JP6632612B2 - ボールねじ機構用のスピンドル及びスピンドルを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ機構用のスピンドル及びスピンドルを製造する方法に関する。

例えば車両技術において、ボールねじ機構は、回転運動を直線運動に、そして反対に直線運動を回転運動に低損失に変換できるので、とりわけアクチュエータとして広く使用されている。この種のボールねじ機構は、主としてスピンドルと、スピンドルを同軸に包囲するナットあるいはスリーブとを備え、スピンドルと、ナットあるいはスリーブとの間には、玉状の転動体が配置されている。ボールねじ機構に必要とされるこれらのコンポーネントを中実材料から製造することは、切削法では要求度が高く、それゆえハイコストになってしまう。

従来技術において、ボールねじ機構の比較的簡単な、それゆえ比較的低コストの製造を可能にする様々な方法及びボールねじ機構の構造形態が公知となっている。独国特許出願公開第１００２８９６８号明細書において、ねじ機構用のこのようなスリーブが公知であり、この公知のスリーブは、当初平らな金属薄板ブランクから形成されている。金属薄板ブランクには、片側にねじプロファイルが設けられ、金属薄板ブランクは、最後に、ねじプロファイルが雌ねじをスリーブに形成するように曲げられて、長手方向スリットの入った中空円柱状のスリーブを形成する。スリーブの雌ねじ及びねじスピンドルの雄ねじに沿って、ねじ機構の転動体が転動し、回転運動を並進運動に変換する。しかし、スリーブの製造プロセスの過程で、長手方向スリットがスリーブに生じ、長手方向スリットは、スリーブを、これに対応する嵌め合い部を有した孔内に圧入することで初めて完全に閉鎖される。欠点は、ねじ機構の転動体が、この長手方向スリットの領域でリアクションなしに転動できない点にある。

さらに、独国特許出願公開第１０２０１１０８１９６６号明細書において、ねじ部品を複合部品として製造する方法、転動型ねじ機構、リニアアクチュエータ、及びこのような複合部品を備える電気機械式のブレーキ倍力装置が公知である。ねじ部品は、ねじ山と管形の支持部とからなる複合部品として形成されており、ねじ山は、変形加工プロセス（Ｕｍｆｏｒｍｐｒｏｚｅｓｓ）により製造される。

管形の支持部は、好ましくは、一次成形（Ｕｒｆｏｒｍｅｎ）、例えば射出成形又はダイカストにより製造され、このプロセスの過程で同時にねじ山と素材結合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）又は形状結合（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）を介して結合される。好ましくは、支持部の製造は、金属からダイカストにより、又はプラスチックから射出成形により実施される。この刊行物に紹介された一実施の形態によれば、ねじ部品は、フラットな長方形の横断面を有する金属薄板ストリップをヘリックス状あるいは螺旋状に巻回することで形成されており、金属薄板ストリップ内には、浅い溝状の凹部が、ねじ山として圧刻されている。金属薄板ストリップの巻回体は、例えば点溶接により、軸方向で延びる溶接シームにより又は螺旋状の溶接シームにより、金属薄板ストリップの、互いに突き合わされた長手方向縁部に沿って互いに結合されて、ねじ部品を形成している。ねじ部品は、続いて支持部の射出成形に際し、支持部のプラスチック内に埋め込まれる。欠点は、特に、高い精度で形成すべき少なくとも１つの溶接シームを形成しなければならない点にある。加えて、溶接シームは、大きな長手方向延在長さを有している。

本発明の根底にある課題は、ボールねじ機構用のスピンドルを製造する簡単にした方法を提供することである。さらには、付加的な半径方向外側の囲い構造なしで済ませたボールねじ機構用のスピンドルを提供することである。

本発明は、中空円柱状の金属薄板成形部品の製造が、平らな材料ブランクの巻成により、特に巻成された材料ブランクの結合すべきエッジのシーム長さが最小化されることで簡単になるという着想から出発している。

