CN101027499A - 滚动机械单元 - Google Patents

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Abstract

一种滚动机械单元，通过在导块(滚珠导轨、滚针导轨等情况)或外筒(滚珠花键、滚珠衬套等情况)的轨道面端部形成以椭圆形为基础的隆起面，使得在靠近该隆起面端的部分也对滚动体作用大的负载，从而飞跃性提高负载能力、刚性及精度。具备：形成有轨道面(14)的第一部件(11)；经由滚动体(13)安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件(11)进行导向的第二部件(12)，通过滚动体(13)在轨道面(14)上以对齐状态出入，使第一部件(11)沿第二部件(12)的导向方向移动，其特征在于，在作为滚动体(13)的出入点的第一部件(11)的轨道面(14)的端部，形成有以椭圆形(15)为基础的隆起面(14a)。

Description

滚动机械单元
技术领域
本发明涉及滚珠导轨、滚针导轨、滚珠花键及滚珠衬套等滚动机械单元，尤其涉及通过在导块(滚珠导轨、滚针导轨等情况)或外筒(滚珠花键、滚珠衬套等情况)的轨道面端部形成以椭圆形为基础的隆起面，使得在靠近该隆起面端的部分也对滚动体作用大的负载，从而飞跃性提高负载能力、刚性及精度的滚动机械单元。
背景技术
如图9所示，滚珠导轨1构成为能够将导块2沿箭头A或箭头B方向在轨道3上移动，在导块2内，作为滚动体的一例的多个滚珠4以对齐状态循环滚动，位于轨道面长度lt的范围内的滚珠4与轨道3的轨道面3a及导块2的轨道面2a接触，由此将作用于导块2上的外部载荷支承。
滚针导轨、滚珠花键及滚珠衬套等也同样构成为使滚动体循环滚动，但也有如滚珠滑轨或交叉滚子导轨等那样不使滚动体循环的结构。
总之，在这些滚动机械单元中，对轨道面两端部赋予何种隆起面，是确定行驶精度或寿命等所有的性能的重要因素(非专利文献1)。
但是，如图10所示，以往的隆起面2b是隆起面长度(自隆起面始点o至隆起面端a的长度)为Xr，隆起面退出量为λe，且以在隆起面始点o与轨道面2a相接的半径R的圆弧5为基础的结构。还有，该半径R由数式1表示，圆弧5由数式2表示。
[数1]
R = X r 2 + λ e 2 2 λ e
[数2]
x2+(y-R)2＝R2
忠实地形成圆弧5关系到制造成本的上升，因此，实际上如图11所示，以圆弧5为基础的同时倒角成将隆起面始点o和隆起面端2c的只退出隆起面退出量λe的点a连结的直线状，或如图12所示，形成为自隆起面始点o分别以圆弧5上的点d、点c、点b及点a为顶点的多边形形状。
然而，在圆弧隆起面的情况下，如图10所示，相对自隆起面始点o的距离x的隆起面退出量λx从距离x短处逐渐变大，因此，位于隆起面长度Xr的范围内的滚珠4的负载相对位于平坦的轨道面2a上的滚珠4受到的载荷的比例(负载因数)降低。
即，这表示未充分应用位于轨道面长度lt内的滚珠4，为了提高负载能力、刚性及精度，需要将隆起面的形状改变为以与圆弧形状不同的其他的形状为基础的形状。
非专利文献1：清水茂夫：关于直动式滚珠导轨系统的负载分布和精度·刚性的研究、精密工学会志、58、11(1992)
非专利文献2：清水茂夫：关于直动式轴承的额定动载荷、日本摩擦学学会、44、11(1999)
非专利文献3：清水茂夫：直动式滚动导向单元的动负载能力、广济堂印刷(1999)24
发明内容
本发明是为了排除所述的以往技术的缺陷而做成的，其目的在于，提供一种滚动机械单元，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过滚动体在轨道面上以对齐状态出入，使第一部件能够沿第二部件的导向方向移动，其中，在作为滚动体的出入点的第一部件的轨道面的端部，形成以椭圆形为基础的隆起面，由此提高位于隆起面的范围内的滚动体的负载因数，提高滚动机械单元的负载能力、刚性及精度。
另一目的在于，在所述结构中，在作为滚动体的出入点的第一部件的轨道面的端部，形成将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆形作为基础的隆起面，由此使在由规格或设计等确定的最大径向载荷作用时作用于位于隆起面端的滚动体上的滚动体载荷正好为0，另外，由此能够较高地维持滚动体的负载因数，同时使滚动体相对轨道面负载圈的进入和送出圆滑。
