JP5332626B2

JP5332626B2 - ボールスプライン

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Publication number: JP5332626B2
Application number: JP2009003087A
Authority: JP
Inventors: 肇渡邉
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP2010159840A

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。

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。

従来のボールスプラインで使用されている外筒の一例を図６および図７に示す。同図において、ボールスプラインは、スプライン軌道(35a)が設けられた軸(35)と、軸(35)に嵌められたボールスプライン外筒(31)と、ボールスプライン外筒(31)と軸(35)との間に配設されたボール(37)とを備えており、ボールスプライン外筒(31)は、軸(35)のスプライン軌道(35a)に対向させられることで主通路(36)を構成するスプライン軌道(32a)が形成された略円筒状の金属製外筒本体(32)と、戻し通路(33a)が形成されておりかつ外筒本体(32)の内周に嵌め合わされた略円筒状の合成樹脂製保持器本体(33)と、保持器本体(33)の戻し通路(33a)と主通路(36)とを連通する連通路(34a)が形成されており保持器本体(33)に一端側から突き合わされた合成樹脂製保持器蓋(34)とを有している。

軸(35)の直線移動に伴って、ボール(37)は、主通路(36)、保持器本体(33)の戻し通路(33a)、保持器蓋(34)の連通路(34a)を循環し、この循環がスムーズに行われることにより、スプラインのスムーズなストロークが確保される。

特開２００５−２６４９９２号公報

上記のボールスプライン外筒(31)では、保持器本体(33)と保持器蓋(34)との突き合わせ部には微小な隙間Ｇがあり、この隙間Ｇが変形することなどによって、ボールスプラインの摺動抵抗が大きくなるなどの循環不良を起こし、スプラインのストロークの妨げとなることがある。

すなわち、図６において、軸(35)は左方に移動するものとすると、これに応じて、ボールスプライン外筒(31)は図の右方に移動しようとし、軸(35)の直線移動に伴って、主通路(36)にあるボール(37)は、保持器本体(33)の戻し通路(33a)へ押し出されるとともに、保持器蓋(34)の連通路(34a)にあるボール(37)が主通路(36)へと戻される。Ａで示すボール(37)が戻し通路(33a)から主通路(36)に突入する際、Ｂで示すボール(37)が保持器蓋(34)を矢印で示す右方へ押し、戻し通路(33a)の幅Ｐが広がり、Ｂで示すボール(37)が主通路(36)の入口部分で引っ掛かることがある。この場合、ボール(37)の旋回する軌道がずれ、戻し通路(33a)にボール(37)が充満して、主通路(36)内のボール(37)が戻し通路(33a)に入れず、ボールスプラインの摺動抵抗が大きくなり、スプラインのストロークが円滑でないようになるという問題が生じる。

この発明の目的は、スプラインのストロークを円滑にすることができるボールスプラインを提供することにある。

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、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対向させられることで主通路を構成するスプライン軌道が形成された略円筒状の外筒本体と、戻し通路が形成されておりかつ外筒本体の内周に嵌め合わされた略円筒状の合成樹脂製保持器本体と、保持器本体の戻し通路と主通路とを連通する連通路が形成されており保持器本体に一端側から突き合わされた合成樹脂製保持器蓋とを有しているボールスプラインにおいて、保持器本体および保持器蓋は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪によって外筒本体に支持されており、保持器本体の端面および保持器蓋の端面の少なくとも一方に、軸方向に突出する凸部が周方向に所定間隔で３カ所以上形成されており、保持器本体と保持器蓋とは、軸方向の弾性的な与圧が付加されて組み付けられていることを特徴とするものである。

ボールは、軸に形成されたスプライン軌道とボールスプライン外筒に形成されたスプライン軌道との間（主通路）を転動し、保持器本体の戻し通路および保持器蓋の連通路を経て、再び主通路に戻される（循環する）。

保持器本体および保持器蓋は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪によって外筒本体に支持される。保持器本体および保持器蓋は、合成樹脂製とされる。

スプライン外筒内のボール循環をスムーズにして、ボール詰まりをなくすために、その原因となる保持器本体と保持器蓋との突き合わせ部の隙間が開かないようにすればよく、軸方向の与圧によってこの隙間が０とされる。ただし、隙間が０（クリアランスがない）場合には、温度変化や寸法ばらつきによって、保持器本体と保持器蓋との突き合わせ部に大きな力が作用し、保持器が変形し、循環不良に至る危険性があり、過剰な与圧が発生しないように、与圧は弾性的な力によって形成される。

弾性的な与圧とするには、止め輪が弾性変形しやすい構造としてもよく、保持器本体および／または保持器蓋が弾性変形しやすい構造としてもよい。

止め輪が弾性変形する構成としては、例えば、保持器本体および保持器蓋は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪によって外筒本体に支持されており、１対の止め輪の少なくとも一方は、ばね座金とされているようにすればよい。ばね座金としては、例えば、波形ワッシャが使用される。

