JP2005003179A

JP2005003179A - Roller screw device

Info

Publication number: JP2005003179A
Application number: JP2003170365A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Matsuda; 靖之松田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-01-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a roller screw device with less friction loss. <P>SOLUTION: This roller screw device 1 comprises a shaft 10 having one line of a pair of shaft raceway faces on the outer peripheral face thereof in a cross section perpendicular to grooves, a main nut 11 having a main flange served as an external force input part, a pre-load nut 12 connectable to the main nut, a plurality of rollers 22, 52, 62, and 72, and a constant pressure pre-load spacer 13 always acting an axial load in a specified direction between the main nut and the pre-load nut to hold the main nut and the pre-load nut unrotatably relative to each other around the shaft. The nut comprises a nut flange face 28, the nut raceway face and the nut flange face have an opening angle of 90° or more in the cross section perpendicular to the grooves, and the height of a contact between a roller head part 34 and the nut flange face from the nut raceway face is 25% or less to 5% or more of the diameter of the rollers. The radius of curvature at the contact between the roller head part and the nut flange face in the spiral direction of the screw is smaller than the radius of curvature at a contact between the nut flange face and the roller head part in the spiral direction of the screw. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、回転運動を直線運動に変換する駆動用に使用される転がりねじ装置の中で、転動体に円筒ころ、あるいは円錐ころを用いたころねじ装置の改良に関するものであり、射出成形機やプレス機など、特に一方向から荷重を受ける高負荷用途に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の機械設備の省力化傾向に伴い、従来は油圧装置で駆動されていた射出成形機やプレス装置などが電動化される傾向にある。上記のような用途において油圧装置に代わるものとして、機械効率の高い転がりねじ装置が利用される例が増えてきている。射出成形機やプレス装置などの高負荷用途においては、一方向に特に大きな負荷を受ける場合が多い。
【０００３】
前述のような機械部品を電動化するために使用される転がりねじ装置としては、ボールねじ装置が最も広く使用されている。ところが、射出成形機やプレス装置などでは、特に大きな駆動力が必要であるにもかかわらず、発生する駆動力の大きさについてみると、ボールねじ装置は油圧装置に劣る。これは、油圧駆動装置は負荷を油圧ピストンの面で受けるのに対して、ボールねじ装置は負荷をボールと軌道の点で受けるため、ボールと軌道との接触部に非常に高い圧力が生じるからである。このため、材料強度上の制約から、同等の寸法のボールねじ装置で、油圧装置のような大きな駆動力を発生するのは困難である。
【０００４】
しかしながら、ボールねじ装置は機械効率が高いという優れた利点があるため、射出成形機やプレス装置などの高負荷用途に好適なボールねじ装置が多数提案されている。例えば特許文献１−３などに開示の技術が知られている。
【０００５】
この他にも、ボールねじ装置よりも大きな駆動力を得られる転がりねじ装置として、ころねじ装置が多数提案されている。ころねじ装置に関する技術としては、例えば特許文献４−６などに開示の技術が知られている。
【０００６】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【特許文献１】
特開２００１−０４９２７８号（第３頁、図１等）
【特許文献２】
特開２００１−１８２７９９号（第３頁、図１等）
【特許文献３】
特開２００２−１３７２６８号（第４頁、図３等）
【特許文献４】
特開平７−７７２６１号公報（第３頁、図１等）
【特許文献５】
特開平１１−２１０８５８号公報（第４頁、図２等）
【特許文献６】
特開２００１−２４１５２７号公報（第４頁、図１等）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ころねじ装置では、ころ軌道面とナット内周面の接触部あるいはころ軌道面とシャフト外周面の接触部でリード角方向が異なるために、転がりねじ装置に特有の滑りが生じる。
【０００８】