本発明は、まず、ボールねじ機構用のスピンドルを製造する方法に関する。冒頭に挙げた課題は、
ねじプロファイルをフラットな材料切片に少なくとも部分的に設けるステップと、
材料切片を中空円柱状のジャケットへと変形加工するステップであって、このとき、中空円柱状のジャケットの２つの長手方向エッジを互いに突き合わせ、かつねじプロファイルを半径方向外向きに方向付けて形成するステップと、
中空円柱状のジャケットの２つの長手方向エッジを結合するステップと、
中空円柱状のジャケットの半径方向内側に少なくとも部分的に支持構造を形成し、スピンドルを完成させるステップと、
を含む方法により解決される。

この方法により、ボールねじ機構用の雄ねじを備えるスピンドルを極めて低コストに製造できる。変形加工工程後、互いに突き合わされている、中空円柱状のジャケットの真っ直ぐな両長手方向エッジに沿って、中空円柱状のジャケットを結合したことで、例えばヘリックス状に巻かれて管を形成し、それぞれ縁部側で結合される金属薄板ストリップと比較して、必要な結合シーム長さが大幅に減少している。さらに、本発明に係る方法は、特に連続的な製造に好適である。さらに、この方法は、極めて有利には、様々な直径及び／又はねじプロファイルを備えるスピンドルの製造を可能にする。

この方法の一形態によれば、材料切片は、僅かな材料厚さを有する金属薄板切片である。金属薄板を材料切片として使用することで、本方法により製造されたスピンドルの高い機械的な耐荷量及び耐久性を実現することができる。好ましくは、金属薄板切片は、ウェブ状の金属薄板半製品から切り出される。これにより、特に、本発明により形成されるスピンドルを製造する連続的な製造プロセスが可能である。ねじプロファイルは、材料切片を無端のウェブ状の半製品から切り出す前に連続的に設けてもよいし、材料切片を切り出した後に、切り出した材料切片に設けてもよい。

方法の別の好適な一形態によれば、ボールねじ機構の玉状の転動体を収容するねじプロファイルを、少なくとも１つのねじ山を有する丸ねじとして形成する。これにより、ボールねじ機構において一般に使用される玉状の転動体は、問題なくねじプロファイル内で案内され、ねじプロファイル内を転動できる。

方法の別の一形態において、中空円柱状のジャケットの２つの長手方向エッジを結合するステップを、長手方向シームを形成するように少なくとも部分的に接合することにより実施する。これにより、中空円柱状のジャケットの、変形加工プロセス後に互いに突き合わされている長手方向エッジが、信頼性高く機械的に結合され、長手方向エッジは、間隙なしに互いに突き合わされ、スピンドルの長手方向延在長さ全体にわたって、スピンドルの中空円柱状のジャケットの拡開が確実に排除される。

方法の別の一形態によれば、長手方向シームを表面処理、例えば研削、研磨又はホーニングにかける。これにより、本方法により製造したスピンドルを装備したボールねじ機構のがたつきのない動作特性が達成される。これは、ボールねじ機構の転動体が、長手方向シームを越えるときも実質的にリアクションなしに転動できることによる。

別の一実施態様によれば、中空円柱状のジャケットの２つの長手方向エッジを結合するステップを、中空円柱状のジャケットの両軸方向の端部区分の各々をそれぞれ１つのリング内に圧入することにより実施する。これにより、中空円柱状のジャケットの、変形加工プロセス後に互いに突き合わされている長手方向エッジを接合するために、さもなければ必要な、少なくとも部分的に形成すべき溶接シームが省略される。方法のこの代替的な態様において溶接シームが不要となることで、プロセス技術的に顕著に容易化される。それというのも、溶接シームは、薄い金属薄板部品では技術的に困難であり、多くの場合、コストあるいは手間のかかるレーザ溶接でしか製造することができないからである。さらに、中空円柱状のジャケットの、場合によっては必要な硬化プロセスを、もはや、必ずしも長手方向エッジの結合後に実施しなくてもよくなる。それというのも、もはや、熱を利用した接合プロセスが硬化に影響を及ぼすおそれがないからである。また、硬化工程によって生じる幾何学形状の変化も、より容易に補償でき、熱を利用した接合による歪みが回避される。

