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Dokumentenidentifikation DE19547698C2 17.08.2000
Titel Vorrichtung und Verfahren zum Abfräsen von harten Oberflächen, insbesondere von Straßenbelägen
Anmelder Wirtgen GmbH, 53578 Windhagen, DE
Erfinder Hähn, Günter, Dr.-Ing., 53639 Königswinter, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner, 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 20.12.1995
DE-Aktenzeichen 19547698
Offenlegungstag 26.06.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 17.08.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.08.2000
IPC-Hauptklasse E01C 23/088
IPC-Nebenklasse E21C 35/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abfräsen von harten Oberflächen, insbesondere von Straßenbelägen mit einem Fahrgestell und einer in dem Fahrgestell angeordneten Fräswalze, mit auf der Oberfläche der Fräswalze verteilt angeordneten Abarbeitungswerkzeugen, die mit Hilfe eines Schwingungserregers mit einer Schwingung beaufschlagt sind, sowie ein Verfahren zum Abfräsen von harten Oberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 33.

Eine Straßenfräsmaschine ist aus der DE 29 48 540 A1 bekannt. Bei dieser Straßenfräsmaschine soll dem Fräsvorgang eine von Verdichtungseinrichtungen bekannte Rüttelbewegung in Form einer linearen Schwingung überlagert werden. Dabei ist vorgesehen, daß der Schwingungserreger auf dem Fahrgestell angeordnet ist. Dies hat den Nachteil, daß die gesamte Straßenfräsmaschine in Schwingung versetzt wird. Alternativ ist auch vorgesehen, den Schwingungserreger in der Fräswalze vorzusehen. Bei einer solchen linearen Rüttelbewegung wird allerdings die Schwingung vertikal in Radialrichtung der Fräswalzen ausgeführt.

Dies hat den Nachteil, daß die Schwingungserregung nicht in Schnittrichtung erfolgt, so daß die Schwingungen nicht effizient genutzt werden können. Des weiteren führt die lineare Schwingung in Vertikalrichtung zu hohen Belastungen der Lager.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abfräsen von harten Oberflächen zu schaffen, mit denen die Werkzeugbelastung reduziert und die Abtragleistung bei verringertem Energiebedarf erhöht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfindungsgemäß die Merkmale der Ansprüche 1, 12, 13 bzw. 33, 34, 38 und 41.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß der Schwingungserreger die Fräswalze mit einer Drehschwingung beaufschlagt. Dies hat den Vorteil, daß die Schwingung in Richtung der beim Fräsen entstehenden Schnittkräfte erfolgt, so daß bei reduzierter Werkzeugbelastung eine Leistungssteigerung bei geringerem Energiebedarf ermöglicht wird. Die verbesserte Abtragleistung ermöglicht es letztlich auch, das Gewicht der Fräsmaschine zu verringern, wodurch sich eine weitere Energieersparnis ergibt. Aufgrund der verbesserten Effizienz können sehr harte Werkstoffe, wie z. B. Beton, wirtschaftlich bearbeitet werden.

Das mit Drehschwingungen beaufschlagte Fräsen erlaubt auch den Einsatz stehender Abarbeitungswerkzeuge, die beim herkömmlichen Fräsen wegen der hohen Verschleißrate nicht benutzt werden. Dadurch, daß nunmehr doch stehende Werkzeuge benutzt werden können, sind andere Werkzeuge, z. B. mit linienförmiger Schneidkante einsetzbar, die bei der Abarbeitung der Straßenoberfläche Vorteile aufweisen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Fräswalze gegenphasig schwingende Massen aufweist, die die Reaktionskräfte der Drehschwingungen der Fräswalze kompensieren. Durch die Kompensation der Reaktionskräfte der Drehschwingungen der Fräswalze läßt sich eine Schwingungsübertragung auf das Fahrgestell weitestgehend vermeiden. Dies ist insbesondere von Bedeutung für Straßenfräsmaschinen, die von einem Fahrer bedient werden. Des weiteren ist die Belastung der Lagerung der Fräswalze verringert. Eine weitere Reduzierung der Schwingungsübertragung auf das Fahrgestell läßt sich durch Entkopplung des Fräswalzenantriebs von der Fräswalze erreichen.

Die Fräswalze kann auch in Richtung ihrer Längsachse unterteilt sein, wobei Abschnitte der Fräswalze zur Kompensation der Drehschwingungen gegenphasig schwingen.

Beispielsweise kann die Fräswalze in Richtung der Drehachse geteilt aus zwei Hälften mit gleichen Trägheitsmoment gebildet sein.

Die gegenphasig schwingenden Massen können bei einer einteiligen Fräswalze auch innerhalb der Fräswalze gelagert sein.

Der zu Schwingungen angeregte Abschnitt der Fräswalze kann über eine Torsionsfeder mit den gegenphasig schwingenden Massen gekoppelt sein.

