DE3019308C2

DE3019308C2 - Meißeldirektantrieb für Tiefbohrwerkzeuge

Info

Publication number: DE3019308C2
Application number: DE3019308A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 3100 Celle Jürgens
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Norton Christensen Inc
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1982-09-02
Also published as: NL8101224A; GB2076471B; DE3019308A1; FR2483002B1; FR2483002A1; GB2076471A; US4415316A; BE888916A; CA1177477A; JPS576088A

Description

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50 '. !eißeidirektantrieb nach einem der Ansprüche 2 uts 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) des elastischen Formkörpers (12) auf und entlang seiner diesem zugewandten Seite mit über den Umfang verteilt angeordneten Rippen (31) und der Formkörper rückseitig mit entsprechenden Nuten versehen sind, über die beide wechselseitig formschlüssig in Eingriff stehen.

7. Meißeldirektantrieb nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) des Formkörpers (12) auf und entlang seiner dem Formkörper zugewandten Seite mit einem sägezahnartigen Profil versehen ist, dessen FJankenveriauf (417) jeweils zwischen einem Minimalabstand (34) und einem Maximalabstand (35) von der Wellenachse (33) in Drehrichtung (32) betrachtet stetig ansteigt, daß die Verbindungslinie (J6) zwischen dem von der Wellenachse (33) entferntesten Flankenpunkt (35) der einen Flanke zum zur Wellenachse (33) nächsten Punkt (34) der benachbarten Flanke in Richtung des Wellenradius oder wenigstens im spitzen Winkel dazu verläuft und daß der Formkörper (*2j auf seiner dem Träger zugewandten Seite komplementär zu dem sägezahnartigen Profil geformte Ausnehmungen (418) aufweist.

8. Mei3eldirektantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekernzeichnet, daß der zwischen dem Flankenverlauf und einer rechtwinklig zum Radius der WelJenachse stehende Bezugslinie gemessene Winkel («) größer ist als der Reibungswinkel (ρ) des Reibungswertes zv ischen dem Träger (11) und dem Formkörper(12).

9. Meißeldirektantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Flankenprofil (417; 418) axial zur Wellenachse (33) verläuft

10. Meißeldirektantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Flankenprofil (417; 418) nach Art einer Schraubenlinie parallel zur Schraubenlinie der Außenverzahnung (13) des Formkörpers (12) verläuft

11. Meißeldirektantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Anzahl der sägezahnartigen Flanken gleich der Anzahl der Gänge des Formkörpers gewählt ist

12. Meißeldirektantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) gegen eine Feder (20; 26) mit einer bei steigender Vorspannung steigenden Federkonstante abgestützt ist

13. MeiPHdirektantrieb, nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder 12, dadurch gekennzeichnet daß der Träger (11) innerhalb eines durch Einsatz entsprechender Federn (20; 26) wählbaren Druckbereiches durch den einstellbaren Vorspannring (22: 23) bzw. die Vorspannrichtung (28; 29; 30) mit einer im wesentlichen konstanten Vorspannung einstellbar ist

abgestützt ist, und daß der Träger (11) an seiner eo Oberseite über eine Vorspanneinrichtung (28,29,30) vorspannbar ist.

5. Meißeldirektantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (U) eine mehrteilige koaxial hintereinandergeschaltete Konusoberfläche

(317) und der Formkörper (12) auf seiner Innenseite

(318) eine zu der mehrteiligen Konusoberfläche komplementäre Form aufweisen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meißeldirektantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Motoren dieser auf dem Moineau-Prinzip basierenden Art finden in erheblichem Umfang bei Tiefbohrungen als Meißeldirektantrieb oder sogenannte »Sohlenmotoren« Anwendung, sind in diesen Fällen mit einem oberen Anschlußende am Gehäuse für eine Verbindung

