JP2013061039A

JP2013061039A - 転がり案内装置

Info

Publication number: JP2013061039A
Application number: JP2011200953A
Authority: JP
Inventors: Toru Takahashi; 徹高橋; Yoshihiro Hamada; 喜大濱田
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-04-04

Abstract

【課題】可及的に許容荷重を大きくでき、耐久性向上を図り得るボール転走溝形状を備えた転がり案内装置を提供する。
【解決手段】軌道部材と、該軌道部材に沿って移動自在に設けられる移動部材と、前記軌道部材と移動部材に互いに対向するように設けられた断面円弧状のボール転走溝間に転動自在に介在される多数のボールと、を備えた転がり案内装置において、前記ボール転走溝または負荷ボール転走溝の両端部が、接触角線を中心として中心角の９０°以上に設けられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械、ロボット等、各種の運動案内部に適用可能な転がり案内装置に関する。

転がり案内装置は、軌道部材のボール転走溝と移動部材の負荷ボール転走溝の対向面間にボールが転走自在に介装された構造で、ボール転走溝の形状として、従来から断面円弧形状のサーキュラーアーク溝が知られている。

特開平１０−１４１３７０号公報（図５（ｂ）参照）

この転がり案内装置では、近年のコスト削減の要求から、安全係数を小さくして使用するような過酷な使用条件もあり、使用条件によっては、使用荷重が許容荷重を越える場合があり、そうなると、ガイドの動きが不安定になる。
これは、ヘルツの弾性理論によれば、ボールが転走時に接触して生じる接触幅が転走溝の中心角幅を越えるために、生じることが分かっている。
なお、例えば、特許文献１では、この対策として負荷ボール転走溝を深くしているが、ボールがボール転走溝と負荷ボール転走溝に接してなる接触角線は、溝断面を二分する中心線に対して区分される２つの円弧のうち、一方の円弧の範囲に傾斜しており、有効接触幅は一方の円弧の範囲に制限され、他方の円弧は有効接触幅には寄与していないことから、結果的に他方の接触幅が転走溝の中心角幅を越えて、転がり案内装置の許容荷重も小さくなることが予想される。

本発明の目的は、可及的に許容荷重を大きくでき、耐久性向上を図り得るボール転走溝形状を備えた転がり案内装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、軌道部材と、該軌道部材に沿って移動自在に設けられる移動部材と、前記軌道部材と移動部材に互いに対向するように設けられた断面円弧状のボール転走溝及び負荷ボール転走溝間に転動自在に介在される多数のボールと、を備えた転がり案内装置において、
前記ボール転走溝または負荷ボール転走溝の両端部が、接触角線を中心として中心角の９０°以上に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、苛酷な使用条件においても、許容荷重を大きくでき、すなわち許容荷重を使用荷重で除した比率である許容荷重比を１以上にでき、かつ、耐久性を大幅に向上することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る転がり案内装置の一部破断全体斜視図。図２（Ａ）は図１の装置の断面図、（Ｂ）は方向転換路の構成を示す部分断面図、（Ｃ）はボール転走溝の形状を示す拡大図である。図３は、ラジアル荷重作用時の溝中心角と許容荷重比の関係を示すグラフである。図４（Ａ）、（Ｂ）はボールリテーナを利用する場合の転がり案内装置の半断面図及びボール転走溝の部分拡大断面図、(Ｃ)乃至(Ｅ)はボールリテーナを示すもので、(Ｃ)は一部省略平面図、(Ｄ)は正面図、(Ｅ)はスペーサ部を示す断面図である。図５は図４の転がり案内装置の一部破断全体斜視図である。図６(Ａ)、(Ｂ)はスペーサリテーナを利用する場合の転がり案内装置の半断面図及びボール転走溝の部分拡大断面図、(Ｃ)乃至(Ｅ)はスペーサリテーナを示すもので、(Ｃ)は正面図、(Ｄ)は側面図、(Ｅ)は下面図である。図７はボール転走溝の溝中心角と許容荷重比の関係の説明図である。

以下に本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１、図２は本発明の一実施例に係る転がり案内装置を概略的に示している。
図において、１は総ボール式の転がり案内装置全体を示すもので、この実施の形態では転がり案内装置１として、直線運動案内装置を例示している。すなわち、転がり案内装置１は、軌道部材としての軌道レール２と、この軌道レール２に沿って摺動自在に設けられる移動部材としての移動ブロック３と、軌道レール２と移動ブロック３に互いに対向するように設けられたボール転走溝４，５間に転動自在に介在される多数のボール６と、から構成されている。
軌道レール２は断面矩形状の長尺部材で、左右側面には複数本のボール転走溝４が設けられている。この例では、軌道レール２の左右側面に突条２aが設けられ、突条2aの上下
側面にそれぞれ一対ずつ計４条のボール転走溝４、４が全長にわたって直線状に形成されている。なお、軌道レール２上面には、固定用のボルト挿通孔２ｂが設けられている。

