Verdichtungseinrichtung zur Verdichtung von Formkörpern aus kornförmigen Stoffen und Verfahren zur Anwendung der Verdichtungseinrichtung Die Erfindung betrifft eine mit Vibrationsschwingungen betriebene Verdichtungseinrichtung zum Formen und Verdichten von Formstoffen in Formausnehmungen von Formkästen zu Formkörpern und ein Verfahren zur Anwendung der Verdichtungseinrichtung, wobei die Formkörper eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, über welche die Verdichtungs- kräfte eingeleitet werden. Bei diesem Verfahren befindet sich der Formstoff vor dem Ver- dichtungsvorgang in den Formausnehmungen zunächst als eine Volumenmasse aus lose zusammenhaftenden körnigen Bestandteilen, welche erst während des Verdichtungsvor- ganges durch die Einwirkung von Verdichtungskräften auf die Oberseite und Unterseite zu festen Formkörpern geformt werden. Die Volumenmasse kann bei Anwendung der Ver- dichtungseinrichtung in Maschinen zur Herstellung von Beton-Fertigprodukten (z. B. Pflaster- steinen) z. B. aus feuchtem Betonmörtel bestehen. Bei den mit Vibratoren arbeitenden Ver- dichtungseinrichtungen zur Herstellung von Beton-Fertigprodukten kann man 3 bekannte Gattungen unterscheiden, die zur Beschreibung des hier interessierenden Standes der Technik geeignet sind, und denen gemeinsam ist, daß der Formkasten und der Formstoff während des Verdichtungsvorganges auf der Oberseite einer Palette oder einer Grundplatte angeordnet sind. Dabei liegt während der Hauptverdichtung eine Preßplatte auf der Ober- seite des Formstoffes auf, welche von einer Preßeinrichtung in vertikaler Richtung verfahr- bar ist und zur Ausübung eines vorbestimmten Preßdruckes angetrieben werden kann.

Bei der ersten Gattung handelt es sich um die weit verbreitete und dem Fachmann bekannte "konventionelle Art"der Stoßverdichtung, bei der der bezüglich seiner Schwingwegamplitude regelbare Schwingtisch eines Vibrators bei jeder Schwingungsperiode einmal von unten gegen die Palette stößt. Diese Gattung repräsentiert den nächstgelegene Stand der Tech- nik, beschrieben durch die EP 0 515 305 B1. Auch bei der zweiten Gattung, deren Verdich- tungseinrichtung erheblich anders als bei der ersten Gattung arbeitet, wird die ursprünglich vom Vibrator erzeugte Verdichtungsenergie über Stoßvorgänge in den Formstoff eingetra- gen. In diesem Falle sind die Palette und der Formkasten während des Verdichtungsvor- ganges fest mit dem Schwingtisch verspannt, so daß ihre Massen mit zu der Masse des Schwingsystems zählen und mit ihr mitschwingen. Die durch den Zusammenstoß von unter- schiedlichen Massen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten definierbare Stoßstelle liegt hier an der Oberseite und Unterseite des Formstoffes selbst, wobei während der Verdich- tung ein Luftspalt zwischen der Formkörperunterseite und der Palette einerseits und der Formkörperoberseite und der Preßplatte andererseits entsteht. Diese zweite Gattung, be- schrieben durch die DE 44 34 679 A1, kann man am treffendsten als eine Verdichtungsein-

richtung zur Durchführung einer"Schüttelverdichtung"bezeichnen. Bei der dritten Gattung, belegt durch die EP 0 870 585 A1, bilden die Massen des Formstoffs, des Formkastens, der Palette und des Schwingtisches gemeinsam ein Massensystem, welches die schwingende Masse eines mit harmonischen (sinoidischen) Schwingbewegungen arbeitenden Masse- Feder-Systems darstellt. Die an der Oberseite und Unterseite des Formkörpers eingeleiteten dynamischen Kräfte, die von den Schwingbeschleunigungen der mitschwingenden Massen abgeleitet sind, erzeugen einen ebenfalls sinoidisch verlaufenden dynamischen Verdich- tungsdruck (harmonische Verdichtung). Einige hier interessierende Angaben zum Stand der Technik gemäß der EP 0 515 305 B1 und der EP 0 870 585 A1 finden sich auch in einem Artikel der Fachzeitschrift"BFT", Ausgabe Sept. 2000, Seiten 44-52. Herausgeber : Bauver- lag GmbH, Am Klingenweg 4a, D-65396 Walluf.

Alle genannten drei Gattungen basieren auf unterschiedlichen Philosophien über die bei der Verdichtung eintretenden physikalischen Effekte. Dabei können sogar scheinbar geringfügi- ge Merkmals-Unterschiede der benutzten physikalischen Effekte von Bedeutung sein, wie z.. B. die Ausbildung ein-und desselben statischen Momentes an Unwuchtkörpern von Un- wuchtvibratoren mit größeren oder kleineren Schwerpunktabständen verbunden mit kleine- ren oder größeren Massen. Allen drei Gattungen ist gemeinsam, daß man beim Betrieb der Verdichtungseinrichtungen bestrebt ist, die Schwingsysteme derart zu betreiben, daß man möglichst hohe Verdichtungsbeschleunigungen im Formstoff bei möglichst hohen Schwing- frequenzen (möglichst bis ca. 70 Hz) erreicht, wobei die Beschieunigungen und die Fre- quenzen auch nach vorgebbaren Werten einstellbar sein sollen. Dabei ist in jedem Falle die Schwingbeschleunigung des stets beteiligten Schwingtisches, von der neben dem Verdich- tungsergebnis auch die Belastungen der beteiligten Bauteile abhängen, eine lineare Funkti- on der Schwingamplitude und eine quadratische Funktion der Schwingfrequenz.

Die Druckschrift EP 0 515 305 B1 beschreibt einen bezüglich der Schwingwegamplitude (Amplitude hier maßgeblich für die Verdichtungsbeschleunigung) und der Schwingfrequenz verstellbaren Richtvibrator mit 4 Unwuchtwellen einer Verdichtungseinrichtung gemäß der ersten Gattung. Die 4 Unwuchtwellen werden von jeweils einem eigenen Antriebs-und Ver- stellmotor über Kardanwellen angetrieben. Die Verstellung des die Schwingwegamplitude definierenden Phasenwinkels geschieht ausschließlich über entsprechend einzustellende Motordrehmomente, welche bei einem vom Wert 0° oder 180° abweichenden Phasenwinkel eine Blindleistung erzeugen (wie dies z. B. auch in der DE 40 00 011 C2 beschrieben ist). Als Nachteile bei einem derartigen Unwuchtvibrator und Verdichtungsverfahren sind folgende Merkmale zu erwähnen :

-Die oberste Schwingfrequenz wird in der Praxis wegen der zu berücksichtigenden Dauer- Belastungsgrenze in der Regel auf 50 Hz eingeschränkt, wobei die Grenzbelastung vor al- lem bei den Wälzlagerungen der Unwuchtwellen und bei den mitschwingenden Kardanwel- len erreicht wird. Hierzu siehe auch den oben zitierten Fachzeitschrift-Artikel auf Seite 45, mittlerer Abschnitt und auf Seite 47, mittlerer Abschnitt.

-Durch die ständig umzusetzende Blindleistung und durch die bei hohen Fliehkräften er- zeugten hohen Lagerreibungs-Leistungen treten hohe Verlustleistungen auf. Da die hohen Verlustleistungen auch in den Antriebsmotoren der Unwuchtwellen umgesetzt werden müs- sen, werden die Motoren und deren Ansteuergeräte mit Bezug auf die reine Verdichtungs- leistung unnötig groß dimensioniert.

-Bedingt durch die zu überwindenden Trägheitsmassen der Motoren und Unwuchtkörper und bedingt durch die Tatsache, daß mit einer Veränderung des Phasenwinkels sogleich auch immer eine Veränderung des ebenfalls mit auszuregelnden Blindleistungs-Drehmo- mentes verbunden ist, können die Werte der als Regelgröße vorgegebenen Phasenwinkel (statisches Moment) durch die elektronische Regelung (oder auch durch alternative mecha- nische Regelungen) nur mit groben Toleranzen geregelt werden, was zu entsprechenden Ungleichförmigkeiten des Schwingwegverlaufes des Schwingtisches während des über viele Schwingungsperioden ablaufenden Verdichtungsvorganges und damit zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Verdichtungsqualität führt. Hinzu kommt hier der Nachteil, daß von den groben Toleranzen der Regelgröße"Phasenwinkel"die relative Winkellage von insge- samt 4 Unwuchtkörpem betroffen ist, die üblicherweise mit ihren Rotationsachsen in einer Ebene liegen und deren Anodnung sich über einen großen Teil der Längsausdehnung des Schwingtisches erstreckt. Die Ungleichheiten der relativen Winkellagen führt zu ungleichen Beschleunigungen bezogen auf die ganze Tischoberfläche. Dies führt wiederum zu unglei- chen Verdichtungsergebnissen an unterschiedlichen Orten der Tischoberfläche.

