JP2004108395A - Ball screw - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の機器に使用されるボールねじに関する。
【0002】
【従来の技術】
ボールねじは、回転運動を直線運動に高効率で変換でき、また直線運動において精密な位置決めを実現できる装置として、工作機械のテーブル送り装置や、油圧,空圧アクチュエータの置き換え部品、自動車のステアリング装置等に使用されている。
ボールねじにおいて、精密な位置決めや高効率を実現するためには、安定した動トルク特性が要求される。この動トルクの変動は、ボールねじを駆動させるモータに負荷変動を生じさせることにより、効率の低下を招くと共に、モータの指令に対する溜まりパルスを増大させ、位置決め精度の劣化を招くことがある。
また自動車のパワーステアリング等に用いられるボールねじでは、フィーリング特性と呼ばれるドライバーが感じるハンドル操作時の作動特性が問題になる。この作動特性は、ボールねじを駆動するモータ出力が変動すると、その変動がハンドル部に伝わり、ドライバーに不快感,不安感を与えるため、作動変動が極力少ないボールねじが要求されている。
【0003】
ボールねじにおいて、安定した動トルクを妨げる要因の一つとして、ねじ軸とナットの転走面にあるボール間で発生する相対的なすべり現象による動トルク変動がある。この変動要因を改善したボールねじは、種々提案されている(例えば、特許文献1〜4)。
【0004】
【特許文献1】
特開昭56−116951号公報
【特許文献2】
特開2000−120825号公報
【特許文献3】
特開2000−199556号公報
【特許文献4】
特開平13−254802号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
これらの提案例は、いずれも、動トルクの上記変動要因の解消を図ったものであるが、試験と考察の結果、動トルクの変動要因は他にもあることが分かった。その要因の解消は上記いずれの提案例も図られていない。
すなわち、安定した動トルク特性を妨げる要因としては、次の2つがある。
▲1▼.ねじ軸とナットの転走面にあるボール間で発生する相対的なすべり現象による動トルク変動。
▲2▼.ボール循環部内でのボールの詰まり現象によるボール通過周期で発生する動トルク変動。
上記の要因▲2▼.に関するが、特に、ボールねじのねじ軸とナット間のミスアライメント等により、モーメント荷重、ラジアル荷重などの偏荷重が加わった時には、ボール循環部出入り口近傍のねじ軸とナットの転走面間が、よりボールを弾性変形させるように狭まることがあり、周期的な動トルク変動を生じ易かった。
【0006】
上記各提案例は、いずれも上記2つの要因▲1▼.▲2▼のうち、1つの要因▲1▼.の解消が可能であるが、上記他の要因▲2▼.については考慮されておらず、ボール循環部内でのボールの詰まり現象によるボール通過周期で発生する動トルク変動は抑えることができない。このため、ボールねじの位置決め精度、効率の向上と、駆動トルクの安定化につき、満足できるボールねじを得ることが難しいと考えられる。上記要因▲2▼.を改善する有効な案は、現在のところ、提案されていない。
【0007】
この発明の目的は、循環部内のボール詰まり現象に起因するボールねじのボール通過周期で発生する動トルク変動を抑えることのできるボールねじを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明のボールねじは、ねじ軸の外径面とこのねじ軸の外周に遊嵌するナットの内径面に、互いに対向するねじ溝が形成され、上記ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝の間で形成される転走路に複数のボールが介在し、上記ナットのねじ溝に両端が連通して上記転走路のボールを循環させる循環部をナットに有し、上記転走路および循環部によって周回経路が形成されたボールねじにおいて、次の構成としたことを特徴とする。すなわち、任意の動作状態で少なくとも一つの弾性体が上記循環部内に位置するように、ボール間に弾性体を介在させる。上記循環部内のボール、弾性体、および循環部の経路構成部品を含む循環部構成系における循環部一端のボールと他端のボールの間に作用するボール出入り方向の弾性のばね定数を0.4N/mm〜180N/mmの範囲とする。
このばね定数のより好ましい範囲は、5N/mm〜100N/mmの範囲であり、さらに好ましくは、15N/mm〜40N/mmである。
この発明は、駆動トルクの周期的な変動が生じる要因,理由を考察し、この変動を抑えるための適正なばね定数を見極めて設定したものである。循環部内の挙動を考えると、循環部内の最先のボールが、後ろのボールで押されて転走路に出たときに、ねじ軸とナットのねじ溝転走面間に挟まれることで外部負荷を受け、押し出しの抵抗となるため、循環部内にボール詰まり力が発生する。この詰まり力は、循環部内のボール間に介在した弾性体が弾性変形することで解消され、ボール詰まり現象が防止される。この場合に、詰まり力の解消が良好に行われるか否かは、循環部全体としての弾性変形の生じ易さが影響することが分かった。試験によると、循環部全体のばね定数が、0.4N/mm〜180N/mmの範囲であれば、ボール詰まりが解消され、ボール通過周期で発生する動トルク変動が抑えられることが分かった。このばね定数が180N/mmを超えると、弾性変形が生じ難く、動トルク変動を弾性変形で抑えることが不十分となる。また、ばね定数が0.4N/mm未満であると、弾性体としての機能が得られず、動トルク変動を抑えることが不十分となる。
