JP2005299720A - 自動車用ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】 ねじ軸のじん性が高くて折損が生じ難く、またコスト低下が図れる自動車用ボールねじを提供する。
【解決手段】 この自動車用ボールねじ１は、自動車の変速機等のアクチュエータに使用されるボールねじであって、ねじ軸２およびナット３と、これらねじ軸２およびナット３の対向面に形成されたねじ溝４，５間に介在するボール６とでなる。ねじ軸２は、使用時にボール６が転走する軸方向範囲Ｌと、カップリング嵌合部２ｄとに限定して高周波焼入れし、その他の部分は未処理とする。ねじ軸２の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量は１〜１０％とし、未焼入れ部分は残留オーステナイト量を零とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車における自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）のシフト用やセレクト用アクチュエータ、その他各種の自動車用アクチュエータに使用されるボールねじに関し、特にそのねじ軸の熱処理に係るものである。

従来、ボールねじのナットは、その形状の複雑さから、焼割れを防止するために、浸炭焼入れで製造されることが多い。また、ねじ軸についても、浸炭焼入れで処理されることが多い（例えば特許文献１）。
特開２０００−３４６１６２号公報

しかしながら、浸炭焼入れは、表面全体に浸炭され、硬度が上昇するため、じん性の確保という点では不利になることが考えられる。
自動車用のアクチュエータに用いられる場合、特に、変速機等の部品に用いられる場合は、破損の形態として、折損するよりも曲がりが発生する方が安全上、望ましい。自動車の場合は、安全性が強く要望されるため、折損を極力回避する必要がある。そのため、表面の全体に浸炭焼入れされる浸炭焼入れはあまり好ましくない。また、浸炭焼入れでは、表面異常層の除去を行わないと、表面部が脆いため、短寿命の原因となる。この表面異常層の除去に手間がかかってコスト増となっている。

この発明の目的は、ねじ軸のじん性が高くて折損が生じ難く、またコスト低下が図れる自動車用ボールねじを提供することである。

この発明の自動車用ボールねじは、自動車用アクチュエータに使用されるボールねじであって、ボールを転走させるねじ溝が対向して形成されたねじ軸およびナットと、前記対向するねじ溝間に介在した複数のボールとを備え、前記ねじ軸は、限定された範囲のねじ溝表面が高周波焼入れされ、ねじ軸の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量が１〜１０％、未焼入れ部分の残留オーステナイト量が零であることを特徴とする。

自動車用ボールねじ、特に変速機等の部品に用いられるボールねじは、安全性の向上の上で、じん性が強く望まれる。そのため、ねじ軸に求められる機能としては、ボールが転動するのに必要最小限の範囲に硬度上昇した部分があり、その他の部分はじん性向上のために、未処理の方が有利である。高周波焼入れによると、選択的に限定範囲のみに焼入れを施すことができ、これにより、全面焼入れとなる浸炭焼入れされたねじ軸に比べてじん性の高いものとできる。また、必要な部分のみ熱処理を施すことで、熱処理時間の短縮となり、低コスト化が可能である。
高周波焼入れの場合、その焼入れ方法の特徴として残留オーステナイト量が少いが、これにつき、さらに焼入れ範囲を限定された範囲とすることにより、使用時の温度が高温となったり、また経年使用した場合の寸法変化についても更に安定したものとなる。ねじ軸の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量が１〜１０％、未焼入れ部分の残留オーステナイト量が零であれば、じん性についてより優れたものとなり、寸法安定性についても優れたものとなる。

前記高周波焼入れを行う限定範囲は、ねじ軸の軸方向、および表面からの深さ方向について所定の範囲とされる。長さ方向については、前記限定された範囲は、このボールねじの使用時にボールが転走する軸方向範囲とすることが好ましい。
ねじ軸におけるねじ溝は、使用上からはボールが転走する範囲だけに設けられていれば良いが、ナットやボールの組立の都合上、ねじ軸の端部まで、あるいはねじ軸におけるねじ溝が形成される軸径部分の全長に渡ってねじ溝が形成される。しかし、このように設けられる転走範囲外の部分は、組立時に無負荷で使用されるだけであるため、全長に渡って表面の硬度が高められている必要はない。
ねじ軸に求められる機能としては、前述のように、ボールが転動するのに必要最小限の範囲に硬度上昇した部分があり、その他の部分はじん性向上のために、未処理の方が有利である。自動車用ボールねじでは、汎用のボールねじと異なり、例えば変速機のアクチュエータなど、限定された用途のものとして設計されるため、使用時にボールが転走する軸方向範囲は、必然的に定まる。このように定まる軸方向範囲に高周波焼入れを施し、残りの軸方向範囲は未処理とする。なお、高周波焼入れを施す軸方向範囲は、厳密にボールが転走する範囲だけとする必要はなく、各種の誤差や生産上の都合等を考慮し、少なくともボール転走範囲は高周波焼入れされていて、それよりも若干長い範囲まで、高周波焼入れされていても良い。

