JP2006349060A

JP2006349060A - ボールねじ

Info

Publication number: JP2006349060A
Application number: JP2005176503A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Kazuno; 恵介数野
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28
Also published as: EP1734285A2; DE602006019521D1; US20070000342A1; US7536928B2; EP1734285A3; EP1734285B1

Abstract

【課題】
ラジアル荷重やモーメント荷重が負荷される使用条件下において、耐久性の向上を図ったボールねじを提供する。
【解決手段】
循環式のボールねじにおいて、ねじ溝とボールとの接触角αが２０〜４０°、かつ、ボール径がリードＬの７５〜１１０％の範囲にそれぞれ設定されていると共に、ねじ溝の溝深さＨが、ボール径の３５％以下に設定されている。これにより、ボールねじに純スラスト荷重以外にラジアル荷重やモーメント荷重の複合荷重が負荷される自動車用アクチュエータの駆動部において、ボールねじ内におけるボールの負荷分布が均一化されると共に、各負荷ボールの接触面圧の低減によってボールねじの耐久性が向上する。
【選択図】図４

Description

本発明は、多数のボールが転動する螺旋状のねじ溝が形成されたボールねじ、特に、特にスラスト荷重だけでなく、ラジアル荷重やモーメント荷重の複合荷重が作用するボールねじに関する。

ボールねじは、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、円筒面内に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝で構成されたボール転動路内に転動自在に収容された多数のボールとからなり、ねじ軸あるいはナットの回転を軸方向の並進運動に変換する機械要素である。一般的に、産業機械や位置決め機構等に使用されるボールねじは、主として純スラスト荷重のみを負荷する構造になっている。したがって、このボールねじにラジアル荷重やモーメント荷重が直接ナットやねじ軸に負荷される、例えば、リニアガイドなしで単独で使用される場合、内部の荷重負荷分布にアンバランスが生じるため、ボールねじと別の構成部品を併設して使用されるのが通常であった。

然しながら、自動車用のアクチュエータ等に使用されるボールねじにおいては、コンパクト化を狙って、アクチュエータの構造上の制約や低コスト化の要求に対応するために、ボールねじにスラスト荷重とラジアル荷重およびモーメント荷重の複合荷重が負荷されることが、むしろ一般的となっている。例えば、エンジンの可変バルブ機構やトランスミッションに使用されるアクチュエータがそれに当る。

ボールねじに、純スラスト荷重以外にラジアル荷重やモーメント荷重の複合荷重が負荷された場合、ボールねじの内部負荷分布が不均一となり、負荷ボールが減少することによりその接触面圧が増大してボールねじの耐久性を著しく低下させる恐れがある。こうした問題を解決したものとして、本出願人は図５に示すボールねじを既に提案している。

このボールねじ５１は、外周面に螺旋状のねじ溝５４が形成されたねじ軸５２と、このねじ軸５２に外嵌され、内周面にねじ溝５４に対応する螺旋状のねじ溝５５が形成されたナット５３と、対向する両ねじ溝５４、５５によって形成された転動路に転動自在に収容された複数のボール５６と、ナット５３のねじ溝５５を連結する駒部材５７とを備え、この駒部材５７が、ナット５３の両端部で、かつ、モーメント荷重が発生する方向に対して円周方向に略９０°傾けてそれぞれ配設されることにより、ナット５３の中央部分のボールを廃止することができる。これにより、低コストで、かつ、ボールねじ５１のラジアル荷重およびモーメント荷重に対する負荷能力が増大し、耐久性が向上する。
特開２００４−１６９７４０号公報

然しながら、この従来のボールねじ５１において、ラジアル荷重とモーメント荷重が発生する方向が一定の場合は有効であるが、そのラジアル荷重とモーメント荷重が発生する方向が複数存在したり、また、ボールねじ５１をナット５３の回転で使用する場合においては、その効果が期待できないばかりか、逆に耐久性を低下させてしまう恐れがあった。

本発明は、こうした従来の問題を解決し、ラジアル荷重やモーメント荷重が負荷される使用条件下において、耐久性の向上を図ったボールねじを提供することを目的とする。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝で構成された転動路に転動自在に収容された複数のボールと、内周に連結溝が形成され、前記ナットのねじ溝を連結する駒部材とを備えたボールねじにおいて、前記ねじ溝とボールとの接触角が２０〜４０°の範囲に設定されている構成を採用した。