【0009】
上記循環部全体のばね定数は、循環部内のボール、弾性体、および循環部の経路構成部品を含む循環部構成系におけるばね定数であり、かつ循環部一端のボールと他端のボールの間に作用するボール出入り方向の弾性のばね定数である。このばね定数は、循環部の長さに応じて循環部構成系の全体のばね定数が上記の範囲内になるように設定する。
なお、循環部の経路構成部品を剛体とみなすことできる場合は、上記ばね定数の範囲は、循環部内の弾性体とボールの系で構成されるばね定数の範囲となる。経路構成部品が、経路断面や、経路の曲がり、伸び縮みに実質上影響する弾性を持つ場合は、経路構成部品の弾性変形を無視することはできない。
【0010】
上記弾性体は、各ボール間に全て介在させても良い。すなわち、1個のボールに対して1個の割り合いで介在させても良い。また、弾性体は、複数個のボールに対して1個の割合でボール間に介在させても良い。各ボール間に全て弾性体を介在させた場合は、弾性体がボール間の摩擦を軽減する手段を兼用できる。複数個のボールに対して1個の割合とした場合は、全てに介在させる場合に比べて、周回経路中の弾性体の占める長さを短くできるため、負荷を受けるボールの個数を多くでき、負荷容量を大きくできる。
【0011】
上記弾性体の形状は、例えば略円板状、リング状、またはボール状とする。弾性体の外径は、ボールよりも小さいものとする。弾性体を略円板状、リング状、またはボール状とした場合は、弾性体が循環部等で経路内面に引っ掛かることが防止される。特に、ボール状とした場合は、倒れによる詰まりの恐れがない。略円板状ないしリング状とした場合は、弾性体が薄くなるため、弾性体の介在によって、負荷を受けるボールの配列個数が減ることが緩和され、負荷容量の低減を低く抑えることができる。
【0012】
上記弾性体の材質は、例えば熱可塑性エラストマーとする。熱可塑性エラストマーとすると、ばね定数を上記の0.4N/mm〜180N/mmの範囲に設定することが容易である。
【0013】
【発明の実施の形態】
この発明の第1の実施形態を図1ないし図3と共に説明する。このボールねじは、ねじ軸1の外径面と、このねじ軸1の外周に遊嵌するナット2の内径面に、互いに対応するねじ溝4,5が形成され、両ねじ溝4,5の間で形成される螺旋状の転走路6に複数のボール3が介在している。ナット2は、ねじ溝5に両端が連通して転走路6のボール3を循環させる循環部7を有し、転走路6および循環部7によって周回経路8が形成されている。周回経路8は、ねじ溝4,5の螺旋の1周分であっても、複数周分であっても良く、この実施形態では複数周分とされている。また、周回経路8は、一つのボールねじにおいて一つであっても、複数であっても良い。この実施形態では、ナット2に循環部7を2つ設け、2つの周回経路8を形成している。循環部7は、ナット2に取付けられたリターンチューブよりなる経路構成部品10により形成されている。
【0014】
この構成のボールねじにおいて、隣合うボール3の間に弾性体9を介在させてある。弾性体9は、このボールねじの任意の動作状態で少なくとも一つの弾性体9が循環部7内に位置するように配置する。すなわち、どのような動作状態になっても、常に循環部7内に最低1個の弾性体9が存在するようにする。弾性体9は、複数個のボール3に対して1個の割合でボール3間に介在させても良く、また全てのボール3間に介在させても良い。この実施形態では、図2のように複数個のボール3に対して1個の割合で弾性体9を介在させてある。同図のように、循環部7内に、常に複数個(例えば3〜5個)の弾性体9が介在するようにしても良い。なお、図2において、弾性体9に付したハッチングは、配置を見易くするためであり、断面を示すものではない。
弾性体9のばね定数は、循環部7の経路全体において、次の範囲になるものとする。すなわち、循環部7内のボール3、弾性体9、および循環部7の経路構成部品10を含む循環部構成系Sにおける循環部7の一端のボール3A と他端のボール3B の間に作用するボール出入り方向の弾性のばね定数を、0.4N/mm〜180N/mmの範囲に設定する。例えば、図12のように、循環部7の他端を閉じ、一端のボール3A に荷重付与手段(図示せず)で押し込み力を与えた状態で循環部7内のばね定数を計測した場合の値が、上記範囲になるように設定する。ボール3A に作用する荷重は、ロードセル16で計測し、ボール3A の変位はダイヤルゲージ15で計測する。
【0015】
循環部構成系Sのばね定数は、循環部7の経路構成部品10を剛体とみなすことができる場合は、循環部7内の各弾性体9とボール3の系のばね定数となる。経路構成部品10が経路内の断面積等に影響を与える弾性を持つ場合は、経路構成部品10の弾性変形も上記ばね定数に影響する。また、このばね定数は、循環部7の長さに応じて、循環部構成系Sの全体のばね定数が上記の範囲内になるように設定する。