この転がりねじ装置特有の滑りによって、ころ軌道面とナット内周面あるいはシャフト外周面の接触部で摩擦損失が生じる。滑りが大きいほど、この摩擦損失は大きくなる。
【０００９】
また、この転がりねじ装置特有の滑りによって、ころは、ころ端面をナット内周面あるいシャフト外周面のいずれかに押し付ける向きの摩擦力を受ける。この摩擦力の大きさは、滑りの大きさとナット荷重の大きさで決まる。また、この摩擦力の向きは、シャフトの回転方向と、ナットに作用する荷重の向きで決まる。ころ端面の接触部は、ころ軌道面の接触部のような転がり接触ではないので、滑り速度が大きく、荷重の割に大きな摩擦損失が生じやすい。
【００１０】
ころ軌道面とナット内周面の接触部あるいはころ軌道面とシャフト外周面の接触部の大きさが大きいほど、前述の滑りが大きくなる。一般にころねじ装置では、ころとナット内周面の接触部、あるいはころとシャフト外周面の接触が線接触なので、ボールと軌道が点接触するボールねじ装置に比較して、転がりねじ特有の滑りが大きい。
【００１１】
以上のような理由から、ころねじ装置はボールねじに比べて大きな荷重を負荷できる利点はあるものの、ボールねじ装置に比べると摩擦損失が大きいという欠点があった。
【００１２】
このため、ころねじ装置が実用に付される例は、ボールねじ装置が実用に付される例に比較して、非常に少なく、実用されている転がりねじ装置のうち、大部分はボールねじ装置が占めている。
【００１３】
従って、本発明はころねじ装置の摩擦損失を小さくすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のころねじ装置では、
溝直角断面において、１条１対のシャフト軌道面を外周面に有するシャフトと、
外力入力部となる主フランジを有する主ナットと、前記主ナットと結合可能な予圧ナットからなり、内周面にナット軌道面を備え、前記シャフトに嵌合するナット体と、
前記シャフトのシャフト軌道面と前記ナット体のナット軌道面との間に転動自在に介挿された複数のころと、
前記主ナットと前記予圧ナットとの間に介挿され、前記主ナットと前記予圧ナットとの間に常に一定の向きの軸方向荷重を作用させ、かつ前記主ナットと前記予圧ナットとをシャフト周りに相対回転不能に保持する定圧予圧間座と、
からなり、前記ナットはナットつば面を有し、溝直角断面において前記ナット軌道面と前記ナットつば面とは、９０°以上の開き角をもち、前記ころのころ頭部と前記ナットつば面の接点のナット軌道面からの高さがころ直径の２５％以下５％以上であり、前記ころ頭部の、前記ナットつば面との接点におけるねじ螺旋方向の曲率半径が、前記ナットつば面の前記ころ頭部との接点におけるねじ螺旋方向の曲率半径よりも小さいことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施態様】
上記構成を満たすような複数のナットを組み合わせ、少なくとも１つは外力を支持する主ナットとして用い、少なくとも１つを各ナットの荷重作用方向を一定にするための予圧ナットとして用い、これら主ナットと予圧ナットの間に定圧予圧を付与する構成とした。
【００１６】
前記主ナットと予圧ナットを、溝直角断面において、直角の開き角をもつ共通の１条１対のシャフト軌道に嵌合させる。ころ頭部とナットつば面の相対滑り速度は、ころ頭部とナットつば面の接点Ｆのナット軌道面からの高さｈにほぼ比例する。従って、本発明のころねじ装置では、内周面に、溝直角断面において、９０°以上の開き角をもつナット軌道とナットつば面を有し、かつころ頭部とナットつば面の接点のナット軌道面からの高さがころ直径の２５％以下５％以上であるようなナットを使用しており、かつころ頭部とナットつば面との接点において、ころ頭部のねじ螺旋方向の曲率半径が、ナットつば面のねじ螺旋方向の曲率半径よりも小さいころを使用しているので、例えば特許文献５に示されるような、ころ頭部先端でナット内周面と点接触する場合に比較して、ころ頭部とナットつば面の相対滑り速度が５０％以上低下し、ころ頭部での摩擦損失が小さくなる。
【００１７】
例えば、特許文献６の図１に示されるような平坦な端面をもつころを用いると、ころ端面とナットつば面は２点で滑り接触してしまうが、本発明のころねじ装置では、ころ頭部とナットつば面との接点において、ころ頭部のねじ螺旋方向の曲率半径が、ナットつば面のねじ螺旋方向の曲率半径よりも小さいころを用いているので、ころ頭部とナットつば面が１点で転がり滑り接触し、その結果、接点にグリースが導入されやすく、潤滑油膜が形成されやすくなるので、ころ頭部での摩擦損失が小さくなる。
【００１８】
一般に、ころは一方向の荷重しか支持できない。また、ころねじ装置では、ころに全く荷重が掛かっていないと、スキュー角方向のころ姿勢が安定せず、ころ軌道面での摩擦損失が大きくなる。従って、ころねじ装置では、ころに常に一定の向きに荷重が作用するように、適当な予圧を付与して摩擦損失を小さくすることができる。
【００１９】
射出成形機やプレス装置のような用途に用いられるころねじ装置は、軸方向剛性が極めて大きいので、定位置予圧を付与しても、僅かな摩耗を生じただけで予圧荷重が急激に低下する恐れがある。従って本発明のころねじ装置のように、荷重による軸方向変位やころや軌道面で生じる摩耗によるすきま変化に対して十分大きな弾性変形を与えられた弾性部材によって予圧荷重を付与することが好ましい。
【００２０】
前述した転がりねじ装置特有の滑りは、接点におけるリード角の差に起因しているので、ころピッチ円径が大きいほど小さくなり、リードが小さいほど小さくなり、ころ直径ところ長さが小さいほど小さくなる。本発明のころねじ装置では、主ナットと予圧ナットを、溝直角断面において、共通の１条１対のシャフト軌道に嵌合させているので、ねじが１条なのでリードを小さくとりやすく、転がりねじ装置特有の滑りを小さくできるので、摩擦損失が小さくなる。
【００２１】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の各実施例を詳細に説明する。なお、図面において同一部分は同一符号を用いて説明してある。
【００２２】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１のころねじ装置の軸方向断面図である。図２は、図１に示したころねじ装置のナット部の詳細を示す軸方向断面図である。実施例１は、本発明のころねじ装置を電動射出成形機の駆動装置に適用した例である。
【００２３】
