JP4730770B2 - ボールねじ - Google Patents

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７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によって形成される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では、ナット５３の中央部に、荷重作用点となるトラニオン軸５８が設けられ、このトラニオン軸５８に対して軸方向に対称な位置に循環部材となる駒部材５７が配置されているため、ボールねじ５１にスラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が負荷された場合、モーメント力がねじ溝５４、５５とボール５６との接触状態により誘起され、トラニオン軸５８に対して軸方向均等に駒部材５７が配置されていることにより、この誘起されるモーメント力によって循環列の内部負荷分布が不均一になって短寿命の原因となる。

図８は、誘起モーメント力の発生メカニズムを説明するための模式図である。（ａ）は、ボールねじ５１に、スラスト荷重Ｆａ（図中左方向）のみが負荷された状態を示し、（ｂ）は、ボールねじ５１に、矢印に示すスラスト荷重Ｆａ（図中左方向）とラジアル荷重Ｆｒ（図中上方向）の複合荷重が負荷された状態を示している。ボールねじ５１にスラスト荷重Ｆａが負荷された場合、ねじ軸５２とナット５３の軸方向の相対移動により、両ねじ溝５４、５５とボール５６が所定の接触角をもって接触することになる。この時、スラスト荷重Ｆａに加え、ボールねじ５１にラジアル荷重がさらに負荷された場合、（ｂ）に示すように、ボール５６の接触軸に対して直角方向の力がすべて同方向となり、反時計方向（図中矢印にて示す）に回転しようとする力、所謂モーメント力としてボールねじ５１に誘起することになる。

さらに、図９に示すように、揺動レバー５９を介してボールねじ５１に負荷トルクＴが作用し、ナット５３への荷重作用点となるトラニオン軸５８とねじ軸５２の中心とを含む平面Ｓ上にモーメント荷重Ｍあるいはラジアル荷重Ｆｒが発生する場合、駒部材５７をこのモーメント荷重Ｍが発生する方向に対して円周方向に９０°傾けて配置しても、トラニオン軸５８と駒部材５７とが干渉することはないが、モーメント荷重Ｍあるいはラジアル荷重Ｆｒがトラニオン軸５８とねじ軸５２の中心とを含む平面Ｓ上にない場合、駒部材５７を同様に９０°傾けて配置するということは、荷重作用点と駒部材５７をナット５３の円周方向で同位相に配置することになり、トラニオン軸５８と駒部材５７とが干渉する恐れがある。したがって、この干渉を避けるには、ナット５３の全長を必要以上に長くしなければならなく、おのずとボールねじ５１が大型化し、アクチュエータのコンパクト化の妨げとなって好ましくない。

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、内部負荷分布の不均一化を軽減し、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る転動路に転動自在に収容された複数のボールと、前記ナットのねじ溝を連結する連結溝が形成された駒部材とを備え、アクチュエータの駆動部に使用されて前記ナットにスラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が作用するボールねじにおいて、前記ナットの両端部に前記駒部材が配置されると共に、前記ナットの外周面に荷重作用点となる一対のトラニオン軸が円周方向に対向する方向に突設され、前記トラニオン軸を中心に、前記駒部材のうち一方の駒部材が対称位置より所定量だけシフトして、軸方向に非対称に配置されている構成を採用した。

このように、アクチュエータの駆動部に使用されてナットにスラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が作用するボールねじにおいて、ナットの両端部に駒部材が配置されると共に、ナットの外周面に荷重作用点となる一対のトラニオン軸が円周方向に対向する方向に突設され、トラニオン軸を中心に、駒部材のうち一方の駒部材が対称位置より所定量だけシフトして、軸方向に非対称に配置されているので、ラジアル荷重による誘起モーメントを相殺する方向にモーメント力を発生させることができ、ボールねじの内部負荷分布の不均一化を軽減し、耐久性の向上を図ったボールねじを提供することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、前記駒部材が、前記ナットの円周方向において、前記ナットの荷重作用点となる前記トラニオン軸に対して所定の傾斜角を有する位相に配置されていれば、ナットの荷重作用点と駒部材との間隔を確保した状態でナットの全長を短縮することができる。

好ましくは、請求項３に記載の発明のように、前記傾斜角が０°を超え９０°未満に設定されていれば、ボールと両ねじ溝間の面圧が一層低下し、内部負荷分布の不均一さが軽減される。

また、請求項４に記載の発明のように、前記駒部材部が、前記ナットの円周方向において、それぞれ対向した位相に配置されていれば、ナットの荷重作用点となるトラニオン軸と駒部材との間隔を充分確保してナットの全長を大幅に短縮することができると共に、熱処理時のナットの焼割れを防止することができる。

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る転動路に転動自在に収容された複数のボールと、前記ナットのねじ溝を連結する連結溝が形成された駒部材とを備え、アクチュエータの駆動部に使用されて前記ナットにスラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が作用するボールねじにおいて、前記ナットの両端部に前記駒部材が配置されると共に、前記ナットの外周面に荷重作用点となる一対のトラニオン軸が円周方向に対向する方向に突設され、前記トラニオン軸を中心に、前記駒部材のうち一方の駒部材が対称位置より所定量だけシフトして、軸方向に非対称に配置されているので、ラジアル荷重による誘起モーメントを相殺する方向にモーメント力を発生させることができ、ボールねじの内部負荷分布の不均一化を軽減し、耐久性の向上を図ったボールねじを提供することができる。

