CN102066793A - 用于井下马达的传动轴组件 - Google Patents

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乔纳森·瑞安·普里尔
马克·路易斯·菲利普·福格尔
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Abstract

用于井下马达的传动轴组件包括在每一端上形成有凸球形轴承表面的传动轴以及具有凹球形轴承表面的端外壳，该凹球形轴承表面用于与传动轴的球形轴承表面配合接触，从而有利于传动轴和端外壳之间的全向铰接同时跨过配合的球形轴承表面的界面在传动轴和端外壳之间传递轴向推力负荷。转矩通过安装到传动轴的每一端且与端外壳中的互补传动键槽可接合的两个或可选地四个回转传动键而在传动轴和端外壳之间传递。因而在回转传动键和端外壳之间提供了完全且恒定的转矩传递接触而与传动轴和端外壳之间的任何角偏差无关，从而导致传动轴相对于端外壳的全向铰接。传动轴的每一端的全向旋转中心与相应的凸球形轴承表面的几何中心点重合，该几何中心点与传动轴的旋转轴线、端外壳的旋转轴线和传动键回转轴线的交叉点对应。

Description

用于井下马达的传动轴组件
技术领域
本发明总体上涉及用于在具有交叉而不重合的旋转轴线的旋转轴之间传输转矩的万向接头。更具体地说，本发明涉及用于与在油气工业中、尤其是在需要跨过接头而传递大的转矩和轴向推力负荷的应用中使用来钻取井眼的井下马达相关的传动轴的万向接头。
背景技术
在向地下钻取井眼(或井孔)中，例如用于从地下构造得到烃或矿物，通常的实践是将钻头连接到端对端连接的钻管部分的组件(常称为“钻柱”)的下端，然后旋转钻柱，使得钻头向下前进到土壤以产生井眼。除了钻管部分以外，非水平钻井作业的钻柱通常结合有在管部分以下的称为重管或钻环的较重的管状构件，其在钻头之上靠近钻柱的端部设置以增加钻头上的竖直负荷并因而提高钻头的操作效率。通常结合到钻柱内的其他配件包括辅助维持钻取的井眼的期望方向的稳定器和确保钻取的井眼被维持在期望规格(即，直径)的钻孔器。在常规的竖直井眼钻井作业中，借助于与在井眼上方(或者在近海钻井作业中，在海底支撑的钻井平台或适当地改进的浮船上)装配在地面的钻机相关的“顶部驱动器”或“旋转工作台”来使钻柱和钻头旋转。
在钻井过程中，钻井流体(工业中也常称为“钻井泥浆”或简称为“泥浆”)在压力下被从地面向下泵送通过钻柱，从钻头出来进入井眼，随后通过钻柱和井孔之间的环形空间向上返回到地面。可以是水基或油基的钻井流体通常为粘性的以提高其将井眼钻屑带到地面的能力。钻井流体能执行各种其他的有价值的功能，包括提高钻头性能(例如，凭借在压力下通过钻头中的端口喷出流体，产生在钻头之前冲入地下构造并弱化地下构造的泥浆射流)、钻头冷却以及在井眼壁上形成保护性泥饼(以稳定并密封井眼壁)。
特别地，自从二十世纪八十年代中期以来，越来越普遍且期望的是在油气工业中钻取水平和其他非竖直的井眼(即“定向钻孔”)，以有利于比仅使用竖直井眼可能更有效地进入较大的地下烃承载构造区域以及从其进行生产。在定向钻井中，使用专门的钻柱部件和“底孔组件”来引起、监控并控制钻头路径中的偏离，以便产生期望的非竖直构造的井眼。
通常使用直接地在钻头上方结合到钻柱内的“井下马达”(可替代地称为“钻井马达”或“泥浆马达”)来执行定向钻井。典型的井下马达包括多个主部件，如下所示(按次序，从马达组件的顶部开始)：
顶部辅助头(sub)，其适合于方便连接到钻柱的下端(“辅助头”为油气工业中常用的一般术语，用于任何小的或次钻柱部件)；
动力部分；
传动轴，其被包围在传动轴外壳内，且传动轴的上端可操作地连接到动力部分的转子；以及
轴承组件(其包括心轴，心轴的上端联接到传动轴的下端，且心轴的下端适合于接纳钻头)。
在利用井下马达的钻井过程中，钻井流体在压力下循环通过钻柱并向上返回到地面，如在常规钻井方法中一样。但是，如下面将要更详细说明的，离开钻管下端的加压钻井流体被转向为通过井下马达的动力部分以产生动力来旋转钻头。
动力部分的主部件为设置在管状定子外壳内的细长且大体上为圆柱形的定子以及在定子内可旋转的细长转子构件。最常见类型的井下马达中的动力部分为“正位移”动力部分，其基本上类似于本领域所公知的螺杆(或“Moineau”)泵，但反向操作。转子包括形成有一个或多个螺旋形叶片或凸起的轴，该一个或多个螺旋形叶片或凸起围绕轴并沿轴的长度延伸。定子通常呈结合到定子外壳的圆柱形内壁的弹性体衬里的形式，且限定与转子叶片或凸起的构造互补的构造的螺旋形叶片，但是数量比转子叶片的数量多一个。转子的下端包括输出轴或连接到输出轴，而输出轴则连接到传动轴的上端。
在井下马达的操作过程中，高压钻井流体被强制通过动力部分，从而使转子在定子内旋转且在动力部分两端引起压降(即，钻井流体压力在动力部分的底部处较低)。因而输送到转子输出轴的动力与通过动力部分的流体的体积乘以动力部分两端的压降(即从流体入口到流体出口)的乘积成比例。所以，流体通过动力部分的流体循环的较高速率将导致转子在定子内的较高的旋转速度，且相应地较高的动力输出。
如前面提到的，动力部分转子的输出轴联接到传动轴的上端，用于传递旋转转矩以转动钻头。然而，正位移类型井下马达(或PD马达)的转子的运动实际上是偏心的或“进动的”，即，在运行中，转子的下端(即，输出端)围绕定子外壳的纵向重心轴旋转，使得转子的纵向轴线在偏心运动中围绕定子轴线以偏心运动旋转，从而限定圆锥形旋转表面。
在井下马达的可替代类型的动力部分中，动力部分的转子和定子结合有涡轮机叶片装置，定子包括固定在管状定子外壳内和固定到管状定子外壳的静止叶片部分，而转子叶片部分固定到转子轴上。钻井流体在压力下被强制通过定子，从而引起转子在定子内旋转。在该涡轮机类型的动力部分中，转子轴线与定子轴线保持重合，因此如同在PD马达动力部分的情形，没有偏心或进动运动，且旋转速度非常高。尽管涡轮机类型的动力部分与PD马达动力部分的特性不同，但是其通过基本上相似的方式(即，由加压的钻井流体通过定子来引起转子旋转)而执行相同的基本功能(即，以产生旋转动力来转动钻头)。
不考虑在井下马达中所使用的动力部分的特定类型，转子的下或输出轴通过第一(或上)万向接头可操作地联接到传动轴的上端，由此能将旋转转矩从转子传递到传动轴而不管为了定向钻井的目的(以及由于在PD马达动力部分的情形中转子的偏心旋转)转子和传动轴轴线可能根据需要是不重合的。当采用涡轮机动力部分且传动轴外壳是没有弯曲的实体整体外壳时，不需要万向接头。
轴承组件一般结合有细长的管状心轴，该细长的管状心轴具有通过第二(或下)万向接头可操作地联接到传动轴下端的上端以及可安装钻头的下端。心轴装在连接到上面的管状传动轴外壳的管状轴承外壳。心轴在轴承外壳内非偏心地旋转。因为典型的轴承组件的其他部件和结构细节与本发明不相关，因此此处将不对它们进一步说明；但是，这是本发明领域技术人员所公知且应该理解的。
在操作中，随着钻头钻入地下构造以产生井眼，井下马达的传动轴和动力部分转子受到高的轴向压缩负荷。这些压缩负荷的大小随井下马达产生的动力而变化，如上面讨论的，其与动力部分两端的压降成比例。为了适应这些压缩负荷，通常将某些类型的推力轴承结合到传动轴的每一端处的万向接头组件。
