DE2341003A1

DE2341003A1 - Hochleistungs-drehmomentkupplung

Info

Publication number: DE2341003A1
Application number: DE19732341003
Authority: DE
Inventors: Herbert Alton Rundell
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1972-08-14
Filing date: 1973-08-14
Publication date: 1974-02-28
Also published as: NO141066B; AU5856673A; GB1405351A; FR2196691A5; SU586849A3; US3823607A; IT992942B; JPS4946782A; CA985922A; NO141066C; JPS5641048B2; YU36072B; YU220273A

Description

Patentassessor Hamburg, den 13.8.1973

Dr. Gerhard Schupfher 770/Pr

Deutsche Texaco A. G.

2000 Hamburg 76 T 73 O63 (D-72,643-P)

Sechslingspforte 2

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION

135 East 42nd Street / New York, N.Y. 10017

U.S.A.

Ho chleistungs-Drehmomentkupplung

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Drehmomentkupplung, insbesondere zur Verbindung einer drehmomentbelastenden Über-' tragungswelle mit einem seitlichen Antrieb«

In Verbindung mit Ölbohrungsarbeiten und ähnlichen Aktivitäten hat es sich herausgestellt, daß eine Hochleistungs-Kupplung, die auch noch empfindbar für dynamische Drehmomentmessungen ist, einen großen Spannungswert aufweist. Während

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ORIGINAL INSPECTiD

schon in der US-PS 3 295 367 eine Drehmomenten-Meßeinrichtung vorgeschlagen und beschrieben wurde, weist diese doch den Nachteil auf, daß sie nur in einer longitudinal- oder axial-orientierten Verbindung innerhalb einer Antriebswellenkupplung anwendbar ist. Obgleich dieser Nachteil in der US-PS 3 599 482 überwunden wurde, weist die dort genannte Vorrichtung noch den Nachteil auf, daß sie zwei separate Kettenantriebsverbindungen benötigt, obwohl beide Getriebe sehr nahe zueinander angeordnet sind.

Daher ist es Ziel der Erfindimg, eine Kupplungsanordnun? zu schaffen, die unmittelbar auf einer Welle angeordnet werden kann, wobei diese Anordnung einen seitlichen Antrieb beinhaltet und einen einheitlichen kompakten Aufbau für die Drehmoment-Messung aufweist. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, eine drehmomentmessende Kupplungseinrichtung für die Antriebswelle einer Drehtisch-Bohranlage zu schaffen, mit der ein direktes seitliches Kuppeln des Antriebes, mittels eines Kettentriebes oder dergleichen, ermöglicht wird.

Die Drehtisch-Bohranlage weist eine Antriebswelle mit einem freien Keilwellenende auf. Die Kupplungseinrichtung weist eine Dr*ehwelle auf, die eine innenverzahnte Kupplungs-Hülse an ihrem einen Ende aufweist, mit der die Kupplungseinrichtung auf dem freien Keilwellenende der Antriebswelle der Drehtisch-Bohranlage aufgesetzt wird. Weiterhin weist die Kupplungseinrichtung eine Drehmoment-Meßeinrichtung auf der

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Drehwelle zur Messung der Größe der relativen Winkel-Versetzung vom anderen Ende der Kupplungs-Hülse zu einem Ort, der in axialer Richtung eine wesentliche Entfernung von dem vorgenannten Ende entfernt liegt, auf. Die Drehmoment-Meßeinrichtung weist außerdem ein Paar Rotore und ein Paar Statore auf. Die dynamische Drehmoment-Meßeinrichtung weist eine Hochleistungs-Verbindungsmuffe, die fest mit der Drehwelle am anderen Ende der Kupplungs-Hülse angeordnet ist, auf. Die Verbindungsmuffe nimmt einen der beiden Rotore auf, um diesen Rotor und das genannte Ende in der gleichen relativen Winkelstellung zueinander unter allen Belastungsbedingen zu halten. Die Drehmoment-Meßeinrichtung weist außerdem radiale Speichen auf, die integral mit der Drehwelle an dem vorgenannten, in axialer Richtung entfernt liegenden Ort verbunden sind. Die Speichen nehmen den anderen Rotor auf, um diesen und den genannten Ort der Drehwelle zu jeder Zeit JLn der gleichen relativen Winkelstellung zu halten. Die Verbindungsmuffe weist am Umfang sich erstreckende Schlitze im Muffenkörper auf, um zu ermöglichen, daß die Speichen dort hindurchpassen und eine maximale Verdrehung unter Vollast ermöglichen, ohne daß die Schlitze mit den Speichern in Kontakt kommen. Außerdem weist die Drehmoment-Meßeinrichtung ein Gehäuse für die Aufnahme der beiden Statore auf. Das Gehäuse ist von Kugellagern gestützt, die auf der Verbindungsinuffe angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung., aus der sich weitere

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erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 einen schematischen Gesamtplan einer

Drehtisch-Bohranlage in der Draufsicht und

Figur 2 in vergrößertem Maßstab, teilweise in

Schnittdarstellung, die erfindungsgemäe Kupplungseinrichtung zur Drehmoment-Messung.

