DE3209568A1 - Kraftuebertragungseinrichtung fuer oelbohrlochpumpen - Google Patents

Description

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München *> Stuttgart

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION 16. März 1982

600 Grant Street

Pittsburgh, Pennsylvania 15219 / USA

Unser Zeichen: R 1040

Kraftübertragungseinrichtung für ölbohrlochpumpen

Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungseinrichtung für Ölbohrlochpumpen, insbesondere eine solche Kraftübertragungseinrichtung, die eine Drehzahlreduzierung der von einer rotierenden Antriebsquelle in Drehung versetzten Eingangswelle auf zwei Abtriebswellen verschafft, die einen Kurbelmechanismus antreiben, welcher einer mit Hin- und Herbewegung arbeitenden Pumpvorrichtung für ein Ölbohrloch die Antriebsleistung zuführt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kraftübertragungseinrichtung.

Bei der Erdölförderung ist es üblich, mit Hin- und Herbewegung arbeitende Ölbohrlochpumpen zu verwenden, die von einer rotierenden Antriebsquelle mit Antriebsleistung versorgt werden. Bei der Antriebsquelle handelt es sich gewöhnlich um einen Elektromotor, aber auch Dieselmotoren und dergleichen werden verwendet. Da Elektromotoren und Brennkraftmaschinen bei höheren Drehzahlen mit besserem Wirkungsgrad arbeiten und die Hin- und Herbewegung der Pumpe mit wesentlich geringerer Geschwindigkeit erfolgt, muß bei der Kraftübertragung von der Antriebs-

quelle zu der Pumpe eine Untersetzung erfolgen. Eine solche Untersetzung kann z.B. über ein System aus Riemen und Riemenscheiben oder über einen Kettenantrieb erfolgen. Es hat sich jedoch als günstiger erwiesen, eine Kraftübertragungseinrichtung vorzusehen, die eine starke Untersetzung zwischen Antriebsquelle und Pumpe ermöglicht.

Ölbohrlochpumpen der genannten Art sind z.B. bekannt aus den US-PSen 1 972 660, 1 979 803, 3 183 728, 3 427 887, 3 621 723, 3 706 234, 3 867 846 und 4 051 736; in diesen Druckschriften ist angegeben, daß wegen der hohen erforderlichen Antriebskräfte zum Betrieb solcher Pumpen vorteilhafterweise Doppelgestänge oder dergleichen verwendet werden, um die Kraftübertragungseinrichtung und die sonstigen Pumpenteile gleichmäßig zu belasten. Am Ausgang der untersetzenden Kraftübertragungseinrichtung sind jeweils zwei Abtriebswellen vorgesehen, die einen Kurbelmechanismus antreiben, um die übertragungsgestänge der Pumpen anzutreiben. Es ist üblich, an den Kurbelarmen Gegengewichte anzubringen, um die Pumpe im Betrieb gleichmäßig zu belasten. Die Schwengelkonstruktionen, an denen die Übertragungsgestänge angreifen, sind unterschiedlich ausgelegt, ebenso wie die Einrichtungen zum Ankoppeln der Antriebsleistung an die Eingangsseite des Untersetzungsgetriebes.

Zwar sind die in den oben erwähnten Druckschriften beschriebenen Untersetzungsgetriebe für die Ölförderpumpen unterschiedlich, ihnen ist jedoch gemeinsam, daß nur eine Eingangswelle verwendet wird, die eine Reihe von Stirnrädern, schrägverzahnten Rädern oder pfeilverzahnten Rädern antreibt, um die Antriebsleistung auf die Abtriebswelle zu übertragen. Diese Abtriebswelle ist parallel zur Eingangswelle, und an jedem ihrer Enden ist eine Kurbeleinrichtung angeordnet. Diese Art von Übertragungsrichtung mit Drehzahluntersetzung ist bei Erdölförderanlagen am weitesten verbreitet; früher wurden andere Arten von Getrieben verwendet, wie z.B. die US-PSen 1 821 216, 1 858 185, 1 915 827, 2 161 298, 2 197 730, 3 208 291 und 3 221 569 zeigen.

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Bei diesen Untersetzungsgetrieben sind die Eingangswellen nicht parallel zu den Abtriebswellen. Einige dieser Untersetzungsgetriebe enthalten Schneckengetriebe, auf deren Wirkungsweise jedoch nicht näher eingegangen wird. In allen Fällen ist die Abtriebswelle direkt an einen Einfach- oder Doppel-Kurbelmechanismus angekoppelt, um die Hubpumpe anzutreiben.

Es besteht nach wie vor ein erheblicher Bedarf für ein zuverlässiges und kostengünstiges Untersetzungsgetriebe, das zum Antrieb von ölbohrlochpumpen geeignet ist. Insbesondere besteht ein Bedarf für Untersetzungsgetriebe, die einen besseren Wirkungsgrad haben als Stirnradgetriebe, Getriebe mit Schrägverzahnung oder Pfeilverzahnung oder Schneckengetriebe, um die Herstellungs- und Betriebskosten für die Antriebsquelle zu vermindern. Auch sollte ein Untersetzungsgetriebe für Erdölförderanlagen leicht und schnell zu warten und gegebenen!alls zu reparieren sein, damit der Förderbetrieb möy]ichst wenig aufgehalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Kraftübertragungseinrichtung für ölbohrlochpumpen, die besonders zuverlässig und bei hohem Wirkungsgrad arbeitet und eine leichte Wartung ermöglicht. Ferner soll die Herstellung der Kraftübertragungseinrichtung kostengünstig sein, und darüber hinaus soll die Kraftübertragungseinrichtung bzw. das Untersetzungsgetriebe in Kombination mit bereits vorhandenen Anlagenteilen verwendet werden, die sich unter ähnlichen Arbeitsbedingungen bewährt haben und weit verbreitet sind.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Kraftübertragungseinrichtung, die an ein rotierendes Antriebsaggregat angekoppelt ist, eine Ausgangsseite, die imstande ist,

