WO2015194168A1 - リニアガイド装置 - Google Patents

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WO2015194168A1
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arc
rolling element
element raceway
groove
linear guide
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English (en)
French (fr)
Inventor
佳佑 田中
松本　淳
Original Assignee
日本精工株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C29/00—Bearings for parts moving only linearly
    • F16C29/04—Ball or roller bearings
    • F16C29/06—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load

Definitions

  • the present invention relates to a linear guide device.
  • the linear motion guide device has a guide rail extending linearly and a slider assembled to the guide rail so as to be movable in the longitudinal direction of the guide rail.
  • a rolling element raceway groove made of a groove extending in the longitudinal direction of the guide rail is formed on the surface of the guide rail, and a rolling element made of a groove facing the rolling element raceway groove of the guide rail is formed on the surface of the slider.
  • a raceway groove is formed.
  • a rolling path is formed between the rolling element raceway groove of the guide rail and the rolling element raceway groove of the slider. The rolling path is a longitudinal direction of the guide rail. It extends to.
  • a plurality of balls are movably arranged in the rolling passage, and the slider is movable while being guided by the guide rail through the rolling of the plurality of balls in the rolling passage. Yes.
  • a cross-sectional shape (a cross-sectional shape when cut along a plane orthogonal to the longitudinal direction of the guide rail) is a single circular arc shape, or a cross-sectional shape is substantially V
  • a gothic arc-shaped groove that is shaped like a letter is mentioned.
  • Patent Document 1 discloses an arc-shaped groove in which the rolling element raceway groove has a single arc shape.
  • a Gothic arc-shaped groove is used as the rolling element raceway groove, there is an advantage that it is easy to ensure the accuracy of the dimensions and shape of the rolling element raceway groove.
  • the cross-sectional shape of the rolling element raceway groove is a single circular arc shape
  • the contact width between the rolling element raceway groove and the rolling element increases.
  • the rolling frictional force (dynamic frictional force) generated at the contact portion between the rolling element and the rolling element raceway groove increases, and there is a problem that a large amount of power is required to operate the slider. Therefore, the groove surface central portion of the rolling element raceway groove is formed with a first arc, and the groove surface side portion of the rolling element raceway groove adjacent to the groove surface central portion is formed with a second curvature radius larger than that of the first arc.
  • a linear guide device formed by an arc has been proposed (see Patent Document 2).
  • the contact width between the rolling element raceway groove and the rolling element is not so large as compared with the case where the cross-sectional shape of the rolling element raceway groove is a single circular arc shape. Can be suppressed.
  • JP 7-35136 A Japanese Patent Publication No.62-44130
  • the curvature radius R1 of the first arc is set to R1 ⁇ 0.56 Da and the curvature radius R2 of the second arc is R2 ⁇ 0. .70 Da is set.
  • the contact surface pressure of the rolling element becomes high, which may lead to a shortened life of the linear guide device, and there is room for improvement.
  • the present invention has been made paying attention to the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a linear guide device capable of suppressing an increase in dynamic frictional force without causing a shortened life.
  • an aspect of the linear guide device includes a plurality of rolling elements in which a slider that relatively moves in the longitudinal direction of the guide rail is opposed to a plurality of rolling element raceway grooves formed on the guide rail.
  • a slider body having a moving body raceway groove;
  • a groove surface central portion of the rolling element raceway groove is formed with a first arc, and a groove surface side portion of the rolling element raceway groove adjacent to the groove surface central part has a radius of curvature larger than that of the first arc. 2 arcs,
  • a connection portion between the first arc portion and the second arc portion is shared by a tangent line.
  • another aspect of the linear guide device includes a plurality of sliders that move relatively in the longitudinal direction of the guide rail, and a plurality of rolling element track grooves formed on the guide rail, respectively.
  • a slider body having rolling element raceway grooves;