用于井下马达传动轴的万向接头的横向尺寸固有地受传动轴外壳的内径限制。因而，传动轴万向接头必须结合有足够的结构来有效地传递运行中的转矩和推力负荷，同时尺寸足以紧凑以防止由于动力部分转子的输出端的“摆动”或进动运动而与传动轴外壳物理干涉。因此，当希望增加传动轴万向接头的转矩和/或推力能力，或增加给定转矩和推力负荷的万向接头疲劳强度或使用寿命时，传动轴外壳的内径构成固定的设计约束条件。
现有技术公开了关于井下马达传动轴使用的万向接头的多种示例。例如，加拿大专利No.1,290,952(Wenzel)和相应的美国专利No.4,772,246公开了使用四个铰接的传动键的传动轴万向接头，该铰接的传动键具有可回转地设置在传动轴的侧面中的相应的径向承窝中的圆柱形柄。每一个传动键的头部滑动地布置在包围接头的端外壳中的纵向槽内，一对相对的平端面与纵向槽的平侧壁滑动接触，用于将转矩传递到端外壳。传动键的头将响应于端外壳和传动轴的轴线之间的任何角偏差而在外壳的相应槽内滑动，所有四个传动键保持与槽侧壁接触以传递转矩。用作推力轴承的球形球轴承被布置在位于中心轴的中心内的轴承座上，传动键柄的轴线穿过推力轴承的中心。
加拿大专利No.2,023,042(Wenzel等)和相应的美国专利No.5,267,905公开了一种通过球轴承传递转矩的传动轴万向接头，每个球轴承部分地布置在传动轴的侧面中的半球形槽窝内且部分地在包围接头的端外壳中的半圆柱形纵向槽内。球轴承围绕传动轴以圆形图案相等地隔开，位于垂直地横向于传动轴的轴线的平面中。万向接头还包括居中地位于传动轴内的球推力轴承，其中推力轴承的中心与球轴承的中心对准。
在CA 2,032,042的万向接头中，所有的球轴承被有效地接合以传递转矩的仅有时间是当传动轴和端外壳的纵向轴线重合时，即在PD马达中从来不存在的一种条件，这是由于前面所述的动力部分输出轴的进动运动。每当动力部分转子和传动轴的轴线之间存在相对的角偏差时，将至多两个(直径上相对的)转矩传递球完全接合以进行有效的转矩传递。这是因为角偏差使球限定椭圆形而不是圆形(当沿端外壳的轴线观看时)。因此，一些球将响应于转子和传动轴轴线之间的任何角偏差而径向向内移置，离开端外壳中的槽，使得只有布置在较大直径的椭圆处或较大直径的椭圆附近的那些球将与端外壳中的相应的槽完全有效地接合。除了所得到的无效率的转矩传递之外，传动球和外壳之间缺乏横定的接合接触增加了组件上的振动负荷，从而引起疲劳应力，这趋向于缩短万向接头的使用寿命。
美国专利No.5,704,838(Teale)教导了使用球轴承作为转矩传递装置的传动轴万向接头的另一示例。但是，如在CA 2,023,042中，TealeU接头的缺点是在连接轴的轴线不重合的任何给定的时间仅有两个转矩传递球将完全有效地用于转矩传递。
现有技术万向接头的另外的示例能在以下专利文献中找到：
加拿大专利申请No.2,541,339(Johnson等)；
美国专利No.4,904,228(Frear等)；
美国专利No.4,982,801(Zitka等)；
美国专利No.5,000,723(Livingstone)；
美国专利No.5,048,622(Ide)；
美国专利No.5,078,650(Foote)；
美国专利No.5,288,271(Nelson等)；以及
美国专利No.7,186,182(Wenzel等)。
现有技术万向接头未能解决若干重要的问题，其中第一个问题是利用圆形排列的转矩传递元件如上述CA 2,032,042和US 5,704,838中的转矩传递球的非均匀且效率低的转矩传递。该问题在CA 1,290,952(和US 4,772,246)的U接头中没有出现，该接头结合有传动键，该传动键响应于传动轴和端外壳的轴线之间的角偏差而保持与相应的端外壳槽滑动配合接触。但是，所有现有技术U接头(包括CA 1,290,952的U接头)的转矩传递能力由于它们的转矩传递元件(如，如传动球或传动键)的可利用的剪切强度以及在转矩传递元件和其相应的阻力元件(如，传动轴或端外壳中的槽窝或槽)之间传递引起转矩的力可利用的有效接触区域而受到限制。这样的转矩传递限制严重地限制了已知的用于目前市场上可利用的较高动力的PD马达的U接头的适合性和使用能力。
如在CA 1,290,952、CA 2,032,042、CA 2,541,339和US 5,704,838中，使用居中地布置在传动轴和端外壳之间的球形推力轴承的已知类型的U接头存在另外的问题。现代的PD马达动力部分能够产生较高的动力，并因此产生较高的转矩和较高的推力负荷，而没有增大总的马达直径。已知的U接头设计不容易适合于承受与较新的高动力、高转矩PD动力部分相关的较高的推力负荷，因为球形推力轴承的尺寸受可容许的传动轴U接头的直径限制。
为了前述原因，需要一种改进的PD马达传动轴和万向接头组件，其能比已知的万向接头组件承受更高的转矩负载和较高的轴向推力负荷，而不必增加总的万向接头组件的直径，且同时能确保转矩力的均匀传递而与传动轴和传动轴端外壳的轴线之间的角偏差无关。本发明贯注于这些需要。
发明内容
概括地说，本发明的设备为传动轴组件，其特别地但非排他地适合于结合到井下马达，该传动轴组件包括在每一端形成有凸球形轴承表面的传动轴，以及包括端外壳，该端外壳具有凹球形轴承表面，用于接纳传动轴的球形轴承表面以形成可滑动配合接合(mating engagement)，从而有利于传动轴和端外壳之间的全向铰接同时跨过该组件的每一端的球形轴承界面在传动轴和端外壳之间传递轴向推力负荷。一对传动键以直径上相对的方式可回转地安装到传动轴的每一端，每一对传动键的回转轴线穿过传动轴的相应的凸球形轴承表面的几何中心点。传动键通过平的接触面将负荷传递到外壳，该平的接触面支靠形成于端外壳中的互补的传动键槽中的轴承表面。因而在回转的传动键和端外壳之间提供了完全且恒定的转矩传递接触而与传动轴和端外壳之间的任何角偏差无关。
通过在传动轴末端将推力轴承结合到传动轴自身，本发明使得不必如现有技术万向接头设计中那样提供单独且分离的推力轴承元件(例如，位于传动轴的端部内的球轴承)。该设计特征也使得可以提供非常大的有效推力轴承接触表面，从而增加传动轴组件的轴向推力负荷能力，而不增加传动轴万向接头组件的直径。而且，在传动轴的端部上形成推力轴承也使得可以提供具有相当大的有效接触表面的转矩传递元件，从而增加传动轴组件的转矩负荷能力，而不增加总的传动轴组件的直径。
因此，在第一方面中，本发明涉及传动轴组件，其包括：
(a)传动轴，所述传动轴具有第一端、第二端和纵向旋转轴线，所述第一端形成有整体的凸球形轴承表面；
(b)第一端外壳，所述第一端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面构造成与所述传动轴的所述第一端的所述凸球形轴承表面可滑动地配合接合；
(c)用于传递转矩的装置，当所述传动轴的所述第一端的凸轴承表面与所述第一端外壳的凹轴承表面配合接合时所述用于传递转矩的装置将转矩从所述传动轴传递到所述第一端外壳，所述用于传递转矩的装置能够有效操作而与所述传动轴和所述第一端外壳的所述旋转轴线之间的任何相对的角偏差无关。
