JP2017089661A - Ball Screw - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直動アクチュエータ等で可動部を移動させる送りねじとして用いられるボールねじに関する。 The present invention relates to a ball screw used as a feed screw for moving a movable part by a linear actuator or the like.
直動アクチュエータ等の各種機械における可動部を直線移動させる伝動機構として、モータ等の回転運動を直線運動に変えて可動部を駆動するボールねじが知られている。このボールねじは、ねじ軸とナットの雄ねじと雌ねじの間に鋼球で構成されるボールを挿入したねじによる伝動機構である。このボールをねじ軸とナット間に挿入することにより回転運動を直線運動に変換する効率をよくしたものである。雄ねじと雌ねじの間に挿入されたボールはねじ溝に沿って転がりながら移動することから、ねじ軸の回りを1回以上巻回させて循環させる1組のボール群からなるボール列を備えている。このボール列を複数設けたボールねじも公知である(例えば、特許文献1参照)。 As a transmission mechanism that linearly moves a movable part in various machines such as a linear actuator, a ball screw that drives a movable part by changing a rotary motion of a motor or the like into a linear motion is known. This ball screw is a transmission mechanism using a screw in which a ball composed of a steel ball is inserted between a screw shaft and a male screw and a female screw of a nut. By inserting this ball between the screw shaft and the nut, the efficiency of converting rotational motion into linear motion is improved. Since the ball inserted between the male screw and the female screw moves while rolling along the screw groove, the ball train is provided with a set of balls that are wound around the screw shaft at least once to circulate. . A ball screw provided with a plurality of ball rows is also known (see, for example, Patent Document 1).
従来のボールねじにおいては、ナットのリードとねじ軸のリードが異なる場合、アキシャル荷重を受けたときに、負荷を受けるボール、負荷を受けないボール、あるいはわずかにしか負荷を受けないボールが発生する。このようにボールへの負荷分布が不均一な場合、ねじ軸又はナットの各ねじ溝表面の早期剥離を引き起こし、振動や異音の原因となるという問題があった。 In the conventional ball screw, when the lead of the nut and the lead of the screw shaft are different, when receiving an axial load, a ball that receives a load, a ball that does not receive a load, or a ball that receives a load only slightly is generated. . Thus, when the load distribution on the ball is not uniform, there is a problem in that the surface of each thread groove of the screw shaft or nut is prematurely peeled, causing vibration and noise.
本発明は、上記課題に鑑みて、ボールへの負荷分布の偏りを抑制し、長寿命化を図ったボールねじを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a ball screw that suppresses the uneven load distribution on the ball and extends the life.
第1の本発明のボールねじは、ボール列を2列以上有し、前記ボール列は、多数のボールからなる1組のボール群で構成され、前記ボールは、列ごとに径が異なる。 The ball screw of the first aspect of the present invention has two or more ball rows, and the ball row is composed of a set of ball groups made up of a large number of balls, and the balls have different diameters for each row.
第2の本発明のボールねじは、ねじ軸にナットを2個以上直列に配列し、かつ全体の列数が2列以上であり、直列に接続したナットを1個のナットとみなし、前記ボール列は、多数のボールからなる1組のボール群で構成され、前記ボールは、列ごとに径が異なる。 The ball screw of the second aspect of the present invention has two or more nuts arranged in series on the screw shaft, and the total number of rows is two or more. The nut connected in series is regarded as one nut, and the ball The row is composed of a set of balls composed of a large number of balls, and the balls have different diameters for each row.
本発明のボールねじは、ボールねじの内部の負荷分布の不均一を緩和し、応力集中を緩和させたので、繰り返し加わる負荷からの疲労による破損を遅らせ、ボールねじの寿命を長くすることができる。 In the ball screw of the present invention, the uneven load distribution inside the ball screw is alleviated and the stress concentration is alleviated. Therefore, damage due to fatigue from repeatedly applied load can be delayed and the life of the ball screw can be extended. .