このように、駒式のボールねじにおいて、ねじ溝とボールとの接触角が２０〜４０°の範囲に設定されているので、ボールねじに純スラスト荷重以外にラジアル荷重やモーメント荷重の複合荷重が負荷される自動車用アクチュエータの駆動部において、ボールねじ内におけるボールの負荷分布が均一化されると共に、各負荷ボールの接触面圧の低減によってボールねじの耐久性が向上する。

好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記ボールの外径がリードの７５〜１１０％の範囲に設定されていれば、スラスト荷重に対する負荷容量の低下を防止することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、前記ねじ溝の溝深さが前記ボールの外径の３５％以下に設定されていれば、ランド部の長さが実質的に長くなり、リードを小さく設定することができる。これにより、ボールねじの回転トルクを小さくでき、モータの小型化やモータの消費電力を低減することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、前記ボールねじが自動車用アクチュエータの駆動部に使用されるボールねじであれば、ボールねじの寿命向上によってアクチュエータの耐久性が向上する。

本発明に係るボールねじのねじは、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝で構成された転動路に転動自在に収容された複数のボールと、内周に連結溝が形成され、前記ナットのねじ溝を連結する駒部材とを備えたボールねじにおいて、前記ねじ溝とボールとの接触角が２０〜４０°の範囲に設定されているので、ボールねじに純スラスト荷重以外にラジアル荷重やモーメント荷重の複合荷重が負荷される自動車用アクチュエータの駆動部において、ボールねじ内におけるボールの負荷分布が均一化されると共に、各負荷ボールの接触面圧の低減によってボールねじの耐久性が向上する。

外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外嵌され、内周面に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、対向する両ねじ溝で構成された転動路に転動自在に収容された複数のボールと、内周に連結溝が形成され、前記ナットのねじ溝を連結する駒部材とを備えたボールねじにおいて、前記ねじ溝とボールとの接触角が２０〜４０°、かつ、前記ボールの外径がリードの７５〜１１０％の範囲にそれぞれ設定されていると共に、前記ねじ溝の溝深さが前記ボールの外径の３５％以下に設定されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明に係るボールねじを示す正面図、図１（ｂ）は縦断面図である。
このボールねじ１は、外周に螺旋状のねじ溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外挿され、内周にねじ溝２ａに対応する螺旋状のボールねじ溝３ａが形成されたナット３と、両ねじ溝２ａ、３ａ間に転動自在に収容された多数のボール４と、円筒状のナット３の胴部に装着され、ねじ溝３ａを連結する連結溝５ａが形成された駒部材５とを備えている。そして、ねじ溝２ａ、３ａによりボール転動路が構成され、駒部材５の連結溝５ａによって多数のボール４が無限循環することができる。

ここで、ねじ溝２ａ、３ａは、ボール４の半径よりも僅かに大きい曲率半径からなる２つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ溝に形成されている。無論、ねじ溝２ａ、３ａは、このゴシックアーチ形状以外にも、例えば、ボール４とサーキュラコンタクトする円弧状の形状であっても良い。

ナット３の外周面には、ナット３の軸線に対し直交する一対の円柱状のトラニオン軸部６が互いに反対方向に突設されている。そして、図示しないハウジングにこのトラニオン軸部６を嵌挿してナット３の回り止めをすると共に、ボールねじ１は、トラニオン軸部６でナット３の軸線回りに揺動自在に支持されて使用される。

駒部材５の連結溝５ａの深さは、ボール４がこの連結溝５ａ内で、ねじ軸２におけるねじ溝２ａのランド部２ｂを乗り越えることができる深さに形成されている。さらに、駒部材５内でのボール軌道空間を確保して駒部材５内を無負荷領域となるように構成されている。

自動車用のアクチュエータ等に使用されるボールねじにおいては、スラスト荷重に対して負荷容量が高くなるように、一般的に、ボールとねじ溝との接触角は４５°前後に設定されている。しかし、本実施形態では、接触角は溝底側にシフトして設定されている。すなわち、ラジアル荷重に対して負荷容量が高くなるように２０〜４０°の範囲に設定されている。このように接触角を従来より小さく設定することにより、ボールねじ１内におけるボール４の負荷分布が均一化されると共に、各負荷ボール４の接触面圧の低減によってボールねじ１の耐久性が向上する。