ころねじ装置１は、シャフト１０と、シャフト１０に嵌合された主ナット１１及び予圧ナット１２を備えている。射出時の外力は、主ナットのＡ−Ａ’面に図１中の矢印の向きに作用する。不図示のモータの駆動力は軸端部１９に入力される。シャフト１０は、外力作用側の一端を２列の円筒ころ軸受２１ａを使用したサポートユニット２０で、モータ駆動側の一端を４列のスラストアンギュラ玉軸受１７ａを使用したサポートユニット１７で支持されている。
【００２４】
外力作用側のサポートユニット２０は、円筒ころ軸受２１ａを使用しているので、外力によるシャフト１０の伸縮を許容できる自由端になっている。モータ駆動側のサポートユニット１７はロックナット１８によってシャフト１０に挿結されており、射出時の軸方向荷重はサポートユニット１７が分担している。主ナット１１と予圧ナット１２は、定圧予圧間座１３によって、圧縮定圧予圧を付与され、シャフト回りに相対回転不能に結合されている。
【００２５】
主ナット１１の軸方向両端部には、それぞれプラスチックシール１４ａ及び１４ｂが設けられ、また予圧ナット１２の軸方向両端部には、それぞれプラスチックシール１４ｃ及び１４ｄが設けられ、シャフト１０と両ナットとの間を液蜜に封止している。主ナット１１及び予圧ナット１２の内部には、潤滑剤として、４０℃における動粘性係数が１００×１０⁻ ^６［ｍ^２／ｓ］以上であるような高粘度油を基油とするグリースが、ナット内部の空間容積の５０％以上封入されている。
【００２６】
主ナット１１は２つの循環路１５ａ、１５ｂで、複数の先丸ころ２２を循環させている。同様に予圧ナット１２は１つの循環路１６で、複数の先丸ころ２２を循環させている。主ナット軌道の有効巻数は２．５×２で、予圧ナット軌道の有効巻数１．５よりも大きい。
【００２７】
主ナット１１の、軸方向長さのうち複数の先丸ころ２２を内包する部分の外側の一端には、外力入力部の主フランジ２１が配置され、その逆側に定圧予圧間座１３が取り付けられている。主ナット１１と予圧ナット１２の内径は等しいが、主ナット１１の外径は予圧ナット１２の外径よりも大きく、剛性が高くなっているため、射出時に大きな荷重が作用した場合にも、主ナット１１の伸縮による転動体荷重の不均一を抑制することができる。
【００２８】
ここで、図２を用いて、本発明の実施例１のころねじ装置１のナット部の詳細を説明する。主ナット１１と予圧ナット１２との間には、Ｂ−Ｂ’面とＣ−Ｃ’面間に図２中の矢印の向きに示す圧縮定圧予圧が付与されている。従って、主ナット１１と予圧ナット１２に組み込まれた複数の先丸ころ２２に作用する荷重は、主ナット１１の先丸ころ２２に作用する荷重はＤ−Ｄ’方向となり、一方予圧ナット１２の先丸ころ２２に作用する荷重はＥ−Ｅ’方向になる。
【００２９】
実施例１のころねじ装置１の主ナット溝形状詳細を図３に示す。ころピッチ円径はｄ_ｍである。ころ２２の自転軸の傾斜角θは４５°である。シャフト１０のシャフト軌道２３とシャフト軌道２４とは互いに直角を成しており、二つのシャフト軌道２３及び２４の合わせ部には逃げ溝２５が設けられている。また、２つのシャフト軌道２３及び２４とねじ外径面の間にはＲ面取り２６ａ及び２６ｂが施されている。更に、２つのシャフト軌道面２３及び２４にはクラウニングが施されている。
【００３０】
ナット軌道２７とナットつば面２８は、先丸ころが軸方向にナット側に移動した場合に生じる、先丸ころ２２とナットつば面２８との接点Ｆのナット軌道面２７から見た高さｈが、ころ径の２５％以下５％以上となるような、９０°よりも大きな角度αを成している。一方、先丸ころ２２が軸方向にシャフト１０側に移動した場合、先丸ころ２２はころ先端部に接点Ｇを持つ。ナット軌道面２７とナットつば面２８の合わせ部には、逃げ溝２９が設けられている。また、ナット軌道面２７にはクラウニングが施されている。ナット溝部とナット内径面の間には、Ｒ面取り３０ａ及び３０ｂが施されている。
【００３１】
実施例１のころねじ装置１の予圧ナット溝形状詳細を図４に示す。基本的な構成は、図３で説明したものと同じであるが、図４は、図３に対して左右対称になっており、Ｅ−Ｅ’方向の荷重を支持できるようになっている。
【００３２】
実施例１のころねじ装置１の先丸ころ２２の形状の一例を図５に示す。ころ直径Ｄｗ、ころ長さＬｗ、ころ有効長さＬ_ｅである。ころ軌道中央部３２には円弧状のクラウニングが施されている。ころ端面からころ軌道面に移る領域３５はＲ面取りされている。また、ころ軌道中央部３２の両端側３３ａ及び３３ｂには、ころ軌道中央部３２よりも曲率半径の小さなクラウニングが施されている。
【００３３】
ころ頭部３４のナットつば面２８との接点Ｆにおける曲率半径ｒは、ころ頭部３４とナットつば面２８との間の接点を通る螺旋Ｓの方向におけるナットつば面２８の曲率半径Ｒよりも小さいので、ころ頭部３４とナットつば面２８との接点Ｆは、図６に示したように、ころ頭部３４とナットつば面２８との間に画成される接触楕円形状Ｅで１点になる。ころ頭部３４とナットつば面２８は転がり滑り接触しているので、グリースが接点に導入されやすくなり、潤滑油膜が形成されやすくなるので、ころ頭部３４での摩擦損失が小さくなる。
【００３４】
図７は、本発明の各実施例に用いる定圧予圧間座１３の詳細示す図である。（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は正面図である。定圧予圧間座１３は、２つの環状部材４３及び４４からなっている。環状部材４３と４４には、それぞれ軸方向の一端面に複数のボルト４１が設けられている。ボルト４１により、環状部材４３は主ナット１１に、また環状部材４４は予圧ナット１２にそれぞれ固定されている。
【００３５】
環状部材４３の、主ナット１１に固定される軸方向端面と反対側の端面にはガイドピン４２が突設されている。このガイドピン４２は、他の環状部材４４に設けられた軸方向の貫通孔４６に挿通する。ガイドピン４２には、更にコイルスプリング４０が挿通されている。周方向に３箇所設けたガイドピン４２にそれぞれ１つづつのコイルスプリング４０が設けられる。
【００３６】
図７（ａ）からわかるように、コイルスプリング４０は、ガイドピン４２に挿通された状態で、環状部材４３と４４との間に配置されている。定圧予圧間座１３はコイルスプリング４０によって圧縮定圧予圧を付与する形式のものである。図８に示すように、主ナット１１と予圧ナット１２とを結合した状態において、予圧荷重を発生しているコイルスプリング４０の自然長からの伸びは、主ナット１１が構成部材に永久変形を生じないような静的な許容荷重に相当する外力を受けて軸方向に生じる最大変位よりも十分大きく設定されている。
【００３７】