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Kurbeleinrichtungen anzutreiben, die für den Antrieb von mit Hin- und Herbewegung arbeitenden Pumpeinrichtungen geeignet sind. Die Kraftübertragungseinrichtung enthält einen ersten Untersetzungsmechanismus mit einer Eingangswelle, auf der ein Kegelrad befestigt ist, wobei die Eingangswelle von dem Antriebsaggregat angetrieben wird. Der erste Untersetzunsmechanismus enthält einen Kegelzahnkranz, der mit dem Kegelrad kämmt und an einer Zwischenstelle auf einer drehbaren Abtriebswelle befestigt ist. Es sind Mittel vorgesehen, um die beiden einander gegenüberliegenden Enden der Abtriebswelle an den Kurbelmechanismus anzukoppeln. Gemäß der Erfindung kann es ferner vorgesehen sein, ein zweites Untersetzungsgetriebe an den gegenüberliegenden Enden der Abtriebswelle vorzusehen, mit einer Nabe, an die der Kurbelmechanismus direkt angekoppelt werden kann.

Durch die Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der Kraftübertragungseinrichtung geschaffen, das auf der Verwendung von vorhandenen Bauteilen beruht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Seitenaufriß einer Ölbohrlochpumpe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Rückansicht der in Fig. 1 gezeigten Pumpe;

Fig. 3 einen waagerechten Schnitt längs Linie 3-3 in den Figuren 1 und 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht längs Linie 4-4 in Fig. 3, wobei die erste Untersetzungsanordnung gezeigt ist;

Fig. 5 eine vereinfachte Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform im Schnitt längs Linie 5-5; und

Fig. 6 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Fahrzeugantriebs mit einer Anzahl von Elementen, die direkt verwendet werden können, um die Ausführungsform nach Fig. 3 zu bauen.

Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, ist eine herkömmliche ölbohrlochpumpe 10 auf einem Sockel 12 montiert, der aus Beton oder einer anderen dauerhaften Struktur wie Stahl gebildet sein kann, so daß die Pumpe 10 zu anderen Einsatzorten transportiert werden kann. Ein Pumpenbock 14 strebt von dem Sockel 12 aufwärts; an seinem oberen Ende trägt er ein Schwengollager Das Schwengellager 16 lagert einen Pumpenschwengel 18, der an seinem Stirnende einen Pferdekopf 20 aufweist. Ein Zugseil 22 ist in wohlbekannter Weise am oberen Ende eines ölpumpengestänges (nicht dargestellt) befestigt.

Um dem Pumpenschwengel 18 eine Hin- und Herbewegung aufzuprägen, sind zwei Übertragungsstangen 24 an ihren oberen Enden über ein ausgleichendes Anschlußteil 26 angeschlossen, das am Rückende des Pumpenschwengels 18 befestigt ist. Das untere Ende jeder übertragungsstange 24 ist schwenkbar an einer Kurbel 28 angelenkt, die ein geeignetes Gegengewicht 30 aufweist. Jede Kurbel 28 ist an einem Ende 32 zum Antrieb mit einer Drehbewegung an einen Ausgang einer Kraftübertragungscinrichtung 34 angekoppelt, die von einem Rahmen 35 getragen wird.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Ausbildung der Kraftübertragungseinrichtung 34, die in den Figuren 3, 4 und im einzelnen gezeigt ist und nun näher erläutert wird. Für das Verständnis der Arbeitsweise der ölbohrlochpumpe 10 ist es ausreichend, zu wissen, daß ein rotierendes Antriebsaggregat 36 über einen Riemen- oder Ketten-Antriebsmechanismus 38 an die

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Antriebswelle der Kraftübertragungseinrichtung 34 angekoppelt werden kann. Das Antriebsaggregat 36, das in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, enthält einen Elektromotor; auch ein Dieselmotor oder eine gasgetriebene Maschine kann verwendet werden. Auf die Antriebswelle des Elektromotors ist eine Riemenscheibe aufgesetzt. Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist auf die Riemenscheibe und eine weitere Riemenscheibe, die direkt mit der Eingangswelle der Kraftübertragungseinrichtung 34 gekoppelt ist, eine Riemenanordnung aufgezogen. Durch Auswahl der Riemenscheiben für den Motor und für die Eingangswelle der Kraftübertragungseinrichtung 34 kann bereits eine gewisse Untersetzung erreicht werden; dieser Untersetzung sind jedoch praktische Grenzen gesetzt, insbesondere durch den Riemenverschleiß bzw. dessen Lebensdauer sowie durch das Erfordernis, die Antriebsleistung ohne Schlupf zu übertragen, was unvermeid-Lich isL, wurm der Unterschied der Durchmesser der Riemenscheiben zu groß ist.

Die bisher beschriebenen Eigenschaften der Ölbohrlochpumpe 10 sind typisch für die meisten ölförderanlagen. Im allgemeinen ist jedoch das Antriebsaggregat 36 mit seiner Achse fluchtend mit der Rotationsachse der Kurbeln 28 orientiert, da das Riemenantriebssystem die Antriebsleistung gewöhnlich auf eine Eingangswelle überträgt, die parallel zur Abtriebswelle einer anderen Übertragungseinrichtung ist, also einer solchen, die von der untersetzenden Kraftübertragungseinrichtung 34 verschieden ist. Derartige herkömmliche Kraftübertragungseinrichtungen enthalten üblichorweise Stirnräder, schrägverzahnte Räder oder pfeilverzahnte Zahnräder, die mit ihren Achsen parallel auf Wellen befestigt sind und die gewünschte Übertragung und Untersetzung bewirken. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Orientierung des Antriebsaggregates 36 findet sich jedoch auch bei Verwendung eines Schneckenradgetriebes, das ebenfalls üblich ist.

