(57)【要約】本発明は、第１入力シャフトに加わるトルクを第２シャフトに伝達し、両シャフト間の角度変動に順応するダブルナックル継手である。さらに、本発明はこの継手を組み込む改良したマッドモータ伝動装置を記載する。【選択図】図２
2017515015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸において、
第１端部及び第２端部を有する第１入力シャフトであって、前記第２端部が、窪み付きの少なくとも１個のスロット、及び外方に突出する少なくとも１個のリッジを有する、該第１入力シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する第２入力シャフトであって、前記第１端部が、窪み付きの少なくとも１個のスロット、及び外方に突出する少なくとも１個のリッジを有する、該第２入力シャフトと、
第１装着面及び第２装着面を有する装着ディスクであって、前記第１装着面が、外方に突出する少なくとも１個のリッジ、及び窪み付きの少なくとも１個のスロットを有し、前記第２装着面が、外方に突出する少なくとも１個のリッジ、及び窪み付きの少なくとも１個のスロットを有する、該装着ディスクと、
を備え、
前記装着ディスクは、前記第１入力シャフトの前記第２端部と前記第２入力シャフトの前記第１端部との間に位置決めして、前記双方の入力シャフトが担持する前記リッジが前記装着ディスクの前記スロット内に収容されるようにし、
前記第２入力シャフトの前記第２端部が担持するダブルナックル継手であって、入力シャフト、中心シャフト、及び中心継手素子を有する、該ダブルナックル継手を備える、駆動軸。
【請求項２】
ダブルナックル継手であって、入力シャフト、中心継手素子及び出力シャフトを備える、ダブルナックル継手。
【請求項３】
ダブルナックル継手において、
第１端部及び第２端部を有する入力シャフトであって、前記第２端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該入力シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する出力シャフトであって、前記第１端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該出力シャフトと、
前記入力シャフトの前記第２端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第１舌状部、及び前記出力シャフトの前記第１端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第２舌状部を有する、中心継手素子と、
を備える、ダブルナックル継手。
【請求項４】
請求項３記載のダブルナックル継手において、前記中心継手素子は、さらに、２対のナックルを有し、前記ナックルは、前記入力シャフト及び前記出力シャフトにおける前記舌状部の前記円弧状窪み内に収容される構成とした円弧状表面を有する、ダブルナックル継手。
【請求項５】
請求項４記載のダブルナックル継手において、前記中心継手素子の各舌状部は、さらに、トルク反作用面であって、半径遷移部が前記トルク反作用面を前記ナックルの前記円弧状表面に連結する、該トルク反作用面を有する、ダブルナックル継手。
【請求項６】
請求項５記載のダブルナックル継手において、少なくとも１個のトルク反作用面は保持ピン孔を有する、ダブルナックル継手。
【請求項７】
駆動軸であって、
第１端部及び第２端部を有する入力シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する中心シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する出力シャフトと、
前記入力シャフトと前記中心シャフトとの間に位置決めした第１中心継手素子と、
前記中心シャフトと前記出力シャフトとの間に位置決めした第２中心継手素子と、
を備え、
前記入力シャフト、前記第１中心継手素子、及び前記中心シャフトの第１端部が、第１ダブルナックル継手を画定し、また前記出力シャフト、前記第２中心継手素子、及び前記中心シャフトの第２端部が、第２ダブルナックル継手を画定する、駆動軸。
【請求項８】
請求項７記載の駆動軸において、
前記中心シャフトの第１端部は、舌状部及び溝構成を画定するスロットであって、前記舌状部それぞれに円弧状窪みを設けた、前記スロットを有し、
前記中心シャフトの第２端部は、舌状部及び溝構成を画定するスロットであって、前記舌状部それぞれに円弧状窪みを設けた、前記スロットを有し、
前記入力シャフトの第２端部は、舌状部及び溝構成を画定するスロットであって、前記舌状部それぞれに円弧状窪みを設けた、前記スロットを有し、
前記出力シャフトの第１端部は、舌状部及び溝構成を画定するスロットであって、前記舌状部それぞれに円弧状窪みを設けた、前記スロットを有し、
前記第１中心継手素子は、前記入力シャフトの前記第２端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第１舌状部、及び前記中心シャフトの前記第１端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第２舌状部を有するものとし、また
前記第２中心継手素子は、前記中心シャフトの前記第２端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第１舌状部、及び前記出力シャフトの前記第１端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第２舌状部を有するものとする、
駆動軸。
【請求項９】