mit dem Bohrstrang versehen und treiben den Bohrmeißel oder dergl. Bohrwerkzeug über eine die Motorwelle mit dem Bohrwerkzeug verbindenden Gelenkwelle an. Als Arbeitsmittel findet dabei das Spülungsmedium Anwendung, das durch den Bohrrohrstrang abwärts gepumpt wird und mit hohen Druck in den Arbeitsraum zwischen dem einen Stator bildenden Gehäuse und der den Rotor bildenden Welle eintritt. Auf seinem schraubenlinienförmigen Weg durch den Motor wandelt sich ein Teil der Druckenergie des Arbeitsmittels in Rotationsenergie für die Welle um. Der Druckabfali innerhalb solcher Motore hängt von der konstruktiven Auslegung ab und liegt bei der in der Praxis ausgeführten Meißeldirektantrieben in der Größenordnung von 25—60 bar.

Der Rotor und die Welle eines solchen Motors sind als schraubenartige Formkörper ausgeführt, v. 'je· der eine Teil ein elastisch verformbares Material tn>-i 1 eile der Fonnflächen von Welle und S'..\>r stehen miteinander im Eingriff und bilden eiwen Art. sraum. in dem das Arbeitsmittel auf die für d' ■ ' irehmomenterzeugung wirksamen Eingriffsfipchc.. einwirkt. Für ein befriedigendes Arbeiten des K-, ;■ es ist es wichtig, daß die Formflächen des Arbeitsraums mit ausreichender Abdichtung :n Eingriff stehen, da bei Undichtigkeit die Leistung des Motors sinkt und nicht die auslegun«-sgemäß angestrebten Werte erreicht.

Wegen der wechselnden Betriebsbedingungen im Bohrloch ist eine zuverlässige Abdichtung des Arbeitsraums durch Vorwahl einer den maßgeblichen Anlage- druck bestimmenden Obermaßvorgabe nicht geeignet, unter allen Betriebsbedingungen optimale Ergebnisse zu erzielen.

Bei einem bekannten Meißeldirektantrieb wird der für die Dichtungswirkung maßgebliche Anlagedruck y^ zwischen den in Eingriff stehenden Bereichen der Formflächen an die Druck- und Temperaturbedingungen des Arbeitsmittels sowie an die Belastung des Meißels weitgehend angepaßt. Dies geschieht dadurch, daß der auf der Weile in Form einer Ummantelung angeordnete Formkörper als radial verlagerbarer Membrankörper ausgebildet ist, der durch den Druck des Arbeitsmittels oder eines Druckmittels mit einer radial gerichteten Verformungskraft beaufschlagbar ist, die einen vom Druck des Arbeitsmittels oder Druckmittels abhängigen Anlagedruck zwischen den Formflächen von Welle und Stator erzeugt Diese Art der Arilagsdnjckregelung gestattet jedoch nur eine über die gesamte axiale Länge der Welle konstante Beaufschlagung, während der entgegengerichtei. · Druck des 51) Spülungsmediums im Arbeitsraum bei einem mehrgängigen Motor von Kammer zu Kammer abfällt, mit der Folge, da3 der Druck in jeder weiteren Arbeitskammer Oberkompensiert wird und ax'rl zunehmende Reibungsverluste eintreten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, bei einem Meißeldirektantrieb einen gleichmäßigen Anlagedruck zwischen den in c:-~_r:cr sehenden Bereichen der Fc™i!^s"h-" ·*■· erzielen und so den optimalen Anlagedruck für jede Kammer hinsichtlich maximalen Wirkungsgrades bei geringstmöglichem Verschleiß einzustellen. Diese Aufgabe wird bei einem Meißeldirektantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs ί gegebenen Art durch die im kennzeichnenden Teil aufgeführten Merkmale gelöst Bei allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen besitzt der hauptsächlich dem Verschleiß unterworfene Formkörper eine unkomplizierte Raumform, die einfacn Herzustellen ist und die somit neben geringen Kosten Für die Fertigung des Motors an sich auch verhältnismäßig geringe Instandsetzungskosten erfordert Weiterhin erleichtert ein Meißeldirektantriebsmolor nach der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Berechnungen für die konstruktive Auslegung, da die radiale Verformung des Formkörpers einem selbsttätigen Regelmechanismus in Abhängigkeit von Druck und Meißelbelastung unterworfen ist und daher Maßtoleranzen in der Herstellung des Formkörpers von weniger großer Bedeutung sind.

