JP5170796B2

JP5170796B2 - 自動車用駒式ボールねじ

Info

Publication number: JP5170796B2
Application number: JP2010287370A
Authority: JP
Inventors: 康司立石; 恵介数野
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: JP2011058642A

Description

本発明は、自動車の電動パワーステアリングやアクチュエータ等に使用されるボールねじに関し、特に、ボール循環部品である駒部材の強度・耐久性を向上させた自動車用駒式ボールねじに関する。

ボールねじは、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、対向する両ねじ溝により形成された転動路に収容された多数のボールと、転動路を周回経路とする循環機構とを備え、例えば、ナットを回転運動させることでねじ軸を直線運動させる運動変換機構として使用されている。

一般的にボールねじは、ボールの循環機構が異なる種々の形式のものがあり、その一つに駒式と呼ばれるものがある。この駒式ボールねじはねじ溝の連結路を有し、転動路を周回経路とする循環用の駒部材がナットに装着されている。この駒式ボールねじは構成が比較的簡素で、かつコンパクトに構成できる利点がある。

このような駒式ボールねじの代表的な一例を図４に示す。この駒式ボールねじにおいて、回転ナット５０のナット本体５０ａは、駒部材嵌合用開口５１が内外周面に貫通して設けられて、この駒部材嵌合用開口５１に駒部材５２が内径側から嵌め込まれる。

駒部材５２は、内ねじ溝５３の隣り合う一周部分同士を連結する連結溝５２ａが形成され、回転ナット５０の内ねじ溝５３に係合してこの駒部材５２をナット本体５０ａに対して軸方向に位置決めする一対のアーム５４、５４を一体に有している。これら一対のアーム５４、５４は、駒部材５２の軸方向の両端に互いに円周方向逆向きに突出して設けられ、内ねじ溝５３に嵌合する半円状の断面形状に形成されている。ここで、内ねじ溝５３におけるアーム５４が係合した部分は非ボール循環部となる。

駒部材５２における回転ナット５０の周方向両側縁は、他の部分よりも外径面が凹む凹み部５５とされ、これら凹み部５５から外径側へ立ち上がり、駒部材５２の周方向を向く側面に沿って一対のガイド壁５６が設けられている。ナット本体５０ａの駒部材嵌合用開口５１は、対向する一対の内側面における開口縁に係合段部５７が設けられ、この係合段部５７よりも開口側部分の幅が若干幅広に形成されている。

駒部材５２は、ナット本体５０ａの駒部材嵌合用開口５１に内径側から嵌め込まれ、一対のアーム５４が内ねじ溝５３に係合されると共に、ガイド壁５６を塑性変形させることによりナット本体５０ａに固定される。この塑性変形による固定は、ガイド壁５６を駒部材嵌合用開口５１の対向する一対の内側面に加締固定することにより行われる。具体的には、ガイド壁５６を係合段部５７に加締めて係合させることにより、駒部材５２の固定の確実性を図っている。このようなアーム５４付きの駒部材５２は、アーム５４により駒部材５２の抜け止めと位置決めとがなされ、高精度で高強度の性能が得られると共に、簡単に、かつ確実に駒部材５２の固定ができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−２８９３０１号公報

この従来の駒式ボールねじにおいて、駒部材５２は、その外径面に形成された一対のガイド壁５６を塑性変形させることによりナット本体５０ａに加締固定されるが、駒部材５２は、こうした加締作業時に割れが発生しないよう、一般的に８０〜１３０Ｈｖ程度の生材で形成されている。

然しながら、こうした駒式ボールねじが自動車の電動パワーステアリングやアクチュエータ等に使用された場合、回転ナット５０あるいはねじ軸（図示せず）に振動荷重が作用することが多い。振動荷重がモーメント荷重として作用した場合等、ボールねじ内部の負荷分布が崩れて回転ナット５０内のボール５９の公転速度がバラツキ、その結果、駒部材５２内をボール５９が通過する際に、連結溝５２ａに大きな応力が発生する恐れがある。

こうした状況において、耐圧痕性や耐摩耗性を向上させて駒部材５２の耐久性を高めるには、駒部材５２の表面硬さを上げて強度を高めることが考えられるが、前記したように、塑性変形によってナット本体５０ａに固定される駒部材５２では難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、強度・耐久性と靭性という相反する特性を有する駒部材を備えた自動車用駒式ボールねじを提供することを目的としている。

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、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成されると共に、前記ナットのねじ溝に係合して位置決めするアームと、前記駒窓の両側縁に加締固定されるガイド壁が一体形成された駒部材とを備えたモーメント荷重が作用する自動車用駒式ボールねじにおいて、前記駒部材がＭＩＭによって成形される焼結金属からなり、前記ガイド壁の塑性変形が可能な靭性を有する析出硬化系ステンレスで形成されると共に、当該駒部材が固溶化熱処理によって硬化処理され、その表面硬さが３０ＨＲＣ以上に設定されている構成を採用した。