弾性体9の形状は、この実施形態では略円板状でかつリング状としてあるが、この他にボール状など、各種の形状とできる。ただし、弾性体9の外径は、ボール3の外径よりも小さくする。弾性体9の具体的形状は、後に説明する。弾性体9の材質は、例えば熱可塑性エラストマーであり、ポリエステル系エラストマー等が用いられる。
【0016】
上記構成のボールねじの作用,効果を、従来のボールねじと比較して試験,検証した結果と共に説明する。
図14に試験装置を示す。この試験装置は、試験対象となるボールねじAのナット2をナット回転止め31に止め付け、ねじ軸1をモータ32で回転させてナット2の動トルク等を測定するものである。モータ32の出力軸は、ブラケット33に軸受(図示せず)を介して回転自在に支持された駆動軸34にカップリング35を介して連結され、駆動軸34にフランジ36で結合されたボールねじ固定ブッシュ37に、ボールねじAのねじ軸1の一端が連結固定される。ねじ軸1の他端は他のブラケット38により回転自在に支持される。ナット回転止め31には歪みゲージ39が貼り付けてあり、ナット2に作用する動トルクは、ナット回転止め31の歪みにより、歪みゲージ39を介して検出される。歪みゲージ39の出力は、ブリッジボックスおよびアンプ(いずれも図示せず)を介して取り出し、レコーダ42で記録する。また、ボールねじAのリターンチューブからなる経路構成部品10に歪みゲージ43を貼付け、経路構成部品10であるチューブに発生した応力を、レコーダ42で電圧値により検出するようにしてある。チューブの歪みゲージ43は、図15(A),(B)に拡大して示すように取付ける。チューブからなる経路構成部品10は、図1では図示を省略したが、固定部品11でナット2に固定されている。
【0017】
上記試験装置を用い、従来のボールねじにおけるボールの詰まり現象に起因する動トルク変動を測定した結果を、図16に示す。同図(A)は、ボール間に間座や弾性体等の介在物を何も介在させない通常のボールねじ(総ボール仕様)の場合を示す。同図(B)はボール間にスペーサボールを介在させた場合を、同図(C)はボール間に樹脂製の間座を介在させた場合をそれぞれ示す。同図(A)から分かるように、通常の総ボール仕様のボールねじの場合、動トルクの変動はボール通過周期と一致している。スペーサボールを使用しても( 図16(B)) 、また樹脂で形成した間座をボール間に挿入しても(図16(B))、改善されることはなかった。
図16(A)は、動トルク変動と共に、チューブ歪み量の測定結果を示す。これより、動トルク変動はチューブに発生する応力およびボールの通過周期と同期していることが分かる。これにより、動トルクの増大時にチューブ内でボールが詰まっていることが確かめられた。
【0018】
この測定結果から、図17と共にボールの詰まり現象を説明する。転走路6にあるボール3は、外部負荷を受けているため弾性変形した状態にある。一方、循環部7にあるボール3は外部負荷を受けないので、変形していない状態にある。循環部7内のボール3は後ろから来たボール3に押し出されない限り、転走路6に入ることは無い。
したがって、ボール3が循環部7から転走路6に入り、その転走面に沿って公転するためには、次の3段階の過程が必要である。
▲1▼.後ろから来たボール3に押し出される。(図17(A))。
▲2▼.押し出されたボール3は、軸,ナットのねじ溝転走面間に挟まれることで、外部負荷を受け、弾性変形する。(図17(B))。
▲3▼.弾性変形したボールは、回転している転走面から自転力をもらい、自ら転走面に沿って公転する。(図17(C))。
【0019】
ここで、転走路6に入ろうとするボールA(3)は、上記▲1▼から▲2▼の間では、自らは動かない。しかし、▲2▼のように後ろから来たボールB(3)は、このボールAを押し出そうとするため、循環部7内でボール詰まりが発生する。続いて、▲3▼では、転走路6に入ったボールは自転を始めるため、ボール詰まりが開放される。上記現象が、連続的に発生するために、ボール通過周期で動トルク変動が発生する。
特に、ボールねじのねじ軸1,ナット2間にミスアライメント等によりモーメント荷重、ラジアル荷重等の偏荷重が加わった時には、ボール循環部7の出入り口近傍のねじ軸,ナット転走面がよりボール3を弾性変形させるように狭まることがあるため、周期的な動トルク変動も発生しやすかった、という事実に対しても理解ができる。
【0020】
したがって、ボール通過周期で発生する動トルク変動は、スペーサボールや間座を負荷ボール間に挿入して、転走面内の隣り合うボール同士の摩擦を解消することで解決することはできない。つまり、ボールが外部負荷を受けている転走面内での改善では効果が現れないことが分かった。
【0021】
以上の結果より、外部負荷によりボール3が弾性変形していない領域で上記ボール詰まり力を解消する方法の一例として、ねじ軸、ナット転走面を除く循環部7内のボール3間に弾性体9を挿入し、循環部7で発生するボール詰まり力を解消する手段を評価した。
その基本構造と測定結果を図18,図19に示す。この基本構造は、循環部7内でボール3間に弾性体9として一つの自由長Lのコイルばねを介在させたものであり、弾性体9が循環部7から脱しない範囲でボールねじを駆動した。その場合の挙動を示す。
▲1▼’.ボールA(3)は後ろから来たボールB(3)に押し出される。(図18(A))。