  • a groove surface central portion of the rolling element raceway groove is formed with a first arc, and a groove surface side portion of the rolling element raceway groove adjacent to the groove surface central part has a radius of curvature larger than that of the first arc. 2 arcs,
  • the first arc portion and the second arc portion are connected by a connecting portion with the same tangent line.
  • the contact surface pressure of the rolling element does not increase excessively, and therefore, an increase in dynamic friction force is suppressed without causing a shortened life. It is possible to provide a linear guide device that can be used.
  • FIG. It is a figure which shows the structure in embodiment with a linear guide apparatus. It is sectional drawing of the linear guide apparatus shown in FIG. It is a figure which shows the structure of the principal part in embodiment with a linear guide apparatus, (a) is a figure which shows the cross-sectional shape of a rolling element raceway groove
  • FIG. It is a figure which shows the contact surface pressure distribution of a rolling element. It is a figure which shows the relationship between the maximum value of rolling element contact surface pressure, and dynamic friction force.
  • cross section means a cross section when cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the guide rail unless otherwise specified.
  • terms indicating directions such as “up”, “down”, “left”, and “right” mean the respective directions in FIG. 2 for convenience of description unless otherwise specified. It is.
  • a linear guide device shown in FIG. 1 includes a guide rail 1 formed in a straight line, a slider 2 that moves relative to the longitudinal direction of the guide rail 1, and a rolling element that is rotatably incorporated in the slider 2.
  • the slider 2 includes a rolling element raceway groove 4 formed on each of the left and right side surfaces of the guide rail 1 and four rolling element raceway grooves 6 facing each other.
  • the main body 5 includes a pair of end caps 7 and 7 attached to one end and the other end of the slider main body 5.
  • the groove surfaces of the rolling element raceway grooves 4 and 6 are formed by a first arc 8 and a second arc 9.
  • the first arc 8 forms the center of the groove surface of the rolling element raceway grooves 4 and 6, and when the diameter of the ball 3 is Da, the first arc 8 has its radius of curvature.
  • r1 is set to a value satisfying the following expression (1)
  • the arc angle 2 ⁇ 1 is set to a value satisfying the following expression (2). 0.50 Da ⁇ r1 ⁇ 0.52 Da (1) 10 ° ⁇ ⁇ 1 ⁇ 20 ° (2)
  • the second arc 9 forms the groove surface side portion of the rolling element raceway grooves 4 and 6 adjacent to the central portion of the groove surface, and when the diameter of the ball 3 is Da, the second arc 9 has its curvature.
  • the radius r2 is set to a value that satisfies the following expression (3). 0.54 Da ⁇ r2 ⁇ 0.60 Da (3)
  • the connecting portion 10 between the first arc 8 and the second arc 9 is shared by the tangent line T.
  • the first arc is formed on the straight extension line connecting the center of the first arc 8 and the center of the second arc 9.
  • the positions of the center of the first arc 8 and the center of the second arc 9 are set so that the connecting portion 10 between the second arc 9 and the second arc 9 comes.
  • the connecting portion 10 between the first arc portion 8 and the second arc portion 9 is shared by the tangent line T.
  • the positions of the center of the first arc 8 and the center of the second arc 9 are set. That is, in the present embodiment, the first arc portion 8 and the second arc portion 9 are connected by the connection portion 10 with the same tangent line T. Further, as shown in FIG. 3A, the rolling element raceway grooves 4 and 6 and the rolling element 3 are in contact with each other at the connecting portion 10.
  • FIG. 5 shows the relationship between the maximum value of the contact surface pressure obtained from the contact surface pressure distribution of FIG. 4 and the dynamic friction force calculated with a sliding friction coefficient of 0.1.
  • curves L1, L2, L3, and L4 indicate the contact surface pressure distribution of the ball when the linear guide device specifications are Example 1a, Example 1b, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 in Table 1. ing.
  • f1 r1 / Da
  • f1 should be 0.52 or less.
  • f1 it is desirable that f1 be 0.50 ⁇ f1 ⁇ 0.52, preferably 0.505 ⁇ f1 ⁇ 0.52.
  • the curvature radius r1 of the first arc 8 is set to 0.50 Da ⁇ r1 ⁇ 0.52 Da
  • the curvature radius r2 of the second arc 9 is set to 0.54 Da ⁇ r2 ⁇ 0.60 Da
  • the arc angle 2 ⁇ 1 of the first arc 8 is set to 10 ° ⁇ ⁇ 1 ⁇ 20 °, and further sharing the connecting portion 10 between the first arc 8 and the second arc 9 at the tangent line T.

