JP3675129B2

JP3675129B2 - ボールねじ

Info

Publication number: JP3675129B2
Application number: JP25891197A
Authority: JP
Inventors: 孝之矢部; 信秀倉知
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: JPH10153245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転運動を直線運動に変換するボールねじに係り、特に、高負荷用途に使用されるボールねじの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のボールねじにおいては、加工性，作動性，負荷容量などのバランスからねじ軸やボールナットに形成するボールねじ溝の形状について、初期接触角を４５度程度、最大接触角６５度程度とする仕様が通常であった。
【０００３】
また、複数回路のボール循環路を有するボールねじにあっては、加工工程を少なくするため、例えば図７に示すようなチューブ循環方式の場合、各回路の循環チューブ５０取付け位置を１平面に寄せる、つまり複数の循環チューブ５０ａ，５０ｂ，５０ｃの取付け位置を円周方向同位相位置で軸方向に配列させる設計が通常であった。なお、図７は、循環路が３回路のものを図示している。
【０００４】
そして、ボールねじを設計する場合、大きめの安全率を設定し、使用条件に十分耐え得る軸径のボールねじを選定していた。このとき、ボールねじの軸径を大きくできない場合は、ボールナット５１の回路数を増やしてボールの数を増やしたり、ボールねじ溝のリードを大きくしボール径を大きくしたりして対処していた。
【０００５】
一方、従来においては、ボールねじ選定時の荷重条件の検討に際し、ねじ軸５２とボールナット５１との間を転動している各ボールには全て均等に荷重が掛かると仮定して、荷重をボールナット５１内の有効ボール数で割った平均荷重で接触面圧を算出し、これと実験等により得られたボールねじの機能，寿命等のデータベースとを比較することにより、適切なボールねじを選定していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には、ねじ軸５２とボールナット５１との間を転動している，いわゆる有効ボールの全てに対し均等に荷重が掛かるのではなく、負荷を受けたときのねじ軸５２及びボールナット５１の弾性変形によって、ボールナット５１内における軸方向の負荷分布にばらつきが生じる。例えば、ボールねじで支持される加工テーブルで重切削するときなどのように、当該ボールねじのボールナット５１に軸方向のアキシアル荷重Ｆａが、またねじ軸５２にアキシアル荷重Ｆａ’が図８に示すような方向に負荷された場合、ボールナット５１及びねじ軸５２の各ボールねじ溝５１ａ，５２ａ位置における軸方向に沿った弾性変位量の分布は、それぞれ上記図８に矢符号で表されるようになり、このねじ軸５２の弾性変位量とボールナット５１の弾性変位量とに応じて、ボールナット５１の両端部のボールとの接触点に応力集中が起きることが分かる。
【０００７】
また、各循環路のボールは、順次、ボールねじ溝５１ａ，５２ａから循環チューブ５０に掬い上げられてチューブ５０内を通って循環するので、ボールナット５１と対向するねじ軸５２の軌道上にはボールがない部分が存在する。このため、円周方向にも負荷分布のばらつきが発生し、有効ボールの一部に高負荷が掛かることになる。即ち、ボールナット５１内の各回路でのボールの循環は、図９に示すように表されるが、ボールねじ溝から循環チューブ５０へのボール１の掬い上げにより、軸方向からみると、図１０に示すような、円周方向でのβ角度の範囲部分のボール数が相対的に少なくなり、そのβ角度の範囲内のボールに加わる負荷が相対的に大きくなる。
【０００８】
以上のような、ボールナット５１の両端部のボールとの接触部位への応力集中及びボール循環路の特定範囲内のボールへの負荷増大という事実から、従来のボールねじにおいては、設計時の安全率が小さいと、ねじ軸５２又はボールナット５１の各ボールねじ溝５１ａ，５２ａ表面の早期剥離、または、異常摩耗を引き起こすという問題があった。
【０００９】