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Ansonsten weist die ölbohrlochpumpe 10 keine besonderen Merkmale auf, d.h. außer der Kraftübertragungseinrichtung 34. Diese Pumpe 10 ist lediglich ein Beispiel für eine beliebige Anzahl von ebenfalls geeigneten Pumpen, bei denen eine rotierende Kurbel die Hin- und Herbewegung erzeugt, die für den Betrieb einer solchen Pumpe erforderlich ist. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Kraftübertragungseinrichtung 34 geeignet für alle in den obengenannten Druckschriften beschriebenen Förderpumpen, deren Antriebsleistung aus einer einzigen rotierenden Antriebsquelle erhalten wird und auf zwei langsamer rotierende Abtriebswellen umgesetzt wird, die ihrerseits zwei Kurbeln antreiben können.

Wie in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigt ist, ent hai L die bevorzugte Ausführungsform der Kraftübertragungseinrichtung 34 eine Eingangswelle 40, die eine erste Untersetzungseinrichtung 42 antreibt. Diese erste Untersetzungseinrichtung 42 ist direkt an zwei Abtriebswellen 44 angekoppelt, die sich auf beiden Seiten derselben nach außen erstrecken. Jede Abtriebswelle 44 ist an ihrem Außenende an eine zweite Untersetzungseinrichtung 46 angekoppelt. Jede zweite Untersetzungseinrichtung enthält eine Nabe bzw. einen Antriebskranz 48, der direkt an eine Kurbel angekoppelt werden kann, um diese in Drehung zu versetzen, damit diese wiederum die Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung umsetzt. Die Drehzahlreduzierung bzw. Untersetzung erfolgt also bei der bevorzugten Ausführungsform der Kraftübertragungseinrichtung 34 in zwei Stufen. Die erste Untersetzungseinrichtung ist mittig in der Kraftübertragungseinrichtung 34 angeordnet und setzt die Drehbewegung der Eingangswelle 41 in eine Drehbewegung der Abtriebswellen 44 um, die mit der Eingangswelle 40 nicht fluchten. Die Abtriebswellen 44 übertragen ihrerseits die Drehbewegung auf die zweite Untersetzungseinrichtung, die sich an den Außenenden der Abtriebswellen befinden, um die Kurbeln um eine gemeinsame Drehachse herum in Rotation zu versetzen, jedoch mit wesentlich niedrigerer Drehzahl als diejenige des Antriebsaggregates .

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Um die erste Untersetzungseinrichtung 42, die zweite Untersatzungseinrichtung 46 und die anderen Elemente der Kraftübertragungseinrichtung 34 geeignet zu lagern und zu schmieren, sind die rotierenden Teile in einem abgedichteten Gehäuse untergebracht, das eine ausreichende Menge Schmieröl enthält, um eine Spritzölschmierung zu gewährleisten; auch eine andersartige Schmierung ist möglich. Die erste Untersetzungseinrichtung 42 ist insbesondere in einem Gehäuse 50 untergebracht und gelagert. Ein Abtriebswellengehäuse 52 verlängert jeweils eine Seite des Gehäuses 50, um eine Abtriebswelle 44 aufzunehmen. Das Gehäuse und das Abtriebswellengehäuse 52 vereinigen die Kraftübertragungseinrichtung 34 zu einer einzigen Baugruppe. Ferner enthalten die Gehäuse 5 2 und 50 Lagereinrichtungen zum Lagern der rotierenden Teile der Kraftübertragungseinrichtung 34 und Öldichtungen für laufendes und stehendes Öl, das zur Schmierung der beiden Untersetzungseinrichtungen 42 und 46 erforderlich ist.

Die Eingangsseite der Kraftübertragungseinrichtung 34 weist eine Riemenscheibe 5 4 auf, die durch das Antriebsaggregat angetrieben wird und auf dem Außenende 56 der Eingangswelle 40 befestigt ist. Die Eingangswelle 40 ist drehbar in Lagern 58 gelagert, die im Gehäuse 50 befestigt sind und von diesem getragen werden. Ferner ist eine Bremse 60 am Außenende 56 der Welle 40 angebracht; sie ermöglicht eine Sperrung der Kraftübertragungseinrichtung 34 beim Zusammenbau oder bei der Wartung der ölbohrlochpumpe.

An dem Innenende der Eingangswelle 40 ist ein Kegelrad 60 angeordnet, das mit einem Kegel zahnkranz 64 der ersten UntersetzungseinrichLung 42 kämmt. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich insofern nicht um ein richtiges Kegelradgetriebe, als die Rotationsachse der Welle 40 die Rotationsachse des Ke.gelzahnkranzes 64 nicht schneidet. Zwar ist es auch möglich, eine solche Kegelradanordnung zu verwenden, um.sowohl eine Untersetzunc als auch eine Umsetzung der Drehbewegung in eine solche um eine

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anders orientierte Achse zu erreichen, bei der bevorzugten Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 sind jedoch das Kegelrad 42 und der Kegelzahnkranz 64 vom Hypoidtyp, der es erforderlich macht, daß die Eingangswelle 40 oberhalb der Achse des Kegelzahnkranzes 64 orientiert ist, so daß deren Achsen sich nicht schneiden. Eine solche Anordnung kann auch als eine solche mit einem schräg stehenden Kegelrad bezeichnet werden, wobei diese Hypoidkegelräder eine besondere Zahngeometrie aufweisen, wie man sie häufig bei Untersetzungsgetrieben zwischen einer Eingangswelle und zwei Abtriebswellen antrifft. Kegelrad und Zahnkranz vom Hypoidtyp werden bevorzugt, weil sie einen hohen Wirkungsgrad haben und sich beim Automobilbau als sehr zuverlässig erwiesen haben. Wenngleich also der Hypoidtyp bevorzugt wird, können auch andersartige Kegelradtypen verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform, die ebenfalls zufrieden-stellend arbeitet, wird ein Schraubenkegelrad verwendet.

