万向传动轴组件的制作方法

本申请要求2014年7月16日提交的发明名称为“Universal Driveshaft Assembly(万向传动轴组件)”的美国临时专利申请62/025,322以及2014年7月16日提交的发明名称为“Universal Driveshaft Assembly(万向传动轴组件)”的美国临时专利申请62/025,326的优先权，上述每个申请的内容在此通过引用的方式整体并入本文。

关于联邦政府资助研究或开发的声明

不适用。

背景技术：

本公开总体上涉及用于在具有交叉但不重叠的旋转轴线的旋转轴之间传递扭矩的万向接头。更具体地，本公开涉及用于在油气钻井操作中使用的井下马达中采用的传动轴的万向接头。

在土质地层中钻进钻孔时，例如用于从地下地层中采收碳氢化合物或矿物质，传统的实践是将钻头连接到由端对端连接在一起的多个钻杆接头形成的钻柱的下端上，然后旋转该钻柱，使得钻头向下进入土中，从而沿预定轨迹产生钻孔。除了钻杆接头之外，钻柱通常包括位于钻杆接头和钻头之间的、被称为钻铤的较重的管状构件。钻铤提高了被施加给钻头的竖向负荷，从而提高了其操作的有效性。通常被包括在钻柱中的其它附件包括帮助保持所钻出的钻孔的期望方向的扶正器以及确保所钻出的钻孔保持期望规格(即，直径)的扩眼器。在垂直钻井操作中，通常采用船潜(top dive)或转台从地面旋转钻柱和钻头。

在钻井操作期间，将钻液或泥浆在压力下沿钻柱泵送，从钻头面泵送到钻孔中，然后沿着钻柱和钻孔侧壁之间的环空(annulus)上升到地面。可以是水基或油基的钻液通常是粘性的，以提高其将钻孔钻屑带到地面的能力。钻液能够执行各种其它有价值的功能，包括提高钻头性能(例如，通过在压力下经钻头中的端口喷射钻液，产生在钻头之前冲击并弱化下部地层的泥浆射流)、钻头冷却，以及在钻孔壁上形成保护性结块(从而稳定并且密封钻孔壁)

在油气行业中已经日益普遍并且期望钻出水平和其它非垂直钻孔(即，“定向钻井”)，以便于比仅使用垂直钻孔更有效地接触和采收地下含碳氢化合物地层中的更大区域。在定向钻井中，使用专用的钻柱部件和“井底钻具组件”来引导、监测和控制钻头路径的偏差，以便产生期望的非垂直构造的钻孔。

通常使用被包括在紧靠钻头上方的井底钻具组件(BHA)中的井下或泥浆马达执行定向钻井。典型的井下马达包括几个主要部件，例如(从马达组件的顶部开始依次是)：(1)适于促进与钻柱的下端连接的上部接头(“接头”是在油气行业中用于任何小型或辅助钻柱部件的常用一般术语)；(2)动力部分；(3)被封闭在传动轴壳体内的传动轴，该传动轴的上端联接至动力部分的转子的下端；以及(4)轴承组件(包括心轴，心轴具有与传动轴的下端联接的上端加上适于接收钻头的下端)。动力部分通常为螺杆或正排量马达(PD马达)。在PD马达中，转子包括形成有沿其长度延伸的一个或多个螺旋片或叶片的轴，并且定子由与定子壳体的内圆柱壁结合的弹性体内衬形成。内衬限定与转子叶片或多个叶片互补的螺旋叶片，但数目比转子叶片多一个。转子的下端包括输出轴，该输出轴进而被联接至驱动钻头的旋转的传动轴的上端。

在采用井下马达的钻井操作中，如上所述，钻液在压力下通过钻柱循环并向上返回至地面。然而，在到达钻头的路径中，加压钻液流过井下马达的动力部分而产生使钻头旋转的旋转扭矩。特别地，迫使高压钻液流过动力部分，引起转子在定子内旋转，并且在动力部分两端产生压降(即，钻液压力在动力部分的底部较低)。传递至输出轴的功率与流过动力部分的流体体积和动力部分两端(即，从流体进口至流体出口)的压降的乘积成正比。因而，通过动力部分的更高速率的流体循环导致转子在定子内的更高转速，并且相应地导致更高的功率输出。

如上所述，输出轴联接至传动轴的上端，以将旋转扭矩传递至钻头。然而，PD马达中转子的运动本质上是偏心的或“进动的”——即，在操作中，转子的下端(积，输出端)绕定子壳体的中心纵向轴线旋转或做轨道运行。输出轴通过第一(或上部)万向接头联接至传动轴的上端，由此，允许与转子的偏心运动无关地或者与输出轴和传动轴未同轴地对齐的事实无关地将旋转扭矩从转子传递至传动轴。

轴承组件通常包括细长管状心轴，该细长管状心轴具有通过第二(下部)万向接头与传动轴的下端联接的上端和联接至钻头的下端。心轴被装入到与上面的管状传动轴壳体连接的管状轴承壳体中。心轴在轴承壳体内同心地旋转。

常规传动轴的万向接头组件易于发生严重磨损，并且在操作中可能相对快速地失效。特别地，许多这种传统的传动轴都通过点接触或线接触来传递扭矩，这将大量的力分散在相对小的表面积上，由此趋向于加速这些接触表面处的磨损。

技术实现要素：

本文公开的一些实施例涉及传动轴组件。在一个实施例中，传动轴组件包括传动轴，该传动轴具有纵向轴轴线、第一端、与第一端相反的第二端以及径向外表面。第一端包括从径向外表面径向向内延伸的多个凹部，每个凹部均包括平坦接合表面。另外，所述传动轴组件包括第一端壳体，所述第一端壳体具有纵向壳体轴线以及轴向延伸的容座。所述容座包括多个平坦容座表面。此外，该传动轴组件包括被构造成在传动轴和第一端壳体之间传递扭矩的扭矩传递组件。该扭矩传递组件包括：多个扭矩传递键，每个扭矩传递键均具有平坦键表面和凸键表面；以及转接器，其包括多个凹转接器表面和多个平坦转接器表面。每个凹部的平坦接合表面接合所述扭矩传递键中的一个扭矩传递键的平坦键表面。另外，每个扭矩传递键的凸键表面接合转接器的凹转接器表面中的一个。此外，转接器的平坦转接器表面中的每一个均接合所述平坦容座表面中的一个。