また、高負荷用途では、安全率を大きくとると、ボールねじのサイズが大きくなって目的の仕様に合わなくなったりコスト高になってしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、ボールねじの負荷分布のバラツキを均一化し、特定位置のボールに発生する応力集中を低減することにより、ボールねじのサイズを大きくせずにコンパクトで高い負荷容量を実現するボールねじを提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係るボールねじは、外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と該螺旋状通路内を循環する多数のボールと、該多数のボールの戻り路とを備え、上記螺旋状通路とボールナットに設けたボールの戻り路とにより形成される循環路が３回路以上であるボールねじにおいて、
前記循環路のうち少なくとも２回路を円周方向に同一位相とし、残りの回路を他の回路に対して円周方向に１８０反転させたことを特徴としている。
【００１２】
ここで、前記循環路は偶数の回路数であって、そのうちの半数の循環路は円周方向に同一位相とされ、残りの循環路は他の循環路に対して円周方向に１８０度反転させたものとすることができる。
【００１３】
また、前記循環路は奇数の回路数であって、そのうちの（ｎ／２）＋０．５回路の循環路（但しｎは循環路の回路数）は円周方向に同一位相とされ、残りの循環路は他の循環路に対して円周方向に１８０度反転させたものとすることができる。
【００１４】
更に、請求項２に係るボールねじは、外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と該螺旋状通路内を循環する多数のボールと、該１数のボールの戻り路とを備え、上記螺旋状通路とボールナットに設けたボールの戻り路とにより形成される循環路が３回路以上であるボールねじにおいて、
前記循環路のうち少なくとも２回路を円周方向に同一位相とし、残りの回路を他の回路に対して円周方向に１８０度反転させ、且つ全循環路のうち少なくとも１回路を他の回路に対して軸方向にオフセットさせたことを特徴としている。
【００１５】
本発明によれば、円周方向の負荷分布のばらつきについては、３回路以上の循環路のうちの少なくとも２回路を円周方向に同一位相とし、残りの回路を他の回路に対し円周方向に１８０度反転させることで、１回路の円周方向でのボールの少ない部分（負荷が大きい部分）と他の回路の円周方向でのボールの少ない部分（負荷が大きい部分）とが円周方向に１８０度反転する。この結果、円周方向におけるボールの少ない部分が分散平均化されて円周方向での負荷分布のバラツキが低減する。
【００１６】
なお、各回路でのボールの少ない部分の範囲は、１８０度よりも小さい角度範囲に収まるので、１８０度反転することで、少なくとも２回路の円周方向でのボールの少ない部分と残りの回路の円周方向でのボールの少ない部分とが円周方向で重なることはない。
【００１７】
また、軸方向の負荷のばらつきに対しては、循環路が３回路以上であるボールねじにおける全循環路のうち少なくとも１回路を、ボールナットに加わるアキシャル荷重の負荷方向に応じて軸方向にオフセットさせる。このようにオフセットさせることで、ボールナット側における当該オフセットさせたボールねじ溝回路内のボールに予圧が付与されることとなり当該ボールねじ溝の弾性変位量は、オフセットさせない場合に比べて大きくなる。そして当該オフセットさせた回路内のボールによる負荷分担量が増大し、且つオフセットしない状態で応力集中が生じるナット端部側の回路位置での負荷分担量が減少するから、ボールナットにおける軸方向の負荷分布が平均化されてばらつきが低減する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
まず構成について説明すると、図１に示すように、ねじ軸２の外周に複数のボールを介してボールナット３が螺合し、当該ねじ軸２又はボールナット３の一方が相対回転することで、ボールナット３がねじ軸２に対し直線移動をする。
【００１９】
即ち、概略構成図である図２に示すように、ねじ軸２の外周面には、雌ねじ状のボールねじ溝２ａが設けられ、また、ボールナット３の内周面にも、上記ねじ軸２のボールねじ溝２ａと径方向で対向する位置に雌ねじ状のボールねじ溝９が設けられ、その両ボールねじ溝２ａ，９間に複数のボール１（図２では斜線で表している）が介装され、当該ボール１はボールねじ溝２ａに沿って転動し且つ循環する。
【００２０】
また、本実施の形態のボールねじは、３回路のボール循環路を有するチューブ方式のボールねじである。
即ち、上記ボールナット３のボールねじ溝９は、上記図２のように、軸方向に沿って３つの区画に分けられ、各区画におけるボールねじ溝９の両端部が、それぞれ戻り路を形成する循環チューブ５，６，７によって連結されることで、３回路のボール循環路が形成される。なお、説明の便宜上，図１及び図２における左側から第１回路Ｘ，第２回路Ｙ，第３回路Ｚとする。
