JPH11247962A

JPH11247962A - 送りねじ

Info

Publication number: JPH11247962A
Application number: JP5464498A
Authority: JP
Inventors: Tanehiro Shinohara; 種宏篠原; Wataru Kawai; 渉川合; Yoshiyuki Itai; 良幸板井; Ryutaro Umagoe; 龍太郎馬越
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高面圧設計が可能となる送りねじを提供す
る。【解決手段】ねじ軸１の歯面８s 及びナット２の歯面
８n は、互いに平行となるように加工されている。さら
に、荷重負荷時を想定して、ナット２側の歯厚Ｌn をね
じ軸１側の歯厚Ｌs よりも厚くし、かつナット２側の歯
丈Ｈn をねじ軸１側の歯丈Ｈs よりも短くした設計とし
ている。これらの寸法Ｌn 、Ｌs 、Ｈn 及びＨs は、荷
重作用時のナット２側の歯７n の変形傾斜Δθn と、ね
じ軸１側の歯７s の変形傾斜Δθs とが同一となるよう
に決めておき、変形剛性のマッチングを行う。このた
め、荷重作用時には、歯面８s 及び歯面８n は、平行状
態を維持しながら、変形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線移動機構とし
て、プレス、工作機械、荷役機械、圧延機、アクチュエ
ータ等に使用されている送りねじに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の送りねじの構造を、図８に断面図
で示す。送りねじは、代表例として台形ねじが示されて
おり、ねじ軸８１、ナット８２及び直線案内面８３で構
成されている。ナット８２は、ねじ軸８１の回転運動を
直動変位に変換する機構であり、ねじ軸８１の回転方向
に応じて、直線案内面８３で回転を拘束され、上下方向
及び左右方向に直線運動することができる。送りねじ
は、構造が簡単で、比較的安価な「回転−直線変換機
構」であるので、工作機械をはじめ、プレス、荷役機
械、圧延機、弁、アクチュエータ等の多くの機械類に使
用されている。このような機械では、大きな荷重を伝達
する必要があり、ねじの形状は、台形ねじのほか、修正
角ねじ及びのこ歯ねじが通常用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】送りねじとしては、高
荷重をできるだけ小さな摺動抵抗（低摩擦）で、摩耗す
ることなく作動させたいが、大荷重が作用する場合に
は、ねじ面が非常に過酷な状態で使用されるため、次の
ような問題があった。 (1) ねじ面は、すべり方向に長い面が摺動するために、
ねじ軸８１側とナット８２側の２つの面が全面一様に接
触するように工作することは非常に難しいので、あたり
のきつい個所の摩耗が大きく、耐久性がない。 (2) また、長い面にわたって潤滑油を供給することが難
しいため、大荷重、低速条件においては２つの面が部分
的に油切れを生じてメタルコンタクトするために、摩擦
係数が大きく、摩耗も大きくなる。 (3) 高面圧条件では、摺動面の一部はメタルコンタクト
状態で摺動しており、焼付きに至らないためには、ねじ
の設計面圧をせいぜい２００kgf/cm²程度に抑える必要
があった。