Dabei ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die gegenphasig schwingende Masse aus einer zu der Fräswalze koaxialen Innentrommel besteht, die über die Torsionsfeder mit der Fräswalze verbunden ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß keine zweigeteilte Fräswalze benötigt wird.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Frequenz der Drehschwingungen auf die Resonanzfrequenz der Fräswalze eingestellt ist. Der Betrieb der Fräswalze in der Eigenfrequenz führt zur Reduzierung des Energieaufwandes.

Vorzugsweise ist zwischen den gegenphasig schwingenden Massen ein Dämpfungselement angeordnet, das das schwingende System im Resonanzfall vor Überbeanspruchung schützt und desweiteren erlaubt, den Effekt der Eigenfrequenz in einem breiteren Frequenzband zu nutzen.

Der Schwingungserreger kann aus zwei gleichsinnig um 180° phasenversetzt rotierenden Unwuchten bestehen, die Drehschwingungen auf die Fräswalze übertragen. Mit Hilfe der Drehzahl der Unwuchten kann Frequenz und Amplitude der Schwingungen eingestellt werden. Dabei kann auch über die Bemessung des Unwuchtgewichtes die Amplitude beeinflußt werden.

Vorzugsweise sind die Unwuchten im Inneren der Fräswalze gelagert.

Bei einer alternativen Lösung ist vorgesehen, daß der Schwingungserreger die Fräswalze mit einer linearen Schwingung beaufschlagt, die eine Richtung aufweist, die im wesentlichen parallel zu der ein Gegendrehmoment erzeugenden resultierenden Reaktionskraft aller im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge ist. Bei einem solchen Schwingungserreger verläuft der Schwingungsvektor in Richtung der gemittelten Schnittkräfte der im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge. Die Schwingungsrichtung ist demzufolge im wesentlichen übereinstimmend mit der Arbeitsrichtung der Abarbeitungswerkzeuge.

Bei einer weiteren alternativen Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß die einzelnen Abarbeitungswerkzeuge oder Gruppen der Abarbeitungswerkzeuge in der in Arbeitsrichtung verlaufenden Längsachse schwingen. Die Werkzeuge führen demzufolge in ihren Halterungen auf der Fräswalze eine Linearschwingung aus. Es kann vorgesehen sein, daß nur die im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge zu Linearschwingungen angeregt werden. Die Abarbeitungswerkzeuge können gleichphasig schwingen, wobei die Fräswalze dann ebenfalls zu Drehschwingungen angeregt wird. Werden die Linearschwingungen der einzelnen Abarbeitungswerkzeuge ungleichphasig erzeugt, kann eine Kompensation der Schwingungen bereits in dem im Eingriff befindlichen Bereich der Fräswalze erfolgen.

Die Drehachse der Fräswalze verläuft normalerweise parallel zum Sollprofil der Oberfläche.

Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, daß die Drehachse der Fräswalze orthogonal zur Oberfläche verläuft. Die Schwingung der Fräswalze bzw. der Abarbeitungswerkzeuge kann hinsichtlich Frequenz und/oder Amplitude einstellbar sein. Die Vortriebsrichtung der Fräswalze ist vorzugsweise oberflächenparallel.

Dabei kann die Umfangsgeschwindigkeit der Abarbeitungswerkzeuge mit der Vortriebsrichtung gleichgerichtet sein (Gleichlauf) oder entgegengesetzt zu der Vortriebsrichtung verlaufen (Gegenlauf).

Das drehschwingungsbeaufschlagte Fräsen ermöglicht es in vorteilhafter Weise, harte Oberflächen auch im Gegenlaufbetrieb zu fräsen, wobei eine Korngrößenbestimmung möglich ist. Die Einstellung der mittleren Größe der von der Fräswalze abgearbeiteten Bruchstücke des Straßenbelages erfolgt durch die Betriebsparameter des Fräsvorgangs, wie z. B. Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Frequenz und Amplitude der Schwingung und Gewichtsbeaufschlagung der Fräswalze. Die Einstellung geeigneter Betriebsparameter ermöglicht die Optimierung der Korngrößenverteilung der Bruchstücke. Dabei ist die Korngrößenverteilung für die Wiederverwertbarkeit der Bruchstücke und deren Einbau in einen neuen Straßenbelag von wesentlicher Bedeutung.

Die Abarbeitungswerkzeuge stehen von der Walzenoberfläche unter einem Winkel ab, der sich aus den während des Fräsens entstehenden Kräften bestimmt. Wesentliche Einflußfaktoren sind dabei das Maschinengewicht und die aufgrund des Drehmomentes entstehenden Kräfte.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt der Schwingungserreger die Schwingungen mit einer dynamischen Erregung.

Der Schwingungserreger ist vorzugsweise hydraulisch angetrieben.

Der Schwingungserreger kann auch über ein Getriebe mit dem Antrieb der Fräswalze gekoppelt sein.

Die dynamische Erregung der Schwingungen kann alternativ hydraulisch, pneumatisch, elektrisch und/oder elektromagnetisch erfolgen.