方法の別の有利な一形態に応じて、中空円柱状のジャケットの軸方向の端部区分は、プロファイルが付与されずに形成される。これにより、中空円柱状のジャケットの両軸方向の端部区分のそれぞれに、各リングが、理想的な形で全面的に、ゆえに特に堅固に嵌合される。これとは異なり、リングは、例えば熱を利用して、中空円柱状のジャケットの、プロファイルなしの軸方向の端部区分に収縮嵌めされてもよい。

方法の別の好適な一形態は、支持構造を特に射出成形法でプラスチック材料から形成する。好ましくは射出成形法で中空円柱状のジャケットに注入されるプラスチックにより、機械的に緊密な結合、特に素材結合及び形状結合が、半径方向内側の支持構造と、支持構造を同軸に取り巻く、雄ねじプロファイルを有する中空円柱状のジャケットとの間に生じる。支持構造が主として、完成したスピンドルの曲げ剛性を高める一方、金属薄板から形成された中空円柱状のジャケットは、主に、ねじプロファイル内を転動する玉状の転動体により惹起される点荷重を受容し、この点荷重を、支持構造に導入されてしまう前に、より大きな面積に分散する。このようにして提供されるハイブリッド構造に基づいて、本発明により製造されるスピンドルは、低重量であると同時に製造コストが低く、それでいながら機械的な耐荷量及び耐摩耗性が比較的高くなる。これとは異なり、支持構造は、金属の材料、例えば焼結金属、発泡金属又は中空円柱状のジャケット内に射出される金属から形成されてもよい。

別の一形態によれば、支持構造は、本製造方法において中空円柱状のジャケットに対して同心に形成される円環形の横断面幾何学形状を有している。中空円柱状のジャケット内部の支持構造を好ましくは管状に形成したことに基づいて、このようにして形成されるスピンドルは機械的な剛性が高くなり、完全に充填される中空円柱状のジャケットに比べて明らかに重量が小さくなる。

本発明はさらに、ボールねじ機構用のスピンドルに関する。本発明に係るスピンドルにおいて、スピンドルは、半径方向外側に形成されるねじプロファイルを有する中空円柱状のジャケットを備え、かつ中空円柱状のジャケットの半径方向内側に支持構造が形成されている。これにより、スピンドルの簡単かつ連続的な、しかもコスト面で最適な製造が可能であり、さらにスピンドルは、比較的軽量でありながら、優れた耐摩耗性を提供し、ひいては車両技術における使用に適している。

本発明の理解の一助として、明細書に図面を添付した。同じ構造的な構成要素には、それぞれ同じ符号を付した。

本発明の第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。 本発明の第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。 本発明の第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。 本発明の第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。 本発明の第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。 本発明の第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。 本発明の第２の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第２の態様の方法を簡略的に説明する図である。 本発明の第２の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第２の態様の方法を簡略的に説明する図である。 本発明の第２の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第２の態様の方法を簡略的に説明する図である。

図１乃至６は、第１の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第１の態様の方法の流れを説明する図である。平らな長方形の材料切片１０は、第１の方法ステップの過程で、図示しない無端のウェブ状の半製品から切り出される。図１に断面図で示した材料切片１０は、好ましくは、薄い材料厚さの長方形の金属薄板切片である。次の方法ステップにおいて、図２の断面図に略示するように、材料切片１０にねじプロファイル１２が設けられる。ねじプロファイル１２は、好ましくは、丸ねじ１４として形成される。図示しないボールねじ機構の、同じく図示しない玉状の転動体は、丸ねじ１４内を低摩擦に転動可能である。ねじプロファイル１２は、従来技術において公知の任意の方法、例えばねじ圧縮成形（Ｇｅｗｉｎｄｅｄｒｕｅｃｋｅｎ）により設けてもよい。前に述べた方法の流れとは異なり、ねじプロファイル１２を連続的にウェブ状の半製品に設け、続いて材料切片を切り出してもよい。

