass bei Rotation die Wellen der Wellengruppe 2 die doppelte Drehzahl aufweisen,
wie die Wellen der Wellengruppe 1. Durch Versatz der Wellen 21, 22, 23 der Wellengruppe
2 ist eine kompaktere Bauweise erzielbar (vgl. Figur 4 a)). Die Anzahl an Wellen der
Wellengruppen 1, 2 kann auch unterschiedlich gewählt sein. Im Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 4 b) ist eine zusätzliche Welle 24 mit entsprechender Unwuchtmasse 241
hinzugefügt. Durch versetzte Anordnung der Wellen 21, 22, 23, 24 der Wellengruppe
2 ist wiederum eine kompakte Bauweise erzielbar (vgl. Figur 4 c)).
[0017] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist zwischen den Wellen 11, 12, 13 der Wellengruppe
1 und den Wellen 21, 22, 23 der Wellengruppe 2 ein Schwenkmotor 5 angeordnet. Die
Unwuchtmassen 111, 121 und 131 bilden die Unwuchtgruppe 101, die Unwuchtmassen 211,
221 und 232 bilden die Unwuchtgruppe 201. Dabei sind die Zahnräder 112, 122, 132 der
Wellengruppe 1 mit dem Zahnrad 51 des Stators des Schwenkmotors 5 im Eingriff und
die Zahnräder 212, 222, 232 der Wellengruppe 2 sind mit dem Zahnrad 52 des Rotors
des Schwenkmotors 5 im Eingriff. Durch relative Verdrehung von Stator und Rotor des
Schwenkmotors 5 ist so wiederum eine Umschaltung der Wirkrichtung ermöglicht. Durch
versetzte Anordnung der Wellen der Wellengruppe 2 ist wiederum eine kompaktere Bauhöhe
erzielbar (vgl. Figur 5 b)). Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Schwenkmotor
5 um einen Drehflügelschwenkmotor mit drei Flügeln.
[0018] In Figur 6 ist ein veränderter Aufbau der vorgenannten Anordnung gemäß Figur 5 gezeigt,
der eine deutliche Verkürzung der Baulänge zulässt, bei dem jedoch an Stelle von sechs
Wellen acht Wellen erforderlich sind, was sich aber in einer geringeren Belastung
der Wellenlager niederschlägt und Vorteile hinsichtlich der erzielbaren Fliehkraft,
der Eignung für hohe Drehzahlen sowie einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber großen
Winkelbeschleunigungen mit sich bringt.
[0019] Zur Erzielung einer möglichst ausgeglichenen Kennlinienform kann eine zusätzliche
Drehzahlstufe, deren Unwuchten mit dreifacher Drehzahl rotieren, eingesetzt werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 ist eine solche Anordnung basierend auf der Getriebekonzeption
gemäß Figur 5 dargestellt. Diese fällt geringfügig breiter aus, da das untere große
Zahnrad 132, das die beiden nebeneinander angeordneten Wellen 31, 32 antreibt, gegenüber
der Getriebemitte verschoben ist. Bei der Verstellung der Wirkrichtung bleibt die
Winkelstellung der langsamen Unwuchten 111, 121, 131 und schnellen Unwuchten 311,
321 zueinander unverändert. Durch den Schwenkmotor 5 ist die Verstellung der Unwuchten
211, 221, 231 mittlerer Geschwindigkeit gegenüber den Anderen ermöglicht.
[0020] Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 beträgt das Verhältnis der Drehzahlen der Wellengruppen
1, 2, 3 zueinander etwa 1 : 2 : 3; das statische Moment der Wellengruppen 1, 2, 3
zueinander beträgt im Wesentlichen 100 : 16,64 : 3,68.
[0021] Mit Hilfe vorgenannten und beanspruchten Verhältnisse der Drehzahlen beziehungsweise
der statischen Momente zueinander ist eine sehr effektive Kraftwirkung in Vorschubrichtung
erzielbar. Diese Wirkung lässt sich auch bei geringer Abänderung der Verhältniszahlen
im Bereich bis zu zehn Prozent erzielen, jedoch unter Effizienzeinbuße. Derartige
Modifikationen der Verhältnisse der Drehzahlen beziehungsweise der statischen Momente
zueinander sind von den Patentansprüchen, in denen die Verhältniszahlen mit dem Zusatz
"im Wesentlichen" angegeben sind, ebenfalls umfasst.
1. Schwingungserzeuger, umfassend zwei Wellengruppen, auf denen mindestens zwei Unwuchtgruppen
angeordnet sind und die mit wenigstens einen Antrieb verbunden sind, durch den sie
in Rotation versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellengruppen (1, 2) derart mit dem wenigstens einem Antrieb verbunden sind,
dass die Drehzahl der Wellengruppe (1) die Hälfte der Drehzahl der Wellengruppe (2)
beträgt und dass das Verhältnis der statischen Momente der mit den Unwuchtgruppen
(101, 201) versehenen Wellengruppen (1, 2) zwischen sechs zu eins und zehn zu eins
beträgt.
2. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das statische Moment der Wellengruppe (1) acht Mal so groß ist wie das statische
Moment der Wellengruppe (2).
3. Schwingungserzeuger, umfassend drei Wellengruppen, auf denen mindestens drei Unwuchtgruppen
angeordnet sind und die mit wenigstens einen Antrieb verbunden sind, durch den sie
in Rotation versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellengruppen (1, 2, 3) derart mit dem wenigstens einem Antrieb verbunden sind,
dass Drehzahl der Wellengruppe (1) die Hälfte der Drehzahl der Wellengruppe (2) und
ein Drittel der Drehzahl der Wellengruppe (3) beträgt und dass das Verhältnis der
statischen Momente der mit den Unwuchtgruppen (101, 201, 301) versehenen Wellengruppen
(1, 2, 3) zueinander im Wesentlichen 100 : 16,64 : 3,68 beträgt.
4. Schwingungserzeuger, umfassend vier Wellengruppen, auf denen mindestens vier Unwuchtgruppen
angeordnet sind und die mit wenigstens einen Antrieb verbunden sind, durch den sie
in Rotation versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellengruppen (1, 2, 3, 4) derart mit dem wenigstens einem Antrieb verbunden
sind, dass das Verhältnis der Drehzahlen der Wellengruppen (1, 2, 3, 4) zueinander
im Wesentlichen 1 : 2 : 3 : 4 beträgt und dass das Verhältnis der statischen Momente
der mit den Unwuchtgruppen (101, 201, 301, 401) versehenen Wellengruppen (1, 2, 3,
4) zueinander im Wesentlichen 100 : 18,72 : 5,6 : 1,38 beträgt.
5. Schwingungserzeuger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verstellung der Wirkrichtung des Schwingungserzeugers vorgesehen sind.
6. Schwingungserzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verstellung der Wirkrichtung einen Schwenkmotor (5) umfassen, über
die Phasenlage wenigstens zweier mit unterschiedlicher Drehzahl rotierender Unwuchtgruppen
(101, 201) zueinander veränderbar ist.
7. Schwingungserzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Unwuchtgruppen (101, 201) über Zahnräder (232, 112) mit dem Schwenkmotor
(5) verbunden sind, wobei eine Unwuchtgruppe (13) mit dem Stator und wenigstens eine
Unwuchtgruppe (101) mit dem Rotor des Schwenkmotors (5) verbunden ist.
8. Schwingungserzeuger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkmotor (5) ein Drehflügelschwenkmotor oder ein Schwenkmotor mit Steilgewinde
ist.