在特别优选的实施例中，本发明的传动轴组件包括：
(a)传动轴，所述传动轴具有第一端、第二端和纵向旋转轴线，其中在所述传动轴的所述第一端上形成有第一凸球形轴承表面，且所述第一凸球形轴承表面的几何中心点位于所述传动轴的所述旋转轴线上；
(b)第一对主传动键，所述第一对主传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴的所述第一端，且所述第一对主传动键能够围绕垂直于且穿过所述第一凸球形轴承表面的所述几何中心点的主回转轴线回转，其中每个主传动键包括突出到所述传动轴外的传动键头；以及
(c)第一端外壳，所述第一端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面的几何中心点位于所述第一端外壳的所述旋转轴线上，其中所述第一凹球形轴承表面的半径与所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面的半径对应；
其中：
(d)每个主传动键头具有平的主端面，所述平的主端面与所述主回转轴线平行；
(e)所述第一端外壳构造成接纳所述传动轴的所述第一端，所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面与所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面可滑动地配合接合；
(f)所述第一端外壳具有第一对主传动键槽，所述第一对主传动键槽定位并构造成当所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面与所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面配合接合时接纳所述主传动键头；
(g)每个主传动键槽包括平的主侧面，所述主侧面与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行；并且
(h)在所述第一端外壳的所述旋转轴线的方向上每个主传动键槽的长度大于相应的主传动键头的长度，使得每个主传动键头能够在其相应的主传动键槽内滑动；
使得：
(i)所述传动轴能相对于所述第一端外壳全向地铰接；
(j)所述传动轴在第一旋转方向上的旋转将促使所述主传动键头的所述主端面与相应的主传动键槽的所述主侧面形成力传递接触，从而在所述传动轴和所述第一端外壳之间传递旋转转矩，且每个主传动键头能够在其相应的第一传动键槽内滑动以在选择的角范围内适应所述传动轴和所述第一端外壳的纵向轴线之间的角变化(angular variances)；并且
(k)轴向推力将跨过所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面和所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面之间的界面在所述传动轴和所述第一端外壳之间传递，而在选择的角范围内与所述传动轴和所述第一端外壳的所述旋转轴线之间的角变化无关。
在优选实施例中，用于传递转矩的装置包括可回转地安装到传动轴的相对侧上的一对传动键，且传动键头构造成通过与第一端外壳中的相应的传动键槽接合而传递旋转转矩力。可替代的实施例可包括与第一对传动键成直角定向的第二对这样的传动键。进一步可替代的实施例可使用根据现有技术万向接头的转矩传递装置，例如在CA 2,032,042和US 5,267,905中教导的多个球形转矩传递元件。
第一端外壳的凸球形轴承表面可直接加工到第一端外壳的母材料中。然而，在优选的实施例中，凸球形轴承表面可整体地或部分地设置成轴承嵌件的形式，该轴承嵌件由铜、铜合金、聚氨酯或
Figure BPA00001277760100101
或其它的合适的减摩材料制成。
在可替代的实施例中，传动轴组件还包括与传动轴的第二端相关的第二端外壳，其中传动轴的第二端以及第二端外壳分别具有凸球形推力轴承表面和凹球形推力轴承表面，大致如关于传动轴的第一端描述的。
在第二方面中，本发明涉及一种将轴向推力负荷从细长的第一旋转构件传递到第二旋转构件的方法，每个旋转构件具有旋转轴线。在一个宽泛的实施例中，该方法包括以下步骤：
(a)在所述第一旋转构件的第一端上形成凸球形表面，且所述凸球形表面的几何中心点位于所述第一旋转构件的所述旋转轴线上；
(b)形成具有凹球形表面的第二旋转构件，所述凹球形表面的几何中心点位于所述第二旋转构件的所述旋转轴线上，且所述凹球形表面的半径与所述第一旋转构件的所述凸球形表面的半径对应；
(c)组装所述第一旋转构件和所述第二旋转构件，使所述第一旋转构件的所述凸球形表面与所述第二旋转构件的所述凹球形表面可滑动地配合接合，且所述凹球形表面和所述凸球形表面的几何中心点重合；以及
(d)提供用于维持配合接合的装置，所述用于维持配合接合的装置维持所述凸球形表面和所述凹球形表面处于可滑动配合接合，而在
选择的角范围内与所述第一旋转构件的旋转轴线和所述第二旋转构件的旋转轴线之间的任何角偏差无关。
本发明的方法还可包括步骤：提供用于传递转矩的装置，该用于传递转矩的装置用于将转矩从第一旋转构件传递到第二旋转构件而在选择的角范围内与第一旋转构件的旋转轴线和第二旋转构件的旋转轴线之间的任何角偏差无关。
附图说明
现将参考附图描述本发明的实施例，其中附图标记表示相同的部件，且在附图中：
图1是根据本发明的实施例的在每一端具有端外壳的传动轴的侧视图。
图2是穿过图1的传动轴的第一端及其相应的端外壳的横截面，示出了同轴对准的传动轴和端外壳。
图3是如图2的横截面，但是其中传动轴相对于端外壳铰接。
图4A是图2和图3所示的传动轴的一端的透视图，其中传动轴的端部具有球轴承表面。
图4B是适合于插入图4B所示的传动轴的传动键槽中的回转的传动键的透视图。
图5是图2所示的端外壳的透视图，示出了推力轴承座和传动键槽，用于分别与传动轴的球形轴承表面和传动键接合。
图6是图2的传动轴/端外壳组件的局部剖切透视图。
图7是图6所示的传动轴/端外壳组件的局部剖切侧视图。
图8是图2的传动轴/端外壳组件的局部剖切透视图，其从图6的视图旋转90度。
图9是图8所示的传动轴/端外壳组件的局部剖切侧视图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的传动轴组件10包括具有上端22和下端24的传动轴20、上端外壳30和下端外壳40。当组装到井下马达内时，传动轴组件10将被包围在由图1的虚线15概念性地示出的管状传动轴外壳内，从而在传动轴外壳15和传动轴组件10之间形成环形空间16。
上端外壳30具有连接器部分32和同轴邻接的承窝部分34，该连接器部分32适合于连接到井下马达的动力部分的输出轴(未显示)，该同轴邻接的承窝部分34适合于接纳传动轴20的上端22并适应传动轴20在其中的全向旋转，同时将旋转转矩和轴向推力负荷从输出轴传递到传动轴20。下端外壳40具有连接器部分42和同轴邻接的承窝部分44，该连接器部分42适合于连接到井下马达的轴承部分(未显示)的心轴，该同轴邻接的承窝部分44适合于接纳传动轴20的下端24并适应传动轴20在其中的全向铰接，同时将旋转转矩和轴向推力负荷从传动轴20传递到心轴。