図1は第1の実施形態のボールねじの説明図である。符号1はボールねじのねじ軸であり、該ねじ軸1には剛球からなるボール3を介してナット2が螺合している。ねじ軸の回りを循環する1組のボール群によって形成されるボール列が、この実施形態では2列4a、4bを有するボールねじの例を示している。本実施形態においては、多数のボール3からなる1組のボール群で構成された各ボール列4a、4bは、ねじ軸1の回りを3.5回巻して、チューブ5a、5bを介して元の位置に戻るように構成され、各ボール3はねじ軸1とナット2の雄ねじと雌ねじの溝内を循環するように形成されている。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a ball screw according to the first embodiment.
上述した構成は、従来の2列のボール列を備えたボールねじの構成と同一であるが、本発明において相違する点は、ボールねじ内部の負荷分布の不均一を緩和するように、各列のボール径を変化させている点である。この図1に示す実施形態では、複数のボール列のボール径がそれぞれ異なる点である。図面左側のボール列4aのボール3の径が、図面右側のボール列4bのボール3の径と異なるように形成されている。
The configuration described above is the same as the configuration of the conventional ball screw having two rows of ball rows. However, the difference in the present invention is that each row is arranged so as to alleviate uneven load distribution inside the ball screw. The ball diameter is changed. In the embodiment shown in FIG. 1, the ball diameters of the plurality of ball rows are different from each other. The diameter of the
安価で非研削仕上げの転造または切削ナット、または、転造ねじ軸において、ナットのリードとねじ軸のリードを狙い通り等しく製造することは困難であり、このことはボールねじの寿命の低下をもたらすおそれがある。 In an inexpensive and non-grinded rolled or cut nut, or a rolled screw shaft, it is difficult to produce the nut lead and screw shaft lead equally, which reduces the life of the ball screw. There is a risk.
ボールねじの寿命向上のために、一般的には、ボールの列の数とボールを増やし、1つのボールにかかる負荷を低下させるように構成することが多い。しかし、これはボールねじが大きくなるだけでなく、ナットのリードがねじ軸のリードと一致しなければ(リード誤差)、ボールの数を増やしても、程度によっては負荷を受けるボールの数は一定のままで増えず、負荷が分散しないなどの問題点がある。この点、本実施形態によれば、ボールねじの大きさを変えずに、ボールねじの寿命向上を実現することができる。 In order to improve the life of the ball screw, the number of balls and the number of balls are generally increased to reduce the load applied to one ball. However, this not only increases the size of the ball screw, but if the lead of the nut does not match the lead of the screw shaft (lead error), even if the number of balls is increased, the number of balls subjected to the load is constant depending on the degree. There is a problem that the load does not increase and the load is not distributed. In this regard, according to the present embodiment, the life of the ball screw can be improved without changing the size of the ball screw.
本実施形態では、図2に示すように、ナットが受けるアキシャル荷重Faにより溝6に接触するボール3aと溝6に接触しないボール3bが存在する。この場合、ナットのリードLa、ねじ軸のリードLb、ボール3の接触角α、および(不図示の)隣り合うボール列(ボール循環路)が何巻分離れているか(ここではc巻分とする)により、隣り合うボール3a、3b列の玉径差を決定する。La−Lb>0の場合、隣り合うボール列のうち、ナットが受けるアキシャル荷重Fa向きの先側の回路の玉径が、相対的にc×(La−Lb)/sinαだけ小さくなるように形成する。La−Lb<0の場合、隣り合うボール列のうち、ナットが受けるアキシャル荷重向きの先側の回路の玉径が、前記玉径を相対的にc×(La−Lb)/sinαだけ大きくなるように形成する。このようにボール列ごとにボール径を変えることにより、リード誤差による負荷分布の偏りを抑制し、低コストでありながら、製造時に高い精度が得られない場合でも、高い耐久性を備えたボールねじを得ることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, there are a
なお、本実施形態のボールねじは、両方向から同等のアキシャル荷重を受けるボールねじには適用できない。想定の逆方向からアキシャル荷重を受ける際に、大きな負荷分布の偏りを生じるためである。 In addition, the ball screw of this embodiment cannot be applied to a ball screw that receives an equivalent axial load from both directions. This is because a large load distribution is biased when an axial load is received from the opposite direction.