Zur Erzielung der radialen Verformung kann der Formkörper auf der Welle sowohl axial verschiebbar als auch in der Winkelposition verdrehbar angeordnet werden. Die nach Art einer schiefen Ebene ausgebildeten Berührungsflächen zwischen Welle und Formkörper müssen dabei in die Richtung der vorgesehenen Verschiebungsrichtung weisen. Bei der axialen Verschiebung des Formkörpers auf der Welle ist es sowohl möglich, die Welle axial zu fixieren und den Formkörper zu verschieben, als auch umgekehrt Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Welle in mehrere ko- ssen geformte und eine große Steigung der Berührungsflanken aufweisende Abschnitte unterteilt, um ein durch Selbsthemmen verursachtes Hysteresev -halten bei der Verschiebbarkeit des Formkörpers auf ier Welle zwischen der einen und der anderen Bewegungsrichtung zu verringern.

Eine weitere Ausgestaltung nach der Erfindung sieht vor, daß dt/ Träger des elastischen Formkörpers auf und entlang seiner diesen zugewandten Seite mit über den Umfang verteilt angeordneten Rippen und der Formkörper rückseitig mit entsprechenden Nuten versehen ist, über die beide wechselseitig formflüssig in Eingriff stehen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen: in der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der mehrer,· Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung veranschaulicht sind, ist die Erfindung näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen abgebrochenen Längsschnitt durch eine erste Ausführung eines Meißeldirektantriebs nach eier Erfindung mit teils geschnittenem, teils in Seitenansicht wiedergegebenen Rotor,

F i g. 2 eine Schnittdarstellung ähnlich F i g. 1 einer abgewandelten zweiten Ausführung,

Fig. 3 eine Sehnittdarstellung bei a".r gegenüber F i g. 1 die Zuordnung zwischen dem feststehenden Teil und dem verschiebbaren Teil des Formkörpers vertauscht ist.

F i g. 4 eine Darstellung, bei der gegenüber F i g. 2 die Zuordnung zwischen dem feststehenden und dem verschiebbaren Teil des Formkörpers vertauscht ist

Fig.5 eine räumlich? Darstellung eines Abschnitts des Trägers, wie er als weitere Ausgestaltung für die Auäführungsformen gem. dtr F i g. 1 —4 anwendbar ist, Fig.6 einen Querschnitt durch eine fünfte Ausfüh-

Der in den F i g. 1 —5 veranschaulichte Meißeidirektantrieb für ein Tiefbohrwerkzeug umfaßt im einzelnen ein außenseitig zyli-drisches Gehäuse 1, das an seinem oberen Einlaßende ein konisches Innengewinde 2 für eine Verschraubung mft einem Acßengewrndeansafz 3 eines Rohrstückes 4 aufweist An seinem unteren Auslaßende weist das Gehäuse 1 ein konisches Innengewinde 5 für eine Verschraubung mit einem mit Außengewinde verseiienen Ansatz 6 eines Rohrstücks 7

auf, das irgendeine bekannte oder geeignete Lageranordnung aufnimmt. Die Teile 1, 4 und 7 sind dabei koaxial zu einer gemeinsamen Langsmittelachse 8 angeordnet.

An seiner fnnenseile bietet das Gehäuse ί eine Formffäche 9, die ggfs. zur Verschleißminderung sowie zur Korrosionsverringerung mit einer geeigneten Oberflächenbeschichtung verschen sein kann. Die konkrete Formgestaltung der Formfläche 9 wird durch Scliraubengänge, Jinks- oder rechtsgängig definiert. Bei! dem dargestellten Beispiel wird die Formfläche von einem: zehngängigen Schraubengewinde gebildet. Das: Gehäuse 1 stellt bei der dargestellten Ausführung einen Stator dar.