如图所示，下端外壳40的连接器部分42限定连接器腔46和一个或多个泥浆通路47，由此连接器腔46将与环形空间16流体连通。如前所述，钻井流体(或“泥浆”)必须被泵送通过钻柱和井下马达并因而到达钻头。在所示的传动轴组件10中，向下进入环形空间16内的钻井流体通过泥浆通路47并进入连接器腔46，因此其将被引导通过井下马达的轴承部分。
连接器部分32和42的具体细节不与本发明直接相关。但是，构成本发明的基本部件的承窝部分34和44通常是基本上类似或彼此相等的。因而，本发明仅参考如图2、3、5和6-9中的一个端外壳进行有效地说明和图示，其仅示出传动轴20的连接到下端外壳40的下端24。但是，应理解，所说明和示出的传动轴20到下端外壳40的承窝部分44的连接的原理和特征将与传动轴20到上端外壳30的承窝部分34的连接等同地相关。
如图4A所示，传动轴20的每一端具有端部分50，该端部分50形成有关于位于传动轴20的纵向旋转轴线A-20上的几何中心点X居中的凸球形轴承表面52。应注意到，在本专利文献的背景下，术语“球形表面”可指的是形成球的表面的一部分的表面，而不是严格地球的整个表面。端部分50也形成有一对圆柱形传动键承窝54，该对圆柱形传动键承窝54位于端部分50的相对侧上且在通过中心点X且垂直于中心点X的传动键回转轴线A-60上居中。
图4B示出插入传动键承窝54之一中的传动键60的实施例。在所示实施例中，传动键60具有圆柱形柄62，该圆柱形柄62被制定尺寸并适合于紧密但回转配合到柄承窝54内，传动键60另外还具有传动键头64，该传动键头64具有相对的平面端轴承面66，以有利于在传动轴20和端外壳40之间传递转矩(如下面更详细说明的)，所述端轴承面66彼此平行且平行于传动键回转轴线A-60。但是，严格地来说，每个传动键头64只需要一个平面端轴承面66，以便仅在一个方向上传递由传动轴20的旋转所得到的转矩。
图5示出下端外壳40的承窝部分44(或者，可替代地，上端外壳30的承窝部分34)的特征。下端外壳40具有纵向旋转轴线A-40。承窝部分44限定由基部壁71和大体圆柱形的侧壁72界定的腔70。基部壁71形成有或结合凹球形轴承表面74，该凹球形轴承表面74配置成与传动轴20的端部分50的轴承表面52紧密地配合并旋转地滑动接合。在优选的实施例中，球形轴承表面74整体上或部分地设置成轴承嵌件80的形式，如图所示且如在本专利文献中进一步详细说明的。然而，轴承表面74能可替代地直接加工到基部壁71的母材料内。
承窝部分44的侧壁72形成有一对相对的传动键槽76，每一个传动键槽76具有外表面76A，以及在所示实施例中，具有两个相对的平面侧轴承面76B，这两个相对的平面侧轴承面76B彼此平行且平行于下端外壳40的纵向旋转轴线A-40。传动键槽76定位并配置成使得当传动轴20的端部分50(其中传动键60定位在传动键承窝54内)被插入承窝部分44的腔70内以使端部分50的凸球形轴承表面52与承窝部分44的基部壁71的凹球形轴承表面接触时，每个槽76将接纳一个传动键60的传动键头64，同时每个传动键头64的端轴承面66紧密但易于滑动地接触传动键槽76的相应的侧轴承面76B。
尽管图5所示实施例的传动键槽76具有两个侧轴承面76B，且尽管该布置对于制造来说是方便的，但是应理解，为了只在一个方向传递由传动轴20的旋转产生的转矩，每个传动键槽76只需要一个侧轴承面76B。
再次参考图2和图3，将看到，当传递轴20的端部分50被插入腔70内时，如上面刚刚说明的，在与井下马达的正常操作限制一致的所选角范围内(通常但不必限于三度的最大角偏差θ)，传动轴20的轴线A-20、端外壳40的轴线A-40以及传动键回转轴线A-60将在中心点X处相交，而与轴线A-20和A-40之间的任何相对的角偏差θ无关。轴线A-20、A-40以及A-60的重合有利于防止或抑制在端外壳40和其他井下马达部件中产生第二弯矩。
参考图6-9，也容易理解的是，传动键头64的端轴承面66将保持与传动键槽76的相应的侧轴承面76B紧密接触，而与任何角偏差θ(在所选角范围内)无关，因为传动键60的柄62响应于该角偏差而在其相应的柄承窝54内旋转。因此，当传动轴20旋转时，相关的转矩被直接地、连续地且没有振动负荷地传递到端外壳40，而不管轴线A-20和A-40是重合的还是角偏移的。同时，在不需要如现有技术万向接头组件中的单独且分离的球形推力轴承的情况下，轴向推力负荷跨过凸球形轴承表面52和凹球形轴承表面74之间的球形轴承界面从传动轴20直接地传递到端外壳40，而与轴线A-20和A-40之间的角度无关。
容易理解，相比于现有技术传动轴万向接头组件可能的，本发明有利于传递显著较高的转矩和推力负荷，而不增加传动轴外壳的直径。首先，本发明实现了该高度有益的结果，因为其将推力轴承整体地结合到传动轴的每一端，因而不需要现有技术U接头的分离的球形推力轴承且使得能比在相同的尺寸限制内分离的球形推力轴承提供更大的有效推力轴承接触面积。这使得在不增加推力轴承接触压力的情况下传递较高的轴向推力负荷成为可能。
其次，本发明的传动轴和转矩传递传动键的创新性构造使得能比现有技术U接头组件提供更大的总体转矩传递接触表面积(即，是一个传动键轴承面66的面积的两倍)。而且，传动键轴承面66的净合力分量在比现有技术组件的转矩传递元件的有效转矩臂明显更大的转矩臂(即，从轴线A-20到轴承面66的有效质心的径向距离)下作用。这意味着对于给定的转矩负荷来说转矩传递接触压力将是较低的，或者对于给定的转矩传递接触压力，能承受较高的转矩负荷。本发明教导的该构造进一步有利于传递增大的转矩负荷，因为传动键柄62能容易地被制定尺寸来使作用到其上的横向剪切应力最小，因而消除了如组件中的可能最弱点处的剪切应力。
对于前述原因，优选的实施例将在传动轴的任一端处精确地结合图中所示的类型的两个传动键。然而，本领域技术人员将容易理解，本发明的范围不限于使用任何特定数量或类型的转矩传递元件。可替代的实施例可在传动轴的每一端处使用所示类型的四个传动键，同时每一对相对的传动键的回转轴线彼此成直角且在传动轴的纵向轴线处相交。使用三维模型可容易证明，在两键和四键的变体中，所有传动键头的端面将与端外壳中的传动键槽的相应的侧面保持有效的力传递接触，而与传动轴和端外壳的纵向轴线之间的任何角度无关。
在可替代但不太优选的实施例中，可通过如现有技术万向接头中的球形转矩传递元件来提供转矩传递。尽管由于关于现有技术万向接头所讨论的原因，在这样的实施例中转矩传递可能不是最佳有效的，但是这些可替代的实施例将包括由本发明教导的推力轴承构造的有益特征。