Bei allen alternativen Lösungsmöglichkeiten kann vorgesehen sein, daß das Abfräsen mit stillstehender, sich intermittierend drehender oder vorzugsweise mit sich kontinuierlich drehender Fräswalze erfolgt.

Es ist somit auch möglich, die Fräswalze im Stillstand oder im intermittierenden Betrieb mit Drehschwingungen oder mit einer gerichteten linearen Schwingung zu betreiben. Des weiteren ist möglich, die Fräswalze im Stillstand oder im intermittierenden Betrieb mit schwingenden Abarbeitungswerkzeugen zu verwenden. Dabei kann auch vorgesehen sein, daß nur die im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge mit linearen Schwingungen beaufschlagt werden.

Die bevorzugte Schwingungsfrequenz liegt im Bereich zwischen 60 und 100 Hertz.

Der Fräswalzenantrieb kann mittels einer Kupplung mit der Fräswalzenantriebswelle verbunden sein, die den Fräswalzenantrieb von Drehschwingungen der Antriebswelle entkoppelt. Auf diese Weise wird zuverlässig vermieden, daß Drehschwingungen der Fräswalze sich auf den Fräswalzenantrieb negativ auswirken können.

Die Abarbeitungswerkzeuge sind vorzugsweise auf dem Umfang der Fräswalze in Wechselhalterungen gelagert. Dies ermöglicht nicht nur einen schnellen Austausch der Abarbeitungswerkzeuge im Falle der Beschädigung, sondern auch den Austausch durch andersartige Werkzeuge. So ist es beispielsweise möglich, die Fräswalze in herkömmlicher Weise, d. h. ohne überlagerte Drehschwingungen zu betreiben und die hierfür vorteilhafteren sich drehenden Werkzeuge einzusetzen.

Die in dem Gehäuse gelagerte Fräswalze kann Bestandteil eines an ein Fahrzeug ankoppelbaren Anbaugerätes sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuse der Fräswalze in einem selbstfahrenden Fahrgestell angeordnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Straßenfräsmaschine,

Fig. 2a bis 2d einen dynamischen Schwingungserreger zum Erzeugen von Drehschwingungen in vier Phasenlagen,

Fig. 3 eine Periode der Drehschwingung,

Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines dynamischen Schwingungserregers,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine geteilte Fräswalze.

Fig. 6 bis 8 unterschiedliche Ausgestaltungen der Fräsmeißel,

Fig. 9 und 10 Schnitte durch ein Ausführungsbeispiel einer ungeteilten Fräswalze, und

Fig. 11 und 12 Schnitte durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer geteilten Fräswalze.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Straßenfräsmaschine 1 mit einem Fahrgestell 12, in dem eine separat gezeichnete Fräswalze 4 in einem Gehäuse 2 gelagert ist, die zum Abfräsen einer Oberfläche 3, z. B. einer Straßenoberfläche, dient. Ein Fahrzeugführer kann auf einem Fahrersitz die Straßenfräsmaschine bedienen und lenken. Am hinteren Ende weist die Straßenfräsmaschine eine Fördereinrichtung 6 auf, mit der das abgetragene Material z. B. auf die Ladefläche eines Lastkraftwagens transportiert werden kann.

Die Abarbeitungswerkzeuge 8 bestehen aus Fräsmeißeln, die in gleichem gegenseitigen Abstand auf dem Umfang der Fräswalze 4 verteilt angeordnet sind. In Richtung der Längsachse der Fräswalze 4 sind die Fräsmeißel 8 versetzt zueinander nebeneinander angeordnet. Das Drehmoment der Fräswalze 4 wird auf die Fräsmeißel 8 übertragen, die auswechselbar und feststehend oder drehend in Meißelhalterungen 9 gelagert sind. Das von der Fräswalze 4 ausgeübte Drehmoment erzeugt in Richtung der Schnittbewegung verlaufende Schnittkräfte.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Gestaltungsformen der Fräsmeißel 8. Fig. 6 zeigt einen Rundschaftmeißel mit kegeliger Schneidengeometrie, der drehbar in der Meißelhalterung 9 gelagert ist. Die Drehbarkeit des Fräsmeißels 8 führt zu einer Selbstschärfung des Werkzeuges. Sich drehende Fräsmeißel sind beim herkömmlichen Fräsen ohne Schwingungsbeaufschlagung verwendet worden, um eine Verschleißreduzierung herbeizuführen. Solche Abarbeitungswerkzeuge haben allerdings den Nachteil, daß in der Meißelhalterung 9 zwangsläufig ein Spiel verbleibt, das die Kraftübertragung beeinflußt.

Beim Fräsen mit schwingungsbeaufschlagter Fräswalze ist es nunmehr möglich, doch stehende Abarbeitungswerkzeuge mit punkt- oder linienförmiger Angriffsfläche zu verwenden.