【０００４】本発明は、かかる状況に鑑みてなされたも
のであり、高面圧設計が可能となる送りねじを提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するためになされたものであり、ナット側の歯の形
状とねじ軸側の歯の形状とを変形剛性のマッチングがと
れたものにして、荷重が軸方向に作用して上記歯が倒れ
変形するときにも上記歯同士の対向する歯面（摺動面）
が平行状態を維持するようにした。すなわち、ねじ側と
ナット側の異なる縦弾性係数Ｅに対して、同じ荷重が作
用したときに、倒れ変形による傾斜Δθが同一となるよ
うに、軸方向縦断面における断面形状及びその寸法を適
宜設定しておく。これにより、摺動面の平行状態が維持
される。ここに言う「変形剛性のマッチング」は、軸方
向成分を持った荷重が作用したときに、ねじ軸側の倒れ
変形による傾斜Δθs と、ナット側の倒れ変形による傾
斜Δθn とが同じとなるようにすることをいい、縦弾性
係数Ｅと歯厚及び歯丈（断面二次モーメントＩ）とを適
宜採択して行われる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る送りねじの実
施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、ね
じ軸１の歯厚とナット２の歯厚を調整して歯の剛性のマ
ッチングをとったねじ部の形状を部分的に拡大して示す
断面図である。図２は、荷重が作用していない状態から
荷重が作用して歯が倒れ変形を生じた状態への変化を示
す概略図である。図３は、図１において荷重作用下での
１つの歯面の変形イメージを部分的に示す図面である。
送りねじは、ねじ軸１、ナット２及び直線案内面（図示
省略）で構成されており、同図に示すように、ねじ軸１
とナット２との間には、潤滑油４（グリース又は油）が
供給されている。ねじ軸１には、矢印ISの方向に荷重Ｗ
が作用し、ナットには、矢印ISとは逆方向である矢印IN
の方向に荷重Ｗが作用している。このような荷重状態に
おいて、ねじ軸１又はナット２が、中心軸５回りに相対
回動して、軸方向に相対移動する。通常、送りねじの材
料には、耐摩耗性と耐焼付性を考慮して、ねじ軸１側に
は、Ｓ５５Ｃ（機械構造用炭素鋼）、ＳＣＭ（クロムモ
リブデン鋼鋼材）、ＳＮＣＭ（ニッケルクロムモリブデ
ン鋼鋼材）等の材料が、また、ナット２側には、青銅、
黄銅系の材料が、それぞれよく用いられる。縦弾性係数
Ｅは、材質により異なる定数であり、通常ねじ軸１の縦
弾性係数Ｅs とナット２の縦弾性係数Ｅn とは異なる。
なお、鋼の場合には、２．１ｘ１０6 kg/cm²程度、銅の
場合には、１．２５ｘ１０6 kg/cm²で、鋼は、銅のおよ
そ２倍程度である。

【０００７】送りねじは、ねじ山がのこ歯ねじで、軸方
向の一方向だけに著しく大きな荷重を受けるのに適する
ようにしてある。大きな荷重Ｗが作用したときには、受
圧面３に大きな面圧が作用するようになっている。製作
組立時には、受圧面３が互いに平行で（図４（ａ）及び
図５（ａ）参照）、当たりが均一な平行面となるように
行われる。のこ歯ねじの断面形状は、図１に示すよう
に、ねじ軸１側の歯７ｓでは歯丈Ｈs 、歯厚Ｌs であ
り、ナット２側では歯丈Ｈn 、歯厚Ｌn である。なお、
歯厚Ｌs 、Ｌn は、ＰＣＤ６（ピッチ円）上におけるも
のであり、また、歯丈Ｈs 、Ｈn は、ねじ山（歯７s 、
７n ）の谷底から頂までの高さである。

【０００８】大きな荷重Ｗが受圧面３に作用したときに
は、ねじ軸１側の歯７s （ナット２側の歯７n も同様）
は、図２の実線IIa の状態から、その曲げモーメントに
より、同図の破線IIb で示すように、倒れ変形が生じて
受圧面３s に傾斜Δθs が生じる。また、同時にねじ軸
１側の歯面８s とナット２側の歯面８n には、図３に示
すように、実線IIIaから破線IIIbの状態となり、受圧面
３に作用する面圧（荷重Ｗを支持するために油膜圧力発
生）により、歯面８s 、８n に局所変形９s 、９n を生
じる。なお、図３中のグラフIIIgは、スクイズ油膜圧力
分布を示す（図４（ｂ）及び図５（ｂ）のグラフIVg 、
Vgも同じ。）。送りねじは、このような変形に対して、
変形後の歯面８s'、８n'が平行面を維持するように、歯
７s 、７n の変形剛性のマッチングを行っている。すな
わち、同じ荷重Ｗが作用したときに、ねじ軸１側の倒れ
変形による傾斜Δθs と、ナット２側の倒れ変形による
傾斜Δθn とが同じとなるように、歯厚Ｌs 、Ｌn 及び
歯丈Ｈs 、Ｈn を設計している。具体的には、以下に示
す内容で行う。

