JP5233426B2 - Ball spline - Google Patents
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Description
この発明は、ボールスプラインに関し、特に、過大トルクを受けやすい条件下で使用されるボールスプラインに関する。 The present invention relates to a ball spline, and more particularly, to a ball spline used under conditions that are susceptible to excessive torque.
ボールスプラインはボールねじと組み合わされて、電動アクチュエータ用や緩衝器用としてよく使用されており、例えば、特許文献1には、ボールねじナットにモータを接続することで、ボールねじナットが回転して、上下にのびるねじ軸が軸方向に直線移動する形態とされたボールねじを緩衝器に適用することが開示されている。
ボールスプライン付きボールねじを使用するアクチュエータや緩衝器では、ねじ軸が高速移動、ボールねじナットが高速回転している状態から、ストッパによって急停止させられる構成とされているものがあり、この場合、ボールねじに過大な衝撃荷重が入り、過大トルクが発生して、そのトルクによってスプライン軌道に圧痕が生じることがある。 Some actuators and shock absorbers using ball screws with ball splines are configured to be stopped suddenly by a stopper from the state where the screw shaft moves at high speed and the ball screw nut rotates at high speed. An excessive impact load is applied to the ball screw, and an excessive torque is generated, which may cause indentation on the spline track.
この発明の目的は、過大トルクを受けた場合でもスプライン軌道に圧痕が生じることを防止したボールスプラインを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a ball spline that prevents indentation from occurring on a spline track even when excessive torque is applied.
この発明によるボールスプラインは、スプライン軌道が設けられた軸と、ボールを介して軸に嵌め合わされたボールスプライン外筒とを備えているボールスプラインにおいて、捩り剛性を低下させるために、切欠き、孔および薄肉部のうちの少なくとも1つがスプライン外筒に設けられていることにより、スプライン外筒は、軸の捩れに追従するようにその剛性が設定されていることを特徴とするものである。 The ball spline according to the present invention is a ball spline having a shaft provided with a spline track and a ball spline outer cylinder fitted to the shaft via a ball, in order to reduce torsional rigidity. In addition, since at least one of the thin portions is provided in the spline outer cylinder , the spline outer cylinder is characterized in that its rigidity is set so as to follow the torsion of the shaft.
ボールスプラインは、好ましくは、ボールねじと組み合わされて、ボールねじ軌道および軸方向にのびるスプライン軌道が設けられたねじ軸と、ねじ軸のボールねじ軌道にボールを介してねじ合わされた回転自在のボールねじナットと、スプライン軌道にボールを介して嵌め合わされてねじ軸の軸方向直線運動を案内するボールスプライン外筒とからなるものとされる。 The ball spline is preferably combined with a ball screw, a screw shaft provided with a ball screw raceway and an axially extending spline raceway, and a rotatable ball screwed to the ball screw raceway of the screw shaft via a ball. A screw nut and a ball spline outer tube that is fitted to the spline track via a ball and guides the axial linear motion of the screw shaft are included.