Im Gehäuse I ist eine in diesem dreh- urJ begrenzt radial verlagerbar, einen Rotor bildende und als Ganzes mit 10 bezeichnete Welle angeordnet, die aus einem Kernstück oder Träger 11 aiii Stahl oder dergl. und aus einer Wellenummantelung 12 aus einem Elastomer, z. B. Gummi. Polyurethan usw.besteht. Letzteres kann durch ggfs. mit einem Vorüberzeug aus elastomere/! Material versehene Glasfasern. Metallfilamente z. B. Stahldrähte, oder dergl. verstärkt seia Die Ummantelung 12 weist an ihrer Außenseite eine Formfläche 13 auf. deren Formgestalt auf die der Formfläche 9 des Gehäuses 1 abgestimmt ist und sich aus schraubenlinienförmigcn Gewindezähnen zusammensetzt, die bei dem dargestellten Beispiel einem 9-gängigem Schraubgewinde entsprechen. Es versteht sich, daß die Gangzahlen unter Beioehaltung der bekannten notwendigen Gangzahldifferenzen je nach den jeweiligen Erfordernissen entsprechend abweichend gewählt werden können. Es versteht sich ferner, daß anstelle der dargestellten Einstufigkeit des Schraublinienverlaufs eine zwei- oder sonsr geeignete Mehrstufigkeit vorgesehen werden kann. Die Formflächen 9, 13 greifen in der Art einer Schraubverzahnung ineinander und begrenzen gemeinsam einen Arbeitsraum 14. der bei mehrgängiger Rotor/Stator-Ausführung eine entsprechende A.izahl von schraubenlinienförmigen Kanälen umfaßt. An seiner Unterseite ist der Träger 11 der Welle 10 über ein Universalgelenk 15 oder dgL mit einer Zwischenwelle 16 verbunden, deren nicht dargestellees unteres Ende sich über ein Universalgelenk oder dergl. an einem koaxial zur Achse 8 drehbar gelagerten Teil abstützt, mit dem das Bohrwerkzeug verbunden sein kann. Die Zwischenwelle 16 bildet die einzige Axialabstützung für die Welle 10 und erlaubt dieser die für die Funktion notwendige exzentrische Taumelbewegung im Betrieb.

Der die Wellenummantelung 12 bildende Formkörper aus elastischem Material ist auf dem Wellenkern oder -Träger Il abgestützt Während der Träger 11 eine konisch geformte, sich nach unten radial aufweitende Oberfläche 17 aufweist, besitzt der Formkörper 12 eine kompiementär geformte Innenfläche 18. Bei einer gegenseitigen axialen Verschiebung zwischen Formkörper und Träger gegen die sich aufweitende Oberfläche ergibt sich eine radiale Dehnung des elastischen Formkörpers 12 und somit ein höherer Anlagedruck zwischen den Formflächen 13 des Formkörpers und den Formflächen 9 des Gehäuses 1. An seinem unteren Ende ist der Formkörper 12 über eine Scheibe 19 und eine Spiralfeder 20 auf einer Schulter 21 des Trägers 11 abgestützt Am oberen Ende erhält der Formkörper 12 durch einen auf seiner Stirnfläche aufliegenden Spannring 22 eine Vorspannung. Diese Vorspannung läßt sich durch einen oder mehrere selbsthemmende Schrauben 23 einstellen, deren Gewinde in Sacklöcher 24 des Trägers eingeschraubt sind und deren Kopf auf den Spannring 22 drückt.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführung des Erfindungsgegenstandes unterscheidet sich in der Gestaltung der 5 Oberfläche des Trägers 11 und der Innenfläche des Formkörpers 12 von derjenigen in Fig. 1. Während in Fig.] die genannten Flächen als einteiliger Konus ausgeführt sind« bietet der in F i g. 2 dargestellte Träger !1 eine mehrteilige Konusoberfläche 117 (im Ausfüh-

ο rungsbeispiel 4-stüfig) und der Formkörper 12 auf seiner Innenseite das komplementäre Gegenstück 118. Die Aufteilung in mehrere Konussegmente gestattet die Wahl eines höheren Steigungswinkels zwischen den Gleitflächen von Träger und Formkörper.