一方、移動ブロック３は、ブロック本体３０と、ブロック本体３０の移動方向両端に取り付けられるエンドキャップ５３と、を備えている。ブロック本体３０は、軌道レール２の上面と対向し、軌道レール２の左右側面に対向する一対の顎部３１，３１を備えたブロック体で、各顎部３１，３１の軌道レール２の左右側面との対向面には、軌道レール２のボール転走溝４に対応して、それぞれ一対ずつ計４条の負荷ボール転走溝５が形成されている。そして、軌道レール２の左右側面と移動ブロック３の左右顎部３１，３１に形成されるボール転走溝４と負荷ボール転走溝５間に、２列ずつ、計４列に配置された多数のボール６が転動自在に介装されている。

この転がり案内装置１は無限循環式で、移動ブロック３には、ボール６の循環路が形成されている。循環路の構成は、図１及び図２(Ｂ)に示すように、ブロック本体３０に負荷ボール転走溝５と平行に設けられた戻し通路５１と、エンドキャップ５３に設けられた、ボール転走溝５と戻し通路５１を連通する方向転換路５２とによって構成され、移動ブロック３の移動とともにボール６は負荷ボール転走溝５の一端から一方のエンドキャップ５３の方向転換路５２を通じて戻し通路５１を経て他方のエンドキャップ５３から負荷ボール転走溝５の他端に戻される。

ボール転走溝４及び負荷ボール転走溝５を軸方向に対して直交する面で切断した断面形状は、単一円弧状、いわゆるサーキュラーアーク溝形状となっており、ボール転走溝４及び負荷ボール転走溝５にそれぞれ一点で接触し、接触部Ｃを結ぶ線を接触角線ＣＬとすると、接触角線ＣＬは、たとえば、上下２列のボール６の接触角線ＣＬ、ＣＬが水平線Ｈに対して外側に開く方向に互いに逆向きに４５°の角度で対称に傾斜する構造（ＤＦ構造）となっている。
特に本実施の形態では、軌道レール２の左右側面のボール転走溝４が２本ずつ複数本設けられているので、初期接触角が一定値に定まる。

図２（Ｃ）は、ボール転走溝４及び負荷ボール転走溝５の形状を拡大したものである。
そして、本発明の実施形態では、軌道レール２及び移動ブロック３のボール転走溝４及び負荷ボール転走溝５の溝断面の円弧の曲率半径Ｒを、たとえば、ボール６の直径の５２％とし、かつボール転走溝４及び負荷ボール転走溝５の溝断面の円弧の接触角線ＣＬのなす角である初期接触角が４５°であり、中心角θが、９０°以上としている。中心角θは、曲率中心とボール転走溝４，５の両側縁とを結ぶ線間の角度である。

すなわち、接触角線ＣＬを挟むように、ボール転走溝４及び負荷ボール転走溝５の端部方向にそれぞれ均等に有効接触幅を有する。そのため、接触角を中心として９０°以上の位置にボール転走溝４，５の端部を設ける。厳密には、ボール転走溝４，５の両側縁は面取りＲが施されており、有効接触幅は、両側縁よりも若干内側となる。すなわち、面取り部分を含まない面取りの開始位置までを有効接触幅としている。
溝断面の曲率半径がボール径Ｄに近くなると、接触部Ｃの接触面積が大きくなるので、許容荷重を大きくするという観点では好ましいが、差動すべりが大きくなる。一方、曲率半径を大きくすると、差動すべりが小さくなるが、接触部Ｃの接触面積が小さくなり、許容荷重が小さくなるという観点では好ましくない。この点で、曲率半径は回転ベアリング等で採用されているボール径の５２％の近辺の値とし、中心角θとの関係で検討した。

中心角θについては、許容荷重を大きくするという観点からは、大きいほど望ましいが、１８０°になると移動ブロック３と軌道レール２が干渉するので、自ずと１８０°以下である。ただ、あまり大きくしても意味がなく、許容荷重を大きくするという観点では、９０°〜１２０°程度とするのが、製造上好ましい。