このようなボールスプライン付きボールねじでは、ボールスプラインは、ボールスプライン外筒がキーなどの回り止め部によってハウジングに対して回り止めされ、スプライン外筒内の軸方向に複数個並んだボールを介してねじ軸の回転を防止して、ボールねじナットで発生するトルクの反力を受ける。従来のボールスプライン付きボールねじでは、スプライン外筒の捩り剛性がねじ軸の数倍以上とされており、そのため、ねじ軸に過大トルクが作用すると、スプライン外筒に対しねじ軸が捩られることで、スプライン外筒内で軸方向に複数個並んだボールの荷重分担が不均一になり、その分、最大荷重の値が増加し、スプライン軌道に圧痕が生じやすいものとなっていた。捩れ防止のためには、ねじ軸の剛性を上げればよいが、軸径を太くすると、ボールねじ全体が大きくなり好ましくない。この発明のボールスプラインによると、スプライン外筒の捩り剛性と軸の捩り剛性とが近い値とされることで、軸が捩られた際にこれに伴ってスプライン外筒が捩られやすいものとなり、各ボールの荷重分担が均一になることで、最大荷重の増加が抑えられる。 In such a ball screw with a ball spline, the ball spline is configured such that the ball spline outer cylinder is prevented from rotating with respect to the housing by a rotation-preventing part such as a key, and a plurality of balls are arranged in the axial direction inside the spline outer cylinder. Prevents the rotation of the screw shaft and receives the reaction force of the torque generated by the ball screw nut. In conventional ball screws with ball splines, the torsional rigidity of the spline outer cylinder is several times that of the screw shaft. Therefore, if excessive torque acts on the screw shaft, the screw shaft is twisted against the spline outer cylinder. The load sharing of a plurality of balls arranged in the axial direction in the spline outer cylinder becomes non-uniform, and the value of the maximum load increases accordingly, and the indentation is likely to occur on the spline track. In order to prevent twisting, the rigidity of the screw shaft may be increased. However, if the shaft diameter is increased, the entire ball screw becomes undesirably large. According to the ball spline of the present invention, since the torsional rigidity of the spline outer cylinder and the torsional rigidity of the shaft are close to each other, when the shaft is twisted, the spline outer cylinder is easily twisted accordingly. By increasing the load sharing of each ball, the increase in the maximum load can be suppressed.
スプライン外筒の捩り剛性と軸の捩り剛性とが一致した場合が最適となるが、スプライン外筒の捩り剛性が軸の捩れに追従するように設定されることで、衝撃荷重が大きくなった場合でも、ボールに負荷される荷重がほぼ均一になり、部分的な面圧増加が防止される。スプライン外筒の捩り剛性は、軸の捩り剛性の軸の捩り剛性の0.5〜1.5倍(±50%)、より好ましくは、0.9〜1.1倍(±10%)とされる。 It is optimal when the torsional rigidity of the spline outer cylinder matches the torsional rigidity of the shaft. However, when the torsional rigidity of the spline outer cylinder is set to follow the torsion of the shaft, the impact load increases. However, the load applied to the ball becomes almost uniform, and a partial increase in surface pressure is prevented. The torsional rigidity of the spline outer cylinder is 0.5 to 1.5 times (± 50%), more preferably 0.9 to 1.1 times (± 10%) of the torsional rigidity of the shaft. Is done.
スプライン外筒の捩り剛性を調整するに際しては、捩り剛性を低下させるために、切欠き、孔および薄肉部のうちの少なくとも1つがスプライン外筒に設けられればよく、切欠き、孔および薄肉部の大きさ、数などを適宜調整することで、軸の捩り剛性を基準としたスプライン外筒の捩り剛性目標値を容易に得ることができる。 In adjusting the torsional rigidity of the spline outer cylinder, in order to reduce the torsional rigidity, it is sufficient that at least one of the notch, the hole and the thin part is provided in the spline outer cylinder. By appropriately adjusting the size, number, etc., the torsional rigidity target value of the spline outer cylinder based on the torsional rigidity of the shaft can be easily obtained.
ねじ軸、ボールねじナットおよびボールスプライン外筒は、例えば、S45C,S55Cなどの炭素鋼製あるいはSAE4150鋼製とされ、また、ボールは、例えば、軸受鋼(SUJ2)製とされる。 The screw shaft, the ball screw nut, and the ball spline outer cylinder are made of carbon steel such as S45C and S55C or SAE4150 steel, and the ball is made of bearing steel (SUJ2), for example.
この発明によるボールスプラインは、ボールねじと組み合わされて、アクチュエータ(モータによってボールねじナットが回転させられ、これにより、ねじ軸が直線移動する形態)として使用されることがあり、緩衝器(ねじ軸が外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ボールねじナットが回転し、モータが発生する電磁力が減衰力となる形態)として使用されることがある。 The ball spline according to the present invention may be used in combination with a ball screw as an actuator (a configuration in which a ball screw nut is rotated by a motor, whereby the screw shaft moves linearly), and a shock absorber (screw shaft). Is moved linearly by an external force, whereby the ball screw nut is rotated and the electromagnetic force generated by the motor is used as a damping force.
