DE3535376C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Verbindung einer Bohrerwelle mit einem Bohrwerkzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Kupplungen dienen zur Kraftübertragung von der Antriebseinheit auf das Bohrwerkzeug, wobei das Bohrloch beim Ausbohren gleichzeitig mittels eines Futterrohres abgestützt bzw. abgefüttert wird. Durch die Kupplung kann das Bohrwerkzeug zwischen einer eingezogenen Stellung, in der es vollständig im Futterrohr aufgenommen ist, und einer ausgestellten Arbeitsstellung, in der es teilweise radial über das Futterrohr hinaussteht, durch Drehen verstellt werden. Die zum Bohren erforderliche Kraft wird über die Kupplung auf das Bohrwerkzeug übertragen. Aufgrund der heterogenen Struktur des zu bohrenden Materials ist die Kupplung beträchtlich schwankenden Belastungen sowohl in Drehrichtung als auch in Richtung der Welle ausgesetzt. Beim Schlagbohren sind die Belastungen in Wellenrichtung durch den Aufprall und den dadurch verursachten Rückschlag besonders groß. Bekannte Kupplungen der eingangs genannten Art erlauben zwar eine freie Verstellung bzw. Verdrehung von der drehmomentübertragenden Arbeitsstellung in die zurückgezogene Stellung, diese freie Verstellbarkeit ist jedoch mit einem Aufeinanderschlagen oder Aufeinanderprallen der kraftübertragenden Kupplungsteile verbunden. Neben erhöhter Aufprallbelastung und erhöhtem Materialverschleiß führt dieses Aufeinanderschlagen auch zu einer Überhitzung der Kupplungsteile mit noch stärkerem Materialverschleiß und letztendlich zu einem Ausfall der Kupplung. Es wurde versucht, diesem nachteiligen Effekt durch eine Vergrößerung der Kupplungsabmessungen und damit einer Verminderung der Oberflächenbelastungen entgegenzuwirken. Diese Maßnahme führte jedoch nicht zum gewünschten Er­ folg.

Eine andere bekannte Kupplung (DE-AS 12 03 199) dient zur Übertragung von Bohrkräften auf das mit einer Bohrkrone versehene Futterrohr. Dabei ist die Bohrerwelle fest mit ihrem Bohrwerkzeug verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine eingangs genannte Kupplung zu schaffen, die zumindest in einer Drehrichtung eine zuverlässige und haltbare sowie spielfreie Verbindung des Bohrwerkzeugs mit der Bohrerwelle gewährleistet, wobei gleichzeitig das Bohrwerkzeug in entgegengesetzter Drehrichtung relativ zur Bohrerwelle bis in eine zweite Anschlagstellung frei drehbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine Kupplung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 genannten Merkmale auf.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im wesentlichen wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe also durch das Zusammenwirken schraubenförmiger und radialer, axiale Kräfte aufnehmende Anschlagflächen als Kupplungsflächen zwischen dem Bohrerwellenzapfen, kurz der Bohrerwelle, und dem Bohrwerkzeug, kurz dem Bohrer, gelöst. Ein erstes auf der Bohrerwelle ausgebildetes Anschlagelement weist eine erste, auf dem Bohrerwellenmantel ausgebildete schraubenförmige Anschlagfläche auf, während ein erstes am Bohrer ausgebildetes Anschlagelement eine erste in einer Innenbohrung des Bohrers ausgebildete Schraubenfläche als Anschlagfläche aufweist. Die erste Anschlagfläche im Bohrer ist parallel zur ersten Anschlagfläche auf der Bohrerwelle und in der Weise komplementär zu dieser ausgebildet, daß die erste Anschlagfläche im Bohrer in der ersten Anschlagstellung der Kupplung mit der ersten Anschlagfläche auf der Bohrerwelle zusammenwirken, d. h. auf diese bündig auflaufen kann. Gleichzeitig sind sowohl auf dem Bohrer als auch auf der Bohrerwelle zusammenwirkende Anschlagelemente oder Begrenzungselemente ausgebildet, die in beiden Translationsrichtungen parallel zur Achse der Bohrerwelle die relative axiale Verschiebbarkeit des Bohrers auf der Bohrerwelle begrenzen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Axialschnitt einen Bohrer in seiner in die Arbeitsstellung ausgedrehten Lage auf dem Ende einer Bohrerwelle mit einer Kupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 ebenfalls im Axialschnitt das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel, wobei der Bohrer jedoch in eingedrehter und zurückgezogener Stellung auf der Bohrerwelle gehaltert ist.