其它实施例涉及传动轴组件。在一个实施例中，传动轴组件包括传动轴，该传动轴具有纵向轴轴线、第一端、与第一端相反的第二端、以及径向外表面。第一端包括从径向外表面径向向内延伸的多个凹部，每个凹部均包括凸接合表面。另外，该传动轴组件包括第一端壳体，该第一端壳体具有纵向壳体轴线以及轴向延伸容座。所述容座包括多个平坦容座表面。此外，该传动轴组件包括被构造成在传动轴和第一端壳体之间传递扭矩的多个扭矩传递键，所述扭矩传递键中的每一个均包括平坦键表面和凹键表面。每个凹部的凸接合表面接合所述扭矩传递键中的一个扭矩传递键的凹键表面，并且每个扭矩传递键的平坦键表面接合所述平坦容座表面中的一个。

本文所述实施例包括旨在解决与某些现有装置、系统和方法相关的各种缺点的特征和特性的组合。上文已相当广泛地概述了所公开的实施例的那些特征和特性，以便可以更好地理解下文的详细说明。本领域技术人员通过阅读下文详细说明并参考附图，将容易理解上述及其它各种特性和特征。应当理解，本文公开的构思和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现与所公开的实施例相同目的的其它结构的基础。还应认识到，这些等效构造并未偏离本文公开的教导的精神和范围。

附图说明

为更详细地描述各种实施例，现在将参考附图，其中：

图1是钻井系统的示意性局部截面图，该钻井系统包括根据至少一些实施例的传动轴组件的示例性实施例；

图2是图1的传动轴组件的局部截面侧视图；

图3是图1的传动轴组件的一个万向接头组件的放大截面侧视图；

图4是图1的传动轴的下端的透视图；

图5是图1的传动轴的下端的正视图或轴向视图；

图6是图1的传动轴的下端的另一透视图，示出了在其上安装根据至少一些实施例的扭矩传递组件；

图7是图6的扭矩传递组件的扭矩传递键之一的透视图；

图8是图6的扭矩传递组件的扭矩传递键之一的顶视图；

图9是图6的扭矩传递组件的转接器的透视图；

图10是图6的扭矩传递组件的转接器的顶视图；

图11是图6的扭矩传递组件的转接器的一个臂的放大透视图；

图12是图6的扭矩传递组件的转接器的一个臂的放大顶视图，示出了在其上安装图6的一个扭矩传递键；

图13是图3的万向接头组件的端壳体的透视图；

图14是图3的万向接头组件的端壳体的正视图或轴向视图；

图15是万向接头组件的沿图3的XV-XV剖面截取的剖视图；

图16是在图1的钻井系统内使用的另一传动轴组件的局部截面侧视图；

图17是根据至少一些实施例的、在图1的传动轴组件中使用的另一万向接头组件的放大截面侧视图；

图18是图16的传动轴的下端的透视图；

图19是图16的传动轴的下端的正视图或轴向视图；

图20是图16的传动轴的下端的另一透视图，示出了根据至少一些实施例在其上安装了扭矩传递键；

图21是图20的一个扭矩传递键的透视图；

图22是图20的一个扭矩传递键的顶视图；

图23是图20的一个扭矩传递键的前视图；

图24是图17的万向接头组件的端壳体的透视图；

图25是图17的万向接头组件的端壳体的正视图或轴向视图；并且

图26是万向接头组件的沿图17中的剖面XXVI-XXVI截取的剖视图。

具体实施方式

以下的讨论涉及各种示例性实施例。然而，本领域普通技术人员应理解，本文公开的示例具有广泛应用，并且任何示例性实施例的讨论仅旨在说明该实施例，而非旨在暗示本公开(包括权利要求)的范围局限于该实施例。

附图不一定按比例绘制。本文中的某些特征和部件可能以夸大比例或以稍微示意性的形式示出，并且，为了清楚和简明，可能未示出常规元件的一些细节。

在以下讨论和权利要求中，以开放方式使用术语“包括…”和“包含…”，因而应当解释为其含义是“包括但不限于…”。同样，术语“联接”的意思是间接或直接连接。因而，如果第一装置联接至第二装置，该连接可以是通过直接连接或通过经由其它装置、部件和连接而建立的间接连接。另外，本文所使用的术语“轴向”和“轴向地”通常是指沿着中心轴线或平行于中心轴线(例如，主体或端口的中心轴线)，而术语“径向”和“径向地”通常是指垂直于中心轴线。例如，轴向距离是指沿着中心轴线或平行于中心轴线测量的距离，而径向距离是指垂直于中心轴线测量的距离。说明书和权利要求书中对“上”和“下”的任何引用都是为了清楚起见，“上”、“上部”、“向上”、“井上”或“上游”是指朝向钻孔的表面，并且“下”、“下部”、“向下”、“井下”或“下游”是指朝向钻孔的终端，而与钻孔取向无关。

现在参考图1，其中示出了用于在土质地层中钻出钻孔16的系统10。在该实施例中，系统10包括布置在地面处的钻机20、从钻机20延伸到钻孔16中的钻柱21、井下马达30和钻头90。马达30形成井底组件(“BHA”)的一部分，并且布置在钻柱21的下端和钻头90之间。沿着BHA朝着钻头90向下，马达30包括液压驱动或动力部分40、联接至动力部分40的传动轴组件100、以及联接至传动轴组件100的轴承组件80。钻头90联接至轴承组件80的下端。

液压驱动部分40将沿钻柱21向下泵送的钻液施加的压力转换为通过传动轴组件100和轴承组件80传递至钻头90的旋转扭矩。通过被施加至钻头90的力或重量(也称为钻压(“WOB”))，旋转中的钻头90接合土质地层并前进，从而沿预定路径朝着目标区域形成钻孔16。被沿着钻柱21由马达30泵送的钻液或泥浆流出钻头90的面，并从形成在钻柱21和钻孔16的侧壁19之间的环空18向上返回。钻液冷却钻头90、将钻屑从钻头90的面冲洗开，并将钻屑带至地面。