在优选的实施例中，凹球形轴承嵌件80可结合到球形轴承表面74内，如图2、3和5所示，同时轴承嵌件80被适当地设置且固定在形成于端外壳40的承窝部分44的基部壁71中的相应的嵌件槽窝82内。轴承嵌件80可由与端外壳40的主体不同的材料制成，以允许在受到由轴向推力负荷产生的最大压缩接触压力的区域中使用特别合适或期望的材料，而不需要由该特定材料制造整个端外壳。轴承嵌件80优选地由将有效地降低轴承表面52和74之间的摩擦系数的材料制成或包括将有效地降低轴承表面52和74之间的摩擦系数的材料，且本领域技术人员将容易理解许多已知材料可适合于该目的。这样的材料的非限制性示例包括：铜、铜合金、聚氨酯、和PTFE(即，聚四氟乙烯/聚四氯乙烯，或
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)。
在组装的传动轴组件10中，围绕传动键头64的传动键槽76内的空间将通常且优选地填充有合适的润滑剂，以有利于传动键柄62在其相应的传动键承窝54内的旋转，且有利于传动键端面66沿传动键槽76的侧面76B的滑动运动。优选地，且如图2和图3所示，围绕传动轴20和端外壳40的承窝部分44之间的铰接接合点设置了大体圆柱形的闭合罩90(由橡胶、氯丁橡胶或其他适合的柔性且耐化学材料制成)，以防止钻井流体进入传动键槽76并污染其中存在的润滑剂。闭合罩90的端部可使用任何本领域技术人员已知的装置和技术适当地紧固或锚固到传动轴20和承窝部分44。闭合罩90优选地具有周向波纹或以其它方式适合有利于响应传动轴20相对于端外壳40的铰接运动而使闭合罩90弯曲，同时维持适当的密封以防止钻井流体进入传动键槽76内。尽管此处没有详细示出或说明，但是将与传动轴20和承窝部分44之间的铰接接合点相关地设置保持器装置，以防止在开始组装之后和在操作过程中其间发生分离。在不偏离本发明的范围的情况下，这样的保持器装置可利用已知的技术设置成各种形式。
尽管本发明的传动轴组件的优选实施例包括根据前述说明的在传动轴20两端的万向接头设计和结构特征，但是在不偏离本发明的范围的情况下，可替代的实施例可仅在传动轴20的一端结合这样的特征。
本领域技术人员容易理解，在不偏离本发明的基本概念的情况下，可构想出对本发明的各种修改，且所有这样的修改预期落入本发明和所附权利要求的范围内。尤其是应理解，本发明不试图限制到所示实施例，且在没有对本发明的工作进行任何实质的最终改变的情况下，所要求保护的元件或特征的变化的替换将不构成本发明的范围的偏离。
在本专利文献中，以非限制性意思使用的词汇“包括”指的是包括该词汇后面所列的项，但是不排除没有具体提到的项。由不定冠词“一(a)”对要素的引用不排除存在多于一个元件的可能性，除非上下文清楚地表明存在一个和仅一个这样的要素。
如本专利文献中使用的，诸如“平行”、“垂直”、“重合”、“相交”、“等距”和“对应于”的相关术语和短语不是要表明或要求绝对的数学或几何精确性。因此，这样的术语应被理解为表示或要求大体上精确(例如，“大体上平行”)，除非上下文以其它方式清楚要求。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种传动轴组件，包括：
(a)传动轴，所述传动轴具有第一端、第二端和纵向旋转轴线，所述第一端形成有整体的凸球形轴承表面；
(b)第一端外壳，所述第一端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面构造成与所述传动轴的所述第一端的所述凸球形轴承表面可滑动地配合接合；以及
(c)用于传递转矩的装置，当所述传动轴的所述第一端的凸轴承表面与所述第一端外壳的凹轴承表面配合接合时所述用于传递转矩的装置将转矩从所述传动轴传递到所述第一端外壳，所述用于传递转矩的装置能够有效操作而在选择的角范围内与所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的任何相对的角偏差无关；
其中：
(d)所述用于传递转矩的装置包括一对第一传动键，每个第一传动键具有传动键头，所述第一传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴，以便能够围绕与所述传动轴的所述旋转轴线垂直且穿过所述传动轴的所述旋转轴线的第一回转轴线回转；
(e)每个第一传动键头具有平端面；
(f)所述第一端外壳具有一对第一传动键槽，每个第一传动键槽具有与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行地定向的侧面；并且
(g)每个第一传动键头设置在所述第一传动键槽中的一个内，使得所述传动轴在第一旋转方向上的旋转将促使每个第一传动键头的所述端面与相应的第一传动键槽的所述侧面形成力传递接触，且每个第一传动键头能够在其相应的第一传动键槽内滑动以适应所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的角变化。
2.如权利要求1所述的传动轴组件，其中，每个传动键头结合有圆柱形柄，所述圆柱形柄可回转地布置在所述传动轴中的相应的圆柱形柄承窝内。
3.如权利要求1或2所述的传动轴组件，其中，所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面结合有轴承嵌件。
4.如权利要求3所述的传动轴组件，其中，所述轴承嵌件包括从由铜、铜合金、聚氨酯和PFTE组成的组中选择的材料。
5.如权利要求1所述的传动轴组件，其中：
(a)所述用于传递转矩的装置还包括一对第二传动键，每个第二传动键具有传动键头，所述第二传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴且与所述一对第一传动键成直角，以便能够围绕与所述传动轴的所述旋转轴线垂直且穿过所述传动轴的所述旋转轴线的第二回转轴线回转；
(b)每个第二传动键头具有平端面；
(c)所述第一端外壳具有一对第二传动键槽，每个第二传动键槽具有与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行地定向的侧面；并且
(d)每个第二传动键头设置在所述第二传动键槽中的一个内，使得所述传动轴在所述第一旋转方向上的旋转将促使每个第二传动键头的所述端面与相应的第二传动键槽的所述侧面形成力传递接触，且每个第二传动键头能够在其相应的第二传动键槽内滑动以适应所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的角变化。
6.如权利要求1所述的传动轴组件，其中，所述传动轴的所述第二端形成有整体的凸球形轴承表面，且还包括：
(a)第二端外壳，所述第二端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面构造成与所述传动轴的所述第二端的所述凸球形轴承表面可滑动地配合接合；以及
(b)用于传递转矩的装置，当所述传动轴的所述第二端的凸轴承表面与所述第二端外壳的凹轴承表面配合接合时所述用于传递转矩的装置将转矩从所述传动轴传递到所述第二端外壳，所述用于传递转矩的装置能够有效操作而在选择的角范围内与所述传动轴的旋转轴线和所述第二端外壳的旋转轴线之间的任何相对的角偏差无关。