Ein höherer Steigungswinkel vermindert die Gefahr einer Selbsthemmung des Formkörpers bei seiner Rückkehr in die Ausgangsposition nach einem Abfall des axial auf ihn ausgeübten Druckes. Ferner ermöglicht diese Ausführungsform eine relative Konstanthaltung aer Wandstärke des Formkörpers über die gesamte axiale Länge der Welle betrachtet was sich auf die gleichmäßige Verteilung des Anlagedrucks zwischen den Berührungsflächen 13; 9 des Formkörpers und des Gehäuses bei axialer Druckbeaufsch!agung des Formkörpers günstig auswirkt

Wird für den Antrieb eines Bohrwerkzeugs Arbeitsmittel in Form von Spülungsmedium durch den Bohrstrang abwärts gepumpt, so durchströmt das Arbeitsmittel den Arbeitsraum 14 unter Aufprägung einer Drehbewegung auf die Welie 10. Durch die Drosselw>^rkung des Motors auf den Druck des Spülungsmediums entsteht im Bohrstrang unterhalb des Motors ein niedrigerer Druck als im Bohrstrang oberhalb des Motors. Die dem höheren Druck im oberen Bohrstrang ausgesetzte Stirnfläche des Formkörpers 12 versucht deshalb in Strömnngsrichtung auszuweichen. Durch das Entlanggleiten des Formkörpers auf dem Träger tritt eine Aufweitung des Formkörpers auf, was zu einem höheren Anlagedruck

to zwischen den Anlageflächen 13;9 des Formkörpers der Wellenummantelung und des Gehäuses führt Es baut sich dabei eine durch die Steigung des Konus und durch die Wirkung der Feder 20 bestimmte Gegenkra/t auf, die soweit ansteigt bis ihre axiale Komponente das Gleichgewicht zu der durch die Druckdifferenz zwischen dem oberen und unteren Rohrstrang hervorgerufenen Kraft erlangt Bei entsprechender Auslegung des Motors wird sich dieses Gleichgewicht unter allen in Frage kommenden Arbeitsbedingungen einstellen, so

so daß der Anlagedruck stets den optimalen Wert hinsichtlich» der für das abzugebende Drehmoment erforderlichen Dichtwirkung und einem möglichst geringen Verschleiß annimmt Eine mittels der Schraube 23 einsteilbare Vorspannung sorgt dafür, d<*J bei niedrigen Drücken oder Druckabfällen bereits eine

ausreichende Dichtwirkung vorhanden ist und somit die Regelung bei zunehmendem Druck und steigender

Belastung ohne Verzögerung wirksam werden kann.

Da bei einer zu geringen Steigung der Kegeloberfläehe die Reibung zwischen dem Formkörper 12 und dem Träger 11 eine Rückkehr des Fonnkörpers durch sein Kontraktionsbestreben in den axialen Ausgangszustand verhindern kann, ist das Vorsehen einer ausreichenden Steigung zwischen den Berührungsflächen von Formkörper und Träger zweckmäßig. "Wegen der begrenzten

-radialen Ausdehnung, die eine Ausführung dieser

Steigung erlaubt ist eine Unterteilung in mehrere gleichartige Konusabschnitte eine geeignete Lösungs-

möglichkeit. Die Hysterese zwischen Ausdehnung und Zusammenziehung des Trägers 12 bei Ansteigen bzw. Abfallen des Druckes wird dadurch verringert, und das Regelverhalten besser.