【００２１】
但し、本実施の形態では、第１及び第３回路Ｘ，Ｚの循環チューブ５，７取付け位置に対し、上記図１に示すように、２回路目Ｙの循環チューブ６取付け位置を、円周方向１８０度反転した位置に設けている。
【００２２】
また、第２回路Ｙ目の循環路を、図２に示すように、第３回路Ｚ側に数十μｍだけ近づけるように軸方向にオフセットしている。即ち、ボールナット３における第１回路Ｘのボールねじ溝９ａと第２回路Ｙのボールねじ溝９ｂとの間のリードＬａを、各ボールねじ溝９ａ，９ｂ，９ｃのリードＬより数十μｍ（α）だけ多くする（Ｌａ＝Ｌ＋α）と同時に、第２回路Ｙのボールねじ溝９ｂと第３回路Ｚのボールねじ溝９ｃとの間のリードＬｂを前記リードＬより数十μｍ（α）だけ小さく設定（Ｌｂ＝Ｌ−α）している。なお、当然にねじ軸２側のボールねじ溝２ａのリードは等間隔である。
【００２３】
ここで、ボールねじの負荷容量を大きくするには、ボール１の接触角の大きさ、ボールねじ溝２ａ，９の曲率半径をできる限り大きくしたいが、図４に示すように接触角を過大に大きくした状態で軸方向の負荷を掛けると、接触楕円Ｆの端部がボールねじ溝２ａ，９の溝端からはみ出して切れてしまう。接触楕円Ｆの一部が切れると負荷される応力が大きくなり、ボールねじの寿命が極端に悪くなる。このため、本実施の形態では、図３に示すように、初期接触角Ｄを５０〜５５度，最大接触角Ｅを７５度としている。
【００２４】
また、各ボール１については、ボールねじ溝９のリードＬに対して、下式のような関係となるボール径Ｄａのものを使用している。
０．７≦（Ｄａ／Ｌ）
因みに、従来においては、Ｄａ／Ｌを０．７以上に設定すると、循環チューブの外径が隣のボールねじ溝に干渉する可能性があるために、Ｄａ／Ｌを０．７未満に設定している。これに対して、本実施の形態では、ボールねじ溝からチューブへのボール１の掬い上げ部分の軸方向の角度を従来より大きい方向に変更することで、Ｄａ／Ｌを０．７以上に設定できるようにしている。
【００２５】
次に、上記構成のボールねじの作用効果等について説明する。
第２回路Ｙ目の循環路位置を第３回路Ｚ側にオフセットすることで、第２回路Ｙ部分のボールねじ溝９ｂ内のボールに予圧が付与されることとなり、そのためボールナット３にアキシャル荷重Ｆａが負荷されたときの当該ボールねじ溝９ｂの弾性変位量は、オフセットさせない場合に比べて大きくなりボールとの接触面積が増大する。そして当該オフセットさせた回路Ｙ内のボールによる負荷分担量が増大し、且つオフセットしない状態で応力集中が生じるナット端部側の回路である第１回路Ｘ及び第３回路Ｚでの負荷分担量が減少するから、ボールナット３における軸方向の負荷分布が平均化されてばらつきが低減する。
【００２６】
また、第１回路Ｘ及び第３回路Ｚの循環チューブ５及び７の取付け位置に対し、第２回路Ｙの循環チューブ６の取付け位置を円周方向１８０度反転させることで、円周方向における第１回路Ｘ及び第３回路Ｚでの有効ボール数が少ない部分と、第２回路Ｙでの有効ボール数が少ない部分とが円周方向で重なることが回避される。つまり、円周方向における無負荷圏（ボール１が存在しない部分）が分散することで、円周方向での各有効ボール１に対する負荷分布のバラツキが抑えられる。
【００２７】
以上のように、有効ボール（ねじ軸２とボールナット３間を転動しているボール１）に対する軸方向及び円周方向の負荷分布が従来よりも均一化して、各有効ボールに対する負荷分布、さらにはそのボールに接触するねじ軸２とボールナット３の各ボールねじ溝２ａ，９に対する負荷分布が平均化し負荷容量が増大する。
【００２８】
さらに、本実施の形態では、ボール１の初期接触角Ｅ及び最大接触角Ｆを従来よりも大きくすると共にＤａ／Ｌを０．７以上に設定することで、さらに負荷容量の増大が図られている。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、第１回路Ｘの循環チューブ５の取付け位置に対して、第２回路Ｙの循環チューブ６の取付け位置だけを１８０度反転しているが、第３回路Ｚの循環チューブ７の取付け位置も第１回路Ｘの循環チューブ５の取付け位置に対して１８０度反転させてもよい。また、第１回路Ｘと第２回路Ｙを円周方向に同一位相とし、第３回路Ｚのみを１８０度反転させてもよい。
【００３０】
また、上記実施の形態では、ボールナット３へのアキシャル荷重Ｆａが、第１回路Ｘ側に負荷される場合に、第２回路Ｙの循環路におけるボールねじ溝９ｂを第３回路Ｚ側にオフセットさせた例で説明しているが、ボールナット３へのアキシャル荷重が、第３回路Ｚ側に負荷されるような使用態様の場合は、第２回路Ｙの循環路におけるボールねじ溝９ｂを第１回路Ｘ側にオフセットさせる。