-Die für die Verdichtungswirkung maßgebliche Schwingwegamplitude des Schwingtisches ist nur indirekt und träge über den verstellbaren Phasenwinkel regelbar.

-Die Regelung des Phasenwinkels wird abgesehen von den Trägheitsmassen prinzipiell erschwert durch die Tatsache, daß bei dem Stoß des Schwingtisches gegen die Palette die Rotations-Geschwindigkeit der Unwuchtwellen stets eine ruckartige Veränderung erfährt, wobei wegen der vom Phasenwinkel abhängigen Relativlage der Unwuchtkörper während des Stoßes die Geschwindigkeits-und damit Drehwinkel-Veränderungen unterschiedlich ausfallen.

-Die Regelung des Phasenwinkels geschieht dadurch, daß die Drehgeschwindigkeit der Unwuchtwellen relativ zueinander geregelt wird. Dies bedeutet, daß eine gleichzeitige Re- gelung von Phasenwinkel und Schwingungsfrequenz praktisch nicht gleichzeitig und nur schwer zu erreichen ist.

-Es ist erwünscht, ein Verfahren anwenden zu können, bei dem während des Vorganges der Hauptverdichtung ein vorgegebener Bereich der Verdichtungsfrequenz bis hin zu höch- sten Frequenzen mit vorgegebenen Werten für die Schwingwegamplitude des Schwing- tisches durchfahren wird. Bei diesem Verfahren können die in dem Formstoff enthaltenen und durch die unterschiedlichen Korngrößen definierten Mikro-Schwingsysteme mit unter- schiedlichen Eigenfrequenzen zu Resonanzerscheinungen angeregt werden, wodurch die Verdichtung verbessert wird. Das Durchfahren des Frequenzbereiches muß dabei in ca. 3 Sekunden durchführbar sein. Beim Stand der Technik wird die Durchführung dieses Verfah- rens behindert durch die Begrenzung der Schwingungsfrequenzen des Schwingtisches und durch die schlechte gleichzeitige Regelbarkeit von Schwingfrequenz und Schwingwegam- plitude.

Durch die erwähnten Druckschriften DE 44 34 679 A1 bzw. EP 0 870 585 A1 wird die vorlie- gende Erfindung schon deshalb nicht nahegelegt, weil hier ganz andersartig arbeitende Verdichtungseinrichtungen (Schüttelverdichtung bzw. harmonische Verdichtung) mit an- dersartigen Verdichtungsmechanismen beschrieben werden. Das in der DE 44 34 679 be- schriebene Federsystem des Schwingtisches kann, soweit eine Kraftübertragung durch die Fedem in beiden Schwingrichtungen vorgesehen ist, nicht als Vorbild dienen, da bei dem beschriebenen Federsystem Federelemente 116 vorgesehen sind, die zugleich als Druckfedern und Zugfedern arbeiten.

Das bedeutet eine doppelt so hohe Belastung der Federn durch Spannungen im Vergleich zu einer Konstruktionsart, bei der Federn nur auf Druck belastet sind. Außerdem ist die Kraft-Verbindung einer auf Druck und Zug belasteten Feder an ihren Enden mit dem Rah- men (oder dem Fundament) der Verdichtungseinrichtung einerseits und mit dem Schwing- tisch andererseits sehr problematisch und bei einer hier vorgesehenen hochdynamischen Betriebsweise nicht dauerhaft ausführbar. Die in der DE 44 34 679 gezeigten hydraulischen Erregeraktuatoren müssen zugleich die Funktion einer Linear-Führung des Schwingtisches mit übernehmen. Da der Schwingtisch bei einem Stoßbetrieb unter die Palette zu dauernd wechselnden Schiefstellungen neigt, bedeutet dies eine hohe mechanische Belastung der Erregeraktuatoren durch die ihnen zugewiesene Funktion der Linear-Führung, welche noch erhöht wird durch die in diesem Falle bei zwei vorhandenen Linear-Führungen auftretende Neigung zum Klemmen.

Die durch die Druckschrift EP 0 870 585 beschriebene Verdichtungseinrichtung kann auch bezüglich folgender Funktionen keine Vorbild-Funktion haben : Die hydraulisch ausgebildete Systemfeder vermag eine Federwirkung nur bei einer abwärts gerichteten Schwingbewe- gung auszuüben und die Benutzung desselben Fluidmediums für den hydraulischen Erreger

und für die hydraulische Feder führt nachweislich zu erheblichen Energieverlusten auch bei der Ausübung der Federfunktion. Wie aus Spalte 2, Zeilen 25 bis 30 zu entnehmen ist, soll die Federkonstante offensichtlich nur zu dem Zweck der Anpassung des Verdichtungsver- fahrens an die bei unterschiedlich zu verdichtenden Produkten vorkommenden unterschied- lich großen Massen veränderbar sein, um die fest vorgegebene Eigenfrequenz des Masse- Feder-System wieder herzustellen. Eine Veränderung der Eigenfrequenz während des Ver- dichtungsvorganges ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile bei dem Stand der Technik, bei der die Verdichtungsenergie überwiegend durch Stöße des Schwingtisches von unten gegen die Palette in den Formkörper eingeleitet wird, zu beseitigen oder zu vermin- dern. Dabei sollen hohe Stoßfrequenzen anwendbar sein und die Verdichtungseinrichtung soll mit einer in einem weiten Bereich (auch während des Verdichtungsvorganges) verstell- baren Verdichtungsfrequenz bis zu höchsten Frequenzen von 75 Hz und höher mit langer Lebensdauer der beteiligten Bauteile und mit geringem Energieaufwand arbeiten können.

Gleichzeitig soll mit den Mitteln der Erfindung auch die Wiederholgenauigkeit der Erzeugung der Verdichtungs-Beschleunigung durch die Stöße an der Palette bzw. an der Unterseite der Formkörper selbst und die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Verdichtungs-Beschleunigung über die ganze Fläche der Palette verbessert werden.

Die Lösung der Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 27 beschrieben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Erfindung nutzt unter anderem folgendes Prinzip : Bei der konventionellen Erzeugung der Schwingbewegungen des Schwingtisches mit Benutzung von Federn, welche nur der Schwingungsisolation dienen und daher weich eingestellt sind, werden die Beschleuni- gungskräfte, die an den Schwingmassen aufzubringen sind, ganz überwiegend durch ge- richtete Fliehkräfte der Unwuchtkörper erzeugt. Bei der Erzeugung der Schwingbewegungen nach der Erfindung werden die Beschleunigungskräfte wenigstens in jenem Falle, wo sie bei den höchsten Schwingfrequenzen die höchsten Werte erreichen müssen, überwiegend durch Federkräfte aufgebracht und nur zu einem kleineren Teil durch die Erregerkräfte der Erregereinrichtung. Dies wird erreicht durch die Nutzung des Effektes der Resonanzverstär- kung. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird dieser Effekt dadurch noch besser ausgenutzt, daß vorgesehen ist, in dem betriebsmäßig abzudeckenden Bereich der Schwingfrequenzen neben der in dem Bereich höchster Schwingfrequenzen liegenden Ei- genfrequenz noch wenigstens eine zweite Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems her- stellen zu können. Dies führt dazu, wie in Fig. 6 gezeigt wird, daß die notwendigen Erreger-

kräfte noch weiter verkleinert werden können, was unter anderem auch den Einsatz von marktgängigen Wechselstrom-Linearmotoren erleichtert und ebenfalls auch die Möglichkeit, während eines Verdichtungsvorganges die Verdichtungsfrequenz über einen weiten Fre- quenzbereich zu variieren.