又一目的在于，在所述结构中，在第一部件的轨道面的端部，形成将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆作为基础，并以该椭圆上的多个点为顶点的多边形形状的隆起面，由此使隆起面的加工容易，将提高了负载能力、刚性及精度的滚动机械单元的制造成本降低。
概括来说，本发明(权利要求1)，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过所述滚动体在所述轨道面上以对齐状态出入，使所述第一部件能够沿所述第二部件的导向方向移动，其特征在于，在作为所述滚动体的出入点的所述第一部件的轨道面的端部，形成有以椭圆形为基础的隆起面。
另外，本发明(权利要求2)，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过所述滚动体在所述轨道面上以对齐状态出入，使所述第一部件能够沿所述第二部件的导向方向移动，其特征在于，在作为所述滚动体的出入点的所述第一部件的轨道面的端部，形成有将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆形作为基础的隆起面。
另外，本发明(权利要求3)，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过所述滚动体在所述轨道面上以对齐状态出入，使所述第一部件能够沿所述第二部件的导向方向移动，其特征在于，在作为所述滚动体的出入点的所述第一部件的轨道面的端部，形成有将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆作为基础，并以该椭圆上的多个点为顶点的多边形形状的隆起面。
(发明效果)
本发明如上所述，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过滚动体在轨道面上以对齐状态出入，使第一部件能够沿第二部件的导向方向移动，其中，在作为滚动体的出入点的第一部件的轨道面的端部，形成有以椭圆形为基础的隆起面，因此，能够提高位于隆起面的范围内的滚动体的负载因数，故具有能够提高滚动机械单元的负载能力、刚性及精度的效果。
另外，在所述结构中，在作为滚动体的出入点的第一部件的轨道面的端部，形成有将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆形作为基础的隆起面，因此，能够使在由规格或设计等确定的最大径向载荷作用时作用于位于隆起面端的滚动体上的滚动体载荷正好为0，另外，其结果是具有如下效果：能够较高地维持滚动体的负载因数，同时使滚动体相对轨道面负载圈的进入和送出圆滑。
进而，在所述结构中，在第一部件的轨道面的端部，形成有将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆作为基础，并以该椭圆上的多个点为顶点的多边形形状的隆起面，因此，能够使隆起面的加工容易，将提高了负载能力、刚性及精度的滚动机械单元的制造成本降低。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施例的滚动机械单元中的椭圆隆起面的形状及方程式的局部纵剖视图。
图2～图4涉及本发明的第二实施例，图2是放大表示滚动机械单元中的隆起面部分的局部纵剖视图。
图3是表示滚动机械单元中的导块的轨道面两端的隆起面、滚珠及轨道，并且强调地表示径向载荷作用于导块上从而滚珠变形、该导块下降的状态的侧视图。
图4是表示滚珠在受到径向载荷的导块内循环滚动的同时，在轨道上移动的状态的局部纵剖视图。
图5是表示滚珠导轨中的隆起面形状及负载因数的计算结果的线图。
图6是分别表示滚珠导轨中的拟合系数、和额定动载荷、滚珠载荷、隆起面退出量、滚珠变形量、最大赫兹应力、滚珠径和隆起面退出量的比的线图。
图7是表示滚针导轨中的隆起面形状及负载因数的计算结果的线图。
图8是分别表示滚针导轨中的拟合系数、和额定动载荷、滚珠载荷、隆起面退出量、滚珠变形量、最大赫兹应力、滚珠径和隆起面退出量的比的线图。
图9～图12涉及以往例，图9是滚珠导轨的纵剖视图。