Der Zahnkranz 64 ist auf einem Träger 66 gebildet, der in dem Gehäuse 50 über Lager 68 drehbar gelagert ist. Dieser Träger weist vorzugsweise ein Drehkreuz 7 0 auf, das vier sich auswärts erstreckende starre Speichen aufweist. Das Drehkreuz 70 weist eine mittige Bohrung 70 mit einer Keilverzahnung auf, die die keilverzahnten Enden 74 der beiden Abtriebswellen 44 aufnimmt. Für die Übertragung von dem Zahnkranz 64 auf die Abtriebswellen 44 kommt es darauf an, daß zwischen diesen eine starre Verbindung geschaffen wird. Die Abtriebswellen 44 müssen nicht voneinander unabhängig sein, wenngleich dies aus einer Anzahl von Gründen vorteilhaft ist, die im einzelnen weiter unten erläutert werden. Der Zahnkranz 64 kann auch an einer Zwischenstelle auf einer einzigen Welle direkt befestigt sein, deren beiden Enden sich von diesem Zahnkranz 64 ausgehend auswärts erstrecken.

Die erste Untersetzungseinrichtung 42 weist bei der beschriebenen Ausführungsform ein Untersetzungsverhältnis von 7,8 zu 1 auf. Mit einer Kegelradanordnung, schräg stehenden Kegelradanordnung oder Hypoid-Getriebeanordnung kann zwar eine stärkere

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Untersetzung erreicht werden, jedoch reicht die bei der bevorzugten Ausführungsform erzielte Untersetzung aus, da die zweite Untersetzungseinrichtung 46 vorhanden ist. Wenn jedoch das Antriebsaggregat bei niedrigerer Drehzahl arbeiten soll oder die Riemen- und Riemenscheiben-Übertragung entsprechend ausgelegt ist, so kann die Untersetzung in der Kraftübertragungseinrichtung allein durch die erste Untersetzungseinrichtung erfolgen. In diesen Fällen können die Wellen 44 also direkt an die Kurbeln angekoppelt werden, um die Ölbohrlochpumpe anzutreiben.

Damit jedoch das Antriebsaggregat bei höherer Drehzahl arbeiten kann, ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Kraftübertragungseinrichtung 34 die zweite Untersetzungseinrichtung 46 vorgesehen, um die Drehzahl der Abtriebswellen 44 weiter zu vermindern, wobei die Nabe 4 8 dann direkt an die Kurbel angekoppelt werden kann. Die zweite Untersetzungseinrichtung 46 ist bei der bevorzugten Ausführungsform ein Planetengetriebe. Am äußersten Ende der Abtriebswelle 44 ist ein Sonnenrad 46 starr befestigt. Ferner enthält die zweite Untersetzungseinrichtung 46 einen Zahnkranz 78, der an dem Abtriebswellengehäuse 52 drehfest befestigt ist. Planetenräder 80 sind zwischen dem rotierenden Sonnenrad 76 und dem feststehenden Zahnkranz angeordnet, um durch die Drehung des Sonnenrades 76 bzw. der Abtriebswelle 44 in Bewegung versetzt zu werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind drei Planetenräder 82 vorgesehen, die gleichmäßig um das Sonnenrad 76 herum beabstandet und an einer Drehkreuzplatte 84 der Nabe 48 gelagert sind. Die Nabe ist drehbar in Lagern 86 gelagert, die an dem Gehäuse 52 befestigt sind. Die so an dem Gehäuse 52 gelagerte Nabe 48 wird durch die daran angebrachten Platenräder 82 in Drehung versetzt. Das Sonnenrad 76 wird also zwischen den Planetenrädern 82 gehalten, die ihrerseits durch Lagerung innerhalb des Zahnkranzes gehalten sind.

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Die zweite Untersetzungseinrichtung 46 ergibt bei der bevorzugten Ausführungsform ein Untersetzungsverhältnis von 3,6 zu Die Kraftübertragungseinrichtung mit dor ersten Untoluolzungseinrichtung 42 und der zweiten Untersatzungseinrichtung 4 6 ergibt also eine Gesamtuntersetzung von etwa 28 zu 1. Bei einer konkreten Ausführungsform der Kraftübertragungseinrichtung 34 wurde ein Wirkungsgrad von 94 % ermittelt, was im Vergleich zu herkömmlichen Einrichtungen günstig ist. Anstelle eines Planetengetriebes für die zweite Untersetzungseinrichtung 4 6 kann an den Enden der Abtriebswellen 44 auch ein andersartiges Untersetzungsgetriebe vorgeshen sein, ohne den Gesamtwirkungsgrad übermäßig zu verschlechtern.

Die beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Kraftübertragungsoinrichtung 34 weist eine Anzahl weiterer Vorteile auf. Wie bereits erwähnt wurde, sollte ein Untersetzungsgetriebe für üllürderpumpen einen guten Wirkungsgrad haben, zuverlässig arbeiten und kostengünstig sein. Zwar entsteht ein immer größerer Bedarf für Ölborlochpumpen/ nichtsdestoweniger würde jedoch eine Produktreihe von Kraftübertragungseinrichtungen, die nur für die Erdölförderung verwendet werden können, die Gesamtkosten erheblich steigern. Es ist also zwar ein großer Markt für Kraftübertragungseinrichtungen auf dem Gebiet der ölförderung vorhanden, so daß hohe Produktionszahlen erwartet werden können, die eine spezielle Konstruktion rechtfertigen, nichtsdestoweniger ist es jedoch erstrebenswert, eine Konstruktion zu erreichen, die von der Verwendung üblicher Bauteile Gebrauch macht.

