DE2917331A1

DE2917331A1 - Direktantrieb fuer tiefbohrmeissel o.dgl. in einem bohrloch arbeitende werkzeuge

Info

Publication number: DE2917331A1
Application number: DE19792917331
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Juergens; Jakob Laukart; Alfred Ostertag
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Norton Christensen Inc
Priority date: 1979-04-28
Filing date: 1979-04-28
Publication date: 1980-11-06
Also published as: FR2465868B1; GB2047778A; FR2465868A1; BE883002A; DE2917331B2; GB2047778B; DE2917331C3

Description

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Direktantrieb für Tiefbohrmeißel od.dgl. in einem Bohrloch arbeitende Werkzeuge

Die Erfindung betrifft einen Direktantrieb für Tiefbohrmeißel od.dgl. in einem Bohrloch arbeitende ■ Werkzeuge der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Die bei einem bekannten Direktantrieb dieser Art vorgesehene Verriegelungsvorrichtung wird in den Fällen zur Blockierung der mit dem Werkzeug verbundenen Antriebswelle im Lagergehäuse verwendet, jn denen das Werkzeug, insbesondere ein Tiefbohrmeißel, sich im Bohrbetrieb in der Formation aus irgendwelchen Gründen festgesetzt hat. Ein weiterer Drehantrieb des Meißels durch den Direktantrieb ist dann ausgeschlossen, da mit dem Meißel auch dessen Antriebswelle und der mit dieser verbundene Rotor des Direktantriebs festgesetzt sind. Die durch die Verriegelungsvorrichtung herbeigeführte Verriegelung der Antriebswelle mit dem Lagergehäuse ermöglicht jedoch eine Drehmomentübertragung vom Lagergehäuse auf die Antriebswelle und damit auf das festgeklemmte Werkzeug. Die Drehbewegung des Lagergehäuses, die der normalen Drehrichtung des Werkzeugs im Bohrbetrieb entgegengerichtet ist, wird von dem in bekannter Weise über dem Bohrloch installierten

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Drehtisch über das Bohrrohrgestange und den Stator des Antriebs in das Lagergehäuse eingeleitet. Die hierbei zum Lösen des festgeklemmten Werkzeugs bzw. Meißels aufzubringenden Drehmomente sind beträchtlich, so daß an die Verriegelungsvorrichtung hohe Anforderung hinsichtlich ihrer Punktionsfähigkeit und ständigen Betriebsbereitschaft gestellt werden müssen. Insbesonde muß aber gewährleistet sein, daß nicht im normalen Bohrbetrieb unbeabsichtigt die Verriegelungsvorrichtung die Blockierung der Antriebswelle bzw. deren Verriegelung mit dem Lagergehäuse herbeiführt.

Die Erfindung erreicht dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Dadurch, daß bei dieser Ausgestaltung der gegenseitige Verriegelungseingriff von Antriebswelle und Lagergehäuse durch deren axiale Relativbewegung herbeiführbar ist, ist eine einfache und sichere Betätigungsmöglichkeit für die Verriegelungsvorrichtung gegeben, indem im Falle eines Festklemmens des Werkzeugs in der Formation mit Hilfe der in bekanter Weise über dem Bohrloch angeordneten Hebevorrichtung eine aufwärtsgerichtete Axialkraft über das Bohrrohrgestänge und den Stator des Direktantriebs in das Lagergehäuse eingeleitet wird. Diese Zugkraft kann ohne weiteres so groß bemessen werden, daß der sichere Verriegelungseingriff der Gesperrehülsai ungeachtet der im Bohrbetrieb auf-

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tretenden, z.B. durch die Spülflüssigkeit bzw. Bohrschlamm verursachten, Widerstände stets gewährleistet ist Andererseits ist durch die Sicherungsvorrichtung gewährleistet, daß der gegenseitige Verriegelungseingriff der Gesperrehülse nicht im Bereich solcher aufwärtsgerichteter Axialkräfte ausgelöst wird, die in der Größenordnung der üblicherweise im Bohrbetrieb auftretenden Kräfte liegen. Vielmehr wird nach der Erfindung dieser Verriegelungseingriff erst nach überwinden des von der Sicherungsvorrichtung der Eingriffsbewegung der beiden Gesperrehülsen entgegengesetzten Widerstands durch eine in der Anlage über dem Bohrloch entsprechend voreingestellte aufwärtsgerichtete Axialkraft ausgelöst. Ungeachtet dessen besteht die Möglichkeit durch eine entgegengerichtete Relativbewegung den Verriegelungseingriff im Bedarfsfalle auch unschwer wieder aufzuheben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die beiden Gesperrehülsen gemeinsam ein Reibgesperre bilden. Statt dessen können die beiden Gesperrehülsen gemeinsam ein Gesperre mit in formschlüssigen gegenseitigen Eingriff bringbaren Verriegelungsgliedern bilden und dabei insbesondere als Zahngesperre oder Klauengesperre ausgeführt sein.

Die Sicherungsvorrichtung kann zumindest ein Abscherglied umfassen, das bei der vorbestimmten Axialkraft

abschert und die Gesperrehülsen für eine Eingriffsbewegung freigibt. Die Sicherungsvorrichtung kann

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statt dessen von einer Klemmhülse gebildet sein, die zwischen dem oder den Innenringen eines Axiallagers und der Antriebswelle angeordnet ist und diese Teile durch wechselseitigen Klemmeingriff gegen Relativbewegungejn festlegt, wobei der Klemmeingriff durch die vorbestimmte Axialkraft für eine Freigabe der Eingriffsbewegung der beiden Gesperrehülsen überwindbar ist. Eine in dieser Weise ausgebildete Sicherungsvorrichtung ist im Gegensatz zu einer mit Schergliedern arbeitenden Sicherungsvorrichtung auch nach dem Freiwerden des Meißels weiterhin verwendbar, da für das dann nötige Lösen der Gesperrehülsen aus ihrem Verriegelungseingriff lediglich eine entgegengesetzte, nach unten gerichtete Axialkraft zur Überwindung des Klemmeingriffs der Klemmhülse aufgewandt zu werden braucht.