图10是放大表示圆弧隆起面的形状及方程式的局部纵剖视图。
图11是以圆弧为基础，将隆起面始点和隆起面端直线状倒角而形成的隆起面的纵剖视图。
图12是以圆弧为基础，在从隆起面始点到隆起面端之间依次连结圆弧状的多个点，形成为多边形形状的隆起面的纵剖视图。
图中：10-滚动机械单元；11-作为第一部件的一例的导块；12-作为第二部件的一例的轨道；13-作为滚动体的一例的滚珠；14-轨道面；14a-隆起面；15-椭圆；20-滚动机械单元；21-作为第一部件的一例的导块；22-作为第二部件的一例的轨道；24-轨道面；24a-隆起面。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施例对本发明进行说明。在图1中，本发明的第一实施例的滚动机械单元例如是滚珠导轨，其具备：导块11，其作为第一部件的一例，形成有轨道面14；轨道12，其作为第二部件的一例，经由作为滚动体的一例的滚珠13安装有该导块11，能够沿规定的方向对该导块11进行导向，通过该滚珠13在导块11的轨道面14上以对齐状态出入，可使导块11沿轨道12的导向方向移动，在作为滚珠13的出入点的导块11的轨道面14的端部，形成有将以规定的隆起面退出量λe为短轴的椭圆形15作为基础的隆起面14a。
若以隆起面始点o为原点，以轨道面14方向为x轴，且以导块11的高度方向为y轴，则椭圆形15的方程式由长轴(隆起面退出宽度)Xr、短轴(隆起面退出量)λe表示为数式3。
[数3]
( x X r ) 2 + ( y λ e ) 2 = 1
隆起面退出宽度Xr的长度可以任意设定，但若取到轨道面14的中央附近，则轨道面长度lt的大致整个范围成为隆起的、所谓整个隆起状态，刚性和寿命降低，但导向精度格外提高，摩擦阻力格外减小。
为了与以往的圆弧隆起面比较，在图1中示出了连结隆起面开始点o和隆起面端a的半径R的圆弧16，比较以椭圆形15为基础的隆起面14a和圆弧16可知，隆起面始点o和隆起面端a的位置共用，不过，隆起面14a更大幅度向y轴原点方向隆起，该隆起提高了滚珠13的负载因数。
其次，在图2～图4中，本发明的第二实施例的滚动机械单元20例如是滚珠导轨，其具备：导块21，其作为第一部件的一例，形成有轨道面24；轨道22，其作为第二部件的一例，经由作为滚动体的一例的滚珠13安装有该导块21，能够沿规定的方向对该导块进行导向，通过该滚珠13在导块21的轨道面24上以对齐状态出入，可使导块21沿轨道22的导向方向移动，在作为滚珠13的出入点的导块21的轨道面24的端部，形成有将以规定的隆起面退出量λe为短轴的椭圆15作为基础，以该椭圆15上的多个点a、b、c、o为顶点的多边形形状的隆起面24a。
作为轨道面24的基础的椭圆15与本发明的第一实施例相同，另外，顶点不限于a、b、c、o四处，可比其多，也可比其少。
由于滚动机械单元20例如是滚珠导轨，因此如图4所示，在导块11的两端安装有端板25，滚珠13通过该端板25内，由此使该滚珠13在导块11内循环滚动。
本发明如上所述地构成，以下对其作用进行说明。若对本发明的第二实施例的滚动机械单元20的导块21的作用进行说明，则如图4所示，滚珠13夹装于导块21和轨道22之间，因此能够使导块21相对固定的轨道22沿轨道22的导向方向、即箭头C或箭头D方向自如地移动。此时，滚珠13在导块21内沿箭头G或箭头H方向循环滚动。
在对导块21作用额定动载荷的1/2的径向载荷F的情况下，在隆起面24a以外的轨道面24上，在该轨道面24、滚珠13及轨道22之间，产生了与隆起面退出量λe相同的量的变形。
若该滚珠13沿箭头H方向前进而进入隆起面24a的范围，则滚珠载荷随着靠近隆起面端而减少，在到达了隆起面端时，滚珠载荷正好等于0，并沿箭头H方向前进。滚珠载荷在隆起面端正好等于0是因为，导块11由于径向载荷F而只下降隆起面退出量λe，隆起面端的轨道面24和轨道22之间的间隙变为与滚珠径相等。
反之，在滚珠13沿箭头G方向前进时，滚珠载荷在滚珠13到达了隆起面端时为0，但滚珠载荷随着前进而增加，滚珠载荷在隆起面始点时为最大，并保持该状态而在轨道面24上滚动。此时的轨道面24、滚珠13及轨道22间的变形量为与隆起面退出量λe相同的量。