Fig. 7 und 8 zeigen ein feststehend in der Meißelhalterung 9 gehaltenes Abarbeitungswerkzeug 8 in Form eines Rundschaftmeißels mit kegliger Schneidengeometrie bzw. in Form eines Flachmeißels. Der Vorteil eines solchen feststehenden Abarbeitungswerkzeuges 8 besteht darin, daß eine bessere Kraft- und Impulsübertragung erfolgen kann, da zwischen dem Abarbeitungswerkzeug 8 und der Meißelhalterung 9 kein Spiel besteht und damit keine Relativbewegung möglich ist.

Die Verwendung eines Flachmeißels als Abarbeitungswerkzeug 8 hat den Vorteil, eine bessere Bearbeitungsoberfläche zu erzeugen, wobei das Werkzeug anstelle einer rillenförmigen Fuge eine streifenförmige Fuge erzeugt.

Die Fig. 2a bis 2d erläutern schematisch eine dynamische Erregung der Fräswalze 4, um die Fräswalze zu einer Drehschwingung anzuregen, mit der die Fräswalze 4 im Stillstand, im intermittierend drehenden Betrieb oder im kontinuierlich drehenden Betrieb beaufschlagt werden kann. Die dynamische Erregung der Fräswalze 4 wird mit Hilfe eines Schwingungserregers 10 bewirkt, der bei dem in den Fig. 2a bis 2d gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Unwuchtgewichten 14 besteht, die sich gleichsinnig drehen und zueinander um 180° phasenversetzt sind. Der synchrone Antrieb kann beispielsweise, wie in den Fig. 2a bis 2d gezeigt, durch ein zwischen den Unwuchtwellen 17 angeordnetes Antriebsritzel 19 erfolgen, das mit Ritzeln 27 auf den Unwuchtwellen 17 im Eingriff ist. Alternativ kann der Synchronantrieb wie in Fig. 4 gezeigt über einen beide Unwuchtwellen 17 umschlingenden Zahnriemen 20 erfolgen, wobei eine der Unwuchtwellen 17 angetrieben ist.

Eine Periode der Drehschwingung als zeitlicher Drehmomentverlauf ist in Fig. 3 in einem Diagramm graphisch dargestellt. Die entsprechenden Phasenlagen sind in den Fig. 2a bis 2d wiedergegeben. In Fig. 2a sind beide Unwuchtgewichte 14 in ihrer radial äußeren Position. Aufgrund ihrer symmetrischen Lage relativ zum Drehpunkt der Fräswalze 4 kompensieren sich die Kräfte der Unwuchtgewichte 14, so daß bei einem Phasenwinkel von 0° kein Drehmoment erzeugt wird.

Fig. 2b zeigt die Lage der Unwuchtgewichte 14 bei einem Phasenwinkel von 90°. Die von den Unwuchtgewichten erzeugten Kräfte kompensieren sich in bezug auf den Drehpunkt der Fräswalze 4 nicht, vielmehr erzeugen sie in bezug auf die Drehachse der Fräswalze 4 jeweils ein Drehmoment, das sich zu der in Fig. 3 gezeigten maximalen Amplitude des auf die Fräswalze 4 ausgeübten Drehmoments bei 90° addiert.

In der Phasenlage 180° gemäß Fig. 2c sind die Kraftvektoren der Unwuchtgewichte 14 wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2a auf die Drehachse der Fräswalze 4 gerichtet und können daher in bezug auf diese Drehachse kein Drehmoment erzeugen. Da die Kräfte der Unwuchtgewichte sich kompensieren, hat der Verlauf der Drehmomentkurve gemäß Fig. 3 bei 180° erneut einen Nulldurchgang.

Fig. 2d zeigt die Position der Unwuchtgewichte 14 bei einer Phasenlage von 270°, in der die von den Unwuchtgewichten 14 erzeugten Kräfte wiederum ein Drehmoment in bezug auf die Drehachse 7 erzeugen. Im Vergleich zu Fig. 2b ist dieses Drehmoment allerdings entgegengesetzt gerichtet, so daß die sinusförmige Drehschwingung gemäß Fig. 3 in dieser Phasenlage ihren maximalen negativen Amplitudenwert erreicht.

Über die Drehzahl der Unwuchtwellen 17 kann die gewünschte Frequenz und Amplitude der Schwingung eingestellt werden. Eine zusätzliche Möglichkeit der Beeinflussung des Amplitudenwertes besteht darin, auswechselbare oder hinzufügbare Unwuchtgewichte 14 vorzusehen. Es kann auch ein Schwingungserreger 10 verwendet werden, bei dem je nach Drehrichtung der Unwuchtwellen zusätzliche Gewichte zugeschaltet werden. Bei solchen Schwingungserregern sind auf jeder Unwuchtwelle 17 zwei Unwuchtgewichte unterschiedlicher Größe vorgesehen, die sich in der einen Drehrichtung teilweise gegenseitig kompensieren und sich in der anderen Drehrichtung addieren.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Fräswalze 4, die in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert ist. Ein Fräswalzenantrieb 16 ist über eine schwingungsgedämpfte Kupplung 22 mit der Antriebswelle 24 der Fräswalze 4 gekoppelt. Die Fräswalze ist zweigeteilt und besteht aus zwei Hälften 4a, 4b mit vorzugsweise gleichem Trägheitsmoment. Zwischen den Hälften 4a, 4b der Fräswalze 4 ist ein Dichtungsstreifen 26 vorgesehen, der den Spalt zwischen den Hälften abdichtet, aber eine relative Drehbewegung zwischen den Hälften 4a, 4b zuläßt. Der Dichtungsstreifen 26 aus Weichgummimaterial hat auch die Aufgabe, die Schwingungsbewegung zwischen den Fräswalzenhälften 4a, 4b im Resonanzfall zu dämpfen. Der Dichtungsstreifen 26 hat die zusätzliche Funktion der Dämpfung, um im Resonanzfall das schwingende System zu schützen und um den Effekt der Eigenfrequenz in einem breiteren Frequenzband nutzen zu können.

