JP2004084935A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】高速・高負荷の用途に使用されるボールねじの耐久性を向上する。
【解決手段】ボールねじにおいて、ボールとねじ軸側のボール転動溝との接触角であるねじ軸側接触角と、ボールとナット側のボール転動溝との接触角であるナット側接触角との間に、ねじ軸側接触角よりもナット側接触角の方が小さくなるように、２°以上１０°以下の差を与えて形成した。また、ボール同士の間に、凹面のボール保持面を有するリテーニングピースを配置した。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触角に特徴を有するボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじは、ねじ軸とナットとボールとで構成された直動装置である。ねじ軸の外周面とナットの内周面には螺旋状の溝が形成されており、これらの螺旋溝でボールの軌道が形成されている。そして、ボールがこの軌道を転動することによって、ナットは、ねじ軸に対して相対的に直線移動する。すなわち、ねじ軸およびナットの螺旋溝がボール転動溝となっている。また、ナットの外側部には、循環通路が設けてある。
【０００３】
特に、高速、高負荷用途に使用されるボールねじには、ボール転動溝の形状にゴシックアーチ溝形状が多く用いられている。ゴシックアーチ溝形状とは、同じ半径の２個の円弧が、半径同士が交差するように中心位置をずらして、連結された形状である。ゴシックアーチ溝形状は、ボール転動溝とボールとの接触角が大きくとれることが特徴であり、通常、ボールとねじ軸側のボール転動溝との接触角（以下、ねじ軸側接触角と称す）と、ボールとナット側のボール転動溝との接触角（以下、ナット側接触角と称す）は、それぞれ４５°になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近時、市場でのボールねじの使用条件がさらに高速、高負荷化される中で、ボール表面の損傷が軽度であるにもかかわらず、ねじ軸あるいは、ナットのボール転動溝の表面に剥離が生じる場合があり、耐久性に関して改良の余地がある。
本発明は、このような点に着目してなされたものであって、高速、高負荷の使用に対しても耐久性を向上することができるボールねじを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、これらのボール転動溝で形成される軌道内に配置された複数のボールとを備えたボールねじにおいて、前記ボールと前記ねじ軸側の前記ボール転動溝との接触角であるねじ軸側接触角と、前記ボールと前記ナット側の前記ボール転動溝との接触角であるナット側接触角との間に、前記ねじ軸側接触角よりも前記ナット側接触角の方が小さくなるように、２°以上１０°以下の差を与えたことを特徴としている。
【０００６】
このボールねじによれば、ナットのボール転動溝にボールが接触した際に生じるＰＶ値を小さくすることができる。これにより、すべりによるボール転動溝表面の剥離の発生を抑えることができる。したがって、高負荷、高速で回転させた場合の寿命が長くなる。
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明であるボールねじにおいて、ボール同士の間に、両面に凹面部を有するリテーニングピースを介在させたことを特徴としている。
このボールねじによれば、リテーニングピースによってボールの競り合いが抑制されるので、さらに高負荷、高速で回転させた場合の寿命が長くなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるボールねじの構成を示す平面図であり、同図では、ナット２のみをナット２の軸線を含む面で切断した状態で示している。
このボールねじは、ねじ軸１とナット２とボール３とで主に構成されている。ねじ軸１の外周面には、螺旋状のボール転動溝４が形成され、ナット２の内周面に螺旋状のボール転動溝５が形成されている。
【０００８】