Zur Speicherung der bei der Aufwärts-Schwingbewegung des Schwingtisches mitgeführten kinetischen Energie der System-Masse können auch Federelemente in das Federsystem mit einbezogen sein, deren Federkraft von oben auf die Palette einwirkend ist, wozu auch sol- che Federkräfte zählen, die über die Preßplatte mit aufgebracht werden. Sofern es sich da- bei um solche Federkräfte handelt, die nicht über die Preßplatte geführt sind, wie dies z. B. bei den Federn 124 in Fig. 1 der Fall ist, tragen diese mit dazu bei, daß die Schwingweg- Amplitude des Schwingtisches oder der Form auch dann nach vorgegebenen Werten gere- gelt werden kann, wenn das Verdichtungssystem im Leerlauf oder bei der Vorverdichtung schwingt. Die die kinetische Energie speichemden Federelemente der Systemfeder haben im Vergleich zu den weich eingestellten Isolationsfedern bei den konventionellen Verdich- tungssystemen eine wesentlich höhere Energiemenge zu speichern. Nicht nur im Interesse ihrer Lebensdauer (Gefahr der Selbstzerstörung durch Wärme) sondern auch zwecks Ver- meidung von unnötigen Energieverlusten sind die Federelemente der Systemfeder daher bevorzugt aus Stahl oder aus einem dämpfungsarmen Elastomerwerkstoff gefertigt oder sind verkörpert durch ein (von Haus aus dämpfungsarmes) flüssiges kompressibles Medium.

Der Einsatz von bezüglich ihres statischen Momentes verstellbaren Unwuchtvibratoren als Erregeraktuatoren im Rahmen der Erfindung macht durchaus einen Sinn, da selbst bei hö- heren als konventionell erzielbaren Erregerfrequenzen das alle hier interessierenden Eigen- schaften des Vibrators bestimmende statische Moment wegen der Nutzung der Resonanz- verstärkung geringer gehalten werden kann als bei einer Schwingungserregung nur durch die Fliehkräfte eines Unwuchtvibrators. Dies bedeutet : Kleinere Lagerkräfte der Unwucht- wellen, wobei bei kleineren Lagerkräften wiederum Wälzlager mit höheren zulässigen Grenzdrehzahlen verwendet werden können. Kleinere Trägheitsmomente der Unwuchtkör- per selbst und der Antriebsmotoren der Unwuchten, wobei kleinere Trägheitsmomente die Regelbarkeit des Phasenwinkels verbessem. Kleinere Lagerreibungs-Veriustleistungen und kleinere Blindleistungen, wobei die Blindleistungen vom Quadrat der Größe des statischen Momentes abhängig sind. Mögliche engere Anordnung der Unwuchtwellen, wobei dieses Merkmal wegen des verbesserten zentralen Angriffes der Fliehkräfte zu geringeren Un- gleichmäßigkeiten bei der Beschleunigung des Schwingtisches infolge nicht korrekter Dreh- positionen der Unwuchtkörper führt.

Zu den im Zusammenhang mit dem Federsystem verwendeten Begriffen"harte"und "weiche"Federn gelten folgende Definitionen : Eine weiche Feder wird zur Isolaton der Be- schleunigungswirkung von schwingenden Massen eingesetzt. Der Wert der nach einer be- kannten Formel berechenbaren"Vergrößerungsfunktion"0 (z. B. dargestellt im Diagramm 6.3-5 auf Seite 300 der"Physikhütte, Band 1", 29. Auflage, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, München, Düsseldorf) muß bei weichen Federn < 1 sein. Dieser Wert wird er- reicht, wenn das Verhältnis rl = fE/fN 2 1, 41 wird, wobei fE die Erregerfrequenz und fN die Eigenfrequenz bezeichnen. Für eine vernünftige Isolation wird jedoch aligemein mindestens ein Wert von il = fE/fN : 2 gefordert. Mit anderen Worten : Die Erregerfrequenz fE (= Ver- dichtungsfrequenz) muß bei einer zwecks Nutzung des Resonanzeffektes hart eingestellten Feder immer zwischen dem Wert fE = 0 und dem Wert fE = 1,41 * fN, optimal im Bereich fE = fN liegen. Die Erregerfrequenz fE muß bei einer zwecks Isolation weich eingestellten Feder immer einen Wert von fE = größer als 2 * fN haben. Eine hart eingestellte Systemfeder be- deutet im Falle der vorliegenden Erfindung, daß die Wirkung der Vergrößerungsfunktion 4) für Werte > 1 in Anspruch genommen werden soll. Die Angabe in Patentanspruch 1, daß die Systemfeder wenigstens für die nach abwärts gerichtete Schwingbewegung hart einge- stellt ist, besagt, daß eine Systemfeder auch derart aufgebaut sein kann, daß in beiden Schwingrichtungen unterschiedliche Federkonstanten wirksam sind. Beispiel für hart und weich eingestellte Federn : Gemäß einer bekannten Beziehung q = 248,5/fN2 und q (in mm) kann die Einfederung q einer auf einer Feder gelagerten Masse mit der Eigenfrequenz fN (in Hz) unter ihrem Eigengewicht ermittelt werden. Wenn die Eigenfrequenz bei einer"harten" Systemfeder mindestens 30 Hz (oder höher) beträgt, kann die Einfederung q unter der Sy- stem-Masse berechnet werden zu : q = 0,27 mm (oder kleiner). Sollten bei einer untersten zulässigen Erregerfrequenz einer Verdichtungseinrichtung mit weich ausgelegten Isolierfe- dem die Isolierfedem richtig gewählt sein, so dürfte die mit ihrer Federkonstanten erreichba- re Eigenfrequenz höchstens 15 Hz betragen. In diesem Falle betrüge der Wert q = 1, 1 mm.

Durch die vorgesehene Möglichkeit der Regelung der Amplitude des Schwingweges s des Schwingtisches wird zurückgegriffen auf die in der Praxis beim Stand der Technik bewährte Beeinflussung dieser physikalischen Größe durch die Regelung des Phasenwinkels im Sin- ne der Beeinflussung der Verdichtungsintensität. Dabei wird durch den Phasenwinkel indi- rekt auch der Wert der Schwingwegamplitude s bestimmt, welche physikalisch gesehen das eigentliche Maß für die eigentlich zu regelnde Verdichtungsintensität ist. Die meßtechnische Ermittlung des Phasenwinkels, der durch die relative Winkellage von sich drehenden Un- wuchtkörpern definiert ist, ist aufwendig und mit spürbaren Meßfehlern behaftet. Anders als

beim Stand der Technik wird bei der Erfindung beim Einsatz von Linearmotoren als Erre- geraktuatoren jedoch der Wert der Schwingwegamplitude s nicht indirekt über den Umweg einer anderen zu regelnden Größe beeinflußt, sondern er wird direkt geregelt (und direkt gemessen), was zusammen mit dem Umstand, daß nicht auch gleichzeitig ein sich verän- demdes Blindleistungs-Drehmoment zu regeln ist, zu einer genaueren Regelbarkeit der Verdichtungsintensität führt. Beim Einsatz von hydraulischen oder elektrischen Linearmoto- ren können diese derart kräftemäßig beaufschlagt werden, daß, selbst wenn mehrere Line- armotoren mit paralleler Wirkung zum Einsatz kommen, ihre Kraftentwicklung präzise sym- metrisch erfolgt, so daß nur wegen ihrer mehrfachen Anordnung keine unsymmetrischen Beschleunigungen am Schwingtisch auftreten.

Es ist wünschenswert, daß bei Beeinflussung des Wertes der Schwingwegamplitude s gleichzeitig auch die Schwingfrequenz in vorgebbarer Weise verändert werden kann. Diese Aufgabe wird bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht durch die gute Regelbarkeit der Schwingwegamplitude s in Kombination mit der bei der Erfindung gegebenen Möglichkeit, daß nicht eine Drehgeschwindigkeit verändert werden muß, sondem lediglich eine Wieder- holfrequenz bei der Dosierung von bestimmten Mengen von Erregerenergie pro Schwin- gungsperiode, was im Falle von hydraulischen Linearmotoren sehr trägheitsarm und im Falle von elektrischen Linearmotoren nahezu trägheitslos geschehen kann.

Die Anwendung von elektrischen (Dreiphasen-Wechselstrom-) Linearmotoren ist sehr vor- teilhaft, da sie eine"saubere"und mit geringen Verlustenergien arbeitende Lösung darstel- len. Die marktgängigen elektrischen Linearmotoren sind jedoch nicht ohne weiteres für die vorgesehene Aufgabe verwendbar, da sie mit ihren serienmäßig hergestellten Ansteuerge- räten dafür vorgesehen sind, Linearbewegungen mit vorgegebenem Wegverlauf und Ge- schwindigkeitsverlauf durchzuführen und dabei automatisch jene Kräfte zu erzeugen, die für die Beschleunigung der bewegten Massen bzw. die für die Überwindung der sich der Line- arverschiebung entgegensetzenden Kräfte (meist Bearbeitungskräfte) benötigt werden. Der typische Anwendungsfall für derartige Linearmotoren ist bei Werkzeugnaschinen gegeben.

