DE1956210B2 - Kupplung zur Drehverbindung zweier axial ausgerichteter Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Drehverbindung zweier axial ausgerichteter Elemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Kupplung ist aus der DE-PS 6 71 296, DE-AS 10 08 063, DE-GM 66 03 289. DE-GM 19 69 989, CH-PS 2 27 654 oder US-PS 25 60 958 bekannt. Die in diesen Schriften beschriebenen und gezeigten Stifte stehen unter Druckbelastung, darüber hinaus jedoch unter starker Scherbelastung. Dies hat zur Folge, daß eine erhebliche Zerstörungsgefahr für die Stifte gegeben ist. Tritt aber eine Zerstörung ein, dann hat diese Ausbildung den weiteren Nachteil, daß sich allmählich eine Rückdrehung unter schwierigen Bedingungen, z. B. im Bohrbetrieb, nicht mehr ausführen läßt, so daß das Verbringen der Kupplung außer Arbeitsstellung zwecks Auswechslung der zerstörten Stifte sehr schwierig wird.

Aus SU-Urheberschein 78 729. US-PS 3183 684, DE-AS 10 99 968 oder DE-GM 18 03 113 sind außerdem Kupplungen bekannt, bei denen die Übertragung eines Drehmoments nur eine Druckbeanspruchung von Zwischenleggliedern verursacht. Gemäß dem SU-Urheberschein 78 729 und US-PS 3183 684 sind die Zwischenleggliecjer jedoch keine Stifte und das Zusammensetzen und gegebenenfalls das erneute Zerlegen zwecks Austausch eines Zwischenleggliedes äußerst schwierig. Gemäß der DE-AS 10 99 968 und dem DE-GM 18 03 113 verhindern die Zwisehenleggljeder jedoch nicht die direkte Berührung der zu kuppelnden Elemente. Vielmehr liegen diese Elemente über dem größten Teil des Umfangs stets unmittelbar aneinander, so daß die Gefahr des Fressens bei

to schwerer Belastung gegeben ist.

Es ist außerdem bekannt. Schneidwerkzeuge, wie Bohrer und Meißel, mittels einer Keilnutverbindung mit einer Bohrmaschine zu verbinden. Dabei ist der Schaft des Schneidwerkzeugs mit Vorsprüngen versehen. Ein Bohrfutter nimmt den Schaft durch Einschieben desselben auf, wobei die Vorsprünge in entsprechend angeordnete und angepaßte Nuten eingeschoben werden, worauf das Schneidwerkzeug im Bohrfutter gesichert wird. Die Rotation erfolgt durch Übertragung eines Drehmoments von der Bohrmaschine auf das Schneidwerkzeug mittels der Vorsprünge, wobei die Vorsprünge dem Schneidwerkzeug gleichzeitig eine schlagende Bewegung gestatten können, wenn der Hammer der Schlageinrichtung auf dieses einwirkt. Eine unmittelbare Keilnutverbindung zwischen einer Bohrmaschine und dem Schneidwerkzeug ist jedoch nicht vorteilhaft, insbesondere dann nich«, wenn große Drehmomente unttr Schlagkräften durch die Bohrmaschine übertragen werden sollen. Beim Einpassen des

jo Schneidwerkzeugs in die Nuten des Bohrfutters entsteht ein Kontakt von Metall zu Metall mit hohem Reibungskoeffizienten. Das Schneidwerkzeug kann deshalb bei hoher Beanspruchung im Bohrfutter verschweißt werden, wodurch das Schneidwerkzeug

J5 unbrauchbar wird. Die Zuführung eines ausreichenden Kühlmittels verbietet sich bei unmittelbarem Kontakt von Metall zu Metall.

Aus der US-PS 27 56 723 ist auch schon eine Verbindung des Schneidwerkzeugs mil dem Schlagme chanismus bekannt geworden. l^!;erbci werden das Schneidwerkzeug und der Schlagmechanismus durch Stifte miteinander verbunden. Diese Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Stifte, welche die Verbindung herstellen, starken Scherkräften ausgesetzt sind. Wenn dadurch die Stifte ausfallen, wird das Schneidwerkzeug nicht mehr länger rotiert. Der Bohrvorgang muß daher unterbrochen werden, und es ist außerordentlich schwierig, die Senkeinrichtung und den Schneideinsatz aus dem Bohrloch herauszubringen,

