JP5117946B2 - ボールねじ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車用アクチュエータに用いられるボールねじ、特に転がり化による効率改善と位置保持時の電力消費を押えることのできるものである。

従来のボールねじとしては、例えば、図３に示すようなベルト式無段変速機のアクチュエータに使用されるものが知られている（特許文献１参照）。このアクチュエータは、プーリ５１に巻掛られるベルト５４の巻掛径を変更するために、プーリ５１に設けられた一対の第１、第２フランジ５２、５３間の軸方向離隔距離を変更するものである。第１フランジ５２は、回転軸５５に対して軸心回りに回転一体に設けられ、第２フランジ５３は軸心回りに回転一体かつ軸方向に沿って摺動自在に配置される。

ボールねじ５９は、内周面に、両端部間で連続した所定のリード角を有する一条のねじ溝６１ａが形成されたナット６１と、このナット６１に内挿されて外周に前記ねじ溝６１ａのリード角と同一のリード角からなる複数のねじ溝６３ａが形成されたねじ軸６３と、両ねじ溝６１ａ、６３ａ間に転動自在に収容された多数のボール６４とを備えた構造となっている。ねじ軸６３の軸方向で隣り合うねじ溝６３ａの間に存在するランド部には、複数のねじ溝６３ａを個別に閉ループとする複数のボール循環溝６５が設けられ、このボール循環溝６５が、前記ねじ溝６３ａの下流のボールを内径側へ沈み込ませると共にナット６１のランド部を乗り越えさせて上流側へ戻す複数のボール循環列を構成する。

ねじ軸６３は中空構造で、中空穴に回転軸５５が挿入され、ねじ軸６３と回転軸５５が、転がり軸受５８を介して相対回転自在に支持されている。

また、ナット６１は連結部材６６を介して歯車５６と連結され、歯車５６が駆動歯車６０と軸方向に移動可能に噛合されている。また、連結部材６６はプーリ５１の第２フランジ５３と一体に形成された筒軸５３ａと、転がり軸受５７を介して回転自在に組み付けられている。

不図示のモータによって駆動歯車６０が回転するとナット６１が回転し、軸方向及び回転方向に不動に支持されているねじ軸６３に対して、ナット６１が軸方向に移動する。このナット６１の軸方向移動によって連結部材６６及び転がり軸受５７を介して、プーリ５１の第２フランジ部５３が軸方向に移動し、第１、第２フランジ５２、５３間の軸方向離隔距離が変化してベルト５４の巻き掛け径が変化する。
特開２００４−２３９４１７号公報

ボールねじは、ナット駆動時の正作動効率が高いので、効率よく動力を伝達することができるものの、ナットとねじ軸間の軸方向荷重に対してナットが逆回転する逆作動の効率も高い。そのため、所定位置に停止させる位置保持時において、モータに作用するトルクが大きくなるという問題があった。逆作動効率のみを低くすることが望ましいが、従来は、このような条件を満足するようなねじ諸元についての最適化の検討はなされていなかった。

本発明は、こうした従来の問題に鑑みてなされたもので、正作動効率を適度に向上させ、逆作動効率は適度に低下させ得る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、モータで回転駆動されるナットが、軸方向及び回転方向に不動に支持されているねじ軸に対して軸方向に移動し、このナットの移動によって一対のプーリのうち可動側のプーリが軸方向に移動し、一対のプーリ間の軸方向離隔距離が変化してベルトの巻き掛け径が変化するベルト式無段変速機のプーリ幅駆動装置に用いられるボールねじであって、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットに内挿され、外周に前記ねじ溝のリード角と同一のリード角からなる複数のねじ溝が形成されたねじ軸と、前記両ねじ溝間に転動自在に収容された多数のボールとを備え、前記ねじ軸の軸方向で隣り合うねじ溝の間に存在するランド部に、当該複数のねじ溝を個別に閉ループとする複数のボール循環溝が設けられ、このボール循環溝が、前記ねじ溝の下流のボールを内径側へ沈み込ませ、前記ナットのランド部を乗り越えさせて上流側へ戻す複数のボール循環列を構成する軸循環タイプのボールねじにおいて、前記ねじ軸の軸径がリードの２０倍〜４５倍の範囲にあり、リード角γを、０．４°＜γ＜０．９°とすることにより、逆作動効率を概５０％以下に設定したことを特徴とする。