Die normal käuflichen Ansteuergeräte müssen daher durch eine spezielle Ansteuereinrich- tung ersetzt werden. Die hauptsächlichsten Unterschiede bei dem Einsatz der Linearmoto- ren bei der Erfindung im Vergleich zu den konventionellen Aufgaben sind in folgenden Merkmalen gegeben : Die Beschleunigung und die Verzögerung der schwingenden Massen, einschließlich der Masse des mitschwingenden Motorteiles des Linarmotors, werden bei der Verdichtungseinrichtung ganz überwiegend, insbesondere, wenn die Erregerfrequenzen in der Nähe der Eigenfrequenzen liegen, durch die Kräfte der Systemfeder (im Resonanzbe- trieb) bestimmt. Daher könnte eine bei den Linearmotoren übliche Regelungseinrichtung zur

Erzeugung eines programmierten Bewegungsablaufes schon deshalb nicht zum Einsatz gelangen, weil sie die Federkräfte nicht kennt und nicht beeinflussen kann und weil die Mo- torkräfte allein für die zu erzeugenden Beschleunigungen bei weitem nicht ausreichen.

Bei der bei der Erfindung vorliegenden Aufgabenstellung dagegen hat der Linearmotor pro Schwingungsperiode (nach einmal in Gang gebrachter Schwingung) im Prinzip nur jene Energiemengen an die System-Masse weiterzugeben, welche der schwingenden System- Masse durch Reibung oder durch die bei dem Stoß abgegebene Verdichtungsenergie ent- zogen werden. Es kommt bei einer konstant zu haltenden Schwingwegamplitude also darauf an, bei jeder Schwingungsperiode der schwingenden System-Masse jene Energieportion wieder zuzuführen, die benötigt wird, um die vorgegebene Schwingwegamplitude aufrecht zu erhalten. Die Kraftentwicklung am Linearmotor muß dabei in ihrer Größe auch nicht einer durch die Schwingzeit bestimmten Zeitfunktion (z. B. Rechteck-oder Sinus-Funktion) folgen, da nur die (pro Periode) übertragene Energieportion entscheidend ist, wobei natürlich die Zeitpunkte für Anfang und Ende der Kraftentwicklung ebenfalls eine Rolle spielen und durch die Steuerung festgelegt werden müssen. Die Ansteuereinrichtung muß auch das Phäno- men des Auftretens eines Phasenverschiebungswinkelsy und der sich bei fortschreitendem Verdichtungsvorgang selbsttätig einstellenden Änderung seines Wertes berücksichtigen können (Der Phasenverschiebungswinkel y definiert das Winkelmaß, um welches die Schwingwegamplitude der Erregerkraftamplitude nacheilt), was übrigens auch für die einen hydraulischen Linearmotor beeinflussende Steuerung gilt. Da der Zeitpunkt der Messung der zu regelnden physikalischen Größe s, s', s"oder f, f', f", und der Zeitpunkt der Umsetzung des daraus durch einen Regelalgorithmus abgeleiteten Wertes für die Steligröße y (zur Festlegung der Größe der nächsten zu übertragenden Energieportion) nicht identisch ist, müssen gemessene Werte und/oder abgeleitete Werte kurzzeitig zwischengespeichert wer- den.

Es ist vorteilhaft, den Schwingtisch in seiner dreidimensionalen Bewegungsfreiheit nicht ausschließlich durch die Systemfeder zu begrenzen, sondern zur Erzwingung einer gleich- gerichteten Beschleunigung aller Teile des Schwingtisches denselben durch eine einzige zentrale Linearführung gerade zu führen. Dabei hat die Linearführung, die optimalerweise eine zylindrische Führung ist, alle horizontalen Beschleunigungskräfte, die sich z. B. aus dem Stoß ergeben können, aufzunehmen. Auf eine derartige Linearführung kann bei Anwendung eines elektrischen Linearmotors auch verzichtet werden, wenn der in den Motoren vorhan- dene Luftspalt zwischen festem Teil und beweglichem Teil die horizontalen Abweichungen des Schwingtisches noch aufzunehmen vermag. Beim Einsatz eines hydraulischen Linear-

motors und bei Verwendung von Hydraulikzylindem üblicher Bauart sollte auf eine Linear- führung jedoch nicht verzichtet werden, es sei denn, daß Hydraulikzylinder und Linearfüh- rung durch entsprechende konstruktive Maßnahmen in einer Baueinheit integriert sind. Eine Linearführung hat nicht nur den Vorteil, daß für eine gleichmäßige Verteilung der Stoßbe- schleunigungen gesorgt ist, sondem er hat auch eine Verminderung des Formenverschlei- ßes zur Folge.

Die besonderen Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden : Beseiti- gung oder Verminderung der erwähnten Nachteile der bezüglich der Schwingwegamplitude regelbaren Unwuchtvibratoren, verbunden mit einer Erhöhung der Qualität des Verdich- tungsprozesses durch größere Reproduzierbarkeit des Ergebnisses bei der Umsetzung der kinetischen Schwingenergie in Verdichtungsenergie. Hohe erreichbare Schwingfrequenzen.

Geringere notwendige Erregerleistung. Speziell beim Einsatz von Linearmotoren als Erre- geraktuatoren wird die Erregerenergie auf direktem Wege in Verdichtungsenergie umgesetzt und es wird Energie eingespart durch Wegfall der Blindleistungen und der Lagerreibleistung.

Kontinuierliche schnelle Verstellbarkeit der Verdichtungsfrequenz bei gleichzeitiger Rege- lung der Schwingwegamplituden.

Besondere Vorteile ergeben sich beim Einsatz eines elektrischen Linarmotors anstelle eines hydraulischen Linearmotors durch folgende Merkmale : Die elektrischen Linearmotorten ar- beiten praktisch verschleißfrei. Die Entwicklung der Erregerkräfte ist besonders trägheitsarm durchführbar, weshalb diese Linearmotoren auch dynamischer und genauer regelbar sind.

Der Kraftverlauf muß nicht, wie es bei dem hydraulischen Linearmotor sich praktisch durch die Verwendung von Servoventilen ergibt, sinoidisch sein. Bei dem Stoß des Schwingtisches gegen die Palette entstehen bei einem hydraulischen Linearmotor hohe schädliche Druck- spitzen. Der elektrische Linearmotor ist in dieser Beziehung im Vorteil, weil die Kraftsprünge im elastischen Feld des Luftspalt wirksam sind und weil elektrische Stoßspannungen mit elektrischen Mitteln absorbiert werden können.

Die Erfindung wird anhand von 6 Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine Verdichtungseinrichtung der ersten Gattung, bei der der Schwingtisch bei jeder Schwingungsperiode einmal von unten gegen die Palette stößt, In Fig. 2 ist im oberen Teil der Zeichnung der gleiche Schwingtisch wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch verbunden mit einer anderen Systemfeder, wobei das in Fig. 1 gezeigte untere Federsystem ausgetauscht ist gegen ein bezüglich der Federkonstante verstellbares Federsystem mit einer einzigen Blatt- feder als federndes Element. Fig. 3 zeigt Details einer anderen Variante der Verdichtungs- einrichtung nach Fig. 1, wobei es um zusätzliche zu-und abschaltbare Federelemente geht.

In Fig. 4 werden andere Möglichkeiten der Weiterbildung einer Verdichtungseinrichtung nach Fig. 1 dargestellt. Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf der Schwingwegamplitude A über der Erregerfrequenz fN der System-Masse einer Verdichtungseinrichtung nach der Erfindung mit einer einzigen Eigenfrequenz zur Erläuterung von möglichen Amplituden- Regelungen. In Fig. 6 wird ein Diagramm ähnlich wie das der Fig. 5 gezeigt, wobei der Vor- teil einer zusätzlichen Eigenfrequenz des Schwingsystems erläutert wird.