従って、主ナット１１が許容荷重に相当する荷重を受けた場合においても、主ナット１１と予圧ナット１２との間には同一方向の圧縮力が作用する。これにより、主ナット１１の荷重が変化しても、転動体としての先丸ころ２２に作用する荷重方向が変化せず、また予圧が抜けてしまうこともないので、スキュー角方向のころ姿勢が安定し、ねじ特有の滑りが小さくなって、ころねじ装置の摩擦トルクが小さくなる。
【００３８】
実施例１では、転動体に円弧クラウニングを施した先丸円筒ころを用いたが、必ずしもこれには限定されず、前述したように、ころ頭部３４のナットつば面２８との接点Ｆにおける曲率半径ｒが、ナットつば面２８のねじ螺旋方向の曲率半径Ｒよりも小さくなり、ころ頭部３４とナットつば面２８との接点Ｆが図６に示した１点になるような形状であればよい。
【００３９】
また、実施例１では、ナット軌道面及びシャフト軌道面に単一円弧状のクラウニングが施されているが、必ずしもこれには限定されず、またクラウニングが施されていなくてもよい。特に、ナット軌道面が負の曲率を持っているので、ナット軌道面がストレート形状である場合、ころのスキュー角方向の姿勢変化を抑制する作用が期待されるため、例えば、ナット軌道面をストレート形状とし、シャフト軌道面のみクラウニングを施す方法なども考えられる。ただし、軌道面がストレート形状である場合には、エッジロードが発生して転がりねじ装置の耐久性が低下する恐れがあるので、ころにクラウニングを施す必要がある。
【００４０】
上述の実施例１では、溝直角断面において、ナットつば面２８がころ頭部３４に対して直線状であるが、かならずしも直線状である必要はなく、例えば、図９に示した本発明の実施例２のように、溝直角断面において、ナットつば面５８がころ５２のころ頭部５４に対して凹面形状になっていてもよい。なお、実施例２は、溝直角断面において、ナットつば面５８がころ頭部５４に対して凹面形状になっている以外は、実施例１と同様の構成である。実施例２では、ナットつば面５８の曲率半径は、ころ頭部５４の曲率半径よりも大きく設定されている。
【００４１】
以上説明した本発明の実施例１〜２では、円筒ころを用いたが、ころは必ずしも円筒ころである必要はなく、例えば、図１０に示した実施例３のように円錐ころ６２を用いてもよい。なお、実施例３は、溝直角断面において、ナットつば面６８がころ頭部６４に対して凹面形状になっている以外は、本発明実施例１と同様である。接線高さｈは、円錐ころ６２の大径部の径の２５％以下５％以上に設定されている。
【００４２】
実施例１−３は循環式ころねじ装置であるが、必ずしもこれには限定されず、例えば、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す実施例４のようにころを保持する円筒状のスリーブにころを嵌め込んだ非循環式ころねじ装置としても良い。なお、実施例４は、非循環式である以外は、基本的な構成は本発明実施例１と同様である。
【００４３】
実施例４の詳細を説明する。シャフト１０の外周には、円筒形のスリーブ７１が嵌装されている。スリーブ７１の更に外周には、主ナット１１、予圧ナット１２及び圧縮予圧間座１３が
嵌合している。スリーブ７１は、シャフト１０、主ナット１１、予圧ナット１２及び圧縮予圧間座１３に対して、自由に回転できると共に、軸方向に移動することができる。
【００４４】
スリーブ７１の円筒部には、半径方向に貫通した複数のポケット７０が設けられており、一つのポケット７０に、一つのころ７２が収容される。従って、各ころ７２は、スリーブ７１に対して保持されているので、循環路を設ける必要がない。
【００４５】
図１１の（ｂ）によって、詳細を説明する。主ナット１１または予圧ナット１２側には、溝直角断面において、ナットつば面７８が設けられ、また、逃げ溝７５が設けられている。ころ７２としては、上記各実施例で用いた先丸ころ、また実施例３の円錐ころを用いることができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、ころねじ装置の摩擦損失が小さくなるなどの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のころねじ装置の軸方向断面図である。
【図２】図１に示したころねじ装置のナット部の詳細を示す軸方向断面図である。
【図３】実施例１のころねじ装置の主ナット溝形状詳細を示す図である。
【図４】実施例１のころねじ装置の予圧ナット溝形状詳細を示す図である。
【図５】実施例１のころねじ装置のころ形状の一例を示す図である。
【図６】実施例１のころねじ装置のころ頭部とナットつば面との接触の状態を示す図である。
【図７】実施例１のころねじ装置の圧縮定圧予圧間座の詳細を示す図である。（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は正面図である。
【図８】実施例１の定圧予圧間座の自然長と予圧時の違いを説明する図である。
【図９】本発明の実施例２のころねじ装置を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３のころねじ装置を示す図である。
【図１１】本発明の実施例４のころねじ装置を示す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）はころとナットとの関係を示す詳細図である。
【符号の説明】
１ころねじ装置
１０シャフト
１１主ナット
１２予圧ナット
２２、５２、６２、７２ころ
２８ナットつば面
３４ころ頭部
７１スリーブ
７０ポケット[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an improvement of a roller screw device using a cylindrical roller or a tapered roller as a rolling element in a rolling screw device used for driving to convert rotational motion into linear motion, and an injection molding machine It is suitable for high load applications that receive a load from one direction, such as press machines and press machines.