Das mit Hilfe des Bohrwerkzeugs 7 gebohrte Bohrloch 1 wird während des Bohrvorgangs durch ein Futterrohr 2 abgestützt, das dem Bohrwerkzeug 7 in das Loch 1 hinein folgt und verhindert, daß die Bohrlochwandung einbricht. Ein Führungselement 4 weist eine gegen die Innenfläche des Futterrohres 2 anliegende Lauffläche 5 auf und verbindet das Bohrwerkzeug 7 mit einer die Antriebsenergie übertragenden Einrichtung 3, beispielsweise mit einem Bohrgestänge, mit einem Bohrhammer oder mit einer Schlagbohrkupplung. Das Führungselement 4 geht in einen Bohrerwellenzapfen, kurz, in eine Bohrerwelle 6, über, auf der das Bohrwerkzeug 7, kurz, der Bohrer 7, in Form einer die Welle 6 übergreifende Nabe gelagert ist. Der Bohrer 7 ist auf der Welle 6 mittels eines Stiftes 8 befestigt, der seinerseits fest am Bohrer 7 angebracht ist und seitlich in eine Nut 9 hinein vorsteht, die sich als Ringnut um die Welle 6 herum erstreckt. Diese Stift-und-Nutkupplung gewährleistet eine freie Drehbarkeit des Bohrers 7 auf der Bohrerwelle 6, während der Bohrer 7 gleichzeitig in axialer Richtung auf der Welle 6 festgesetzt ist. Ist ein axiales Spiel zwischen dem Stift 8 und der Nut 9 vorgesehene, so weist der Bohrer 7 eine begrenzte axiale Relativbeweglichkeit auf der Bohrerwelle 6 auf.

Die Bohrerwelle 6 ist mit einem schraubenförmigen Keilprofil 10 versehen, das zwei parallel einander gegenüberliegende Flanken 10 a und 10 b aufweist. Das Keilprofil 10 hat eine axiale Profilbreite b′ und eine Ganghöhe s und wirkt mit einem schraubenförmigen Keilprofil 11 zusammen, das innerhalb des Bohrers 7 mit derselben Ganghöhe s wie das Keilprofil 10 ausgebildet ist und eine axiale Profilbreite b′′ aufweist. Das Keilprofil 11 des Bohrers 7 hat ebenfalls zwei einander gegenübergelegene, parallele Flanken 11 a und 11 b. Die Ganghöhe s ist größer als die Summe der axialen Profilbreiten b′+b′′ der Keilprofile 10 und 11. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ganghöhe s etwa doppelt so groß wie die Summe der beiden Profilbreiten.

Wenn die Bohrerwelle 6 in Richtung des Pfeiles 12 (siehe Fig. 1) gedreht wird, so läuft die Flanke 10 b weich auf die Flanke 11 b des am Bohrer 7 angeordneten Keilprofils 11 auf. Dadurch wird der exzentrisch in das Futterrohr 5 zurückgezogene Bohrer 7 in die ausgedrehte Arbeitsstellung von Fig. 1 verstellt bzw. gedreht. Gleichzeitig bewirkt die axiale Kraftkomponente des Eingriffs zwischen den Flanken 10 b und 11 b, daß der Bohrer 7 in Richtung auf das Bohrgestänge 3 beaufschlagt wird. Die Welle 6 ist mit einer oder mehreren Anschlagflächen 14, 16 versehen, an denen entsprechende Anschlagflächen 15, 17 unter Druck anliegen, die am Bohrer 7 ausgebildet sind. Die Anschlagfläche an der Welle 6 ist entweder eine Falz- oder Flanschfläche 16 oder die Stirnfläche 14 oder wird von beiden Flächen gemeinsam gebildet, wobei der Bohrer 7 mit entsprechenden Gegenflächen versehen ist, wie beispielsweise der ringförmigen Stirnfläche 17 oder der Bodenfläche 15 eines im Bohrer 7 ausgebildeten Sacklochs. Bei einer Drehmomentübertragung wird der Bohrer 7 also spielfrei zwischen der Kraftübertragungsfläche und einer auf der Bohrerwelle 6 vorgesehenen Anschlagfläche festgesetzt, so daß axiale Kräfte wie beispielsweise Aufschlag- und Rückstoßkräfte, insbesondere beim Schlagbohren, aufgenommen werden können, ohne daß Überhitzungserscheinungen und starker Materialverschleiß in den Kraftübertragungsflächen auftreten. Die Anschlagflächen und die Kraftübertragungsflächen können darüber hinaus relativ groß ausgebildet werden, so daß die Oberflächenbeanspruchung herabgesetzt ist und dadurch der Materialverschleiß verringert ist.