In Fig. 1 ist 100 der Rahmen der Verdichtungseinrichtung, welcher auf dem Fundament 102 steht und durch welchen die von der Preßeinrichtung 104 und von der Erregereinrichtung 106 zu übertragenden Kräfte gegeneinander abgestützt werden. Der Rahmen kann in die- sem Falle fest mit dem Fundament verbunden sein, was durch die Linien 190 symbolisch dargestellt ist, wobei jedoch bei kleiner Masse des Rahmens erhebliche Erregerkräfte auf das Fundament zu übertragen sind. Der in der Formausnehmung des Formkastens 108 ein- geschlossene Formkörper 110 liegt mit seiner Unterseite auf einer Palette 112 auf. Die Pa- lette selbst liegt auf einer am Rahmen 100 befestigten (und der Deutlichkeit halber durch Schraffur gekennzeichneten) Prall-Leiste 114 auf, welche mit Ausnehmungen 116 versehen ist, durch welche die Stoßleisten 118 des Schwingtisches 120 hindurch greifen und bei der Schwingbewegung des Schwingtisches nach Überwindung des Luftspaltes 122 gegen die Unterseite der Palette stoßen können. Der auf der Palette aufliegende Formkasten 108 wird über Federn 124, welche sich über Nasen 126 gegen den Rahmen abstützen, fest auf die Oberseite der Palette 112 gepreßt. Auf diese Weise behält der Formkasten eine feste Ver- bindung mit der Palette auch in dem Falle, wo die Palette von den Stoßleisten 118 nach oben gestoßen wird und sich dabei von der Prall-Leiste 114 abheben kann. Der Formkasten könnte jedoch auch (durch eine nicht gezeigte Festspanneinrichtung) fest mit der Palette verspannt sein. Der Schwingtisch 120 bildet mit seiner Masse den Hauptanteil der System- Masse des schwingfähigen Masse-Feder-Systems 140, dessen Schwingkräfte in erster Linie von der zugehörigen Systemfeder 142 aufgenommen bzw. erzeugt werden.

Die Systemfeder besteht aus einem oberen Federsystem 144, durch welches mindestens ein Teil der bei der Aufwärts-Schwingbewegung maximal mitgeführten kinetischen Energie gespeichert wird und aus einem unteren Federsystem 146, durch welches der Hauptanteil der bei der Abwärts-Schwingbewegung maximal mitgeführten kinetischen Energie gespei- chert wird. Das obere Federsystem 144 bzw. das untere Federsystem 146 besteht aus meh- reren Federelementen 148 bzw. 150, welche bezüglich ihrer Federkonstanten auch verän- derbar oder verstellbar sein können, was durch die Pfeile 152 symbolisch angedeutet ist.

Die Federelemente 148 und 150 können als Druckfedern, Schubfedern, Torsionsfedern oder Biegefedern ausgebildet sein und sind im Falle der Fig. 1 derart gegeneinander ver-

spannt, daß sie auch bei den größten durchzuführenden Schwingungsamplituden der Sy- stem-Masse noch eine restliche Federverformung aufweisen. Die Kräfte der Federelemente 148 und 150 sind an den einen Enden zwischen Teilen des Rahmens 100 eingespannt und an den anderen Enden gegen ein Kraftanschlußteil 154 abgestützt, welches Teil eines Kraftübertragungsteiles 156 ist, mit dem die Kräfte des oberen und unteren Federsystems auf die System-Masse übertragen werden. Es ist vorteilhaft, die Kräfte der Federelemente des Federsystems wenigstens an jenen Enden, an welchen die Kräfte der Federn in die System-Masse übertragen werden, durch Druckkräfte und/oder Schubkräfte in die Kraftan- schlußteile zu übertragen, da diese Stellen bezüglich der Betriebssicherheit und Dauerhaf- tigkeit kritische Stellen sind, welche bei Anschluß der Federelemente an die Kraftanschluß- teile bei überwiegender Anwendung von Zugkräften an dieser Stelle schnell versagen.

Die Erregereinrichtung 106 umfaßt einen Erregeraktuator 170, bestehend aus einem mit dem Rahmen 100 verbundenen festen Aktuatorteil 172, einem mit der System-Masse ver- bundenen beweglichen Aktuatorteil 174 und einer Ansteuerungseinrichtung 196, welche auch einen Regler 198 mit beinhaltet. Mithilfe der Ansteuerungseinrichtung werden die Energieübertragungs-Mittel (elektrischer Strom oder hydraulischer Volumenstrom) derart geformt bzw. gesteuert, daß bei Anwendung einer vorgebbaren konstanten oder veränder- baren Erregerfrequenz durch das bewegliche Aktuatorteil 174 bei jeder Halbperiode oder Vollperiode der Schwingung Erregerkräfte und damit Erregerenergie-Portionen auf das Masse-Feder-System übertragen werden, wodurch dieses zur Durchführung von Schwin- gungen und zur Abgabe von Stoßenergie für den Verdichtungsvorgang gezwungen wird. Je nach Größe des eingestellten Luftspaltes 122, (der auch auf den Wert Null oder einen ne- gativen Wert eingestellt sein kann) sind dabei die Schwingwegamplituden A mit einer derar- tigen Größe zu erzeugen, daß eine ausreichende Stoßenergie für die in an sich bekannter Weise stattfindende Verdichtung übertragen werden kann. Vorzugsweise soil die die über- tragbare Verdichtungsenergie definierende physikalische Schwingungsgröße, z. B. die Schwingwegamplitude A, steuerbar oder regelbar sein, und zwar auch bei konstantgehalte- ner Schwingfrequenz.

Die Preßeinrichtung 104 umfaßt einen festen Teil 182, einen beweglichen Teil 184, an wel- chen die Preßplatte 180 angeschlossen ist und einen (zeichnerisch nicht dargestellten) Steuerungsteil zur Durchführung einer durch den Pfeil 186 angedeuteten vertikalen Ver- stellbewegung der Preßplatte.

Die die Kräfte des oberen und unteren Federsystems aufnehmenden Teile des Rahmens 100 könnten auch zusammen mit den die Kräfte der Erregereinrichtung 106 aufnehmenden Teile des Rahmens von dem Rahmen 100 getrennt sein und zusammen auf einem von dem

Fundament 102 getrennt vorhandenen, besonderen (nicht zeichnerisch dargestellten) Fun- damentteil angeodnet sein, welches Fundamentteil in diesem Falle (als Dämpfungsmasse dienend) bevorzugt über (nicht zeichnerisch dargestellte) Isolationsfedern gegen das Fun- dament 102 abzustützen wäre. Die Erregereinrichtung 106 mit ihrem Erregeraktuator 170, von der gefordert wird, daß sie zusammen mit einer Ansteuereinrichtung auch bei konstant gehaltener Erregerfrequenz imstande sein muß, variable Energiemengen in das Schwingsy- stem zu übertragen, kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein. Der Erregerak- tuator kann ein bezüglich des statischen Momentes regelbarer Unwucht-Richtvibrator sein oder ein bezüglich der umsetzbaren Erregerenergie-Portionen hydraulisch oder elektrisch betriebener Linearmotor sein. Zur Messung der zu regelnden Schwingwegamplitude A ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, die aus einem fest mit dem Rahmen verbundenen Teil 192 und aus einem mit dem Schwingtisch verbundenen Teil 194 besteht. Das Signal der gemessenen Göße ist dem Regler 198 zur Verarbeitung zugeführt (nicht gezeichnet).

Es sind in dem oberen Federsystem 144 und/oder in dem unteren Federsystem 146 hydrau- lische oder mechanische Federn vorgesehen, deren Federkonstanten im einfachsten Falle konstant sind und mit denen eine resultierende Systemfeder gegeben ist, deren Eigenfre- quenz an einer bestimmten Stelle, z. B. in der Mitte des Frequenzbereiches der Erregerfre- quenz gelegen sein kann, wodurch an dieser Stelle eine Resonanzstelle gebildet ist. Obwohl an der Resonanzstelle der erfindungsgemäß auszunutzende Resonanzeffekt der Amplitu- denverstärkung am größten ist, soll der Rersonanzeffekt in einem dann zwangsläufig gemäß der Resonanzkurve abgeschwächten Maße (bei der erfindungsgemäß auch vorgesehenen Möglichkeit des kontinuierlichen Durchfahrens der Erregerfrequenz durch einen vorgegebe- nen Frequenzbereich) auch oberhalb und/oder unterhalb der Resonanzstelle genutzt wer- den. Durch den Resonanzeffekt bedingt, erfolgt die Schwingbeschleunigung der System- Masse überwiegend unter Mitwirkung der Federkräfte bzw. unter Mitwirkung der in den Fe- dern gespeicherten Energiemengen. Das hat den Vorteil, daß diese Kräfte und die ihnen zuzuordnenden Energiemengen nicht mehr von der Erregereinrichtung erzeugt werden müssen, was sich erheblich auf die Baugröße der Erregereinrichtung und auf die Größe der in dieser umgesetzten Verlustenergie auswirkt. Dabei muß im Idealfalle der Gleichheit von Erregerfrequenz und Eigenfrequenz von der Erregereinrichtung nur noch die dem Schwing- system durch dessen Reibungsverluste und die dem Schwingsystem als Verdichtungsener- gie entzogene Verlustenergie umgesetzt werden.

