DE9103259U1

DE9103259U1 - Claw joint for tubular shafts

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Publication number: DE9103259U1
Application number: DE9103259U
Authority: DE
Original assignee: INSTITUT fur REIBUNGSTECHNIK und MASCHINENKINETIK TECHNISCHE UNIVERSITAET CLAUSTHAL 3392 CLAUSTHAL-ZELLERFELD DE
Current assignee: INSTITUT fur REIBUNGSTECHNIK und MASCHINENKINETIK TECHNISCHE UNIVERSITAET CLAUSTHAL 3392 CLAUSTHAL-ZELLERFELD DE
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1991-08-22
Anticipated expiration: 2001-03-19

Description

Institut für Rei bungstachnik* üntj Maschinenkinetik Technische Universität ClausthalInstitute of Friction Technology and Machine Kinetics Clausthal University of Technology

Leibnizstraße 32Leibnizstrasse 32

3392 Clausthal-Zellerfeld3392 Clausthal-Zellerfeld

Bezeichnung: Klauengelenk für rohrförmige Wellen Beschreibung:Designation: Claw joint for tubular shafts Description:

Die Erfindung betrifft ein Klauengelenk für rohrförmige Wellen oder Wellensegmente nach dem Oberbegriff der Schutzansprüche 1) bis 6).The invention relates to a claw joint for tubular shafts or shaft segments according to the preamble of claims 1) to 6).

Der Zweck der beschriebenen Erfindung ist es, die Standzeit und das maximal übertragbare Drehmoment von Gelenken zu erhöhen, die zwischen rohrförmigen Wellen oder Wellensegmenten angeordnet sind. Die Gelenke dienen zur Einstellung eines Winkels zwischen den WeIlenachsen.The purpose of the invention described is to increase the service life and the maximum transmittable torque of joints arranged between tubular shafts or shaft segments. The joints are used to adjust an angle between the shaft axes.

Derartige rohrförmige Wellen, nachfolgend Rohrwellen genannt, treten z. B. als Segmentwellen bei Rieht- bzw. Drainagebohrungen in der Tiefbohrtechnik auf /1/.Such tubular waves, hereinafter referred to as tubular waves, occur, for example, as segment waves in directional or drainage drilling in deep drilling technology /1/.

Für die Übertragung von Drehmomenten zwischen rotierenden Wellen unter überbrückung eines Winkelversatzes sind eine ganze Reihe von Konstruktionen bekannt, u.a. das Kreuzgelenk oder die Bogenzahnkupplung. Die Funktionsweise dieser Elemente ist aus der Literatur bekannt.A whole range of designs are known for transmitting torque between rotating shafts while bridging an angular offset, including the universal joint or the curved tooth coupling. The functionality of these elements is known from the literature.

Bei bestimmten Anwendungen, hier in der Bohrtechnik, ist der äußere Durchmesser der antreibenden Wellen des Bohrgestänges begrenzt. D.h. es ist eine glatte Außenform erwünscht. Wegen der notwendigen Zu- bzw. Abführung der Bohrflüssigkeit verwendet man hohl gebohrte Wellen, in die ein Schlauch eingebracht werden kann. Die Hohlbohrung sollte auch im Bereich der gelenkigen Verbindungen voll zur VerfügungIn certain applications, here in drilling technology, the outer diameter of the drive shafts of the drill rod is limited. This means that a smooth outer shape is desired. Because of the necessary supply and discharge of the drilling fluid, hollow-drilled shafts are used, into which a hose can be inserted. The hollow bore should also be fully available in the area of the articulated connections.

Beschreibung Seite 2Description Page 2

stehen. Wichtig ist dies vor allem bei sogenannten Richtbohrungen, wo das Bohrgestänge eine u.U. sehr große Krümmung erfährt.This is particularly important for so-called directional drilling, where the drill rod may be subject to a very large bend.

