JPH07158715A

JPH07158715A - ボールねじのボール溝形状

Info

Publication number: JPH07158715A
Application number: JP5310859A
Authority: JP
Inventors: Mizuho Ninomiya; 瑞穂二宮
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1995-06-20
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: US20030106385A1; DE4443924A1; JP3325679B2; DE4443924C2; US6792822B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ボールねじのねじ軸におけるボール溝形状を改
良することにより、高速運転時でも上記ボール溝の損傷
が発生しないボール溝形状を提供する。【構成】ねじ軸１の外径部４とボール溝１ａのほぼ半円
形のボール転動部５との間を円弧部１１で連結するとと
もに、その円弧部１１の曲率半径Ｒをボール７の半径の
１／２以上で２倍以下とし、少なくともボール転動部５
とは滑らかな曲線で連続的につなげた。なお、ねじ軸１
の外径をねじ軸１の外径に設けたボール溝１ａに嵌合す
るボール７の中心円径と等しいかまたはこれより僅かに
小さく、その差をボール７の直径の１０％以下とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボールねじのボール溝
形状の改良に係り、特にボールねじの耐久性を向上させ
ることが可能なボールねじ軸のボール溝形状に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のボールねじのねじ軸のボール溝の
溝直角断面形状としては、例えば図５に示すようなもの
がある。これは、図６に示すような、ねじ軸１に多数の
ボールを介して螺合したナット２にボール循環チューブ
３を設けたいわゆるチューブ式ボールねじにおいて、ね
じ軸１のボール溝１ａの溝直角断面形状を拡大して表し
たものであり、ねじ軸１に螺旋状に形成してあるボール
溝１ａは、ねじ軸の円筒状の外径部であるランド部４と
半径ｒの円弧形状を有するボール転動部５との間（すな
わちランド肩口部）が直線状傾斜面からなる面取部６で
連結されている。

【０００３】一般にボールねじの軸方向荷重に対する剛
性を高めて位置精度を確保するためボールねじに予圧を
与える。その手段として、例えば図７に示すようなもの
がある（米国特許第４１７７６９０）。これは、ねじ軸
１のボール溝１ａに対してナット２のボール溝２ａのリ
ードを僅かにシフトさせている。ボール７はこのシフト
した両溝１ａ，２ａ内を転動した後、ボール循環チュー
ブ３の掬い上げ端部３ａに掬いあげられてボール循環チ
ューブ３内に移り、再び両溝１ａ，２ａ内に戻される。
前記従来例では、その際、前記の面取部６が両溝１ａ，
２ａ内で予圧されているボール７を僅かに軸方向に逃が
して上方への移動を助けることにより、ボール循環チュ
ーブの掬い上げ端部３ａにおけるボール７の詰まりを防
止すると共にボールがボール循環チューブ３内から再び
両溝１ａ，２ａ内に戻される時のひっかかりを防止して
いる。この従来の例では、面取部６は、図５に示す角度
αが３０°〜６０°の直線面取りとするのが良く、理想
的には４５°〜５０°に規制されていた。これにより、
ねじ軸のボール溝１ａの面取部６と円弧形状のボール転
動部５との交点Ｐ１は突起状になっている。

【０００４】また、このような直線状の面取部６の代わ
りに、図８に示すように、円弧状面取部８としたものが
知られている。この円弧状面取部８は、図９に示すよう
な循環こま９を有するいわゆるこま（駒）循環式ボール
ねじに主として採用されている。このものは、ねじ軸１
の円筒状の外径部（ランド部）４と半径ｒの円弧形状を
有するボール転動部５との間を曲率半径Ｒの円弧状面取
部８で連結したもので、両部４，５と面取部８とを各々
ほぼ連続的に連結するためにその円弧の曲率半径Ｒの大
きさはボール７の半径ｒの４０％以下と小さくしてあ
る。また、この場合のねじ軸のボール溝１ａの円弧状面
取部８と円弧形状のボール転動部５との交点Ｐ１も、図
５に比べるとより鈍角ではあるが、やはり突起状になっ
ている。