Die Antriebswelle 24 treibt die Fräswalzenhälfte 4b an, wobei des weiteren die beiden Fräswalzenhälften 4a, 4b über eine als Torsionsfeder 15 gestaltete Welle verbunden sind. Die Fräswalzenhälfte 4a enthält den Schwingungserreger 10, der im wesentlichen den Prinzipskizzen der Fig. 2a bis 2d entspricht. Die Unwuchtwellen 17 sind an ihren Enden in den seitlichen Stirnflächen der Fräswalzenhälfte 4a gelagert. Sie weisen jeweils ein Ritzel 27 auf, das sich mit dem Antriebsritzel 19 für die Unwuchtwellen 17 kämmt. Das Antriebsritzel 19 ist auf einem koaxial zur Drehachse 7 der Fräswalze 4 verlaufenden Achsstumpf 21 gelagert und wird über eine Kupplung 23 und einem an dem Gehäuse 2 angeflanschten Hydromotor 25 angetrieben.

Die Aufteilung der Fräswalze 4 in zwei Hälften 4a, 4b hat den Vorteil, daß mit Hilfe der Torsionsfeder 15 die beiden Fräswalzenhälften 4a, 4b gegenphasig zueinander schwingen können, wodurch keine Reaktionskräfte der Drehschwingungen auf die Antriebswelle 24 einwirken. Dies erfolgt durch die Kompensation der schwingenden Massen und durch Entkopplung des Fräswalzenantriebes 16 von der Fräswalze 4. Hinsichtlich der Entkopplung des Fräswalzenantriebes von der Fräswalzenantriebswelle 24 bestehen beispielsweise folgende Möglichkeiten, nämlich die Entkopplung über eine drehweiche Kupplung oder die Entkopplung über eine spielbehaftete formschlüssige Kupplung. Durch diese Maßnahmen wird die Schwingungsübertragung auf das Gehäuse 2 und damit auf das Fahrgestell 12 nahezu eliminiert und die Belastung der Lagerung der Fräswalze 4 reduziert.

Eine Schwingungsfrequenz im Bereich zwischen 60 und 100 Hertz hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.

Vorzugsweise sind die Drehschwingungen auf die Eigenfrequenz der Fräswalze 4 eingestellt. Die Drehschwingungen lassen sich dann mit einem minimierten Energieaufwand bei höchster Effizienz des Fräsvorgangs ausführen.

Die Drehschwingungen werden mit Hilfe eines Dämpfungselementes im Resonanzbereich gedämpft, um den Resonanzeffekt in einem breiteren Frequenzband nutzen zu können.

Durch die Dynamisierung der Schnittkräfte der Fräsmeißel 8 ist es möglich, die Manteldicke der Fräswalze 4 zu reduzieren. Damit kann die Massenträgheit der Fräswalze reduziert werden und damit auch die notwendige Aktivierungsenergie für die Schwingungserregung. Gleichzeitig wird auch die Beanspruchung des Antriebsstrangs reduziert.

Vorzugsweise sind die Unwuchtwellen möglichst weit radial außen innerhalb der Fräswalze 4 gelagert, um ein möglichst hohes Drehmoment bei relativ geringen Unwuchtgewichten 14 zu erzeugen.

Alternativ zu der Beaufschlagung der Fräswalze 4 mit einer Drehschwingung kann auch vorgesehen sein, die Fräswalze 4 mit einer linearen Schwingung zu beaufschlagen, die in einer Richtung erfolgt, die dem Mittelwert der Richtungsvektoren aller im Eingriff befindlichen Fräsmeißel 8 entspricht. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind beispielsweise abhängig von dem Fräswalzendurchmesser und der Frästiefe weniger als ein Viertel aller Fräsmeißel 8 beim Fräsen im Eingriff. Die lineare Schwingung erfolgt vorzugsweise in Richtung der resultierenden Schnittkraft aller im Eingriff befindlichen Fräsmeißel 8. Ein Schwingungserreger für Linearschwingungen besteht beispielsweise aus zwei gegenläufig rotierenden Unwuchtwellen, die in ihrer Phasenlage zueinander verstellbar sind, um die Richtung der Schwingung zu verändern. Die Unwuchtwellen 17 sind bei einem solchen Schwingungserreger ortsfest gelagert.