μ da das Schneidwerkzeug für eine leichte Herausnahme aus dem Bohrloch rotiert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Kupplung der eingangs genannten ArI, bei der also zwischcngelegte Stifte eine unmittelbare Verschlcißberührung der zu kuppelnden Teile unter der Arbeitsbelastung verhindern, für noch härtere Betriebsbedingungen geeignet zu machen, wozu einmal die Verringerung der Zerstörungsgefahr für die zwischengclegten Stifte, zum anderen deren problemlose Austauschbarkeit bei dennoch erfolgter Zerstörung gehört.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die im Anspruch I angegebenen Maßnahmen. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil einer Tiefbohrmaschine im Schnitt mit einem eingesetzten Schneidwerkzeug;

F i g, 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. I;

Fig.3 einen Teilschnitt ähnlich dem in Fig.2 gezeigten, jedoch in vergröBertem MaUstab, wobei die Drehrichtung entgegengesetzt der durch den Pfeil in F i g. 1 dargestellten verläuft;

F i g. 4 einen Schnitt durch einen Teil einer Gesteinsbohrmaschine mit einem mittels der erfindungsgemäßen Kupplung eingesetzten Schneidwerkzeug und

F i g. 5 einen Teilschnitt durch die in F i g. 4 dargestellte Kupplung r· jch der Linie 5-5.

In den F i g. 1 bis 3 ist ein Teil einer Tief-Gesteinsbohrmaschine 1 dargestellt. Dieser Teil besteht aus einem Gehäuse 2 mit einer darin angebrachten Buchse 3. Ein Hammer 4 ist hin und her bewegbar in der Buchse 3 gelagert. Der Hammer 4 kann durch geeignete, nicht dargestellte Antriebsvorrichtungen betätigt werden, wie sie beispielsweise aus der US-Patentschrift 31 98 264 bekannt ist. Bei der Bewegung des Hammers schlägt dieser auf ein Schneidwerkzeug 10. Dieses Schneidwerkzeug wird durch geeignene, nicht dargestellte, außerhalb des Bohrlochs befindliche Antriebseinricniungen rotiert.

Das Schneidwerkzeug wird durch ein Bohrfutter 25 gehalten, welches lösbar am Gehäuse 2 mittels Gewinde 26 angebracht ist.

Auf bekannte Weise schlägt der Hammer 4 auf das Schneidwerkzeug 10, wobei das Schneidwerkzeug relativ zur Maschine I und dem Bohrfutter 25 hin und her geht, während es mit dem Bohrfutter 25 und dem Gehäuse 2 rotiert.

Das Schneidwerkzeug 10 weist ein Schneidende 11 mit Schneideinsätzen 12 auf. Ein Schaft 13 verläuft von diesem Schneidende bis zum oberen Ende 14. welches die Hammerschläge des Hummers 4 aufnimmt. Ein Längskanal 20 ist für die Zuführung von unier Druck J5 stehender Flüssigkeil zum Boden des Bohrlochs vorgesehen, um auf bekannte Weise das ßohrmaterial aus dem Bohrloch zu fördern. Wie aus den F i g. 2 und 3 zu erkennen ist, wcisi der Schaft 13 des Schneidwerkzeugs 10 eine Anzahl von in einem Kreis mit Abständen angeordnet, langgestreckten Vorsprüngen oder Rippen 16 an seiner äußeren Peripherie auf. Die Abstände zwischen den Rippen 16 sind mit 17 bezeichnet. Diese Rippen 16 sind so geformt, daß eine ihrer Seiten 18 von der äußeren Oberfläche in Richtung auf den Schaft in einem Winkel von weniger als 90° verläuft. Dieser Winkel stellt keine Einschränkung dar. bewirkt jedoch den Vorteil der Reduzierung von ßclastungskonzentralioncn in den Rippen und daher auch der Tendenz zum Bruch. Die andere Seite der Rippen 16 ist mit einer ίο bogenförmigen Ausnerunung 19 verschen, welche sich in Richtung auf die Abstünde b/w. Zwischenräume 17 öffnen.

Das Bohrfutter 25 ist so ausgelegt, daß das Schneidwerkzeug 10 tcleskopartig in dieses eingeführt werden kann. Die Innenseite des Bohrfutters 25 ist mit einer Anzahl von in Abständen zueinander angeordneten Nuten 27 versehen.

Diese Nuten 27 bilden eine Anzahl von Rippen 28. Die Nuten 27 sind so geformt, daß die Rippen 28 im bo wesentlichen die spiegelbildliche Form der Rippen 16 des Schafts 13 aufweisen. Die Nuten 27 weisen eine Seite 30 auf, welche sich in einem Winkel von weniger als 90° von der Basis der Nut bis zur Oberkante der Rippen 28 erstrecken und eine andere Seite weist ebenfalls eine bogenförmige Ausnehmung 31 auf. Wie bei den Rippen 16 des Schafts 13 reduziert diese Ausgestaltung der Ripp „·η Belastungskonzentrationen.