In gleicher Weise nach dem Freiwerden des Werkzeugs weiterverwendbar ist eine weitere Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung, die von einer mit der Antriebswelle verschraubten und gegen Verdrehen gesicherten Hülse und einer mit dieser zusammenwirkenden, elastisch verformbaren Gegenhülse gebildet ist.

Hierbei wird das Ausrasten der Gesperrehülsen nach dem Freiwerden des Werkzeugs durch dessen Aufsetzen auf die Bohrlochsohle erreicht, wobei unter der Bohrstranglast die Antriebswelle und die mit dieser verschraubte Hülse in die Ausgangsstellung zurückgeschoben werden und die

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Gegenhülse eine elastische Rückstellung erfährt.

Zahlreiche weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigens

Fig. 1a,1b gemeinsam in einem Axialschnitt einen u.1c

erfindungsgemäßen Direktantrieb für

Tiefbohrmeißel od.dgl. in einem Bohrloch arbeitende Werkzeuge, wobei die Fig. 1a in einem vollen Axialschnitt dargestellt ist, während die Fig. 1b und 1c jeweils in einem halben Axialschnitt dargestellt sind und untere Verlängerungen der Fig. 1a bilden,

Fig. 2a in einer Darstellung entsprechend den

Fig. 1b und 1c, jedoch in größerem Maßstab, den die Verriegelungsvorrichtune und die Sicherungsvorrichtung umfassendei Bereich des Direktantriebe, wobei sich die Verriegelungsvorrichtung und die Sicherungsvorrichtung in ihrer nicht verriegelten bzw. unausgelösten Stellung befinden,

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Fig. 2b ' eine Darstellung entsprechend Fig. 2a, wobei sich jedoch die Verriegelungsvorrichtung und die Sicherungsvorrichtung in ihrem verriegelten bzw. ausgelösten Zustand befinden,

Fig. 2c einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig.

Fig. 3a Darstellungen entsprechend den Fig. 2a und u. 3b

2b zur Veranschaulichung je einer weiteren

Ausführungsform der Verriegelungsvorrichtu:

und der Sicherungsvorrichtung,

Fig. 3c einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig.3 Fig. 4a Darstellungen entsprechend den Fig. 2a und

2b bzw. 3a und 3b wiederum zur Veranschaulichung je einer weiteren Ausführungs form der Verriegelungsvorrichtung und der Sicherungsvorrichtung,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch den die Verriegelungsvorrichtung und die Sicherungsvorrichtung umfassenden Bereich des

Direktantriebs ^r- ·. -^-—: -^—r-—zur

Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Sicherungsvorrichtung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch den Direktantrieb im Bereich der Sicherungsvorrichtung nach Fig. 5,

Fig. 7,8 je eine Abwandlung der Sicherungsvoτ η. 9

richtung nach den Fig. 5 und 6,

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Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines DLrektantriebs in einem Axialschnitt, wiederum mit einer abgewandelten Sicherung vorrichtung, wobei die Verriegelungsvorrichtung und die Sicherungsvorrichtung in der rechten Hälfte der Fig. 10 im unverriegelten bzw. unausgelösten Zustand und in der linken Hälfte der Fig. 10 im verriegelten bzw. ausgelösten Zustand dargestellt sind,
Fig. 11 eine schaubildliche Darstellung einer

dem Lagergehäuse zugeordneten Gesperrehülse,

Fig. 12 eine Ansicht einer mit der Gesperrehülse nach Fig. 11 zusammenwirkenden, der Antriebswelle zugeordneten Gesperrehülse,

Fig. 13 eine Draufsicht auf die Gesperrehülse nach Fia. 12,

Fia. 14,15 Darstellungen entsprechend den Fig. 11, u.16

12 und 13 zur Veranschaulichung eines

abgewandelten Ausführungsbeispiels der beiden zusammenwirkenden Gesperrehülsen,

Fig. 17 die Sicherungsvorrichtung nach Fig. 10

in einem halben Axialschnitt in vergrößertem Maßstab im unausgelösten Zustand und

Fig. 18 eine Darstellung entsprechend Fig. 17 bei im Auslösezustand befindlicher Sicherungs-

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- 14 Vorrichtung.

Wie zunächst aus den Fig. 1a, 1b und 1c ersichtlich ist, umfaßt der Direktantrieb für Tiefbohrmeißel-od.dgl. in einem Bohrloch arbeitende Werkzeuge einen Stator und einen Rotor 2, die in an sich bekannter Weise zwischejn sich einen Arbeitsraum begrenzen, wobei Spülflüssigkeit als Arbeitsmedium durch den Bohrrohrstrang abwärtsgepumpt wird und mit hohem Druck in den Arbeitsraum eintritt, durch den es einen sehraubenlinienförmigen Weg erfährt und wobei ein Teil der Druckenergie des Arbeitsmediums in Rotationsenergie für das Werkzeug umgewandelt wird.

Der Rotor 2 ist über eine Gelenkwelle 3 und ein sich an dieses anschließendes ümlenkrohrstück 4 für die Spülflüssigkeit mit einer mit diesem verschraubten Antriebswelle 5 in Form einer Hohlwelle verbunden. Die Antriebswelle 5 trägt an ihrem unteren Ende als Werkzeug einen Meißel 6, der durch die Meißelanschlußvorrichtung versinnBildlicht ist.