【０００９】一般的に、傾斜Δθは、荷重分布、歯厚分
布、歯丈及び材料物性（縦弾性係数Ｅ、ポアソン比ν）
により決まる。歯７の変形量は、歯厚Ｌが半径方向に変
化しているので、ＦＥＭ（「Finite element method 」
の略で、有限要素法のこと。）による計算で求めるが、
定性的には、

【数１】となる。なお、Δθは歯の傾斜、Ｗは荷重、ＬはＰＣＤ
上での歯厚、Ｈは歯丈、Ｅは材料の縦弾性係数である。
ここで、ねじ軸１側では、歯７s の傾斜がΔθs 、荷重
がＷs 、歯厚がＬs 、歯丈がＬs 、縦弾性係数がＥs で
あり、ナット２側では、歯７n の傾斜がΔθn、荷重が
Ｗn 、歯厚がＬn 、歯丈がＬn 、縦弾性係数がＥn であ
る場合において、例えば、上記したように、ねじ軸１に
は鋼を用い、ナット２には銅を用いるとき、計算の簡略
化のために、Ｅs ＝２Ｅn とし、Ｗ＝Ｗs ＝Ｗn 、Ｈs
＝Ｈn とすると、

【数２】である。荷重Ｗが作用したときの歯７s 、７n の傾斜Δ
θs 、Δθn は、弾性変形の領域では、作用荷重Ｗに比
例するので、ナット２の歯厚Ｌn を２６％厚くすること
で、荷重Ｗが作用しているときのねじ面（ねじ軸とナッ
トの摺動面）の傾斜が同じになる（Δθs ＝Δθn ）。
受圧面３に荷重Ｗが作用したときの歯７s、７n の変形
量は、歯形形状が同一であれば、ナット２側がねじ軸１
側よりも約２倍大きくなるが、このような変形剛性のマ
ッチングによって、変形量が同一となるので、平行状態
を維持しながら、変形させることができる。なお、ねじ
軸１の歯丈Ｈs とナット２の歯丈Ｈn とを同一にした
が、これは一例に過ぎず、これらを異なる値にしてもよ
く、その場合にも、歯面８s 、８n 同士を平行状態に保
つためのねじ軸１側及びナット２側の歯７s 、７n の諸
元Ｌs、Ｌn 、Ｈs 及びＨn は、作用する荷重Ｗに比例
し、荷重Ｗの大きさに依存することなく一定である。

【００１０】図４に、歯７s 、７n の剛性のマッチング
がとれていない場合の荷重作用時のねじ軸１側の歯面８
s 及びナット２側の歯面８n の変形図と片当たり状況図
を示し、図５に、歯７s 、７n の剛性のマッチングをと
った設計の場合の２つの歯面８s 、８n の状況図を示
す。従来では、図４に示すように、製作時は、ねじ軸１
の歯面８s とナット２の歯面８n とは、平行に加工され
ている（同図（ａ）参照）が、荷重作用時には、ナット
２側の歯７n の曲げ剛性がねじ軸１側の歯７s の曲げ剛
性に比較して相対的に小さい場合には、変形のモードが
異なるため、歯面８s'、８n'が平行にならず、いわゆる
片当たり状態になり、メタルコンタクト１０が生じてし
まう（同図（ｂ）参照）。一方、本実施形態によれば、
図５に示すように、平行に加工されているねじ軸１の歯
面８s 及びナット２の歯面８n （同図（ａ）参照）で
は、設計段階から、荷重負荷時を想定して、ナット２側
の歯厚Ｌn をねじ軸１側の歯厚Ｌs よりも厚くし、かつ
ナット２側の歯丈Ｈn をねじ軸１側の歯丈Ｈs よりも短
くした設計としている。そして、これらの寸法Ｌn 、Ｌ
s 、Ｈn 及びＨs は、荷重作用時のナット２側の歯７n
の変形傾斜Δθn と、ねじ軸１側の歯７s の変形傾斜Δ
θs とが同一となるように決める。このように、図５で
は、変形剛性のマッチングを行っているので、平行状態
を維持しながら、変形する。