【０００５】なお、図５のＹ₁／２及び図８のＹ₂／２
は、いずれもねじ軸１の外径とボール溝１ａ内のボール
７の中心Ｏを通るボール中心円の径との差の１／２を表
し、従来のボール溝形状のものの場合は、Ｙ₁，Ｙ₂と
もボール７の直径の１０％以上と比較的大きく設定され
ている。また、θは、ボール転動部５と直線状の面取部
６との交点Ｐ１またはボール転動部５と円弧状面取部８
との交点Ｐ１の位置を示す角度であり、一般的には６５
〜７０°程度とされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ボールねじが作動する
と、ボール７は、ねじ軸のボール溝１ａとこれに対向す
るナットのボール溝２ａとからなる螺旋状の負荷ボール
転動路内を転動し、ボール循環チューブ３や循環こま９
などのボール循環部に掬いあげられて前記負荷ボール転
動路を跨いで乗り越え、再び負荷ボール転動路に送りこ
まれる循環を繰り返す。その際のボール循環運動の軌跡
にはある範囲でのバラツキが存在する。その軌跡のバラ
ツキは、ボールねじの加工・組立誤差や作動速度その他
の使用条件の違いにより必然的に存在するものであっ
て、避けられないものである。

【０００７】このボール循環運動の軌跡のバラツキのた
め、ボール循環部内のボール７は、図５または図８のＰ
１点の近傍に衝突した後に負荷ボール転動路に送りこま
れることが多い。しかしながら、図５，図８に示したよ
うな従来のボールねじのねじ軸のボール溝形状にあって
は、Ｐ１点が突起状であるため（また、図８の場合は面
取部８が円弧状ではあってもその曲率半径が小さいこと
もあって）、これらの点もしくはその近傍にボール７が
衝突した場合の応力が大きい。特に、最近のボールねじ
では運転の高速化に伴って衝撃力が増大し、ボールねじ
軸のランド肩口であるＰ１点近傍の損傷が生じて、要求
を寿命を満足できるボールねじを提供する上で一つの問
題となっていた。

【０００８】そこで本発明は、上記従来の問題点に着目
してなされたものであり、ボールねじのねじ軸における
ボール溝形状を改良することにより、高速運転時でも上
記ボール溝の損傷が発生せず要求寿命を満足できるボー
ルねじを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、ボールねじのねじ軸のボール溝の溝直角断面形
状において、前記ねじ軸の外径部と前記ボール溝のほぼ
半円形のボール転動部との間を円弧部で連結するととも
に、該円弧部の曲率半径を前記ボール溝を転動するボー
ルの半径の１／２以上で２倍以下とし、少なくとも前記
円弧部と前記ボール転動部とは滑らかな曲線で連続的に
つなげたことを特徴とするものである。

【００１０】ここで、前記ねじ軸の外径を該ねじ軸の外
径に設けたボール溝に嵌合するボールの中心円径と等し
いかまたはこれより僅かに小さく、その差を前記ボール
の直径の１０％以下とすることができる。

【００１１】

【作用】ボールねじのねじ軸のランド肩口を円弧状にし
てその曲率半径をボールの半径の１／２〜２倍と大きく
とりボール転動部の円弧面に連続して滑らかに接続する
ことにより、従来のＰ１点のような突起状の接続にはな
らない。これにより、ボールの衝突の衝撃力が作用して
も応力集中が緩和されるから、高速運転してもランド肩
口の損傷が生じない。