Figur 1 sind schematisch in der Draufsicht die verschiedenen herkömmlichen Elemente einer Drehtisch-Bohranlage dargestellt * Eine Drehtisch-Anlage 11 weist eine Welle 12 für den Antrieb eines Drehtisches 13 in herkömmlicher Weise auf. Das freie überkragende Ende der Welle 12w3ist eine dynamische drehmomentmessende Kupplungseinrichtung 16 gemäß der Erfindung auf. Diese Anordnung ermöglicht die Anlegung einer von einer Bohrwinde 17 abgegebenen seitlich angreifenden Antriebskraft. Als Übertiagingselement der Antriebskraft von der Bohrwinde 17 auf die Kupplungseinrichtung kann ein herkömmliches Element, wie z. B. eine Antriebskette 18 verwendet werden, die mit gestrichelten Linien in der Figur 1 dargestellt ist.

Die Antriebskraft für die Bohrwinde kann auf übliche Weise erzeugt werden, z. B. durch die Verwendung einer Anzahl Antriebsmaschinen 21, 22, 23. Außerdem sind noch für die Bohrarbeiten benötigte Hilfsaggregate, z. B. ein Paar Pumpen 24, 25, dargestellt.

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In Figur 2 sind die Details der Drehmoment-Kupplungseinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. In der Figur 1 ist diese Kupplungseinrichtung mit der Bezugszahl 16 versehen. Die Anordnung der Kupplungseinrichtung 16 auf der überkragenden Welle 12 kann auf jede herkömmliche Art erfolgen, bei der sichergestellt ist, daß die Drehkraft ohne Spiel innerhalb der Verbindung übertragen wird. So kann z. B. diese Verbindung durch eine Keilwellen-Verbindung am Ende der Welle 12 erfolgen.

Die Kupplungseinrichtung 16 weist eine zentrale Welle 28 auf, die ein freies Ende 29 gegenüber dem Befestigungsende

30 aufweist. Das Befestigungsende 30 ist als Kupplungs-Hülse

31 ausgebildet. Der Innendurchmesser der .Kupplungs-Hülse ist zur Aufnahme des Keilwellen-Endes der Welle 12 mit entsprechenden Nuten in herkömmlicher Weise versehen (nicht dargestellt).

Die Kupplungseinrichtung 16 weist außerdem ein Getrieberad auf, daß zur Aufnahme einer Kette (nicht dargestellt) mit Zähnen 36 versehen ist, so daß eine seitliche Antriebskraft erzeugt bzw. übertragen werden kann. Das Getrieberad 35 ist fest mit dem inneren Ende einer Hochleistungs-Verbindungsmuffe 39, die die zentrale Welle 28 umgibt, verbunden, wobei das andere Ende fest in zwangsläufiger Weise mit dem Ende der zentralen Welle 28 verbunden ist.

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Die feste Verbindung der Verbindungsmuffe 39 mit dem Wellen-Ende 29 kann in jeder angemessenen Weise erfolgen. Vorzugsweise wird die Verbindung durch Schweißen, wie es mit der Schweißnaht 38 in der Figur 2 dargestellt ist, gesichert.

Eine Nabe 40 ist mit dem Getrieberad 35 verbunden. Die Nabe 40 weist zur Aufnahme des Getrieberades eine Außenkerbe 41 sowie zur Verbindung der Nabe 40 mit dem Getrieberad 35 eine Anzahl Schraubbolzen (nicht dargestellt), die durch Durchgangslöcher 42 im Getrieberad 35 in entsprechend korrespondierende Durchgangsgewinde 42a in der Nabe geschraubt werden, auf. Die Nabe 40 ist mit der Verbindungsmuffe 39 durch eine Schweißnaht, wie aus der Zeichnung zu ersehen, verbunden.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Verbindungsmuffe 39 von ausreichender Dicke ist, um die hohen Drehmomente aufzunehmen, die eine geringe winkelförmige Versetzung, d.h. Verdrehung der Verbindungsmuffe des einen Endes bezüglich des anderen Endes bewirken. Weiterhin soll darauf hingewiesen werden, daß unter der auftretenden hohen Torionsbelastung die Welle 28 ebenfalls eine geringe winkelmäßige Versetzung zwischen dem freien Ende 29 und einem Bezugsort 52, der nachfolgend noch näher beschrieben wird, erfährt. Vorzugsweise ist bei gegebener Torsionsbelastung die winkelmäßige Versetzung in der Verbindungsmuffe 39 gleich der entsprechenden Versetzung in der zentralen Welle 28.