前記ねじ軸は、ねじ溝が形成された軸径部分の両端部に焼逃げ部分を設け、この焼逃げ部分の長さを、少なくとも前記軸径部分の軸径の半分以上とすることが好ましい。
高周波焼入れを施す範囲は、上記のようにボールが転走する軸方向範囲だけで良いが、それ以上の範囲に設定されていても良い。しかし、その場合でも、上記の焼逃げ部分を設けることが好ましい。
ねじ軸の両端部に焼逃げ部分を設けると、高周波焼入れ時のオーバーヒートを防止することができる。この焼逃げ部分が、ねじ部の径の半分未満であると、オーバーヒートの防止効果を十分に得ることが難しいが、半分以上であると、オーバーヒートを十分に防止することができる。

この発明の自動車用ボールねじにおいて、前記ねじ軸が端部にカップリング嵌合部を有する場合、このカップリング嵌合部にも高周波焼入れを施すことが好ましい。
カップリング嵌合部は、モータの反転動作のトルクが作用し、繰り返し荷重を受けるため、耐摩耗性に優れた物であることが好ましい。このため、カップリング嵌合部は高周波焼入れされていて、表面硬さが硬くされていることが好ましい。

ねじ軸の材質は、中炭素鋼以上の炭素量を含有した鋼材であることが好ましい。このように炭素量の多いものが、高周波焼入れを行って表面硬さを高める上で好ましい。ねじ軸の材質は、このような材質の中でも、高周波焼入れに適した材質がより好ましい。特には、Ｓ４５Ｃ，Ｓ４８Ｃ，Ｓ５３Ｃ，Ｓ５５Ｃ，ＳＣＭ４４０Ｃ，ＳＡＥ４１５０，ＳＵＪ２等が適切である。

高周波焼入れされたねじ部転走面の表面粗さはＲａ０．１以下であることが好ましい。表面粗さがＲａ０．１以下と小さいと、ボールの転走に対する寿命の面で好ましい。
転造加工されたねじ軸は、低コスト化のためにはその焼入れ時に発生するスケールを除去する程度で使用できる必要がある。浸炭焼入れの場合は、表面異常層（粒界酸化膜）の除去を行わないと、表面部が脆いため、短寿命の原因となる。しかし、高周波焼入れされた転走面は、浸炭焼入れと異なり、表面異常層が発生しないため、表層の品質が高い。そのため、ナイロンブラシ等の比較的柔らかい仕上げ部材での表面仕上げが可能である。その結果、高周波焼入れ後、スケール除去したのみの転走面は、転造時の優れた表面粗さが殆ど残っており、Ｒａ０．１以下の表面が容易に得られる。

この発明の自動車用ボールねじは、自動車用アクチュエータに使用されるボールねじであって、ボールを転走させるねじ溝が対向して形成されたねじ軸およびナットと、前記対向するねじ溝間に介在した複数のボールとを備え、前記ねじ軸は限定された範囲のねじ溝表面が高周波焼入れされ、前記ねじ軸の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量が１〜１０％、未焼入れ部分の残留オーステナイト量が零であるため、ねじ軸のじん性が高くて折損が生じ難く、また熱処理が簡単でコスト低下が図れるという効果がある。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。この自動車用ボールねじ１は、自動車のアクチュエータに使用されるボールねじであって、ねじ軸２およびナット３と、これらねじ軸２およびナット３の対向面に形成されたねじ溝４，５間に介在するボール６とでなる。ねじ軸４，５は、ボール６を転走させる螺旋状の溝である。この実施形態の自動車用ボールねじ１を使用する自動車用アクチュエータは、自動車の変速機、例えば自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）等を構成するものであるが、この他に、パワーステアリング装置や、後輪操舵装置等を構成するものであっても良い。