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る転動路に転動自在に収容された複数のボールと、前記ナットの両端部に装着され、内周に当該ナットのねじ溝を連結する連結溝を有する駒部材とを備え、アクチュエータの駆動部に使用されて前記ナットにスラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が作用するボールねじにおいて、前記駒部材が、前記ナットの荷重作用点となるナット孔に対して、軸方向に非対称に配置されると共に、前記ナットの円周方向において、前記ナット孔に対して当該駒部材の位相を傾斜させ、それぞれ対向して配置されている。

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の第１の実施形態を示す正面図、（ｂ）は、（ａ）の縦断面図である。
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、ナット３の胴部の両端部に装着され、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、この転動路内の内外のねじ溝２ａ、３ａ間に介在された多数のボール４は、ねじ溝２ａ、３ａに沿って転動し、駒部材５の連結溝５ａに案内されてねじ軸２のランド部２ｂを乗り越え、隣接するねじ溝３ａに戻り、再びねじ溝２ａ、３ａに沿って転動して無限循環することができる。

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一対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単一円弧からなる溝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６が円周方向に対向する方向に突設されている。そして、図示しない揺動アームがこのトラニオン軸６に係合し、ボールねじ１は、トラニオン軸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。これにより、図示しない電動モータの回転に伴ってねじ軸２が回転し、このねじ軸２の回転によりナット３が軸方向（図中左右方向）に移動される。すなわち、このボールねじ１により、電動モータの回転運動がボールねじ１を介してナット３の軸方向運動に変換され、ナット３のトラニオン軸６を介して連結された揺動アームが揺動運動する。

ここで、本実施形態では、循環部材となる駒部材５が、ナット３の円周方向において、荷重作用点となるトラニオン軸６と同一位相で、かつ、このトラニオン軸６に対して、軸方向に非対称に配置されている。すなわち、一対の駒部材５は、トラニオン軸６に対してそれぞれＡ、Ｂからなる距離を隔てて配置され（Ｂ＝Ａ＋δ）、トラニオン軸６を中心に、一方の駒部材５が対称位置よりδだけシフトして非対称に配置されている。言い換えれば、一対の駒部材５、５に対して非対称位置にナット３への複合荷重Ｆ（Ｆ＝Ｆａ＋Ｆｒ）の作用点（トラニオン軸６）をシフトすることで、ラジアル荷重Ｆｒによる誘起モーメントＭｏを相殺する方向にモーメント力Ｍを発生させることができ、内部負荷分布の不均一化を軽減し、耐久性の向上を図ったボールねじ１を提供することができる。

図２は、従来のボールねじ（比較例）と、本実施形態におけるボールねじ１（実施例１）の面圧分布を比較計算した結果を示すグラフである。ここで、従来のボールねじは、トラニオン軸に対して、一対の駒部材が軸方向に対称に配置されている。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Ｆがボールねじに負荷される使用条件下で、トラニオン軸６に対して、一対の駒部材５、５が軸方向に非対称に配置されていれば、ボール４と両ねじ溝２ａ、３ａ間の最大面圧が低下し、内部負荷分布の不均一さが軽減されることが判る。

表１に、この計算を行ったボールねじ諸元と荷重条件を示す。ここで、スラスト荷重Ｆａとラジアル荷重Ｆｒは、複合荷重Ｆの分力を示している（図１参照）。

図３は、従来のボールねじ（比較例）と、本実施形態におけるボールねじ１（実施例１）の寿命を比較したグラフである。ここで、従来のボールねじの寿命を１とした時の寿命倍率を示している。このグラフから判るように、本実施形態のボールねじ１では、最大面圧の低下と、内部負荷分布の均一化によって、従来のボールねじに比べ１．１３倍寿命が向上する。

図４（ａ）は、本発明に係るボールねじの第２の実施形態を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。なお、前述した実施形態と同一部品同一部位あるいは同一機能を有する部位には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

このボールねじ７は、ナット８の外周面に、ナット８の軸線に対し直交する一対のナット孔９が円周方向に対向する方向に穿設されている。このナット孔９には円柱状のトラニオン軸（図示せず）が嵌合される。ここで、本実施形態では、駒部材５が、ナット８の円周方向において、荷重作用点となるナット孔９と異なった位相、ここでは、ナット孔９に対してそれぞれ傾斜角α＝５０°だけ傾斜し、ナット８の円周方向に対向して配置されている。また、一対の駒部材５、５は、前述した実施形態と同様、ナット孔９に対して、軸方向に非対称に配置されている。すなわち、一対の駒部材５は、ナット孔９に対してそれぞれＣ、Ｄからなる距離を隔てて配置され（Ｄ＝Ｃ＋δ、Ｃ＜Ａ）、ナット孔９を中心に、一方の駒部材５が対称位置よりδだけシフトして非対称に配置されている。これにより、ナット孔９と駒部材５、５との間隔を充分確保して熱処理時のナット８の焼割れを防止すると共に、ナット８の全長を大幅に短縮することができる。