アクチュエータや緩衝器で使用される場合には、例えば、ボールスプライン付きボールねじと、ボールねじナットに一体化された中空軸と、軸受を介して中空軸を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒を支持するハウジングと、中空軸に固定されたモータロータおよびハウジング内径に固定されたモータステータからなるモータとを備えているものとされる。 When used in an actuator or shock absorber, for example, a ball screw with a ball spline, a hollow shaft integrated with a ball screw nut, a hollow shaft rotatably supported via a bearing and a ball spline outer cylinder And a motor composed of a motor rotor fixed to the hollow shaft and a motor stator fixed to the inner diameter of the housing.
ねじ軸は、往復直線移動し、通常、その所定量以上の移動を防止するためのストッパが設けられる。ストッパは、例えば、ねじ軸が所定量以上移動した際にハウジングに当接するフランジ部をねじ軸に設けることで形成することができ、また、ストッパは、ねじ軸と一体に直線移動する部材に形成してもよく、直線移動しない方の部材(ハウジングや中空軸)に設けることもできる。 The screw shaft reciprocates linearly and is usually provided with a stopper for preventing movement beyond a predetermined amount. The stopper can be formed, for example, by providing the screw shaft with a flange portion that contacts the housing when the screw shaft moves by a predetermined amount or more, and the stopper is formed on a member that moves linearly integrally with the screw shaft. Alternatively, it may be provided on a member that does not move linearly (a housing or a hollow shaft).
この発明のボールスプラインによると、スプライン外筒の捩り剛性が軸の捩れに追従するように設定されているので、過大トルクを受けて、軸が捩られた際、これに伴ってスプライン外筒も捩られることになり、スプライン外筒内で軸方向に複数個並んだ各ボールに負荷される荷重が均一になり、最大荷重が増加しない。したがって、過大トルクを受けた場合でも、圧痕が防止され、ボールスプラインの寿命が向上する。 According to the ball spline of the present invention, since the torsional rigidity of the spline outer cylinder is set so as to follow the torsion of the shaft, when the shaft is twisted due to excessive torque, the spline outer cylinder is also accompanied by this. As a result, the load applied to each ball arranged in the axial direction in the spline outer cylinder becomes uniform, and the maximum load does not increase. Therefore, even when excessive torque is applied, indentation is prevented and the life of the ball spline is improved.
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。以下の説明において、上下は、図の上下をいうものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, “upper and lower” means the upper and lower sides of the figure.
図1は、この発明によるボールスプラインを使用したモータ付きボールねじ装置を示している。 FIG. 1 shows a ball screw device with a motor using a ball spline according to the present invention.
モータ付きボールねじ装置(1)は、ボールねじ軌道(2a)および上下方向にのびるスプライン軌道(2b)が設けられた上下にのびる鋼製ねじ軸(2)と、ねじ軸(2)のボールねじ軌道(2a)にボールを介してねじ合わされた回転自在の鋼製ボールねじナット(3)と、ねじ軸(2)の下端部側においてスプライン軌道(2b)にボールを介して嵌め合わされてねじ軸(2)の上下方向(軸方向)直線運動を案内するボールスプライン外筒(4)と、ボールねじナット(3)に一体化されて上方にのびる中空軸(5)と、軸受(7)を介して中空軸(5)を回転可能に支持するとともにボールスプライン外筒(4)を支持するハウジング(6)と、中空軸(5)に固定された円筒状のモータロータ(9)およびハウジング(6)内径に固定された円筒状のモータステータ(10)からなるモータ(8)とを備えている。 The motorized ball screw device (1) consists of a ball screw raceway (2a) and a vertically extending steel screw shaft (2) provided with a spline raceway (2b), and a ball screw of the screw shaft (2). A rotatable steel ball screw nut (3) screwed to the raceway (2a) via a ball, and a screw shaft fitted onto the spline raceway (2b) via the ball on the lower end side of the screw shaft (2). The ball spline outer cylinder (4) that guides the vertical movement (axial direction) of (2), the hollow shaft (5) that is integrated with the ball screw nut (3), and the bearing (7) Through which the hollow shaft (5) is rotatably supported and the ball spline outer cylinder (4) is supported, a cylindrical motor rotor (9) fixed to the hollow shaft (5), and the housing (6 And a motor (8) comprising a cylindrical motor stator (10) fixed to the inner diameter.