Die Verwendung gebräuchlicher Bauteile, insbesondere von Bauteilen aus dem Automobilbau, wäre zweifellos günstig. Derartige Bauteile, von denen ein großes Angebot zur Verfügung steht, haben ihre Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt und sind darüber hinaus auch als Ersatzteile verfügbar. Wenn Bauteile oder ganze Baugruppen, die derzeit bei Fahrzeugantriebssystemen Verwendung finden, direkt in einer Kraftübertragungseinrichtung 34 verwendet werden könnten, so wäre es nicht erforderlich, hohe Kosten für

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die Herstellung spezieller Konstruktionen aufzuwenden. Zwar i:;t die Anzahl der erforderlichen neuen Ubertragungseinrichtungen für die Erdölförderung groß, sie ist jedoch keineswegs vergleichbar mit der Anzahl von Fahrzeugantriebssytemen, die derzeit in Produktion sind. Wenn also Bauelemente aus der Fahrzeugindustrie verwendet werden können, so ist die wirtschaftliche Auswirkung auf Kraftübertragungseinrichtungen für die Erdölförderung äußerst günstig. Darüber hinaus ist eine Anzahl von Kenndaten, die bei Fahrzeugantriebssystemen gelten, auch bei Anwendung dieser Systeme auf dem Gebiet der Erölförderung günstig.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, enthält ein bereits existierendes, typisches Fahrzeugantriebssystem 100 ein Achsgehäuse 102 mit. einem in der Mitte angeordneten Differential 104 wohlbekannter Art. Eine Antriebswelle 106 wird an ihrem äußeren Ende 108 an die Antriebswelle des Fahrzeugantriebsaggregats bzw. dessen Kupplung (nicht dargestellt) angekoppelt. Die Antriebswelle 104 kann eine Parkbremse 110 enthalten, die an dem Gehäuse 102 montiert ist und die Welle 106 blockieren kann. Ein Ritzel 112 vom Hypoidtyp wird verwendet, um einen Hypoidzahnkranz 116 anzutreiben. Ein Drehkreuz 118 ist im Inneren des Zahnkranzträgers 116 befestigt und umfaßt vier Differentialritzel 120, die daran drehbar gelagert sind. Die Differentialritzel 120 kämmen mit zwei Umlaufgetrieberädern 122. Jedes Umlauf getrieberad 122 enthält eine keilverzahnte mittige Bohrung 126 und ist auf das kei.lverzahnte Ende 128 einer Antriebsachse 124 aufgesetzt.

Wie bereits erwähnt wurde, ergeben die bevorzugt verwendeten Ritzel und Zahnkränze vom Hypoidtyp, die üblicherweise bei derartigen Differentialen in der Automobiltechnik verwendet werden, um die Antriebskraft von einer einzigen Antriebswelle auf zwei Abtriebsachsen zu übertragen, die gewünschte Untersetzung. Dieser Getriebetyp hat einen besseren Wirkungsgrad als Getriebe mit

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Schraubverzahnung, Stirnzahnrädern, Pfeilverzahnung oder Schneckengetriebe. Während die oben beschriebene Untersetzungseinheit aus Ritzel und Zahnkranz für bestimmte Anwendungen eine ausreichende Untersetzung ergibt, erfordern jedoch andere Anwendungen eine weitere Untersetzung. Zum Beispiel werden schwere Geländefahrzeuge, Gabelstapler und dergleichen üblicherweise bei niedrigeren Geschwindigkeiten gefahren als' herkömmliche Fahrzeuge für Straßenbetrieb. Um diese niedrigen Geschwindigkeiten zu erreichen, ist eine weitere Untersetzung erforderlich.

Verfügbare Fahrzeugantriebssysteme 100 enthalten daher eine weitere Untersetzungseinheit mit einem Planetengetriebe 130 am Außenende jeder Antriebsachse 124. Das Planetengetriebe 134 enthält insbesondere ein Sonnenrad 132, das starr am Ende der Antriebsachse 124 befestigt ist, während ein Zahnkranz 134 am Achsgehäuse 102 starr befestigt ist. Eine Planetenantriebseinrichtung 136 ist an einer Drehkreuzplatte 138 einer Nabe 140 befestigt, um die Drehbewegung der Antriebsachse 124 auf die Nabe 140 zu übertragen. Die Nabe 140 ist in Lagern 142 des Achsgehäuses 102 drehbar gelagert, und zwar unabhängig von der Lagerung der Antriebsachse 124; auf der Nabe sind die Fahrzeugräder (nicht gezeigt) befestigt, auf denen das Fahrzeug fährt. Es können sehr unterschiedliche Bremsen 143 und Aufhängungen 145 verwendet werden, um das Antriebssystem 100 zu vervollständigen, wie es üblicherweise bei Fahrzeugen angetroffen wird.

Wie die obige Beschreibung zeigt, kann ein solches Antriebssystem 100 direkt als Kraftübertragungseinrichtung für eine ölbohrlochpumpe verwendet werden. Jedoch ist die Differentialwirkung, die sich aus der Verwendung des Differentials ergibt, unerwünscht, denn es ist wesentlich, daß die Kurbeln der Pumpe sich gleichzeitig bewegen und möglichst gleichmäßig belastet werden.

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Typische Fahrzeugantriebssysteme enthalten zwar ein Differential, jedoch gibt es Fälle, in denen die Differentialwirkung bei Fahrzeugen unerwünscht ist. Es ist in der Automobiltechnik wohl bekannt, daß zu starkes Durchdrehen oder Schlupf eines der Fahrzeugräder ungünstig ist, denn ein durchdrehendes Rad kann verhindern, daß der Antrieb auf das andere Rad übertragen wird, das nicht durchdreht und das Fahrzeug antreiben könnte. Bei Fahrzeugantriebssystemen, die dem System 100 gleichen, ist es daher üblich, eine Sperre gegen eine Relativbewegung zwischen den Antriebsachsen 124 vorzusehen. Zum Beispiel kann eine Bremskraft am Ende des Differentialträgers ausgübt werden, um dessen Drehung relativ zu einer der Antriebsachsen 124 zu verhindern, damit beide Antriebsachsen 124 und der Differentialträger 116 zusammen rotieren. Zur Erreichung desselben Ziels gibt es zahlreiche andere Mittel bzw. Sperrdifferentiale. Da also eine Relativdrehung der Antriebsachsen 124 selektiv verhindert werden kann, besteht eine Möglichkeit, eine Differential so abzuwandeln, daß eine Relativdrehung der Antriebsachsen 124 gegeneinander über den gesamten Betriebsbereich des Systems verhindert wird.