図３は、ラジアル荷重作用時の溝中心角θと許容荷重比の関係を示すグラフである。
ここで、許容荷重比は、許容荷重を使用荷重で除した値である。
許容荷重比をｙ_１とし、溝中心角をθ°とすると許容荷重比と、溝中心角θの関係は、溝中心角を７０°〜１３０°とする範囲では、二次関数（ｙ_１）として近似することができる。
ｙ_１＝-１．６３３Ｅ-０５ｘ^２+１，２０４Ｅ-０２ｘ+５．４２３Ｅ-０２
となる。
データの始点と終点を結んだ直線は、一次関数（ｙ_２）として表わされる。
ｙ_２＝０．００８ｘ+０．２０３５
である。
これより、溝中心角θが９０°以上のとき、許容荷重比ｙ１は１．０以上となることがわかる。
また、ｙ_１−ｙ_２をとると、９９．２０°のとき、その差分（ｙ_１−ｙ_２）が最大値となる。
許容荷重は、移動ブロック３が剛体で変形しないものとして設定されているが、実際には移動ブロック３は弾性的に変形している。

本発明では、このような変形も考慮して、溝中心角を９０°以上に設定している。すなわち、図２(Ａ)に示すように、この実施の形態では、初期接触角が４５°であるので、下側の負荷ボール転走溝５の下側の溝側縁付近の接線方向は逆ラジアル方向に対して直角となる。逆ラジアル荷重を受けると、移動ブロックの顎部の変形が顕著に表われる。顎部３１が変形して接点が溝側縁に向かって移動したとしても、荷重作用方向に対して直交する面となるので、応力が分散されて溝側縁に集中的に荷重が作用することが防止される。このことは、軌道レール２側のボール転走溝４についても同様である。９０°以上となると、溝側縁の位置はボールの接点から離れるので、より効果が高い。
上記グラフの結果からすると、許容荷重比は、中心角θの大きさに対して正比例的に一
様に増加するのではなく、二次関数に近似されるように、増加率が、あるところまでは高く、それ以降は増加率が低下するような変化となっている。グラフでは、１００°付近、９９．２０°で、一様増加との差分が最大となっている。

ヘルツの接触論による最大ヘルツ応力σmaxは点接触をするボールガイドに対して接触
楕円の長軸半径をａ、短軸半径をｂとすると、

P：玉荷重、m：ヘルツの助変数、n：ヘルツの助変数
E：材料のヤング率、Sr：主曲率和、m：材料のポアソン数
となる。

ところで、許容荷重相当のラジアル荷重が作用したときの接触楕円の長軸半径ａは溝中心角をθ、初期接触角をα、荷重作用下での接触角をβとすると、図７(Ａ)に示すように、幾何学的関係から、

であり、式（２）を式（１）に代入し次式を得る。

式（３）の両辺を許容面圧σ_０で除すると、許容荷重比Ｒは、

となる。

このとき、（β-α）は、接触角変化量を示しており、溝中心角θに依存する値である
が、θ／２を越えることはないため、式（４）の右辺｛｝内の数値は、必ず正の値になる。また、（β-α）はθが大きいほど、大きな値をとるため、図７(Ｂ)に示すように、純
粋なサインカーブよりも若干波形が崩れるが、縦軸に許容荷重比Ｒ、横軸に溝中心角θをとったグラフでは、上に凸の曲線を描くことになる。

また、（β-α）がθに依存しているため、Ｒとθの関係は複雑になるが、図７(Ｂ)に
示すように、二次関数で近似し得る。これらの関係式から、溝中心角θを９０°以上にすることで、ラジアル荷重作用時の許容荷重比が１．９０以上になるので、許容荷重を上げることができる。

なお、研削砥石で軌道レール２のボール転走溝４及び移動ブロックの３の負荷ボール転走溝５を研削できる範囲は１８０°以下であるが、実用的に１２０°までの範囲が好適な範囲である。
以上から、ボール転走溝４、負荷ボール転走溝５の溝中心角θは、７０°〜１３０°の範囲においては、ボールの初期接触角を中心に、９０°から１２０°の範囲が好適な範囲であり、１００°付近に許容荷重比の最適値があると言える。このように、溝中心角θを９０°〜１２０°とすることで、使用荷重が転がり案内装置の許容荷重を越えないように、許容荷重を大きくできるので、転がり案内装置を円滑に案内することが可能となる。

この例は、ラジアル荷重を例にとって説明したが、逆ラジアル荷重についても同様であり、水平方向荷重についても同様である。
ラジアル荷重については、上下の２列のボール列のうち、上側のボール列で荷重を受けるが、逆ラジアル荷重については、下側のボール列で荷重を受ける。また、水平方向荷重については、上下２列のボール列で荷重を受けるもので、本願発明のように、溝中心角９０°〜１２０°に設定することにより、四方向のいずれの荷重が作用しても、耐久性を向上させることができる。また、モーメント荷重についても、各ボールに作用する荷重という観点では同様である。