Der Stator 1 ist mit seinem Statorrohr 7 mit einem Lagergehäuse 8 verbunden, welches die Zwischenwelle 3, das Umlenkstück 4 für die Spülflüssigkeit und die Antriebswelle 5 koaxial umgibt und ein sich unmittelbar

an das Statorrohr 7 anschließendes Zwischenrohr 9, ein mit diesem verschraubtes Hauptrohr 10 im Bereich eines

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Axiallagers 11 und ein unteres Trägerrohr 12 für ein unteres Radiallaqer 13 der Antriebswelle 5 umfaßt. Ein weiteres Radiallaqer 14 der Antriebswelle 5 ist im qeqenseitiqen Verbindunqsbereich des Zwischenrohrs 9 und des Hauptrohrs 10· >vorqe sehen.

Die Vorschubkraft des Meißels 6 wird von in an sich bekannter Weise oberhalb des Stators 1 anqeordneten Schwerstanqen über das Statorrohr 7 und das Hauptrohr des Laqerqehäuses 8 auf das Axiallaqer 11 übertraqen, welches seinerseits diese aihs Vorschubkraft wirkende Axialkraft auf die Antriebswelle 5 überträgt. Hierzu ist eine Hülse 15 vorgesehen, auf deren oberer Stirnfläche sich die Innenringanordnung 16 des Axiallagers 11 abstützt und die sich ihrerseits mit ihrer unteren Stirnfläche auf einem oberen Stirnflächenbereich einer Gewindehülse 17 abstützt, die mit der Antriebswelle 5 verschraubt ist. Das Radiallager 14 hat zusätzlich die Aufgabe, den Differenzdruck zwischen dem Spülflüssigkeit vorlauf zum Meißel 6 und den Spülflüssigkeitsrücklauf dim Ringraum zwischen Bohrlochwand und Lagergehäuse 8 abzubauen, übliche Differenzdrücke am Meißel 6 liegen zwischen 50 und 80 bar.

In den Antrieb ist ferner eine als Ganzes mit 18 bezeichnete Verriegelungsvorrichtung einbezogen; die im Lagergehäuse 8 angeordnet ist und dazu dient. ..*.

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bei festgeklemmtem Meißel 6 eine Verriegelung zwischen dem Lagergehäuse 8 und der Antriebswelle 5 herbeizuführen. Die Verriegelungsvorrichtung 18 ist von einem Gesperre gebildet, das eine erste, der Antriebswelle 5 zugeordnete Gesperrehülse 19 und eine zweite, dem" Lagergehäuse 8 zugeordnete Gesperrehülse 20 umfaßt, die durch eine axiale Relativbewegung von Antriebswelle 5 und Lagergehäuse 8 in gegenseitigen Verriegelungseingriff bewegbar sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 bilden die beiden Gesperrehülsen 19 und 20 ein Reibqesperre, indem sie einander zugewandte qeqenläufig konische Reibflächenbereiche für einen qeqenseitiqen Reibeingriff aufweisen.Die Gesperrehülse 19 ist mit Hilfe von Paßfedern 21 mit der Hohlwelle 5 verbunden und oberseitig bei 22 auf dieser festgelegt, während sie sich unterseitig auf einer Innenhülse 23 des Radiallagers 14 abstützt, die ihrerseits auf der Innenringanordnung 16 des Axiallagers 11 abgestützt ist, Die Gesperrehülse 20 ist unterseitig auf einer Außenhülse 24 des Radiallagers 14 abgestützt, die mit dem Gewindezapfen 25 des Hauptrohrs 10 des Lagergehäuses 8 fest verbunden, bei dem dargestellten Beispiel verschweißt, ist. Hierdurch ist die Gesperrehülse 20, die außerdem längsgeschlitzt ist, gegenüber der Gesperrehülse 19 axialverschieblich im Lagergehäuse 1O

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- 17 abgestützt.

Eine als Ganzes mit 26 bezeichnete Sicherungsvorrichtung verhindert normalerweise einen gegenseitigen Verriegelungseingriff der Gesperrehülsen 19 und 20, so daß sich im normalen Bohrbetrieb d Je Antriebswelle 5 ungehindert innerhalb des Lagergehäuses 8 für die Rotationsbewegung des Meißels 6 dreht. Die Sicherungsvorrichtung 26 umfaßt bei dem Ausführunsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 eine Ringhülse 27 mit an deren Außenumfang vorstehenden Querstiften 28 sowie eine Gegenhülse 29_f die an den Querstiften 28 angreift. Die Gegenhülse 29 stützt sich hierbei einenends an der äußeren Lagerringanordnung 30 des Axiallagers 11 und anderenends an den als Abscherglieder wirkenden Querstiften 28 der Ringhülse 27 ab. Die Ringhülse 27 wiederum ist unterseitig auf der oberen Ringfläche des Gewindezapfens 31 des Trägerrohrs 12 abgestützt.

In- Fiq. 2a·; ist der Zustand der Verrieqelunqsvorrichtunq 18 einerseits und der Sicherungsvorrichtung 26 andererseits im normalen Bohrbetrieb veranschaulicht, in dem sich die Antriebswelle 5 innerhalb des Lagergehäuses 8 für den Drehantrieb des Meißels 6, der in der Zeichnuni durch die Meißelanschlußvorrichtung der Antriebswelle 5 versinnbildlicht ist, dreht. Bei einem Pestklemmen des Meißels 6 kommen die Antriebswelle, die Gelenkwelle 3