由国际标准化机构(ISO)规定的寿命计算式在同样由ISO协定的式求出的额定动载荷的1/2以下的径向载荷下适用。
从而，若赋予与该额定动载荷的1/2的径向载荷下的滚珠变形量相当的隆起面退出量λe，则即使在该径向载荷作用时，包括隆起面24a的轨道面24整体也与滚珠13相接，因此，能够得到充分的负载能力，另外，由于隆起面端的轨道面24和轨道22之间的间隙变为与滚珠径相等，因此，滚珠13能够圆滑地出入轨道面24。
在此，表1表示滚珠导轨的隆起面为圆弧隆起面、抛物线隆起面及椭圆隆起面的情况下的计算例。作为计算条件，设滚珠径Dw＝6.35mm、隆起面退出量λe＝0.023228mm、拟合系数f(＝轨道面半径R/滚珠径Dw)＝0.52、圆弧隆起面的圆的半径R＝867.983mm，使额定动载荷C的1/2的径向载荷F作用。
[表1]
x/Xr          圆弧/抛物线隆起面          椭圆隆起面
    λxmm     (1-λx/λe)1.5     λxmm     (1-λx/λe)1.5
 0.0000.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.8500.9000.9500.9750.9901.000     0.0000.2320.9292.0903.7165.8078.36211.38214.86616.78218.81520.96322.08122.76623.228     1.0000.9850.9410.8680.7700.6500.5120.3640.2160.1460.0830.0300.0110.0030.000     0.0000.1160.4691.0701.9393.1124.6466.6409.29110.99213.10315.97518.06719.95123.228     1.0000.9920.9700.9320.8770.8060.7160.6040.4650.3820.2880.1740.1050.0530.000
表1的第一列在图1中，是自隆起面始点o沿x轴方向的距离和椭圆形15的长轴(隆起面宽度)Xr的比，是量纲为1的量。第二列和第三列表示以往例的圆弧隆起面及抛物线隆起面的情况，第四列和第五列表示本发明的椭圆隆起面的情况。第二列和第四列表示自隆起面始点o沿y轴方向的距离λx，第三列和第五列表示滚珠的负载因数(1-λx/λe)1.5。还有，由于圆弧隆起面和抛物线隆起面为二次式，因此，距离λx在有效数字的范围内一致，负载因数也一致，故记载在相同的栏中。
负载因数是滚珠位于隆起面部时的滚珠载荷、和位于非隆起面部的轨道面时的滚珠载荷的比，在隆起面始点o是1，在隆起面端a滚珠载荷是0，因此，负载因数也是0。
由表1可知，椭圆隆起面的情况下的负载因数在隆起面宽度x/Xr＝0.5时是80.6％，与圆弧隆起面及抛物线隆起面的65％相比，负载因数也高。若由线图表示该情况，则如图5所示。
(1)表示圆弧隆起面的情况，(2)表示椭圆隆起面的情况。以纵轴表示距离λx的下侧的线图直接示出了隆起面的形状。由此可知，椭圆隆起面与圆弧隆起面相比，更向下方隆起影线面积的量。
另外，观察以纵轴表示负载因数的上侧的线图可知，与圆弧隆起面的情况相比，负载因数上升了影线面积的量。
在图6中，横轴取拟合系数f，纵轴分别示出了额定动载荷C、该额定动载荷C的1/2的径向载荷作用时的滚珠载荷Qc、隆起面退出量λe、滚珠载荷Qc作用时的变形量δQc、最大赫兹应力σmax及滚珠径Dw/隆起面退出量λe。计算条件是轨道面长度lt＝72mm、滚珠径Dw＝6.35mm、滚珠列数it＝2列、以及接触角α＝45°。接触角α＝45°是指滚珠和轨道面相对径向载荷的作用方向倾斜45°而接触。
由图6的最下侧的线图可知，相对拟合系数f＝0.51至0.55，滚珠Dw和隆起面退出量λe的比为270至290。
其次，表2中表示滚动机械单元10为滚针导轨的情况下的隆起面的计算例。作为计算条件，设滚针径Dw＝6.35mm、滚针长度Lw＝6.35mm、隆起面退出量λe＝0.016829mm、滚针有效长度系数fL(＝滚针有效长度Lwe/滚针长度Lw)＝0.7、圆弧隆起面的圆的半径R＝1198.015mm，使额定动载荷C的1/2的径向载荷F作用。
[表2]
x/Xr          圆弧/抛物线隆起面           椭圆隆起面