また、本実施形態のボールねじでは、全てのボール列4aのボール3の径を変えなくてもよい。例えば、4列有するボールねじであれば、2列ごとにボール3の径を変えることも可能である。このとき、リード誤差により大きな負荷を受けるボール列には相対的に小さいボールを入れ、リード誤差による負荷を受けない、あるいはわずかにしか負荷を受けないボール列には相対的に大きなボールを入れるとよい。
In the ball screw of this embodiment, it is not necessary to change the diameters of the
また、本実施形態のボールねじは、軸回転ナット移動、ナット回転軸移動のどちらの用途でも適用可能である。 Moreover, the ball screw of this embodiment is applicable to both uses of shaft rotation nut movement and nut rotation shaft movement.
また、本実施形態のボールねじは、常に一定方向のアキシャル荷重に比べて、逆方向のアキシャル荷重が軽微である場合には適用可能である。 Moreover, the ball screw of this embodiment is applicable when the axial load in the reverse direction is always lighter than the axial load in a constant direction.
ボールねじは、ねじ軸1又はナット2のどちらか一方をモータ等の駆動源に接続し、他方を被駆動体に連結し、回転運動を直線運動に変えて被駆動体を直線移動させるものである。例えば、ねじ軸1をモータ等の駆動源に接続し、ナット2を被駆動体に連結し、ねじ軸1を回転させることによってナット2を直線移動させて被駆動体を直線移動させる。又は逆に、モータ等の駆動源をナット2に接続し、ねじ軸1に被駆動体を連結して、ナット2を回転させることによりねじ軸1及び被駆動体を直線移動させる。このように、回転運動を直線運動に変換する伝動機構として用いられる。又、直線運動を回転運動に変換する機構としても利用される。
The ball screw connects either the
以上のように回転運動を直線運動に変換して力を伝達するものであるから、従来のボールねじでは、ボールねじ内の負荷分布の不均一が生じ、ねじ軸1やナット2の一部の領域に集中応力が加わることを意味する。そのため、長期間ボールねじを使用していると、ねじ軸1とナット2の相対移動区間領域(相対移動のストローク範囲)において、ねじ軸1、ナット2が繰り返し負荷による疲労により破損し、ボールねじの寿命を短くするという問題がある。
As described above, the force is transmitted by converting the rotational motion into a linear motion. Therefore, in the conventional ball screw, the load distribution in the ball screw is non-uniform, and part of the
そこで、本実施形態では、直列に連接されるボール列のボール3の径を変化させることにより、負荷分布の不均一を緩和するようにした。この第1の実施形態においては、ナット2のボール列4a、4bのボール3の径を違えることにより、ねじ軸1、ナット2に対する集中応力を少なくし、ねじ軸1、ナット2の内部応力の不均一を緩和解消させるようにした。ボールねじ内部の負荷分布の不均一を緩和させ、集中応力が生じないようにしたことにより、長期間のボールねじの使用によって生じる、ねじ軸1及びナット2の繰り返し応力による疲労からの破損を極力防止し、ボールねじの寿命を延ばすことができる。
Therefore, in this embodiment, the non-uniform load distribution is reduced by changing the diameter of the
なお、図1に示した第1の実施形態ではボール列が2列のボールねじの例であるが、さらにボール列を多いものでも本発明は適用できるものである。すなわちボール列が3列以上のボールねじにおいても、ボールねじ内部の負荷分布の不均一を緩和するように各列のボール径を変化させる。この場合も、直列に配置されるボール列のボール3の径を異ならせることによって、ボールねじの内部の負荷分布の不均一を緩和させてボールねじの寿命を延長させることができる。
The first embodiment shown in FIG. 1 is an example of a ball screw having two rows of balls, but the present invention can be applied to a ball screw having a larger number of rows. That is, even in a ball screw having three or more ball rows, the ball diameter of each row is changed so as to alleviate uneven load distribution inside the ball screw. Also in this case, by varying the diameters of the
