JP2009299739A - ボールスプライン - Google Patents

Abstract

【課題】 過大トルクを受けた場合でもスプライン軌道に圧痕が生じることを防止したボールスプラインを提供する。
【解決手段】 スプライン外筒4には、捩り剛性を低下させるために、孔14または切欠きなどが設けられており、ねじ軸2の捩れに追従するようにその剛性が設定されている。これにより、ねじ軸2に捩れを起こさせる力が作用した場合、ねじ軸2の捩れに対応して、スプライン外筒4にも捩れが生じる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、ボールスプラインに関し、特に、過大トルクを受けやすい条件下で使用されるボールスプラインに関する。

ボールスプラインはボールねじと組み合わされて、電動アクチュエータ用や緩衝器用としてよく使用されており、例えば、特許文献１には、ボールねじナットにモータを接続することで、ボールねじナットが回転して、上下にのびるねじ軸が軸方向に直線移動する形態とされたボールねじを緩衝器に適用することが開示されている。
特開２００５−２６４９９２号公報

ボールスプライン付きボールねじを使用するアクチュエータや緩衝器では、ねじ軸が高速移動、ボールねじナットが高速回転している状態から、ストッパによって急停止させられる構成とされているものがあり、この場合、ボールねじに過大な衝撃荷重が入り、過大トルクが発生して、そのトルクによってスプライン軌道に圧痕が生じることがある。

この発明の目的は、過大トルクを受けた場合でもスプライン軌道に圧痕が生じることを防止したボールスプラインを提供することにある。

この発明によるボールスプラインは、スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備えているボールスプラインにおいて、スプライン外筒は、軸の捩れに追従するようにその剛性が設定されていることを特徴とするものである。

ボールスプラインは、好ましくは、ボールねじと組み合わされて、ボールねじ軌道および軸方向にのびるスプライン軌道が設けられたねじ軸と、ねじ軸のボールねじ軌道にボールを介してねじ合わされた回転自在のボールねじナットと、スプライン軌道にボールを介して嵌め合わされてねじ軸の軸方向直線運動を案内するボールスプライン外筒とからなるものとされる。

このようなボールスプライン付きボールねじでは、ボールスプラインは、ボールスプライン外筒がキーなどの回り止め部によってハウジングに対して回り止めされ、スプライン外筒内の軸方向に複数個並んだボールを介してねじ軸の回転を防止して、ボールねじナットで発生するトルクの反力を受ける。従来のボールスプライン付きボールねじでは、スプライン外筒の捩り剛性がねじ軸の数倍以上とされており、そのため、ねじ軸に過大トルクが作用すると、スプライン外筒に対しねじ軸が捩られることで、スプライン外筒内で軸方向に複数個並んだボールの荷重分担が不均一になり、その分、最大荷重の値が増加し、スプライン軌道に圧痕が生じやすいものとなっていた。捩れ防止のためには、ねじ軸の剛性を上げればよいが、軸径を太くすると、ボールねじ全体が大きくなり好ましくない。この発明のボールスプラインによると、スプライン外筒の捩り剛性と軸の捩り剛性とが近い値とされることで、軸が捩られた際にこれに伴ってスプライン外筒が捩られやすいものとなり、各ボールの荷重分担が均一になることで、最大荷重の増加が抑えられる。

スプライン外筒の捩り剛性と軸の捩り剛性とが一致した場合が最適となるが、スプライン外筒の捩り剛性が軸の捩れに追従するように設定されることで、衝撃荷重が大きくなった場合でも、ボールに負荷される荷重がほぼ均一になり、部分的な面圧増加が防止される。スプライン外筒の捩り剛性は、軸の捩り剛性の軸の捩り剛性の０．５〜１．５倍（±５０％）、より好ましくは、０．９〜１．１倍（±１０％）とされる。

スプライン外筒の捩り剛性を調整するに際しては、捩り剛性を低下させるために、切欠き、孔および薄肉部のうちの少なくとも１つがスプライン外筒に設けられればよく、切欠き、孔および薄肉部の大きさ、数などを適宜調整することで、軸の捩り剛性を基準としたスプライン外筒の捩り剛性目標値を容易に得ることができる。

ねじ軸、ボールねじナットおよびボールスプライン外筒は、例えば、Ｓ４５Ｃ，Ｓ５５Ｃなどの炭素鋼製あるいはＳＡＥ４１５０鋼製とされ、また、ボールは、例えば、軸受鋼（ＳＵＪ２）製とされる。