このように、駒部材がナットに加締固定されたモーメント荷重が作用する自動車用駒式ボールねじにおいて、駒部材がＭＩＭによって成形される焼結金属からなり、ガイド壁の塑性変形が可能な靭性を有する析出硬化系ステンレスで形成されると共に、当該駒部材が固溶化熱処理によって硬化処理され、その表面硬さが３０ＨＲＣ以上に設定されているので、加工度が高く複雑な形状であっても容易に、かつ精度良く所望の形状・寸法に成形することができると共に、大きな応力が発生する連結溝は耐圧痕性や耐摩耗性を充分有し、かつ、加締部となるガイド壁の靭性を確保し、駒部材をナットに固定する際に割れ等が発生するのを防止することができる。したがって、強度・耐久性と靭性という相反する特性を有する駒部材を備えた自動車用駒式ボールねじを提供することができる。

本発明に係る駒式ボールねじは、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、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成されると共に、前記ナットのねじ溝に係合して位置決めするアームと、前記駒窓の両側縁に加締固定されるガイド壁が一体形成された駒部材とを備えたモーメント荷重が作用する自動車用駒式ボールねじにおいて、前記駒部材がＭＩＭによって成形される焼結金属からなり、前記ガイド壁の塑性変形が可能な靭性を有する析出硬化系ステンレスで形成されると共に、当該駒部材が固溶化熱処理によって硬化処理され、その表面硬さが３０ＨＲＣ以上に設定されているので、加工度が高く複雑な形状であっても容易に、かつ精度良く所望の形状・寸法に成形することができると共に、大きな応力が発生する連結溝は耐圧痕性や耐摩耗性を充分有し、かつ、加締部となるガイド壁の靭性を確保し、駒部材をナットに固定する際に割れ等が発生するのを防止することができる。したがって、強度・耐久性と靭性という相反する特性を有する駒部材を備えた自動車用駒式ボールねじを提供することができる。

（ａ）は、本発明に係る自動車用駒式ボールねじの一実施形態を示す平面図、（ｂ）は、同上縦断面図である。本発明に係る駒部材を示す平面図である。本発明に係る駒部材の断面図である。（ａ）は、従来の駒式ボールねじにおける回転ナットの概念構成を示す破断正面図、（ｂ）は、同上破断側面図である。

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、対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成されと共に、前記ナットのねじ溝に係合して位置決めするアームと、前記駒窓の両側縁に加締固定されるガイド壁が一体形成された駒部材とを備えたモーメント荷重が作用する自動車用駒式ボールねじにおいて、前記駒部材がＭＩＭによって成形され、前記ガイド壁の塑性変形が可能な靭性を有する析出硬化系ステンレスで形成され、固溶化熱処理によって硬化処理され、その表面硬さが３０ＨＲＣ以上に設定されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る自動車用駒式ボールねじの一実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。また、図２は循環部材となる駒部材の平面図、図３は断面図である。

ねじ軸１は螺旋状のねじ溝２が外周に形成され、このねじ軸１に外嵌されるナット３の内周にはねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝４が形成されている。そして、両ねじ溝２、４の間に多数のボール５が収容されている。

各ねじ溝２、４の断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここではボール５との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。

円筒状のナット３の胴部には、内外の周面に貫通してねじ溝４の一部を切欠く楕円状の駒窓６が穿設され、この駒窓６に楕円状の駒部材７が嵌合されている。駒部材７の内方には、ねじ溝４の隣合う１周分同士を連結する連結溝８が形成され、この連結溝８とねじ溝４の略１周の部分とでボール５の転動路を構成している。転動路内の内外のねじ溝２、４間に介在された多数のボール５はねじ溝２、４に沿って転動し、駒部材７の連結溝８に案内され、ねじ軸１のねじ山を乗り越えて隣接するねじ溝４に戻り、再びねじ溝２、４に沿って転動する。

図２に示すように、部材７の連結溝８は、ナット３の隣接するねじ溝４間を滑らかに接続するようにＳ字状に湾曲して形成されている。したがって、その両端開口縁８ａは、ナット３の隣接するねじ溝４の窓開口縁部６ａに合致するように連結溝８がねじ溝４に接続されている（図１（ｂ）参照）。また、連結溝８の深さは、ボール５が連結溝８内でねじ軸１におけるねじ溝２のねじ山を越えることができる深さとされている。

駒部材７は、その両側に略蒲鉾状に形成されたアーム９が突設され、ナット３のねじ溝４に所定の径方向すきまを介して係合されている。アーム９は、駒部材７がナット３に対して軸方向に位置決めされ、また、駒部材７が駒窓６から径方向外方に抜け出すのを防止するために設けられている。また、駒部材７の周方向両側縁は、他の部分よりも外径面が凹む凹み部１０とされ、これら凹み部１０から外径側へ立ち上がる一対のガイド壁１１が駒部材７の周方向に対向して設けられている。

ボール５の組み込みは、ナット３の駒窓６に駒部材７をナット３の内径側から装着した後、ねじ軸１の軸端からナット３を当てがい、ボール５を両ねじ溝２、４間に順次挿入しながらナット３を回転させ、ナット３をねじ軸１に移動させることによって行う。これ以外にも、ナット３の駒窓６に駒部材７を装着した後、仮軸を用いてボール５を同様に挿入するようにしても良い。