▲2▼’.押し出されたボールA(3)は、ねじ軸1、ナット2のねじ溝転走面間に挟まれることで、外部負荷を受けて弾性変形する。この時、循環部7内にボール詰まり力が発生するが、ボール3間に挿入した弾性体9( ここでは自由長Lのコイルばね) が弾性変位することで、このボール詰まり力を解消する。(L’<L)(図18(B))。
▲3▼’.弾性変形したボールA(3)は、回転している転走面から自転力をもらい、自ら転走面に沿って公転する。このボールA(3)の移動により、▲2▼’で弾性変位していたコイルばね(弾性体9)は元の長さLに戻る。(図18(C))。
【0022】
図19に示すように、循環部7内にこの構造を用いたボールねじでは、ボール通過周期で動トルク変動が発生しないことが確認され、上記考えが正しいことが分かった。 以上の結果より、ボール循環部7内で発生するボール詰まりを解消させるために、ボール3間に弾性体9を設けることで、ボール詰まりに起因するボール通過周期で発生する動トルク変動を抑えたボールねじが得られることが分かる。
この構造は循環部7を有する、全てのボールねじに適用可能であり、その循環方式は問わない。また、前述したスペーサボールを用いたボールねじにも適用可能である。
【0023】
つぎに、図3に示すような円板状の弾性体9を、循環部7内のボール3間に挿入したボールねじで、前述同様に評価した。また、ボール3間に挿入する弾性体7の割合を変えた場合も行った。その結果を図20,図21に示す。
この結果によると、上記の略円板状の弾性体9を介在させた構造においても、ボール通過周期で発生する動トルク変動はない。このことから、上記基本構造と同様に、ボール3間に弾性体9を介在させる構造が、基本性能を満足できることを確認した。
例えば、ナット2の往復動作が非常に短い揺動運転下、つまりボール3がほとんど公転せず、循環部7内に必ず弾性体9が配置されるのであれば、基本構造と様に、この弾性体9の配置は1個でも機能を満足することができる。
また、ボールねじの運転状態においては、ナット2を長い距離を移動させた後に、ある箇所で上記のような揺動運転をするような場合もある。
この場合は、弾性体9が循環部7内に必ず1 個以上介在するような割合で、ボールねじに内蔵されるボール3間に挿入することで、上記機能を満足することができる。
この構造において、弾性体が転走面内に入った場合、図4(B)に示すようにボール3同士が直接接触しても機能的には何ら問題ない。
【0024】
次に、循環部7内で必要とされる弾性量を把握する目的で、循環部7内のボール3間に介在させる弾性体9の割合を変更して、複数のボール3および弾性体9で構成された、循環部全体の系Sにおけるばね定数を測定した。また、材質も変更して同様に測定した。その測定概略と測定結果を図13に示す。
これより、弾性体9の介在個数や材質が種々変わっても、循環部7内の複数のボール3と挿入する弾性体9を含めた循環部内全体の系Sのばね定数が0.4N/mm〜180N/mmであれば、ボール間隔周期で発生する動トルク変動が抑えられることが分かった。
【0025】
なお、ここで用いた弾性体9はポリエステル系エラストマー材であるが、熱可塑性エラストマーであって、スチレン系、オレフィン系、ポリウレタン系、塩ビ系、ポリアミド系など成形性の良い材質であれば、上記ばね定数を満足することは可能であり、これらを用いても良い。
ボール3間に挿入する弾性体9は、上記循環部全体の系Sのばね定数を満足するのであれば、弾性体9の形状、材質は問わない。
また、ボールねじの仕様、循環方式によっては、循環部の長さが異なるため、循環部内に配列されるボール個数が異なってくるが、ボール3間に介在させる弾性体9の材質や弾性体9の個数を調整することで、上記ばね定数を実現させることができる。
【0026】
つぎに、ボール3間に介在させる弾性体9の各種の具体例を説明する。図3の例では、弾性体9は略円板形とし、その両側のボール接触面9aを凹面形状としている。また、弾性体9は、中央孔9bを有する有端のリング状とされている。弾性体9の両側のボール接触面9aは、互いに中心角度の異なる円すい面からなる接触面内径部9aaと接触部外径部9abとを繋いだ複合円すい面形状としてある。詳しくは、接触面内径部9aaは、ボール接触部として、同図(C)のように、略ボール径Rに等しい径の球面部9acを有する形状としてある。
弾性体9は、略円板形とする場合に、両側のボール接触面9aを、上記のような複合円すい面形状とする代わりに、単一の円すい面形状や、ボール径よりも若干大径の球面形状としても良い。また、両側のボール接触面9aを、曲率中心の異なる2つの円弧で構成されるゴシックアーチ状の断面形状としても良い。
【0027】
弾性体9を上記孔付きの略円板状とするなど、リング状とする場合に、弾性体9の形状は、図4(A)のように、両側のボール3が互いに接触しない形状にすることが好ましい。ボール3が転走路6にあるときは、図4(B)のように弾性体9の両側のボール3が互いに接する形状であっても影響は少ないが、循環部7内にあるときは、同図(A)のように両側のボール3が互いに接触しないようにすることが、円滑な動作を得るために好ましい。
【0028】