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und der Rotor 2 zum Stillstand. Vom Bohrtisch aus wird nun über das Bohrrohrgestange das Statorrohr 7 und mit diesem das Zwischenrohr 9, das Hauptrohr 10 des Lagergehäuses 8 sowie das untere Trägerrohr 12 für das untere Radiallager 13 nach oben gezogen. Die hierbei aufgewandte aufwärtsgerichtete Axialkraft wird solange gesteigert, bis bei einem vorherbestimmten Wert die an der Ringhülse 27 angebrachten Querstifte 28 abscheren. Hierdurch wird das Hauptrohr 10 des Lagergehäuses 8 und mit ihm das Trägerrohr 12 des unteren Radiallagers 13 sowie das Zwischenrohr 9 und das Statorrohr 7 nach oben gezogen, wobei über die Hülse 24 eine Mitnahme der Gesperrehülse 20 erfolgt, die den gegenseitigen Verriegelungseingriff der Gesperrehülsen 19,20 zur Folge hat. Dieser Verriegelungszustand der Verriegelungsvorrichtung 18 ist in Fig. 2b veranschaulicht. In dieser Stellung kann jetzt mit Hilfe des über dem Bohrloch befindlichen Drehtisches der Bohrrohrstrang und mit diesem das Statorrohr 7 und das Lagergehäuse 8 in Drehung versetzt und das auf diese Weise erzeugte Drehmoment vom Lagergehäuse 8 über die in Blockierstellung befindliche Verriegelungsvorrichtung 18 auf die Antriebswelle 5 bzw. den Meißel 6 übertragen werden. Mit Hilfe eines wesentlich größeren Drehmomentes, als es im normalen Bohrbetrieb vom Direktantrieb aufgebracht werden kann, wird der Meißel 6 durch den beschriebenen Drehvorgang mittels des Drehtisches aus seiner Blockierui

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gelöst. Die Drehbewegung zum Lösen des Meißels ist der Drehrichtung im normalen Bohrbetrieb entgegengesetzt.

Während bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und die Verriegelungsvorrichtung 18 oberhalb und die Sicherungs "vorrichtung 26 unterhalb des Axiallagers 11 angeordnet ist, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3a,3b*und 3c die Anordnung umgekehrt getroffen, indem die Verriegelungsvorrichtung 18 unterhalb und die Sicherungsvorrichtung 26 oberhalb des Axiallagers 11 angeordnet ist. Die Verriegelungsvorrichtung 18 ist hierbei wiederum von einem Reibgesperre gebildet. Die erste, der Antriebswelle 5 zugeordnete Gesperrehülse 19 ist hierbei von der mit der Antriebswelle 5 verschraubten Gewindehülse 17 gebildet, die mit ihrer oberen Stirnfläche die innere Lagerringanordnung 16 des Axiallagers abstützt. Die zweite, dem Lagergehäuse 8 zugeordnete Gesperrehülse 20 ist bei diesem Ausführungsbeispiel von dem Verbindungsgewindezapfen 31 des Trägerrohrs 12 für das untere Radiallager 13 gebildet. Für ihre Wirkung als Reibgesperre weisen die beiden Gesperrehülsen 19,20 bzw. die Gewindehülse 17 und der Gewindezapfen 31 einander zugewandte gegenläufig konische Reibflächenbereiche 32 und 33 auf. Die obere- Stirnfläche des GewindeZapfens 31 stützt über einen .Zwischenring 34 die äußere Lagerringanordnung 30 des Axiallagers 11 ab.

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Die Sicherungsvorrichtung 26 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer Hülse 35, die über Querstifte 36 als Absperrglieder mit einer Hülse 37 verbunden ist, die ihrerseits über eine obere Zwischenhülse 38 mit der Antriebswelle 5 in nicht näher dargestellter Weise verbunden ist. Die Hülse 37 kann mit der Hülse 24 wiederum das Radiallager 14 bilden.

Bei einem Festsitzen des Meißels werden, wie es bereits in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert wurde, beim Erreichen einer bestimmten aufwärtsgerichteten Axialkraft die Querstifte 36 der Sicherungsvorrichtung 26 abgeschert, woraufhin sich das Lagergehäuse 8 und mit ihm das Statorrohr 7 nach oben bewegen, bis die beiden Gesperrehülsen 18 und 19 der Verriegelungsvorrichtung 18 durch Reibeingriff an ihren Reibflächenbereichen 32 und 33 in den gegenseitigen Verriegelungseingriff gelangen. Die Drehmomentübertragungpum Lösen des festsitzenden Meißels erfolat analoa dem Ausführunasbeisoiel nach den Fia. 1 und 2 über das Statorrohr 7 und das Lagergehäuse 8 über den die Gesperrehülse 20 bildenden Gewindezapfen 31 des Träaerrohrs 12 auf die mit der Antriebswelle 5 verschraubte Gewindehülse 17, die die Gesperrehülse 19 bildet. In Fia. 3a ist wiederum der Zustand der Verriegelungsvorrichtung 18 und der Sicherungsvorrichtung 26 im normalen Bohrbetrieb veranschaulicht, während Fig. 3b die Sicherungsvorrichtung

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26 im ausgelösten Zustand und die Verriegelungsvorrichtung 18 im Verriegelungseingriff ihrer Gesperrehülsen 19 und 20 veranschaulicht.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4a und 4b ist wie im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 die Sicherungsvorrichtung 26 oberhalb und die Verriegelungsvorrichtung 18 unterhalb des Axiallagers 11 angeordnet. Die Sicherungsvorrichtung weist gegenüber der nach Fig. 3 keinen funktionsmäßicren Unterschied auf und unterscheidet sich von dieser konstruktiv lediglich dadurch, daß anstelle der Querstifte 36 als Abscherglieder ein Ringflansch 39 am Außenumfang der Hülse 35 ausgebildet ist, auf dem sich die Hülse 37 unterseitig abstützt.