請求項８記載の駆動軸において、前記第１中心継手素子は、さらに、２対のナックルを有し、前記ナックルは、前記入力シャフト及び前記中心シャフトにおける前記舌状部の前記円弧状窪み内に収容される構成とした円弧状表面を有し、また前記第２中心継手素子は、さらに、２対のナックルを有し、前記ナックルは、前記中心シャフト及び前記出力シャフトにおける前記舌状部の前記円弧状窪み内に収容される構成とした円弧状表面を有する、駆動軸。
【請求項１０】
請求項９記載の駆動軸において、前記中心継手素子の各舌状部は、さらに、トルク反作用面であって、半径遷移部が前記トルク反作用面を前記ナックルの前記円弧状表面に連結する、該トルク反作用面を有する、駆動軸。
【請求項１１】
請求項５記載のダブルナックル継手において、少なくとも１個のトルク反作用面は保持ピン孔を有する、ダブルナックル継手。
【請求項１２】
２つの明確に異なる経路に沿ってトルクを伝達するよう構成した可撓継手において、
第１端部及び第２端部を有する入力シャフトであって、前記入力シャフトの前記第２端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該入力シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する中心シャフトであって、前記中心シャフトの前記第２端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該中心シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する出力シャフトであって、前記出力シャフトの前記第１端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該出力シャフトと、
前記入力シャフトと前記中心シャフトとの間に位置決めした第１中心継手素子であって、前記入力シャフトの前記第２端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第１舌状部、及び前記中心シャフトの前記第１端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第２舌状部を有し、また２対のナックルを有し、前記ナックルは、前記入力シャフト及び前記中心シャフトにおける前記舌状部の前記円弧状窪み内に収容される構成とした円弧状表面を有する、該第１中心継手素子と、
前記中心シャフトと前記出力シャフトとの間に位置決めした第２中心継手素子であって、前記中心シャフトの前記第２端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第１舌状部、及び前記出力シャフトの前記第１端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第２舌状部を有し、また２対のナックルを有し、前記ナックルは、前記中心シャフト及び前記出力シャフトにおける前記舌状部の前記円弧状窪み内に収容される構成とした円弧状表面を有する、該第２中心継手素子と、
を備え、
前記入力シャフト、前記中心シャフト及び前記出力シャフトにおける前記舌状部及び溝構成が、前記第１及び第２の中心継手素子における前記舌状部と連携して第１トルク経路を画定し、また
前記入力シャフト、前記中心シャフト及び前記出力シャフトにおける前記円弧状窪みが、前記双方の中心継手素子の前記ナックルと連携して第２トルク経路を画定する、可撓継手。
【請求項１３】
請求項１２記載の可撓継手において、前記中心継手素子の各舌状部は、さらに、トルク反作用面であって、半径遷移部が前記トルク反作用面を前記ナックルの前記円弧状表面に連結する、該トルク反作用面を有する、可撓継手。
【請求項１４】
２つの明確に異なる経路に沿ってトルクを伝達するよう構成したダブルナックル継手において、
第１端部及び第２端部を有する入力シャフトであって、前記第２端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該入力シャフトと、
第１端部及び第２端部を有する出力シャフトであって、前記第１端部が、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、前記舌状部それぞれが円弧状窪みを有する、該出力シャフトと、
中心継手素子であって、前記入力シャフトの前記第２端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第１舌状部、及び前記出力シャフトの前記第１端部における前記スロット内に収容されるよう構成した第２舌状部を有し、また２対のナックルを有し、前記ナックルは、前記入力シャフト及び前記出力シャフトにおける前記舌状部の前記円弧状窪み内に収容される構成とした円弧状表面を有する、該中心継手素子と、
を備え、
前記入力シャフト及び前記出力シャフトにおける前記舌状部及び溝構成が、前記中心継手素子における前記舌状部と連携して第１トルク経路を画定し、また
前記入力シャフト及び前記出力シャフトにおける前記円弧状窪みが、前記中心継手素子の前記ナックルと連携して第２トルク経路を画定する、ダブルナックル継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体が本明細書に組み入れられるものとする２０１４年５月５日に出願した米国仮出願第６１／９８８，６８８号の恩典を主張する。
本発明は、マッドモータ伝動装置（トランスミッション）及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