なお、ここでは、ナット８の円周方向において、ナット孔９に対して一対の駒部材５、５の位相を５０°傾斜させ、それぞれ対向して配置したものを例示したが、これに限らず、一対の駒部材５、５が、ナット孔９に対して軸方向に非対称に配置されていれば良い。したがって、一対の駒部材５、５を同位相に配置しても良い。また、傾斜角αが０°を超え９０°未満に設定されていれば、駒部材５とナット孔９との間隔を所定量に確保した状態でナット８の全長を短縮することができる。この場合、循環部材は例示した駒部材５に限らず、リターンチューブであっても良い。

図５は、従来のボールねじ（比較例）と、本実施形態におけるボールねじ７（実施例２）の面圧分布を比較計算した結果を示すグラフである。ここで、従来のボールねじは、前述した第１の実施形態で比較したものと同様である。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Ｆがボールねじに負荷される使用条件下で、ナット孔９に対して、一対の駒部材５、５が軸方向に非対称に配置されていれば、ボール４と両ねじ溝２ａ、３ａ間の面圧が低下し、内部負荷分布の不均一さが一層軽減されることが判る。

図６は、従来のボールねじ（比較例）と、本実施形態におけるボールねじ７（実施例２）の寿命を比較したグラフである。ここで、従来のボールねじの寿命を１とした時の寿命倍率を示している。このグラフから判るように、本実施形態のボールねじ７では、面圧の低下と、内部負荷分布の均一化によって、従来のボールねじに比べ１．６１倍寿命が向上する。

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の第１の実施形態を示す正面図である。 （ｂ）は、同上、縦断面図である。 従来のボールねじと、本実施形態のボールねじの面圧分布を比較計算した結果を示すグラフである。 同上、ボールねじの寿命を比較計算した結果を示すグラフである。 （ａ）は、本発明に係るボールねじの第２の実施形態を示す正面図である。 （ｂ）は、同上、側面図である。 従来のボールねじと、本実施形態のボールねじの面圧分布を比較計算した結果を示すグラフである。 同上、ボールねじの寿命を比較計算した結果を示すグラフである。 従来のボールねじを示す縦断面図である。 従来のボールねじに複合荷重が負荷された状態を示す説明図である。 誘起モーメント力の発生メカニズムを説明するための模式図で、（ａ）は、ボールねじにスラスト荷重のみが負荷された状態を示している。（ｂ）は、ボールねじに、スラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が負荷された状態を示している。

符号の説明

１、７・・・・・・・・・ボールねじ
２・・・・・・・・・・・ねじ軸
２ａ、３ａ・・・・・・・ねじ溝
２ｂ・・・・・・・・・・ランド部
３、８・・・・・・・・・ナット
４・・・・・・・・・・・ボール
５・・・・・・・・・・・駒部材
５ａ・・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・・トラニオン軸部
９・・・・・・・・・・・ナット孔
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
５８・・・・・・・・・・トラニオン軸
５９・・・・・・・・・・揺動レバー
Ａ、Ｂ・・・・・・・・・トラニオン軸と駒部材との軸方向距離
Ｃ、Ｄ・・・・・・・・・ナット孔と駒部材との軸方向距離
Ｆ・・・・・・・・・・・複合荷重
Ｆａ・・・・・・・・・・スラスト荷重
Ｆｒ・・・・・・・・・・ラジアル荷重
Ｈ・・・・・・・・・・・溝深さ
Ｍ・・・・・・・・・・・モーメント荷重
Ｍｏ・・・・・・・・・・誘起モーメント
Ｓ・・・・・・・・・・・トラニオン軸とねじ軸の中心とを含む平面
Ｔ・・・・・・・・・・・負荷トルク
α・・・・・・・・・・・傾斜角
δ・・・・・・・・・・・駒部材の軸方向シフト量

Claims (4)

1. 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る転動路に転動自在に収容された複数のボールと、
   前記ナットのねじ溝を連結する連結溝が形成された駒部材とを備え、
   アクチュエータの駆動部に使用されて前記ナットにスラスト荷重とラジアル荷重の複合荷重が作用するボールねじにおいて、
   前記ナットの両端部に前記駒部材が配置されると共に、前記ナットの外周面に荷重作用点となる一対のトラニオン軸が円周方向に対向する方向に突設され、前記トラニオン軸を中心に、前記駒部材のうち一方の駒部材が対称位置より所定量だけシフトして、軸方向に非対称に配置されていることを特徴とするボールねじ。
2. 前記駒部材が、前記ナットの円周方向において、前記ナットの荷重作用点となる前記トラニオン軸に対して所定の傾斜角を有する位相に配置されている請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記傾斜角が０°を超え９０°未満に設定されている請求項２に記載のボールねじ。
4. 前記駒部材が、前記ナットの円周方向において、それぞれ対向した位相に配置されている請求項１乃至３いずれかに記載のボールねじ。
   

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