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Die Kupplungseinrichtung 16 ist mit einer dynamischen Torsions- bzw. Drehmoment-Meßeinrichtung 45 assoniiert. Die Einrichtung entspricht z. T. Jener, die in den US-PS 3 295 367 und 3 599 482 beschrieben ist. Jedoch ist der Aufbau bedeutend kompakter, da die beiden Wechselstrom-Generatoren innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, anstelle einer separaten Anordnung über die Drehmomente-Wellen-Entfernung, angeordnet sind.

elektrotechnischen Aspekte der Torsions-Meßeinrichtung

sinjd identisch mit der Meßeinrichtung, wie sie in der US-PS 3 295 367 beschrieben und beansprucht wurde und in diesem Zusammenhang nicht wiederholt zu werden braucht. In der vorliegenden Erfindung weist der eine Wechselstrom-Generator einen Rotor 43 auf, der sicher an der Verbindungsmuffe 39 befestigt ist und jederzeit mit dieser die Drehbewegung ausführt; ebenso ist ein Stator 44 vorgesehen, der mit dem Rotor 43 zur Erzeugung eines Wechselstrom-Signals, wie es in den vorgenannten US-Patentschriften detailliert offenbart ist, kooperiert.

Ein Gehäuse 47, das den Stator 44 hält, ist aus der Figur 2 weiterhin ersichtlich. Ebenso ist an der anderen Seite des Gehäuses 47 ein gleichausgebildeter Stator 48 befestigt. Dieser Stator 48 kooperiert mit einem anderen Rotor 49 zur Erzeugung eines anderen Wechselstrom-Signals.

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Diese Wechselstrom-Generatoren bilden die Basis zur Messung der Torsion aufgrund der Phasenverschiebung zwischen den Wechselstrom-Signalen der beiden Wechselstrom-Generatoren.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Winkelstellung des Rotors 43 identisch gehalten wird mit der Winkelposition der Verbindungsmuffe 39 an dem Bezugspunkt 60. Diese Identität wird durch eine feste Verbindung zwischen dem Rotor 43 und der Verbindungsmuffe 39 beim Bezugspunkt 60 erreicht.

Die Identität der Winkelstellung des anderen Rotors 49 mit

ist der Winkelstellung der Welle 28 am Bezugspunkt 52/auf der Welle 28 hergestellt. Der Bezugspunkt 52 ist axial eine wesentliche Distanz vom Ende 29 der Welle 28 entfernt, um eine Torsionsbelastung zur Messung der physischen Verdrehung der Verbindungsmuffe 39 und der Welle 28 zwischen diesen Bezugspunkten zu ermöglichen.

Der Rotor 49 ist sicher mit der Welle 28 am Bezugspunkt 52 durch radial sich erstreckende Elemente oder Speichen 53 verbunden. Die Speichen tragen den Rotor 49, indem sie sich radial durch die Verbindungsmuffe 39 hindurch in einer korrespondierenden Anzahl Schlitzen 56 erstrecken. Obgleich es nicht unmittelbar aus der Zeichnung ersichtlich ist, soll darauf hingewiesen werden, daß sich diese Schlitze 56 am Umfang dergestalt erstrecken, daß Raum für die Speichen 53 geschaffen ist. Dieser Raum bzw. dieses Spiel muß so ausreichend gewählt werden, daß eine maximale Verdrehung oder