駆動軸（ドライブシャフト）が角度関係の変化に順応しなければならないとき、一方のシャフトから他方のシャフトへのエネルギー伝達には継手を必要とし、この継手は、ねじり力、すなわちトルク（ねじりモーメント）を伝達するとともに、この継手の両側におけるシャフト相互間における相対運動を可能にするのに適したものでなければならない。自在継手及び等速継手はこの目的にとって一般的に使用される２つの継手である。石油産業界においては、ジョークラッチ又は同様の装置がこの機能を果たす。トルク及び軸方向荷重の双方を伝えるのに使用するとき、これら継手は、時期尚早な破損に至る極限荷重の下に置かれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、一方のシャフトから他方のシャフトにねじりエネルギーを伝達するのに適した新規な継手を提供することを目的とする。とくに、本発明継手は、一方のシャフトから他方のシャフトにねじりエネルギーを伝達するとともに、偏心した又は平行にオフセットしたシャフトアライメントを許容できるようにすることを目的とする。この結果、本発明によれば、いずれか一方の入力シャフトで発生した運動の角度変化を大幅に排除又は少なくとも大部分を減少できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態において、本発明は、一方のシャフトから他方のシャフトにねじりエネルギーを伝達するのに適した新規な継手を提供する。第１継手は、第１端部及び第２端部を有する第１入力シャフトを備える。第２端部は、窪みを設けた少なくとも１個のスロットと、外方に突出する少なくとも１個のリッジを有する。さらに、継手は、第１端部及び第２端部を有する第２入力シャフトを備える。第２入力シャフトの第２端部は、ダブルナックル継手の形式とした第２継手を担持する。第２継手は第２入力シャフトの第２端部は、コンポーネントの最終目的に適した任意な普通の構成によって固定することができる。第２入力シャフトの第１端部は、窪み付きの少なくとも１個のスロット、及び外方に突出する少なくとも１個のリッジを有する。第１入力シャフトと第２入力シャフトとの間に装着ディスクを位置決めし、この装着ディスクは、第１装着面及び第２装着面を有するものとする。第１装着面は、外方に突出する少なくとも１個のリッジ及び窪み付きの少なくとも１個のスロットを有し、また第２装着面は、外方に突出する少なくとも１個のリッジ及び窪み付きの少なくとも１個のスロットを有する。入力シャフトのリッジは装着ディスクにおけるスロット内に収容するとともに、装着ディスクのリッジは入力シャフトのスロット内に収容する。このようにして、第１継手はコンポーネント相互が横方向に相対移動できる。第２継手、すなわち、第２入力シャフトの第２端部が担持するダブルナックル継手は、継手入力ヨーク、継手中心素子及び継手出力ヨークを有するダブルナックル継手とする。継手入力ヨークは舌状部及び溝構成を有し、各舌状部は円弧状窪みを有する。継手出力ヨークは、構成が継手入力ヨークと対応する。したがって、ダブルナックル継手の第１端部は、中間シャフト又は第２入力シャフトに固定し、また第２端部は、舌状部及び溝構成を画定するスロットを有し、各舌状部は円弧状窪みを有する。継手中心素子は、継手入力ヨークのスロット内に収容されるよう構成した第１舌状部と、継手入力ヨークの各舌状部における円弧状窪み内に収容されるよう構成した１対のナックルとを有する。さらに、継手中心素子は、継手出力ヨークのスロット内に収容されるよう構成した第２舌状部と、継手ヨークの各舌状部における円弧状窪み内に収容されるよう構成した１対のナックルとを有する。第２継手におけるコンポーネントの各舌状部の相対長さは、記載した継手によって連結されるシャフトで駆動されるコンポーネントに基づいて変化し得る。最終的に、すべてのコンポーネントはハウジング内に位置決めすることができる。
【０００５】
他の実施形態において、本発明は、入力シャフト、中心シャフト、出力シャフト、及び２個の中心継手素子を備える駆動軸を提供する。入力シャフト、第１中心継手素子及び中心シャフトの第１端部は、第１ダブルナックル継手を画定する。出力シャフト、第２中心継手素子及び中心シャフトの第２端部は、第２ダブルナックル継手を画定する。中心シャフトの第１端部及び第２端部は、継手ヨークを担持し、各継手ヨークは舌状部及び溝構成を画定し、各舌状部は円弧状窪みを有する。第１及び第２の継手ヨークが画定する溝は、互いにインライン整列させる、又は互いに整列しないようにすることができる。入力シャフトの第１端部は動力入力コンポーネントに取り付けるよう構成し、入力シャフトの第２端部は舌状部及び窪み構成を画定し、各舌状部は円弧状窪みを有するものとする。入力シャフトは一体コンポーネントとする、又は入力シャフトは、入力シャフトを駆動コンポーネントに固定するのに適した入力シャフトアダプタを担持するものとすることができる。出力シャフトの第１端部は舌状部及び窪み構成を画定し、各舌状部は円弧状窪みを有するものとし、出力シャフトの第２端部は被駆動コンポーネントに取り付けるよう構成する。一実施形態において、出力シャフトは、ダウンホール環境でフロー・ダイバータとして使用するのに適した流体流ポートを有する一体コンポーネントとする。他の実施形態において、出力シャフトは、フロー・ダイバータ又は他の被駆動コンポーネントのような被駆動コンポーネントに固定するのに適した出力シャフトアダプタを担持する。一実施形態において、各舌状部は保持ピンボアを有する。各継手中心素子は、第１及び第２の舌状部を有し、各舌状部はトルク反作用面を画定する。さらに、各継手中心素子は、各舌状部の円弧状窪み内に収容されるよう構成した１対のナックルを有する。ナックルは、継手中心素子の舌状部の各側面に配置する。したがって、ナックルは、対応の収容舌状部における円弧状窪みに整列するよう分離又は離間する。