ナット２内にあるねじ軸１のボール転動溝４と、ナット２のボール転動溝５とで、ナット２内にボール３の軌道６が形成されている。ナット２の外周面には切欠部２１が形成され、この切欠部２１にチューブ状の循環通路８が配置されている。この循環通路８は、循環通路押え８１で切欠部２１に固定してある。ナット２の軸方向一端には、ナット２をテーブル等に固定するためのフランジ２２が設けてある。このフランジ２２とねじ軸１との間、および、ナット２の軸方向他端部とねじ軸１との間は、防塵用シール９で塞がれている。
【０００９】
また、本実施形態のボールねじは、全てのボール３同士の間に、リテーニングピース７が配置されている。このリテーニングピース７には、例えば特開２００１−１９３８１４号公報に開示されているものを用いる。これは、図２に示すように、円柱の両底面が凹面（ボール保持面）７１になっている形状である。この円柱の直径７ｄはボール３の直径よりも少し小さい。また、この凹面７１は、同じ曲率半径の２つの球面を合わせた面形状となっており、その断面がゴシックアーチ形状となっている。そして、この凹面７１は、ボール３の半径が凹面７１の半径より小さく、凹面７１の半径同士の交差位置がボール３の中心位置となるように形成されている。そのため、このリテーニングピース７の凹面７１とボール３は、線接触することができる。これにより、ボール３はリテーニングピース７の凹面７１に極めて低摩擦で接触することができるため、ボール３とリテーニングピース７のすべり抵抗を小さくすることができる。そのため、リテーニングピース７の循環性も良好となるとともに、ボール３同士のせりあいによる作動性の悪化やボール３の摩擦や損傷を著しく低減することができる。その結果、ボールねじの寿命が長くなる。
【００１０】
図３に図１のボールねじの正作動時のボールとボール転動溝との関係を示す要部断面図を示す。なお、図４は、図１のボールねじの逆作動時のボールとボール転動溝との関係を示す要部断面図である。
図３に示すように、この実施形態（後述する試験体組Ｂ１−Ｋ１）では、接触角の関係を、ねじ軸側接触角θ１を４５．６°に、ナット側接触角θ２を４０．７°に形成し、その差は、ねじ軸側接触角θ１よりもナット側接触角θ２を小さく（４．９°）してある。接触角の関係をこのように形成することによって、後述する実験結果が示すように、ナット２のボール転動溝４にボール３が接触した際に生じるＰＶ値（ＰＶｍａｘ）を小さくすることができる。これにより、すべりによるボール転動溝表面の剥離の発生を抑えることができる。したがって、高負荷、高速で回転させた場合の寿命が長くなる。
【００１１】
ボールねじは、図３にも示すように、ボール３とねじ軸１のボール転動溝４との接触点４ｂと、ボール３とナット２のボール転動溝５との接触点５ａ、５ｂは、その負荷状態によって接触する位置が変化する。これらの接触点は、グリース、あるいは潤滑油による油膜を介して、接触楕円と呼ばれる微少な面積の楕円状になり、ここには非常に高い面圧が生じる。また、ボールねじは、ボール転動溝４、５が螺旋状に連続しているために、理想的な転がり状態ではなく、ボール３には、すべりが生じている。この差動すべりが接触楕円に作用すると、理想的な転がり接触に比べて、転がり疲労によってボール転動溝４、５に異常組織が発生し易く、ボール転動溝４、５表面の剥離が生じる原因となる。なお、この異常組織は、金属組織中のセメンタイトに含まれる炭素の拡散を伴う組織で、白色組織と呼ばれているものと同様なものである。
【００１２】
また、ボールねじは、正作動ではナット２が荷重の作用方向に逆らって移動し、ボール３がねじ軸１のボール転動溝４に対して、荷重に逆らう方向に転動する。そのため、差動すべりは正作動方向において大きくなる。そこで、この試験をおこなうにあたって、正作動におけるねじ軸側接触角θ１とナット側接触角θ２の関係をシミュレーションした。結果を図５に示す。図５から、正作動における接触楕円に生じる面圧Ｐとすべり速度Ｖとの積であるＰＶ値（ＰＶｍａｘ）は、三点接触する各接触楕円４ｂ、５ａ、５ｂのうちナット２側の接触楕円５ｂで非常に大きくなっている。また、その値は、ナット側接触角θ２の変化に大きく依存し、特に４３°以上のときに急速に増大していることが判った。
【００１３】
そこで、ボールねじのナット側接触角θ２だけが異なる種々のボールねじを作製し、各ボールねじの寿命試験を行った。