図3は、第2の実施形態のボールねじの説明図である。この第2の実施形態では、2つのナット2a、2bを連結し最終的には1つのナット2として作用するボールねじを構成した例を示している。2つのナット2a、2bが連結され1つのナット2とされ、ねじ軸1に螺合している。各ナット2a、2bにはそれぞれ2列のボール列4a、4bを備えている。この第2の実施形態も、第1の実施形態と同様に、各ボール列4a、4bはねじ軸1の回りを3.5巻回し、チューブ5a、5bで元の位置に戻り巡回する多数のボール3で構成される1組のボール群によって構成されている。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a ball screw according to the second embodiment. In the second embodiment, an example is shown in which two
この実施形態においても、ボールねじ内部の負荷分布の不均一を緩和するように各列のボール径を変化させる。そのために、直列に配置されるボール列のボール3の径が互いに異なるように形成している。すなわち、リード誤差により大きな負荷を受けるボール列には相対的に小さいボールを入れ、リード誤差による負荷を受けない、あるいはわずかにしか負荷を受けないボール列には相対的に大きなボールを入れるとよい。これにより、第1の実施形態と同様に、ねじ軸1及びナット2に生じる内部応力の不均一を緩和し、負荷分布が均一となるようにした。よって、この第2の実施形態においても、軸方向の力がねじ軸1とナット2が螺合する全領域において均一になるように、内部応力の均一化を図り、負荷分布の不均一を緩和させることにより、疲労によるボールねじの破損を極力防止して、ボールねじの寿命を延ばすようにした。
Also in this embodiment, the ball diameter of each row is changed so as to alleviate uneven load distribution inside the ball screw. For this purpose, the
なお、この第2の実施形態では2つのナット2a、2bを連結して1つのナット2として作用させたが、さらに連結するナットの数を増加させてもよいものである。その場合においても、直列に配置されるボール列のボール3の径を列ごとに異なるように形成すればよいものである。
In the second embodiment, the two
又、1列のボール列を有するナットを設け、この1列のボール列のナットを多数連結するナットの両端に配置し、この1列のボール列のナットのボールの径を他のナットのボール列のボールの径と異なるように形成しておくようにすれば、複数のナットを連結して1つのナットとして作用させる場合におけるボールねじにおいて、簡単にボールねじ軸の内部の負荷分布の不均一を緩和させることができる。 In addition, a nut having a single row of balls is provided, and the nuts of the single row of rows are arranged at both ends of the nuts. If the balls are formed so as to be different from the diameters of the balls in the row, the load distribution inside the ball screw shaft is easily non-uniform in the ball screw when a plurality of nuts are connected to act as one nut. Can be relaxed.
上述した各実施形態では、ボール列のボールの径を変えることによって、ボールねじの内部の負荷分布を緩和させ、ボールねじの寿命を延ばすようにしたものであるが、ねじ軸及びナットの材質や形状を選択し、ねじ軸とナットの軸方向の剛性を一致させることによって、ボールねじの内部の負荷分布を均一にするようにすることもできる。ナットはねじ軸に比べ外形が大きく、剛性が高い、その結果、ボールねじの内部応力が不均一となるという問題がある。 In each of the embodiments described above, by changing the ball diameter of the ball row, the load distribution inside the ball screw is relaxed and the life of the ball screw is extended. The load distribution inside the ball screw can be made uniform by selecting the shape and matching the axial rigidity of the screw shaft and the nut. The nut has a larger outer shape and higher rigidity than the screw shaft. As a result, the internal stress of the ball screw becomes non-uniform.