Die Verriegelungsvorrichtung 18 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht von einem Reibgesperre gebildet, vielmehr bilden die beiden Gesperrehülsen 19 und 20 in diesem Fall ein Gesperre mit in formschlüssigen gegenseitigen Eingriff bringbaren Verriegelungsgliedern, und zwar bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Zahngesperre mit einer axialen

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Gesperre-Außenverzahnung/auf der der Antriebswelle zuaeordneten Gesüerrehülse 19 und einer axialen Gesperre- Innenverzahnung 41 an der dem Lagergehäuse 8 zugeordneten Gesperrehülse 20. Die Anordnung und Aus-

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bildung der Sicherungsvorrichtung 18 entspricht im übrigen der anhand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform; insbesondere ist auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gesperrehülse 19 wiederum von der mit der Antriebswelle 5 verschraubten Gewindehülse 17 und die Gesperrehülse 20 vom Gewindezapfen 31 des Trägerrohrs 12 gebildet. Für gleiche Teile werden daher, wie auch schon bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Funktion der Verriegelungsvorrichtung 18 nach Fig. 4 stimmt mit der Funktion der Verriegelungsvorrichtung 18 nach Fig.3 überein, wobei lediglich zu bemerken ist, daß anstelle eines Reibeingriffs von Reibflächen oder Reibflächenbereichen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 im Eingriffszustand der Verriegelungsvorrichtung 18 ein Zahneingriff der Außenverzahnung 40 der Gewindehülse 17 mit der Innenverzahnung 41 des GewindeZapfens 31 des Trägerrohrs 12 erfolgt. Hinsichtlich des jeweiligen Betriebszustandes entsprechen die Fig. 4a und 4b den Fig. 3a und 3b.

Bei den insoweit beschriebenen Ausfuhrungsformen der Sicherungsvorrichtung 26 müssen das Absbherglied bzw. die Abscherglieder durch Auswechseln der entsprechei den Teile erneuert werden, um die Sicherungsvorrichtung weiterverwenden zu können, mit der Aufgabe, eine unbeabsichtigte Eingriffsbewegung der Gesperre-

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hülsen der"Verriegelungsvorrichtun gin den Fällen zu verhindern, in denen die durch den Differenzdruck zwischen dem Antrieb und dem Bohrmeißel erzeugte, aufwärtsgerichtete Axialkraft größer ist als die Vorschubkraft, die über das Bohrgestänge auf den Meißel übertragen wird, was bei bestimmten Bohrbedingungen der Fall sein kann.

Ein solches Auswechseln der Sicherungsvorrichtung vermeidet die in Fig. 5 veranschaulichte Ausführungsform.

Der allgemeine Aufbau des Direktantriebs nach Fig. 5 entspricht den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, so daß für gleiche oder entsprechende Teile wiederum gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Das Lagergehäuse 8 ist wiederum mit dem unteren Radiallager 13, dem oberen Radiallager 14 und dem zwischen diesen angeordneten Axiallager 11 ausgerüstet. Die Verriegelungsvorrichtung 18 ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 als Zahngesperre ausgebildet, wobei die mit der Antriebswelle 5 verschraubte Gewindehülse 17 die Gesperrehülse 19 und der Gewindezapfen 31 die Gesperrehülse 20 bildet. Die äußere Lagerringanordnung 30 des Axiallagers 11 ist.zwischen einem Ring 42 und der oberen Schulter 43 des Gewindezapfens 31 unter Zwischenschaltung einer Zwischenhülse 44 axial festgelegt und vorgespannt.

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Die Sicherungsvorrichtung 26 ist bei diesem Ausführungsbeispiel von einer Klemmhülse 45 gebildet, die zwischen der Innenringanordnung 16 des Axiallagers 11 und der Antriebswelle 5 angeordnet ist, den Ringspalt zwischen diesen Teilen überbrückt und sie durch wechselseitigen Klemmeingriff gegen Relativbewegungen festlegt. Während die äußere Lagerringanordnung 30 des Axialdrucklagers 11 ober- und unterseitiq in das Lagergehäuse eingespannt ist, ist die innere Laqerrincranordnung 16 des Axiallagers 11 nur mit ihrer Unterseite antriebswellenseiticr abgestützt, und zwar auf der oberen Ringfläche bzw. Schulter 46 der Gewindehülse 17.

Diese Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt. Es ist iedoch auch eine umgekehrte Anordnung möglich, bei der die zur Überbrückung eines Ringspaltes ausgebildete Klemmhülse 45 zwischen der äußeren Lagerringanordnung 30 und dem Lagergehäuse 8 angeordnet ist und eine axiale Festsetzung der inneren Lagerringanordnung 16 auf der Antriebswelle 5 erfolgt.

Die Klemmhülse 45 kann einen gewellten oder gezahnten . ... IPmfang aufweisen. Hierbei können die Wellen oder Zähne der Klemmhülse 45 in axialen oder radialen Ebenen verlaufen oder in ■ Form von Gewindegängen ausgebildet sein. Gemäß der Darstellung in Fig. 6 weist die Klemmhülse 45 axial bzw. längsverlaufende abgerundete Wellen

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47 auf. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 sind quer bzw. in radialen Ebenen verlaufende abgerundete Wellen 48 vorgesehen, die den Umfang der Klemmhülse bilden. Eine Abwandlung dieser Ausgestaltung ist in Fig. 8 gezeigt, gemäß welcher die Wellen 48' ein abgeflachtes Profil aufweisen. Gemäß dem Beispiel nach Fig. 9 sind in Form von Gewindegängen verlaufende Zähne 49 am Außenumfang der Klemmhülse 47 ausgebildet.

Im normalen Bohrbetrieb werden die als Vorschubkraft auf den Meißel wirkenden abwärtsgerichteten Axialkräfte vom Lagergehäuse 8 auf die äußere Lagerringanordnung 30 des Axiallagers 11, durch die Kugeln des Axiallagers 11 auf die innere LagerringanOrdnung 16 und durch die Klemmhülse 45 auf die Antriebswelle 5 übertragen. Durch diese Anordnung ist gleichzeitig eine gleichmäßige Lastverteilung auf jedes der übereinander gestapelten Einzellager des Axiallagers 11 erreicht.