この発明によるボールスプラインは、ボールねじと組み合わされて、アクチュエータ（モータによってボールねじナットが回転させられ、これにより、ねじ軸が直線移動する形態）として使用されることがあり、緩衝器（ねじ軸が外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ボールねじナットが回転し、モータが発生する電磁力が減衰力となる形態）として使用されることがある。

アクチュエータや緩衝器で使用される場合には、例えば、ボールスプライン付きボールねじと、ボールねじナットに一体化された中空軸と、軸受を介して中空軸を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒を支持するハウジングと、中空軸に固定されたモータロータおよびハウジング内径に固定されたモータステータからなるモータとを備えているものとされる。

ねじ軸は、往復直線移動し、通常、その所定量以上の移動を防止するためのストッパが設けられる。ストッパは、例えば、ねじ軸が所定量以上移動した際にハウジングに当接するフランジ部をねじ軸に設けることで形成することができ、また、ストッパは、ねじ軸と一体に直線移動する部材に形成してもよく、直線移動しない方の部材（ハウジングや中空軸）に設けることもできる。

この発明のボールスプラインによると、スプライン外筒の捩り剛性が軸の捩れに追従するように設定されているので、過大トルクを受けて、軸が捩られた際、これに伴ってスプライン外筒も捩られることになり、スプライン外筒内で軸方向に複数個並んだ各ボールに負荷される荷重が均一になり、最大荷重が増加しない。したがって、過大トルクを受けた場合でも、圧痕が防止され、ボールスプラインの寿命が向上する。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。以下の説明において、上下は、図の上下をいうものとする。

図１は、この発明によるボールスプラインを使用したモータ付きボールねじ装置を示している。

モータ付きボールねじ装置(1)は、ボールねじ軌道(2a)および上下方向にのびるスプライン軌道(2b)が設けられた上下にのびる鋼製ねじ軸(2)と、ねじ軸(2)のボールねじ軌道(2a)にボールを介してねじ合わされた回転自在の鋼製ボールねじナット(3)と、ねじ軸(2)の下端部側においてスプライン軌道(2b)にボールを介して嵌め合わされてねじ軸(2)の上下方向（軸方向）直線運動を案内するボールスプライン外筒(4)と、ボールねじナット(3)に一体化されて上方にのびる中空軸(5)と、軸受(7)を介して中空軸(5)を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒(4)を支持するハウジング(6)と、中空軸(5)に固定された円筒状のモータロータ(9)およびハウジング(6)内径に固定された円筒状のモータステータ(10)からなるモータ(8)とを備えている。

モータ(8)は、永久磁石型三相同期モータとされており、モータロータ(9)が永久磁石とされて、モータステータ(10)にＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相のコイル(10a)が巻かれている。

ねじ軸(2)と中空軸(5)とは、同心状に配置されており、ボールねじ装置(1)は、ボールねじナット(3)、中空軸(5)およびモータロータ(9)を回転させて、ねじ軸(2)を直線移動させる形態で使用される。

中空軸(5)は、ねじ軸(2)を案内する小径部(11)と、内周面がボールねじナット(3)の外周面に固定されかつ外周面に軸受(7)を保持する大径部(12)とからなる。

ボールスプライン外筒(4)は、ねじ軸(2)の回転を防止してその上下移動を案内するために、回り止め部（例えばキー）(13)によってハウジング(6)に対して回り止めされる。

ボールスプライン外筒(4)には、キー溝とは別に、捩り剛性低下手段としての複数の孔(14)が設けられている。

このモータ付きボールねじ装置(1)は、例えば、自動車の電磁緩衝器用として使用するのに適している。電磁緩衝器は、タイヤから伝わる外力によってねじ軸(2)が軸方向に直線移動し、これに伴って、ボールねじナット(3)および中空軸(5)が回転し、この回転運動をモータ(8)に取り込んで、モータ(8)で発生する電磁力を減衰力として利用するようになっている。

このような電磁緩衝器は、突起乗り越し等のオーバストローク時には、ねじ軸(2)と一体で上下移動するバンプストッパがハウジング(6)等に衝突することにより、高速回転していたモータ(8)が急停止し、モータ(8)の慣性トルクにより過大トルクがボールスプラインのスプライン軌道(2b)などに負荷されることがあり、その保護が課題となっている。