[0002]
[Prior art]
Along with the recent labor saving tendency of mechanical equipment, injection molding machines and press devices that have been conventionally driven by hydraulic devices tend to be motorized. As an alternative to the hydraulic device in the above-described applications, an example in which a rolling screw device with high mechanical efficiency is used is increasing. In a high load application such as an injection molding machine or a press device, a particularly large load is often applied in one direction.
[0003]
A ball screw device is most widely used as a rolling screw device used to electrify mechanical parts as described above. However, in an injection molding machine, a press device, and the like, although a particularly large driving force is required, the ball screw device is inferior to a hydraulic device in terms of the magnitude of the generated driving force. This is because the hydraulic drive device receives the load on the surface of the hydraulic piston, whereas the ball screw device receives the load at the point of the ball and the track, so that a very high pressure is generated at the contact portion between the ball and the track. It is. For this reason, it is difficult to generate a large driving force like a hydraulic device with a ball screw device having an equivalent size due to restrictions on material strength.
[0004]
However, since the ball screw device has an excellent advantage of high mechanical efficiency, many ball screw devices suitable for high load applications such as an injection molding machine and a press device have been proposed. For example, techniques disclosed in Patent Documents 1-3 and the like are known.
[0005]
In addition to this, many roller screw devices have been proposed as rolling screw devices that can obtain a larger driving force than the ball screw device. As a technique related to the roller screw device, for example, a technique disclosed in Patent Documents 4-6 is known.
[0006]
Prior art document information related to the invention of this application includes the following.
[Patent Document 1]
JP 2001-049278 (page 3, FIG. 1 etc.)
[Patent Document 2]
JP 2001-182799 A (3rd page, FIG. 1 etc.)
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-137268 (page 4, FIG. 3 etc.)
[Patent Document 4]
JP-A-7-77261 (page 3, FIG. 1 etc.)
[Patent Document 5]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-210858 (page 4, FIG. 2, etc.)
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-241527 (page 4, FIG. 1, etc.)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In general, in a roller screw device, since the lead angle direction is different between the contact portion between the roller raceway surface and the nut inner peripheral surface or the contact portion between the roller raceway surface and the shaft outer peripheral surface, slippage peculiar to the rolling screw device occurs.
[0008]
Due to the slip peculiar to the rolling screw device, friction loss occurs at the contact portion between the roller raceway surface and the nut inner peripheral surface or the shaft outer peripheral surface. The greater the slip, the greater this friction loss.
[0009]
In addition, due to the slip unique to the rolling screw device, the roller receives a frictional force in a direction in which the roller end surface is pressed against either the nut inner peripheral surface or the shaft outer peripheral surface. The magnitude of this frictional force is determined by the magnitude of the slip and the magnitude of the nut load. The direction of this frictional force is determined by the direction of rotation of the shaft and the direction of the load acting on the nut. The contact portion of the roller end surface is not a rolling contact like the contact portion of the roller raceway surface, so that the sliding speed is large and a large friction loss is likely to occur for the load.
[0010]
The larger the size of the contact portion between the roller raceway surface and the nut inner peripheral surface or the contact portion between the roller raceway surface and the shaft outer peripheral surface, the greater the aforementioned slip. In general, in roller screw devices, the contact between the roller and nut inner peripheral surface, or the contact between the roller and shaft outer peripheral surface is a linear contact, so that the specific slippage of a rolling screw is less than that of a ball screw device in which the ball and track contact each other. large.
[0011]
For the reasons described above, the roller screw device has the advantage of being able to apply a larger load than the ball screw, but has the disadvantage that the friction loss is larger than that of the ball screw device.
[0012]
For this reason, the examples in which the roller screw device is practically used are very few compared to the examples in which the ball screw device is practically used, and most of the rolling screw devices in practical use are mostly ball screw devices. Accounted for.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the friction loss of the roller screw device.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the roller screw device of the present invention,
A shaft having a pair of shaft raceways on the outer peripheral surface in a cross section perpendicular to the groove;
A main nut having a main flange serving as an external force input portion, a preload nut that can be coupled to the main nut, a nut raceway surface on an inner peripheral surface, and a nut body that is fitted to the shaft;
A plurality of rollers interposed between the shaft raceway surface of the shaft and the nut raceway surface of the nut body so as to freely roll;
The main nut and the preload nut are inserted between the main nut and the preload nut, and an axial load is always applied between the main nut and the preload nut, and the main nut and the preload nut are arranged around the shaft. A constant pressure preload spacer that is held in a relatively non-rotatable manner,
The nut has a nut collar surface, and the nut raceway surface and the nut collar surface have an opening angle of 90 ° or more in a cross section perpendicular to the groove, and the roller head of the roller and the nut collar surface The height of the contact from the nut raceway surface is 25% or less and 5% or more of the roller diameter, and the radius of curvature in the screw spiral direction of the roller head at the contact point with the nut collar surface is the height of the nut collar surface. It is characterized by being smaller than the radius of curvature in the screw spiral direction at the contact point with the roller head.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Combining a plurality of nuts that satisfy the above-described configuration, at least one is used as a main nut for supporting external force, and at least one is used as a preload nut for making the load acting direction of each nut constant. A constant pressure preload is applied between the preload nuts.