Durch geringfügige Änderungen in einem Fahrzeugantriebssystem kann dieses also zur Verwendung als Kraftübertragungseinrichtung für eine ölbohrlochpumpe verwendbar gemacht werden. Viele derartige Fahrzeugantriebssysteme hätten jedoch eine zu große Länge, um direkt in die vorhandenen Pumpen eingebaut werden zu können. Bei vorhandenen Pumpen ist beispielsweise der Abstand zwischen den Ubertragungsstangen und folglich die Länge des ausgleichenden Verbindungsteils gering. Diese Länge wird dadurch bestimmt, daß derartige Pumpen transportfähig sein sollen. Die Pumpen der in Figur 1 und 2 gezeigten Art werden also häufig so konstruiert, daß sie auf schweren Lastkraftwagen von einem Einsatzort zum anderen transportiert werden können. Für einen solchen Transport müssen die öffentlichen Straßen benutzt werden, wodurch die Gesamtgröße von derartigen Pumpen eingeschränkt wird. Wenn jedoch die Pumpe dauernd an einem Einsatzort aufgebaut

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bleiben soll oder an verschiedenen Stellen eines großen Förderfeldes eingesetzt wird, so daß keine öffentlichen Straßen benutzt werden müssen, so können beliebige Fahrzeugantriebssystemc direkt verwendet werden, wenn die Differentiale so abgeändert werden, daß eine Relativdrehung zwischen den Antriebsachsen verhindert wird. Zum Beispiel haben manche Gabelstapler eine geringe Spurbreite und eine Gesamtlänge, die für praktische Anwendungen bei Ölbohrlochpumpen geeignet ist.

Während bei manchen Anlagen vorhandene Fahrzeugantriebssysteme bei minimalen Änderungen direkt verwendet werden können, gibt es in diesen vorhandenen Fahrzeugantriebssystemen einige Teile, die entfallen können und bei der bevorzugten Ausführungsform entfernt sind. Wenn eine bestimmte Baugruppe für eine bessere Eignung zur Verwendung in ölbohrlochpumpen ausgelegt worden kann, wobei darüber hinaus die Gesamtkosten für die Übertragungseinrichtung vermindert werden, so ist dies natürlich erstrebenswert. Anstatt ein Drehkreuz 118 mit den daran gelagertn Differentialritzeln 120 zu verwenden, wird daher bei der bevorzugten Ausführungsform ein Drehkreuz 70 verwendet, bei dem die Differentialritzel 120 entfallen. Da ferner die Abtriebswellen nicht über ein Differential angetrieben werden müssen, sind die Umlaufgetrieberäder 122 überflüssig. Folglich ist in der bevorzugten Ausführungsform der Übertragungseinrichtung 34 ein Drehkreuz 70 vorgesehen, an das die Abtriebswellen 44 direkt angekoppelt sind.

Da bei dieser Anwendung die Gesamtlänge geringer ist als d.ie Gesamtlänge des Fahrzeugantriebssystems 100, werden ferner nicht die vorhandenen Antriebsachsen 124 verwendet, sondern es werden spezielle, kürzere Abtriebswellen 44 gewählt. Wegen der Verminderung der Gesamtlänge der Abtriebswelle 44 verglichen mit der Länge der Antriebsachse 124 wären die äußersten Teile des Achsgehäuses 102/ an denen die Nabe 140 gelagert ist, zu lang, so daß ein kürzeres Achsgehäuse 5 2 verwendet wird.

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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Kraftübertragungseinrichtung 34 kann also auf vorhandene Bauteile aus Fahrzeugantriebssystemen 100 zurückgegriffen werden. Insbesondere ist das Kegelrad 62 identisch mit dem Kegelrad 112. Ferner ist der Zahnkranz 64 identisch mit dem Zahnkranz 114. In gleicher Weise ist der Träger 66 identisch mit dem Differentialträger 116. Alle Bauelemente am Ende der Welle 4 4 sind identisch mit denen im Antriebssystem 100, so daß die zweite Untersetzungseinrichtung 46 und die Nabe 48 insgesamt identisch mit dem Planetengetriebe 130 und der Radnabe 140 sind. Sogar die Parkbremse kann direkt verwendet werden, um als Bremse 60 zu dienen. Darüber hinaus können sämtliche Lager und Dichtungen des Fahrzeugantriebssystems 100 bei der bevorzugten Ausführungsform der Kraftübertragungseinrichtung 34 direkt verwendet werden.