Bei der in F i g.3 dargestellten Ausführungsform wird wie in Fig. 1 dargestellt ein einteiliger Konus 217 als Träger 11 mit komplementärer Innengestaltung 218 des Formkörpers 12 eingesetzt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in Fig. 1 ist hier aber ein axial unverschiebbarer abgestützter Formkörper 12 vörgese-Hen, d»',i von einem axial verschiebbaren Träger 11 ausgefüllt wird. Die! untere Stirnfläche des Formkörpers 12 ruht auf der Stirnfläche der Wandung einer Hülse 25, die im inneren eine in axialer Richtung verlaufende Innenvernutung aufweist, in die entsprechende Federn iä £1 des Trägers 11 eingreifen. Die untere Stirnfläche des Trägers 11 wird durch eine Spiralfeder 26 gegen den Boden der Hülse 25 abgestützt. Das obere Ende des Trägers 11 ist als etwa auf den Durchmesser des Formkörpers 12 herausragende Schulter 28 ausgebildet. durch die mehrere Schrauben 29 geführt sind, die mit ihrem Gewinde andererseits in Bohrungen oder in einen mit der Wellenummantelung verbundenen Ring 30 hineingeschraubt sind. Mittels dieser Schrauben läßt sich der Träger 11 axial gegen den Druck der Feder 26 und die Kontraktionskräfte des Formkörpers 12 vorspannen.

Die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform beinhaltet eine Kombination der im Zusammenhang mit der Fig.2 und der Fig.3 beschriebenen Merkmale. Einerseits ist, wie in F i g. 2 beschrieben, die Berührungsfläche 317; 318 zwischen dem Träger 11 und dem For lkörper 12 in Form eines mehrstufigen Konus ausgeführt, andererseits ist, wie in Fig.3 beschrieben, der Formkörper 12 axial unverschiebbar abgestützt während der Träger 11 in einer Nut/Feder-Verzahnung radial fixiert aber axiaf verschiebbar angeordnet ist. Der Vorteil der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen mit einem axial unverschiebbaren Formkörper besteht in der unter allen Betnebsbedingungen konstanten Phasenbeziehung zwischen den in Eingriff stehenden Formflächen 9; 13 der Welle 10 und des Gehäuses 1. Dadurch wird die für die auslegungsgemäße Leistungsabgabe erforderliche exakte Justierung der Welle 10 irn Gehäuse ί gewährleistet.

Da das Drehmoment des Motors von den mit dem Arbeitsmedium in Eingriff stehenden Flächen der Wellenummantelung aufgebracht und über den Wellenkern, die Universalgelenke und weitere Zwischenwellen dem Bohrwerkzeug zugeführt wird, müssen die Verbindungsfiächen zwischen der Wellenummantelung und dem Wellenkern so beschaffen sein, daß sie das Drehmoment übertragen können. Sollte die Haftreibung bei einer glatten Oberfläche nicht ausreichen und besteht zudem die Gefahr einer Verbindung des Formkörpers 12, so können gem. Fi g. 5 der Träger 11 auf und entlang seiner Außenseite mit über den Umfang verteilt angeordneten Rippen 31 und der hier nicht dargestellten Formkörper rückseitig mit entsprechenden Nuten versehen sein, über die beide wechselseitig in formschlüssigen Eingriff stehen. Eine solche Vielkeil- oder Nut/Feder-Verbindung sichert ungeachtet auftretender radialer oder axialer Verlagerungsbewegungen des Formkörpers in Bezug auf seinen Träger eine ständige gleichmäßige verteilte Drehmomentübertragung unter Ausschluß relativer Verdrehbewegung zueinander sowie unter Ausschluß unkontrollierter Verformungen und Verwindungen in einzelnen Bereichen oder Zonen des Formkörpers.