    λxmm     (1-λx/λe)10/9     λxmm   (1-λx/λe)10/9
 0.0000.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.8500.9000.9500.9750.9901.000     0.0000.1680.6731.5152.6934.2076.0588.24610.77112.15913.63115.18815.99816.49416.829     1.0000.9890.9560.9010.8240.7260.6090.4730.3210.2410.1580.0750.0350.0130.000     0.0000.0840.3400.7751.4052.2553.3664.8116.7327.9649.49311.57413.09014.45516.829     1.0000.9940.9780.9490.9080.8520.7800.6880.5670.4910.3970.2740.1880.1130.000
表2的各列表示的各处与表1相同。由表2可知，椭圆隆起面的情况下的负载因数在隆起面宽度x/Xr＝0.5时是85.2％，与圆弧隆起面及抛物线隆起面的72.6％相比，负载因数也高。若由线图表示，则如图7所示。
与图5同样，(1)表示圆弧隆起面的情况，(2)表示椭圆隆起面的情况。以纵轴表示距离λx的下侧的线图直接示出了隆起面的形状。由此可知，椭圆隆起面与圆弧隆起面相比，更向下方隆起影线面积的量。
另外，观察以纵轴表示负载因数的上侧的线图可知，与圆弧隆起面的情况相比，负载因数上升了影线面积的量。
在图8中，横轴取滚针有效长度系数fL，纵轴分别示出了额定动载荷C、该额定动载荷C的1/2的径向载荷作用时的滚珠载荷Qc、隆起面退出量λe、滚珠载荷Qc作用时的变形量δQc、最大赫兹应力σmax及滚珠径Dw/隆起面退出量λe。计算条件是轨道面长度lt＝72mm、滚针径Dw＝6.35mm、滚珠列数it＝2列、以及接触角α＝45°。
由图6的最下侧的线图可知，相对滚针有效长度系数fL＝0.6至0.9，滚珠Dw和隆起面退出量λe的比为330至460。
还有，在所述实施例中，将滚动机械单元10、20作为滚珠导轨进行了说明，但不限于此，例如，也可以是滚针导轨、滚珠花键、滚珠衬套等滚动机械单元。轨道或轴的导向方向不限于直线方向，轨道也可以如R导轨那样弯曲。
滚动体不限于滚珠也可以为圆筒滚针、针状滚针、球面滚针或圆锥滚针等任一种。另外，滚动体不限于在导块或外筒内循环滚动，也可以如交叉滚子导轨或滚珠滑轨那样，转动自如地安装在轨道或定位器等中。
在滚动体构成为以一定的接触角与导块及轨道接触的情况下，隆起面退出量λe由该接触角方向的滚动体的弹性变形量确定即可。

Claims (3)

1.一种滚动机械单元，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过所述滚动体在所述轨道面上以对齐状态出入，使所述第一部件能够沿所述第二部件的导向方向移动，其特征在于，
在作为所述滚动体的出入点的所述第一部件的轨道面的端部，形成有以椭圆形为基础的隆起面。
2.一种滚动机械单元，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过所述滚动体在所述轨道面上以对齐状态出入，使所述第一部件能够沿所述第二部件的导向方向移动，其特征在于，
在作为所述滚动体的出入点的所述第一部件的轨道面的端部，形成有将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆形作为基础的隆起面。
3.一种滚动机械单元，其具备：第一部件，其形成有轨道面；第二部件，其经由滚动体安装有该第一部件，能够沿规定的方向对该第一部件进行导向，通过所述滚动体在所述轨道面上以对齐状态出入，使所述第一部件能够沿所述第二部件的导向方向移动，其特征在于，
在作为所述滚动体的出入点的所述第一部件的轨道面的端部，形成有将以规定的隆起面退出量为短轴的椭圆作为基础，并以该椭圆上的多个点为顶点的多边形形状的隆起面。
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