ねじプロファイル１２は、当初平らな材料切片１０を巻成すると、転動体を収容する少なくとも１つの一貫したねじ山１６が生じるように設けられる。ねじプロファイル１２は、図３に示した材料切片１０の平面図で見て、材料切片１０の、平行に延びる長手方向エッジ１８，２０あるいは短辺まで延在する一方、両軸方向の端部区分２２，２４は、プロファイルなしに形成されている。軸方向の端部区分２２，２４は、互いに鏡像的に形成されており、それぞれ概ね直角三角形の形状を呈している。

図４に示すように、続いての方法ステップにおいて、プロファイルを付与した材料切片１０を、好適な変形加工プロセスを用いて中空円柱状のジャケット３０へと変形加工する。このとき、ねじプロファイル１２は、中空円柱状のジャケット３０の長手方向中心軸線３２に関して半径方向外向きに方向付けられて配置される。材料切片１０の両長手方向エッジ１８，２０は、この変形加工工程によって、理想的には完全に互いに突き合わされるように当接される。さらに図４には、変形加工プロセスが完了した後のねじプロファイルのない軸方向の端部区分２２，２４が看取可能である。

さらに続く方法ステップにおいて、図５に示すように、それぞれ１つの中空円柱状のリング３４，３６を軸方向の端部区分２２，２４に被嵌するようにプレス嵌めする。両リング３４，３６により、長手方向エッジ１８，２０は、少なくとも軸方向の端部区分２２，２４の領域で機械的に堅固に互いに結合される。これにより、両長手方向エッジ１８，２０を接合するための技術的に要求度の高い溶接シーム又はろう接シームの形成が不要である。両リング３４，３６のプレス嵌め前又はプレス嵌め後、中空円柱状のジャケット３０の、半径方向外側に配置されるねじプロファイル１２を、硬化プロセスにかけてもよい。リング３４，３６の内径は、中空円柱状のジャケット３０の軸方向の端部区分２２，２４の外径に対して、両者の間にそれぞれ少なくとも軽微なプレス嵌めが生じるように寸法設定されている。プロファイルなしの軸方向の端部区分２２，２４の幅ｂは、好ましくは、リング３４，３６の幅ｈに等しいか、又はそれよりも大きい。

図６に示すように、中空円柱状のジャケット３０の半径方向内側には、支持構造４２が設けられている。これにより、結果として、本発明の特徴を有するボールねじ機構用のスピンドル４０が提供される。図面の視認性を高めるため、図６では、両リング３４，３６の図示を省略した。

支持構造４２は、ここでは例示的に、中空円柱状のジャケット３０及び長手方向中心軸線３２に対して同心に形成されている。支持構造４２は、例えば繊維によって補強されたプラスチックからなっており、繊維によって補強されたプラスチックは、スピンドル４０の機械的な耐荷量をさらに高める。支持構造４２によってハイブリッド構造のスピンドル４０が提供され、金属のジャケット３０のねじプロファイル１２が、玉状の転動体の点接触により発生する面圧を受容し、均等に分配する一方、支持構造４２が、スピンドル４０の必要な剛性を提供する。支持構造４２のプラスチックだけでは、転動する玉の、発生する面圧を持続的に受容できない。これにより、ねじプロファイル１２が設けられる中空円柱状のジャケット３０だけに、機械的に耐荷量の高い、それゆえに高価な金属薄板あるいは金属の材料が必要であり、これに対して支持構造は、充填材料としての比較的低廉なプラスチックから形成することができる。