【００１２】また、ねじ軸の外径を、該ねじ軸の外径に
設けたボール溝に嵌合するボールの中心円径と等しいか
またはこれより僅かに小さく、その差をボールの直径の
１０％以下とすることによって、円弧部の曲率半径を大
きくしても円弧部とランド部との交点Ｐ２へのボールの
衝突を防ぐことができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。この実施例は、ねじ軸径４０ｍｍ，リード２５ｍ
ｍ，ボール径 7.1438 ｍｍのチューブ式ボールねじに対
して適用したものである。図１は、そのねじ軸１のボー
ル溝１ａの溝直角断面形状を表している。ねじ軸１の外
径部（ランド部）４とボール溝１ａのほぼ半円形のボー
ル転動部５との間を円弧状に面取りした円弧部１１で連
結している。その円弧部１１の曲率半径Ｒは、この実施
例ではボール７の半径ｒ＝3.57ｍｍとほぼ等しくしてあ
り、ボール転動部５の曲線とＰ点において滑らかに連続
してつながれている。なお、ボール転動部５の溝底部に
は、研削加工時の逃げ部１２が形成してある。

【００１４】円弧部１１の上部は、ねじ軸１の外径をな
すランド部４に連結して突起状の交点であるＰ２点を形
成している。また、この実施例では、ねじ軸１のボール
溝１ａ内にあるボール７の中心Ｏを通るボール中心円径
と、ねじ軸１の外径との差であるＹの大きさは、ボール
７の直径の１０％より小さくしてある。ボール衝突の衝
撃による応力集中を低減するには、円弧部１１の曲率半
径Ｒはできるだけ大きく取ることが望ましい。が、反面
で曲率半径Ｒが大きくなる程、円弧部１１とランド部４
との交点Ｐ２の位置が溝中心に近づくとともにその形状
が鋭い突起状になってくる。そして、曲率半径Ｒが限度
を越えて過大になると、Ｐ２点近傍へのボール衝突の機
会がますと同時に衝突時の応力集中も増大して、ランド
部肩口の損傷の危険性が増す。そこで、円弧部１１の曲
率半径Ｒの大きさに上限を設けてその危険性を回避する
必要がある。

【００１５】本発明者は、ボール７がボールねじのボー
ル循環チューブ内を通過してねじ軸１のボール溝１ａに
向かって送りこまれる時の、ボール７がボール溝１ａの
面と最初に衝突する位置をプロットし、得られる線図を
解析して、円弧部１１の曲率半径Ｒの上限を規定するこ
ととした。図２ないし図４は、上記ボール衝突位置を連
続的にプロットした結果を図１の上から矢符号Ａのよう
に見下ろした場合の線図である。各図において、最も上
にある点Ｅ₁の高さにボール中心位置がきたとき、ボー
ルはＥ₁の真下に示した点Ｅ₂でボール溝１ａの面と衝
突することを示している。

【００１６】図２は、ボールがボール溝１ａに送りこま
れる軌跡が理想的でかつバラツキがないと仮定した場合
である。この場合には、ボールが円弧部１１の曲率半径
Ｒの大きさには無関係にボール転動部５にのみ衝突す
る。したがって円弧部１１の曲率半径Ｒの上限は問題に
ならない。しかし実際の場合は、ボールねじの加工・組
立誤差や運転速度等の使用条件により、ボールの軌跡は
ある範囲で必然的にバラツキが出る。図３，図４は、ボ
ールねじの寸法精度や実験結果から推定されるボール軌
跡の偏りを考慮したときの解析結果を示したものであ
る。

【００１７】図３は、図１に示す本実施例のボール溝形
状の場合で、ボールがボール溝１ａの面と衝突するＥ₂
点は円弧部１１内にある。その円弧部１１の曲率半径Ｒ
はボール半径とほぼ等しい大きさに形成されているた
め、そこから損傷が発生する可能性は極めて小さい。更
に円弧部１１の曲率半径Ｒを大きくすると、ボール衝突
位置は円弧部１１とねじ軸外径部（ランド部）４との突
起状の境界線Ｌに近づく。そして曲率半径Ｒが所定値を
越えると、その境界線Ｌにボールが衝突してランド肩口
損傷を招く危険が生じる。本発明者は、上記の解析を、
円弧部１１の曲率半径Ｒを種々変えたものについて行
い、その結果に基づいてボールが円弧部１１とランド部
４との境界線Ｌに衝突しないような円弧部１１の曲率半
径Ｒの上限値を求めることができた。その値はボールの
半径の２倍以下とすれば良い。