通常のボールねじは、リード角が３°〜４°で、正作動効率及び逆作動効率共に９０％近くで使用されており、一般的には、１°を下回るリード角のものは使用されていない。正作動効率及び逆作動効率は、共にリード角が小さくなるにつれて低下するが、１°を下回るような小さな角度においては、正作動効率よりも逆作動効率が大きく低下する。ボールとねじ溝間のみかけの摩擦係数にもよるが、一般的な摩擦係数であれば、逆作動効率は、概ね、０．４°でほぼ０から５０％程度の効率となり、モータで位置保持する場合には、反力の半分を保持すればいいということで、消費電力も少なくて済む。一方、本発明のように軸循環タイプのボールねじの場合にはストロークが小さく、正作動効率が５０％以上の効率を確保することができれば、実用上支障はない。リードに換算すると、０．９°で軸径がリードの２０倍程度、０．４°で軸径がリードの４５倍程度となる。

請求項２に記載の発明のように、みかけの摩擦係数を０．００５以上とすれば、正作動効率；５０％〜６７％、逆作動効率；０％〜５０％の範囲とバランスのとれた効率を得ることができる。

一方、本発明のように、ねじ溝を小リードにすると、ボール径が小さくなり、同時にボールの負荷容量が小さくなり耐久性が低下するために、ねじ軸を大径にしてボールの数を増大させることが考えられるが、大径にすると重量増大を招く。そこで、請求項３に記載のように、ねじ軸を中空構造とすれば、重量を増大することなく軸径を大きくすることができ、比較的大量のボールを組み込み可能となり、耐久性向上を図ることができる。

請求項４に記載の発明のように、ボール径とリードの比率を９０％〜１１０％とすれば、組み込む個数およびボール負荷容量のバランスがよい。ボール径があまり小さいとボールの負荷容量が小さくなりすぎて組み込む個数を増やしても耐久性が悪いし、ボール径が大きいと、組み込む個数を増やせない。

また、請求項５に記載の発明のように、１循環列あたりのボール個数を５０個以上とすれば、組み込む個数およびボール負荷容量のバランスがよい。

請求項６に記載の発明のように、ねじ軸が高周波焼入、ナットが浸炭焼入されており、ねじ溝は双方とも切削仕上げとなっていれば、ねじ溝のみ必要深さに焼き入れすることができ、コスト上昇を可及的に押さえつつ耐久性向上を図ることができる。

本発明に係るボールねじは、モータで回転駆動されるナットが、軸方向及び回転方向に不動に支持されているねじ軸に対して軸方向に移動し、このナットの移動によって一対のプーリのうち可動側のプーリが軸方向に移動し、一対のプーリ間の軸方向離隔距離が変化してベルトの巻き掛け径が変化するベルト式無段変速機のプーリ幅駆動装置に用いられるボールねじであって、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットに内挿され、外周に前記ねじ溝のリード角と同一のリード角からなる複数のねじ溝が形成されたねじ軸と、前記両ねじ溝間に転動自在に収容された多数のボールとを備え、前記ねじ軸の軸方向で隣り合うねじ溝の間に存在するランド部に、当該複数のねじ溝を個別に閉ループとする複数のボール循環溝が設けられ、このボール循環溝が、前記ねじ溝の下流のボールを内径側へ沈み込ませ、前記ナットのランド部を乗り越えさせて上流側へ戻す複数のボール循環列を構成する軸循環タイプのボールねじにおいて、前記ねじ軸の軸径がリードの２０倍〜４５倍の範囲にあり、リード角γを、０．４°＜γ＜０．９°とすることにより、逆作動効率を概５０％以下に設定したので、ボールとねじ溝間の摩擦係数にもよるが、一般的な摩擦係数であれば、逆作動効率は、概ね、０．４°でほぼ０から５０％程度の効率となり、モータで位置保持する場合には、反力の半分を保持すればいいということで、消費電力も少なくて済む。一方、本発明のように軸循環タイプのボールねじの場合にはストロークが小さく、正作動効率が５０％以上の効率を確保することができれば、実用上支障はない。

本発明は、内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットに内挿され、外周に前記ねじ溝のリード角と同一のリード角からなる複数のねじ溝が形成されたねじ軸と、前記両ねじ溝間に転動自在に収容された多数のボールとを備え、前記ねじ軸の軸方向で隣り合うねじ溝の間に存在するランド部に、当該複数のねじ溝を個別に閉ループとする複数のボール循環溝が設けられ、このボール循環溝が、前記ねじ溝の下流のボールを内径側へ沈み込ませ、前記ナットのランド部を乗り越えさせて上流側へ戻す複数のボール循環列を構成する軸循環タイプのボールねじにおいて、リード角γを、０．４°＜γ＜０．９°、好ましくは０．４°＜γ＜０．８°とすることにより、逆作動効率を正作動効率よりも低くし、みかけ摩擦係数を０．００５以上として、正作動効率；５０％〜６７％、逆作動効率；０％〜５０％程度のボールねじとした。