支持構造４２の形成は、例えば射出成形により実施可能である。射出成形工具の図示しない円柱状のコアを軸方向で中空円柱状のジャケット３０内に導入し、その後、コアとジャケット３０との間の中空円柱状の中空室に、支持構造４２を形成すべく、支持構造４２の素材を充填する。プラスチック射出成形により、機械的に特に緊密な結合、つまり形状結合及び素材結合が、これにより形成される支持構造４２と、中空円柱状のジャケット３０の、ねじプロファイル１２のネガ形状としての波形の内面４４との間に生じる。これにより、両リング３４，３６に加えて、付加的な結合が、中空円柱状のジャケット３０の、突き合わされて位置する長手方向エッジ１８，２０間に形成されるので、このスピンドル４０を装備したボールねじ機構の、がたつきのないスムーズな動作が達成される。

スピンドル４０の、図６に示した実施例とは異なり、中空円柱状のジャケット３０の内室４６は、スピンドルの重量がそれほど問題でなければ、プラスチックで完全に満たされてもよい。

図７乃至９の簡略図は、第２の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドルを製造する第２の態様の方法を示している。当初平らな材料切片５０に、第１の方法ステップにおいて、やはり、ねじプロファイル５２を設ける。ねじプロファイル５２は、好ましくは、玉状の転動体用の丸ねじ５４として形成されており、転動する転動体を案内する少なくとも１つのねじ山５６を有する。

ねじプロファイル５２は、材料切片５０の平行な２つの長手方向エッジ５８，６０間に延在している。しかし、図１乃至６に示した方法の第１の態様とは異なり、ねじプロファイル５２は、２つの軸方向の端部区分６２，６４の領域内まで延在している。材料切片５０のその他の構成については、繰り返しを避けるため、図１乃至３に対する説明を参照されたい。

図８の斜視図から看取可能であるように、当初平らな材料切片５０は、好適な変形加工プロセスによってやはり中空円柱状のジャケット７０へと変形加工される。このとき、螺旋状に延びるねじ山５６を有するねじプロファイル５２は、ジャケット７０の長手方向中心軸線７２に関して半径方向外向きに方向付けられており、材料切片５０の両長手方向エッジ５８，６０は、全面的に互いに突き合わされて位置する。

方法の第１の態様とのさらなる相違点として、両長手方向エッジ５８，６０は、別の方法ステップにおいて、好ましくは熱を利用して、例えばレーザ溶接又はろう接により、連続して機械的に堅固に接合され、長手方向シーム７４を形成する。これとは異なり、両長手方向エッジ５８，６０の結合は、接着、かしめ、圧接等により実施されてもよい。両長手方向エッジ５８，６０の、好ましくは熱を利用した接合による結合後、研削、研磨又はホーニングによる長手方向シーム７４の表面処理が、ボールねじ機構の動作特性をさらに最適化すべく実施されてもよい。さらに、中空円柱状のジャケット７０は、ジャケット７０に設けられたねじプロファイル５２とともに、好ましくは、その耐摩耗性を高めるべく、硬化処理にかけられる。

図９の縦断面図に示すように、最後の方法ステップにおいて、やはり、第２の実施の形態のボールねじ機構用のスピンドル８０の仕上げが、支持構造８２を設けることで実施される。支持構造８２は、好ましくは、場合によってはさらに付加的に繊維強化されたプラスチックから形成される。支持構造８２のその他の構造的な詳細と、その製造については、図６の説明の枠内でした説明を参照されたい。

方法の第１の態様とは異なり、好ましくは溶接された長手方向シームを有する方法の第２の態様の場合、スピンドル８０を、略任意の長さを有する連続する長尺材（Ｓｔｒａｎｇ）として製造することが可能である。この目的で、無端のウェブ状の、当初平らな半製品に、まず、連続的にねじプロファイル５２を設け、これに続いて中空円柱状のジャケット７０を変形加工により形成し、最終的にジャケット７０の長手方向エッジ５８，６０を少なくとも部分的に連続的に互いに溶接する。これと並行して連続的に、支持構造８２を形成するプラスチックを、既に溶接した中空円柱状のジャケット７０内に射出成形工具により注入する。最後に、このようにして完成した長尺材を短く切断して、略任意の長さを有するスピンドル８０を形成することができる。