Wenn die Bohrerwelle 6, wie in Fig. 2 dargestellt, in Richtung des Pfeils 13 gedreht wird, wird die Keilprofilflanke 11 a des Bohrers 7 von der Keilprofilflanke 10 a der Bohrerwelle 6 abgehoben. Die Ganghöhe s der Keilprofile ist dabei so gewählt, daß es nicht zu einer Selbstblockierung dieser Flanken bei der Ausrückbewegung kommt. Dadurch, daß die Ganghöhe s größer ist als die Summe der Keilprofilbreiten b′+b′′, kann die Welle 6 um einen bestimmten Winkel gedreht werden, bevor die Keilprofilflanke 10 b mit der Keilprofilflanke 11 b des Bohrers 7 in Berührung gelangt. Die Verdrehbegrenzung bei diesem Zurückdrehen braucht nicht notwendigerweise als schraubenförmige Keilprofilkupplung ausgeführt zu sein. Ebensogut können miteinander zusammenwirkende Vorsprünge an der Welle 6 und am Bohrer 7 zum Einsatz gelangen. Auch kann es vorgesehen sein, daß die Nut 9 eine Halteschulter aufweist, gegen die der Stift 8 anschlägt, da bei einer Drehung in Richtung des Pfeils 13 lediglich ein unbedeutendes Drehmoment und praktisch keine axiale Kraft übertragen werden müssen.

Wenn ausschließlich die Keilprofilflanken 10 a, 11 a und 10 b, 11 b als Verdrehbegrenzung eingesetzt werden und der Bohrer 7 an der Welle 6 axial festgesetzt ist, ergibt sich für die freie Verdrehbarkeit ein Verdrehwinkel von

Aus diesem Grunde kann der Bohrer 7 um etwa 180°C verdreht werden, wenn die Summe der Keilprofilbreiten entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 der halben Ganghöhe s entspricht. Der freie Verdrehwinkel kann dadurch vergrößert werden, daß man dem Bohrer 7 einen begrenzten axialen Bewegungsbereich gegenüber der Bohrerwelle 6 einräumt, beispielsweise dadurch, daß der Stift 8 mit relativ großem axialen Spiel in der Nut 9 aufgenommen ist.

Um die Betriebssicherheit bei erschwerten Bedingungen zu erhöhen und ein Eindringen von Verunreinigungen aus der Umgebung zu verhindern, ist der beschriebene Mechanismus einerseits durch eine Wellendichtung 19 und andererseits durch ein Rückschlagventil geschützt, das im Spülluftkanal 18 angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können beispielsweise mehrere Keilprofile im Bohrwerkzeug und auf der Welle vorgesehen sein, so daß die Kraftübertragung auf mehrere zueinander parallelen Wirkungswegen erfolgt. Dadurch kann, jedoch auf Kosten des freien Verdrehwinkels, ein größeres Drehmoment übertragen werden.