そこで、ねじ軸及びナットの材質、形状を選択することによって、ねじ軸とナットの軸方向の剛性を一致させれば、ねじ軸かナットのどちらかの回転により他方を直線移動させるために軸方向に力が加わったとき、ねじ軸もナットも同じようにたわみ、結果的にねじ軸とナットがボールを介して螺合する全領域において、均一に負荷が加わり、内部応力も均一化され負荷分布は均一となる。その結果、集中応力の発生がないから、疲労による破損の発生が遅くなり、ボールねじの寿命を延ばすことができる。 Therefore, by selecting the material and shape of the screw shaft and nut, if the axial rigidity of the screw shaft and nut is matched, the other is linearly moved by rotating either the screw shaft or the nut. When a force is applied to the screw shaft, the screw shaft and the nut bend in the same way. As a result, in the entire area where the screw shaft and the nut are screwed together via the ball, the load is uniformly applied and the internal stress is also uniformed and the load distribution Becomes uniform. As a result, since no concentrated stress is generated, the occurrence of breakage due to fatigue is delayed, and the life of the ball screw can be extended.
ねじ軸に対して軸方向に1ピッチ当たり所定負荷が加わるように力を加え、そのときの1ピッチ当たりの変位量と、ナットに対して軸方向に1ピッチ当たり所定負荷が加わるように力を加え、そのときの1ピッチ当たりの変位量を求め、量変位量が概略一致するようにねじ軸及びナットの材質や形状を選択設計する。 A force is applied so that a predetermined load per pitch is applied to the screw shaft in the axial direction, and a displacement amount per pitch at that time and a force are applied so that a predetermined load per pitch is applied to the nut in the axial direction. In addition, the amount of displacement per pitch at that time is obtained, and the material and shape of the screw shaft and nut are selected and designed so that the amount of amount of displacement roughly matches.
又、ねじ軸とナットを同じ材料で形成し、ねじ軸の軸心に対して垂直方向に切断したときのねじ軸及びナットの断面の面積が一致するようにねじ軸、及びナットを設計する。断面積が一致すれば、ねじ軸及びナットに加わる軸方向の力によって均等にたわみ、ねじ軸とナットがボールを介して螺合する全領域に渡って均一な応力が発生することになり、ボールねじの負荷分布は均一となり、ボールねじの寿命を延ばすことができる。 In addition, the screw shaft and the nut are formed of the same material, and the screw shaft and the nut are designed so that the areas of the cross sections of the screw shaft and the nut when they are cut in a direction perpendicular to the axis of the screw shaft are the same. If the cross-sectional areas match, the axial force applied to the screw shaft and nut will be deflected evenly, and a uniform stress will be generated over the entire area where the screw shaft and nut are screwed together via the ball. The load distribution of the screw becomes uniform, and the life of the ball screw can be extended.
1 ねじ軸
2 ナット
2a、2b ナット
3 ボール
4a、4b ボール列
5a、5b チューブ
6 溝
α 接触角
1
Claims (2)
前記ボール列は、多数のボールからなる1組のボール群で構成され、
前記ボールは、列ごとに径が異なることを特徴とするボールねじ。 In a ball screw having two or more ball rows,
The ball row is composed of a set of balls composed of a large number of balls,
The ball screw has a different diameter for each row.
前記ボール列は、多数のボールからなる1組のボール群で構成され、
前記ボールは、列ごとに径が異なることを特徴とするボールねじ。 In a ball screw in which two or more nuts are arranged in series on the screw shaft and the total number of rows is two or more, the nuts connected in series are regarded as one nut,
The ball row is composed of a set of balls composed of a large number of balls,
The ball screw has a different diameter for each row.
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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JP2015215621A Pending JP2017089661A (en) | 2015-11-02 | 2015-11-02 | Ball Screw |
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Country | Link |
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2015
- 2015-11-02 JP JP2015215621A patent/JP2017089661A/en active Pending
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