１０ 平らな材料切片
１２ ねじプロファイル、雄ねじ
１４ 丸ねじ
１６ ねじ山
１８ 材料切片１０の長手方向エッジ
２０ 材料切片１０の長手方向エッジ
２２ 材料切片１０の軸方向の端部区分
２４ 材料切片１０の軸方向の端部区分
３０ 中空円柱状のジャケット
３２ ジャケット３０の長手方向中心軸線
３４ 第１のリング
３６ 第２のリング
４０ スピンドル
４２ 支持構造
４４ 支持構造の内面
４６ 内室
５０ 平らな材料切片
５２ ねじプロファイル、雄ねじ
５４ 丸ねじ
５６ ねじ山
５８ 材料切片５０の長手方向エッジ
６０ 材料切片５０の長手方向エッジ
６２ 材料切片５０の軸方向の端部区分
６４ 材料切片５０の軸方向の端部区分
７０ 中空円柱状のジャケット
７２ ジャケット７０の長手方向中心軸線
７４ 長手方向シーム
８０ スピンドル
８２ 支持構造
ｈ リング３４，３６の幅
ｂ プロファイルなしの端部区分２２，２４の幅

Claims (7)

1. ボールねじ機構用のスピンドル（４０，８０）を製造する方法であって、
   ねじプロファイル（１２；５２）をフラットな材料切片（１０；５０）に少なくとも部分的に設けるステップと、
   前記材料切片（１０；５０）を中空円柱状のジャケット（３０；７０）へと変形加工するステップであって、このとき、前記中空円柱状のジャケット（３０；７０）の２つの長手方向エッジ（１８，２０；５８，６０）を互いに突き合わせ、かつ前記ねじプロファイル（１２；５２）を半径方向外向きに方向付けて形成するステップと、
   前記中空円柱状のジャケット（３０；７０）の前記２つの長手方向エッジ（１８，２０；５８，６０）を結合するステップと、
   前記中空円柱状のジャケット（３０；７０）の半径方向内側に少なくとも部分的に支持構造（４２；８２）を形成し、前記スピンドル（４０；８０）を完成させるステップと、
   を含み、
   前記中空円柱状のジャケット（３０）の前記２つの長手方向エッジ（１８，２０）を結合するステップを、前記中空円柱状のジャケット（３０）の両軸方向の端部区分（２２，２４）の各々をそれぞれ１つのリング（３４，３６）内に圧入することにより実施することを特徴とする方法。
2. 前記材料切片（１０；５０）は、ウェブ状の金属薄板半製品から切り出された金属薄板切片であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ボールねじ機構の玉状の転動体を収容する前記ねじプロファイル（１２；５２）を、少なくとも１つのねじ山（１６；５６）を有する丸ねじ（１４；５４）として形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記中空円柱状のジャケット（３０）の軸方向の端部区分（２２，２４）が、プロファイルが付与されずに形成されるように、前記中空円柱状のジャケット（３０）を製造することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記支持構造（４２；８２）をプラスチック材料による射出成形により形成することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記支持構造（４２，８２）は、前記中空円柱状のジャケット（３０；７０）に対して同心に形成される円環形の横断面幾何学形状を有することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項にしたがって製造されるボールねじ機構用のスピンドル（４０；８０）であって、前記スピンドル（４０；８０）は、半径方向外側に形成されるねじプロファイル（１２；５２）を有する中空円柱状のジャケット（３０；７０）を備え、かつ前記中空円柱状のジャケット（３０；７０）の半径方向内側に支持構造（４２；８２）が形成されていることを特徴とするスピンドル。

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