第１継手中心素子に関して、第１舌状部は、入力シャフトが担持する舌状部及び溝構成によって画定されるスロット内に位置決めし、第１ナックルは、入力シャフトの舌状部における円弧状窪み内に収容する。第１継手中心素子の第２舌状部は、中心シャフトの第１端部が担持する舌状部及び溝構成によって画定されるスロット内に位置決めし、また第１継手中心素子の第２ナックルは、中心シャフトの第１端部における舌状部の円弧状窪み内に位置決めする。同様に、第２継手中心素子の第１舌状部は、中心シャフトの第２端部の舌状部及び溝構成によって画定されるスロット内に位置決めし、第２継手中心素子が担持する第１対のナックルは中心シャフトの第２端部の舌状部における円弧状窪み内に位置決めする。駆動軸の組付けに続いて、各保持ピンボア内に保持ピンを位置決めする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態における第１継手の側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した第１継手の拡大図である。
【図２】本発明の第１実施形態を使用し、入力継手がスリップ型継手であり、出力継手がダブルナックル継手であるマッドモータ伝動装置の断面図である。
【図３】出力継手の継手入力ヨークの図である。
【図４】出力継手の継手中心素子の図である。
【図５】出力継手の継手出力ヨークの図である。
【図６】本発明の第２実施形態のハウジングを切除して示す斜視図である。
【図７】入力シャフトアダプタを有する入力シャフトの側面図を示す。
【図８】入力シャフトアダプタを有する入力シャフトの垂直断面図を示す。
【図９】中心継手素子を示す。
【図１０】中心シャフトの斜視図である。
【図１１】出力シャフトの一実施形態の斜視図である。
【図１２】出力シャフトの一実施形態の側面側から見た縦断面図であり、継手をマッドモータ伝動装置に組み込むときに適切に適合し得る保持ピン孔及び流体フロー孔を示す。
【図１３】入力シャフト及び中心シャフトにおける孔に挿通して、入力シャフト及び中心シャフトを中心継手素子に固定するピンを示す、側面側から見た垂直断面図である。
【図１４】ドリルストリングに使用するのに適した、一部切除したベントハウジング内に配置したダブル継手を分解した状態で示す部分切除斜視図である。
【図１５】２個のダブルナックル型継手を組み込んだ駆動軸の他の実施形態における側面から見た垂直断面図であり、この実施形態において、駆動軸の出力端部は、出力シャフト及び被駆動コンポーネントに連結するのに適した出力シャフトアダプタを利用する。
【図１６】２個のダブルナックル型継手を組み込んだ駆動軸の他の実施形態における側面から見た垂直断面図であり、この実施形態において、駆動軸の出力端部は、出力シャフト及び次の被駆動シャフトに連結した出力シャフトアダプタを利用する。
【図１７】中心継手素子のための枢動ポイントＸ及びＹを示す。
【図１８】入力シャフトアダプタ及び機械加工可能ワッシャを所定位置に有する入力シャフトの側面図である。
【図１９】入力シャフトアダプタ及び機械加工可能ワッシャを設置した状態の入力シャフトの側面から見た垂直断面図であって、ロックワイヤの位置を示す。
【図２０】機械加工可能ワッシャ、入力シャフトアダプタ及びロックワイヤの組立て前の斜視図である。
【図２１Ａ】機械加工可能ワッシャを入力シャフトアダプタにおけるレンチ締め用六角ヘッド上の所定位置に装着した状態の、入力シャフトに装着した入力シャフトアダプタの端面図である。
【図２１Ｂ】機械加工可能ワッシャを入力シャフトアダプタにおけるレンチ締め用六角ヘッド上の所定位置に装着した状態の、入力シャフトに装着した入力シャフトアダプタの、図１９のライン２１Ｂにおける端面側から見た垂直断面図である。
【図２２】図６〜２１の装置をねじり試験機で試験することによって得たデータを表すグラフである。
【図２３】図６〜２１の装置をねじり試験機で試験することによって得たデータを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、ねじり力及び軸方向力を伝達するよう設計した改良した駆動軸構成１０を提供する。駆動軸構成１０の構成及び運用態様は、マッドモータ伝動装置（トランスミッション）の観点から説明する。しかし、駆動軸構成１０は、駆動軸のシャフト相互間における角度変化に順応することを必要とする継手を介してトルク伝達するのが必要な装置での使用に適する。このような運用の非限定的な例としては、駆動軸構成１０により自在継手又は等速継手に代替できる駆動軸があり得る。
【０００８】
先ず、図１及び２につき説明すると、一実施形態において、駆動軸構成１０は、第１入力シャフト１２と、装着ディスク１４と、及び第２入力シャフト１６と、を備える。第１入力シャフト１２は第１端部１８及び第２端部２０を有する。第２入力シャフト１６は第１端部２２及び第２端部２４を有する。装着ディスク１４は第１装着面２６及び第２装着面２８を有する。第１入力シャフト１２の第１端部１８及び第２入力シャフト１６の第２端部２４は、ねじ山付きとする、又は駆動連鎖又はドリルストリングにおける他のコンポーネントに固定するのに任意な都合のよい態様に構成することができる。
【０００９】
第１入力シャフト１２の第２端部２０は、少なくとも１個のスロット３０と、外方に突出する少なくとも１個のリッジ３２とを有する。同様に、第２入力シャフト１６の第１端部２２は、少なくとも１個のスロット３４と、外方に突出する少なくとも１個のリッジ３６とを有する。装着ディスク１４の各装着面２６及び２８は、入力シャフト１２，１６におけるスロット３０，３４及びリッジ３２，３６を収容する又はこれらと整合するよう構成した、対応するスロット３８及び対応するリッジ４０を有する。
【００１０】