そこで、この発明によるボールスプラインでは、ボールスプライン外筒(4)に着目し、従来のボールスプライン外筒は捩り剛性が高く、ねじ軸(2)の捩れに対して自身が捩れないことで、ねじ軸(2)の捩れの増加に伴ってボールに負荷される荷重が増加するのに対し、捩り剛性を低下させるための手段（図１に示す例では孔）(14)がスプライン外筒(4)に設けられることで、スプライン外筒(4)の捩り剛性がねじ軸(2)の捩り剛性に近いものとされている。

捩り剛性を低下させるための手段は、孔(14)（図２（ａ）参照）に代えて、図２（ｂ）に示すように、切欠き(15)としてもよく、図２に示す孔(14)または切欠き(15)と同じ位置および同じ大きさの薄肉部としてもよい。ボールスプライン外筒(4)には、スプライン軌道(4a)が設けられており、孔(14)、切欠き(15)等は、スプライン軌道(4a)を外す位置に設けられる。

捩り剛性を低下させる手段としての孔(14)などが設けられたスプライン外筒(4)を有しているボールスプラインによると、図３（ａ）に示す通常状態において、ねじ軸(2)上方においてねじ軸(2)に捩れを起こさせる力が作用すると、ねじ軸(2)が捩られて、図の上側で捩れ量が大となる。この際、ボールスプライン外筒(4)がねじ軸(2)の捩れに追従しやすくなっているので、図３（ｂ）に示すように、ねじ軸(2)の捩れに対応して、スプライン外筒(4)にも捩れが生じる。

したがって、従来のボールスプラインに過大トルクが作用した場合には、図４（ａ）に示すように、ねじ軸(2)が捩れて、そのスプライン軌道溝(2b)が図の二点鎖線で示されている位置まで変形し、この際、スプライン外筒(24)は、捩れ剛性が高く実質的に変形しないので、ねじ軸(2)の捩れ量に相当する力がそのままボール(16)に作用することになる。そのため、ボール(16)の荷重分担の増加量がスプライン軌道(24a)の上部において大きくなり、この部分にあるボール(16)は、同図に矢印で示すように、捩れが大きい上側でより大きな力を受け、この部分のスプライン軌道(2b)(24a)に圧痕が生じる可能性が高くなる。

これに対し、この発明によるボールスプラインでは、上記のように、ボールスプライン外筒(4)がねじ軸(2)の捩れに追従するので、ねじ軸(2)のスプライン軌道溝(2b)が図の二点鎖線で示されている位置まで変形すると、ボールスプライン外筒(4)のスプライン軌道(4a)も図の二点鎖線で示されている位置まで変形し、ボール(16)の荷重分担の増加量としては、ねじ軸(2)の捩れ量とスプライン外筒(4)の捩れ量との差に相当する分だけとなり、ボール(16)への負荷が均一化される。これにより、スプライン軌道(2b)(4a)に圧痕が生じることが防止される。

なお、上記のボールスプライン付きボールねじ(1)は、電磁緩衝器用として説明したが、これに限られるものではなく、電動アクチュエータとして使用することもできる。この場合、モータ(8)の回転駆動力をボールねじナット(3)を介してねじ軸(2)の軸方向推力に変換し、推力の軸方向反力を軸受(7)で支持してねじ軸(2)を直線運動させ、ねじ軸(2)に作用する軸方向荷重をボールねじナット(3)で負荷するとともに、トルクをボールスプライン外筒(4)で支持した形態での使用となる。

図１は、この発明によるボールスプラインが使用されたボールねじ装置を示す縦断面図である。 図２は、この発明のボールスプラインのボールスプライン外筒のいくつかの例を示す斜視図である。 図３は、この発明のボールスプラインの軸にトルクが作用したときの状態を示す斜視図である。 図４は、この発明のボールスプラインの特徴部分を模式的に示す図である。

符号の説明

(2) ねじ軸（軸）
(2b) スプライン軌道
(4) ボールスプライン外筒
(6) ハウジング
(14) 孔
(15) 切欠き
(16) ボール

Claims (2)

1. スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備えているボールスプラインにおいて、
   スプライン外筒は、軸の捩れに追従するようにその剛性が設定されていることを特徴とするボールスプライン。
2. 捩り剛性を低下させるために、切欠き、孔および薄肉部のうちの少なくとも１つがスプライン外筒に設けられていることを特徴とする請求項１のボールスプライン。

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