Obgleich die Rippen 28 des tohrfutters 25 die gleiche Form der Rippen 16 aes Schneidwerkzeugs 10 aufweisen sind die Nuten 27 des Bohrfutters 25 geringfügig größer als die Rippen 16 des Schneidwerkzeugs und die Rippen 28 des Bohrfutters 25 sind geringfügig kleiner als die Abstände 17 des Schneidwerkzeugs 10, so daß bei genauer Ausrichtung von Bohrfutter und Schneidwerkzeug nirgendwo ein direkter Kontakt von Metall zu Metall besteht.

Eine Anzahl von Stiften 40, welche aus geeignetem Lagermaierial bestehen, vorzugsweise aus nichtmetallischen! Material wie Nylon oder Kunststoff, sind zwischen den Flächen, welche durch die bogenförmigen Aufnahmen 19 und 31 gebildet werden, angeordnet Diese Stifte 40 stellen die Antriebsverbindung und die Drehmomentübertragungsglieder zwischen dem Bohrfutter 25 und dem Schneidwerkzeug 10 dar und erlauben gleichzeitig die Hin- und Herbewegung des Schneidwerkzeugs innerhalb der dargestellten Konstruktion. Das Bohrfutter 25 ist mit einem Flansch 32 versehen, welcher eine Schulter 33 bildet, ν rlche die Stifte 40 gegen ein HcraüSgiciten aus dem unterer! Teil des Bohrfutters 25 sichert. Ein Spaltring 35 ist im Gehäuse 2. am oberen Ende des Bohrfutters angeordnet, um die S:ifte 40 gegen ein Herausgleiten nach oben, beim Hin- und Herbewegen des Schneidwerkzeugs, zu sichern. Der Spaltring 35 ist von bekannter Konstruktion und bedarf keiner weiteren Beschreibung.

Ausgehend davon, daß das Schneidwerkzeug im Betrieb beim Bohren eines Loches ^;m Uhrzeigersinn und beim Herausheben aus dem Loch entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert wird, wird nachstehend die Arbeitsweise beschrieben. Danach rotiert das Bohrfutter 25 durch direkte Verbindung mit dem Gehäuse 2. wenn dieses rotiert. Die Rotation des Gehäuses wird vom Bohrfutter 25 auf das Schneidwerkzeug 10 mittels der Stifte 40 (siehe Fig.2) übertragen. Die Form der Rippen 16 mit den Aufnahmen 19 und der Nuten 27 mil den Aufnahmen 31 sowie die Anordnung d°s Stifts 40 ist derart, daß die Stifte 40 im wesentlichen vollständig unter Kompression gelangen. Die Rotation des Br 'jrfutters 25 verursacht dabei keinerlei Scherkräfte auf die Stifte 40.

Die Verwendung von nichtmetallischen: Material mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten für die Stifte 40 und das Unterbinden eines Kontaktes von Nietall zu Metall zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Bohrfutter reduziert die Reibung, wenn das Schneidwerkzeug in axialer Richtung hin und her bewegt wird. Diese Reibungsverminderung reduziert gleichzeitig die Wärmeerzeugung und das NichtVorhandensein der direkten Metallkontakte schaltet die Möglichkeit des Zusammenschweißens von Schneidwerkzeug und Bonrfutter aus. Die nichtmetallischen Stifte und das Fehlen aes direkten Metallkoniaktes führt zu einer Reibungsverringerung, seihst unter den Bedingungen hoher Belastung und Randschmierung. Demzufolge können stärkere Maschinen verwendet werden, ohne daß die permanente Gefahr besteht, daß das Schneidwerkzeug durch erhöhte Wärmeerzeugung unbrauchbar wird.

Wenn der Bohreinsatz aus dem Bohrloch enl.'ernl werden soll oder wenn das Bohrfutter zwecks Entfernung des Schneidwerkzeugs aus dem Gehäuse herausgenommen werden soll, wird das Bohrfutter entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Dabei wird, wie aus Fig.3 zu erkennen ist, das Drehmoment vom Bohrfutter auf das Schneidwerkzeug über die winkligen Seiten 18 und 30 auf das Schneidwerkzeug 10 bzw. auf

das Bohrfutter 25 übertragen. Der bei diesem Vorgang eintretende direkte Kontakt von Metall zu Metall weist keine zerstörende Wirkungen auf. da der gesamte Vorgang nur eine relativ kurze Zeit unter niedrigen Druckbedingungen in Anspruch nimmt. Die Verwendung des vorübergehenden Metall zu Metallkontaktcs während der Rückwärtsrotation weist den Vorteil auf. daß, falls aus irgendwelchen Gründen die Stifte zerstört werden, der Bohreinsatz aus dem Bohrloch unter Rotation herausgeholt werden kann. Dies ist bei der Verwendung der Stille als Übertragungselement für das Drehmoment in beiden Richtungen nicht möglich.