図１Ａ及び１Ｂにつき説明すると、スロット３０，３４，３８及びリッジ３２，３６，４０の幾何学的な形態は、駆動軸構成１０の用途に応じて変化することができる。好適な形態としては、限定しないが、長方形、台形（すなわち、テーパ付き）、三角形、及び波形縁付き形状がある。リッジ及びスロットは、概して摩擦及び応力を減少するよう丸みを付けたコーナーを有する。概して、リッジ３２，３６，４０は、台形、すなわち、テーパ付きにする。一般的には、テーパ付き又は台形の表面は、面接触ロスがなく装着面を連結することができる。したがって、この形態は、継手コンポーネントにおける相対アライメント及び形態を維持することによって、継手寿命を延ばすことができる。歯の高さ、幅、テーパ角度及び個数は継手サイズ及び用途に対して変化することができる。リッジのベース部から終端表面に至るリッジ３２，３６，４０の幅変化は０％〜５０％とすることができる。台形リッジ４０に対しては、終端面はベースよりも１０％〜５０％狭いものである。本明細書に記載のように、駆動軸構成１０は、スロット３０，３４，３８及びリッジ３２，３６，４０に対して、逆テーパ又は「蟻継ぎ若しくは鳩尾（ダブテイル）型」の形態を利用することができる。
【００１１】
さらに、図１Ｂに示すように、装着ディスク１４が担持する外方突出リッジ４０は、随意的に終端面に潤滑溝を設ける。装着ディスク１４におけるリッジ４０にしか示さないが、駆動軸構成１０のすべての接触面に潤滑溝を設けて、掘削泥水及び他の潤滑剤が駆動軸構成１０を横切ってまた駆動軸構成１０の縦方向に沿って流動するのを増進する。
【００１２】
装着ディスク１４は、第１入力シャフト１２で受け取ったねじり力及び軸方向力を第２入力シャフト１６に伝達するとともに、シャフトアライメントの偏心又は平行オフセットに順応し、これにより、入力シャフト１２，１６のいずれかで生ずる運動における角度変化を、ほぼ排除する又は少なくとも大幅に減少できるようになる。スロット３０，３４，３８及びリッジ３２，３６，４０の形態及び協調動作によれば、入力シャフト１２，１６と装着ディスク１４との間における側方滑動を可能にする。コンポーネント間のこのような運動は自然と表面摩耗を生ずる。一般的に入力シャフト１２，１６と協調動作する装着ディスク１４の構成は、装着ディスク１４及び入力シャフト１２，１６における表面腐食にも係わらず、継手コンポーネントの連続的な構造アライメントをもたらす。さらに、アライメント関係は、図２に示すように継手ハウジング５７によってもたらされる。
【００１３】
表面２６，２８にわたるほぼ均一な腐食速度をもたらすため、装着ディスク１４は、概して３００Ｍ，４３４０，８６２０のような高力合金スチール、又はシャフト１２，１６に使用されるのと同一のステンレス鋼から製造し、すべての接触面には、セラミックをベースとした、又はコバルト−タングステン炭化物コーティングのような随意的硬質コーティングを施し、摩耗抵抗及び磨滅抵抗性を付加する。代案として、装着ディスク１４を高力青銅のような犠牲材料から形成することができる。一実施形態において、すべての摺動面又は接触面２６，２８及び端部２０，２２には摩耗及び磨滅抵抗性表面処理を施す。以下により詳細に説明するように、マッドモータ伝動装置の状況において、入力シャフト１２，１６間における装着ディスク１４の独特な非固定構成が、整列しない入力シャフト相互間、すなわち、互いに回転軸線がオフセットして平行な入力シャフト相互間で効率的な回転エネルギー伝達をもたらす。概して、入力シャフト１２，１６及び装着ディスク１４の構成は、駆動軸構成１０が受けるG力（フォース）の値は、この産業界で現在使用されている普通の「ジョーククラッチ」継手と比較するとき約８０％〜９０％減少し、これにより内部コンポーネントに対する衝撃を減少し、より静粛な動作をもたらし、また駆動軸構成１０の運用年数を長くする。
【００１４】
図２に示すように、駆動軸構成１０は、第２入力シャフト１６の端部２４に固定するダブルナックル継手４００を担持する。ダブルナックル継手４００は、継手入力ヨーク４０２、継手中心素子４０４及び継手出力ヨーク４０６を有する。最後に、図６に示すように、駆動軸１０をマッドモータ伝動装置に利用する場合には、ベンド（bend）ハウジングとしても知られているベント（bent）ハウジング４０８がダブルナックル継手４００を収容することができる。ダブルナックル継手４００は、任意な普通のビットボックスに固定する、又は当業者に既知の他の被駆動ダウンホールツールに固定することができる。代案として、ダブルナックル継手４００は、トルクを被駆動コンポーネントに伝達するのに適した態様で任意の被駆動コンポーネントに固定することができる。
【００１５】
このように、駆動軸構成１０は、マッドモータ１００に組み込むとき、傾斜掘り作業中にドリルビットを駆動する能力を付与するとともに、交換容易な継手をもたらす。しかし、本発明は重要な付加的な利点をもたらす。
【００１６】
ダブルナックル継手４００は、駆動軸１０の意図した使用に適した任意な普通の手段によってシャフト１６の端部２４に固定する。継手入力ヨーク４０２は、第１端部及び第２端部を有する。この第１端部は端部２４に固定する。第２端部は、舌状部及び溝構成を画定するスロット４３６を有する。各舌状部４３４は円弧状窪み４３２を有する。継手中心素子４０４は、スロット４３６内に収容するよう構成した第１舌状部４１５と、及び継手出力ヨーク４０６のスロット４３９内に収容するよう構成した第２舌状部４１７とを有する。さらに、中心継手（継手中心）素子は、継手入力ヨーク４０２及び継手出力ヨーク４０６のそれぞれにおける円弧状窪み内に収容するよう構成した２対の円弧状ナックル４１１を担持する。各舌状部４１５，４１７における各面４１６は、トルクを入力ヨークから出力ヨークに伝達するのに適したトルク反作用面４１６として作用する。さらに、ナックル４１１は、円弧状表面からトルク反作用面への半径遷移部を有し、この半径遷移部によれば、継手入力ヨークに加わる軸方向力を吸収することによりトルク伝達を向上する。第２継手におけるコンポーネントの各舌状部の相対長さは、上述の継手が連結するシャフトによって駆動されるコンポーネントに基づいて変化し得る。最後に、すべてのコンポーネントをハウジング内に位置決めすることができる。