また、弾性体9は、必ずしもその全体が弾性を有するものでなくても良く、ボール3間に介在して、ボール並び方向に対する弾性を有するものであれば良い。例えば、弾性体9は、図5の例のように中間部材9Aを両側のボール接触部材9Bで挟み込んだ複合形状のものとし、中間部材9Aの部分だけが弾性を有するものとしても良い。このような複合形状のものとすると、両側のボール接触部材9Bに低摩擦係数のものや、耐摩耗性の良いものを選択することができる。
弾性体9を有端のリング状とする場合に、ばね座金状のものとしても良い。例えば、図6のように両端9d,9eが互いに軸方向にずれ、そのずれが挟み代δとなるであっても良い。また、図7のように、両端9d,9e間の周方隙間dが撓み代となるものであっても良い。
図8のように、弾性体9はボール形状であっても良い。
【0029】
また、上記実施形態は、循環部7をリターンチューブ形式としたが、この発明は、上記リターンチューブを代表とする外部循環方式の他に、内部循環方式としても良く、ボール循環形式に関係なく適用することができる。外部循環方式は、ナット2の本体の外部でボール3を循環させる方式であり、上記リターンチューブ式の他に、図9に示すようにガイドプレート25に循環部7を形成したガイドプレート式がある。内部循環方式は、ナット2の本体の内部でボール3を循環させる方式であり、代表例として、図10に示すように循環部7をこま26で形成したこま式や、図11に示すように循環部7をエンドキャップ27で形成したエンドキャップ式がある。これらの各循環形式においても、この発明を適用することができる。
【0030】
なお、この発明において複数個のボール3毎に弾性体9を介在させる場合に、他のボール間の部分に、弾性を有しないスペーサボールや間座等の介在部材を介在させても良い。この介在部材は、転走路6におけるボール間摩擦の低減に用いられる。
また、この発明は、循環部7内の弾性体9を介在させるが、弾性体9を介在させなくても、循環部7の経路構成部品10や、この経路構成部品10を固定する部品を含めた系のどこかにばね性を持たせることによっても、循環部7内で発生するボール詰まり力を解消することが可能である。
【0031】
【発明の効果】
この発明のボールねじは、任意の動作状態で少なくとも一つの弾性体が循環部内に位置するように、ボール間に弾性体を介在させ、上記循環部内のボール、弾性体、および循環部の経路構成部品を含む循環部構成系における循環部一端のボールと他端のボールの間に作用するボール出入り方向の弾性のばね定数を0.4N/mm〜180N/mmの範囲としたため、循環部内のボール詰まり現象に起因するボールねじのボール通過周期で発生する動トルク変動を抑えることができる。このため、ボールねじの位置決め精度,効率が向上し、駆動トルクが安定する。また、このボールねじを電動パワーステアリングに代表される自動車用ボールねじに適用した場合は、周期的な動トルク変動に伴うフィーリング特性等と呼ばれる作動特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態にかかるボールねじの破断側面図である。
【図2】同ボールねじを斜めに破断した横断面図である。
【図3】(A)はその弾性体の断面とボールとの関係を示す説明図、(B)は弾性体の断面図、(C)は同図(A)のC部の拡大図である。
【図4】弾性体の各種変形例とボールの関係を示す説明図である。
【図5】弾性体の他の変形例を示す正面図および断面図である。
【図6】弾性体のさらに他の変形例を示す正面図および側面図である。
【図7】弾性体のさらに他の変形例を示す正面図,側面図,および隙間開き状態の正面図である。
【図8】弾性体のさらに他の変形例とボールの関係を示す説明図である。
【図9】この発明の他の実施形態にかかるボールねじの横断面図である。
【図10】この発明のさらに他の実施形態にかかるボールねじの破断斜視図である。
【図11】この発明のさらに他の実施形態にかかるボールねじの断面図である。
【図12】ばね定数の測定試験装置を示す説明図である。
【図13】ボールねじにおける循環部構成系の剛性値(ばね定数)と各種材質,弾性体個数の場合における動トルク変化の良否を示す試験結果のグラフである。
【図14】ボールねじの動トルク等の測定装置の説明図である。
【図15】(A)は図14のXV部分を拡大して下側から示す図、(B)はその一部をさらに拡大した図である。
【図16】(A)〜(C)は、それぞれ通常のボールねじ、スペーサボール使用の例、樹脂製ナットの使用の例における動トルクの試験結果を示すグラフである。
【図17】従来のボールねじの詰まり作用の説明図である。
【図18】実施形態にかかるボールねじの詰まり解消作用の説明図である。
【図19】その動トルクの測定結果のグラフである。
【図20】(A)はこの発明のさらに他の実施形態にかかるボールねじの断面図、(B)はその動トルクの試験結果の説明図である。
【図21】(A)はこの発明のさらに他の実施形態にかかるボールねじの断面図、(B)はその動トルクの試験結果の説明図である。
【符号の説明】
1…ねじ軸
2…ナット
3…ボール
4,5…ねじ溝
6…転走路
7…循環部
8…周回経路
9…弾性体
A…ボールねじ
S…循環部構成系[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ball screw used for various devices.