[0016]
The main nut and the preload nut are fitted to a common pair of shaft raceways having a right opening angle in a cross section perpendicular to the groove. The relative sliding speed between the roller head and the nut collar surface is substantially proportional to the height h of the contact F between the roller head and the nut collar surface from the nut raceway surface. Therefore, in the roller screw device of the present invention, the inner peripheral surface has a nut raceway and a nut collar surface having an opening angle of 90 ° or more in a cross section perpendicular to the groove, and a nut of a contact between the roller head and the nut collar surface. A nut whose height from the raceway surface is 25% or less and 5% or more of the roller diameter is used, and the curvature radius of the roller head in the screw spiral direction at the contact point between the roller head and the nut collar surface. However, since a roller smaller than the radius of curvature of the nut collar surface in the screw spiral direction is used, for example, as shown in Patent Document 5, compared to a case where point contact is made with the inner peripheral surface of the nut at the tip of the roller head. Thus, the relative sliding speed between the roller head and the nut collar surface is reduced by 50% or more, and the friction loss at the roller head is reduced.
[0017]
For example, when a roller having a flat end surface as shown in FIG. 1 of Patent Document 6 is used, the roller end surface and the nut collar surface are in sliding contact at two points. Since the roller head has a smaller radius of curvature in the screw spiral direction than the radius of curvature in the screw spiral direction of the nut collar surface, the roller head and the nut collar surface are in contact with each other. Rolling and sliding contact is made at one point. As a result, grease is easily introduced into the contact and a lubricating oil film is easily formed, so that friction loss at the roller head is reduced.
[0018]
In general, a roller can only support a load in one direction. Further, in the roller screw device, when no load is applied to the rollers, the roller posture in the skew angle direction is not stable, and the friction loss on the roller raceway surface is increased. Therefore, in the roller screw device, an appropriate preload can be applied to reduce the friction loss so that a load always acts on the roller in a fixed direction.
[0019]
Roller screw devices used for applications such as injection molding machines and press machines have extremely high axial rigidity, so even if a fixed position preload is applied, the preload is drastically reduced with only slight wear. There is a fear. Therefore, as in the roller screw device of the present invention, it is preferable to apply the preload by an elastic member that is sufficiently elastically deformed with respect to the axial displacement due to the load and the change in the clearance due to the wear generated on the roller and the raceway surface.
[0020]
The above-described slippage unique to the rolling screw device is caused by the difference in the lead angle at the contact point. Therefore, the larger the roller pitch circle diameter, the smaller the smaller, the smaller the lead, and the smaller the roller diameter, the smaller the length. . In the roller screw device according to the present invention, the main nut and the preload nut are fitted to a common pair of shaft raceways in a cross section perpendicular to the groove. Since the slip peculiar to the device can be reduced, the friction loss is reduced.
[0021]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same portions are described using the same reference numerals.
[0022]
(Example 1)
FIG. 1 is an axial sectional view of a roller screw device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an axial sectional view showing details of a nut portion of the roller screw device shown in FIG. Example 1 is an example in which the roller screw device of the present invention is applied to a drive device of an electric injection molding machine.
[0023]
The roller screw device 1 includes a shaft 10, a main nut 11 fitted to the shaft 10, and a preload nut 12. The external force at the time of injection acts on the AA ′ surface of the main nut in the direction of the arrow in FIG. A driving force of a motor (not shown) is input to the shaft end 19. The shaft 10 is supported at one end on the external force acting side by a support unit 20 using two rows of cylindrical roller bearings 21a and at one end on the motor driving side by a support unit 17 using four rows of thrust angular ball bearings 17a. .
[0024]
Since the support unit 20 on the external force acting side uses the cylindrical roller bearing 21a, the support unit 20 is a free end that can allow expansion and contraction of the shaft 10 due to external force. The support unit 17 on the motor drive side is connected to the shaft 10 by a lock nut 18, and the support unit 17 shares the axial load at the time of injection. The main nut 11 and the preload nut 12 are given a compression constant pressure preload by a constant pressure preload spacer 13 and are coupled so as not to rotate relative to each other around the shaft.
[0025]
Plastic seals 14a and 14b are provided at both axial ends of the main nut 11, and plastic seals 14c and 14d are provided at both axial ends of the preload nut 12, respectively. The gap is sealed with honey. Inside the main nut 11 and the preload nut 12, as a lubricant, dynamic viscosity at 40 ° C. is 100 × 10 - grease to ⁶ base oil of high viscosity oil such that ^{^[m 2} / ^s] or higher, More than 50% of the space volume inside the nut is sealed.
[0026]
The main nut 11 circulates a plurality of round rollers 22 by two circulation paths 15a and 15b. Similarly, the preload nut 12 circulates a plurality of round rollers 22 in one circulation path 16. The effective number of turns of the main nut track is 2.5 × 2, which is larger than the effective number of turns 1.5 of the preload nut track.
[0027]
The main flange 21 of the external force input portion is disposed at one end outside the portion of the main nut 11 that includes the plurality of rounded rollers 22 in the axial length, and the constant pressure preload spacer 13 is attached to the opposite side. It has been. Although the inner diameters of the main nut 11 and the preload nut 12 are equal, the outer diameter of the main nut 11 is larger than the outer diameter of the preload nut 12 and has higher rigidity. Therefore, even when a large load is applied during injection, Unevenness of the rolling element load due to the expansion and contraction of the nut 11 can be suppressed.
[0028]
Here, the detail of the nut part of the roller screw device 1 of Example 1 of this invention is demonstrated using FIG. Between the main nut 11 and the preload nut 12, a compression constant pressure preload shown in the direction of the arrow in FIG. 2 is applied between the BB ′ surface and the CC ′ surface. Therefore, the load acting on the plurality of round rollers 22 incorporated in the main nut 11 and the preload nut 12 is the DD ′ direction, while the load acting on the round rollers 22 of the main nut 11 is the direction of the preload nut 12. The load acting on the round tip roller 22 is in the EE ′ direction.