7.如权利要求1所述的传动轴组件，其中，所述用于传递转矩的装置包括多个球形转矩传递元件，每个球形转矩传递元件部分地布置在所述传动轴的侧面中的相应的半球形槽窝内并部分地布置在所述第一端外壳中的相应的半圆柱形纵向槽内。
8.一种传动轴组件，包括：
(a)传动轴，所述传动轴具有第一端、第二端和纵向旋转轴线，在所述传动轴的所述第一端上形成有第一凸球形轴承表面，且所述第一凸球形轴承表面的几何中心点位于所述传动轴的所述旋转轴线上；
(b)第一对主传动键，所述第一对主传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴的所述第一端，且能够围绕垂直于且穿过所述第一凸球形轴承表面的所述几何中心点的主回转轴线回转，且每个主传动键包括突出到所述传动轴外的传动键头；以及
(c)第一端外壳，所述第一端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面的几何中心点位于所述第一端外壳的所述旋转轴线上，且所述第一凹球形轴承表面的半径与所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面的半径对应；
其中：
(d)每个主传动键头具有平的主端面，所述平的主端面与所述主回转轴线平行；
(e)所述第一端外壳构造成接纳所述传动轴的所述第一端，且所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面与所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面可滑动地配合接合；
(f)所述第一端外壳具有第一对主传动键槽，所述第一对主传动键槽定位并构造成当所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面与所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面配合接合时接纳所述主传动键头；
(g)每个主传动键槽包括平的主侧面，所述主侧面与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行；并且
(h)在所述第一端外壳的所述旋转轴线的方向上每个主传动键槽的长度大于相应的主传动键头的长度，使得每个主传动键头能够在其相应的主传动键槽内滑动；
由此使得：
(i)所述传动轴能相对于所述第一端外壳全向地铰接；
(j)所述传动轴在第一旋转方向上的旋转将促使所述主传动键头的所述主端面与相应的主传动键槽的所述主侧面形成力传递接触，从而在所述传动轴和所述第一端外壳之间传递旋转转矩，且每个主传动键头能够在其相应的第一传动键槽内滑动以在选择的角范围内适应所述传动轴的纵向轴线和所述第一端外壳的纵向轴线之间的角变化；并且
(k)轴向推力将跨过所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面和所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面之间的界面在所述传动轴和所述第一端外壳之间传递，而在选择的角范围内与所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的角变化无关。
9.如权利要求8所述的传动轴组件，其中，每个主传动键头结合有圆柱形柄，所述圆柱形柄可回转地布置在所述传动轴中的相应的圆柱形柄承窝内。
10.如权利要求8所述的传动轴组件，还包括：第二对主传动键，所述第二对主传动键与所述第一对主传动键成直角地安装到所述传动轴，所述第二对主传动键能够与形成在所述第一端外壳中的第二对主传动键槽可滑动地接合。
11.如权利要求8、9或10所述的传动轴组件，其中，所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面结合有轴承嵌件。
12.如权利要求11所述的传动轴组件，其中，所述轴承嵌件包括从由铜、铜合金、聚氨酯和PFTE组成的组中选择的材料。
13.如权利要求8所述的传动轴组件，其中，在所述传动轴的所述第二端上形成有第二凸球形轴承表面，所述第二凸球形轴承表面具有在所述传动轴的旋转轴线上的几何中心点，且所述传动轴组件还包括：
(a)第一对次传动键构件，所述第一对次传动键构件在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴的所述第二端，且能够围绕垂直于且通过所述第二凸球形轴承表面的中心点的次回转轴线回转，且每个次传动键包括突出到所述传动轴外的传动键头；以及
(b)第二端外壳，所述第二端外壳具有纵向旋转轴线，并具有第二凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面的几何中心点位于所述第二端外壳的旋转轴线上，且所述第二凹球形轴承表面的半径与所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面的半径对应；
其中：
(c)每个第二传动键头具有平的次端面，所述平的端面平行于所述次回转轴线；
(d)所述第二端外壳构造成接纳所述传动轴的所述第二端，且所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面与所述第二端外壳的所述凹球形轴承表面可滑动地配合接合；
(e)所述第二端外壳具有第一对次传动键槽，所述第一对次传动键槽被定位并构造成当所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面与所述第二端外壳的所述凹球形轴承表面配合接合时接纳所述第一对次传动键头；
(f)每个次传动键槽具有平的次侧面，所述次侧面与所述第二端外壳的所述旋转轴线平行；并且
(g)在所述第二端外壳的旋转轴线的方向上每个次传动键槽的长度大于相应的次传动键头的长度，使得每个次传动键头能够在其相应的次传动键槽内滑动；
由此使得：
(h)所述传动轴能相对于所述第二端外壳全向地铰接；
(i)所述传动轴在所述第一旋转方向上的旋转将促使所述次传动键头的所述次端面与相应的次传动键槽的所述次侧面形成力传递接触，从而在所述传动轴和所述第二端外壳之间传递旋转转矩，且每个次传动键头能够在其相应的次传动键槽内滑动以在选择的角范围内适应所述传动轴的纵向轴线和所述第二端外壳的纵向轴线之间的角变化；并且
(j)轴向推力将跨过所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面和所述第二端外壳的所述凹球形轴承表面之间的界面在所述传动轴和所述第二端外壳之间传递，而与所述传动轴相对于所述第二端外壳的旋转无关，且在选择的角范围内与所述传动轴和所述第二端外壳的所述旋转轴线之间的角变化无关。
14.如权利要求13所述的传动轴组件，还包括：第二对次传动键，所述第二对次传动键与所述第一对次传动键成直角地安装到所述传动轴，所述第二对次传动键能够与形成于所述第二端外壳中的第二对次传动键槽可滑动地接合。