[0002]
[Prior art]
Ball screws are devices that can convert rotary motion into linear motion with high efficiency, and realize precise positioning in linear motion. Table screws for machine tools, replacement parts for hydraulic and pneumatic actuators, steering devices for automobiles Etc. are used.
Ball screws require stable dynamic torque characteristics in order to achieve precise positioning and high efficiency. This fluctuation of the dynamic torque causes a load fluctuation in the motor driving the ball screw, thereby lowering the efficiency and increasing the number of accumulated pulses in response to the motor command, thereby deteriorating the positioning accuracy.
Further, in the case of a ball screw used for a power steering of an automobile, an operating characteristic at the time of operating a steering wheel, which is felt by a driver, is called a feeling characteristic. With respect to the operating characteristics, when the output of the motor for driving the ball screw changes, the change is transmitted to the handle portion, giving the driver a feeling of discomfort and anxiety. Therefore, a ball screw with as small an operating change as possible is required.
[0003]
One of the factors that hinder stable dynamic torque in a ball screw is dynamic torque fluctuation due to a relative slip phenomenon that occurs between balls on a rolling surface of a screw shaft and a nut. Various ball screws have been proposed in which the variation factor is improved (for example,
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-56-116951
[Patent Document 2]
JP 2000-120825 A
[Patent Document 3]
JP 2000-199556 A
[Patent Document 4]
JP-A-13-254802
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Each of these proposals aims to eliminate the above-mentioned fluctuation factors of dynamic torque, but as a result of tests and considerations, it has been found that there are other fluctuation factors of dynamic torque. Neither of the above proposals has attempted to eliminate the cause.
That is, the following two factors hinder stable dynamic torque characteristics.
▲ 1 ▼. Dynamic torque fluctuation due to relative slip phenomenon occurring between balls on the rolling surface of the screw shaft and nut.
▲ 2 ▼. Dynamic torque fluctuation generated in the ball passage cycle due to the ball clogging phenomenon in the ball circulation section.
The above factors (2). In particular, when an eccentric load such as a moment load or a radial load is applied due to misalignment between the screw shaft of the ball screw and the nut, etc. In some cases, the ball narrowed so as to cause the ball to be elastically deformed, and periodic dynamic torque fluctuation was likely to occur.
[0006]
Each of the above proposed examples has the above two factors (1). One of the factors out of (2) [1]. Can be eliminated, but other factors (2). Is not taken into consideration, and dynamic torque fluctuations that occur in the ball passage cycle due to the ball clogging phenomenon in the ball circulation section cannot be suppressed. Therefore, it is considered that it is difficult to obtain a satisfactory ball screw with respect to the improvement of the positioning accuracy and efficiency of the ball screw and the stabilization of the driving torque. The above factors (2). No effective plan to improve this has been proposed at present.
[0007]
An object of the present invention is to provide a ball screw capable of suppressing dynamic torque fluctuation generated in a ball passage cycle of a ball screw caused by a ball clogging phenomenon in a circulation portion.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the ball screw of the present invention, mutually facing screw grooves are formed on an outer diameter surface of a screw shaft and an inner diameter surface of a nut loosely fitted on the outer periphery of the screw shaft, and a screw groove of the screw shaft and a screw groove of the nut are formed. A plurality of balls are interposed in the rolling path formed between the nuts, and the nut has a circulating portion for circulating the balls of the rolling path with both ends communicating with the screw grooves of the nut, and the circulating portion is circulated by the rolling path and the circulating portion. The ball screw having the path formed has the following configuration. That is, the elastic body is interposed between the balls so that at least one elastic body is located in the circulating portion in an arbitrary operation state. In the circulating unit configuration system including the ball in the circulating unit, the elastic body, and the path component of the circulating unit, the spring constant of the ball in and out direction acting between the ball at one end of the circulating unit and the ball at the other end is 0.4 N / Mm to 180 N / mm.
A more preferable range of the spring constant is in a range of 5 N / mm to 100 N / mm, and further preferably, 15 N / mm to 40 N / mm.