まず、図１のボールねじとして、ボールねじ呼び番号「３６×１０−Ｃ５」（ねじ軸１の直径：３６ｍｍ、リード：１０ｍｍ、ボール３の直径：６．３５ｍｍ、回路数：２．５巻２列）を用意した。なお、ねじ軸１及びナット３には、ＳＣＭ４２０を浸炭焼き入れしたものを用いた。ボール３には、ＳＵＪ２製鋼球をもちいた。また、リテーニングピース７は、ナイロン製のものを使用した。
【００１４】
各ボールねじの寿命を調べるための試験体は、シミュレーションの結果から判断して、次のように用意した。
まず、ナット２の試験体は、ナット側接触角θ２を、ねじ軸側接触角θ１との角度差のねらい目を０°〜１２°の範囲に設定した。このナット２の試験体として１４種類（Ｈ１、Ｊ１、Ｋ１、Ｌ１、Ｍ１、Ｎ１、Ｑ１、Ｒ１、Ｓ１、Ｔ１、Ｕ１、Ｗ１、Ｘ１、Ｙ１）を用意した。また、ナット２に対応させるねじ軸１の試験体は、７種類（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１、Ｇ１）をそれぞれ２本ずつ、１４本を用意した。そして、これらを組み合わせたものを試験体組とした。この組み合わせは、例えば、ねじ軸１の試験体Ａ１とナット２の試験体Ｈ１とを組み合わせたものを試験体組Ａ１−Ｈ１と表記する（以下、他の試験体についても同様）。各試験体の測定データとその組み合わせを下記の表１に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
なお、表１では、Ａ１−Ｈ１〜Ｅ１−Ｔ１が本発明に基づく実施例、Ｆ１−Ｕ１〜Ｇ１−Ｙ１が比較例である。
また、リテーニングピース７による有意差の有無を判断するために、リテーニングピース７を介装しない場合について、上記のリテーニングピース７を介装した場合同様の比較試験を行った。すなわち、ナット２の試験体として１４種類（Ｈ２、Ｊ２、Ｋ２、Ｌ２、Ｍ２、Ｎ２、Ｑ２、Ｒ２、Ｓ２、Ｔ２、Ｕ２、Ｗ２、Ｘ２、Ｙ２）を用意した。また、ナット２に対応させるねじ軸１の試験体は、７種類（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２、Ｆ２、Ｇ２）をそれぞれ２本ずつ、１４本を用意した。そして、これらを組み合わせたものを試験体組とした。各試験体の測定データとその組み合わせを下記の表２に示す。
【００１７】
【表２】

【００１８】
なお、表２では、Ａ２−Ｈ２〜Ｅ２−Ｔ２が本発明に基づく実施例、Ｆ２−Ｕ２〜Ｇ２−Ｙ２が比較例である。
試験機は、ＮＳＫ（日本精工株式会社）製のボールねじ耐久寿命試験機を用いた。試験条件は、試験荷重：９０００Ｎ（アキシアル荷重）、回転速度：４５０ｒｐｍ、ストローク：６０ｍｍ、潤滑グリース：鉱油系グリースとした。
【００１９】
また、試験は、次の手順により行った。
まず、各ボールねじ試験体組を試験機にかけ、ねじ軸１のボール転動溝４に剥離が生じるまでの走行距離を測定する。寿命判定は、一定時間ごとに試験を停止して、ねじ軸１の剥離の有無を確認して、剥離が生じるまでの時間とした。
次に、この測定値の基準寿命に対する比（寿命比）を算出した。この寿命比は、ボール転動溝４、５の曲率半径が標準形状である試験体組Ｆ１−Ｗ１の寿命時間を基準（試験体組Ｆ１−Ｗ１を１．０）として表したものである。
【００２０】
表１および表２に示す試験体組による上記の試験結果から、ねじ軸側接触角とナット側接触角の接触角の差と寿命比の関係をプロットし、それらの関係をもとに５次曲線で近似して示したグラフ（図６のグラフＺ１、図７のグラフＺ２）を図６および図７にそれぞれ示す。
図６から判るように、標準形状である試験体組Ｆ１−Ｗ１に対して、ねじ軸側接触角θ１よりナット側接触角θ２を２°以上小さく設定して制作した試験体組Ａ１−Ｈ１、Ａ１−Ｊ１はそれぞれ約２倍、約２．７倍の寿命であった。同様に徐々に接触角の差を大きくしたところ約１．５倍から約２．８倍の寿命が得られたが、接触角の差が１０°を超えると寿命比は逆に悪化し、標準形状よりも低下した。
【００２１】
また、図７から判るように、リテーニングピース７を介装していない場合であっても、ねじ軸側接触角θ１よりナット側接触角θ２を２°以上１０°以下に設定して制作した試験体組Ａ２−Ｈ２〜Ｅ２−Ｔ２は、ねじ軸側接触角θ１よりナット側接触角θ２を２°未満である試験体組Ｆ２−Ｕ２、およびＦ２−Ｗ２、並びに接触角の差が１０°を超える試験体組Ｇ２−Ｘ２、およびＧ２−Ｙ２に対して、いずれも寿命が向上している。
【００２２】