Nicht allein daß die so ausgebildete Kraftübertragungseinrichtung 34 bei gutem Wirkungsgrad und zuverlässig in ülbohrlochpumpen Verwendung finden kann, sie weist ferner besondere Merkmale auf, die sie für eine solche Anwendung sehr geeignet machen. Wie bereits erwähnt wurde, können die Kurbeln 28 direkt an die Naben 4 8 angekoppelt werden. Wie in den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, ist die Nabe 48 in ein großes Loch 150 der Kurbel 28 eingebaut, so daß die Kurbel und die Trägerplatte 84 der Nabe einander nicht stören. Insbesondere kann eine Reparatur an dem Planetengetriebe der zweiten Untersetzungseinrichtung 46 vorgenommen werden, ohne die Kurbel 28 von der Nabe 48 zu trennen oder diese Nabe zu entfernen. Eine Durchsicht der eingangs aufgeführten Druckschriften hat ergeben, daß die Kurbeln gewöhnlich direkt an den Abtriebswellen montiert sind. Wenn bei solchen herkömmlichen Anlagen an den Kraftübertragungseinrichtungen gearbeitet werden muß, so müssen also die Kurbeln entfernt werden, wodurch Wartung und Reparaturarbeiten bedeutend erschwert werden. Hingegen bietet die Kraftübertragungseinrichtung 34 dieselben Reparatur- und Wartungsmöglichkeiten wie Fahrzeugantriebssysteme 100, bei denen dies in der Automobiltechnik als wesentlich erkannt wurde. Jeglicher Fehler an rotierenden Teilen

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in einem Fahrzeugantriebssystem 100 kann behoben werden, ohne die Naben 140 zu entfernen. Die inneren Bauteile können nämlich entfernt werden, indem sie an den Außenenden des Achsgehäuses oder am Differentialdeckel herausgezogen werden. Für die Kraftübertragungseinrichtung 34 bedeutet dies, daß eine Reparatur möglich ist, ohne die Pumpe längere Zeit stillzulegen. Die Eingangswelle 40, der Zahnkranz 64, die Abtriebswellen 44 und die Zahnräder des Planetengetriebes können alle mit einem Arbeitsaufwand von etwa zwei Stunden ersetzt werden. Sollten derartige Reparaturarbeiten erforderlich sein, so erweist sich wiederum als günstig, daß viele Bauteile als Fahrzeugersatzteile zur Verfügung stehen.

Aus einem weiteren Grund ist es zweckmäßig, Kraftübertragungselemente aus der Fahrzeugtechnik zu verwenden. Es trifft nämlich nicht zu, daß nur bestimmte Ausführungsformen die Anforderungen für den Einsatz bei Ölbohrlochpumpen erfüllen. Bei der Planung einer Kraftübertragungseinrichtung 34 müssen die erforderlichen Antriebskräfte und die für die jeweilige Antriebsquelle erforderliche Untersetzung berücksichtigt werden. Diese Erfordernisse sind aber wiederum verschieden für die verschiedenen Arten von Ölbohrlöchern. Auf dem Gebiet der ölförderung wird daher ein breiter Bereich von Förderpumpen angeboten, wobei jeweils ein bestimmter Typ für den geplanten Einsatzzweck ausgesucht wird. Aber auch in der Automobiltechnik gibt es einen breiten Bereich von Kenndaten für den Dahrzeugantrieb. Es wurde gefunden, daß der breite Bereich, den die Erdölförderung verlangt, durch geringfügige Änderungen in Übereinstimmung zu bringen ist mit dem weiten Bereich vorhandener Fahrzeugantriebssysteme. Die Anwendung von Bauteilen aus der Fahrzeugtechnik vermindert also nicht nur die Herstellungs- und Reparaturkosten, sondern sie ermöglicht auch die Bereitstellung einer breiten Produktserie, die der breiten Produktserie von Fahrzeugsystem entspricht.

Schließlich ist als besonderer Vorteil der Kraftübertragungseinrichtung 34 hervorzuheben, daß durch die Verwendung einer ersten Untersetzungseinrichtung mit zusätzlichen Untersetzungseinrichtungen an den beiden Enden ein besonders günstiger Wirkungsgrad ermöglicht wird, der besser ist als bei den meisten herkömmlichen Systemen.

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Claims (22)

1. PRINZ, BUNiKtE &:RÄRT&ER Patentanwälte · -European "Patent

   München Stuttgart

   ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION 16. März 1982

   Grant Street

   Pittsburgh, Pennsylvania 15219 / USA

   Unser Zeichen: R 1040

   Patentansprüche

   ( 1.) Kraftübertragungseinrichtung für ölbohrlochpumpen, die mit einer rotierenden Antriebsquelle arbeiten, zum Antreiben einer Kurbeleinrichtung an mit Hin- und Herbewegung arbeitenden Pumpen, gekennzeichnet durch:

   - eine erste drehzahlreduzierende Einrichtung (42) mit einer Eingangswelle (40), auf der ein Kegelzahnrad (62) befestigt ist, wobei die Eingangswelle an die Antriebsquelle angekoppelt ist;

   - einen mit dem Kegelzahnrad (62) kämmenden Kegelzahnkranz (64) in der ersten drehzahlreduzierenden Einrichtung (42), wobei der Kegelzahnkranz an einer Zwischenstelle einer drehbaren Abtriebswelle (44) starr befestigt ist;

   - eine Einrichtung (46) zum Ankoppeln beider Enden der Abtriebswelle (44) an die Kurbeleinrichtung (28) .·