The present invention considers the causes and reasons for the periodic fluctuation of the driving torque, and determines and sets an appropriate spring constant for suppressing the fluctuation. Considering the behavior in the circulation section, when the first ball in the circulation section is pushed by the back ball and comes out on the rolling path, it is caught between the screw shaft and the thread groove rolling surface of the nut, and the external load is As a result, the resistance of the extrusion is generated, so that a ball clogging force is generated in the circulation portion. This clogging force is eliminated by the elastic deformation of the elastic body interposed between the balls in the circulation portion, and the ball clogging phenomenon is prevented. In this case, it was found that whether or not the elimination of the clogging force is satisfactorily performed depends on the ease of elastic deformation of the entire circulating portion. According to the test, when the spring constant of the entire circulating portion is in the range of 0.4 N / mm to 180 N / mm, it is found that the ball clogging is eliminated and the dynamic torque fluctuation generated in the ball passage cycle is suppressed. If this spring constant exceeds 180 N / mm, elastic deformation is unlikely to occur, and it is insufficient to suppress dynamic torque fluctuation by elastic deformation. On the other hand, if the spring constant is less than 0.4 N / mm, the function as the elastic body cannot be obtained, and it becomes insufficient to suppress the dynamic torque fluctuation.
[0009]
The spring constant of the entire circulating portion is a spring constant in the circulating portion constituting system including the ball in the circulating portion, the elastic body, and the path component of the circulating portion, and between the ball at one end of the circulating portion and the ball at the other end. It is the spring constant of the elasticity of the acting ball in and out direction. The spring constant is set according to the length of the circulating portion so that the entire spring constant of the circulating portion constituting system is within the above range.
When the path component of the circulating unit can be regarded as a rigid body, the range of the above-mentioned spring constant is the range of the spring constant constituted by the system of the elastic body and the ball in the circulating unit. If the path component has an elasticity that substantially affects the path cross section, the path bending, and the expansion / contraction, the elastic deformation of the path component cannot be ignored.
[0010]
The elastic body may be entirely interposed between the balls. That is, one ball may be interposed at one ratio. The elastic body may be interposed between the balls at a ratio of one to the plurality of balls. When all the elastic bodies are interposed between the balls, the elastic bodies can also serve as means for reducing the friction between the balls. When the ratio is one for a plurality of balls, the length occupied by the elastic body in the orbital path can be reduced as compared with the case where all the balls are interposed, so that the number of balls to be loaded can be increased, Load capacity can be increased.
[0011]
The shape of the elastic body is, for example, a substantially disk shape, a ring shape, or a ball shape. The outer diameter of the elastic body is smaller than the ball. When the elastic body has a substantially disk shape, ring shape, or ball shape, it is prevented that the elastic body is caught on the inner surface of the path by the circulation portion or the like. In particular, in the case of a ball shape, there is no risk of clogging due to falling. In the case of a substantially disk-like or ring-like shape, the elastic body becomes thin, so that the interposition of the elastic body can reduce the decrease in the number of balls that receive a load, thereby reducing the load capacity.
[0012]
The material of the elastic body is, for example, a thermoplastic elastomer. When the thermoplastic elastomer is used, it is easy to set the spring constant in the range of 0.4 N / mm to 180 N / mm.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the ball screw,
[0014]
In the ball screw having this configuration, an
The spring constant of the
[0015]
When the
In this embodiment, the shape of the
[0016]
The operation and effect of the ball screw having the above configuration will be described together with the results of tests and verifications in comparison with the conventional ball screw.
FIG. 14 shows a test apparatus. In this test apparatus, a
[0017]
FIG. 16 shows a result of measuring dynamic torque fluctuation caused by a ball clogging phenomenon in a conventional ball screw using the above-described test apparatus. FIG. 1A shows a case of a normal ball screw (all ball specification) in which no inclusions such as spacers and elastic bodies are interposed between the balls. FIG. 2B shows a case where a spacer ball is interposed between the balls, and FIG. 2C shows a case where a resin spacer is interposed between the balls. As can be seen from FIG. 9A, in the case of a normal ball screw having a total ball specification, the fluctuation of the dynamic torque coincides with the ball passage period. Even if a spacer ball was used (FIG. 16 (B)) or a spacer formed of resin was inserted between the balls (FIG. 16 (B)), no improvement was obtained.
FIG. 16A shows the measurement results of the tube distortion amount together with the dynamic torque fluctuation. This indicates that the dynamic torque fluctuation is synchronized with the stress generated in the tube and the passage period of the ball. This confirmed that the ball was clogged in the tube when the dynamic torque was increased.
[0018]
The ball clogging phenomenon will be described based on the measurement results with reference to FIG. The
Therefore, in order for the
▲ 1 ▼. It is pushed out by the
▲ 2 ▼. The pushed
(3). The elastically deformed ball receives rotation from the rotating rolling surface and revolves along the rolling surface. (FIG. 17C).