现在参考图2，传动轴组件100包括外部传动轴壳体110、以可旋转方式布置在壳体110内的传动轴120、联接至传动轴120的第一壳体或上端壳体130、以及也联接至传动轴120的第二壳体或下端壳体140。壳体110是一种细长的圆柱形管状构件，其具有中心轴线或纵向轴线115、第一端或上端110a、以及与上端110a相反的第二端或下端110b。如图1中最佳地示出的，在该实施例中，壳体110与液压驱动部分40和轴承组件80同轴地对齐。另外，壳体110的上端110a联接至驱动部分40的外部壳体，并且壳体10的下端110b联接至轴承组件80的外部壳体。

仍参考图2，传动轴120具有中心轴线或纵向轴线125、第一端或上端120a、与端部120a相反的第二端或下端120b、以及在端部120a、120b之间轴向延伸的大致圆柱形径向外表面120c。如下文更详细地描述的，轴120的轴线125不与壳体110的轴线115同轴地对齐。环形空间116形成在传动轴壳体110和传动轴120之间。在钻井操作期间，钻液被沿着钻柱21向下泵送并流过井下马达30到达钻头90。在传动轴组件100内，钻液在通往轴承组件80和钻头90的路径中从上端110a通过环形空间116流到下端110b。

上端壳体130具有第一端或上端130a、与端部130a相反的第二端或下端130b、从上端130a延伸的连接器部分132、以及从连接器部分132延伸至下端130b的套筒部分134。在该实施例中，连接器部分132是公销或销端连接器，它将上端壳体130螺纹连接至液压驱动部分40的输出轴。套筒部分134接收传动轴120的上端120a。如下文更详细描述的，上端120a和套筒部分134之间的联接允许传动轴120绕端部120a相对于端壳体130枢转，而同时在端壳体130和传动轴120之间传递旋转扭矩负荷和轴向推力负荷。

下端壳体140具有第一端或上端140a、第二端或下端140b、从上端140a延伸的连接器部分142、以及从连接器部分142延伸至下端140b的套筒部分144。在该实施例中，连接器部分142是承口或母扣连接器(female box or box-end connector)，它将下端壳体140螺纹连接至轴承组件80的心轴。套筒部分144接收传动轴120的下端120b。如下文更详细描述的，下端120b和套筒部分144之间的联接允许传动轴120绕端部120b相对于端壳体140枢转，而同时在端壳体140和传动轴120之间传递旋转扭矩负荷和轴向推力负荷。

在该实施例中，传动轴120的端部120a、120b结构相同，并且套筒部分134、144结构相同。因此，在下文说明和相关的附图中，示出并描述了下端120b、相应的套筒部分144以及二者之间的联接或连接的实施例细节，应理解，上端120a、相应的套筒部分134和二者之间的连接的实施例可能分别相同。

现在参考图3，其中示出了传动轴120的下端120b和下端壳体140的套筒部分144的实施例。套筒部分144具有中心轴线或纵向轴线145，并包括从端部140a轴向延伸并接收传动轴120的下端120b的容座146。应注意，虽然在图3中示出该轴线125、145大致对齐，但由于传动轴120在操作期间绕端部120b的枢转，传动轴120的轴线125通常与套筒部分144的轴线145不对齐。

简要地参考图3、13和14，容座146由径向内表面146c限定。从上端130a沿着轴向方向，内表面146c包括从上端140a轴向延伸的上部大致圆柱形表面308、从表面308径向向内延伸的多个在圆周方向上间隔开的肩台306(例如，在该实施例中，共有4个肩台306)、从肩台306轴向延伸的多个在圆周方向上间隔的凹口302、从凹口302径向延伸的大致平坦表面304、以及从表面304轴向延伸的圆柱形埋头孔或凹部320。肩台306和表面304是布置在垂直于轴线145取向的平面内的平坦表面。另外，在该实施例中，容座146包括绕轴线145在圆周方向上均匀间隔开的总共4个凹口302，使得每个凹口302都布置成与在圆周方向上相邻的相应凹口302间隔大致90°。

现在重新参考图3，在该实施例中，轴承插入件180布置在凹部320内。插入件180包括与轴线145同轴地对齐且具有第一端或上端181a以及与上端181a相反的第二端或下端181b的主体181。在该实施例中，上端181a包括大致面向上的凹球面轴承表面182，并且下端181b包括垂直于轴线145取向的大致平坦表面186。如图3所示，插入件180的平坦表面186坐落在凹部320中，使得轴承表面182在轴向上面向上。如图3所示，轴120的下端120b包括从下端120b轴向向内延伸的腔体121，并且腔体121具有接收推力球或球体122的凹球体座或表面123。当下端120b安装在容座146内时，主体181的上端181a延伸到腔体121内，使得凹球面轴承表面182与球体122匹配且滑动地接合球体122。

仍参考图3，安装轴环148布置在容座146内且紧邻上端140a。通常，安装轴环包括径向外表面148a和径向内表面148b。轴环148经由外表面148a上的匹配外螺纹和表面308上的内螺纹的接合而被拧入到容座146中。环状密封组件150在径向上设置在表面148a、308之间，从而防止流体在两者间流动。

还设有柔性封闭罩164，以防止钻井泥浆在钻井操作期间流入容座146中。封闭罩164紧邻下端120b围绕传动轴120布置，具有用锁环160联接至传动轴120的第一端或上端164a以及用轴环148和L形压缩环166联接至端壳体140的第二端或下端164b。因而，封闭罩164在传动轴120和端壳体140之间径向延伸。更特别地，罩164的上端164a坐落在传动轴120的外表面120c上的环状凹部中，并且锁环160布置在轴120上且在端部164a之上，由此，通过过盈配合将端部164a在环160和轴120之间保持就位。卡环162布置在外表面120c中的圆周凹槽163中，并且沿轴向将环160固位在轴120上。类似地，封闭罩164的下端164b通过过盈配合被保持就位。特别地，下端164b坐落在径向内表面148b上，并且在轴环148和布置于容座146中的压缩环166之间被压缩。