Abstract

　短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することのできるリニアガイド装置を提供する。そのために、リニアガイド装置は、案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備え、転動体軌道溝（４，６）の溝面中央部を第１の円弧（８）で形成するとともに、上記溝面中央部に隣接する転動体軌道溝（４，６）の溝面側部を第１の円弧（８）より曲率半径の大きい第２の円弧（９）で形成し、第１の円弧部（８）と、第２の円弧部（９）との接続部（１０）を互いに接線Ｔにて共有している。

Description

リニアガイド装置
　本発明は、リニアガイド装置に関する。
　直動案内装置は、直線状に延びる案内レールと、案内レールの長手方向に移動可能に案内レールに組み付けられたスライダとを有している。案内レールの表面には、案内レールの長手方向に延びる凹溝からなる転動体軌道溝が形成されており、スライダの表面には、案内レールの転動体軌道溝に対向する凹溝からなる転動体軌道溝が形成されている。そして、案内レールの転動体軌道溝とスライダの転動体軌道溝との間に転動体であるボールが転動するための転動通路が形成されていて、この転動通路は案内レールの長手方向に延びている。この転動通路内には複数のボールが転動自在に配されていて、これら複数のボールの転動通路内での転動を介して、スライダが案内レールに案内されつつ移動可能となっている。
　このような転動体軌道溝の形状としては、断面形状（案内レールの長手方向に直交する平面で切断した場合の断面形状）が単一の円弧状である円弧状溝や、断面形状が略Ｖ字状であるゴシックアーク形状溝が挙げられる。転動体軌道溝の形状が単一の円弧状である円弧状溝は、例えば、特許文献１に開示されている。なお、転動体軌道溝としてゴシックアーク形状溝を採用すると、転動体軌道溝の寸法、形状等の精度を確保しやすいという利点がある。
　ここで、転動体軌道溝の断面形状が単一の円弧形状であると、転動体に大きな負荷荷重が加わると、転動体軌道溝と転動体との接触幅が大きくなる。このため、転動体と転動体軌道溝との接触部に発生する転がり摩擦力（動摩擦力）が増大し、スライダを作動させるのに大きな動力を必要とするなどの難点がある。そこで、転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、溝面中央部と隣接する転動体軌道溝の溝面側部を第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成したリニアガイド装置が提案されている（特許文献２参照）。
　このようなリニアガイド装置によると、転動体軌道溝の断面形状が単一の円弧形状の場合と比較して、転動体軌道溝と転動体との接触幅がそれほど大きくならないため、動摩擦力の増大を抑制することができる。
特開平７－３５１３６号公報 特公昭６２－４４１３０号公報
　　しかしながら、上述したリニアガイド装置では、転動体の直径をＤａとすると、第１の円弧の曲率半径Ｒ１がＲ１≒０．５６Ｄａに設定されていると共に第２の円弧の曲率半径Ｒ２がＲ２≒０．７０Ｄａに設定されている。このため、動摩擦力の増大を抑制できるものの、転動体の接触面圧が高くなってしまい、リニアガイド装置の短寿命化を招くことがあり改善の余地があった。
　本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することのできるリニアガイド装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、リニアガイド装置のある態様は、案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備え、
　前記転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、前記溝面中央部に隣接する前記転動体軌道溝の溝面側部を前記第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成し、
　前記第１の円弧部と、前記第２の円弧部との接続部を互いに接線にて共有している。
　上記の目的を達成するために、リニアガイド装置の他の態様は、案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備え、
　前記転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、前記溝面中央部に隣接する前記転動体軌道溝の溝面側部を前記第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成し、
　前記第１の円弧部と、前記第２の円弧部とが同一の接線をなして接続部で接続されている。
　本発明の一態様によれば、転動体に大きな負荷荷重が加わっても転動体の接触面圧が過度に大きくなったりすることがないので、短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することができるリニアガイド装置を提供することができる。