この結果から、シミュレーションと試験から実際に得られた結果とは、よく一致しており、特に、ねじ軸側接触角θ１と、ナット側接触角θ２との間に、ねじ軸側接触角θ１よりもナット側接触角θ２の方が小さくなるように、２°以上１０°以下の差を与えた場合に顕著に寿命が延びていることが判る（２°以上１０°以下のラインを図６および図７にそれぞれ破線で示した。）。
【００２３】
また、図６および図７を比較して判るように、リテーニングピース７を介装させることによって、より寿命を向上させることができることが判る。
以上説明したように、このボールねじによれば、ナット２のボール転動溝５に生じるＰＶ値を小さくすることができる。したがって、すべりによるボール転動溝５の異常剥離の発生を抑えることができる。これにより、高負荷、高速で回転させた場合の寿命が長くなる。
また、リテーニングピース７によってボール３の競り合いが抑制されるので、さらに高負荷、高速で回転させた場合の寿命が長くなる。
【００２４】
なお、この実施形態では、ねじ軸側接触角θ１を固定して、ナット側接触角θ２を変化させて所望の関係を得ているが、本発明は、ねじ軸側接触角θ１とナット側接触角θ２の相対関係によって生じるものである。従って、ナット側接触角θ２を固定し、ねじ軸側接触角θ１を変化させてもよい。また、全てのボール３同士の間にリテーニングピース７を配置しているが、本発明のボールねじは、リテーニングピース７が全てのボール間に配置されているものに限定されない。その他の保持器や、小球を挟むなどの方法も可能である。また、本実施形態では、循環通路を用いた形式としているが、これに限定されるものではなく、循環させない方式や、他の形式の循環通路を用いてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、ナットのボール転動溝に生じるＰＶ値を小さくすることができる。そのため、ころがり疲労が低減する。したがって、ボール転動溝の異常剥離の発生を抑えることができる。これにより、高負荷、高速で回転させた場合の寿命が長くなる。
また、本発明は、ボール同士の間に、両面に凹面部を有するリテーニングピースを介在させたので、ボールの競り合いが抑制されるため、さらに寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるボールねじの一部破断平面図である。
【図２】図１のボールねじのリテーニングピースとボールとの関係を示す説明図である。
【図３】図１のボールねじの正作動時のボールとボール転動溝との関係を示す要部断面図である。
【図４】図１のボールねじの逆作動時のボールとボール転動溝との関係を示す要部断面図である。
【図５】接触角と接触点におけるＰＶ値（ＰＶｍａｘ）との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図６】表１の試験体組による試験結果を、ねじ軸側接触角とナット側接触角の接触角の差と寿命比の関係にて示したグラフである。
【図７】表２の試験体組による試験結果を、ねじ軸側接触角とナット側接触角の接触角の差と寿命比の関係にて示したグラフである。
【符号の説明】
１・・・ねじ軸
２・・・ナット
３・・・ボール
４・・・ねじ軸のボール転動溝
５・・・ナットのボール転動溝
θ１・・・ねじ軸側接触角
θ２・・・ナット側接触角
６・・・軌道
７・・・リテーニングピース（セパレータ）
８・・・循環通路
９・・・防塵用シール
２１・・・切欠部
２２・・・フランジ
７１・・・ボール保持面
８１・・・循環通路押え

Claims (2)

1. 外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、これらのボール転動溝で形成される軌道内に配置された複数のボールとを備えたボールねじにおいて、
   前記ボールと前記ねじ軸側の前記ボール転動溝との接触角であるねじ軸側接触角と、前記ボールと前記ナット側の前記ボール転動溝との接触角であるナット側接触角との間に、前記ねじ軸側接触角よりも前記ナット側接触角の方が小さくなるように、２°以上１０°以下の差を与えたことを特徴とするボールねじ。
2. 前記ボール同士の間に、両面に凹面部を有するリテーニングピースを介在させたことを特徴とする請求項１記載のボールねじ。

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