现在参考图3-5，其中示出了传动轴120的下端120b。除了上述腔体121之外，下端120b还包括从外表面120c径向向内延伸且从下端120b在轴向上延伸的多个凹部124。每个凹部124都至少部分地由第一平坦表面126和第二平坦表面128限定。在该实施例中，每个凹部124的表面126、128彼此垂直，使得：当在沿轴线125的截面中观察时，每个凹部124是基本V形的(例如，如图5中所示)。如下文更详细描述的，在钻井操作期间，从传动轴120通过每个凹部124的表面126传递扭矩，因而，在本文中，每个凹部124的第一平坦表面126都可以称为接合表面或扭矩传递表面126。

在该实施例中，下端120b包括绕轴线125均匀地沿圆周布置的总共4个凹部124，使得每个凹部124布置成与在圆周方向上相邻的相应凹部124隔开大约90°。结果，每个凹部124的平坦表面126、128关于轴线125大致平行于每个径向相对凹部124的相应的平坦表面126、128(即，凹部124布置成与所述凹部124成180°)。此外，在该实施例中，表面126、128中的每一个均平行于传动轴120的中心轴线125；然而，在其它实施例中，表面126、128不平行于轴线125，而是布置成与其成略非零角度。

如下文更详细描述的，在轴120绕轴线125旋转期间，轴120在下端120b处绕第一枢转轴线127和第二枢转轴线129自由枢转。轴线127、129彼此垂直地取向，并且在沿轴线125布置的中心点119处相交。因而，轴线125、127、129都在中心119处相交。另外，轴线127、129位于垂直或正交于轴线125取向的平面中。此外，在该实施例中，当如前所述地将球体122安装在腔体121中时(例如，见图3)，中心119也对应于该腔体中的凹球形表面的曲率中心和推力球122的中心。因而，推力球122和腔体121的表面123之间的滑动接合以及球体122和轴承插入件180的表面182之间的滑动接合允许传动轴120在操作期间绕中心119枢转。

现在参考图3和6，扭矩传递组件185围绕传动轴120的下端120b布置在容座146内，并且随着传动轴120绕轴线125旋转而在传动轴120和端壳体140之间传递扭矩负荷。在该实施例中，扭矩传递组件185大致包括多个扭矩传递键190及转接器200。如下文更详细地描述的，扭矩传递组件185的各个表面(即，键190和转接器200的匹配表面)的滑动接合允许传动轴120通过直接面对面接合而将扭矩传递至端壳体140，即使当传动轴120相对于端壳体140绕轴线127、129枢转时也是如此，如前所述。

现在参考图7和8，每个扭矩传递键190均是大致D形的，并且布置在转接器200上。如图7中最佳地示出的，每个键190包括主体192，该主体192具有中心轴线195、第一侧或顶侧192a、与顶侧192a轴向相反的第二侧或底侧192b、第一横向侧192c、以及与第一横向侧192c径向相反的第二横向侧192d。在该实施例中，当传动轴组件100被完全组成时，轴线195穿过键190的质心并平行于轴线127、129中的一个。另外，在该实施例中，侧面192a、192b包括分别垂直于轴线195取向的平行的平坦表面193、199；侧面192c包括在侧面192a、192b之间轴向延伸的平坦扭矩传递表面194；并且侧面192d包括在侧面192a、192b之间轴向延伸的凸圆柱形表面196。表面196绕曲率轴线197同心，曲率轴线197被取向为平行于轴线195和表面194并且与轴线195和表面194径向间隔开。轴线195、197位于垂直于表面194取向的平面内。此外，在该实施例中，表面194、196各自与倒角表面198a、198b交叉，使得表面194具有在表面198a、198b之间延伸的长度L₁₉₄；然而，应明白，键190的其它实施例可以不包括倒角表面198a、198b。此外，表面196具有从曲率轴线197至表面196径向地测量的半径R₁₉₆。此外，如下文更详细所述的，在该实施例中，当组件100被完全组装时，每个键190的轴线197均与枢转轴线127、129中的一个对齐。

现在参考图9-11，转接器200包括：中心轴线或纵向轴线205，其在转接器200安装在容座146内(例如，如图3中所示)时与端壳体140的轴线145对齐；多个接合臂202；和中心连接构件204。连接构件204由包括第一侧或上侧204a以及与上侧204a相反的第二侧或下侧204b的单块板形成，其中，所述侧204a、204b彼此平行并且均垂直于轴线205。另外，构件204被成形为与容座146相对应。即，在该实施例中，连接构件204包括在形状和布置上与上述容座146的凹口302大致对应的多个径向延伸体203，使得当转接器200完全安装在容座146中时，每个延伸体203配合在容座146的凹口302中的一个内。因而，在该实施例中，转接器200包括绕轴线205在圆周方向上均匀地间隔开的总共4个延伸体203，使得每个延伸体203布置成与在圆周方向上相邻的相应延伸体203隔开大约90°。另外，在延伸体203中的每一个上，一个臂202从上侧204a轴向向外延伸，使得在该实施例中，存在绕轴线205在圆周方向上均匀地间隔开的总共4个臂202，并且每个臂202布置成与在圆周方向上相邻的相应臂202隔开大约90°。另外，孔或开口206在侧面204a、204b之间穿过构件204轴向延伸，并且与轴线205同轴地对齐。如下文更详细地描述的，开口206被定尺寸，以允许轴承插入件180的主体181的上端181a在操作期间从中穿过。

如图11中最佳地示出的，每个臂202包括与转接器200的轴线205平行且径向间隔开的中心轴线215、第一端202a、以及与第一端202a相反的第二端202b。另外，每个臂202包括第一传动轴面对侧202c、关于轴线215而与第一传动轴面对侧202c径向相反的第一端壳体面对侧202d、在侧面202c、202d之间延伸的第二传动轴面对侧202e、以及也在侧面202c、202d之间延伸并且关于轴线215而与第二传动轴面对侧202e径向相反的第二端壳体面对侧202f。所述侧202c、202d、202e、202f各自在端部202a、202b之间轴向地延伸。第一端壳体面对侧202d包括轴向延伸的平坦接合表面209，而圆柱形凹部208关于轴线215从侧面202c径向向内延伸。凹部208由具有曲率轴线213的凹圆柱形表面212以及在侧面202c和凹圆柱形表面212之间延伸的平坦底面表面210限定。