図２，図３に示すように、ナット３は、ボール６を循環させる循環部品７が設けられている。循環部品７は駒式のものであり、ナット３に設けられた嵌合用開口８に嵌合して加締部１１（図２）で固定されている。循環部品７は、内面にナット３の螺旋状のねじ溝５の隣合う各周の部分同士を連結する連結溝９を設けたものであり、この連結溝９により、ねじ軸２とナット３のねじ溝４，５間で形成される螺旋状のボール転走路が周回経路となる。
ナット３に設ける循環部品７は、リターンチューブやエンドキャップ式、ガイドプレート式等のものであっても良いが、コンパクト化等の面から、駒式のものが好ましい。
ナット３は、他の部品との連結部として、トラニオン軸１４が設けられている。ナット３は、連結部として、トラニオン軸１４の代わりに、図６のように溝１６を形成したものであっても良く、またこれらの連結部を有しないものであっても良い。

ねじ軸２は、図１および図４に示すように、軸方向の中間がねじ溝４の形成されたねじ溝形成部２ａとされていて、両端部分は、ねじ溝形成部２ａよりも小径の軸部２ｂ，２ｃとされている。一端の軸部２ｂは、その全体または先端側の一部が、カップリング嵌合部２ｄとされている。カップリング嵌合部２ｄは、カップリングに回転伝達可能に嵌合可能なように、非円形の断面形状とされている。他端小径軸部２ｃは、軸受を嵌合させる部分となる。
ねじ軸２のねじ溝形成部２ａにおける両端付近には、ナット３の脱落防止用のリング部材１０が取付けられている。リング部材１０は、例えば合成樹脂性のものである。

ねじ軸２のねじ溝４の断面形状は、図５のように、溝底に対する両側の溝側面４ａ，４ａが、互いに半径が同じで曲率中心の異なる円弧状となったゴシックアーチ形状とされている。ねじ軸２のねじ溝４に対するボール６の接触角αは、ボール６のねじ溝肩乗り上げを防止するために、３０〜３８度の範囲が好ましい。

ねじ軸２の材質は、中炭素鋼以上の炭素量を含有した鋼材とされ、その中でも高周波焼入れに適した材質のものであることがより好ましい。
図１に示すように、ねじ軸２は、限定された範囲のねじ溝表面が高周波焼入れされる。同図に交差斜線を施した範囲が、高周波焼入れ部分である。この限定範囲は、ねじ軸２の軸方向および深さ方向について、それぞれ限定された所定の範囲とされる。深さ方向については、有効硬化深さｈが限定範囲として管理される。有効硬化深さｈは、ねじ軸２のねじ溝形形成部２ａの軸表面からの深さであり、ねじ溝４よりも深い値とされる。例えば、ねじ溝４の深さが１mmであると、有効硬化深さｈは１．７mm程度とされる。

ねじ軸２の高周波焼入する軸方向の限定範囲は、この自動車用ボールねじ１の使用時にボール６が転走する軸方向範囲Ｌとされる。なお、軸方向の限定範囲は、有効硬化深さｈが確保される軸方向範囲のことであり、この範囲の両側に、硬化深さが次第に浅くなる部分が生じる。この自動車用ボールねじ１は、変速機用等に用途の特定されたものであるため、使用時にボール６が転走する軸方向範囲Ｌは定まっており、この軸方向範囲Ｌの両側に延びるねじ溝部分は、ねじ溝４の転造等による加工や、ナット３の組立等の都合で形成される部分である。

ねじ軸２の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量は１〜１０％、未焼入れ部分の残留オーステナイト量が零とされる。

ねじ軸２の 高周波焼入れを施す範囲は、上記のようにボール６が転走する軸方向範囲Ｌだけで良いが、それ以上の範囲に設定されていても良い。しかし、いずれの場合であっても、ねじ溝４が形成された軸径部分２ａの両端部に焼逃げ部分１８を設けることが好ましい。この焼逃げ部分１８の長さＡは、少なくともねじ溝形成部分２ａとなる軸径部分の軸径ｄの半分以上、つまり１／ｄ以上とすることが好ましい。また、高周波焼入れされたねじ溝４の表面粗さは、Ｒａ０．１以下とすることが好ましい。
なお、ナット３のねじ溝５の内面の表面粗さは、ねじ軸２のねじ溝４の表面粗さと同等にすることが好ましい。
ねじ軸２におけるカップリング嵌合部２ｄについても、高周波焼入れを施すことが好ましい。

高周波焼入れの処理には、円筒状のコイル（図示せず）を用い、焼入れしようとする区間だけ、コイル電流を流しながら、ねじ軸２に対して移動させ、焼入れを行う。例えば、カップリング嵌合部２ｄ等のように、短い区間の場合は、ワンショットでコイルを移動させずに処理を行う。