保持器本体および／または保持器蓋が弾性変形する構成としては、例えば、保持器本体および保持器蓋は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対のＣ形止め輪によって外筒本体に支持されており、保持器本体の端面および保持器蓋の端面の少なくとも一方に、軸方向に突出する凸部が周方向に所定間隔で３カ所以上形成されているようにすればよい。この場合、凸部が形成された保持器本体および保持器蓋の端部に、凸部の軸方向内方への変形を容易とする孔が形成されていることがより好ましい。

止め輪、保持器本体および保持器蓋を弾性変形させる構成は上記のものに限られるものではなく、いずれにしろ、保持器本体と保持器蓋とが軸方向の弾性的な与圧が付加されて組み付けられていることにより、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果が得られる。

スプライン軌道は、時計方向の回転を受けるものと反時計方向の回転を受けるものとが対とされて、これが複数対（例えば３対）設けられる。軸の外周には、例えば、基準円筒面から突出するように形成された複数（例えば３つ）のボール受け部が設けられ、このボール受け部の時計方向側および反時計方向側に、それぞれスプライン軌道が形成される。これに対応して、外筒本体の内周には、ボール受け部の時計方向側のスプライン軌道に時計方向側から対向するスプライン軌道と、ボール受け部の反時計方向側のスプライン軌道に反時計方向側から対向するスプライン軌道とがそれぞれ形成される。

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。

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、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。

ねじ軸、ボールねじナットおよびボールスプライン外筒本体は、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。

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。

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。

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。

この発明のボールスプラインによると、保持器本体と保持器蓋とが軸方向の弾性的な与圧が付加されて組み付けられていることにより、スプラインのストロークが円滑になり、摺動音低減、引っ掛かり感の低減、損失低減などの効果が得られる。

図１は、この発明によるボールスプラインが使用されたボールねじ装置を示す縦断面図である。図２は、この発明によるボールスプラインの第１実施形態を示す一部切欠き側面図である。図３は、第１実施形態で使用されている波形ワッシャを示す斜視図である。図４は、この発明によるボールスプラインの第２実施形態を示す一部切欠き側面図である。図５は、第２実施形態の保持器を示す斜視図である。図６は、従来のボールスプライン外筒の外筒本体を取り除いた側面図である。図７は、同横断面図である。

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１の上下をいうものとする。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図２および図３は、この発明によるボールスプラインの第１実施形態を示している。図２において、保持器(18)は、径方向外方から見た図（側面図）となっており、外筒本体(17)および止め輪(21)(22)は、その縦断面形状が示されている。ボールスプラインの横断面形状は、図７に示した従来のものと同様であるので、その図示を省略する。

図２において、ボールスプライン外筒(4)は、略円筒状の金属製外筒本体(17)と、外筒本体(17)の内周に嵌め合わされて固定された略円筒状の保持器(18)とを備えている。保持器(18)は、合成樹脂製で、保持器本体(19)および保持器蓋(20)からなり、両者は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪(21)(22)によって外筒本体(17)に支持されている。

ねじ軸(2)の外周には、基準円筒面から突出するように形成された３つのボール受け部(15)が周方向に等間隔で設けられており、このボール受け部(15)の時計方向側肩部および反時計方向側肩部に、それぞれスプライン軌道(2b)(2c)が形成されている。

外筒本体(17)には、ねじ軸(2)のスプライン軌道(2b)(2c)に対向させられることで主通路(23)を構成するスプライン軌道(4a)(4b)が形成されている。こうして、ねじ軸(2)が時計方向に回転しようとしたときにそのトルクを負荷するスプライン軌道(2b)(4a)と、ねじ軸(2)が反時計方向に回転しようとしたときにそのトルクを負荷するスプライン軌道(2c)(4b)とが対とされて、これが３対設けられている。

保持器(18)には、主通路(23)の左右両端部と連通する戻し通路(24)が外筒本体(17)との間に形成されている。各戻し通路(24)は、対となっている主通路(23)を周方向の両側から挟むように設けられている。保持器蓋(20)には、保持器本体(19)の戻し通路(24)と主通路(23)とを連通する円弧状の連通路(25)が形成されており、保持器蓋(20)に形成された連通路(25)以外の戻し通路(24)部分が保持器本体(19)に形成されている。

ボール(16)は、主通路(23)および戻し通路(24)内に配設され、主通路(23)を転動するボール(16)がねじ軸(2)とボールスプライン外筒(4)の相対直線運動を案内するようになっている。

保持器本体(19)および保持器蓋(20)を外筒本体(17)に支持している止め輪(21)(22)は、従来使用されているＣ形の止め輪ではなく、図３に示すような波形ワッシャ（ばね座金）とされている。

波形ワッシャ(21)(22)は、保持器本体(19)および保持器蓋(20)を軸方向互いに接近させる方向の弾性を有しており、これにより、保持器本体(19)と保持器蓋(20)とは、軸方向の弾性的な与圧が付加されて組み付けられている。この結果、保持器本体(19)と保持器蓋(20)との突き合わせ面に隙間が生じることが防止され、スプラインのストロークが円滑なものとなっている。波形ワッシャ(21)(22)は、外筒本体(17)に形成された環状溝(17a)(17b)に嵌め入れられている。環状溝(17a)(17b)の溝幅および環状溝(17a)(17b)間の距離を調整することにより、波形ワッシャ(21)(22)の弾性力（保持器本体(19)および保持器蓋(20)の与圧）を調整することが可能であり、温度変化や寸法ばらつきによっても、保持器本体(19)と保持器蓋(20)とが変形しないように与圧が調整される。