In den Fig. 4 und 5 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Kupplung in einer Gesteinsbohrmaschine dargestellt. Diese Maschine besteht aus einem Gehäuse 50 mit einem Bohrkopf 51. Ein Hammer 52 wird innrrhalb des Gehäuses hin und herbewegt, wobei als Antriebsmittel in bekannter Weise Druckluft verwendet werden kann. Em Schneidwerkzeug weist einen Schaft 55 auf, welcher sich bis in das Gehäuse erstreckt. Der Hammer 52 schlägt auf diesen Schaft 25 des Schneidwerkzeugs auf.

Geeignete Antriebsmittel, welche nicht dargestellt sind, können der Maschine für das Rotieren des Schneidwerkzeugs 25 zugeordnet sein. Ein Bohrfutter 60 weist eine G"triebezahnting 61 auf und ist rotierbar im Bohrkopf 21 gelagert. Das Bohrfutter 60 ist so ausgestaltet, daß es durch Antriebsmittel gedreht wird. Diese rotierende Bewegung des Bohrfutters 60 wird auf ein vorderes Futterteil 62 übertragen, welches den Schaft des Schneidwerkzeugs 55 umgibt. Eine Buchse im Bohrkopf 51 erlaubt die ungehinderte Rotation des Bohrfutters. Eine Führungsbuchse 64, welche das Schneidwerkzeug umgibt, ist innerhalb des Bohrfutters 60 angeordnet und gewährleistet genaue Ausrichtung des Schneidwerkzeugs 55. Ein Haltering 70 sichert das Bohrfutter in seiner Lage und verhindert ein Herausgleiten des Schneidwerkzeugs 55 aus der Maschine. Der Schaft des Schneidwerkzeugs 55 weist eine Anzahl von an seinem Umfang in Abstanden angeordneten langgestreckten Vorsprüngen oder Rippen 56 auf. Diese Rippen haben eine gleiche Form wie die in den Fi g. I bis 3. so daß eine Seite 57 von der äußeren Fläche in Richtung auf den Schaft in einem Winkel von weniger als 90° verläuft. Die andere Seite der Rippen 56 ist mit einer abgerundeten Aufnahme 58 versehen.

Das vordere Bohrfutterteil 62 ist so ausgelegt, daß das Schneidwerkzeug 55 teleskopartig in dieses eingesetzt werden kann. Die Innenseite des Bohrfutters ist mit einer Anzahl von in Abstand zueinander angeordneten Nuten 65 vergehen, welche ein Anzahl von Rippen 66 bilden. Die Nuten 65 weisen eine Nutenwand 67 auf, welche in einem Winkel von weniger als 90° von der Basis der Nut zur Oberkante der Rippe 66 verlaufen. Die andere Seite der Nuten 65 ist mit einer muldenartigen, abgerundeten Aufnahme 68 versehen, deren Fläche sich vorzugsweise über einen Bereich von mehr als 180° erstreckt. Eine Anzahl von nichtmetallischen Stiften 75, mit einem abgesetzten Ende 76, sind in dem Bereich zwischen den Aufnahmen 58 und 68 zum Obertragen des Drehmoments vom Bohrfutterteil 62 auf das

Schneidwerkzeug 55 angeordnet.

Bei der Montage des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig.4 und 5 sind der Haltering 70 und das Schneidwerkzeug 55 außerhalb der Maschine. Die Stifte 75 werden in die Aufnahmen 68 eingeführt. Da sich diese über einen größeren Bereich als 180° erstrecken, werden die Stifte in diesem gehalten und die einzige Bewegungsmöglichkeit für die Stifte 75 ist in einer parallel zur Längsachse des Bohrfutterteils 62 gegeben.