【００１７】
図６につき説明すると、２個のダブルナックル継手４００を有する駆動軸１０は、ベントサブハウジング４０８内に配置する、又は２個のＣＶ継手若しくは自在継手を有するいかなる駆動軸にも代用することができる。この駆動軸は、入力シャフト４０３、中心シャフト４１０、出力シャフト４０７及び２個の中心継手（継手中心）素子４０４を備える。入力シャフト４０３、第１中心継手素子４０４ａ、及び中心シャフト４１０の第１端部が第１ダブルナックル継手を画定する。出力シャフト４０７、第２継手中心素子４０４ｂ、及び中心シャフトの第２端部が第２ダブルナックル継手を画定する。図７〜８につき説明すると、入力シャフト４０３は機能的に入力ヨーク４０２に対応し、また出力シャフト４０７は機能的に出力ヨーク４０６に対応する。
【００１８】
中心シャフト４１０の第１端部及び第２端部は継手ヨークを担持し、各継手ヨークは、舌状部及び溝構成を画定し、各舌状部は円弧状窪み４３２を有する。第１及び第２の継手ヨークが画定するスロット４３７は、互いに一列に整列させる又は整列させないようにすることができる。
【００１９】
入力シャフト４０３の第１端部は、動力入力コンポーネントに取り付けるよう構成し、また入力シャフト４０３の第２端部は舌状部及び溝構成を画定し、各舌状部４３４は円弧状窪み４３２を有する。入力シャフトを一体コンポーネントとする、又は入力シャフトは入力シャフトを駆動コンポーネントに固定するのに適した入力シャフトアダプタ４１２を担持するものとすることができる。図８に示すように、入力シャフトアダプタ４１２は内部六角孔４１３を有する。図１８〜２１は、入力シャフトアダプタ４１２より代表的な実施形態を示す。これら図に示すように、入力シャフトアダプタ４１２はレンチ締め用外部六角ヘッド４２１を有する。入力シャフトアダプタ４１２を入力シャフトに設置する前に、ロックワイヤ４４２を入力シャフトアダプタ４１２のねじ山４４４上に配置する。最終的に、入力シャフトアダプタ４１２を入力シャフト４０３内に導入し、また適正トルクにまで締め込んで設置した後、ロックワイヤ４４２は、入力シャフト４０３の孔４４７から挿入し、入力シャフトアダプタ４１２及び入力シャフト４０３の溝４４９（入力シャフトには示さない溝）の周りに合致する。機械加工可能なワッシャ４４０をレンチ締め六角ヘッド４２１上に配置する。機械加工可能なワッシャ４４０はレンチ締め六角ヘッド４２１を損傷から保護し、また入力シャフト４０３から入力シャフトアダプタ４１２への滑らかな遷移部をもたらす。
【００２０】
出力シャフト４０７の第１端部は、各舌状部４４１が円弧状窪み４４３を有する舌状部及び溝構成を画定し、また出力シャフトの第２端部は、被駆動コンポーネントに取り付けるよう構成する。一実施形態において、出力シャフトは、ダウンホール環境においてフロー・ダイバータとして使用するのに適した流体流ポート４２２を有する一体コンポーネントとする。他の実施形態において、出力シャフトは、フロー・ダイバータのような被駆動コンポーネント又は他の被駆動コンポーネントに固定するのに適した出力シャフトアダプタを担持する。
【００２１】
一実施形態において、入力シャフト４０３、中心シャフト４１０及び出力シャフト４０７における各舌状部は、それぞれ少なくとも１個の保持ピンボア又は孔４２４，４１８及び４２０を有する。各継手中心素子４０４は第１及び第２の舌状部４１５，４１７を有し、各舌状部はトルク反作用面４１６を画定する。さらに、各継手中心素子は、各舌状部における円弧状窪み内に収容するよう構成した２対のナックル４１１を有する。図示のように、継手中心素子４０４は対称形状にし、またどちらの舌状部も「上又は下（up or down）」側となるよう設置することができる。各ナックル対において、ナックル４１１は、継手中心素子の舌状部４１５，４１７の各側面に位置する。したがって、ナックル４１１は、対応の収容舌状部における円弧状窪みと整列する適切な距離だけ分離又は離間する。
【００２２】
第１継手中心素子４０４ａに関しては、第１舌状部４１５は、入力シャフト４０３が担持する舌状部及び溝構成によって画定されるスロット４３６内に位置決めし、また第１ナックル４１１を入力シャフトの舌状部４３４における円弧状窪み４３２内に収容する。第１継手中心素子４０４ａの第２舌状部４１７は、中心シャフト４１０の第１端部が担持する舌状部及び溝構成によって画定されるスロット４３７ａ内に位置決めし、また第１継手中心素子４０４ａの第２ナックル４１１を中心シャフト４１０の第１端部の舌状部４３８における円弧状窪み４３２ａ内に収容する。同様に、第２継手中心素子４０４ｂの第１舌状部は、中心シャフト４１０の第２端部における舌状部及び溝構成によって画定されるスロット４３７ｂ内に位置決めし、第２継手中心素子４０４ｂが担持するナックル４１１の第１対を中心シャフト４１０の第２端部における舌状部４３８の円弧状窪み４３２ｂ内に位置決めする。駆動軸コンポーネントの組付けに続いて、入力シャフト４１０の保持ピンボア４１８、入力シャフト４０３の保持ピンボア４２４、出力シャフト４０７の保持ピンボア４２０内に保持ピン４２６を位置決めする。
【００２３】