现在参考图6和12，在组成该扭矩传递组件185期间，每个键190都布置在转接器200的臂202上的一个凹部208中。特别地，每个键190都布置在凹部208中的一个中，使得平行的平坦表面193、199中的一个以滑动方式接合底面表面210，并且凸圆柱形表面196滑动接合凹圆柱形表面212。另外，如图12中最佳示出的，当键190布置在上述凹部208内时，每个键190上的每个表面196的曲率轴线197与凹部208中的分别的相应表面212的曲率轴线213对齐，并因此与其重合。因而，在操作期间，允许每个键190通过表面196、212的滑动接合以及表面193、199中的一个与表面210的滑动接合而绕对齐的轴线197、213枢转或转动。另外，如下文更详细地描述的，在该实施例中，当组件185被完全安装在传动轴120的下端120b上并且下端120b和组件185二者都完全插入到端壳体140的容座146内(例如，图3)时，每个臂202和键190对的对齐轴线197、213进一步与上述枢转轴线127、129中的一个对齐，使得：在操作期间，键190中的每一个都绕枢转轴线127、129中的一个枢转或转动，从而进一步促进传动轴120绕轴线127、129相对于端壳体130枢转。

再次参考图13和14，在该实施例中，容座146的每个凹口320都由第一平坦表面310、平行于第一平坦表面310的第二平坦表面312、垂直于或正交于第一平坦表面310的第三平坦表面314、以及在表面312、314之间延伸的第四平坦表面316限定。在该实施例中，表面310、312、314、316中的每一个均轴向地或平行于端壳体140的轴线145延伸；然而，不对这种布置做要求，以使得在其它实施例中、表面310、312、314、316布置成相对轴线145成略非零角度。如下文更详细地所述的，凹口302的第一平坦表面310中的每一个均接合扭矩传递组件185中的匹配表面(例如，臂202上的平坦表面209)，以便在传动轴120绕轴线125旋转期间在轴120和端壳体140之间传递扭矩。因而，在本文中，表面310可以称为接合表面或扭矩传递表面。

同样，如图14中最佳地示出的，凹口302布置在容座146内，使得每个凹口302的第一平坦接合表面310延伸至在圆周方向上紧邻的凹口302的第二平坦表面312。另外，径向相对的凹口302(即，绕轴线145在圆周方向上彼此成180°布置的凹口302)的第一平坦接合表面310大致彼此平行。表面310的这种平行关系确保了传动轴120和端壳体140之间的扭矩传递更均匀地分布。

现在参考图3、6和15，现在将描述传动轴120的下端120b、扭矩传递组件185和端壳体140的组装。首先，如图6中最佳示出的，扭矩传递组件185按上文所述地组成并安装在传动轴120的下端120b上，使得键190和臂202的每个匹配对在凹部124中的一个内布置在下端120b上。特别地，键190和转接器200安装在传动轴120的下端120b上，使得平坦表面194接合平坦表面126，并且每个臂202的第二传动轴面对侧202e面向凹部124内的平坦表面128。另外，当转接器200完全安装在下端120b上时，孔206与腔体121大致对齐。此外，如图6中所示，在该实施例中，当扭矩传递组件185安装在下端120b上时，表面196、212的对齐的轴线197、213分别进一步与枢转轴线127、129中的一个对齐。如下文将更详细描述的，与轴线197、213、127、129的这种对齐允许键190绕轴线127、129中的一个枢转，从而进一步便于传动轴120在钻井操作期间绕轴线127、129的枢转。在该实施例中，在将扭矩传递组件185安装在下端120b上之前或之后，推力球122被安装在腔体121中并坐落在凹球面轴承表面123上(例如，参见图3)。

如图3和15中最佳地示出的，然后，安装有扭矩传递组件185的、传动轴120的下端120b被插入在端壳体140上的容座146内，使得下侧204b抵靠或接合所述平坦表面304，并且轴承插入件180的主体181的上端181a穿过孔206和腔体121延伸，使得上端181a上的凹球面轴承表面182接合推力球122。因此，如图3中所示，推力球122布置在凹球面轴承表面123、182之间并与凹球面轴承表面123、182接合。另外，由于传动轴120的下端120b和扭矩传递组件185安装在容座146内，所以，如图15中所示，臂202上的第一端壳体面对侧202d的表面209中的每一个均接合套筒302的接合表面310中的一个。

仍参考图3和15，一旦传动轴组件100被完全组成，传动轴120相对于下端壳体140绕中心119自由枢转，同时绕轴线125在方向113上旋转。特别地，由于轴120绕轴线125在方向113上旋转，所以，通过推力球122在腔体121内的表面123和插入件180的凹球面轴承表面182上的滑动接合，轴120的端部120b能够绕轴线127、129中的一个或两者枢转。另外，通过每个键190的圆柱形表面196与转接器200的臂202上的凹部208内的圆柱形表面212的滑动接合，以及每个键190上的表面194和传动轴120的下端120b上的平坦表面126的滑动接合，进一步容许传动轴120的端部120b绕轴线127、129的枢转。

此外，在轴120绕轴线125在方向113上旋转期间，在下端120b和端壳体140之间通过扭矩传递组件185传递扭矩。特别地，首先在下端120b和键190之间通过表面126、194的接合来传递扭矩。之后，在键190和转接器200之间通过表面196、212的接合来传递扭矩。最后，在转接器200和端壳体140之间通过表面209、310的接合来传递扭矩。由于在上述该实施例中允许键190在转接器200的臂202上的凹部208内绕轴线127、129中的一个枢转，所以，在传动轴120绕轴线127、129枢转且同时绕轴线125在方向113上旋转时，键190能够保持表面194、126之间的面对面接触。在该实施例中，上端壳体130和传动轴120的上端120a之间的联接与上述下端壳体140和传动轴的下端120b之间的联接在结构和功能上是相同的；然而，应明白，并不要求这种结构是对称的。另外，虽然上文已经对传动轴120的下端120b描述了装配的具体顺序，但应明白，具体的装配顺序可以变化很大。例如，在一些实施例中，扭矩传递组件185可以最先安装在容座146内。之后，在该示例中，下端120b插入容座146内并以上述方式与组件185接合，从而产生如图15所示的布置。