【００３１】
また、本発明にあっては、このようにアキシャル荷重の負荷される方向に応じて、複数の循環路の一部を軸方向にオフセットさせることによりボールナットの軸方向弾性変位量のばらつきを平均化させて、ボールに対する軸方向負荷分布を平均化し全体としての負荷容量を増大させるという作用効果を得る代わりに、例えば、実施形態において第２回路Ｙに使用するボール１の径を、第１回路Ｘ及び第３回路Ｚで使用するボール１の径よりも相対的に大きくするというように、一部の循環路内に装填するボール径を変えることによっても、上述と同様な作用効果を得ることができる。即ち、第２回路Ｙのボール１の径を大きくすることで、第２回路Ｙ部分のボールねじ溝９ｂ内のボールに予圧が付与されることとなり、そのためボールナット３にアキシャル荷重Ｆａが負荷されたときの当該ボールねじ溝９ｂの弾性変位量は、ボールの径を大きくしない場合に比べて大きくなりボールとの接触面積が増大する。そして当該ボールの径を大きくした回路Ｙ内のボールによる負荷分担量が増大し、且つボールの径を大きくしない状態で応力集中が生じるナット端部側の回路である第１回路Ｘ及び第３回路Ｚでの負荷分担量が減少するから、ボールナット３における軸方向の負荷分布が平均化されてばらつきが低減する。これにより、当該第２回路Ｙのボール１が分担する軸方向荷重が従来よりも増大して上述同様の作用効果を発揮する。
【００３２】
勿論、第２回路Ｙのボールねじ溝９を第１回路Ｘ又は第３回路Ｚ側にオフセットさせると共に、第２回路Ｙのボール１の径を第１回路Ｘ及び第３回路Ｚのボール１の径よりも大きくするように設定してもよい。
【００３３】
以上、上記実施の形態においては、循環路を１８０度反転することと、オフセットすることの両方を採用しているが、循環路を１８０度反転することだけでも負荷分布のバラツキが低減し、従来よりも負荷容量が増大する。
【００３４】
【実施例】
上記構成の本発明に基づくボールねじと、３つの循環チューブ５，６，７取付け位置を円周方向同位相に設定すると共に第２回路Ｙの循環路をオフセットさせない従来と同じ仕様のボールねじ（比較例）とに対して、負荷分布の状態について解析してみたところ、図５及び図６のような結果が得られた。
【００３５】
図５は、円周方向での負荷分布のばらつきを無視し軸方向のばらつきのみを考慮したときの有効ボール１に負荷される軸方向の荷重の分布を示したものであり、Ａが本発明のボールねじのものであり、Ｂが比較例のボールねじのものである。この図５から分かるように、本発明に基づくボールねじでは、第２回路Ｙでの負荷が増大すると共に第１回路Ｘ及び第３回路Ｚでの負荷が減少して、軸方向の負荷分布が平均化している。
【００３６】
また、図６は、軸方向のばらつき及び円周方向での負荷分布を考慮したときのボールねじ溝９に沿った各有効ボール１に負荷される軸方向の荷重を示したものであり、Ａ（実線）が本発明のボールねじのものであり、Ｂ（破線）が比較例のボールねじのものである。この図６から分かるように、本発明に基づくボールねじの方がボールねじ溝９に沿った負荷の振幅が小さくなり、円周方向での負荷分布状態が平均化している。
【００３７】
実際に、本発明に基づくボールねじＡでは、外径寸法を変更することなく、比較例のボールねじＢの負荷容量より２０％程度も負荷容量が増大していることを確認した。
【００３８】
なお、本発明を適用できるボールねじは、実施形態に示したようなチューブ循環方式のものに限らない。例えば、実公平５−３５２２８号公報の第１図に記載されているようないわゆるデフレクタ循環方式（複数組のボール連通路を互いに連通するボール戻し溝を有してボールナットの外周部に取付けられるガイドプレートと、各ボール連通路の内方側に配設されてボールねじ軸及びボールナットのねじ溝間に介装されたボール群をボール連通路側へ順次導くボール掬上げ部材とで循環路が構成されている）のものにも適用できる。また、同公報の第１５図に従来技術として記載されているガイドプレート循環方式（ボール連通路を互いに連通するボール戻し溝を有してボールナットの外周部に取付けられるガイドプレートに、前記ボール連通路内に嵌挿される案内片を突設し、この案内片の内面側に外側ボール案内面を形成し、該外側ボール案内面でボール戻し溝の両端と各ボール連通路との間での実質的なボールの方向転換を行うように構成されている。）のものに対しても適用可能である。
【００３９】