図４および図５は、この発明によるボールスプラインの第２実施形態を示している。図４において、保持器(28)は、径方向外方から見た図（側面図）となっており、外筒本体(17)および止め輪(41)(42)は、その縦断面形状が示されている。

この実施形態のボールスプライン外筒(4)は、第１実施形態のものと同様に、略円筒状の金属製外筒本体(17)と、外筒本体(17)の内周に嵌め合わされて固定された略円筒状の保持器(28)とを備えている。保持器(28)は、合成樹脂製で、保持器本体(29)および保持器蓋(30)からなり、両者は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪(41)(42)によって外筒本体(17)に支持されている。

この実施形態では、止め輪(41)(42)は、従来と同様のＣ形の止め輪とされており、止め輪(41)(42)には、軸方向の弾性力を付与する機能はなく、保持器本体(29)の端面および保持器蓋(30)の端面に、軸方向に突出する円弧状の凸部(29a)(30a)が周方向に所定間隔で３カ所形成されていることにより、保持器本体(29)と保持器蓋(30)とに軸方向の弾性的な与圧が付加されている。

凸部(29a)(30a)が形成された保持器本体(29)および保持器蓋(30)の端部には、凸部(29a)(30a)の軸方向内方への変形を容易とする貫通孔(29b)(30b)がさらに形成されている。貫通孔(29b)(30b)は、各凸部(29a)(30a)に対応して１つずつ設けられている。

上記以外の構成は、第１実施形態と同じであり、同じ構成に同じ符号を付してその説明を省略する。

この第２実施形態のものでは、保持器本体(29)と保持器蓋(30)とは、その端面に形成された軸方向に突出する凸部(29a)(30a)を介してＣ形止め輪(41)(42)間に挟持されることにより、軸方向の弾性的な与圧が付加されて組み付けられている。この結果、保持器本体(29)と保持器蓋(30)との突き合わせ面に隙間が生じることが防止され、スプラインのストロークが円滑なものとなっている。

凸部(29a)(30a)の突出量、大きさ、数、間隔などは、種々変更可能であり、これらを変更することで、保持器本体(29)および保持器蓋(30)の与圧を調整することができる。また、Ｃ形の止め輪(41)(42)は、外筒本体(17)に形成された環状溝(17a)(17b)に嵌め入れられており、この環状溝(17a)(17b)間の距離（Ｃ形の止め輪(41)(42)間の距離）を調整することによっても、保持器本体(29)および保持器蓋(30)の与圧を調整することができる。さらにまた、凸部(29a)(30a)の軸方向内方への変形を容易とする貫通孔(29b)(30b)の大きさ、数などによっても、保持器本体(29)および保持器蓋(30)の与圧を調整することができ、これらを適宜の値に設定することで、温度変化や寸法ばらつきによっても、保持器本体(29)と保持器蓋(30)とが変形しないように与圧が調整される。

上記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。

このモータ付きボールねじ装置(1)は、電磁緩衝器用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。

(2) ねじ軸（軸）
(2b)(2c) スプライン軌道
(4) ボールスプライン外筒
(16) ボール
(17) 外筒本体
(18) 保持器
(19) 保持器本体
(20) 保持器蓋
(21)(22) 波形ワッシャ（ばね座金＝止め輪）
(23) 主通路
(24) 戻し通路
(25) 連通路
(29) 保持器本体
(30) 保持器蓋
(29a)(30a)凸部
(29b)(30b)貫通孔（孔）
(41)(42) Ｃ形止め輪

Claims

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、ボールスプライン外筒は、軸のスプライン軌道に対向させられることで主通路を構成するスプライン軌道が形成された略円筒状の外筒本体と、戻し通路が形成されておりかつ外筒本体の内周に嵌め合わされた略円筒状の合成樹脂製保持器本体と、保持器本体の戻し通路と主通路とを連通する連通路が形成されており保持器本体に一端側から突き合わされた合成樹脂製保持器蓋とを有しているボールスプラインにおいて、
保持器本体および保持器蓋は、互いに突き合わされて、その両端面に配置された１対の止め輪によって外筒本体に支持されており、保持器本体の端面および保持器蓋の端面の少なくとも一方に、軸方向に突出する凸部が周方向に所定間隔で３カ所以上形成されており、保持器本体と保持器蓋とは、軸方向の弾性的な与圧が付加されて組み付けられていることを特徴とするボールスプライン。
凸部が形成された保持器本体および保持器蓋の端部に、凸部の軸方向内方への変形を容易とする孔が形成されていることを特徴とする請求項１のボールスプライン。
１対の止め輪の少なくとも一方は、ばね座金とされていることを特徴とする請求項１または２のボールスプライン。