15.一种用于将轴向推力负荷从细长的第一旋转构件传递到第二旋转构件的方法，每个旋转构件具有旋转轴线，且所述方法包括以下步骤：
(a)在所述第一旋转构件的第一端上形成凸球形表面，且所述凸球形表面的几何中心点位于所述第一旋转构件的旋转轴线上；
(b)使所述第二旋转构件形成有凹球形表面，所述凹球形表面的几何中心点位于所述第二旋转构件的旋转轴线上，且所述凹球形表面的半径与所述第一旋转构件的所述凸球形表面的半径对应；
(c)组装所述第一旋转构件和所述第二旋转构件，使所述第一旋转构件的所述凸球形表面与所述第二旋转构件的所述凹球形表面可滑动地配合接合，且所述凸球形表面的几何中心点和所述凹球形表面的几何中心点重合；
(d)提供用于维持配合接合的装置，所述用于维持配合接合的装置维持所述凸球形表面和所述凹球形表面处于可滑动地配合接合，而在选择的角范围内与所述第一旋转构件的旋转轴线和所述第二旋转构件的旋转轴线之间的任何角偏差无关；以及
(e)提供用于传递转矩的装置，所述用于传递转矩的装置用于将转矩从第一旋转构件传递到第二旋转构件而与所述第一旋转构件的旋转轴线和所述第二旋转构件的旋转轴线之间的任何角偏差无关；
其中：
(f)所述用于传递转矩的装置包括一对第一传动键，每个第一传动键具有传动键头，所述第一传动键在所述第一旋转构件的相对侧上安装到所述第一旋转构件，以便能够围绕与所述第一旋转构件的旋转轴线垂直且穿过所述第一旋转构件的旋转轴线的第一回转轴线回转；
(g)每个第一传动键头具有平端面；
(h)所述第二旋转构件具有一对第一传动键槽，每个第一传动键槽具有与所述第二旋转构件的旋转轴线平行地定向的侧面；并且
(i)每个第一传动键头设置在所述第一传动键槽中的一个内，使得所述第一旋转构件在第一旋转方向上的旋转将促使每个第一传动键头的所述端面与相应的第一传动键槽的所述侧面形成力传递接触，且每个第一传动键头能够在其相应的第一传动键槽内滑动以适应所述第一旋转构件的旋转轴线和所述第二旋转构件的旋转轴线之间的角变化。

Claims (17)

1.一种传动轴组件，包括：
(a)传动轴，所述传动轴具有第一端、第二端和纵向旋转轴线，所述第一端形成有整体的凸球形轴承表面；
(b)第一端外壳，所述第一端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面构造成与所述传动轴的所述第一端的所述凸球形轴承表面可滑动地配合接合；以及
(c)用于传递转矩的装置，当所述传动轴的所述第一端的凸轴承表面与所述第一端外壳的凹轴承表面配合接合时所述用于传递转矩的装置将转矩从所述传动轴传递到所述第一端外壳，所述用于传递转矩的装置能够有效操作而在选择的角范围内与所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的任何相对的角偏差无关。
2.如权利要求1所述的传动轴组件，其中：
(a)所述用于传递转矩的装置包括一对第一传动键，每个第一传动键具有传动键头，所述第一传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴，以便能够围绕与所述传动轴的所述旋转轴线垂直且穿过所述传动轴的所述旋转轴线的第一回转轴线回转；
(b)每个第一传动键头具有平端面；
(c)所述第一端外壳具有一对第一传动键槽，每个第一传动键槽具有与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行地定向的侧面；并且
(d)每个第一传动键头布置在所述第一传动键槽中的一个内，使得所述传动轴在第一旋转方向上的旋转将促使每个第一传动键头的所述端面与相应的第一传动键槽的所述侧面形成力传递接触，且每个第一传动键头能够在其相应的第一传动键槽内滑动以适应所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的角变化。
3.如权利要求2所述的传动轴组件，其中，每个传动键头结合有圆柱形柄，所述圆柱形柄可回转地布置在所述传动轴中的相应的圆柱
4.如权利要求1、2或3所述的传动轴组件，其中，所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面结合有轴承嵌件。
5.如权利要求4所述的传动轴组件，其中，所述轴承嵌件包括从由铜、铜合金、聚氨酯和PFTE组成的组中选择的材料。
6.如权利要求2所述的传动轴组件，其中：
(a)所述用于传递转矩的装置还包括一对第二传动键，每个第二传动键具有传动键头，所述第二传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴且与所述一对第一传动键成直角，以便能够围绕与所述传动轴的所述旋转轴线垂直且穿过所述传动轴的所述旋转轴线的第二回转轴线回转；
(b)每个第二传动键头具有平端面；
(c)所述第一端外壳具有一对第二传动键槽，每个第二传动键槽具有与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行地定向的侧面；并且
(d)每个第二传动键头设置在所述第二传动键槽中的一个内，使得所述传动轴在所述第一旋转方向上的旋转将促使每个第二传动键头的所述端面与相应的第二传动键槽的所述侧面形成力传递接触，且每个第二传动键头能够在其相应的第二传动键槽内滑动以适应所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的角变化。
7.如权利要求1所述的传动轴组件，其中，所述传动轴的所述第二端形成有整体的凸球形轴承表面，且还包括：
(a)第二端外壳，所述第二端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面构造成与所述传动轴的所述第二端的所述凸球形轴承表面可滑动地配合接合；以及
(b)用于传递转矩的装置，当所述传动轴的所述第二端的凸轴承表面与所述第二端外壳的凹轴承表面配合接合时所述用于传递转矩的装置将转矩从所述传动轴传递到所述第二端外壳，所述用于传递转矩的装置能够有效操作而在选择的角范围内与所述传动轴的旋转轴线和所述第二端外壳的旋转轴线之间的任何相对的角偏差无关。
8.如权利要求1所述的传动轴组件，其中，所述用于传递转矩的装置包括多个球形转矩传递元件，每个球形转矩传递元件部分地布置在所述传动轴的侧面中的相应的半球形槽窝内并部分地布置在所述第一端外壳中的相应的半圆柱形纵向槽内。
9.一种传动轴组件，包括：
(a)传动轴，所述传动轴具有第一端、第二端和纵向旋转轴线，在所述传动轴的所述第一端上形成有第一凸球形轴承表面，且所述第一凸球形轴承表面的几何中心点位于所述传动轴的所述旋转轴线上；
(b)第一对主传动键，所述第一对主传动键在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴的所述第一端，且能够围绕垂直于且穿过所述第一凸球形轴承表面的所述几何中心点的主回转轴线回转，且每个主传动键包括突出到所述传动轴外的传动键头；以及