ここで、ボール４の接触角を溝底側にシフトするには、ねじ溝２ａ、３ａを形成するねじ溝加工用工具、例えば、ねじ軸２を転造加工により成形し、ナット３をタップ加工により切削加工する場合においては、転造用のロールダイスの溝形状を変更すると共に、タップ工具の刃先形状を変更するだけで容易に対応することができる。

一方、ボール４の接触角を小さくすると、スラスト荷重に対する負荷容量が低下するため、ここでは、ボール４の外径を大きくして負荷容量の低下を防止している。通常、この種のボールねじにおけるボール径は、ねじ溝のリードに対して６５〜７０％の範囲に設定されている。これは、ボール循環機構としてリターンチューブ方式が採用されてきたことに起因している。すなわち、リターンチューブ式におけるボールねじの循環巻数は１．５〜３．５巻きとされ、ボールが隣接するねじ溝に連続して収容されると共に、リターンチューブをナットに挿入する時、ねじ溝とこのリターンチューブとが適切な間隔を保って配置される必要があるため、必然的にリードの６５〜７０％のボール径を使用せざるを得なかったためである。

本実施形態では、ボール循環機構として駒方式を採用したため、循環巻数は１以下となり、例えば、隣接するねじ溝３ａ、３ａにボール４を連続して収容させる必要がないため、ボール４の外径を従来に比べ大きく設定することができる。ここでは、ボール径はリードの７５〜１１０％に設定されている。

図２は、従来のボールねじ、つまり接触角が４５°の駒方式のボールねじにおいて、接触角を順次小さく変更して算出した寿命計算結果を示すグラフである。ここで、ねじ軸の軸径は１５ｍｍ、リードは３．５ｍｍ、循環列数は２列、ボール径は２．３８１ｍｍ（リードの６８％）、ラジアルすきまは０．０１５ｍｍである。また、負荷条件としては、ラジアル荷重Ｆｒおよびスラスト荷重Ｆａがそれぞれ２００Ｎである。

このように、ラジアル荷重Ｆｒとスラスト荷重Ｆａの複合荷重がボールねじに負荷される使用条件では、接触角が２０〜４０°の範囲で寿命が向上する（１．１〜２．１倍）。ただし、接触角が１５°になると寿命は０．８倍に低下することが判った。

図３は、接触角４５°のボールねじと、図２に示す寿命計算結果で最も寿命が向上した接触３０°のボールねじの接触面圧を示すグラフである。このように、ラジアル荷重Ｆｒとスラスト荷重Ｆａの複合荷重がボールねじに負荷される使用条件では、接触角４５°に比べ、接触角３０°のボールねじでは、ボールの負荷分布が均一化されることが判る。これは、ボールの弾性変形によってナットが変位し、荷重と釣り合うためと推察できる。すなわち、図１において、ラジアル荷重Ｆｒに対してナット３は下方向に変位し荷重と釣り合うため、ねじ溝３ａと接触して負荷を受けるボール４はナット３の上側に集中し、下側のボール４は非接触状態となって負荷を受けないが、接触角が４５°から３０°に小さく設定されることにより、ボール４の接触点が溝底側にシフトしてラジアル荷重を受け易くなるので、ボール４の弾性変位量が減少し、ナット３の下方向への変位量が小さくなる。これにより、ねじ溝３ａと接触するボール４、所謂負荷ボール４が増加する。図３に示す計算結果から明確なように、一列目のボール４（ボール番号１〜１８）は全て接触状態となり、二列目のボール４（ボール番号１９〜３６）においても負荷ボール４の数が増加することが判った。

さらに、負荷されるボール４の増加に加え、ラジアル荷重Ｆｒに対する負荷容量が増加し、最大接触面圧（図中Ａ部）が減少することが判る。この最大接触面圧の減少によってボールねじ１の寿命が増加し、アクチュエータの耐久性が向上する。

図４（ａ）はボールねじの溝部の形状を示しているが、ボール径を２．３８１ｍｍとした場合、従来のボールねじのように、接触角αを４５°、リードＬが３ｍｍ、そして、溝深さＨがボール径の４０％であれば、ランド部の長さＬＡは０．６４ｍｍとなる。これに対して、（ｂ）に示すように、リードＬが従来と同じ３ｍｍで、接触角αを３０°とし、溝深さＨをボール径の３１％に設定することにより、ランド部の長さＬＡは０．７４ｍｍとなり、従来のランド部長さＬＡよりも０．１ｍｍ増加する。