モータ(8)は、永久磁石型三相同期モータとされており、モータロータ(9)が永久磁石とされて、モータステータ(10)にU相、V相およびW相の三相のコイル(10a)が巻かれている。 The motor (8) is a permanent magnet type three-phase synchronous motor, the motor rotor (9) is a permanent magnet, and a U-phase, V-phase and W-phase three-phase coil (10a) is provided on the motor stator (10). ) Is wound.
ねじ軸(2)と中空軸(5)とは、同心状に配置されており、ボールねじ装置(1)は、ボールねじナット(3)、中空軸(5)およびモータロータ(9)を回転させて、ねじ軸(2)を直線移動させる形態で使用される。 The screw shaft (2) and the hollow shaft (5) are arranged concentrically, and the ball screw device (1) rotates the ball screw nut (3), the hollow shaft (5), and the motor rotor (9). Thus, the screw shaft (2) is used in the form of linear movement.
中空軸(5)は、ねじ軸(2)を案内する小径部(11)と、内周面がボールねじナット(3)の外周面に固定されかつ外周面に軸受(7)を保持する大径部(12)とからなる。 The hollow shaft (5) has a small-diameter portion (11) for guiding the screw shaft (2), and a large diameter whose inner peripheral surface is fixed to the outer peripheral surface of the ball screw nut (3) and that holds the bearing (7) on the outer peripheral surface. It consists of a diameter part (12).
ボールスプライン外筒(4)は、ねじ軸(2)の回転を防止してその上下移動を案内するために、回り止め部(例えばキー)(13)によってハウジング(6)に対して回り止めされる。 The ball spline outer cylinder (4) is prevented from rotating with respect to the housing (6) by a detent (for example, a key) (13) to prevent the screw shaft (2) from rotating and guide its vertical movement. The
ボールスプライン外筒(4)には、キー溝とは別に、捩り剛性低下手段としての複数の孔(14)が設けられている。 In addition to the keyway, the ball spline outer cylinder (4) is provided with a plurality of holes (14) as means for reducing torsional rigidity.
このモータ付きボールねじ装置(1)は、例えば、自動車の電磁緩衝器用として使用するのに適している。電磁緩衝器は、タイヤから伝わる外力によってねじ軸(2)が軸方向に直線移動し、これに伴って、ボールねじナット(3)および中空軸(5)が回転し、この回転運動をモータ(8)に取り込んで、モータ(8)で発生する電磁力を減衰力として利用するようになっている。 The motor-equipped ball screw device (1) is suitable for use as, for example, an automobile electromagnetic shock absorber. In the electromagnetic shock absorber, the screw shaft (2) linearly moves in the axial direction due to the external force transmitted from the tire, and the ball screw nut (3) and the hollow shaft (5) rotate accordingly. 8), the electromagnetic force generated by the motor (8) is used as the damping force.
このような電磁緩衝器は、突起乗り越し等のオーバストローク時には、ねじ軸(2)と一体で上下移動するバンプストッパがハウジング(6)等に衝突することにより、高速回転していたモータ(8)が急停止し、モータ(8)の慣性トルクにより過大トルクがボールスプラインのスプライン軌道(2b)などに負荷されることがあり、その保護が課題となっている。 Such an electromagnetic shock absorber has a motor (8) that has been rotating at a high speed when the bump stopper that moves up and down integrally with the screw shaft (2) collides with the housing (6) etc. during an overstroke such as over the protrusion. May stop suddenly and an excessive torque may be applied to the spline raceway (2b) of the ball spline due to the inertia torque of the motor (8), and its protection is a problem.