図６は、ねじ軸２の製造過程を示す。ねじ軸２は、丸棒状の素材を定寸切断し（Ｓ１，，Ｓ２）、両側の支持部となる小径軸部２ｂ，２ｃの加工を行う。この後、ねじ溝形成部２ａとなる部分の外径面のセンタレス加工を行い（Ｓ３）、ねじ溝成形部２ａのねじ溝４の転造加工を行う（Ｓ５）。この転造の後、必要部分の高周波焼入れを行い（Ｓ６）、曲がり直し（Ｓ７）、およびスケール除去（Ｓ８）を行う。この後、軸端の小径軸部２ｂ，２ｃの円筒研削を行い（Ｓ９）、洗浄（Ｓ１０）して、ねじ軸２が完成する。

この構成の自動車用ボールねじ１によると、ねじ軸２は、必要最小限となるボール６が転走する軸方向範囲Ｌおよびカップリング嵌合部２ｄのみに高周波焼入れを施し、その他の部分は熱処理を未処理としたため、じん性に優れたものとなる。そのため、ねじ軸１が折損し難く、万一破損しても、その破損の形態が折損ではなく曲がりとなり、事故に繋がるような損傷とならず、安全性が高いものとなる。また、必要な部分のみに熱処理を施すことで、熱処理時間の短縮となり、低コスト化が可能である。
焼入れ方法として高周波焼入れを採用するため、浸炭焼入れ等と異なり、選択的に限定範囲のみに焼入れを施すことが容易である。また、残留オーステナイト量を、ねじ軸２の高周波焼入れされた部分では１〜１０％、未焼入れ部分では零とするため、じん性についてより優れたものとなる。高周波焼入れの場合、その焼入れ方法の特徴として残留オーステナイト量が少いが、その残留オーステナイト量を上記範囲に限定することにより、一層のじん性の向上が図れ、また使用時の温度が高温となったり、また経年使用した場合の寸法変化についても更に安定したものとなる。

ねじ軸２の両端部には焼逃げ部分１８を設けているため、高周波焼入れ時のオーバーヒートを防止することができる。この焼逃げ部分１８が、ねじ溝形成部２ａの径ｄの半分未満であると、オーバーヒートの防止効果を十分に得ることが難しいが、半分以上としたたは、オーバーヒートを十分に防止することができる。

また、ねじ軸２は、カップリング嵌合部２ｄにも高周波焼入れを施しているため、カップリング嵌合部２ｄの耐摩耗性が優れたものとなる。カップリング嵌合部２ｄは、モータの反転動作のトルクが作用し、繰り返し荷重を受けるため、耐摩耗性が要求される。この要求に対して、高周波焼入れを施すことで、表面硬さが硬くし、耐摩耗性を確保することができる。

ねじ軸２の高周波焼入れされた部分のねじ溝表面の表面粗さはＲａ０．１以下と小さくしてあるため、ボール６の転走に対する寿命に優れたものとなる。
転造加工されたねじ軸２は、低コスト化のためにはその焼入れ時に発生するスケールを除去する程度で使用できる必要がある。浸炭焼入れの場合は、表面異常層（粒界酸化膜）の除去を行わないと、表面部が脆いため、短寿命の原因となる。しかし、高周波焼入れされたねじ溝内面である転走面は、浸炭焼入れと異なり、表面異常層が発生しないため、表層の品質が高い。そのため、上記スケール除去の処理（Ｓ８）として、ナイロンブラシ等の比較的柔らかい仕上げ部材での表面仕上げが可能である。その結果、高周波焼入れ後、スケール除去したのみの転走面は転造時の表面粗さが殆ど残っており、Ｒａ０．１以下の表面が容易に得られる。

図８〜図１０は、これらの実施形態に係るボールねじ１，１Ａを使用した自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）におけるシフト機構の一例を示す。このシフト機構３０は、ハウジング３１内に複数本平行に設置された進退自在な任意のシフトレール３２を、その長手方向（Ｙ方向）に移動させることで、シフト動作、つまり変速ギヤ（図示せず）の切換を行うものである。各シフトレール３２は、切欠３２ａを有していて、図９のシフトフィンガ３３が係合可能である。このシフトフィンガ３３の係脱により、進退動作させるシフトレール３２が選択される。

シフトフィンガ３３を上記選択のために進退させるを動作に、第１のモータ３４および第１のボールねじ３６が用いられる。また、シフトフィンガ３３を揺動させてシフトレール３２を進退させる動作に、図１０の第２のモータ３５および第２のボールねじ３７が用いられる。図９の第１のボールねじ３６には、図６，図７に示した実施形態のボールねじ１Ａが用いられる。図１０の第２のボールねじ３７には図１ないし図５に示した実施形態のボールねじ１が用いられる。