Eine weitere alternative Lösung besteht darin, die Fräsmeißel unmittelbar mit einer Schwingung zu beaufschlagen, wobei die Fräsmeißel 8 beispielsweise in der Meißelhalterung 9 linear schwingen können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Meißelhalter 9 zu Schwingungen angeregt wird. Vorzugsweise werden nur die im Eingriff befindlichen Fräsmeißel 8 zu Schwingungen angeregt.

Die Fig. 9 und 10 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einteiliger Fräswalze 4, bei der als gegenphasig schwingende Masse eine Innentrommel 30 vorgesehen ist, die mit der Fräswalze 4 und der Antriebswelle 24 über eine Torsionsfeder 15 verbunden ist. Die Innentrommel 30 ist auf einem zu der Torsionsfeder 15 koaxialen Rohr 34 drehbar gelagert, so daß die Innentrommel 30 relativ zu der Fräswalze 4 eine Drehschwingung ausführen kann. Dabei sind das Rohr 34 und die zu der Fräswalze 4 koaxiale Torsionsfeder 15 drehfest an der mit der Antriebswelle 24 verbundenen Stirnwand der Fräswalze 4 befestigt.

Die Innentrommel nimmt in ihrem Inneren die Unwuchten 14 auf, die mit Unwuchtwellen 17 diametral gegenüberliegend in den Stirnwänden der Innentrommel 30 drehbar gelagert sind. Der Antrieb der Unwuchten 14 erfolgt wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 über Stirnräder 19, 27. Jeweils ein Stirnrad 27 ist drehfest auf einer Unwuchtwelle 17 befestigt und kämmt ein Antriebsritzel 19, das in der Fräswalze 4 und in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert ist und über eine Kupplung 23 und einen Hydromotor 25 angetrieben wird. Die Schwingungserzeugung erfolgt wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 durch gleichsinnige Drehung der Unwuchtwellen 17 bei um 180° phasenversetzt angeordneten Unwuchtgewichten 14. Die Welle 29 des Antriebsritzels 19 ist in der Nabe 32 der Fräswalze 4 gelagert, die ihrerseits gegenüber dem Gehäuse 2 gelagert ist. Die Nabe 32 und die Kupplung 23 sind mit einem Gehäuse 36 geschützt, an dem der Hydromotor 25 angeflanscht ist.

Die Fig. 11 und 12 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweigeteilten Fräswalze 4a, 4b, deren Hälften über eine Torsionsfeder 15 miteinander verbunden sind und zwischen denen ein ringförmiger Dichtungsstreifen 26 aus gummielastischen Material am Außenumfang angeordnet ist, der zugleich auch als Dämpfungsmittel zwischen den gegenphasig zueinander schwingenden Fräswalzenhälften 4a, 4b dient. In der Fräswalzenhälfte 4a ist ein hydraulischer Schwingungerreger 50 angeordnet, der über einen Hydromotor 25 einen Drehschieber 42 und eine Drehdurchführung 46 mit pulsierendem Hydraulikdruck beaufschlagt wird. Der hydraulische Schwingungserreger 50 weist zwei diametral von der Rotationsachse der Fräswalzenhälfte 4a abstehende Arme 55, 56 auf, in denen ein Hydraulikkanal 48 verläuft. Der hydraulische Schwingungserreger 50 ist fest mit der Fräswalzenhälfte 4a verbunden. An den freien Enden der Arme 55, 56 sind orthogonal zu der Rotationsachse, relativ zueinander in entgegengesetzte Richtung wirkende Kolbenzylindereinheiten 52 vorgesehen, deren Kolben 54 entsprechend dem pulsierenden Hydraulikdruck beaufschlagt werden und auf Balken 58 einwirken, die fest mit der anderen Fräswalzenhälfte 4b verbunden sind und von dieser abstehen. Dazu weist die der Torsionsfeder 15 zugewandte Stirnwand der Fräswalzenhälfte 4a zwei Aussparungen 60 auf, durch die jeweils ein Balken 58 der Fräswalze 4b hindurchtritt. Die Aussparung 60 ist größer als die Querschnittsfläche des Balkens 58, so daß die Fräswalzenhälften 4a, 4b relativ zueinander schwingen können. Die Richtung des Kolbenschwingung und die Orientierung des Balkens 58 sind auf die Ausrichtung der Fräsmeißel 8 abgestimmt, damit die aus der Drehmomentüberhöhung resultierende Schlagkraft verlustlos in die Fräsmeißel 8 induziert wird. Zu diesem Zweck kann die Kolbenzylindereinheit 52 in der Darstellung gemäß Fig. 11 auch einen von 90° abweichenden Neigungswinkel zu einer zu dem Druckkanal 48 parallelen Achse haben.