そこで、この発明によるボールスプラインでは、ボールスプライン外筒(4)に着目し、従来のボールスプライン外筒は捩り剛性が高く、ねじ軸(2)の捩れに対して自身が捩れないことで、ねじ軸(2)の捩れの増加に伴ってボールに負荷される荷重が増加するのに対し、捩り剛性を低下させるための手段(図1に示す例では孔)(14)がスプライン外筒(4)に設けられることで、スプライン外筒(4)の捩り剛性がねじ軸(2)の捩り剛性に近いものとされている。 Therefore, in the ball spline according to the present invention, focusing on the ball spline outer cylinder (4), the conventional ball spline outer cylinder has a high torsional rigidity, and the screw spline (2) itself is not twisted, so that While the load applied to the ball increases as the torsion of the shaft (2) increases, the means (14 in the example shown in FIG. 1) (14) for reducing the torsional rigidity is provided with a spline outer cylinder (4 ), The torsional rigidity of the spline outer cylinder (4) is close to the torsional rigidity of the screw shaft (2).
捩り剛性を低下させるための手段は、孔(14)(図2(a)参照)に代えて、図2(b)に示すように、切欠き(15)としてもよく、図2に示す孔(14)または切欠き(15)と同じ位置および同じ大きさの薄肉部としてもよい。ボールスプライン外筒(4)には、スプライン軌道(4a)が設けられており、孔(14)、切欠き(15)等は、スプライン軌道(4a)を外す位置に設けられる。 The means for reducing torsional rigidity may be a notch (15) as shown in FIG. 2 (b) instead of the hole (14) (see FIG. 2 (a)). It may be a thin portion having the same position and the same size as (14) or the notch (15). The ball spline outer cylinder (4) is provided with a spline track (4a), and the hole (14), the notch (15) and the like are provided at a position where the spline track (4a) is removed.
捩り剛性を低下させる手段としての孔(14)などが設けられたスプライン外筒(4)を有しているボールスプラインによると、図3(a)に示す通常状態において、ねじ軸(2)上方においてねじ軸(2)に捩れを起こさせる力が作用すると、ねじ軸(2)が捩られて、図の上側で捩れ量が大となる。この際、ボールスプライン外筒(4)がねじ軸(2)の捩れに追従しやすくなっているので、図3(b)に示すように、ねじ軸(2)の捩れに対応して、スプライン外筒(4)にも捩れが生じる。 According to the ball spline having the spline outer cylinder (4) provided with a hole (14) as a means for reducing torsional rigidity, the screw shaft (2) is moved upward in the normal state shown in FIG. When a force causing twisting acts on the screw shaft (2), the screw shaft (2) is twisted, and the amount of twist becomes large on the upper side of the figure. At this time, since the ball spline outer cylinder (4) easily follows the twist of the screw shaft (2), the spline corresponds to the twist of the screw shaft (2) as shown in FIG. Twist also occurs in the outer cylinder (4).
したがって、従来のボールスプラインに過大トルクが作用した場合には、図4(a)に示すように、ねじ軸(2)が捩れて、そのスプライン軌道溝(2b)が図の二点鎖線で示されている位置まで変形し、この際、スプライン外筒(24)は、捩れ剛性が高く実質的に変形しないので、ねじ軸(2)の捩れ量に相当する力がそのままボール(16)に作用することになる。そのため、ボール(16)の荷重分担の増加量がスプライン軌道(24a)の上部において大きくなり、この部分にあるボール(16)は、同図に矢印で示すように、捩れが大きい上側でより大きな力を受け、この部分のスプライン軌道(2b)(24a)に圧痕が生じる可能性が高くなる。 Therefore, when an excessive torque is applied to the conventional ball spline, as shown in FIG. 4A, the screw shaft (2) is twisted and the spline raceway groove (2b) is indicated by a two-dot chain line in the figure. At this time, the spline outer cylinder (24) has high torsional rigidity and does not substantially deform, so that a force corresponding to the torsional amount of the screw shaft (2) acts on the ball (16) as it is. Will do. Therefore, the increase in the load sharing of the ball (16) becomes larger at the upper part of the spline track (24a), and the ball (16) in this part is larger on the upper side where the twist is large, as shown by the arrow in FIG. Due to the force, there is a high possibility that indentation will occur in the spline track (2b) (24a) in this part.