なお、上記実施の形態では、総ボール方式について説明したが、総ボール方式に限定されるものではなく、たとえば、図４（Ａ）、（Ｂ）及び図５に示すようなボールを保持する可撓性のバンドリテーナ７を用いた場合にも適用可能である。
バンドリテーナ７は、複数のボール６を、ボールの配列方向に間隔を保った状態で保持する複数の保持部８と、保持部８を連結する可撓性の帯部９を備えた構成で、帯部９には保持孔９ａが設けられている。保持部８はボールの一部が嵌合される球面状の凹部8aを備えた扁平な円筒形状となっている。
この保持部８でボールを保持しているが、これに限定せず、凹部８ａ等がなく、ボールを保持することなく、単にボール６同士を接触させない機能だけのスペーサ部が介在する構成であってもよい。

また、移動ブロック３のボール転走溝４の溝側縁には、バンドリテーナ７の帯部９を保持するためのリテーナ保持部７２が取り付けられている。リテーナ保持部７２は、移動ブロック３を軌道レール２から外した際の、バンドリテーナ７の垂れ下がりを防止すると共に、ボール６の転動と共にバンドリテーナ７が移動する際の帯部９のばたつきを防止する。この実施例では、リテーナ保持部７２として、移動ブロック３の顎部３１内周面の、上下のボール列の間に設けられる第１保持部７２１と、移動ブロックの３の顎部３１と顎部３１のブロック下面に設けられる第２保持部７２２とを有する構成で、帯部９に係合する係合凸条７２１ａ、７２２ａが設けられている。

このようなバンドリテーナ７を有する場合でも、ボール転走溝４，５の中心角θが９０°〜１２０°程度であれば、ボール転走溝４，５の周辺において、バンドリテーナ７の側縁を保持する第１保持部７２１、第２保持部７２２を形成することができる。また、ボールリテーナ７を使用するとボール同士の接触が無く、上記中心角の選択と相まって、耐久性の一層の向上が図れる。

図６は、上記したバンドタイプのリテーナではなく、帯部のない保持部のみのスペーサリテーナを用いた例である。図６(C)はスペーサリテーナの正面図、(D)は側面図、(E)は
底面図である。
このスペーサリテーナ１８は、たとえば、波形ワッシャ状に円周方向に波打った立体的な円形部材で、隣同士のボール６を、それぞれ抱持するように、表裏に３つの突形状部１８ａを有する構成で、一側面側の突形状部１８ａの裏側が谷部１８ｂとなるような形状となっており、３つの突形状部１８ａの中央にボール６が配置される。
このようなスペーサリテーナ１８を使用した場合においてもボール同士の接触が無く、上記中心角の選択と相まって、耐久性の一層の向上が図れる。

なお、上記実施の形態では、軌道レールの左右側面を挟むように配置される左右一対のボール列を備えた構成となっているが、軌道レール及び移動ブロックの断面形状、ボール転走溝の条数及び形態は任意であり、適宜変更され得る。

また、本発明は、直線運動案内装置に限定されるものではなく、ボールスプライン等、軌道部材に対して移動部材が多数のボールを介して案内される種々のころがり案内装置に広く適用することができる。また、無限摺動タイプ，有限摺動タイプのいずれにも適用可能であり、またボールスプライン等も含まれることはもちろんである。さらに、直線案内に限定されるものではなく、曲線状の軌道部材にそって曲線案内される転がり案内装置についても広く適用できる。

また、実施例では、上下２列のボール６の接触角線ＣＬ、ＣＬが水平線Ｈに対して互いに逆向きに４５°の角度で外開き方向に対称に傾斜する構造（ＤＦ構造）について説明したが、上下２列のボール６の接触角線ＣＬ、ＣＬが水平線Ｈに対して互いに逆向きに４５°の角度で内開き方向に対称に傾斜する構造（ＤＢ構造）でも同様の効果が得られる。
なお、図３のθと許容荷重比の関係は、溝曲率５２％で算出したが、溝曲率を５２％以外としても、同様の効果が得られる。

１転がり案内装置、２軌道レール（軌道部材）、３移動ブロック（移動部材）、４
ボール転走溝、５負荷ボール転走溝、６ボール、Ｄボール径、θ 中心角

Claims

軌道部材と、該軌道部材に沿って移動自在に設けられる移動部材と、前記軌道部材と移動部材に互いに対向するように設けられた断面単一円弧のボール転走溝及び負荷ボール転走溝間に転動自在に介在される多数のボールと、を備えた転がり案内装置において、
前記ボール転走溝または負荷ボール転走溝の両端部が、接触角線を中心として中心角の９０°以上に設けられることを特徴とする転がり案内装置。
前記中心角は９０°〜１２０°である請求項１に記載の転がり案内装置。
軌道部材の左右側面に複数本のボール転走溝を有する構成となっている請求項1又は２
に記載の転がり案内装置。
複数のボール間に介在される複数のスペーサ又は複数のボールを間隔を保った状態で保持する複数の保持部及び前記複数の保持部を連結する帯部を有するリテーナを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の転がり案内装置。