以所述方式，通过这些匹配表面(例如，键190、转接器200、传动轴120和容座146上的匹配表面)的直接接合，传动轴组件100能够通过直接的面对面表面接触而不是点接触或线接触来传递扭矩。此外，对于传动轴组件100，甚至在传动轴绕正交枢转轴线(例如，枢转轴线127、129)枢转时，在匹配表面(例如，传动轴120、扭矩传递组件185和端壳体140上的匹配表面)之间仍保持面对面表面接触。通过表面的这种直接面对面接触的扭矩传递提供了极大降低相互作用表面之间的磨损率的潜力，由此提高了传动轴组件(例如，组件100)和其它相关部件的运行寿命。

虽然本文已经将传动轴组件100描述为包括具有结构相同的端部120a、120b和结构相同的套筒部分134、144的传动轴120，但应明白，其它实施例可以不包括这种结构对称性。此外，虽然容座146内的凹口302已经被描述为由表面310、312、314、316限定，但应明白，容座146内的凹口302的确切尺寸、形状、数量和布置可以变化很大。因而，凹口302的实施例可以采取呈现与扭矩传递组合185上的匹配表面接合的一个或多个接合表面的任何适当形状。此外，图中对凹口302所示的具体形状和布置仅是凹口302的设计的一种潜在选项的示例，并非旨在将凹口302的其它潜在实施例局限于本文所示的具体形状。类似地，也应明白，限定传动轴120上的凹部124的具体数目、形状、布置和表面能够以相同方式变化很大，并且可以采取呈现与扭矩传递组件185上的匹配表面接合的一个或多个接合表面的任何适当形状、布置、数目等等。此外，虽然本文公开的传动轴120的实施例已经包括在球面推力球122，但应明白，在其它实施例中，传动轴120可以不包括腔体121和/或推力球122。例如，在一些实施例中，传动轴120在端部120a和/或端部120b上包括凸球面轴承表面，以代替推力球122和/或腔体。

现在参考图16，其中示出了传动轴组件400的另一实施例。传动轴组件400与上述传动轴组件100基本相同，因而，对相同的部件使用相同的附图标记，并且下文的描述将主要集中于组件100、400之间的差异。特别地，传动轴组件100包括外传动轴壳体110、可旋转地布置在壳体110内的传动轴420、联接至传动轴420的第一壳体或上端壳体430、以及联接至传动轴420的第二壳体或下端壳体440。

仍参考图16，传动轴120具有中心轴线或纵向轴线425、第一端或上端420a、与端部420a相反的第二端或下端420b、以及在端部420a、420b之间轴向延伸的大致圆柱形径向外表面420c。如下文将更详细描述的，轴420的轴线425不与壳体110的轴线115同轴地对齐。

上端壳体430具有第一端或上端430a、与端部430a相反的第二端或下端430b、从上端430a延伸的连接器部分432、以及从连接器部分432延伸至下端430b的套筒部分434。在该实施例中，连接器部分432是销针或公扣连接器(male pin or pin-end connector)，其将上端壳体430螺纹连接至液压驱动部分40(参见图1)的输出轴。套筒部分434接收传动轴420的上端420a。如下文更详细地描述的，上端420a和套筒部分434之间的联接允许传动轴420绕端部420a相对于端壳体430枢转，同时在端壳体430和传动轴420之间传递旋转扭矩负荷和轴向推力负荷。

下端壳体440具有第一端或上端440a、第二端或下端440b、从上端440a延伸的连接器部分442、以及从连接器部分442延伸至下端440b的套筒部分444。在该实施例中，连接器部分442是承口或母扣连接器，其将下端壳体440螺纹连接至轴承组件80(参见图1)的心轴。套筒部分444接收传动轴420的下端420b。如下文更详细地描述的，下端420b和套筒部分444之间的联接允许传动轴420相对于端壳体440绕端部420b枢转，同时在端壳体440和传动轴420之间传递旋转扭矩负荷和轴向推力负荷。

在该实施例中，传动轴420的端部420a、420b在结构上相同，并且套筒部分434、444在结构上相同。因此，在下文的说明和附图中，示出和描述了下端420b、相应的套筒部分444及它们之间的连接的细节，应理解，上端420a、相应的套筒部分434和它们之间的连接分别相同。

现在参考图17，示出了传动轴420的下端420b和下端壳体440的套筒部分444。套筒部分444具有中心轴线或纵向轴线445，并且包括从端部440a轴向延伸并接收传动轴420的下端420b的容座446。虽然在图17中示出了传动轴420的轴线425与轴线445大致对齐，但应明白，由于在操作期间传动轴420绕端部420b枢转，传动轴420的轴线425通常与套筒部分444的轴线445不对齐。

简要地参考图17、23和24，容座446由径向内表面446c限定。从上端440a沿着轴向，内表面446c包括从上端440a轴向延伸的上部大致圆柱形表面608、从表面608径向向内延伸的多个在圆周方向上间隔开的肩台606(例如，在该实施例中，总共4个肩台606)、从肩台606轴向延伸的多个在圆周方向上间隔开的凹口602、从凹口602径向延伸的大致平坦表面604、以及从表面604轴向延伸的圆柱形埋头孔或凹部620。肩台606和表面604是布置在垂直于轴线445取向的平面内的平坦表面。另外，在该实施例中，容座446包括绕轴线445在圆周方向上均匀间隔开的总共4个凹口602，使得每个凹口602布置成与在圆周方向上相邻的相应凹口602间隔大约90°。