Man erkennt, daß es von großem Vorteil sein muß, wenn jeder Erregerfrequenz innerhalb des Frequenzbereiches der verstellbaren Erregerfrequenz eine Eigenfrequenz der System- feder zugeordnet werden könnte. Dieser Idealfall soll erfindungsgemäß mit einer kontinuier-

lich verstellbaren Eigenfrequenz der Systemfeder erreicht werden, wobei mit der Verstellung der Erregerfrequenz fE die Eigenfrequenz fN simultan mitverstellt werden kann unter Einhal- tung eines beliebigen Wertes für = fE/fN. Alternativ kann anstelle einer kontinuierlich ver- stellbare Eigenfrequenz mit geringerem Aufwand auch eine schrittweise Verstellung der Eigenfrequenz in Frage kommen.

Die Federkonstante der Systemfeder ist immer als eine resultierende Federkonstante CR aufzufassen, welche sich aus den Federkonstanten aller an der Systemfeder beteiligten Federelemente ergibt. Die resultierende Federkonstante CR kann definiert werden dadurch, daß sie zusammen mit der System-Masse die resultierende Eigenfrequenz bestimmt. Bei einer schrittweisen Veränderung der resultierenden Federkonstante (während des Stillstan- des oder während der Verdichtung) kann z. B. vorgesehen werden, daß eine oder mehrere Fedem ständig voll im Einsatz bzw. eingeschaltet sind und daß zu diesen ständig einge- schalteten Fedem stufenweise andere Fedem zusätzlich mit in die Kraftübertragung der Schwingkräfte mit einbezogen werden. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß Federn un- terschiedlicher Federkonstanten derart zugeschaltet werden, daß ihr Deformationsweg voll- ständig mit dem Schwingweg der System-Masse übereinstimmt, oder auch derart, daß ihr Deformationsweg nur einen vorherbestimmbaren und einstellbaren Anteil des Schwingwe- ges der System-Masse ausmacht. Bei letzterem Falle handelt es sich dann um eine Ver- stellung der"Progression"der Federkennlinie der resultierenden Federkonstanten. Beim Einsatz einer stufenweise verstellbaren oder mit veränderlicher Progression arbeitenden Systemfeder soll es gemäß der Erfindung auch möglich sein, die durch die Veränderungen der resultierenden Federkonstante hervorgerufene Veränderung der physikalischen Größen des schwingenden Systemes (z. B. Schwingwegamplitude A) mithilfe einer dafür speziell ausgestatteten Ansteuereinrichtung für die Erregereinrichtung über den Einflußparameter der zu-oder abzuführenden Erregerenergie im Sinne einer Konstanthaltung der physikali- schen Größen wieder zu glätten oder auszuregeln. Eine zu-und abschaltbare Feder wird in Fig. 3 näher erläutert.

Sofem das untere oder obere Federsystem als ein bezüglich seiner resultierenden Feder- konstanten verstellbares Federsystem ausgeführt wird und die resultierende Federkonstante des unteren oder oberen Federsystems durch mindestens eine nicht verstellbare und min- destens eine zuschaltbare verstellbare Feder bestimmt ist, kann damit unter Verminderung des Aufwandes erreicht werden, daß der Verstellbereich der Eigenfrequenz erst ab einer bestimmten Frequenz aufwärts beginnt. Dies ist für die Bedürfnisse der Praxis ausreichend, wo z. B. ein Verstellbereich der Eigenfrequenz etwa von 30 Hz bis 75 Hz vorgesehen werden kann.

Ein verstellbares mechanisches Federelement wird nachfolgend in der Fig. 2 beschrieben.

Ein verstellbares hydraulisches Federelement kann dadurch geschaffen werden, daß ein Federelement der Systemfeder verkörpert ist durch ein wenigstens teilweise in einem Zylin- derkörper durch einen Federkolben eingespanntes kompressibles Druckfluid-Volumen (Hydrauliköl) und daß die Federrate veränderbar ist durch eine Veränderung der Größe des Druckfluid-Volumens, entweder dadurch, daß die Größe des Druckfluid-Volumens gebildet ist durch mehrere voneinander durch schaltbare Sperrventile abtrennbare Unter-Volumina, oder dadurch, daß ein Teil des Druckfluid-Volumens eingespannt ist in einem Zylinder, des- sen Zylinderraum veränderbar ist durch einen in dem Zylinder nach vorgegebener Weise und bevorzugt kontinuierlich verschieblichen Kolben, wobei die Verschiebung des Kolbens z. B. durch einen Gewindespindel-Trieb durchgeführt wird.

Fig. 2 zeigt eine Variante des in Fig. 1 prinzipiell dargestellten schwingfähigen Masse-Feder- Systems mit der System-Masse und mit der hier andersartigen Systemfeder. Eine Errege- reinrichtung ist der Einfachheit halber nicht dargestellt und man könnte sie sich in Form von zwei als Erregeraktuatoren dienenden Linearmotoren zusätzlich am Schwingtisch 120 an- greifend vorstellen. Im oberen Teil der Fig. 2 sind die Bauteile, deren Bezugszeichen mit der Ziffer 1 beginnen, identisch mit den gleichnamigen Bauteilen in Fig. 1. Die die Schwingkräfte übertragenden Anschluß-Körper 202 könnten mit dem in Fig. 1 gezeigten Rahmen 100 identisch sein. Die Systemfeder verfügt in diesem Falle über ein oberes Federsystem 144, bestehend aus Druckfedern 124 und über ein unteres Federsystem 244, welches eine be- züglich ihrer Federkonstante verstellbare und überwiegend auf Biegung beanspruchte Blattfeder 282 aufweist. Die zwischen der Blattfeder 282 des unteren Federsystems und dem Schwingtisch 120 bei einer Schwingung der System-Masse in Richtung des Doppel- pfeiles 230 bei einer Abwärts-Schwingbewegung auszutauschenden dynamischen Massen- kräfte (bzw. Federkräfte) werden über den Schwingkraft-Stempel 280 geführt, welcher oben am Schwingtisch 120 befestigt ist und am unteren Ende eine Rundung aufweist, mit der er sich in die Rundung 284 der Blattfeder einschmiegt, wobei das untere Ende als ein Kraft- einleitungs-Element erster Art fungiert über welches die Massenkraft Fm unter ausschließli- cher Erzeugung von Druckkräften an der Krafteinleitungsstelle 209 mittig in die Blattfeder eingeführt wird. Eine (vorzugsweise vorgesehen) auch bei den größten Schwingwegampli- tuden A noch vorhandene Vorspannung an den Federn 124 und an der Blattfeder 282 sorgt dafür, daß der Kontakt zwischen Schwingkraft-Stempel 280 und Blattfeder 282 niemals ver- lorengeht. Die bei der dynamischen Belastung der Blattfeder an dieser angreifenden Mas- senkräfte Fm werden auf die in gleichen Abständen L1 unterhalb der Blattfeder an den Krafteinleitungsstellen 211,211'angeordneten rollenförmigen Krafteinleitungs-Elementen

zweiter Art 210,210'hälftig unter ausschließlicher Erzeugung von Druckkräften als Abstütz- kräfte Fa übertragen.

Die Haupt-Erstreckungsrichtung der Blattfeder ist durch den Doppelpfeil 240 symbolisiert.

Die rollenförmigen Krafteinleitungs-Elemente zweiter Art 210,210'sind in Rollenträgern 212 und 212'gelagert. Die Doppelpfeile 216 und 216'deuten an, daß die Rollenträger in beiden Richtungen und übrigens auch unter der impulsförmigen Belastung durch die Abstützkräfte Fa verschoben werden können. Bei ihrer Verschiebung ist es den Krafteinleitungs-Elemen- ten zweiter Art 210 und 210'auch gestattet, sich zu verdrehen, was durch die Doppelpfeile 218,218'angedeutet ist.

Die Verschiebung der Rollenträger212 und 212'in jeweils entgegengesetzten Richtungen wird synchron vorgenommen, was durch eine Gewindespindel 220 mit gegenläufigem Ge- winde bewirkt wird. Die Gewindespindel 220 wird angetrieben von einer motorisch betriebe- nen Antriebseinheit 222, die ihrerseits von einer (nicht dargestellten) Steuerung gesteuert wird. Mittels der Steuerung und der Antriebseinheit 222 können die Rollenträger212, 212' und somit die Einleitungsstellen zweiter Art 211,211'für die Abstützkräfte Fa in beliebige vorbestimmbare Positionen gebracht werden, um z. B. die Abstände L1 oder L2 herzustellen.