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、本発明の実施形態に係るボールねじを示す概略縦断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のボールを誇張して大きく記載したボール循環路の模式的断面図、図２（ａ）は図１（ａ）を拡大し半断面にして示す断面図、図２（ｂ）は、リード角と効率の関係を示すグラフである。

ボールねじ１０は、内周面に、両端部間で連続した所定のリード角を有する一条のねじ溝１１ａが形成されたナット１１と、このナット１１に内挿されて外周に前記ねじ溝１１ａのリード角と同一のリード角からなる複数のねじ溝１３ａ、１３ｂが形成された中空のねじ軸１３と、両ねじ溝１１ａ、１３ａ、１３ｂ間に転動自在に収容された多数のボール１２とを備えた構造となっている。

ねじ軸１３の軸方向で隣り合うねじ溝１３ａ、１３ｂの間に存在するランド部１４には、複数のねじ溝１３ａ、１３ｂを個別に閉ループとする複数のボール循環溝１５、１６が設けられ、このボール循環溝１５、１６が、前記ねじ溝１３ａ、１３ｂの下流のボールを内径側へ沈み込ませると共にナット１１のランド部１７を乗り越えさせて上流側へ戻す複数のボール循環列２１、２２を構成する。

この実施例では、各ボール循環列２１、２２のボール循環溝１５、１６の円周方向の位相が、１８０°反対方向に位置しており、ボール循環列２１、２２間のピッチは、半周分が１ピッチ離間しており、残りの半周分が２ピッチ分離間している。

なお、上記ナット１１の一端側の内周には、転がり軸受４０が組み付けられる。この転がり軸受は、図３のようなベルト式無段変速機のアクチュエータに用いる場合には、プーリの可動側フランジ側の軸筒に組み付けられる。もっとも、アクチュエータの構造が限定されるものではない。

また、ねじ溝１１ａ、１３ａ、１３ｂは、断面がボール１２の半径よりも僅かに大きい曲率半径からなる２つの円弧を組み合わせた、所謂ゴシックアーチ形状に形成されている。無論、ねじ溝１１ａ、１３ａ、１３ｂは、このゴシックアーチ形状以外にも、ボール１２の半径よりも僅かに大きい曲率半径からなり、ボール１２とアンギュラコンタクトするサーキュラアーク形状であっても良い。

さらに、このボールねじは、図１（ｂ）に示すように、各列のボール１２を周方向等配に保持する保持器リング２３を備えている。保持器リング２３は、ねじ軸１３に対して軸方向にほぼ不動に位置決めされた状態で、かつ相対回転可能な状態で取り付けられている。

また、ナット１１とねじ軸１３との間に形成される環状空間の開口部にシール部材２４が装着され、ボールねじ１０の内部に封入されたグリースの外部への漏洩と、外部から雨水やダスト等の異物が内部に侵入するのを防止している。

この発明では、ねじ溝１１ａ、１３ａ、１３ｂのリード角γを、０．４°＜γ＜０．９°、好ましくは、０．４°＜γ＜０．８°とすることにより、逆作動効率を概５０％以下に設定したものである。リードＬに換算すると、０．９°で軸径ＤがリードＬの２０倍程度、０．４°で軸径がリードの４５倍程度となる。
通常のボールねじは、リード角が３°〜４°で、正作動効率及び逆作動効率共に９０％近くで使用されており、一般的には、１°を下回るリード角のものは使用されていない。正作動効率及び逆作動効率は、共にリード角γが小さくなるにつれて低下するが、図２（ｂ）に示すように、１°を下回るような小さな角度においては、逆作動効率は概５０％程度に低下する。

図２（ｂ）は、ナット１１とねじ軸１３間のみかけの摩擦係数を０．００５としたもので、０．４°＜γ＜０．９°の範囲とすると、正作動効率；５０〜７０％、逆作動効率；０〜５５％の範囲とバランスのとれた効率を得ることができる。また、０．４°＜γ＜０．８°の範囲とすると、正作動効率；５０％〜６７％、逆作動効率；０％〜５０％の範囲となる。このナット１１とねじ軸１３間のみかけの摩擦係数は、０．００５以上とすることが好ましい。

このようにすれば、ボールねじを駆動するモータで位置保持する場合には、スラスト反力の半分を保持すればいいということで、消費電力も少なくて済む。一方、本発明のように軸循環タイプのボールねじの場合にはストロークが小さく、正作動効率が５０％以上の効率を確保することができれば、実用上支障はない。