Durch Einstellung geeigneter Betriebsparameter für den Betrieb der Fräswalze, nämlich der Drehzahl (Schnittgeschwindigkeit), Drehrichtung, Vorschubgeschwindigkeit, Schwingungsfrequenz und Schwingungsamplitude, sowie der Gewichtsbelastung der Fräswalze 4 kann die Größe der abgetragenen Bruchstücke des Straßenbelages 3 und deren Korngrößenverteilung bestimmt werden. Die mittlere Korngröße und die zugehörige Korngrößenverteilung ist für die Wiederverwertbarkeit des abgetragenen Straßenbelages 3 von wesentlicher Bedeutung, da beispielsweise zu große Bruchstücke nicht in einen neuen Straßenbelag eingearbeitet werden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Abfräsen von harten Oberflächen (3), insbesondere von Straßenbelägen, mit einem Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse (2) gelagerten Fräswalze (4), mit auf der Oberfläche der Fräswalze (4) verteilt angeordneten Abarbeitungswerkzeugen (8), die mit Hilfe eines Schwingungserregers (10) mit einer Schwingung beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (10) die Fräswalze (4) mit einer Drehschwingung beaufschlagt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräswalze (4) gegenphasig schwingende Massen aufweist, die Reaktionskräfte der Drehschwingungen der Fräswalze (4) kompensieren.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräswalze (4) unterteilt ist, und daß Abschnitte (4a, 4b) der Fräswalze zur Kompensation der Drehschwingungen gegenphasig schwingen.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräswalze (4) in Richtung der Drehachse geteilt aus zwei Hälften (4a, 4b) mit gleichem Trägheitsmoment gebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenphasig schwingenden Massen (30) innerhalb der Fräswalze (4) gelagert sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Schwingungen erregte Abschnitt der Fräswalze (4) über eine Torsionsfeder (15) mit den gegenphasig schwingenden Massen gekoppelt ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenphasig schwingende Masse aus einer zu der Fräswalze (4) koaxialen Innentrommel (30) besteht, die über die Torsionsfeder (15) mit der Fräswalze verbunden ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Drehschwingung auf die Resonanzfrequenz der Fräswalze (4) eingestellt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den gegenphasig schwingenden Massen ein Dämpfungselement (26) angeordnet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (10) aus zwei gleichsinnig um 180° phasenversetzt rotierenden Unwuchten (14) besteht, die Drehschwingungen auf die Fräswalze (4) übertragen.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unwuchten (14) im Inneren der Fräswalze (4) gelagert sind.
  12. 12. Vorrichtung zum Abfräsen von harten Oberflächen (3), insbesondere von Straßenbelägen, mit einem Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse (2) gelagerten Fräswalze (4), mit auf der Oberfläche der Fräswalze (4) verteilt angeordneten Abarbeitungswerkzeugen (8), die mit Hilfe eines Schwingungserregers (10) mit einer Schwingung beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger die Fräswalze (4) mit einer Linearschwingung beaufschlagt, die eine Richtung aufweist, die im wesentlichen parallel zu der ein Gegendrehmoment erzeugenden resultierenden Reaktionskraft aller im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge (8) ist.
  13. 13. Vorrichtung zum Abfräsen von harten Oberflächen (3), insbesondere von Straßenbelägen, mit einem Gehäuse (2) und einer in dem Gehäuse (2) gelagerten Fräswalze (4), mit auf der Oberfläche der Fräswalze (4) verteilt angeordneten Abarbeitungswerkzeugen (8), die mit Hilfe eines Schwingungserregers (10) mit einer Schwingung beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abarbeitungswerkzeuge (8) oder Gruppen der Abarbeitungswerkzeuge (8) in Richtung der Schnittkraft schwingen.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfräsen mit stillstehender, sich intermittierend drehender oder sich kontinuierlich drehender Fräswalze (4) erfolgt.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Fräswalze (4) parallel zum Sollprofil der Oberfläche verläuft.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Fräswalze (4) orthogonal zur Oberfläche verläuft.
  17. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung hinsichtlich Frequenz und/oder Amplitude einstellbar ist.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vortriebsrichtung der Fräswalze (4) oberflächenparallel ist.
  19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Abarbeitungswerkzeuge (8) mit der Vortriebsrichtung gleichgerichtet ist.
  20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Abarbeitungswerkzeuge (8) entgegengesetzt zu der Vortriebsrichtung verläuft.
  21. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger mit einer dynamischen Erregung die Schwingungen erzeugt.
  22. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger hydraulisch angetrieben ist.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Schwingungserregers (10) mit dem Antrieb (16) der Fräswalze (4) gekoppelt ist.
  24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Erregung der Schwingung hydraulisch, pneumatisch, elektrisch und/oder elektromagnetisch erfolgt.
  25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Erregung der Schwingung durch hydraulische, mit Druckimpulsen angesteuerte Kolben- Zylinder-Einheiten (52) erfolgt, die ein Drehmoment auf die Fräswalze (4) übertragen.