现在重新参考图17，在该实施例中，与上文所述相同的轴承插入件180布置在凹部620内。插入件180以与上文对插入件180和凹部320所述基本相同的方式(参见图3)与凹部620相互作用，因而，为了简化，省略对插入件180的结构及其与凹部620的相互作用的详细描述。另外，也如图17所示，类似于上述的下端120b，轴420的下端420b包括以与上述相同方式接收推力球122的腔体121。因此，当下端420b安装在容座446内时，主体181的上端181a延伸到腔体121内，使得凹球面轴承表面182与球体122匹配且滑动地接合与球体122。此外，如图17所示，安装轴环148、封闭罩164、环160、163、166分别以与上文对下端120b和套筒部分144所述基本相同的方式联接至下端420b和/或套筒部分444。因此，为了简洁起见，这些部件的详细说明也被省略。

现在参考图17-19，其中示出了传动轴120的下端420b。除了上述的腔体121之外，下端420b还包括从外表面120c径向向内地延伸且从下端420b轴向延伸的多个凹部424。每个凹部124至少部分地由凸圆柱形表面426和第二平坦表面428限定。如下文更详细地描述的，在钻井操作期间，从传动轴120通过每个凹部424的表面426传递扭矩，因而在本文中，每个凹部424的凸圆柱形表面426可以称作接合表面或扭矩传递表面426。另外，传动轴420的下端420b包括第一枢转轴线427和第二枢转轴线429。在本文中，轴线427、429被称为“枢转”轴线，因为：如下文更详细地描述的，在轴420绕中心轴线425旋转期间，轴420在下端420b处绕轴线427、429中的一个或两者自由枢转。轴线427、429彼此正交地取向，并且在沿轴线425布置的中心点419处交叉。因而，轴线425、427、429都在中心419处交叉。另外，轴线427、429位于垂直或正交于轴线429取向的平面内。此外，在该实施例中，当如前所述球体122安装在腔体121内时(例如，见图17)，中心419同样对应于腔体121中的凹球形表面123的曲率中心及推力球122的中心。因而，推力球122和腔体121的表面123之间的滑动接合以及球体122和轴承插入件180的表面182之间的滑动接合允许传动轴120在操作期间绕中心419枢转。

在该实施例中，下端420b包括绕轴线125在圆周方向上均匀地布置的总共4个凹部424，使得每个凹部424布置成与在圆周方向上相邻的相应凹部424隔开大约90°。结果，对于每个凹部424，表面426被绕枢转轴线427、429中的一个同心地布置，并且表面428垂直于枢转轴线427、429中的一个。因而，当沿轴线425在横截面中观察时(例如，如图19所示)，每个凹部424是基本V形的。另外，关于轴线424每对径向相对的凹部424(即，绕轴线425彼此成180°布置的凹部)的表面426各自绕同一轴线427或429同心地布置。此外，在该实施例中，每个表面428都平行于传动轴420的中心轴线425；然而，在其它实施例中，表面428不平行于轴线425，而是布置成与轴线425成略非零角度。

现在参考图17和20，多个扭矩传递键490绕传动轴420的下端420b布置在容座446内，从而在传动轴420绕轴线425旋转时、在传动轴420和端壳体440之间传递扭矩。如下文更详细地描述的，扭矩传递键490、下端420b和容座446的相应匹配表面之间的滑动接合允许通过直接面对面接合而将扭矩传递至端壳体440，即使如前所述在传动轴420相对于端壳体440绕轴线427、429枢转也是如此。

现在参考图21-23，扭矩传递键490中的每一个均是大致C形的，并且包括主体492，所述主体492具有中心轴线495、第一侧或顶侧492a、与顶侧492a相反的第二侧或底侧492b、第一横向侧492c以及与第一横向侧492c径向相反的第二横向侧492d。在该实施例中，当传动轴组件400被完全组成时，轴线495穿过键490的质心并且平行于轴线427、429中的一个。另外，在该实施例中，侧面492a包括垂直于轴线495取向的平坦表面493，并且侧面492b包括凸出的或向外弯曲的表面499。另外，在该实施例中，侧面492c包括在侧面492a、492b之间轴向延伸的平扭矩传递表面494，并且侧面492d包括在侧面492a、492b之间轴向延伸的凹圆柱形扭矩传递表面496。一对平行平坦表面491、498在每个平坦表面494和凹圆柱形表面496之间延伸，并且也在平侧面492a、492b之间轴向延伸。表面496绕平行于轴线495和表面494取向且与轴线495和表面494径向间隔开的曲率轴线497同心。轴线495、497位于垂直于表面494取向的平面内。此外，如下文更详细地描述的，在该实施例中，当键490安装在传动轴420的下端420b上时，每个键490的轴线497都与枢转轴线427、429中的一个对齐。此外，在该实施例中，表面493、499和各表面491、494、496、498之间的过渡被倒圆角，以便在组件400完全组成时允许适当的间隙。同样，在该实施例中，平坦表面498大于平坦表面491，使得键490在操作期间将基本适配于凹部424的形状；然而，应明白，并不要求这种布置，并且在其它实施例中，表面491、498可以为相同尺寸，或表面491可以比表面498大。

再次参考图24和25，在该实施例中，容座446的每个凹口602由第一平坦表面610、平行于第一平坦表面610的第二平坦表面612、相对于表面610、612二者垂直延伸的第三平坦表面614、在表面612、614之间延伸的第四平坦表面616、以及在表面610、614之间延伸的第五平坦表面617限定。各表面610、612、614、616之间的过渡都为圆形的，以提高壳体的制造效率并确保在操作期间联锁部件的适当间隙。此外，在该实施例中，各表面610、612、614、616沿轴向或平行于端壳体440的轴线445地延伸。如下文更详细地描述的，凹口602的第一平坦表面610中的每一个均接合扭矩传递键490上的匹配表面，以便在传动轴420绕轴线425旋转期间在轴420和端壳体440之间传递扭矩。因而，在本文中，表面610可以被称为接合表面或扭矩传递表面310。