F i g. 6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung und unterscheidet sich von den in F i g. 1 —4 dargestellten Versionen durch den unterschiedlichen Richtungssinn der Steigung zwischen den Berührungsflächen 417; 418 des Trägers 11 und des Formkörpers 12. Die Steigung der Berührungsflächen 417; 418 verläuft hier über das Bogenmaß, so daß die Außenfläche 417 des Trägers 11 und entsprechend die Innenfläche 418 des komplementär gestalteten Formkörpers 12 ein Profil aufweist, daß wie bei einem Sägezahnrad für ein Richtungsgesperre geformt sind, wobei allerdings von der¹ Funktion her keine Gemeinsamkeit mit einer solchen Anordnung besteht. Der Träger zeigt mehrere, gleichmäßig auf dem Umfang verteilte und sich längs des Trägers erstreckende, im Querschnitt zahnartige Erhebungen. Die zahnartige Kontur ist so gestaltet, daß der Flankenverlauf der Zähne im Drehrichtungssinn 32 betrachtet zwischen einem Minimalabstand 34 und einem Maximalabstand 35 von der Wellenachse 33 stetig ansteigt. Die Verbindungsl'nie 36 zwischen dem von der Wellenachse 33 entferntesten Flankenpunkt 35, der einen Flanke zu dem zur Wellenachse 33 nächsten Punkt 34 der benachbarten Flanke verläuft in Richtung des Wellenradius oder im spitzen Winkel dazu. Die Anzahl der zahnartigen Erhebungen wird vorzugsweise gleich der Anzahl der Schraubengänge des Formkörpers gewählt. Die sich parallel zu Wellenachse erstreckenden Flankenflächen können axial verlaufen oder z. B. der Wendelung der Außenfläche des Formkörpers folgen. Der Flankensteigungswinkel gemessen zwischen einer Tangente paiallel zum Flankenverlauf und einer im gleichen Betrachtungsort senkrecht zum Wellenradius verlaufenden Linie ist größer gewählt als der Reibungswinkel ρ des Reibungsbeiwertes zwischen dem Material des Trägers 11 und dem des Formkörpers 12. In axialer Richtung sind der Träger 11 und der Formkörper 12 unverschiebbar fixiert.

Wird für den Antrieb eines Bohrwerkzeuges Arbeitsmittel durch den Motor gepumpt, so wird durch den Drück des Arbeitsmittels eine auf die Eingriffsflächen 13 des Formkörpers 12 einwirkende, drehmomentaufbauende Kraft ausgeübt. Dieses Drehmoment v/ird über die flach verlaufenden Flanken 417; 418 der Verzahnung zwischen Formkörper 12 und Träger 11 über die Lager 15 und die Zwischenwelle 16 dem Bohrwerkzeug zugeführt. Sobald bei einer starken Belastung des Bohrwerkzeugs ein entsprechendes Gegendrehmoment auftritt, kann der Fall eintreten, daß die Haftreibung zwischen dem Formkörper 12 und dem Träger 11 auf den Sägezahnflanken 417; 418 zu klein wird und sich der Formkörper 12 verdreht Dabei wird der Formkörper 12 auf seiner Innenseite aufgeweitet und übt nun. einerseits hervorgerufen durch sein Kontraktionsbestreben, andererseits durch den Gegendruck zwischen den Berührungsflächen i3; 9 des Formkörpers mit dem Außenring eine größere Anpreßkraft auf die flachen sägezahnförmigen Flanken 417 des Trägers 11 und auf die Formflächen 9 des Gehäuses 1 auf. Die für die Mitnahme des Trägers 11 erforderliche Haftreibungskraft wird auf diese Weise erhöht und gleichzeitig wird die Abdichtung des Arbeitsraums 14 für das Arbeitsmittel gesteigert Bei Abnahme des Belastungsmoments kehrt der Formkörper 12 auf dem Träger 11 wieder in seine Ausgangsposition bzw. bei geringer Abnahme in eine Zwischenposition zurück.

Die genannte Ausföhrungsform verbindet zahlreiche

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Vorteile der eingangs erläuterten Ausführungsbeispiele miteinander. So wird durch die axiale Fixierung von Träger und Formkörper die Phasenbeziehung der Formflächen von Welle und Gehäuse bei Belastung nicht geändert oder beeinflußt. Durch entsprechende Wahl der Flankensteilheit der Zahnflanken kann eine Selbsthemmung der Verschiebbarkeit der Wellenummantelung auf der Oberfläche des Kerns ausgeschaltet werden. Ferner kar.n auch auf gesonderte Nuten zur formschlüssigen Drehmomentübertragung zwischen Formkörper und Träger verzichtet werden, da diese Funktion bereits durch kombinierte form- und reibschlüssige Kopplung der sägezahnartigen Berührungsflachen übernommen wird.