Bekannt für den Einsatz bei Richtbohrungen sind Segmentwellen /2/. Segmentwellen bestehen aus einem Stahlrohr, das in mehrere winkelbewegliche Segmente unterteilt ist. Die Übertragung der Rotationsbewegung und des Drehmoments geschieht durch Gelenke mit parallelen Achsen zwischen den einzelnen Segmenten. Die Segmente über- bzw. untergreifen sich im Bereich der Gelenke.Segment shafts /2/ are well-known for use in directional drilling. Segment shafts consist of a steel tube that is divided into several angularly movable segments. The rotational movement and torque are transmitted by joints with parallel axes between the individual segments. The segments overlap or overlap each other in the area of the joints.

Die Übertragung von Rotation und Drehmoment kann aber auch durch Klauen und Ausnehmungen, die in den Rohrmantel eingearbeitet sind, geschehen. Dabei greifen die Klauen in die Ausnehmungen des jeweils nächsten Segments ein. Klauen und Ausnehmungen bilden ein Klauengelenk. Klauengelenke einer Rohrwelle übertragen das Drehmoment formschlüssig auf der Breite der Rohrwandung.The transmission of rotation and torque can also be achieved through claws and recesses that are incorporated into the pipe casing. The claws engage in the recesses of the next segment. Claws and recesses form a claw joint. Claw joints of a pipe shaft transmit the torque in a form-fitting manner across the width of the pipe wall.

Entscheidend wichtig für die Standzeit eines solchen Klauengelenks ist die deshalb die Ausbildung der Form von Klaue und Ausnehmung. Auch der Werkstoff und die Oberflächenbehandlung spielen eine wichtige Rolle. Nachteilig ist bei den bekannten Ausführungen von Klaue und Ausnehmung der sehr große Verschleiß und die geringe Belastbarkeit bei geringen Standzeiten /3/.The design of the shape of the claw and recess is therefore crucial for the service life of such a claw joint. The material and surface treatment also play an important role. The disadvantages of the known designs of claw and recess are the very high level of wear and low load-bearing capacity with short service lives /3/.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klauengelenk für rohrförmige Wellen vorzustellen, welches eine hohe Standzeit bei geringem Verschleiß und ein hohes übertragbares Drehmoment gewährleistet.The invention is based on the object of presenting a claw joint for tubular shafts, which ensures a long service life with low wear and a high transmittable torque.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch eine beanspruchungsgerechte Ausbildung der Form von Klaue und Ausnehmung eine günstige Spannungsverteilung im Rohrmantel und an der Berührfläche erreicht wird.The object is achieved according to the invention in that a favorable stress distribution in the pipe jacket and on the contact surface is achieved by designing the shape of the claw and recess in accordance with the load.

Im Gegensatz zu bisherigen Gelenkformen, die entweder die Hohlbohrung durch über- oder untergreifende Segmente verkleinern oder keine glatten Formen haben, oder Gelenkformen, die als Klauengelenke ausgebildet sind, aber eine große Anlagefläche von KlaueIn contrast to previous joint shapes, which either reduce the hollow bore by over- or under-engaging segments or do not have smooth shapes, or joint shapes which are designed as claw joints but have a large contact surface of claw

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und Ausnehmung im Bereich der Rohrwandung haben, wird erfindungsgemäß die Anlagefläche von Klaue und Ausnehmung auf einen kleinen definierten Bereich begrenzt. Dies geschieht durch eine unterschiedliche Kontur der Formen von Klaue und Ausnehmung gemäß der Ansprüche 1) bis 3).and recess in the area of the pipe wall, according to the invention the contact surface of the claw and recess is limited to a small defined area. This is done by a different contour of the shapes of the claw and recess according to claims 1) to 3).