一方、ランド部の長さＬＡを従来と同じ０．６４ｍｍに設定した場合、（ｃ）に示すように、接触角αを３０°とし、溝深さＨをボール径の３１％に設定することにより、リードＬが２．９ｍｍとなり、従来のリードＬよりも０．１ｍｍ小さくすることができる。すなわち、接触角αを小さく設定することにより、ねじ溝の深さＨ、すなわち、溝底に対する肩高さを小さくすることができ、また、ねじ溝間のランド部の長さＬＡを従来と同じに設定すれば、リードＬを小さくすることができる。

ここで、ボールねじに負荷されるスラスト荷重Ｆａと、ボールねじに発生する回転トルクＴとの関係は、Ｔ＝ＦａＬ／２πηで表わすことができる。この関係式から解るように、ボールねじに発生する回転トルクＴはリードＬにリニアに比例する。ηはボールねじの効率で概ね０．９とした場合、前述したように、リードＬが３ｍｍから２．９ｍｍに小さくなることによって、回転トルクＴが略３．５％低減できる。したがって、リードＬを小さくすることによって、アクチュエータへ荷重負荷により発生する回転トルクを小さくでき、モータの小型化やモータの消費電力を低減することができる。さらに、溝深さを小さく設定することにより、加工工数や加工抵抗を低減させることができ、ボールねじの低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係るボールねじは、自動車用アクチュエータの駆動部に用いられるボールねじに適用できる。

（ａ）は、本発明に係るボールねじを示す正面図である。（ｂ）は、同上、縦断面図である。駒方式のボールねじにおいて、接触角と寿命との関係を示すグラフである。駒方式のボールねじにおいて、接触角が４５°と３０°の場合における各ボールに発生する接触面圧を示すグラフである。ボールねじにおける溝部の形状を示す説明図で、（ａ）は、接触角４５°で、溝深さがボール径の４０％の場合を示している。（ｂ）は、接触角３０°で、溝深さがボール径の３１％の場合を示している。（ｃ）は、同上、接触角３０°、溝深さがボール径の３１％で、リードを接触角４５°のボールねじと同じにした場合を示している。従来のボールねじを示す縦断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・ボールねじ
２・・・・・・・・・・・ねじ軸
２ａ、３ａ・・・・・・・ねじ溝
２ｂ・・・・・・・・・・ランド部
３・・・・・・・・・・・ナット
４・・・・・・・・・・・ボール
５・・・・・・・・・・・駒部材
５ａ・・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・・トラニオン軸部
５１・・・・・・・・・・ボールねじ
５２・・・・・・・・・・ねじ軸
５３・・・・・・・・・・ナット
５４、５５・・・・・・・ねじ溝
５６・・・・・・・・・・ボール
５７・・・・・・・・・・駒部材
Ｆａ・・・・・・・・・・スラスト荷重
Ｆｒ・・・・・・・・・・ラジアル荷重
Ｈ・・・・・・・・・・・溝深さ
Ｌ・・・・・・・・・・・リード
ＬＡ・・・・・・・・・・ランド部の長さ
Ｔ・・・・・・・・・・・ボールねじの回転トルク
α・・・・・・・・・・・接触角
η・・・・・・・・・・・ボールねじの効率
π・・・・・・・・・・・円周率

Claims

外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、
このねじ軸に外嵌され、内周面に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、
対向する両ねじ溝で構成された転動路に転動自在に収容された複数のボールと、
内周に連結溝が形成され、前記ナットのねじ溝を連結する駒部材とを備えたボールねじにおいて、
前記ねじ溝とボールとの接触角が２０〜４０°の範囲に設定されていることを特徴とするボールねじ。
前記ボールの外径がリードの７５〜１１０％の範囲に設定されている請求項１に記載のボールねじ。
前記ねじ溝の溝深さが前記ボールの外径の３５％以下に設定されている請求項１または２に記載のボールねじ。
前記ボールねじが自動車用アクチュエータの駆動部に使用される請求項１乃至３いずれかに記載のボールねじ。