Bei den fünf beschriebenen Ausführungsformen des Erfindungs-Gegenstandes wird der Druckunterschied zwischen dem Eintritt und dem Austritt des Arbeitsmittels als Stellgröße für die Andruckkraft der Formflächen der Welle auf die Formfläche des Gehäuses genutzt. Diese Stellgröße wirkt bei den in den F i g. 1 —4 beschriebenen Ausfiihrungsformen in axialer Richtung während sie in der Arbeitskammer des Motors auf die Eingriffsfläche der Ummantelung in tangentialer Richtung umgelenkt wird. In allen Fällen ergibt sich somit eine lastabhängige Verstellung, so daß die Dichtwirkung für das benötigte Drehmoment gerade erzielt und die Verschieiöerscheinungen auf dem vertretbaren Minimum gehalten wird.
Wenn im Vorstehenden die Erfindung anhand von Meißeldirektantriebe bildenden Motoren beschrieben wurde, so versteht sich doch, daß Motoren der Ausgestaltung nach der Erfindung nicht auf ein solches bevorzugtes Einsatzgebiet beschränkt sind, sondern in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden können, bei denen analoge Betriebsbedingungen vorliegen. Neben der im Vorstehenden im Detail beschriebenen Anwendung als Meißeldirektantrieb kann der Antrieb auch grundsätzlich für alle Drehantriebsaufgaben eingesetzt werden, wie sie in einem Bohrloch bzw. Bohrrohr in gegebenen Falle erforderlich sind.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meißeldirektantrieb für Tiefbohrwerkzeuge, bestehend aus einem in axialer Hauptrichtung von einem Einlaßende zu einem Auslaßende durchströmbaren Gehäuse und einer in diesem Dreh- und begrenzt radial verlagerbar angeordneten Welle, die mit einander zugewandten Formflächen in der Art einer Schraubverzahnung ineinandergreifen und gemeinsam einen Arbeitsraum für ein flüssiges oder gasförmiges Arbeitsmedium begrenzen, der diesem bei einem Durchtritt einen Strömungsweg in Gestalt einer zumindest eingängigen und zumindest einstufigen Schraubenlinie vorgibt, wobei eine der beiden Formflächen in einem Formkörper aus elastisch verformbaren Material ausgebildet ist, in bei relativer Drehbewegung zwischen Gehäuse und Welle axia! wandernden Bereichen unter Druck an der anderen starr ausgebildeten Formfläche abdichtend anliegt, mit einer radial gerichteten Verformungskraft beaufschlagbar ist, di? sich in Abhängigkeit von dem auf der Einlaßseite des Gehäuses im Arbeitsmedium herrschenden Druck verändert, und der Formkörper auf der Welle als Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (12) und der Träger (11) durch Druckbeaufschlagung hinsichtlich eines parallel zu einer zur Wellenachse (8) zylindrischen Bezugsfläche verlaufenden Freiheitsgrades gegenseitig verschiebbar und die Berührungsflächen (18, 118, 218, 318,418; 17,117,217,317,417) von Formkörper(12) und Träger (11) im Sinne einer radial nach außen gerichteten ^verformungskraft bei Druckbeaufschlagung in Richtung des Freiheitsgrades geneigt sind.

2. Meißeldirektantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) radial unverschiebbar gelagert ist una ein^ sich zum unteren Ende ausdehnende Konusform (!7) aufweist, und daß der Formkörper (12) mit seiner komplementären Innenfläche (18) axial verschiebbar auf dem Träger (11) anliegt, am unteren Ende gegen den Träger federnd (15; 20; 21) abgestützt ist und am oberen Ende durch einen einstellbaren Vorspannring (23; 23) vorspannbar ist

3. Meißeldirektantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) eine mehrteilige, koaxial hiniereinandergescha'ieis Koniisoberfläche (117) und die Innenfläche (118) des Formkörpers (12) eine zum Träger (11) komplementäre Form aufweisen.

4. Meißeldirektantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (11) als in einer Nut/Feder-Verbindung (27) axial verschiebbarer und in einer Hülse (25) federnd (26) abgestützter, sich nach unten verjüngender einteiliger Konus (217) ausgebildet ist, daß der Formkörper (12) auf seiner Innenseite (218) eine komplementäre Form aufweist

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