【００１８】一方、円弧部１１の曲率半径Ｒがボールの
半径の１／２未満の場合は、その円弧部１１にボール衝
突による損傷が発生することが認められた。図４は、図
５に示した従来のボール溝形状の場合（ランド肩口部が
傾斜面からなる面取部６で連結されているもの）を参考
に示したものである。この場合、ボールがボール溝１ａ
の面と衝突するＥ₂点が、ボール転動部５と面取部６と
の境界線上にあり、その境界線は突起状になっているた
め、そこから損傷が発生することが認められた。

【００１９】また、ねじ軸１のＹの大きさ（ボール溝１
ａ内にあるボール７の中心Ｏを通るボール中心円径と、
ねじ軸１の外径との差となる）を、０またはボール直径
の１０％未満と小さくする、すなわちねじ軸１の外径を
ボール中心円径に対して相対的に大きくするボール溝形
状にあっては、円弧部１１の曲率半径Ｒをより大きくと
っても円弧部１１とランド部４との境界線Ｌ上へのボー
ル衝突を防ぐことができるから、衝突時の応力集中をさ
らに緩和することが可能である。

【００２０】なお、上記実施例は、チューブ循環式ボー
ルねじの場合を説明したが、その他のこま循環方式のボ
ールねじにたいしても、同様に本発明を適用することが
できる。

【００２１】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、ボールねじのねじ軸のボール溝の溝直角断面形状に
おいて、ねじ軸の外径部とボール溝のほぼ半円形のボー
ル転動部との間を円弧部で連結するとともに、その円弧
部の曲率半径を前記ボール溝を転動するボールの半径の
１／２以上２倍以下とし、少なくともボール転動部とは
滑らかな曲線で連続的につなげたものとした。これによ
り、上記円弧部近傍にボールの衝突の衝撃力が作用して
も応力集中が緩和されて、高速運転でもねじ軸のランド
肩口の損傷が防止でき、また、ねじ軸の外径を該ねじ軸
の外径に設けたボール溝に嵌合するボールの中心円径と
等しいかまたはこれより僅かに小さく、その差を前記ボ
ールの直径の１０％以下としたものにあっては、円弧部
の曲率半径を大きくしても円弧部とランド部との交点へ
のボールの衝突を防ぐことができるため、ボールねじの
長寿命化が達成できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のねじ軸のボール溝の直角断
面図である。

【図２】図１のＡ矢視で示すボール溝へのボール衝突位
置の連続プロット図で、ボール運動軌跡が理想的な場合
である。

【図３】同じく図１のボール溝へのボール衝突位置の連
続プロット図で、ボール運動軌跡が現実的な場合であ
る。

【図４】従来のボールねじにおけるボール溝へのボール
衝突位置の連続プロット図で、ボール運動軌跡が現実的
な場合である。

【図５】従来のねじ軸のボール溝の直角断面図である。

【図６】チューブ式ボールねじの外形平面図である。

【図７】図６のVII −VII 線断面図である。

【図８】従来の他のねじ軸のボール溝の直角断面図であ
る。

【図９】こま循環式ボールねじの外形平面図である。

【符号の説明】

１ねじ軸１ａボール溝４外径部（ランド部）５ボール転動部７ボール１１円弧部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボールねじのねじ軸のボール溝の溝直角
断面形状において、前記ねじ軸の外径部と前記ボール溝
のほぼ半円形のボール転動部との間を円弧部で連結する
とともに、該円弧部の曲率半径を前記ボール溝を転動す
るボールの半径の１／２以上で２倍以下とし、少なくと
も前記円弧部と前記ボール転動部とは滑らかな曲線で連
続的につなげたことを特徴とするボールねじのボール溝
形状。
【請求項２】前記ねじ軸の外径を該ねじ軸の外径に設
けたボール溝に嵌合するボールの中心円径と等しいかま
たはこれより僅かに小さく、その差を前記ボールの直径
の１０％以下とした請求項１記載のボールねじのボール
溝形状。