Die in die Stellungen L2 gebrachten Rollenträger sind durch Strichlinien angedeutet. Die Abstände L1 und L2 beziehen sich auf die Einleitungsstelle erster Art 209. Es ist offensicht- lich, daß mit den beliebig einstellbaren Positionen für die Einleitungsstellen zweiter Art 211, 211' (innerhalb bestimmter Grenzen) beliebig und auch kontinuierlich einstellbare Federkon- stanten der Blattfeder verbunden sind. <BR> <BR> <P>Fig. 3 zeigt eine Variation der Verdichtungseinrichtung nach Fig. 1, wobei zwei gleichartige Zusatz-Federsysteme 300 und 300'mit zusätzlichen zu-und abschaltbaren Federelementen dargestellt sind, welche zwischen dem Schwingtisch 120 und dem Fundament 102 kraft- übertragend angeordnet sind. In einem Kraftübertragungsteil zweiter Art 302 sind zwei als Druckfedem ausgebildete und auch im abgeschalteten Zustand unter Druckspannung ste- hende Federelemente 304 und 306 derart angeordnet, daß sie ihre Federkräfte auf ein un- teres Kragteil eines Kraftübertragungsteils erster Art 308 übertragen. Das Kraftübertra- gungsteil erster Art ist über ein oberes Kragteil fest mit dem Schwingtisch verbunden und dazu bestimmt, die bei der Verformung der Federelemente entstehende resultierende Kraft auf den Schwingtisch zu übertragen. Das Kraftübertragungsteil zweiter Art 302 ist mit einem Kolben 312 einer hydraulischen Schalteinrichtung 310 fest verbunden, wodurch es imstande ist, in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Schalteinrichtung die bei der Verformung der Federelemente entstehende resultierende Kraft über den mit dem Fundament fest verbun-

denen Zylinder 314 auf das Fundament 102 zu übertragen oder nicht zu übertragen. Der Kolben 312 kann bei einem ersten Schaltzustand in dem Zylinder 314 auf und ab bewegt werden, nahezu ohne dabei eine Kraft zu übertragen, oder er kann bei einem zweiten Schaltzustand in dem Zylinder durch das Fluidmedium fest eingespannt werden. Die Schalt- zustände der Schalteinrichtung 310 werden bestimmt durch die Stellung des Ventiles 320. In der dargestellten Stellung sind die Zylinderräume 316 und 318 des Zylinders 314 über das Ventil verbunden, so daß sich der Kolben in dem Zylinder ohne Zwangskräfte auf und ab bewegen kann. Bei einer zweiten Stellung des Ventils sind die Zylinderräume verschlossen, so daß die Kraft des Kraftübertragungsteiles zweiter Art 302 unmittelbar auf das Fundament übertragen wird.

In Fiq. 4 werden andere Möglichkeiten der Weiterbildung der Erfindung dargestellt, wobei die unterschiedlichen Funktionen in der Verdichtungseinrichtung nach Fig. 1 angeordnet sein können und dabei einerseits mit dem Schwingtisch 120 und andererseits mit dem Rahmen 100 (oder dem Fundament 102) verbunden sind.

Der Schwingtisch 120 ist fest verbunden mit einem zentralen Führungszylinder 412, dessen Mittenachse durch den Schwingtisch-Schwerpunkt verläuft und der mit seinem Außenzylin- der im Innenzylinder einer Zylinder-Gleitführung 414 frei beweglich ist. Dadurch ist eine Li- nearführung 410 gebildet, welche eine Zwangsführung des Schwingtisches zur Ausführung der Schwingbewegung auf einer geraden Linie nur in einer Doppelrichtung mit einem zentral und spiegelsymmetrisch am Schwingtisch angeordneten Führungsteil darstellt. Als Erre- geraktuatoren sind zwei gleiche Linearmotoren 420 vorgesehen, die von einer nicht darge- stellten speziellen Ansteuereinrichtung beaufschlagt werden können, so daß sie Erreger- kräfte in vertikaler Richtung erzeugen. Jeder Linearmotor 420 besteht aus einem festste- henden Motorteil 422 und einem beweglichen Motorteil 424, welche beide durch einen Luft- spalt 426 getrennt sind. Das bewegliche Motorteil 424 ist über ein Trägerteil 428 fest mit dem Schwingtisch 120 verbunden, während das feststehende Motorteil 422 direkt an dem Rahmen 100 befestigt ist. Die bevorzugt als Dreiphasen-Wechselstrommotoren ausgebil- deten Linearmotoren 420 werden über die spezielle Ansteuereinrichtung derart angesteuert, daß eine physikalische Größe des Schwingungsverlaufes des Schwingtisches 120 oder der Form 108 (in Fig. 1) nach vorgegebenen Werten, und damit indirekt auch der Verlauf des Verdichtungsvorganges, gesteuert oder geregelt wird.

Mit 430 ist ein Federsystem wiedergegeben, welches zumindestens bei der Vorverdichtung, gegebenenfalls zusammen mit den in Fig. 1 gezeigten Federelementen 124, die Systemfe- der darstellt. Diese Systemfeder entwickelt in diesem Falle mit ihrer speziellen, aus einem

Elastomerwerkstoff hergestellten Schubfeder 434 Federkräfte in zwei Richtungen für die Speicherung von in beiden Schwingrichtungen durch die System-Masse mitgeführten kineti- schen Energiemengen. Die in diesem Falle als Hohlzylinder ausgeführte Schubfeder 434 ist außen mit einem Federring 432 und innen mit einem Zylinder 436 verbunden, welchletzterer an dem Führungszylinder 412 befestigt ist. Der Federring 432 ist kräftemäßig über zwei Halter 438 fest gegen die Dämpfungsmasse 450 abgestützt, wobei die Abstützung aber auch gegen das Fundament 102 oder den Rahmen 100 vorgenommen sein könnte. Man erkennt aus der Anordnung des Federsystems 430, daß dieses auch gleichzeitig die Aufga- be der Linearführung 410 mit übernehmen könnte. Mit anderen Worten : Ein Federsystem mit Schubfedem, welche Federkräfte in beiden Schwingrichtungen entwickeln können, kann auch gleichzeitig als Linearführung vorgesehen sein und die Funktion einer Zwangsführung zur Ausführung der Schwingbewegung des Schwingtisches in einer Doppelrichtung aus- üben, sofern die Federkräfte mit einem zentral am Schwingtisch angeordneten Führungsteil übertragen werden.