[0029]
FIG. 3 shows details of the shape of the main nut groove of the roller screw device 1 of the first embodiment. Roller pitch circle diameter is _{d m.} The inclination angle θ of the rotation axis of the roller 22 is 45 °. The shaft raceway 23 and the shaft raceway 24 of the shaft 10 are perpendicular to each other, and a clearance groove 25 is provided at a joint portion between the two shaft raceways 23 and 24. R chamfers 26a and 26b are provided between the two shaft raceways 23 and 24 and the outer surface of the screw. Further, the two shaft raceway surfaces 23 and 24 are crowned.
[0030]
The nut raceway 27 and the nut collar surface 28 are heights as seen from the nut raceway surface 27 of the contact point F between the rounded roller 22 and the nut collar surface 28 that is generated when the round roller moves in the axial direction toward the nut side. However, the angle α is larger than 90 ° so that it is 25% or less and 5% or more of the roller diameter. On the other hand, when the round roller 22 moves to the shaft 10 side in the axial direction, the round roller 22 has a contact point G at the roller tip. An escape groove 29 is provided at a joint portion between the nut raceway surface 27 and the nut collar surface 28. The nut raceway surface 27 is crowned. R chamfers 30a and 30b are provided between the nut groove portion and the nut inner diameter surface.
[0031]
FIG. 4 shows the details of the preload nut groove shape of the roller screw device 1 of the first embodiment. Although the basic configuration is the same as that described with reference to FIG. 3, FIG. 4 is symmetrical with respect to FIG. 3, and can support a load in the EE ′ direction.
[0032]
An example of the shape of the round roller 22 of the roller screw device 1 of Example 1 is shown in FIG. Roller diameter Dw, roller length Lw, rollers are effective length _{L e.} The roller raceway center portion 32 is provided with arc-shaped crowning. The region 35 that moves from the roller end face to the roller raceway surface is rounded. Further, both ends 33 a and 33 b of the roller raceway center portion 32 are crowned with a smaller radius of curvature than the roller raceway center portion 32.
[0033]
The radius of curvature r at the contact point F of the roller head 34 with the nut collar surface 28 is larger than the radius of curvature R of the nut collar surface 28 in the direction of the spiral S passing through the contact point between the roller head 34 and the nut collar surface 28. Since it is small, the contact point F between the roller head 34 and the nut collar surface 28 is a contact ellipse E defined between the roller head 34 and the nut collar surface 28 as shown in FIG. become. Since the roller head 34 and the nut collar surface 28 are in rolling contact with each other, grease is easily introduced into the contact and a lubricating oil film is easily formed, so that friction loss at the roller head 34 is reduced.
[0034]
FIG. 7 is a view showing details of the constant pressure preload spacer 13 used in each embodiment of the present invention. (A) is an axial sectional view, and (b) is a front view. The constant pressure preload spacer 13 includes two annular members 43 and 44. The annular members 43 and 44 are each provided with a plurality of bolts 41 on one end face in the axial direction. The annular member 43 is fixed to the main nut 11 and the annular member 44 is fixed to the preload nut 12 by bolts 41.
[0035]
A guide pin 42 projects from the end surface of the annular member 43 opposite to the axial end surface fixed to the main nut 11. The guide pin 42 is inserted into an axial through hole 46 provided in another annular member 44. A coil spring 40 is further inserted through the guide pin 42. One coil spring 40 is provided at each of the guide pins 42 provided at three locations in the circumferential direction.
[0036]
As can be seen from FIG. 7A, the coil spring 40 is disposed between the annular members 43 and 44 while being inserted through the guide pin 42. The constant pressure preload spacer 13 is of a type in which a compression constant pressure preload is applied by a coil spring 40. As shown in FIG. 8, in the state where the main nut 11 and the preload nut 12 are coupled, the extension from the natural length of the coil spring 40 generating the preload load causes the main nut 11 to permanently deform the constituent members. It is set to be sufficiently larger than the maximum displacement that occurs in the axial direction in response to an external force corresponding to a static allowable load.
[0037]
Therefore, even when the main nut 11 receives a load corresponding to the allowable load, a compressive force in the same direction acts between the main nut 11 and the preload nut 12. Thereby, even if the load of the main nut 11 changes, the load direction acting on the round roller 22 as a rolling element does not change, and the preload does not come off. It is stable, and the slip peculiar to the screw is reduced, and the friction torque of the roller screw device is reduced.
[0038]
In the first embodiment, a round cylindrical roller having an arc crowned rolling element is used. However, the present invention is not limited to this, and as described above, the curvature at the contact point F with the nut collar surface 28 of the roller head 34. If the radius r is smaller than the radius of curvature R of the nut collar surface 28 in the screw spiral direction, and the contact point F between the roller head 34 and the nut collar surface 28 is one point shown in FIG. Good.
[0039]
In the first embodiment, the nut raceway surface and the shaft raceway surface are provided with a single arc-shaped crowning. However, the present invention is not necessarily limited to this, and the crowning may not be provided. In particular, since the nut raceway surface has a negative curvature, if the nut raceway surface has a straight shape, it is expected to act to suppress changes in the posture of the rollers in the skew angle direction. A method of forming the shape and crowning only the shaft raceway surface is also conceivable. However, when the raceway surface has a straight shape, edge load may occur and the durability of the rolling screw device may be reduced, so it is necessary to crown the rollers.