【００１１】図６に、本実施形態の場合の送りねじの特
性を、従来の場合と比較して表してある。同図の横軸
（Ｘ軸）は軸受特性数（μＮ／Ｐ）、縦軸（Ｙ軸）は摩
擦係数（ｆ）である。従来の場合は実線VIa で、本実施
形態の場合は、破線VIb でそれぞれ表してある。なお、
Ｐは面圧、Ｎは速度、μは油の粘度であり、本実施形態
の場合の値は、実験によるものである。両者とも、下に
凸の放物線であり、軸受特性数を減少させていく場合
に、受圧面３の平行状態が維持されれば、それに伴って
摩擦係数が減少していき（流体潤滑領域）、一定の値
Ｘ’を過ぎると、逆に摩擦係数は増大する傾向になる。
軸受特性数は、面圧Ｐ、速度Ｎ及び油の粘度μで定ま
り、摺動条件を示しており、軸受特性数が小さくなる
と、摺動条件が厳しくなっていくことになる。すなわ
ち、摺動条件は、面圧Ｐが増加したり、速度Ｎが減少し
たり、油の粘度μが小さくなったりすると、厳しくな
る。横軸において座標原点Ｏに近づくほど、摺動条件が
厳しくなっていき、縦軸において座標原点Ｏに近づくほ
ど、摩擦係数が小さくなっていくので、送りねじの特性
が良いといえるのは、Ｘ−Ｙ座標上における曲線が座標
原点Ｏにより近づく場合である。言い換えると、図６に
おいて点Ｘ’をできるだけ左側にシフトすると、送りね
じの特性が向上する。

【００１２】同図に示すように、従来の場合では、点Ｘ
２が使用可能領域の限界であるが、、本実施形態の場合
では、荷重Ｗが増大しても受圧面３の２面（歯面８s 、
８n）どうしが平行を保持しつつ変形するので、メタル
コンタクトが回避され、流体潤滑領域が延びて、使用可
能領域の限界が点Ｘ１（Ｘ１＜Ｘ２）にまで達する。し
たがって、低回転で大荷重の厳しい摺動条件下でも、小
さな摩擦係数での作動が可能である。

【００１３】図７に、本実施形態の場合のねじ面許容面
圧を、従来の場合と比較して表してある。同図の横軸
（Ｘ軸）はすべり速度（m/s ）、縦軸（Ｙ軸）はねじ面
面圧（kg/cm²）である。同図は、現状のＰＶ限界と本実
施形態で作動が可能となる領域を示している。同図から
明らかなように、すべり速度が大きくなる程ねじ面面圧
の値は、小さくなっていく。すべり速度が小さければ、
ねじ面面圧の値は、大きい。荷重を一定とすると、すべ
り速度とねじ面面圧とは反比例し、従来では、線VII に
示す限界線が存在する。実際に使用する条件は、線VII
の下側の使用可能領域であり、線VII の上側は使用不可
領域となる。一例を示すと、図７中、分塊圧延機圧下ね
じでは点VIIaの位置、クレーン引込装置用では点VIIbの
位置、立旋盤刃物台送りねじでは点VIIcの位置となる。
なお、同図VIIdは、大塚の値である。本実施形態の場合
には、同図に斜線で示す領域VIIeをねらっており、その
領域VIIeでの使用が可能となる。