(c)第一端外壳，所述第一端外壳具有纵向旋转轴线，并具有凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面的几何中心点位于所述第一端外壳的所述旋转轴线上，且所述第一凹球形轴承表面的半径与所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面的半径对应；
其中：
(d)每个主传动键头具有平的主端面，所述平的主端面与所述主回转轴线平行；
(e)所述第一端外壳构造成接纳所述传动轴的所述第一端，且所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面与所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面可滑动地配合接合；
(f)所述第一端外壳具有第一对主传动键槽，所述第一对主传动键槽定位并构造成当所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面与所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面配合接合时接纳所述主传动键头；
(g)每个主传动键槽包括平的主侧面，所述主侧面与所述第一端外壳的所述旋转轴线平行；并且
(h)在所述第一端外壳的所述旋转轴线的方向上每个主传动键槽的长度大于相应的主传动键头的长度，使得每个主传动键头能够在其相应的主传动键槽内滑动；
由此使得：
(i)所述传动轴能相对于所述第一端外壳全向地铰接；
(j)所述传动轴在第一旋转方向上的旋转将促使所述主传动键头的所述主端面与相应的主传动键槽的所述主侧面形成力传递接触，从而在所述传动轴和所述第一端外壳之间传递旋转转矩，且每个主传动键头能够在其相应的第一传动键槽内滑动以在选择的角范围内适应所述传动轴的纵向轴线和所述第一端外壳的纵向轴线之间的角变化；并且
(k)轴向推力将跨过所述传动轴的所述第一凸球形轴承表面和所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面之间的界面在所述传动轴和所述第一端外壳之间传递，而在选择的角范围内与所述传动轴的旋转轴线和所述第一端外壳的旋转轴线之间的角变化无关。
10.如权利要求9所述的传动轴组件，其中，每个主传动键头结合有圆柱形柄，所述圆柱形柄可回转地布置在所述传动轴中的相应的圆柱形柄承窝内。
11.如权利要求9所述的传动轴组件，还包括：第二对主传动键，所述第二对主传动键与所述第一对主传动键成直角地安装到所述传动轴，所述第二对主传动键能够与形成在所述第一端外壳中的第二对主传动键槽可滑动地接合。
12.如权利要求9、10或11所述的传动轴组件，其中，所述第一端外壳的所述凹球形轴承表面结合有轴承嵌件。
13.如权利要求12所述的传动轴组件，其中，所述轴承嵌件包括从由铜、铜合金、聚氨酯和PFTE组成的组中选择的材料。
14.如权利要求9所述的传动轴组件，其中，在所述传动轴的所述第二端上形成有第二凸球形轴承表面，所述第二凸球形轴承表面具有在所述传动轴的旋转轴线上的几何中心点，且所述传动轴组件还包括：
(a)第一对次传动键构件，所述第一对次传动键构件在所述传动轴的相对侧上安装到所述传动轴的所述第二端，且能够围绕垂直于且通过所述第二凸球形轴承表面的中心点的次回转轴线回转，且每个次传动键包括突出到所述传动轴外的传动键头；以及
(b)第二端外壳，所述第二端外壳具有纵向旋转轴线，并具有第二凹球形轴承表面，所述凹球形轴承表面的几何中心点位于所述第二端外壳的旋转轴线上，且所述第二凹球形轴承表面的半径与所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面的半径对应；
其中：
(c)每个第二传动键头具有平的次端面，所述平的端面平行于所述次回转轴线；
(d)所述第二端外壳构造成接纳所述传动轴的所述第二端，且所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面与所述第二端外壳的所述凹球形轴承表面可滑动地配合接合；
(e)所述第二端外壳具有第一对次传动键槽，所述第一对次传动键槽被定位并构造成当所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面与所述第二端外壳的所述凹球形轴承表面配合接合时接纳所述第一对次传动键头；
(f)每个次传动键槽具有平的次侧面，所述次侧面与所述第二端外壳的所述旋转轴线平行；并且
(g)在所述第二端外壳的旋转轴线的方向上每个次传动键槽的长度大于相应的次传动键头的长度，使得每个次传动键头能够在其相应的次传动键槽内滑动；
由此使得：
(h)所述传动轴能相对于所述第二端外壳全向地铰接；
(i)所述传动轴在所述第一旋转方向上的旋转将促使所述次传动键头的所述次端面与相应的次传动键槽的所述次侧面形成力传递接触，从而在所述传动轴和所述第二端外壳之间传递旋转转矩，且每个次传动键头能够在其相应的次传动键槽内滑动以在选择的角范围内适应所述传动轴的纵向轴线和所述第二端外壳的纵向轴线之间的角变化；并且
(j)轴向推力将跨过所述传动轴的所述第二凸球形轴承表面和所述第二端外壳的所述凹球形轴承表面之间的界面在所述传动轴和所述第二端外壳之间传递，而与所述传动轴相对于所述第二端外壳的旋转无关，且在选择的角范围内与所述传动轴和所述第二端外壳的所述旋转轴线之间的角变化无关。
15.如权利要求14所述的传动轴组件，还包括：第二对次传动键，所述第二对次传动键与所述第一对次传动键成直角地安装到所述传动轴，所述第二对次传动键能够与形成于所述第二端外壳中的第二对次传动键槽可滑动地接合。
16.一种用于将轴向推力负荷从细长的第一旋转构件传递到第二旋转构件的方法，每个旋转构件具有旋转轴线，且所述方法包括以下步骤：
(a)在所述第一旋转构件的第一端上形成凸球形表面，且所述凸球形表面的几何中心点位于所述第一旋转构件的旋转轴线上；
(b)使所述第二旋转构件形成有凹球形表面，所述凹球形表面的几何中心点位于所述第二旋转构件的旋转轴线上，且所述凹球形表面的半径与所述第一旋转构件的所述凸球形表面的半径对应；
(c)组装所述第一旋转构件和所述第二旋转构件，使所述第一旋转构件的所述凸球形表面与所述第二旋转构件的所述凹球形表面可滑动地配合接合，且所述凸球形表面的几何中心点和所述凹球形表面的几何中心点重合；以及
(d)提供用于维持配合接合的装置，所述用于维持配合接合的装置维持所述凸球形表面和所述凹球形表面处于可滑动地配合接合，而在选择的角范围内与所述第一旋转构件的旋转轴线和所述第二旋转构件的旋转轴线之间的任何角偏差无关。
17.如权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：提供用于传递转矩的装置，所述用于传递转矩的装置用于将转矩从第一旋转构件传递到第二旋转构件而与所述第一旋转构件的旋转轴线和所述第二旋转构件的旋转轴线之间的任何角偏差无关。
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