一方、本発明のように、ねじ溝１１ａ、１３ａ、１３ｂを小リードにすると、ボール径が小さくなり、同時にボールの負荷容量が小さくなって耐久性が低下するために、ねじ軸１３の軸径Ｄを大径にしてボール１２の数を増大させている。特に、ねじ軸１３を中空構造としているので、重量を増大することなく軸径を大きくすることができ、大量のボール１２を組み込んで、耐久性向上を図っている。

この実施例では、ボール径ｄとリードＬの比率を９０％〜１１０％としている。ボール径ｄがあまり小さいとボール１２の負荷容量が小さくなりすぎて組み込む個数を増やしても耐久性が悪いし、ボール径ｄが大きいと、組み込む個数を増やせない。
この実施例では、１循環列あたりのボール個数を５０個以上として、組み込む個数およびボール負荷容量のバランスをとっている。

また、ねじ軸１３については高周波焼入、ナット１１については浸炭焼入とされており、ねじ溝１３ａ、１３ｂ、１１ａは双方とも切削仕上げとなっている。このようにすれば、いれば、ねじ溝のみ必要深さに焼き入れすることができ、コスト上昇を可及的に押さえつつ耐久性向上を図ることができる。

なお、上記実施例では、ねじ軸１３が中空構造の場合について説明したが、中空構造に限定されるものではなく、中実のねじ軸にも対応可能である。

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、自動車のベルト式無段変速機のプーリ駆動機構等に適用できる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るボールねじを示す概略縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のボールを誇張して大きく記載したボール循環路の模式的断面図である。 （ａ）は、図１（ａ）を拡大し半断面にして示す拡大半断面図、（ｂ）は、リード角と効率の関係を示すグラフである。 従来のボールねじが適用されたベルト式無段変速機のプーリ駆動機構の構成例を示す図である。

符号の説明

１０・・・・・・・・・・ボールねじ
１１・・・・・・・・・・ナット
１１ａ・・・・・・・・・ねじ溝
１２・・・・・・・・・・ボール
１３・・・・・・・・・・ねじ軸
１３ａ、１３ｂ・・・・・ねじ溝
１４、１７・・・・・・・ランド部
１５、１６・・・・・・・ボール循環溝
２１、２２・・・・・・・ボール循環列
２３・・・・・・・・・・保持器リング
２４・・・・・・・・・・シール部材
γ・・・・・・・・・・・リード角
Ｌ・・・・・・・・・・・リード
Ｄ・・・・・・・・・・・軸径
ｄ・・・・・・・・・・・ボール径

Claims (6)

1. モータで回転駆動されるナットが、軸方向及び回転方向に不動に支持されているねじ軸に対して軸方向に移動し、このナットの移動によって一対のプーリのうち可動側のプーリが軸方向に移動し、一対のプーリ間の軸方向離隔距離が変化してベルトの巻き掛け径が変化するベルト式無段変速機のプーリ幅駆動装置に用いられるボールねじであって、
   内周に螺旋状のねじ溝が形成された円筒状のナットと、このナットに内挿され、外周に前記ねじ溝のリード角と同一のリード角からなる複数のねじ溝が形成されたねじ軸と、前記両ねじ溝間に転動自在に収容された多数のボールとを備え、前記ねじ軸の軸方向で隣り合うねじ溝の間に存在するランド部に、当該複数のねじ溝を個別に閉ループとする複数のボール循環溝が設けられ、このボール循環溝が、前記ねじ溝の下流のボールを内径側へ沈み込ませ、前記ナットのランド部を乗り越えさせて上流側へ戻す複数のボール循環列を構成する軸循環タイプのボールねじにおいて、
   前記ねじ軸の軸径がリードの２０倍〜４５倍の範囲にあり、
   リード角γを、０．４°＜γ＜０．９°とすることにより、逆作動効率を概５０％以下に設定したことを特徴とするボールねじ。
2. ナットとねじ軸間のみかけの摩擦係数を０．００５以上とした請求項１に記載のボールねじ。
3. ねじ軸が中空構造になっている請求項１又は２に記載のボールねじ。
4. ボール径とリードの比率が９０％〜１１０％である請求項１乃至３のいずれかの項に記載のボールねじ。
5. １循環列あたりのボール個数は５０個以上である請求項４に記載のボールねじ。
6. ねじ軸が高周波焼入、ナットが浸炭焼入されており、ねじ溝は双方とも切削仕上げとなっている請求項１乃至５のいずれかの項に記載のボールねじ。
   

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