【００１４】よって、本実施形態では、以下のような効
果を有する。 (1) 荷重が作用したときにも、その作用荷重に応じて、
ナット及びねじ軸は変形するが、常にねじ面は平行状態
を維持するので、線状に局所的に大きな面圧がかかる部
分の発生が回避でき、メタルコンタクトを防ぐことがで
きる。 (2) プレスの送りねじのように、大きな荷重が短時間作
用する場合には、ねじ２面間にスクイズ作用による油膜
圧力が発生するが、この場合、２面に挟まれた潤滑油が
口開き側に流出するので、スクイズ作用効果による油膜
保持作用が低下するのに対し、本発明では、荷重作用時
にも２面は平行面であり、潤滑油の封じ込めによるスク
イズ効果が有効に作用し、メタルコンタクトが回避さ
れ、油膜を介した摺動となるので、摩擦抵抗を小さくす
ることができる。 (3) 流体潤滑域での作動領域が大幅に延び、大荷重かつ
低速域での作動が可能となり、摩擦係数が低減できるの
で、スムーズな動きが可能になるとともに、摺動損失が
大幅に低減できる。また、流体域での作動のため、歯面
の面荒れもなく、摩耗も小さいので、ねじの寿命が大幅
に延びる。 (4) 従来の設計限界を超えた高面圧設計が可能となり、
コンパクトな高面圧の送りねじの製作が可能である。

【００１５】なお、ここにいうスクイズ効果（squeeze
effect）とは、共通接線の方向に互いに接近する２面間
の流体膜がしぼり出しに抵抗し保持され、これによって
負荷能力を発生する効果をいう。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、摺動するねじ歯面が、
平行状態を維持することで、流体潤滑域を大幅に拡大で
きると同時に、局所的な強い接触の部分を回避できるの
で、従来不可能であった大荷重、低速域でも作動を可能
にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る送りねじのねじの形状を部分的に
拡大した断面図である。

【図２】１つのねじ山が荷重作用により、倒れ変形を生
じた変化状態を示す概略図である。

【図３】図１において荷重作用下で、１つの歯面の変形
状態を、荷重が作用していない状態と比較して表した図
面である。

【図４】従来の送りねじ（歯の剛性のマッチングがとれ
ていない）のねじ軸側の歯面及びナット側の歯面の位置
関係を示す断面図であり、（ａ）は、荷重が作用してい
ない状態、（ｂ）は、荷重が作用している状態を示す。

【図５】本実施形態に係る送りねじ（歯の剛性のマッチ
ングがとれている）のねじ軸側の歯面及びナット側の歯
面の位置関係を示す断面図であり、（ａ）は、荷重が作
用していない状態、（ｂ）は、荷重が作用している状態
を示す。

【図６】本実施形態の場合の送りねじの特性を、従来の
場合と比較して表したグラフであり、横軸（Ｘ軸）は軸
受特性数、縦軸（Ｙ軸）は摩擦係数である。

【図７】本実施形態の場合の送りねじのねじ面許容面圧
を、従来の場合と比較して表したグラフであり、横軸
（Ｘ軸）はすべり速度、縦軸（Ｙ軸）はねじ面面圧であ
る。

【図８】従来の送りねじの構造を表した断面図である。

【符号の説明】

１ねじ軸２ナット３受圧面４潤滑油５中心軸６ＰＣＤ７s 、７n 歯８s 、８n 歯面８s'、８n' 歯面（変形後）Ｌs 、Ｌn 歯厚Ｈs 、Ｈn 歯丈 Δθn 、Δθs 傾斜Ｐ面圧Ｎ速度 μ 油の粘度ｆ摩擦係数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者馬越龍太郎兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷重が作用したときにも、ナット側の歯
とねじ軸側の歯が平行状態を維持しつつ変形するよう
に、互いの歯の変形剛性のマッチングのとれた歯の形状
としたことを特徴とする送りねじ。