JPWO2006068201A1

JPWO2006068201A1 - ボールねじ

Info

Publication number: JPWO2006068201A1
Application number: JP2006549042A
Authority: JP
Inventors: 水口　淳二; 淳二水口
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2008-06-12
Also published as: US20080127763A1; CN101087967A; WO2006068201A1; EP1830105A1

Abstract

螺旋状のねじ軸側ボール転動溝６を外周面に有するねじ軸２に、ねじ軸側ボール転動溝６と対向するナット側ボール転動溝８を内周面に有するナット４が螺合されているボールねじ１において、ねじ軸側ボール転動溝６及びナット側ボール転動溝８によって形成された螺旋状の負荷転動路１２内に、多数の負荷ボール１０を転動自在に装填し、多数の負荷ボール１０間に、負荷ボール１０より直径が小さいスペーサボール２０を負荷ボール１０の列に対して均等に配置し、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合（スペーサボール比）を１％〜５％の範囲内とする。

Description

本発明は、各種送り装置に用いられるボールねじ、特に工作機械用等の高い負荷容量を要するボールねじに関する。

従来から、自動車等のベルト式無段変速機（ＣＶＴ）に使用されているボールねじとして、特許文献１に示すようなものがある。このボールねじでは、螺旋状のねじ軸側ボール転動溝を外周面に有するねじ軸に、ねじ軸側ボール転動溝に対向するナット側ボール転動溝を内周面に有するナットが螺合されている。
また、前記ねじ軸側ボール転動溝及びナット側ボール転動溝によって負荷転動路が形成され、この負荷転動路内には多数の負荷ボールが転動自在に装填されている。そして、ねじ軸に対して相対的にナットが回転することにより、負荷ボールの転動を介してナットが軸方向に移動する構成となっている。

なお、一般にボールねじの相対滑りについて以下のことが知られている。
ボールねじの負荷圏には負荷分布が存在し、個々のボールに作用する荷重（玉荷重）は一定ではない。軸一回転当りのボールの公転角度は下記の式で表される。

ここで、各変数は以下を表す。
Ｕ：ボール公転角度
ｄ_ｍ：負荷転動路内のボール中心軌跡の直径
Ｄｗ：ボール径
α：接触角
β：リード角
接触角とは溝直角断面において、ボール中心と溝接触点中心とを結ぶ直線と、ボール中心を通るねじ軸中心線の垂線とに挟まれる角度である。この接触点中心は玉荷重が増大すると、溝のランド部方向にスライドしていくので、接触角は玉荷重に応じて変化する。また上式は、ボールの公転角度は接触角によって定まることを示す。個々の玉荷重が一定でないので、個々の接触角も異なることになる。したがって個々のボールの公転角度も一定でない。

同一のボールねじの循環路内で個々のボールの公転角度が異なるため、負荷圏において隣り合うボールが互いに接近し、当接する場合がある。このとき、双方のボールは荷重を受けて同一方向へ回転しているので、ボール同士が強くこすれあう「相対滑り」が発生し、早期におけるボールの摩耗を引き起こす。ただし、ボールねじには負荷圏と無負荷圏とがあり、ボールが無負荷圏を通過するときに相対滑りは発生しないが、再びボールが負荷圏に入ると相対滑りが発生する。

上記の相対滑りは早期段階のボールの摩耗を引き起こすため、好ましくない。そのため、相対滑りを減少させるために、従来より負荷ボールの間にスペーサボールを介装することが知られている。多数の負荷ボール間には、負荷ボールより径の小さいスペーサボールが配置されており、負荷ボールの数に対するスペーサボールの数の割合は、４：１（２０％）、３：１（２５％）、２：１（約３３％）、１：１（５０％）のいずれかとなっている。そして、多数の負荷ボールのうちスペーサボールと接触している負荷ボールを、スペーサボールと接触している側において順回転させることにより、各ボール間に生じる相対滑りを減少させて作動効率を向上させている。
特開２００２−１８８７０５号公報（図１）

しかしながら、上記した従来のボールねじでは、負荷ボールの数に対するスペーサボールの数の割合が高く、負荷荷重を受ける負荷ボールの数が減少してしまうため、ボールねじの負荷容量及び剛性が低下してしまう。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、各ボール間に生じる相対滑りを減少させて作動効率を向上させるとともに、負荷容量及び剛性の低下を防止することにより、作動性及び耐久性の向上が可能なボールねじを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の側面によれば、螺旋状のねじ軸側ボール転動溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸側ボール転動溝に対向するナット側ボール転動溝を内周面に有するナットと、を備え、
前記両ボール転動溝間に形成される負荷転動路内に多数の負荷ボールが転動自在に装填され、これらの負荷ボール間に該負荷ボールより径の小さいスペーサボールが配置されたボールねじにおいて、
前記負荷ボールの数に対する前記スペーサボールの数の割合を１％〜５％の範囲内としたことを特徴とするものである。