Claims (10)

1. Kupplung, die in zwei in einem Winkelabstand voneinander vorgesehenen Anschlagstellungen eine drehfeste Verbindung einer Bohrerwelle (6) mit einem Bohrwerkzeug (7) in jeweils einer Drehrichtung ermöglicht, wobei das Bohrwerkzeug (7) in der entgegengesetzten Drehrichtung zwischen den beiden Anschlagstellungen auf der Bohrerwelle frei drehbar ist, und wobei die Bohrerwelle (6) ein erstes Anschlagelement aufweist, das in der ersten Anschlagstellung mit einem am Bohrwerkzeug (7) ausgebildeten ersten Anschlagelement zusammenwirkt und ein zweites Anschlagelement der Bohrerwelle in der zweiten Anschlagstellung mit einem am Bohrwerkzeug (7) angeordneten zweiten Anschlagelement zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Anschlagelement der Bohrerwelle (6) eine auf deren Mantelfläche schraubenförmig verlaufende erste Anschlagfläche (10 b) aufweist, daß das erste Anschlagelement des Bohrwerkzeuges (7) eine schraubenförmige erste Anschlagfläche (11 b) aufweist, die an der Werkzeuginnenfläche parallel zur ersten Anschlagfläche (10 b) der Bohrerwelle (6) ausgebildet ist und in der ersten Anschlagstellung mit der ersten Anschlagfläche (10 b) der Bohrerwelle (6) zusammenwirken kann, und daß auf dem Bohrwerkzeug (7) und der Bohrerwelle (6) zur Begrenzung der axialen Verschiebbarkeit des Bohrwerkzeugs (7) auf der Bohrerwelle (6) in beiden Translationsrichtungen Begrenzungsanschläge (8, 9; 14, 15; 16, 17) vorgesehen sind.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Anschlagelement der Bohrerwelle (6) eine auf deren Mantelfläche schraubenförmig verlaufende zweite Anschlagfläche (10 a) aufweist, und daß das zweite Anschlagelement des Bohrwerkzeuges (7) eine schraubenförmige zweite Anschlagfläche (11 a) aufweist, die an der Werkzeuginnenfläche parallel zur zweiten Anschlagfläche (10 a) der Bohrerwelle (6) ausgebildet ist.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlagelement der Bohrerwelle (6) ein schraubenförmiges erstes Keilprofil (10) mit der axialen Profilbreite b′ und der Ganghöhe s ist, dessen eine Profilflanke die erste Anschlagfläche (10 b) und dessen andere Profilflanke die zweite Anschlagfläche (10 a) der Bohrerwelle (6) bildet, daß das Anschlagelement des Bohrwerkzeugs (7) ein schraubenförmiges zweites Keilprofil (11) mit der axialen Profilbreite b′′ und der Ganghöhe s ist, dessen eine Profilflanke die zweite Anschlagfläche (11 a) bildet, und daß die Ganghöhe s größer als die Summe der Profilbreiten b′+b′′ des ersten und zweiten Keilprofiles ist.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsanschläge eine zumindest über einen Teil des Umfangs der Bohrerwelle (6) verlaufende Nut (9) und eine Schulter (8) umfassen, die am Bohrwerkzeug (7) in die Nut (9) hinein vorspringt.

5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter ein im Bohrwerkzeug (7) befestigter Stift (8) ist.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter bzw. der Stift (8) in der Nut (9) mit axialem Spiel so aufgenommen ist, daß das Bohrwerkzeug (7) auf der Bohrerwelle (6) begrenzt axial beweglich ist.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (9) einen Anschlag zur Begrenzung der Drehbarkeit des Bohrwerkzeuges (7) aufweist.

8. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsanschläge mindestens eine an der Bohrerwelle (6) angeordnete Anschlagfläche (14, 16) aufweisen, auf die am Bohrwerkzeug (7) korrespondierend ausgebildete Auflageflächen (15, 17) gezwungen sind, wenn das Bohrwerkzeug (7) aufgrund eines anliegenden Drehmomentes und infolge der schraubenförmigen Kraftfluß-Wirkfläche in der ersten Anschlagstellung mit einer axial nutzbaren Kraft beaufschlagt ist.

9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsanschlag auf der Bohrerwelle (6) einen Falz oder Flansch (16) umfaßt, an dem in der ersten Anschlagstellung eine als Axialanschlag ausgebildete Stirnfläche (17) des Bohrwerkzeuges (7) anliegen kann.

10. Kupplung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsanschlag auf der Bohrerwelle (6) die Stirnfläche (14) der Bohrerwelle (6) ist, und daß der Axialanschlag des Bohrwerkzeuges (7) eine im Bohrwerkzeug (7) ausgebildete Innenbodenfläche (15) ist.