[0040]
In the first embodiment described above, the nut collar surface 28 is linear with respect to the roller head 34 in the cross-sectional view perpendicular to the groove. However, the nut collar surface 28 is not necessarily linear, for example, implementation of the present invention shown in FIG. As in Example 2, the nut collar surface 58 may be concave with respect to the roller head 54 of the roller 52 in the cross-section perpendicular to the groove. The second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the nut collar surface 58 has a concave shape with respect to the roller head 54 in the cross section perpendicular to the groove. In the second embodiment, the radius of curvature of the nut collar surface 58 is set larger than the radius of curvature of the roller head 54.
[0041]
In the first and second embodiments of the present invention described above, the cylindrical roller is used. However, the roller is not necessarily a cylindrical roller. For example, the tapered roller 62 is used as in the third embodiment shown in FIG. Also good. The third embodiment is the same as the first embodiment of the present invention, except that the nut collar surface 68 has a concave shape with respect to the roller head 64 in the cross section perpendicular to the groove. The tangential height h is set to 25% or less and 5% or more of the diameter of the large diameter portion of the tapered roller 62.
[0042]
Example 1-3 is a circulating roller screw device, but is not necessarily limited to this. For example, a cylindrical sleeve for holding rollers as in Example 4 shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). It is good also as a non-circulation type roller screw device which inserted the roller in. The basic configuration of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment of the present invention, except that the non-circulation type is used.
[0043]
Details of the fourth embodiment will be described. A cylindrical sleeve 71 is fitted on the outer periphery of the shaft 10. The main nut 11, the preload nut 12, and the compression preload spacer 13 are fitted on the outer periphery of the sleeve 71. The sleeve 71 can freely rotate and move in the axial direction with respect to the shaft 10, the main nut 11, the preload nut 12 and the compression preload spacer 13.
[0044]
A plurality of pockets 70 penetrating in the radial direction are provided in the cylindrical portion of the sleeve 71, and one roller 72 is accommodated in one pocket 70. Therefore, since each roller 72 is held with respect to the sleeve 71, there is no need to provide a circulation path.
[0045]
Details will be described with reference to FIG. On the main nut 11 or preload nut 12 side, a nut collar surface 78 is provided in a cross section perpendicular to the groove, and a relief groove 75 is provided. As the roller 72, the pointed roller used in each of the above embodiments or the tapered roller of the third embodiment can be used.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, effects such as a reduction in friction loss of the roller screw device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an axial sectional view of a roller screw device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an axial sectional view showing details of a nut portion of the roller screw device shown in FIG.
3 is a view showing details of a main nut groove shape of the roller screw device of Embodiment 1. FIG.
4 is a view showing details of a preload nut groove shape of the roller screw device of Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a view showing an example of a roller shape of the roller screw device according to the first embodiment.
6 is a view showing a contact state between a roller head and a nut collar surface of the roller screw device of Embodiment 1. FIG.
7 is a view showing details of a compression constant pressure preload spacer of the roller screw device of Embodiment 1. FIG. (A) is an axial sectional view, and (b) is a front view.
FIG. 8 is a diagram for explaining the difference between the natural length of the constant pressure preload spacer of Example 1 and the time of preload.
FIG. 9 is a view showing a roller screw device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a view showing a roller screw device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a roller screw device according to a fourth embodiment of the present invention. (A) is a perspective view, (b) is a detailed view showing the relationship between rollers and nuts.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Roller screw apparatus 10 Shaft 11 Main nut 12 Preload nut 22, 52, 62, 72 Roller 28 Nut collar surface 34 Roller head 71 Sleeve 70 Pocket

Claims

A roller screw device,
A shaft having a pair of shaft raceways on the outer peripheral surface in a cross section perpendicular to the groove;
A main nut having a main flange serving as an external force input portion, a preload nut that can be coupled to the main nut, a nut raceway surface on an inner peripheral surface, and a nut body that is fitted to the shaft;
A plurality of rollers interposed between the shaft raceway surface of the shaft and the nut raceway surface of the nut body so as to freely roll;
The main nut and the preload nut are inserted between the main nut and the preload nut, and an axial load is always applied between the main nut and the preload nut, and the main nut and the preload nut are arranged around the shaft. A constant pressure preload spacer that is held in a relatively non-rotatable manner,
The nut has a nut collar surface, and the nut raceway surface and the nut collar surface have an opening angle of 90 ° or more in a cross section perpendicular to the groove, and the roller head of the roller and the nut collar surface The height of the contact from the nut raceway surface is 25% or less and 5% or more of the roller diameter, and the radius of curvature in the screw spiral direction of the roller head at the contact point with the nut collar surface is the height of the nut collar surface. A roller screw device characterized by being smaller than a radius of curvature in a screw spiral direction at a contact point with a roller head.

The roller screw device according to claim 1, wherein the number of effective load rollers of the main nut is larger than the number of effective load rollers of the preload nut.

The roller screw device according to claim 1, wherein a sleeve having a plurality of pockets for holding the rollers is fitted to the shaft between the shaft and the nut body.

The roller screw device according to any one of claims 1 to 3, wherein a compression constant pressure preload is applied between the main nut and the preload nut.

Of the axial length of the main nut, the main flange is provided at one end outside the portion containing the roller, and the outside of the portion including the roller in the axial length of the main nut opposite to the main flange. The roller screw device according to claim 4, further comprising the preload nut.

The roller screw device according to claim 5, wherein an angle formed by the two shaft raceway surfaces and the shaft outer diameter surface is 45 ° in the cross section perpendicular to the groove.

The roller screw device according to claim 5 or 6, wherein cylindrical rollers are used.

The roller screw device according to claim 5 or 6, wherein a tapered roller is used.