Dadurch wird erreicht, daß eine Winkelauslenkung ohne zusätzliche Klemmwirkung möglich ist, so daß die Übertragung einer Rotationsbewegung in Kombination mit einem Drehmoment ohne zusätzliche mechanische Spannungen durch Klemmwirkung geschieht. Im einfachsten Fall verwendet man nach Anspruch 4) für die Kontur der Klaue einen großen, etwa 200 bis 250° Kreisbogen und zwei kleinere Kreisbögen für dessen Auslauf. Für die Kontur der Ausnehmungen sind hier ein großer Kreisbogen und gerade Abschnitte vorgesehen, die durch kleine Kreisbögen stetig auslaufen. Grundsätzlich sind aber auch andere Konturen verwendbar, wenn sie nach Anspruch 2) durch stetige Übergänge miteinander verbunden werden.This means that an angular deflection is possible without additional clamping effect, so that the transmission of a rotational movement in combination with a torque takes place without additional mechanical stresses through a clamping effect. In the simplest case, according to claim 4), a large, approximately 200 to 250° circular arc and two smaller circular arcs for its run-out are used for the contour of the claw. A large circular arc and straight sections are provided for the contour of the recesses, which run out continuously through small circular arcs. In principle, however, other contours can also be used if they are connected to one another by continuous transitions according to claim 2).

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht nach Anspruch 6) darin, daß die in senkrechter Richtung zur Wellenachse geraden Konturen von Klaue und Ausnehmung derartig mit Abrundungen versehen werden, daß weder an der Innenbohrung noch am äußeren Durchmesser scharfe Kanten entstehen. Abplatzer am äußeren Umfang oder in der Hohl bohrung der Rohrwelle im Bereich des Klauengelenks können so wirksam vermieden werden.A further development of the invention according to claim 6) consists in the fact that the straight contours of the claw and recess in the direction perpendicular to the shaft axis are provided with roundings in such a way that no sharp edges are formed on the inner bore or on the outer diameter. Chipping on the outer circumference or in the hollow bore of the tubular shaft in the area of the claw joint can thus be effectively avoided.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Zeichnungen weiter erläutert werden. In den Zeichnungen FIG. 1 und FIG. 2 ist das Klauengelenk auseinandergezogen gezeichnet.The invention will be explained further below with reference to drawings. In the drawings FIG. 1 and FIG. 2, the claw joint is shown in an exploded view.

FIG. 1 zeigt schematisch die perspektivische Ansicht eines Klauengelenks ausgebildet gemäß den Ansprüchen 1) bis 4). Das Rohrwellensegment 4 ist am Umfang mit zwei Klauen 2 versehen. Das Segment 3 ist mit zwei Ausnehmungen 1 versehen, in die die Klauen 2 einfassen. Ausnehmungen 1 und Klauen 2 haben eine unterschiedliche Kontur.FIG. 1 shows a schematic perspective view of a claw joint designed according to claims 1) to 4). The tubular shaft segment 4 is provided with two claws 2 on the circumference. The segment 3 is provided with two recesses 1 into which the claws 2 fit. Recesses 1 and claws 2 have a different contour.

Kippt das Segment 4 längs der Achse A-A um einen bestimmten Winkel, so berühren sich immer nur bestimmte Bereiche der Ausnehmungen 1 und der Klauen 2. Dies geschieht, ohne daß eine Klemmwirkung eintritt.If the segment 4 tilts along the axis A-A by a certain angle, only certain areas of the recesses 1 and the claws 2 touch each other. This happens without a clamping effect occurring.

Beschreibung Seite 4Description Page 4

FIG. 2 zeigt in der Seitenansicht die Segmente eines ausgeführten Klauengelenks. Die Rohrwellensegmente 3 und 4 haben hier einen Innendurchmesser di = 36mm und eine Außendurchmesser da = 60mm. Die Kreisbögen von Klaue und Ausnehmung haben die Radien Ra = 12.49mm und Rc = 12.5mm. Der Abstand der geraden Abschnitte der Ausnehmung beträgt Ag = 25.013mm. Die Auslaufradien betragen Rb = Rd = 9mm. Ihre Mittelpunkte liegen auf einem Durchmesser dm = 39.91mm.FIG. 2 shows a side view of the segments of a claw joint. The tubular shaft segments 3 and 4 have an inner diameter di = 36mm and an outer diameter da = 60mm. The circular arcs of the claw and recess have the radii Ra = 12.49mm and Rc = 12.5mm. The distance between the straight sections of the recess is Ag = 25.013mm. The run-out radii are Rb = Rd = 9mm. Their centers are on a diameter dm = 39.91mm.