本発明によると、スペーサボールを使用しない仕様に対して、多数の負荷ボールのうちスペーサボールと接触している負荷ボールを、スペーサボールと接触している側において順回転させることにより、各ボール間に生じる相対滑りが減少してボールねじの作動効率が向上すると共に負荷ボールの摩耗率が大幅に低下する。また、負荷ボールに対するスペーサボールの数の割合を１％から５％の範囲内とすることにより、特許文献１に対してボールねじの負荷容量及び剛性の低下を防止することが可能となる。

ここで、負荷ボールに対するスペーサボールの数の割合を１％から５％の範囲内とした理由を説明する。負荷ボールに対するスペーサボールの数の割合を１％以上とすると、負荷ボールのボール磨耗率は、全ボールを負荷ボールとした場合と比較して大幅に低下する。また、負荷ボールに対するスペーサボールの数の割合が５％を超えると、負荷ボールの摩耗率がほとんど低下しなくなる。ゆえに、スペーサボールの数の割合を５％を超えて設定しても、負荷ボールの摩耗率の低下が期待できないので、単にボールねじの負荷容量及び剛性の低下を招くだけである。したがって、負荷ボールに対するスペーサボールの数の割合を１％から５％の範囲内とする。

次に、本発明の第１の側面にかかる本発明の第２の側面によれば、前記スペーサボールを、前記負荷ボールの列に対して均等に配置したことを特徴とするものである。
本発明によると、負荷ボールが負荷転動路内に均等に配置されるため、ボールねじの負荷容量及び剛性の低下を防止することが可能となる。

本発明によれば、必要最小限のスペーサボールの個数で各ボール間に生じる相対滑りが減少してボールねじの作動効率が向上するとともに、ボールねじの負荷容量及び剛性の低下が防止されるため、ボールねじの作動性及び耐久性を向上させることが可能となる。

本発明のボールねじの軸方向断面図である。本発明のボールねじの要部断面図である。本発明のボールねじに対する耐久寿命試験の結果を示す図である。

符号の説明

１ボールねじ
２ねじ軸
４ナット
６ねじ軸側ボール転動溝
８ナット側ボール転動溝
１０負荷ボール
１２負荷転動路
１４循環チューブ
１６戻し通路
２０スペーサボール

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、図１及び図２を参照して本発明の実施の形態の構成を説明する。なお、図１は本発明のボールねじ１の軸方向断面図であり、図２は図１の要部断面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態のボールねじ１は、螺旋状のねじ軸側ボール転動溝６を外周面に有するねじ軸２に、ねじ軸側ボール転動溝６と対向するナット側ボール転動溝８を内周面に有するナット４が螺合されている。

また、ねじ軸側ボール転動溝６及びナット側ボール転動溝８によって螺旋状の負荷転動路１２が形成されており、この負荷転動路１２内には、多数の負荷ボール１０が転動自在に装填されている。そして、ねじ軸２に対して相対的にナット４が回転することにより、負荷ボール１０の転動を介してナット４が軸方向に移動する構成となっている。
多数の負荷ボール１０間には、負荷ボール１０より直径が小さいスペーサボール２０が配置されている。負荷ボール１０は高炭素クロム軸受鋼等の鉄鋼材料で形成されており、スペーサボール２０は負荷ボール１０より弾性係数の小さい材料（例えば合成樹脂）で形成され、その直径が負荷ボール１０よりも２０μｍ〜５０μｍ程度小さく形成されている。

ここで、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合は、１％〜５％の範囲内となっている。また、各スペーサボール２０は負荷ボール１０の列に対して均等に配置されており、スペーサボール２０間に配置される負荷ボール１０の数は全て均一となっている。なお、図２には、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合が５％である状態、すなわち、本発明のうち、負荷ボール１０間に配置されるスペーサボール２０の数が最も多い状態を示している。すなわち、負荷ボールの数に対するスペーサボールの数の割合は１９：１（５％）である。
また、ナット４の外周面には略コの字型の循環チューブ１４が取り付けられており、循環チューブ１４には、その両端部が負荷転動路１２と連通する戻し通路１６が形成されている。そして、負荷転動路１２及び戻し通路１６によって、負荷ボール１０及びスペーサボール２０の無限循環路が形成されている。

次に、上記の構成を備えたボールねじ１の作用・効果等を説明する。
ねじ軸２に対して相対的にナット４が回転し、負荷ボール１０の転動を介してナット４が軸方向に移動すると、負荷ボール１０及びスペーサボール２０は無限循環路内を転動しながら循環する。このとき、無限循環路内を循環する負荷ボール１０のうち、スペーサボール２０と接触している負荷ボール１０は、スペーサボール２０と接触している側において順回転となるため、各ボール間に生じる相対滑りが減少する。