Die bei einem Festsitzen des Meißels in der bereits beschriebenen Weise aufgebrachten aufwärtsgerichteten Axialkräfte werden vom Laqerqehäuse 8 auf die Antriebswelle 5 und den Meißel durch das Axiallager 11 und durch die Klemmverbindung zwischen der inneren Lagerringanordnung 16, der Klemmhülse 45 und der Antriebswelle 5 übertragen, wie es in der rechten Hälfte der

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Fig. 5 durch eine Folge von Pfeilen veranschaulicht ist. Sobald diese Axialkräfte die von der Klemmhülse 45 ausgeübte Klemmkraft, die in Fig. 6 durch Pfeile 50 und 51 versinnbildlicht ist, überschreiten, wird eine Aufwärtsbewegung des gesamten Axiallagers ti gegenüber derAntriebswelle 5 hervorgerufen. Die Axialkraft, die den von der Klemmhülse 45 bewirkten Klemmeingriff überwindet, kann zumindest in ihrer Größenordnung derart vorherbestimmt sein, daß ein unbeabsichtigtes Überwinden des Klemmeinqriffs der Klemmhülse 45 im normalen Bohrbetrieb nicht stattfindet. Durch Überwinden des Klemmeingriffs der Klemmhülse 45 erfolgt die Freigabe der Eingriffsbewegung der beiden Gesperrehülsen 19,20 der Verriegelungsvorrichtung 18, die in der linken Hälfte der Fig. 5 in dem eine Drehmomentübertragung zwischen Lagergehäuse 8 und Antriebswelle 5 ermöglichenden Verriegelungseingriff qezeigt sind.

Nach dem Freiwerden des festaesetzten Bohrmeißels kann die sich in Verriegelungs- bzw. Blockierstellung befindliche Verriegelungsvorrichtung 18 auf einfache Weise dadurch entriegelt werden, daß das Lagergehäuse 8 mit einer abwärtsgerichteten Axialkraft beaufschlagt wird, die größer ist als die mittels der Klemmhülse zwischen der inneren Lagerringanordnung 16 und der Antriebswelle 5 erzeugte Klemmkraft. Bei überschreiten

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dieser Klemmkraft gleiten das Lagergehäuse 8 und das Axiallager 11 abwärts, bis letzteres auf der oberen Ringfläche bzw. Schulter 46 der Gewindehülse 17 aufsitzt. Hierdurch werden die Verriegelungsvorrichtung und die Sicherungsvorrichtung 26 in ihre in der rechten Hälfte der Fig. 5 veranschaulichte Ausgangsstellung zurückgeführt, in der die Verriegelungsvorrichtung 18 die freie Drehung der Antriebswelle 5 im Lagergehäuse 8 zuläßt und die Sicherungsvorrichtung 26 erneut ihre Sicherungsfunktion ausübt, ohne daß hierfür vorher Reparaturarbeiten hätten ausgeführt werden müssen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer in gleicher Weise nach einem ersten Arbeitseinsatz weiterverwendbaren bzw. reversiblen Sicherungsvorrichtung ist in den Fig. 10,17 und 18 veranschaulicht. Die allgemeine Ausgestaltung des in Fig. 10 dargestellten Lagergehäuses entspricht der nach den Fig. 5 und 1, so daß insoweit wieder gleiche Bezugszeichen für gleiche und ähnliche Bauteile verwendet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 10,17 und 18 umfaßt die Sicherungsvorrichtung 26 eine Hülse 52, die durch eine Gewindeverbindung 53 mit der Antriebswelle 5 verschraubt und durch eine Paßfeder 54 gegen Verdrehen gesichert ist. Die Hülse 52 bildet bei dem dargestellten Beispiel einen Teil des oberen Radiallagers 14 der Antriebswelle

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Mit der Hülse 52 wirkt eine elastisch verformbare " Gegenhülse 55 zusammen, die bei dem dargestellten Beispiel als längsgeschlitzte Hülsenfeder ausgebildet ist und ein einstückiges Teil des oberen Innenrings der inneren Lagerringanordnung 16 des Axiallagers bildet. Die Form und der Werkstoff der Gegenhülse sind so gewählt, daß eine elastische Verformung der Gegenhülse 55 bei einem Eingriff in die Hülse 52 auch im Langzeitbetrieb gewährleistet bleibt. Die Fläche 57 der Hülse 52 und die Fläche 58 der Gegenhülse 55, an denen beide Hülsen normalerweise in Anlage gehalte sind (vgl. Fig. 17), sind verschleißmindernd behandelt.

Die Verriegelungsvorrichtung 18 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 als Zahngesperre ausgebildet. Fig. zeigt in größerem Maßstab den Gewindezapfen 31 des Trägerrohrs 12 für das untere Radiällaaer 13 der Antriebs welle 5, der zualeich die Gesperrehülse 20 mit der Gesperre-Innenverzahnuna 41 in Form axialer Zähne oder Steae 59 mit abaeschräaten Stirnkanten bildet.

Mit dem die Gesperrehülse 20 bildenden Gewindezapfen 31 " nach Fig. 11 wirkt die die Gesperrehülse 19 bildende Gewindehülse 17 nach den Fig. 12 und 13 zusammen, die ihrerseits die Gesperre-Außenverzahnung 40 in Form axialer Zähne oder Stege 60 mit abgeschrägten Stirnkanten

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für einen Gesperreeingriff mit den Zähnen 59 der Gesperrehülse 20 aufweist. Wie insbesondere aus Fig. 13" ersichtlich ist, sind drei Stege 60 mit einem Winkelabstand von 120° auf dem Außenumfang der Gewindehülse 17 verteilt angeordnet. Eine entsprechende Anordnung besitzen die Stege 5 9 auf dem Innenumfang des Gewindezapfens 31. Diese Ausgestaltung ist sehr robust und mit reichlichem Spiel zwischen den Stegen 59,60 ausgestattet, was Blocki-erungen entgegenwirkt und die Betriebssicherheit einer solchen Verriegelungsvorrichtun über lange Zeit gewährleistet.