保持ピン４２６は、孔（ボア）４１８，４２０又は４２４内に緩い隙間嵌め状態となる。他のピン４２６は継手中心素子４０４の閉じた底部孔４１４内に緩い隙間嵌め状態となる。しかし、各ダブルナックル継手４００の枢動中におけるピン４２６の周りの運動自由度を確保するため、孔４１４は孔４１８，４２０及び４２４よりも直径を大きくする。こうして、保持ピン４２６によって得られる孔４１４，４１８，４２０，４２４内における運動の自由度は、図１７に示すように、ポイントＸ、Ｙ周りの枢動を可能にする。最後に、ピン４２６上に配置した管プラグ４２８又は等価の素子がピン４２６をダブルナックル継手４００の孔内に固定する。
【００２４】
上述の実施形態において、出力シャフト４０７はマッドモータ伝動装置の使用に適合するものであった。図１１〜１２に示すように、出力シャフトの第２端部には、ビットボックス又は他のダウンホールツールに固定するためにねじ山付きとした。さらに、出力シャフト４０７には泥水流ポート４２２を設けた。しかし、出力シャフト４０７は、地上又はダウンホールでの使用のため、任意の動力出力構成に適合し得るものとすることができる。図１５〜１６に示すように、出力シャフト４０７は、図示のように、クロスフロー・ダイバータに、又は限定しないが、差動変速装置、トランスミッション変速装置、又は動力の入力を必要とする任意の同様な装置を含む任意な他の被駆動コンポーネントに連結するのに適した出力シャフトアダプタ４０９を担持する。
【００２５】
図１５及び１６の実施形態において、駆動軸は、先に詳述したような２個のダブルナックル継手を組み込む。第２ダブルナックル継手は、出力シャフト４０７を有し、この出力シャフト４０７は、出力シャフト４０７の第１端部と同一の舌状部及び溝構成を設けた第１端部を有する。唯一の相違点は出力シャフト４０７の第２端部の構成である。この実施形態において、出力シャフト４０７は出力シャフトアダプタ４０９を担持する。出力シャフトアダプタ４０９は、出力シャフト４０７の第２端部に任意な普通の手段によって固定する第１端部を有し、例えば、図示のように、ねじ山によって連結を行うようにする。出力シャフトの第２端部４３２は、ねじ山又は他の構成を担持して、被駆動コンポーネント又は他のシャフトに連結できるようにする。
【００２６】
図６〜２１に示す構成によって得られる改善を実証するため、図６〜２１の実施形態をダイナドリル（Dyna Drill）社製動力計で試験した。この駆動軸は、掘削流体として水のみを使用して、４，０００ポンド・フィートのトルク（約５４２３Ｎｍのトルク；使用したマッドモータの最大定格でもある）で１４時間の期間にわたり運転した。この試験に続いて、この駆動軸をロード（LOAD Corporation）社のねじり試験機に装着した。３００，０００ポンド・インチのトルクセル（約３３.９ＫＮｍトルクセル）を使用して、試験中のトルクを測定した。この試験環境において、ハウジング４０８は不要であるとして省いた。この試験目的のため、３００，０００ポンド・インチのトルク（約３３.９ＫＮｍトルク）をねじり試験機に加えた。３回の試験運転を行った。試験運転１の結果はすべりを生じたため破棄した。試験運転２及び３の結果を図２２〜２３に示す。その後の試験中、ドリルビット・マンドレルに等価であるねじり試験機のねじ山付きロッドは破損した。ねじ山付きロッドは３００Ｍ合金スチールから構成したものであった。この品質のスチールは、普通のダウンホールドリルビット・マンドレルよりも強力であると考えられる。試験手順は駆動軸のダブルナックル継手又は中心シャフトにダメージを与えないことから、図６〜２１に示す装置の構成は、普通のダウンホールドリルビット・マンドレルよりも高いトルク伝達能力を有すると結論付けることができる。
【００２７】
図２２〜２３につき説明すると、入力シャフトを出力シャフトに接合する中心シャフトを有する２個のダブルナックル構成は、１４，０００ lb*ft（１６８，０００ lb*ft又は約１９ＫＮｍ）のストールトルクまでうまく動作した。図２２において、
ラインＡの勾配＝-24020+157550／-1.503+6.403＝27251 lb*in/degree(約３.１KNm/ degree)、及び
ラインＢの勾配＝-167688+162205／-12.653+7.003＝970 lb*in/degree(約１１０KNm/ degree)
である。ラインＢはねじ山の僅かなすべりを反映する。図２３において、
ラインＡの勾配＝-155258+19433／-5.953+1.005＝27450 lb*in/degree(約３.１KNm/ degree)、及び
ラインＢの勾配＝-167688+165651／-8.203+6.553＝1355 lb*in/degree(約１５３KNm/ degree)
である。ラインＢはねじ山の僅かなすべりを反映する。
【００２８】
図２２〜２３のデータは、駆動軸が試験中に予想通りに機能したことを示し、また試験機とねじ山付きスタッドとの間におけるねじ山付き接合部が試験の上限に向けてすべり又は降伏し続けたことを示す。
【００２９】
動作にあたり、２個のダブルナックル継手４００を組み込んだ駆動軸１０は得を入力シャフト４０３から出力シャフト４０７への伝達を改善する。図６〜２１に示す構成は、２つのトルク経路を提供する。第１トルク経路は、入力シャフト４０３、中心シャフト４１０、出力シャフト４０７、並びに継手中心素子４０４ａ及び４０４ｂの舌状部及び溝コンポーネントに追従する。したがって、入力シャフト４０３に加わるトルクは、舌状部４３４から継手中心素子４０４ａの舌状部４１５におけるトルク伝達面４１６に通過する。次に、舌状部４１７における継手中心素子のトルク伝達面４１６が、第１スロット４３７ａを形成する舌状部４３８にトルクを伝達する。同様に、スロット４３７ｂにおける舌状部４３８が、継手中心素子４０４ｂの舌状部４１５におけるトルク伝達面４１６にトルクを通過する。最終的に、継手中心素子４０４ｂの舌状部４１５におけるトルク伝達面４１６が、出力シャフト４０７の舌状部４４１にトルクを伝達する。
【００３０】