FIG. 3 zeigt in der Seitenansicht ein Rohrwellensegment 5, dessen Ausnehmungskontur in zur Wellenachse senkrechter Richtung gemäß Anspruch 5) mit stetigen Ausläufen in den Außenradius versehen ist. Die Ausläufe sind hier als Kreisbögen mit einem Radius Re = 4mm ausgeführt.FIG. 3 shows a side view of a tubular shaft segment 5, the recess contour of which is provided with continuous run-outs in the outer radius in the direction perpendicular to the shaft axis according to claim 5). The run-outs are designed here as circular arcs with a radius Re = 4mm.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich insbesondere daraus, daß mit der dargelegten Ausführungsform des Klauengelenks große Drehmomente bei hoher Standzeit und geringem Verschleiß übertragen werden können, wenn, wie in der Tiefbohrtechnik, Rohrwellen eingesetzt werden, die eine große Krümmung erfahren. Hieraus ergibt sich ein günstigerer Aufwand für eine Richtbohrung, da das Bohrgestänge weniger oft erneuert werden muß. Darüber hinaus ist die Herstellung des dargelegten Klauengelenks weniger aufwendig, da jegliche Zwischenglieder entfallen.The advantages that can be achieved with the invention result in particular from the fact that with the described design of the claw joint, large torques can be transmitted with a long service life and little wear when, as in deep drilling technology, tubular shafts are used that experience a large curvature. This results in a cheaper outlay for directional drilling, since the drill rod does not have to be replaced as often. In addition, the production of the described claw joint is less complex, since there are no intermediate links.

Literatur:Literature:

/1/ Holbert, D.R.: Special Practices Allow High-Angle Drilling; The Oil & Gas Journal, Febr. 1981, S. 91-99/1/ Holbert, D.R.: Special Practices Allow High-Angle Drilling; The Oil & Gas Journal, Feb. 1981, pp. 91-99

/2/ Patentschrift DE 3107973 C2, Preussag AG: Bohrwerkzeug zur Herstellung gekrümmmt verlaufender Abschnitte von Tiefbohrungen./2/ Patent specification DE 3107973 C2, Preussag AG: Drilling tool for producing curved sections of deep boreholes.

/3/ Institut für Reibungstechnik und Maschinenkinetik der Technischen Universität Clausthal:
Eigene Untersuchungen 1990, bisher unveröffentlicht./3/ Institute of Friction Technology and Machine Kinetics at Clausthal University of Technology:
Own research 1990, previously unpublished.

Claims

Institute for Friction Technology Clausthal University of Technology Leibnizstraße 32 Clausthal-Zellerfeld Designation: Claw joint for tubular shafts Protection claims:

1) Claw joint for tubular shafts or tubular shaft segments, characterized in that the contours of claw and
and recess have a different shape.

2) Claw joint according to claim 1), characterized in that the curved or straight contours of the claw or the recess merge into one another through continuous sections with changing curvature, preferably circular arcs.

3) Claw joint according to claim 2), characterized in that the contours of claw and recess touch each other for each angular position in a defined region of the pipe wall.

4) Claw joint according to claim 3), characterized in that the contour of the claw is composed of three circular arcs and that the contour of the recess is composed of one circular arc and two
straight sections that merge into each other through small circular arcs and taper off continuously at the ends of the shafts.

5) Claw joint according to claim 3), characterized in that the shape of the contours of claw and recess are either both or individually formed according to an involute.

6) Claw joint according to claim 3) to 5), characterized in that
that the straight contours of the claw or recess in the direction perpendicular to the shaft axis merge into the inner or outer radius of the tubular shaft through continuous sections of changing curvature, preferably circular arcs.