Mit 440 ist eine zu-und abschaltbare Zusatzmasse bezeichnet, mit welcher die Größe der System-Masse verändert werden kann, um damit die Eigenfrequenz des Masse-Feder- Systems verändern zu können, Innerhalb der Zusatzmasse ist ein Hydraulikzylinder 442 untergebracht, in welchem sich ein Kolben 444 befindet, der fest mit dem Zylinder 436 und damit mit der System-Masse verbunden ist. Durch den Kolben werden im Hydraulikzylinder 442 zwei Verdrängungsräume gebildet, welche über ein schaltbares Ventil 446 einzeln ab- gesperrt oder miteinander verbunden werden können, Im Falle, daß die Verdrängungsräume miteinander verbunden sind, kann der Kolben 444 sich frei in dem Zylinder 442 auf und ab bewegen, ohne, daß die Zusatzmasse dabei mitbewegt würde. Falls die Verdrängungsräu- me einzeln abgesperrt sind, wird die Zusatzmasse 440 gezwungen, synchron mit der Sy- stem-Masse mitzuschwingen. In diesem Falle werden die Fedem 448 nur geringe Kräfte an die Dämpfungsmasse (oder das Fundament) übertragen, da sie als weiche Federn ausge- bildet sind, welche die Zusatzmasse lediglich auf einer bestimmten Höhe zu halten haben, wenn sie nicht mitschwingend ist. Anders als in Fig. 1, wo die Systemfeder 142 kräftemäßig gegen den Rahmen 100 abgestützt ist, wird in Fig. 4 die Systemfeder 430 gegen eine be- sondere Dämpfungsmasse 450 abgestützt, die sich ihrerseits wieder über weich eingestellte Federn 452 gegen den Rahmen 100 bzw. das Fundament 102 abstützt. Mit dieser Maß- nahme wird abhängig von der Dimensionierung der Zusatzmasse erreicht, daß die von der Systemfeder 432 abgeleiteten Schwingkräfte, die z. B. bei einer System-Masse von 1000 kg und einer Schwingwegamplitude von 1 mm bei 70 Hz Spitzenwerte von ca 20 Tonnen errei- chen können, nur vermindert in das Fundament gelangen können.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf der Schwingwegamplitude A über der Erregerfre- quenz fN der System-Masse einer Verdichtungseinrichtung nach der Erfindung (z. B. Fig. 1) mit einer einzigen, bei etwa 70 Hz gelegenen Eigenfrequenz und mit einer bestimmten Dämpfung D1 für die Kurve K1. Es wird in diesem Diagramm eine sinusförmige Erregerkraft mit einer konstanten Erregerkraftamplitude über den gesamten Bereich der Erregerfrequenz vorgesehen. Mit der Dämpfung D1 sind die Reibungsverluste und die Energieverluste des schwingenden Systems durch die abgegebene Verdichtungsenergie berücksichtigt. Die Kur- ve K1 stellt die bekannte Resonanzkurve dar. Die Erregerkraft vermag im Bereich ganz ge- ringer Frequenzen eine Amplitude von A = 0,36 mm zu erzeugen. Im Bereich der Eigenfre- quenz erzeugt-die gleiche Erregerkraft eine Amplitude von A = 1,8 mm, was einer Amplitu- denverstärkung (Resonanzverstärkung) von d) = 5 entspricht. Wollte man die gleiche Ampli- tude von 1,8 mm bei niedrigeren Erregerfrequenzen, etwa bei 58 Hz erreichen, so müßte der Wert der Erregerkraftamplitude in diesem Falle etwa um den Faktor 1,8 vergrößert wer- den. Anhand der Fig. 5 sollen zwei unterschiedliche Methoden der Regelung der Amplitude A nach einem vorgegebenen Wert bei einer gegebenen Eigenfrequenz von 70 Hz gezeigt werden : Bei einer ersten Methode (welche der in der Druckschrift DE 44 34 679 A1 erwähnten Me- thode ähnlich ist, wobei dort jedoch nicht die Schwingwegamplitude A geregelt werden soll), wird die Krafterregung durch einen nicht bezüglich seines statischen Momentes regelbaren Unwucht-Richtvibrator vorgenommen, welcher mit einer nominellen Erregerfrequenz von 63 Hz arbeiten soll, wobei die dann entwickelten Fliehkräfte (die Erregerkraftamplitude wird = 100% gesetzt) eine Amplitude von A = 1,4 mm erzeugen (Punkt Q auf der Kurve K1). Bei einer Erhöhung der Erregerfrequenz von 63 Hz auf 70 Hz wird die Amplitude auf A = 1,8 mm gesteigert (und bei Verringerung der Erregerfrequenz auf 58 Hz könnte die Amplitude auf A = 1 mm abgesenkt werden). Wie man erkennen kann, beinhaltet diese erste Metode, daß man zwecks Veränderung der Amplitude A die Erregerfrequenz verändern muß. Umge- kehrt verändert sich beim Durchfahren eines bestimmten Bereiches der Erregerfrequenz die Amplitude A automatisch.

Bei einer zweiten Methode wird die Krafterregung durch einen in seiner Erregerkraftamplitu- de regelbaren Linearmotor erzeugt, dessen Erregerfrequenz auf 63 Hz und dessen Erreger- kraftamplitude auf 100% eingestellt ist. Die dabei erzielbare Schwingwegamplitude beträgt in diesem Falle ebenfalls A = 1,4 mm. Die Veränderung der Amplitude A wird hier jedoch dadurch erreicht, daß bei konstant gehaltener Erregerfrequenz (von 63 Hz) die Erregerkraf- amplitude (a) verändert wird. Um die Amplitude A auf einen Wert von A = 1,8 mm einregeln zu können, muß die Erregerkraftamplitude (a) derart vergrößert werden, daß eine ganz an-

dere Resonanzkurve K2 erzeugt wird, deren Schnittpunkt mit der 63 Hz-Linie den Wert von A = 1,8 mm erreicht. Zwecks Einstellung einer Amplitude von A = 1 mm bei 63 Hz muß durch Verringerung der Erregerkraftamplitude (a) eine andersartige Resonanzkurve K3 er- zeugt werden. Man erkennt, daß im Unterschied zur ersten Methode eine beliebig vorgebba- re Amplitude A unabhängig von der Erregerfrequenz erreicht werden kann. Gleichzeitig er- laubt die Anwendung der zweiten Methode es auch, die Erregerfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches beliebig (auch kontinuierlich) nach einer vorgebbaren Zeitfunktion zu verändern und dabei zusätzlich auch beliebig vorgebbare Amplituden A zu erzeugen. Die zweite Methode ist diejenige, welche bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangt. Beim Einsatz dieser zweiten Methode muß die periodische Erregerkraft nicht zwangsläufig einer Sinusfunktion folgend erzeugt werden. Entscheidend für die Erzeu- gung einer bestimmten Amplitude A bei einer vorgegebenen Dämpfung D ist die über die Erregereinrichtung pro Schwingungsperiode zugeführte Energiemenge. Der zeitliche Verlauf der Erregerkraft könnte dabei auch anstatt einer Sinusfunktion einer Rechteckfunktion fol- gen, wobei aus der pro Periode umgesetzten Energiemenge auf eine Ersatz-Erregerkraft- amplitude (a*) bei sinusförmigem Verlauf der Erregerkraft rückgeschlossen werden kann.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm ähnlich wie das der Fig. 5, worin die Kurve K1 der in Fig. 5 ge- zeigten Kurve K1 entspricht und ein Masse-Feder-System kennzeichnet, welches eine Ei- genfrequenz bei etwa 70 Hz aufweist. Eine zweite Kurve K4 repäsentiert die Resonanzkurve des gleichen Masse-Feder-Systems, bei welchem in diesem Falle jedoch die Eigenfrequenz (durch Verändern der resultierenden Federkonstanten der Systemfeder) auf einen anderen Wert von etwa 46 Hz umgeschaltet ist. Die Krafterregung des zugehörigen Masse-Feder- Systems soll wie bei der zweiten in Fig. 5 beschriebenen Methode durch Erzeugung der Erregerkraftamplitude (a oder a*) unter Einsatz eines regelbaren Linearmotors geschehen, wobei die Kraftbeaufschlagung des Erregeraktuators durch ein spezielles Ansteuergerät geregelt sein soll, wobei die umzusetzende Energiemenge auch zur Regelung eines vorge- gebenen Wertes für die Amplitude A (unter der Voraussetzung einer geeigneten Meßein- richtung zu Messung der Größe von A) beeinflußbar sein soll. Bei der Kurve K4 wurde eine gleiche Erregerkraftamplitude wie bei K1, jedoch ein im Vergleich zu D1 verdoppelter Däm- pfungswert D4 angenommen. Infolge des geringeren Wertes der Federkonstante erzielt man bereits bei einer ganz geringen Erregerfrequenz eine Amplitude von A = 0,78 mm. Das Diagramm zeigt, daß bei Verwendung der Schwingeigenschaften beider Kurven über einen Bereich der Erregerfrequenz von 27 bis 78 Hz eine Schwingwegamplitude von 1,1 mm er- reicht werden kann. Das bedeutet im Vergleich zu der allein mit Kurve K1 gegebenen Mög- lichkeit eine Erweiterung desjenigen Frequenzbereiches, innerhalb dessen mindestens eine gleichgroße Amplitude eingestellt werden kann. Für die vorliegende Erfindung wird diese

Erscheinung genutzt, indem bei einem Verdichtungsvorgang die Erregerfrequenz, die in diesem Falle identisch mit der Verdichtungsfrequenz ist, (beim Beispiel dieses Diagramms) von einem Wert von 27 Hz bis zu einem Wert von 78 Hz durchfahren wird, wobei die Ampli- tude durch die Regelung der pro Periode umzusetzenden Menge der Erregerenergie auf einen Wert von A = 1 mm geregelt werden kann. Bei einem Verdichtungsvorgang ändert sich in der Praxis der Dämpfungswert D laufend von einem höheren Wert (D4) zu einem niedrigeren Wert (D1). Während der Durchführung der Verdichtung bei laufend ansteigen- der Erregerfrequenz wird bei einer bestimmten Frequenz auf die der Eigenfrequenz von 70 Hz entsprechende Federkonstante umgeschaltet. Sofem die Eigenfrequenz in mehr als ei- nem Schritt, optimalerweise kontinuierlich, verstellt werden kann, kann das beschriebene Verfahren weiter optimiert werden, indem mit einer veränderten Erregerfrequenz die Eigen- frequenz ebenfalls mitverstellt wird, wobei gleichzeitig die Amplitude nach einem vorgege- benen Wert für A geregelt wird. Bei einem derartigen Verfahren könnte man die vorgegebe- nen Werte für A mit einer im Vergleich zur Schwingungserregung konventioneller Art be- deutend geringeren Erregerenergie erreichen..

Für alle Zeichnungen der Figuren 1 bis 4 gilt, daß feste Verbindungen zweier Bauteile durch strichpunktierte Linien symbolisch dargestellt sind.