図９において、ハウジング３１に第１のシャフト部材３８が進退自在に設置され、その外周にスリーブ３９が進退のみ自在に嵌合している。スリーブ３９は、第１のシャフト３８と一体に回動が可能である。このスリーブ３９に、上記シフトフィンガ３４が設けられている。第１のシャフト部材３８と平行に、第１のボールねじ３６のねじ軸２が配置されてハウジング３１に回転自在に支持され，ねじ軸２の一端は第１のモータ３４の出力軸にカップリング４０を介して回転伝達可能に連結されている。ボールねじ３６のナット３は、溝１６（図６，図７）を有していて、この溝１６に、スリーブ３９に設けられた係合片４１がナット進退方向に係合する。この係合のため、モータ３４でボールねじ３６のねじ軸２を回転させることにより、そのナット３が進退し、ナット３と共に、スリーブ３９およびシフトフィンガ３３を進退させることができる。この進退により、任意のシフトレール３２の切欠３２ａにシフトフィンガ３３を係合させることができる。

図１０において、第２のボールねじ３７のねじ軸２は、ハウジング３１に回転自在に設置されていて、モータ３５の出力軸にカップリング４２を介して回転伝達可能に連結されている。ボールねじ３７のナット３に設けられたトラニオン軸部１６は、レバー４４に設けられた係合切欠４４ａに係合している。レバー４４は、ハウジング３１に支持部４５によって回動自在に支持された回動シャフト４６と一体に固定されており、回動シャフト４６の軸心回りに正逆揺動自在である。第２のモータ３５により第２のボールねじ３７のねじ軸２を回転させると、ナット３が進退し、このナット３の進退により、レバー４４と共に回動シャフト４６が回動させられる。回動シャフト４６は、図９の第１のシャフト３８と平行に設けられていて、レバー等の駆動伝達手段（図示せず）を介し、その回動を第１のシャフト３８に伝達可能である。このため、第２のモータ３５で第２のボールねじ３７のねじ軸２を回転させ、これによりそのナット３を進退させることにより、レバー４４、回動シャフト４６、および第１のシャフト３８を介してスリーブ３９が回動させられる。このスリーブ３９の回動により、そのシフトフィンガ３４が係合したシフトレール３２を進退させ、変速ギヤ（図示せず）の切換動作が行える。

この自動マニュアルトランスミッションは、このように２つのボールねじ３６，３７を備えていて、これらのボールねじ３６，３７に、前記各実施形態の自動車用ボールねじ１Ａ，１がそれぞれが用いられる。

この発明の第１の実施形態に係る自動車用ボールねじのねじ軸を示す半裁断面図である。 同自動車用ボールねじの全体の正面図である。 同自動車用ボールねじの一部省略断面図である。 そのねじ軸の正面図である。 同ねじ軸のねじ溝の接触角の説明図である。 ねじ軸の製造工程の工程説明図である。 この発明の他の実施形態にかかる自動車用ボールねじの正面図である。 同ボールねじを用いた手動マニュアルトランスミッションの切換機構の平面図である。 図８のＡ−Ａ線拡大断面図である。 図８のＢ−Ｂ線拡大断面図である。

符号の説明

１…自動車用ボールねじ
２…ねじ軸
２ａ…ねじ溝形成部分
２ｂ，２ｃ…小径軸部
２ｄ…カップリング嵌合部
３…ナット
７…循環部品

Claims (6)

1. 自動車用アクチュエータに使用される自動車用ボールねじであって、ボールを転走させるねじ溝が対向して形成されたねじ軸およびナットと、前記対向するねじ溝間に介在した複数のボールとを備え、前記ねじ軸は限定された範囲のねじ溝表面が高周波焼入れされ、前記ねじ軸の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量が１〜１０％、未焼入れ部分の残留オーステナイト量が零であることを特徴とする自動車用ボールねじ。
2. 請求項１において、高周波焼入れを行う前記限定された範囲が、このボールねじの使用時にボールが転走する軸方向範囲である自動車用ボールねじ。
3. 請求項１または請求項２において、ねじ軸のねじ溝が形成された軸径部分の両端部に焼逃げ部分を設け、この焼逃げ部分の長さを、少なくとも前記軸径部分の軸径の半分以上とした自動車用ボールねじ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記ねじ軸が端部にカップリング嵌合部を有し、このカップリング嵌合部に高周波焼入れを施した自動車用ボールねじ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記ねじ軸の材質は、中炭素鋼以上の炭素量を含有した鋼材である自動車用ボールねじ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、高周波焼入れされたねじ溝表面の表面粗さがＲａ０．１以下である自動車用ボールねじ。
   

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