  26. 26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Fräswalzenantrieb (16) mittels einer Kupplung (22) mit der Antriebswelle (24) der Fräswalze (4) verbunden ist, die den Fräswalzenantrieb (16) von Drehschwingungen der Antriebswelle (24) entkoppelt.
  27. 27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Abarbeitungswerkzeuge (8) auf dem Umfang der Fräswalze (4) in Wechselhalterungen (9) gelagert sind.
  28. 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Abarbeitungswerkzeuge (8) Fräsmeißel mit punktförmiger oder mit linienförmiger Schneidgeometrie sind.
  29. 29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Abarbeitungswerkzeuge (8) um die in Arbeitsrichtung verlaufende Längsachse drehbar gelagert sind.
  30. 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz im Bereich zwischen 60 und 100 Hertz liegt.
  31. 31. Vorrichtung nach eine der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit der Fräswalze (4) Bestandteil eines an ein Fahrzeug ankoppelbaren Anbaugerätes ist.
  32. 32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit der Fräswalze (4) in einem Fahrgestell (12) angeordnet ist.
  33. 33. Verfahren zum Abarbeiten von harten Oberflächen, insbesondere von Straßenbelägen, durch schwingungsbeaufschlagtes Abfräsen, gekennzeichnet durch das Überlagern der Drehbewegung des Fräsvorgangs mit einer Drehschwingung.
  34. 34. Verfahren zum Abarbeiten von harten Oberflächen, insbesondere von Straßenbelägen, durch schwingungsbeaufschlagtes Abfräsen, gekennzeichnet durch die Verwendung einer nicht rotierenden oder intermittierend gedrehten, mit einer Drehschwingung beaufschlagten Fräswalze.
  35. 35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß gegenphasig schwingende Massen zur Kompensation von Reaktionskräften der Drehschwingungen verwendet werden.
  36. 36. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Längsachse geteilte Fräswalze (4), deren Hälften (4a, 4b) gegenphasig schwingen, verwendet wird.
  37. 37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungeteilte Fräswalze (4) mit im Inneren der Fräswalze (4) gelagerten gegenphasig schwingenden Massen verwendet wird.
  38. 38. Verfahren zum Abarbeiten von harten Oberflächen (3), insbesondere von Straßenbelägen, durch schwingungsbeaufschlagtes Abfräsen, gekennzeichnet durch das Beaufschlagen einer Fräswalze (4) mit einer Linearschwingung, die eine Richtung aufweist, die im wesentlichen parallel zu der ein Gegendrehmoment erzeugenden resultierenden Reaktionskraft aller im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge (8) ist.
  39. 39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearschwingung mit zwei gegensinnig synchron rotierenden Unwuchten (14) erzeugt wird.
  40. 40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Unwuchten (14) zur Einstellung der Richtung der Linearschwingung verstellbar ist.
  41. 41. Verfahren zum Abarbeiten von harten Oberflächen, insbesondere von Straßenbelägen, durch schwingungsbeaufschlagtes Abfräsen, gekennzeichnet durch das Beaufschlagen der auf einer zylindrischen Mantelfläche einer Fräswalze (4) verteilt angeordneten Abarbeitungswerkzeuge (8) oder Gruppen von Abarbeitungswerkzeugen (8) mit einer Linearschwingung, deren Richtung im wesentlichen mit der Richtung der Schnittkraft der im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge (8) übereinstimmt.
  42. 42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß nur die im Eingriff befindlichen Abarbeitungswerkzeuge (8) mit der Linearschwingung beaufschlagt werden.
  43. 43. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräswalze (4) im Stillstand ist oder mit intermittierender Drehbewegung oder mit kontinuierlicher Drehbewegung betrieben wird.
  44. 44. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung variabel einstellbar ist.
  45. 45. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Vortriebsrichtung oberflächenparallel ist.
  46. 46. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß das Fräsen im Gleichlauf durchgeführt wird.
  47. 47. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß das Fräsen im Gegenlauf durchgeführt wird.
  48. 48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß über die Betriebsparameter des Fräswalzenbetriebs, nämlich beispielsweise Drehzahl, Drehrichtung, Vorschubgeschwindigkeit, Schwingungsfrequenz, Schwingungsamplitude und Gewichtsbelastung der Fräswalze (4) die Korngröße und die Korngrößenverteilung der abgearbeiteten Bruchstücke des Straßenbelages (3) eingestellt werden.
  49. 49. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräswalze (4) mit einer Drehschwingungsfrequenz im Resonanzbereich betrieben wird, die der Eigenfrequenz der Fräswalze (4) entspricht.
  50. 50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschwingung im Resonanzbereich gedämpft wird, um den Effekt der Eigenfrequenz in einem breiteren Frequenzband zu nutzen.
  51. 51. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 50, dadurch gekennzeichnet, daß der Fräswalzenantrieb (16) von Drehschwingungen der Fräswalze (4) entkoppelt wird.
  52. 52. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen dynamisch erzeugt werden.
  53. 53. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwingungsfrequenz im Bereich zwischen 60 und 100 Hertz verwendet wird.






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