また、上記実施形態では循環回路を第１（Ｘ），第２（Ｙ），第３（Ｚ）の３回路にしたボールねじについて説明したが、本発明のボールねじは３回路に限定されるものではなく、３回路以上の循環路を有するものにも適用できる。また、一個のボールナットに３回路以上設けたものに限らず、後述のダブルナットタイプのように２個以上のボールナットを使用して全ナットで合計３回路以上の循環路としたものでもよい。
【００４０】
また、実施形態ではボールナットの数が一個のいわゆるシングルナットタイプのものについて述べたが、その他、例えば図１１に示す２個のボールナット３Ａ，３Ｂを使用したいわゆるダブルナットタイプあるいは２個以上のボールナットを使用したものにも適用可能である。こうしたマルチナットタイプの場合、例えば図１１に示すダブルナットタイプの場合で説明すると、２個のボールナット３Ａ，３Ｂのうちの１個（例えば３Ａ）を１８０度反転させてもよいし、各ボールナット３Ａ，３Ｂに設けられたそれぞれ２回路１０，１１及び１２，１３の循環路のうちの１回路づつ（例えば回路１０と回路１２）を１８０度反転させてもよい。更に、オフセットについては、１個のボールナット内の回路をオフセットするのではなく、２個のボールナット３Ａ，３Ｂの間に間座１４を介装して各ボールナットに設けられたそれぞれの回路（例えば回路１０，１１の組と回路１２，１３の組）をオフセットしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のボールねじを採用すると、簡単な手段によって、ねじ軸とボールナットとの間を転動している複数のボールに対する負荷分布が平均化し、つまり一部のボールに発生する集中荷重が小さくなる。従って、ボールねじの外径を大きくすることなく、従来よりも負荷容量が大きくなるという効果がある。
【００４２】
即ち、ボールねじのサイズを大きくすることなく負荷容量が増大して、対応可能な高負荷用途（例えば，射出成形機、モールディング，パワーシリンダ）の幅が大きくなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るボールねじを示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るボールねじの構成を説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るボールねじ溝の形状を示す断面図である。
【図４】接触角と接触楕円との関係を示す図である。
【図５】本発明の循環路のオフセット効果を、円周方向の負荷分布のばらつきを無視した軸方向の荷重の分布の比較で表した図である。
【図６】本発明の循環路の反転効果を、軸方向のばらつき及び円周方向の負荷分布のばらつきを考慮した軸方向の荷重の分布の比較で表した図である。
【図７】従来のボールねじを示す図である。
【図８】軸方向の負荷のばらつきの原因となる弾性変位量を示す図である。
【図９】一循環路でのボールの循環を表した図である。
【図１０】円周方向におけるボールの少ない部分を示す、軸方向からみた図９でのＸ−Ｘ矢視図である。
【図１１】本発明をダブルナットタイプのボールねじに適用した場合を説明する平面図である。
【符号の説明】
Ｘ第１回路
Ｙ第２回路
Ｚ第３回路
１ボール
２ねじ軸
２ａボールねじ溝（ねじ軸の）
３ボールナット
５第１回路の循環路
６第２回路の循環路
７第３回路の循環路
９ボールねじ溝（ボールナットの）
９ａ第１回路のボールねじ溝
９ｂ第２回路のボールねじ溝
９ｃ第３回路のボールねじ溝

Claims

外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と該螺旋状通路内を循環する多数のボールと、該多数のボールの戻り路とを備え、上記螺旋状通路とボールナットに設けたボールの戻り路とにより形成される循環路が３回路以上であるボールねじにおいて、
前記循環路のうち少なくとも２回路を円周方向に同一位相とし、残りの回路を他の回路に対して円周方向に１８０度反転させたことを特徴とするボールねじ。
外面にボールねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内面に有する少なくとも１つのボールナットと、該ボールナットのボールねじ溝と上記ねじ軸のボールねじ溝とにより形成された螺旋状通路と該螺旋状通路内を循環する多数のボールと、該多数のボールの戻り路とを備え、上記螺旋状通路とボールナットに設けたボールの戻り路とにより形成される循環路が３回路以上であるボールねじにおいて、
前記循環路のうち少なくとも２回路を円周方向に同一位相とし、残りの回路を他の回路に対して円周方向に１８０度反転させ、且つ全循環路のうち少なくとも１回路を他の回路に対して軸方向にオフセットさせたことを特徴とするボールねじ。