[0019]
Here, the ball A (3) trying to enter the rolling
In particular, when an eccentric load such as a moment load or a radial load is applied between the
[0020]
Therefore, the dynamic torque fluctuation generated in the ball passing cycle cannot be solved by inserting spacer balls or spacers between the load balls and eliminating friction between adjacent balls on the rolling surface. That is, it was found that the effect was not exhibited by the improvement in the rolling surface where the ball was subjected to the external load.
[0021]
From the above results, as an example of a method for eliminating the above-mentioned ball clogging force in a region where the
The basic structure and the measurement results are shown in FIGS. This basic structure is such that one coil spring having a free length L is interposed between the
{1 ▼ '. Ball A (3) is pushed out by ball B (3) coming from behind. (FIG. 18A).
(2) '. The extruded ball A (3) is elastically deformed by receiving an external load by being sandwiched between the screw shaft rolling surfaces of the
(3) '. The elastically deformed ball A (3) receives a rotation force from the rotating rolling surface and revolves along the rolling surface by itself. Due to the movement of the ball A (3), the coil spring (elastic body 9) elastically displaced in (2) 'returns to the original length L. (FIG. 18C).
[0022]
As shown in FIG. 19, in the ball screw using this structure in the
This structure is applicable to all ball screws having the circulating
[0023]
Next, the disk-shaped
According to this result, even in the structure in which the above-mentioned substantially disk-shaped
For example, if the reciprocating operation of the
Further, in the operating state of the ball screw, after the
In this case, the above function can be satisfied by inserting the
In this structure, when the elastic body enters the rolling surface, there is no functional problem even if the
[0024]
Next, for the purpose of grasping the amount of elasticity required in the circulating
Thus, even if the number of interposed
[0025]
The
The shape and material of the
In addition, the length of the circulating portion differs depending on the specifications of the ball screw and the circulating method, so that the number of balls arranged in the circulating portion differs. The above spring constant can be realized by adjusting the number of.
[0026]
Next, various specific examples of the
When the
[0027]
When the
[0028]
Further, the
When the
As shown in FIG. 8, the
[0029]
In the above-described embodiment, the
[0030]
In the present invention, when the
Further, in the present invention, the
[0031]
【The invention's effect】
The ball screw according to the present invention includes an elastic body interposed between the balls so that at least one elastic body is located in the circulating portion in an arbitrary operation state, and a path configuration of the ball, the elastic body, and the circulating portion in the circulating portion. Since the spring constant of the elasticity acting between the ball at one end and the ball at the other end of the circulating portion in the circulating portion configuration system including the components is set in the range of 0.4 N / mm to 180 N / mm, the balls in the circulating portion Fluctuations in dynamic torque that occur in the ball passing cycle of the ball screw due to the clogging phenomenon can be suppressed. Therefore, the positioning accuracy and efficiency of the ball screw are improved, and the driving torque is stabilized. Further, when this ball screw is applied to a ball screw for an automobile typified by an electric power steering, an operation characteristic called a feeling characteristic accompanying a periodic dynamic torque fluctuation is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway side view of a ball screw according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the ball screw obliquely broken.
3A is an explanatory view showing a relationship between a cross section of the elastic body and a ball, FIG. 3B is a cross-sectional view of the elastic body, and FIG. 3C is an enlarged view of a portion C in FIG. .
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between various modified examples of an elastic body and balls.
FIG. 5 is a front view and a sectional view showing another modification of the elastic body.
FIG. 6 is a front view and a side view showing still another modified example of the elastic body.
FIG. 7 is a front view, a side view, and a front view showing a further modified example of the elastic body in a state where a gap is opened.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between a ball and a further modification of the elastic body.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a ball screw according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cutaway perspective view of a ball screw according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view of a ball screw according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an explanatory view showing a test apparatus for measuring a spring constant.
FIG. 13 is a graph of test results showing the stiffness value (spring constant) of the circulating portion constituting system of the ball screw and the quality of dynamic torque change in the case of various materials and the number of elastic bodies.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a measuring device for measuring a dynamic torque or the like of a ball screw.
15 (A) is a view showing the XV portion of FIG. 14 in an enlarged manner from below, and FIG. 15 (B) is a diagram further showing a part thereof.
FIGS. 16A to 16C are graphs showing test results of dynamic torque in a case where a normal ball screw and a spacer ball are used and a case where a resin nut is used, respectively.
FIG. 17 is an explanatory view of a conventional ball screw clogging operation.
FIG. 18 is an explanatory diagram of a ball screw clogging eliminating operation according to the embodiment.
FIG. 19 is a graph of a measurement result of the dynamic torque.
FIG. 20A is a cross-sectional view of a ball screw according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 20B is an explanatory diagram of a test result of dynamic torque thereof.
FIG. 21 (A) is a sectional view of a ball screw according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 21 (B) is an explanatory diagram of a test result of dynamic torque thereof.
[Explanation of symbols]
1: Screw shaft
2 ... nut
3. Ball
4,5 ... thread groove
6 ... Rolling path
7. Circulation section
8 orbiting route
9 ... elastic body
A: Ball screw
S… Circulation system
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- 2002-09-13 JP JP2002268039A patent/JP2004108395A/en active Pending
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