Eine Abwandlung eines solchen Gesperres ist in den.Fig. 14 bis 16 veranschaulicht, wonach die Gesperrehülse 20 mit der Gesperrehülse 19 gemeinsam ein Klauengesperre bildet. Hiernach ist entsprechend der Darstellung in Fig. 14 am Innenumfang des Gewindezapfens 31 eine Innenverklauung 61 in Gestalt dreier mit einem Winkelabstand von 120° voneinander angeordneter Klauen 62 gebildet. Mit dem die Gesperrehülse 20 bildenden Gewindezapfen 31 nach Fig. 14 wirkt die die Gesperrehülse 19 bildende Gewindehülse 17 nach den Fig. 15 und 16 zusammen, die an ihrem Außenumfang eine axiale Außenverklauung 63 in Gestalt dreier mit einem mittleren Winkelabstand von 120° angeordneter Klauen 64 für einen Verriegelungseingriff mit den Klauen 62 des Gewindezapfens 31 aufweist. Auch diese Ausgestaltung ist sehr

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robust und weist ausreichendes Spiel zwischen den Klauen 62 bzw. 64 zur Verhinderung von Blockierungen auf.

In Fig. 17 ist die Sicherungsvorrichtung 26 in ihrem normalen Betriebszustand dargestellt, in dem sie der Eingriffsbewegung der Gesperrehülsen 19 und 20 den nur durch die vorbestimmte, aufwärtsgerichtete Axialkraft überwindbaren Widerstand entgegensetzt. Fig. 18 veranschaulicht die Sicherungsvorrichtung 26 in dem Betriebszustand, in dem sie die Gesperrehülsen 19 und 20 für eine gegenseitige Eingriffsbewegung zur Herbeiführung der Blockierung der Antriebswelle 5 bzw. deren Verriegelung mit dem Lagergehäuse 8 freigibt, um in der beschriebenen Weise den festgesetzten Bohrmeißel zu lösen. Hierzu wird wiederum in das Lagergehäuse 8 die vorbestimmte, aufwärtsgerichtete Zugkraft eingeleitet, wie es durch die Folge von Pfeilen in Fig. 18 veranschaulicht ist. Bei Erreichen einer vorbestimmten Zugkraft findet eine axiale Relativbewegung der Gesperrehülsen 19 und 20 statt, wobei die mit der Antriebswelle ! verbundene Hülse 52 durch die über die Antriebswelle eingeleitete Gegenkraft über die Gegenhülse 55 schiebt, die unter entsprechender Krafteinwirkung elastisch verformt wird. Durch die axiale Relatiwerschiebung der Antriebswelle 5, die unter dem axial fixierten Axiallager 11 hindurchschiebt, wird die die Gesperrehülse

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bildende.Gewindehülse 17 in die vom Gewindezapfen 31 gebildete Gesperrehülse 20 eingeschoben, wodurch die gegenseitige Verriegelung des Lagergehäuses 8 mit der Antriebswelle 5 erreicht ist. Der Verschiebeweg der Hülsen im Bereich der Sicherungsvorrichtung 26 sowie der Verriegelungsvorrichtung 18 ist in Fig. 10 jeweils mit y bezeichnet. Der Verriegelungszustand der Gesperrehülsen 18 und 19 ist in der linken Hälfte der Fig. 10 veranschaulicht.

Eine Entriegelung der Gesperrehülsen 18 und 19 nach dem Freiwerden des Meißels 6 wird durtoh dessen Aufsetzen auf die Bohrlochsohle erreicht. Unter der Bohrstranglast wird dabei außerdem mit der Antriebswelle 5 die Hülse 52 der Sicherungsvorrichtung 26 in die Ausgangsstellung nach Fig. 17 zurückbewegt, während gleichzeitig die geschlitzte Geqenhülse 55 eine elastische Rückformung erfährt. Eine erneute Blockierung der Antriebswelle 5 im Lageraehäuse 8 durch Verriegelungseingriff der Gesperrehülse 18 und 19 kann nur durch die bestimmte aufwärtsgerichtete Zugkraft ausgelöst werden, die die Verschiebung der Hülse '52 hervorruft. Aufgrund dieser entsprechend groß bemessenen Zugkraft tritt auch ein unbeabsichtigtes Blockeren beim Aufheben des BohrrohrStrangs nicht ein. Die Sicherungsvorrichtung 26 bleibt somit über lange

Zeit wiederholt einsatzfähig" und besitzt ein hohes Maß an Zuverlässigkeit.

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Claims

Busse & Busse Patentanwälte Dipl.-Ing. Dr. iur. V. Busse Christensen, Inc. Dipl.-Ing. Dietrich Busse Dipl.-Ing. Egon Bünemann 1937 South 300 West, Salt Lake City, D-4 500 Osnabrück Utah 84115 USA GroBhandelsring β · Postfach 1226 Fernsprecher (0541) 586081 U. 586082 Telegramme: patgewar Osnabrück 27. April 1979 L/Ri Patentansprüche:

1. Direktantrieb für Tiefbohrmeißel od.dgl. in einem Bohrloch arbeitende Werkzeuge, mit einer einerseits mit dem Rotor des Direktantriebs und andererseits mit dem Werkzeug verbindbaren Antriebswelle und einem diese koaxial umgebenden, mit dem Stator des Direktantriebs verbindbaren Lagergehäuse sowie mit einer bei ihrer Betätigung die Antriebswelle im Lagergehäuse blockierenden Verriegelungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsvorrichtung (18) von einem Gesperre gebildet ist, das eine erste, der Antriebswelle (5) und eine zweite, dem Lagergehäuse (8) zugeordnete Gesperrehülse (19;2O) umfaßt, die durch eine axiale Relativbewegung von Antriebswelle (5) und Lagergehäuse (8) in gegenseitigen Verriegelungseingriff, und ggf. bei axial entgegengesetzter Relativbewegung aus dem Verriegelungseingriff heraus bewegbar sind, und daß eine Sicherungsvorrichtung (26) vorgesehen ist, die der Eingriffsbewegung der beiden Gesperrehülsen (19,20) einen Widerstand entgegensetzt, der durch eine vorbestimmte, in das Lagergehäuse (8) eingeleitete, aufwärtsgerichtete Axialkraft überwindbar ist.