これに対し、この発明によるボールスプラインでは、上記のように、ボールスプライン外筒(4)がねじ軸(2)の捩れに追従するので、ねじ軸(2)のスプライン軌道溝(2b)が図の二点鎖線で示されている位置まで変形すると、ボールスプライン外筒(4)のスプライン軌道(4a)も図の二点鎖線で示されている位置まで変形し、ボール(16)の荷重分担の増加量としては、ねじ軸(2)の捩れ量とスプライン外筒(4)の捩れ量との差に相当する分だけとなり、ボール(16)への負荷が均一化される。これにより、スプライン軌道(2b)(4a)に圧痕が生じることが防止される。 On the other hand, in the ball spline according to the present invention, as described above, since the ball spline outer cylinder (4) follows the twist of the screw shaft (2), the spline raceway groove (2b) of the screw shaft (2) is illustrated in FIG. When the ball spline outer cylinder (4) is deformed to the position indicated by the two-dot chain line, the spline track (4a) of the ball spline outer cylinder (4) is also deformed to the position indicated by the two-dot chain line in the figure, and the load sharing of the ball (16) The amount of increase is only an amount corresponding to the difference between the twist amount of the screw shaft (2) and the twist amount of the spline outer cylinder (4), and the load on the ball (16) is made uniform. This prevents indentation from occurring in the spline tracks (2b) (4a).
なお、上記のボールスプライン付きボールねじ(1)は、電磁緩衝器用として説明したが、これに限られるものではなく、電動アクチュエータとして使用することもできる。この場合、モータ(8)の回転駆動力をボールねじナット(3)を介してねじ軸(2)の軸方向推力に変換し、推力の軸方向反力を軸受(7)で支持してねじ軸(2)を直線運動させ、ねじ軸(2)に作用する軸方向荷重をボールねじナット(3)で負荷するとともに、トルクをボールスプライン外筒(4)で支持した形態での使用となる。 Although the above ball screw with ball spline (1) has been described for an electromagnetic shock absorber, the present invention is not limited to this and can also be used as an electric actuator. In this case, the rotational driving force of the motor (8) is converted to the axial thrust of the screw shaft (2) via the ball screw nut (3), and the axial reaction force of the thrust is supported by the bearing (7) and screwed. The shaft (2) is moved linearly, the axial load acting on the screw shaft (2) is applied by the ball screw nut (3), and the torque is supported by the ball spline outer cylinder (4). .
(2) ねじ軸(軸)
(2b) スプライン軌道
(4) ボールスプライン外筒
(6) ハウジング
(14) 孔
(15) 切欠き
(16) ボール
(2) Screw shaft (shaft)
(2b) Spline track
(4) Ball spline outer cylinder
(6) Housing
(14) Hole
(15) Notch
(16) Ball
Claims (2)
捩り剛性を低下させるために、切欠き、孔および薄肉部のうちの少なくとも1つがスプライン外筒に設けられていることにより、スプライン外筒は、軸の捩れに追従するようにその剛性が設定されていることを特徴とするボールスプライン。 In a ball spline comprising a shaft provided with a spline track and a ball spline outer cylinder fitted to the shaft via a ball,
In order to reduce the torsional rigidity, at least one of the notch, the hole and the thin wall portion is provided in the spline outer cylinder, so that the rigidity of the spline outer cylinder is set so as to follow the torsion of the shaft. A ball spline characterized by
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