したがって、本実施形態のボールねじ１であれば、ねじ軸２に対して相対的にナット４が回転した際に各ボール間に生じる相対滑りが減少するため、ボールねじ１の作動効率が向上し、ボールねじ１の作動性を向上させることが可能となる。
また、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合を１％〜５％の範囲内としたため、必要最小限のスペーサボールの個数でボールねじの負荷容量及び剛性の低下をほとんど低下させず、かつ、負荷ボール１０に生じる初期磨耗を低減することが可能となった。したがってボールねじ１の耐久性を向上させることが可能となった。

以下、図３を参照して、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合と、負荷ボール１０に生じる初期磨耗との関係を説明する。
図３は、既存のボールねじ耐久寿命試験機を用いて、本実施形態のボールねじ１に過大荷重を付与した場合における、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合と、負荷ボール１０の初期磨耗量との関係を示すグラフである。ここで、過大過重を３００００Ｎとし、負荷ボール１０の初期磨耗量を１００ｋｍ走行後の負荷ボール１０の磨耗率とする。

以下に、本耐久寿命試験における条件を示す。
使用ボールねじ呼び番：ＮＳＫボールねじ５０×１０×１０００−Ｃ５
基本動定格過重：６４６００Ｎ
試験機名：ＮＳＫ製ボールねじ耐久寿命試験機
予圧荷重：２０００Ｎ
試験荷重：アキシャル荷重＝３００００Ｎ
最高回転数：１０００ｍｉｎ
ストローク：５００ｍｍ
潤滑グリース：アルバニアＮｏ．２（昭和シェル石油）
また、負荷ボール１０の数に対するスペーサボール２０の数の割合（以下、スペーサボール比と示す）を、０％、１％、２％、３％、４％、５％、２０％、２５％、３３．４％、５０％の１０通りとし、それぞれのスペーサボール比において耐久寿命試験を行った。

図中の縦軸はボール磨耗率を示し、横軸はスペーサボール比を示している。なお、ボール磨耗率は、それぞれのスペーサボール比における耐久寿命試験において、１００ｋｍ走行後の負荷ボール１０に生じた寸法の変化率を平均した値である。

図中に示されているように、スペーサボール比を１％以上とすると、負荷ボール１０のボール磨耗率は、スペーサボール比を０％とした場合と比較して大幅に低下する。また、スペーサボール比が５％を超えると、負荷ボールの摩耗率がほとんど低下しなくなる。
したがって、スペーサボール比を１％から５％の範囲内（図中にＲで示す範囲内）とすることにより、必要最小限のスペーサボールの個数で負荷ボール１０の磨耗率が大幅に低下するとともに、ボールねじ１の負荷容量及び剛性をほとんど低下させないことが可能となり、ボールねじ１の耐荷重性の向上が可能となる。また、負荷ボール１０の磨耗率が大幅に低下することにより、ボールねじ１の長寿命化が可能となる。

また、各スペーサボール２０が負荷ボール１０の列に対して均等に配置されているため、負荷転動路１２内に装填されている負荷ボール１０に対し、負荷荷重が均等に加わることとなり、ボールねじ１の耐久性を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態のボールねじ１では、多数の負荷ボール１０間にスペーサボール２０を均等に配置したが、これに限定されるものではなく、スペーサボール２０間に配置されている負荷ボール１０の数が異なってもよい。
また、本実施形態のボールねじ１では、スペーサボール２０の直径をボール１０の直径よりも２０μｍ〜５０μｍ程度小さく形成したが、これに限定されるものではなく、スペーサボール２０の直径がボール１０の直径よりも小さければよい。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００４年１２月２２日出願の日本特許出願（特願２００４−３７０８１６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明によれば、必要最小限のスペーサボールの個数で各ボール間に生じる相対滑りが減少してボールねじの作動効率が向上するとともに、ボールねじの負荷容量及び剛性の低下が防止されるため、作動性及び耐久性の向上したボールねじが提供される。

Claims

螺旋状のねじ軸側ボール転動溝を外周面に有するねじ軸と、
前記ねじ軸側ボール転動溝に対向するナット側ボール転動溝を内周面に有するナットと、
前記両ボール転動溝間に形成される負荷転動路内に転動自在に装填された複数の負荷ボールと、
前記負荷ボール間に配置された該負荷ボールより径の小さいスペーサボールとを有するボールねじにおいて、
前記負荷ボールの数に対する前記スペーサボールの数の割合を１％〜５％の範囲内に設定したことを特徴とするボールねじ。
前記スペーサボールを、前記負荷ボールの列に対して均等に配置したことを特徴とする請求項１に記載したボールねじ。