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2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelzahnrad (62) vom schrägstehenden bzw. gekreuzten Typ ist und die Eingangswelle (40) in einer Ebene liegt, die senkrecht zu der Abtriebswelle (44) ist, diese jedoch nicht schneidet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelzahnrad (62) und der Kegelringkranz (64) vom gekrt'u/. Lon llypoidtyp sind.
4. 4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ankoppeln der beiden Enden der Abtriebswelle (44) an die Kurbeleinrichtung (28) eine zweite drehzahlreduzierende Einrichtung (46) umfaßt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste drehzahlreduzierende Einrichtung (42) ein Gehäuse (50) aufweist, das jedes der beiden Enden der Abtriebswelle (44) von einem Achsgehäuse (52) umgeben ist, daß die beiden Achsgehäuse (52) unter Abdichtung an dem Gehäuse (50) der ersten drohzahlreduzierenden Einrichtung (42) befestigt sind und jede der zweiten drehzahlreduzierenden Einrichtungen (46) unter Abdichtung an das zugehörige Achsgehäuse (5 2) angefügt ist und daß das Gehäuse (50), die Achsgehäuse (52) und die zweite drehzahlreduzierende Einrichtung (46) Schmieröl für die Kraftübertragungseinrichtung enthalten.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite drehzahlreduzierende Einrichtung (46) eine Antriebsnabe (48) aufweist, die an dem Achsgehäuse (52) drehbar in Lagern gelagert ist.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekunnzeichnet, daß die zweite drehzahlreduzierende Einrichtung (46) ein Planetenuntersetzungsgetriebe (80) enthält.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetenuntersetzungsgetriebe (80) ein direkt an das linde dor Abtricbswelle (44) angekoppeltes, mit dioaor drehbares Sonnenrad (76) , einen drehfest um das Sonnenrad (7 6) herum angeordneten Zahnkranz (78) und eine Planetenradanordnung (82) umfaßt, die mit dem Sonnenrad (7 6) und dem Zahnkranz (78) kämmt und dazwischen angeordnet ist, wobei die Planetenradeinrichtung (82) durch eine Einrichtung (84) an die Kurbeleinrichtung (28) angekoppelt ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenradanordnung (82) drei Panetenzahnräder umfaßt, die gleichmäßig über den Umfang des Sonnenrades (76) beabstandet sind.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ankoppeln der Planetenradanordnung (82) eine Nabe (48) umfaßt, die die drei Planetenzahnräder trägt und zur Befestigung an der Kurbeleinrichtung (28) geeignet ist.
11. 11. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Bauteilen eines Fahrzeugantriebssystems gebildet ist, das folgende Elemente aufweist:

    - eine Antriebswelle mit einem darauf angeordneten ersten Zahnradelement, das nach einem zweiten Zahnradelement ausgerichtet ist und mit diesem ein erstes Untersetzungsgetriebe bildet;

    - Antriebsachsen, die sich auf den beiden Seiten des zweiten Zahnradelementes erstrecken und an ihren Enden an eine Radnabe angekoppelt sind, die geeignet ist, um daran die Kurbeleinrichtung zu befestigen;

    - eine Einrichtung zur Sperrung einer Relativdrehung zwischen den beiden Antriebsachsen und dem zweiten Zahnradelement.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahnradelement ein Ritzel und das zweite Zahnradelement ein Zahnkranz ist.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel und der Zahnkranz vom Kegeltyp sind.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzel und der Zahnkranz ein Zahnradgetriebe mit gekreuzten Wellen bilden.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnradgetriebe vom Hypoidtyp ist.
16. 16. Einrichtung nach einem der Ansrüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verhindern einer Relativdrehung dadurch gebildet ist, daß die beiden Antriebsachsen eine einzige Achse bilden.
17. 17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an der Antriebswelle eine Parkbremse angeordnet ist.
18. 18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite drehzahlreduzierende Einrichtung zwischen dem Außenende jeder Antriebsachse und der Radnabe angeordnet ist.
19. 19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite drehzahlreduzierende Einrichtung ein Planetenuntersetzungsgetriebe enthält.
20. 20. Verfahren zur Herstellung einer Kraftübertragungseinrichtung für eine Ölbohrlochpumpe, die von einer rotierenden Antriebsquelle angetrieben wird und eine Kurbeleinrichtung zum Antreiben einer hin- und herbewegten Pumpeinrichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

    - daß Bauteile aus einem Fahrzeugantriebssystem verwendet werden, einschließlich einer Eingangswelle, die an ein Antriebsaggregat angekoppelt werden kann, eines auf der Eingangswelle befestigten Kegelzahnrades, eines Differentialträgers, auf dem ein Zahnkranz befestigt ist, zwei Planetenuntersetzungsgetrieben mit einem Sonnenrad, einem. Zahnkranz und einer Mehrzahl von Planctenrädern, die .im Inneren einer Radnabe untergebracht sind, an der die Kurbeleinrichtung befestigt werden kann, eines ersten Lagers für die Eingangswelle, eines zweiten Lagers für den Differentialträger und eines dritten Lagers für die Radnabe;

    - daß ein Verbindungselement gebildet wird, durch das eine mittige Bohrung hindurchführt;

    - daß dieses Verbindungselement im Inneren des Differentialträgers angeordnet wird;

    - daß ein Gehäuse hergestellt wird, welches einen mittleren Teil und zwei sich nach außen erstreckende, rohrförmigen Teile aufweist;

    - daß die Eingangswelle in dem ersten Lager und der Differentialträger in dem zweiten Lager innerhalb des mittleren Teiles des Gehäuses derart gelagert wird, daß das Kegelzahnrad und der Kegelzahnkranz miteinander kämmen, wodurch zwei Abtriebswellen angetrieben werden;

    - daß die beiden inneren Enden der Abtriebswellen starr in die mittige Bohrung des Verbindungsteils auf beiden Seiten derselben eingesetzt werden, so daß sie sich von diesem Verbindungsteil auswärts im Inneren der rohrförmigen Teile des Gehäuses erstrecken; und

    - daß jeweils ein Planetenuntersetzungsgetriebe am äußeren Ende eines rohrförmigen Gehäuseteiles so angeordnet wird, daß der Zahnkranz daran starr befestigt ist, wobei die
    Radnabe in dem dritten Lager um die Außenoberfläche des
    Zahnkranzes herum drehbar gelagert ist und wobei das
    Sonnenrad starr an dem äußeren Ende jeweils einer Abtriebswelle drehfest befestigt ist.
21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kegelzahnrad und der Kegelzahnkranz vom Hypoidtyp sind.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeugantriebssystem eine Mehrzahl von Öldichtungen gegen stehendes und laufendes Öl umfaßt und das Gehäuse für diese Öldichtungen passend ausgebildet ist, wobei diese öldichtungen so eingebaut sind, daß sie Schmieröl im Inneren des Gehäuses halten.