ίο Eine Sicherung 78 wird in die Ringnut 79 des Bohrfutterteils 62 eingesetzt. Dieser Ring verhindert ein Herausgleiten der Stifte 75 aus den Aufnahmen 68. da der Sicherungsring im Bereich der Schulter 77 der Stifte 75 liegt. Der Schaft des Schneidwerkzeugs 55 wird dann eingesetzt und der Haltering 70 in den Bohrkopf 51 eingeschraubt. Eine Abwärtsbewegung der Stifte 75 wird durch die Schulter 69 unterbunden.

Im Betrieb arbeitet das Ausführungsbeispiel gemäß den K ι g. 4 und 5 im wesentlichen wie das in den I ι g. I

M bis 3 gezeigte. Die Stifte 75 übertragen das Drehmu ment vom Bohrfutterleil 62 auf das Schneidwerkzeug 55. wenn dieses in Bohrrichlung gedreht wird. In den entgegengesetzten Rotationsrichtung wird das Drehmoment über die Seiten 57 und 67 der Vorsprünge 56

2^ und Nuten 65 übertragen. In beiden Rotaiionsrichlun· gen kann das Schneidwerkzeug 55 axial hin und her gleiten.

Aw der vorstehenden Beschreibung ist offensichtlich, daß die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben voll

Jo gelöst worden sind. Wenn die Kupplung beschädigt wird, wird nicht gleich der gesamte Bohreinsat/ zerstört. Die Anordnung der Stifte erlaubt einen Austausch derselben auf einfache Weise, falls irgendeiner oder mehr derselben ausgetauscht werden muß.

J5 Dies ist ein weitgehender Vorteil gegenüber den üblichen Keilnutkupplungen, bei denen der Ausfall eines Teils die gesamte Vorrichtung unbrauchbar macht. Die Verwendung von nichtmetallischen Stiften bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß bei einer nicht genauen Einpassung von Bohrfutter und Schneidwerkzeug die Flexibilität der nichtmetallischen Stifte einen gewissen Ausgleich vornimmt, womit eine gleichmäßige Belastung sämtlicher Übertragungselemente erreicht wird. Auch dies bietet gegenüber den üblichen Keilnutverbin düngen einen wesentlichen Vorteil, da dort nur einzelne Übertragungselemente belastet werden, wenn keine genaue Einpassung erfolgt. Gleichzeitig dämpfen die nichtmetallischen Stifte Vibrationen, welche zwischen der Maschine und dem Schneidwerkzeug entstehen

so können. Die Verwendung einer solchen erfindnngsgemäßen Kupplung bei Gesteinsbohrmaschinen reduziert die Reibung durch die Verwendung eines Materials mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Bohrfutter durch die Beseitigung eines direkten Kontaktes von Metali zu Metall während des Bohrbetriebes, wodurch die Möglichkeit des Verschweißens von Schneidwerkzeug und Bohrfutter reduziert wird. Daher können bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kupplung stärke re Maschinen, mit dem Ergebnis schnellerer Bohrungen, verwendet werdea

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kupplung zur Drehverbindung zweier axial ausgerichteter Elemente, von denen das eine Element in das hohl ausgebildete andere Element axial einschiebbar ist, mit zwischen den beiden Elementen angeordneten Stiften zum Obertragen eines Drehmoments von dem einen Element auf das andere, wobei eines der Elemente eine Reihe von axialen Vorsprüngen und das andere eine Reihe von axialen Nuten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (40; 75) derart zwischen den beiden Elementen (13, 25; 55, 62) angeordnet sind, daß das Drehmoment in der einen Drehrichtung durch ausschließliche Druckbelastung der Stifte (40; 75) und in der anderen Drehrichtung bei entlasteten Stiften (40; 75) durch aneinanderliegende Flanken der Vorsprünge (!6; 56) und Nuten (27; 65) übertragbar ist

2. Kupplung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, tlaß die Stifte (40; 75) auch nichtmetallischen! Material bestehen.

3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (16; 56) am ersten Element (13; 55) und die Nuten (27; 65) am zweiten Element (25; 62) so bemessen sind, daß sie in der Drehrichtung, in welcher da* Drehmoment mi'tels der Stifte (40; 75) übertragbar ist, ohne gegenseitigen Kontakt bleiben.

A. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (40; 75) zylindrisch sind und die Vorspn-sige (16; 56) und Nuten (27; 65) bogenförmige Abschnitte (19, 31; 58, 68) zum Einlegen der Slifte (40; Ii) bei der durch sie erfolgenden Übertragung des Drehmomentsaufweisen.

5. Kupplung nach den Ansprüchen 1 bis 4, für Gesteinsbohrwerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element ein Bohrmeißelschaft und das zweite Element das Bohrfutter einer Gestcinsbohrmaschine sind.