同样如图25中最佳示出的，凹口602布置在容座446内，使得每个凹口602的第一平坦接合表面610延伸至在圆周方向上紧邻的凹口602的第二平坦表面612。另外，径向相对凹口602(即，绕轴线445在圆周方向上彼此成180°布置的凹口602)的第一平坦接合表面610大致彼此平行。表面610的这种平行关系确保了传动轴420和端壳体440之间的扭矩传递更均匀地分布。

现在参考图18、20和21-23，在传动轴组件400的组成期间，每个键490都布置在下端420b上的凹部424中的一个内。特别地，每个键490都布置在一个凹部424中，使得平坦表面493滑动地接合平坦表面428，并且凹圆柱形表面496滑动地接合凸圆柱形表面426。另外，如图20中最佳示出的，当键490如上所述地布置在凹部424中时，每个键490上的每个表面496的曲率轴线497与传动轴420的枢转轴线427、429中的一个对齐，并因此与之重合。因而，在操作期间，通过表面426、496的滑动接合以及表面493和表面428的滑动接合，允许每个键490绕枢转轴线427、429中的一个枢转或转动。这种布置促进了传动轴420相对于端壳体440绕轴线427、429的枢转。另外，在该实施例中，在将扭矩传递键490安装在下端420b上之前或之后，推力球122被安装在腔体121内并坐落在凹球面轴承表面123上(例如，见图17)。

现在参考图17和26，在扭矩传递键490以上述方式安装在传动轴420的下端420b上之后，传动轴420的下端420b被插入在端壳体440上的容座446内，使得轴承插入件180的主体181的上端181a延伸到腔体121内，并且上端181a上的凹球面轴承表面182接合推力球122。在这种布置中，推力球122布置在凹球面轴承表面123、182之间并与其接合，如图17所示。另外，由于传动轴420的下端420b和键490安装在容座446内，键490上的表面494滑动地接合凹口602的相应接合表面610接合，如图26所示。

仍参考图17和26，一旦传动轴组件400被完全组成，则传动轴420相对于下端壳体440绕中心419自由枢转，同时绕轴线425旋转。特别地，在轴420在方向413上绕轴线425旋转时，下端420b能够通过推力球122在腔体121内的表面123及插入件180的凹球面轴承表面182上的滑动接合而绕轴线427、429中的一个或两者枢转。另外，通过每个键490的圆柱形表面496和传动轴420的下端420b上的每个相应凹部424的圆柱形表面426的滑动接合以及每个键490的平坦表面493和相应凹部424的平坦表面428的滑动接合，进一步允许传动轴420的端部420b绕轴线427、429枢转。应明白，在一些实施例中，在上述传动轴420的转动和枢转期间，键490相对于凹口602移动，因此每个键490的平坦表面494在这些操作期间也滑动地接合每个相应凹口602的平坦接合表面610。

此外，在轴420绕轴线425在方向413上旋转期间，在下端420b和端壳体440之间通过扭矩传递键490来传递扭矩。特别地，首先在下端420b和键490之间通过圆柱体表面426、496的接合来传递扭矩。之后，在键490和端壳体440之间通过表面494、610的接合来传递扭矩。由于在上述实施例中、键490被构造成相对于传动轴420的下端420b上的凹部424绕轴线427、429中的一个枢转，所以，在传动轴420绕轴线427、429枢转且同时绕轴线425在方向413上旋转时，键490仍能够保持表面496、426和表面494、610之间的面对面接触。在该实施例中，上端壳体430和传动轴420的上端420a之间的联接与上述的下端壳体440和传动轴的下端420b之间的联接在结构上和功能上相同；然而，应明白，不要求这种结构上的对称。

以所述方式，通过这些匹配表面(例如，键490、传动轴420和容座446上的匹配表面)的直接接合，传动轴组件400能够通过直接面对面表面接触进行扭矩传递，而不是点接触或线接触。此外，对于传动轴组件400，即使当传动轴绕正交的枢转轴线(例如，枢转轴线427、429)枢转时，在匹配表面(例如，传动轴420、扭矩传递键490和端壳体440上的匹配表面)之间仍保持面对面的表面接触。通过表面的这种直接面对面的接触的扭矩传递提供了极大地降低相互作用表面之间的磨损率的潜力，由此提高了传动轴组件400和其它相关部件的运行寿命。

虽然本文已将传动轴组件400描述为包括具有结构上相同的端部420a、420b以及结构上相同的套筒部分434、444的传动轴420，但应明白，其它实施例可以不包括这种结构对称性。此外，虽然容座446内的凹口602已经被描述为由表面610、612、614、616限定，但应明白，容座446内的凹口602的确切尺寸、形状、数目和布置可以变化很大。因而，凹口602的实施例可以采取呈现与扭矩传递键490上的匹配表面接合的一个或多个接合表面的任何适当形状。此外，图中对凹口602示出的具体形状和布置仅是用于凹口602的设计的一种潜在选项的示例，并非旨在将凹口602的其它潜在实施例局限于本文所示的具体形状。类似地，也应明白，限定传动轴420上的凹部424的具体数目、形状、布置和表面可以以相同的方式极大地变化，并且可以采取呈现与扭矩传递键490上的匹配表面接合的一个或更多接合表面的任何适当形状、布置、数目等。此外，虽然本文公开的传动轴420的实施例包括球面推力球122，但应明白，在其它实施例中，传动轴420可以不包括腔体和/或推力球122。例如，在一些实施例中，传动轴420在端部120a和/或端部120b上包括凸球面轴承表面，以代替推力球122和/或腔体121。

虽然已经示出和描述了具体实施例，但本领域技术人员能够在不偏离本文范围或教导的情况下对其进行修改。本文所述的实施例仅是例证性而非限制性的。本文所述的系统、设备和过程的许多变化和修改都是可能的并且在本公开的范围内。因而，保护范围不限于本文所述的实施例，而是仅由所附权利要求限定，其范围将包括权利要求的主题的所有等效物。除非另有明确说明，方法权利要求中的步骤可以以任何顺序执行。方法权利要求中的步骤之前对诸如(a)、(b)、(c)或(1)、(2)、(3)的标识符的列举并非旨在表明和指定步骤的特殊顺序，而是用于简化对这些步骤的后续引用。