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ORIQfNALlNSPECTED

2. Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gesperiöiülsen (19,20) gemeinsam ein Reibgesperre bilden.

3. Direktantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gesperigiülsen (19,20) einander zugewandte gegenläufig konische Reibflächenbereiche (32,33) für einen aeaenseitiaen Reibeinariff aufweisen und die zweite Gesperrehülse (20) aeaenüber der ersten (19) axialverschieblich im Laaeraehäuse (8) abgestützt ist.

4. Direktantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch aekennzeichnet, daß die zweite Gesperrehülse (20) länasaeschlitzt ist.

5. Direktantrieb nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch aekennzeichnet, daß die erste Gesperrehülse (19) mittels Paßfedern (21) mit der Antriebswelle (5) verbunden ist.

6. Direktantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gesperrehülse (19) von einer mit der Antriebswelle (5) verschraubten Gewindehülse (17) und die zweite Gesperrehülse (20) von einem Teil des Lagergehäuses (8) gebildet ist.

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7. Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gesperrehülsen (19,20) gemeinsam ein Gesperre mit in formschlüssigen gegenseitigen Eingriff bringbaren Verriegelungsgliedern bilden.

8.„ Direktantrieb nach Anspruch 1 oder „7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gesperrehülsen (19,20) gemeinsam ein Zahngesperre bilden.

9. Direktantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dfe erste Gesperrehülse (19) von einer mit der Antriebswelle (5) verschraubten Gewinde hülse (17) mit einer axialen Gesperre-Außenverzahnung (40 gebildet ist und ein Teil des Lagergehäuses (8) die zweite Gesperrehülse (20) mit einer axialen Gesperre-Innenverzahnung (41) bildet.

10. Direktantrieb nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Gesperrehülse (19,20) gemeinsam ein Klauengesperre bilden.

11. Direktantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gesperrehülse (19) von einer mit der Antriebswelle (5) verschraubten Gewindehülse (17) mit einer axialen Außenverklauung (63) gebilde ist und ein Teil des Lagergehäuses (8) die zweite Gesperr

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hülse (20). mit einer axialen Innenverklauung (61) bildet.

12. Direktantrieb nach einem der Ansprüche

bis T1, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Gespefrrehülse (2O) bildende Teil des Lagergehäuses (8) von einem Verbindungsgewindezapfen (31) eines Rohrteils (12) des Lagergehäuses (8) gebildet ist.

13. Direktantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Gesperrehülse (20) aufweisende Lagergehäuse-Rohrteil (12) zugleich ein unteres Radiallager (13) der Antriebswelle (5) außenseitig abstützt.

14. Direktantrieb nach einem der Ansprüche bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsvorrichtung (26) zumindest ein Abscherglied (28;36;39) umfaßt, das bei der vorbestimmten Axialkraft abschert und die Gesperrehülsen (19,20) für eine" Eingriffsbewegung freigibt.

15. Direktantrieb nach Anspruch 14, dadurhh gekennzeichnet, daß das Abscherglied als über den Außenumfang einer Ringhülse (27;35) vorstehender Querstift (28;36) oder -flansch (39) ausgebildet und die Ringhülse mittels einer am Querstift oder -flansch

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Sir

angreifenden, mit dem auf dem Meißel od. dgl. Werkzeug ruhenden Gegengewicht beaufschlagbaren Gegenhülse (29;37) in das Lagergehäuse (8) eingespannt ist.

16. Direktantrieb nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsvorrichtung (26) oberhalb öder unterhalb der Verriegelungsvorrichtung (T8) und zwischen diesen ein Axiallager (11) angeordnet ist.

17. Direktantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsvorrichtung (26) von einer Klemmhülse (45) gebildet ist, die zwischen der Innenringanordnung (16) eines Axiallager (11) und der Antriebswelle (5) anaeordnet ist und diese Teile durch wechselseitiaen Klemmeincrriff gecren Relativbeweaunaen festlegt, wobei der Klemmeingriff durch die vorbestimmte Axialkraft für eine Freigabe der Eingriffsbewegung der beiden Gesperrehülsen (19,20) überwindbar ist.

18. Direktantrieb nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenringanordnung (30) des Axial lagers (11) ober- und unterseitig in das Lagergehäuse

(8) eingespannt ist, während die Innenringanordnung (16) lediglich mit ihrer Unterseite antriebswellenseitig abgestützt ist, oder umgekehrt.

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19. Direktantrieb nach Anspruch 17 oder 18, dadurc ι gekennzeichnet, daß die Klemmhülse (45) einen gewellten oder gezahnten Umfang aufweist.

20. Direktantrieb nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (47;48;48") oder Zähne

(49) der Klemmhülse (45) in axialen oder radialen Ebenen verlaufen oder in Form von Gewindegängen ausgebildet sind.

21. Direktantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsvorrichtung (26) von einer mit der Antriebswelle (5) verschraubten und gegen Verdrehen gesicherten Hülse (52) und einer mit dieser zusammenwirkenden, elastisch verformbaren Gegenhülse (55) gebildet ist.

22. Direktantrieb nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenhülse (55) als längsgeschlitzte Hülsenfeder ausgebildet ist.

23. Direktantrieb nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenhülse (55) ein einstückiges Teil eines Innenrings (56) eines Axial-. ^;lagers (11) bildet.

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