この第２トルク経路が効率を改善させる。第２トルク経路は、ダブルナックル継手４００の円弧状接触ポイントを利用する。とくに、上述したように、入力シャフト４０７の各舌状部４３４は円弧状窪み４３２を有する。同様に、中心シャフト４１０の各舌状部４３４は円弧状窪み４３２を設けた舌状部４３８を有し、また出力シャフト４０７の各舌状部４４１は円弧状窪み４４３を有する。入力シャフト４０３、中心シャフト４１０及び出力シャフト４０７の舌状部における円弧状窪みは、継手中心素子４０４における各ナックル４１１の円弧状表面に対応する半径を有する。第２トルク経路は、出力シャフト４０７に達するまで舌状部の円弧状窪み及びナックルの円弧状窪みを辿って進む。
【００３１】
本発明の他の実施形態は当業者には明らかであろう。このように、上述の説明は、単に本発明の一般的用途及び方法を可能にしようとし、また記載するものである。したがって、特許請求の範囲が本発明の範囲を定義する。
【符号の説明】
【００３２】
１０    駆動軸構成
１２    第１入力シャフト
１４    装着ディスク
１６    第２入力シャフト
１８    （第１入力シャフト１２の）第１端部
２０    （第１入力シャフト１２の）第２端部
２２    （第２入力シャフト１６の）第１端部
２４    （第２入力シャフト１６の）第２端部
２６    （装着ディスク１４の）第１装着面
２８    （装着ディスク１４の）第２装着面
３０    （第１入力シャフト１２の第２端部２０の）スロット
３２    （第１入力シャフト１２の第２端部２０の）リッジ
３４    （第２入力シャフト１６の第１端部２２の）スロット
３６    （第２入力シャフト１６の第１端部２２の）リッジ
３８    （装着ディスク１４の各装着面２６及び２８の）スロット
４０    （装着ディスク１４の各装着面２６及び２８の）リッジ
５７    継手ハウジング
４００    ダブルナックル継手
４０２    継手入力ヨーク
４０３    入力シャフト
４０４    継手中心素子
４０４ａ  第１継手中心素子
４０４ｂ  第２継手中心素子
４０６    継手出力ヨーク
４０７    出力シャフト
４０８    ベント（bent）ハウジング（又はベンド（bend）ハウジング）
４０９    出力シャフトアダプタ
４１０    中心シャフト
４１１    （円弧状）ナックル
４１２    入力シャフトアダプタ
４１３    内部六角孔
４１４    底部孔
４１５    （継手中心素子４０４の）第１舌状部
４１６    トルク反作用面（トルク伝達面）
４１７    （継手中心素子４０４の）第２舌状部
４１８    保持ピンボア又は孔
４２０    保持ピンボア又は孔
４２１    レンチ締め用外部六角ヘッド
４２２    流体流ポート
４２４    保持ピンボア又は孔
４２６    保持ピン
４２８    管プラグ
４３２    （継手入力ヨーク４０２の第２端部スロットの）円弧状窪み
４３２ａ  （中心シャフト４１０の第１端部舌状部４３８の）円弧状窪み
４３２ｂ  （中心シャフト４１０の第２端部舌状部４３８の）円弧状窪み
４３４    （継手入力ヨーク４０２の第２端部スロットの）舌状部
４３６    （継手入力ヨーク４０２の第２端部の）スロット
４３７    （第１及び第２の継手ヨークが画定する）スロット
４３７ａ  （中心シャフト４１０の第１端部舌状部の）スロット
４３７ｂ  （中心シャフト４１０の第２端部舌状部の）スロット
４３８    （中心シャフト４１０の第１端部の）舌状部
４３９    （継手出力ヨーク４０６の）スロット
４４０    機械加工可能なワッシャ
４４１    （出力シャフト４０７の第１端部の）舌状部
４４２    ロックワイヤ
４４３    （出力シャフト４０７の第１端部舌状部４４１の）円弧状窪み
４４４    （入力シャフトアダプタ４１２の）ねじ山
４４７    （入力シャフト４０３の）孔
４４９    （入力シャフトアダプタ４１２及び入力シャフト４０３の）溝
【図１Ａ】
2017515015.tif 000003
【図１Ｂ】
2017515015.tif 000004
【図２】
2017515015.tif 000005
【図３】
2017515015.tif 000006
【図４】
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【図５】
2017515015.tif 000008
【図６】
2017515015.tif 000009
【図７】
2017515015.tif 000010
【図８】
2017515015.tif 000011
【図９】
2017515015.tif 000012
【図１０】
2017515015.tif 000013
【図１１】
2017515015.tif 000014
【図１２】
2017515015.tif 000015
【図１３】
2017515015.tif 000016
【図１４】
2017515015.tif 000017
【図１５】
2017515015.tif 000018
【図１６】
2017515015.tif 000019
【図１７】
2017515015.tif 000020
【図１８】
2017515015.tif 000021
【図１９】
2017515015.tif 000022
【図２０】
2017515015.tif 000023
【図２１Ａ】
2017515015.tif 000024
【図２１Ｂ】
2017515015.tif 000025
【図２２】
2017515015.tif 000026
【図２３】
2017515015.tif 000027
【国際調査報告】
2017515015.tif 000028
2017515015.tif 000029