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winkelmäßge Versetzung zwischen der Welle 28 und der Verbindungsmuffe 39 ermöglicht wird. Die Summe der Verdrehung bzw. winkelmäßigen Versetzung der Verbindungsmuffe 39 am Bezugspunkt 60 zum freien Ende 29 und die winkelmäßige Versetzung der Welle 28 vom freien Ende 29 zum Bezugspunkt 52 ist das Maß für auf die Kupplungseinrichtung 16 einwirkende Torsion aufgrund des einwirkenden Drehmomentes und, wie schon vorher beschrieben, kann der Ausschlag einer solchen Vernetzung direkt aus der Phasendifferenz zwischen den Weciselstrom-Signalen, die in Jedem der Rotor-Stator-Elemente 43/44 bzw. 49/48 erzeugt werden, ermittelt werden.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß das Gehäuse 47, an dem die Statoren 44 und 48 befestigt sind, bezüglich der Welle 28 und der Verbindungsmuffe 29 frei drehbar angeordnet ist. Diese freie Drehbarkeit wird durch Verwendung von Kugellagern 59 mit einem niedrigen Reibungsbeiwert erreicht. In Betrieb verbleibt das Gehäuse 47 in stationärer Lage, während die Verbindungsmuffe 39 und die Welle 28 sich darin drehen.

L iNSPECTED

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Claims

T 75 063 ANSPRÜCHE

1. Sochleistungs-Drehmomentkupplung, insbesondere zur Veraindung einer drehmomentbelasteten Übertragungswelle mit einem seitlichen Antrieb, zur Messung der Torsionsbelastung, gekennzeichnet

durch eine erste Einrichtung zur Übermittlung der hohen Torsionsbelastung des seitlichen Antriebes,

durch eine zweite Einrichtung zur dynamischen Messung der Größe der relativen winkelmäßigen Versetzung zweier in axialer Richtung eine wesentliche Distanz entlang der die Torsionsbelastung übermittelnden Einrichtung voneinander entfernt liegender Bezugspunkte (60, 52) und

durch eine dritte Einrichtung, die einen integralen

zur Verbindung

Bestandteil der Übertragungswelle (12)/des seitlichen Antriebes bildet.

2« Hochleistungs-Drehmomentkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erstge-

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nannte Einrichtung zur Übermittlung der Torsionsbelastung eine Welle (28) aufweist, die axial von einer Verbindungsmuffe (39) umfaßt ist, wobei die Verbindungsmuffe (39) an einem freien Ende (29) der Welle (28) befestigt ist, daß die dritte Einrichtung ein Getrieberad (35) aufweist und daß das Getrieberad (35) fest mit der Verbindungsmuffe (39) an einem Bezugspunkt (60), der axial abgesetzt und eine Distanz vom freien Ende (29) der Welle (28) nach innen entfernt liegt, verbunden ist.

3. Hochleistungs-Drehmomentkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bezugspunkt (60) auf der Verbindungsmuffe (39) zwischen dem Getrieberad (35) und dem freien Ende (29) der Welle (28) sich befindet und daß der zweite Bezugspunkt (52) auf der Welle (28) vom freien Ende (29) der Welle (28) nach innen entfernt liegt.

4. Hochleistungs-Drehmomentkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine dynamische Torsions-Meßeinrichtung mit einem Paar Rotore (43,49) und einem Paar Statore (44, 48) beinhaltet, daß eine Einrichtung zur Befestigung des ersten Rotors (43) an der Verbindungsmuffe (39) am ersten Bezugspunkt (60) vorgesehen ist, daß eine Einrichtung zur Befestigung des zweiten Rotors (49) mit der Welle (28) am zweiten Bezugspunkt

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(52) vorgesehen ist und daß ein gemeinsames Gehäuse (47) zur Befestigung der Statoren (44, 48) vorgesehen ist.

5, Hochleistungs-Drehmomentkupplung nach

Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Verbindungsmuffe (39) befestigte erste Rotor (43) stets in der gleichen relativen winkelmäßigen Versetzung wie der erste Bezugspunkt (60) auf der Verbindungsmuffe (39) sich befindet und daß die zweite Rotor-Befestigungseinrichtung eine radial, in Form von Speichen (53) sich erstreckende Einrichtung zur Befestigung des zweiten Rotors an der Welle (28) dergestalt vorgesehen ist, daß der zweite Rotor (49) stets die gleiche winkelmäßige Versetzung wie die Welle (28) am zweiten Bezugspunkt (52) aufweist,

6, Hochleistungs-Drehmomentkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmuffe (39) auf ihrem Umfang Schlitze (56) aufweist, durch die die Speichen (53) dergestalt hindurchgehen_} daß eine relative winkelmäßige Bewegung zwischen den Speichen (53) und der Verbindungsmuffe (39) bei Torsionsbelastung erfolgt.

7, Hochleistungs-Drehmomentkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet , daß das gemeinsame Gehäuse (47) zwecks

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freier Drehbewegung der Verbindungsmuffe (39) und der Welle (28) relativ zum Gehäuse (47) Kugellager (59) mit niedrigem Reibungsbeiwert beinhaltet.

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