駒部材７は金属粉末を可塑状に調整し、射出成形機で成形される焼結合金からなる。この射出成形に際しては、まず、金属粉と、プラスチックおよびワックスからなるバインダとを混練機で混練し、その混練物をペレット状に造粒する。造粒したペレットは、射出成形機のホッパに供給し、金型内に加熱溶融状態で押し込む、所謂ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ）により成形されている。こうしたＭＩＭによって成形される焼結合金であれば、加工度が高く複雑な形状であっても容易に、かつ精度良く所望の形状・寸法に成形することができる。

本実施形態では、前記金属粉として、後に浸炭焼入が可能な材質、例えば、Ｃ（炭素）が０．１３ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）が０．２１ｗｔ％、Ｃｒ（クロム）が１．１ｗｔ％、Ｃｕ（銅）が０．０４ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）が０．７６ｗｔ％、Ｍｏ（モリブデン）が０．１９ｗｔ％、Ｓｉ（シリコン）が０．２０ｗｔ％、残りがＦｅ（鉄）等からなるＳＣＭ４１５を例示することができる。また、これ以外にも、Ｃが０．０７ｗｔ％、Ｃｒが１７ｗｔ％、Ｎｉが４ｗｔ％、Ｃｕが４ｗｔ％、残りがＦｅ等からなる析出硬化系ステンレスＳＵＳ６３０であっても良い。このＳＵＳ６３０は、固溶化熱処理で表面硬さを適切に上げることができ、強靭性と高硬度を確保することができる。

駒部材７をＳＣＭ４１５等の浸炭材で形成する場合は、駒部材７は浸炭焼入れによって表面硬さが３０〜４０ＨＲＣの範囲になるように硬化処理されると共に、高周波テンパー装置を用いて、図３に示す加締部、すなわち、ガイド壁１１が焼きなましされ、表面硬さが１５〜２３ＨＲＣの範囲になるように設定されている。

ここで、浸炭焼入れによる硬化層の表面硬さが３０ＨＲＣ未満であれば、連結溝８の耐圧痕性や耐摩耗性が不足し、４０ＨＲＣを超えると駒部材７の熱処理変形が大きくなって好ましくない。また、焼きなましによるガイド壁１１の表面硬さが１５ＨＲＣ未満であれば加締部強度が不足し、２３ＨＲＣを超えると、加締加工時にクラック等が発生する恐れがあって好ましくない。

一方、駒部材７をＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレスで形成する場合は、固溶化熱処理で表面硬さが３０ＨＲＣ以上になるように設定されている。このＳＵＳ６３０は、所定の温度に加熱した後急冷することにより、合金元素が容易に固溶化する特徴を有している。

駒部材７がこれら浸炭材あるいは析出硬化系ステンレスをＭＩＭにより成形された焼結合金からなるので、大きな応力が発生する少なくとも連結溝８は耐圧痕性や耐摩耗性を充分有する。また、加締部となるガイド壁１１の靭性が高く、駒部材７をナット３に固定する際に割れ等の発生を防止することができる。したがって、強度・耐久性と靭性という相反する特性を有する駒部材を備えた駒式ボールねじを提供することができる。

駒部材７の材質として、ＭＩＭによって成形される前記した焼結合金以外に、Ｓ４５Ｃ等の中炭素鋼であっても良い。この場合、予め調質によって表面硬さを１５〜２３ＨＲＣの範囲に設定し、高周波焼入れによって少なくとも連結溝８の表面に表面硬さが３０ＨＲＣ以上の硬化層を形成することができる。これにより、前記した材質と同様、強度・耐久性と靭性という相反する特性を確保することができる。

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。

本発明に係る駒式ボールねじは、自動車の電動パワーステアリングやアクチュエータ等に使用される自動車用駒式ボールねじに適用することができる。

１ねじ軸
２、４ねじ溝
３ナット
５ボール
６駒窓
６ａ窓開口縁部
７駒部材
８連結溝
８ａ開口縁
９アーム
１０凹み部
１１ガイド壁
５０回転ナット
５０ａナット本体
５１駒部材嵌合用開口
５２駒部材
５２ａ連結溝
５３内ねじ溝
５４アーム
５５凹み部
５６ガイド壁
５７係合段部
５８繋ぎ部
５９ボール

Claims

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、
対向する両ねじ溝により形成される転動路に収容された複数のボールと、
前記ナットの胴部に穿設された駒窓に嵌合され、前記転動路を周回経路とする連結溝が形成されると共に、前記ナットのねじ溝に係合して位置決めするアームと、前記駒窓の両側縁に加締固定されるガイド壁が一体形成された駒部材とを備えたモーメント荷重が作用する自動車用駒式ボールねじにおいて、
前記駒部材がＭＩＭによって成形される焼結金属からなり、前記ガイド壁の塑性変形が可能な靭性を有する析出硬化系ステンレスで形成されると共に、当該駒部材が固溶化熱処理によって硬化処理され、その表面硬さが３０ＨＲＣ以上に設定されていることを特徴とする自動車用駒式ボールねじ。