リニアガイド装置のある実施形態における構成を示す図である。 図１に示すリニアガイド装置の断面図である。 リニアガイド装置のある実施形態における要部の構成を示す図で、（ａ）は転動体軌道溝の断面形状を示す図、（ｂ）は第１の円弧と第２の円弧の曲率中心を示す図である。 転動体の接触面圧分布を示す図である。 転動体接触面圧の最大値と動摩擦力との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面中央部を形成する第１の円弧の曲率半径と転動体最大接触面圧との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面側部を形成する第２の円弧の曲率半径と転動体最大接触面圧との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面側部を形成する第２の円弧の曲率半径と動摩擦力との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面中央部を形成する第１の円弧の円弧角度と転動体最大接触面圧との関係を示す図である。 転動体軌道溝の溝面中央部を形成する第１の円弧の円弧角度と動摩擦力との関係を示す図である。
　以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかであろう。他にも、図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、これ以降の説明で参照する各図においては、同一又は相当する部分には同一の符号を付してある。また、これ以降の説明において「断面」と記した場合は、特に断りがない限り、案内レールの長手方向に直交する平面で切断した場合の断面を意味する。さらに、これ以降の説明における「上」，「下」，「左」，「右」等の方向を示す用語は、特に断りがない限り、説明の便宜上、図２におけるそれぞれの方向を意味するものである。
　リニアガイド装置のある実施形態を図１～図３に示す。図１に示されるリニアガイド装置は、直線状に形成された案内レール１と、この案内レール１の長手方向に相対移動するスライダ２と、このスライダ２内に転動自在に組み込まれた転動体としての多数のボール３（図２参照）とからなり、スライダ２は案内レール１の左右側面部に二条ずつ形成された転動体軌道溝４と各々対向する四条の転動体軌道溝６を有するスライダ本体５と、このスライダ本体５の一端と他端に装着された一対のエンドキャップ７，７とを備えて構成されている。
　転動体軌道溝４，６の溝面は、図３に示すように、第１の円弧８と第２の円弧９によって形成されている。これらの円弧８，９のうち第１の円弧８は転動体軌道溝４，６の溝面中央部を形成しており、ボール３の直径をＤａとすると、第１の円弧８はその曲率半径ｒ１が下式（１）を満たす値に設定されているとともに、その円弧角２θ１が下式（２）を満たす値に設定されている。
　　０．５０Ｄａ＜ｒ１≦０．５２Ｄａ　　‥‥（１）
　　１０°≦θ１≦２０°　　　　　　　　‥‥（２）
　一方、第２の円弧９は溝面中央部と隣接する転動体軌道溝４，６の溝面側部を形成しており、ボール３の直径をＤａとすると、第２の円弧９はその曲率半径ｒ２が下式（３）を満たす値に設定されている。
　　０．５４Ｄａ≦ｒ２≦０．６０Ｄａ　　‥‥（３）
　さらに、第１の円弧８と、第２の円弧９との接続部１０を、接線Ｔにて共有している。具体的には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、第１の円弧８の中心と、第２の円弧９の中心とを結ぶ直線の延長線上に、第１の円弧８と第２の円弧９との接続部１０がくるように、第１の円弧８の中心及び第２の円弧９の中心の位置を設定する。
　ここで、本実施形態においては、図３（ａ），（ｂ）に示すように、第１の円弧部８と、第２の円弧部９との接続部１０を互いに接線Ｔにて共有するように、第１の円弧８の中心及び第２の円弧９の中心の位置が設定されている。すなわち、本実施形態では、第１の円弧部８と、第２の円弧部９とが同一の接線Ｔをなして接続部１０で接続されている。また、図３（ａ）に示すように、転動体軌道溝４，６と転動体３とは、接続部１０で接触している。
　影響係数を用いた応力解析法でボールの接触面圧を表１に示す数値条件で計算し、その計算結果に基づいて作成したボールの接触面圧分布を図４に示す。また、図４の接触面圧分布から得られる接触面圧の最大値と滑り摩擦係数を０．１として計算した動摩擦力との関係を図５に示す。なお、図４において曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４はリニアガイド装置の仕様が表１の実施例１ａ、実施例１ｂ、比較例１、比較例２である場合のボールの接触面圧分布を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図４及び図５から明らかなように、転動体軌道溝の断面が単一の円弧形状で、その円弧弧の曲率半径とボール直径との比ｆ１（＝ｒ１／Ｄａ）がｆ１＝０．５１の場合（表1の比較例１）は、ボールの最大接触面圧を小さくできるものの、動摩擦力が大きくなってしまうことがわかる。また、第１の円弧８の曲率半径とボール直径との比ｆ１がｆ１＝０．５６で、第２の円弧９の曲率半径と転動体直径との比ｆ２（＝ｒ２／Ｄａ）がｆ２＝０．７０の場合（表1の比較例２）は、動摩擦力を小さくできるものの、ボールの最大接触面圧が大きくなってしまうことがわかる。
　これに対し、ｆ１がｆ１＝０．５１５でｆ２がｆ２＝０．５４の場合（表１の実施例１ａ）や、ｆ１がｆ１＝０．５１でｆ２がｆ２＝０．５６の場合（表１の実施例１ｂ）の場合は、表１の比較例１及び比較例２と比較して、ボールの最大接触面圧を小さくできると共に動摩擦力を小さくできることがわかる。
　Ｄａ＝４．７６２５ｍｍ、ｆ２＝０．５４、θ１＝２０°の条件でｆ１を０．５０５～０．５６の範囲で変化させた場合におけるボールの最大接触面圧を計算した結果を図６に示す。同図から明らかなように、動摩擦力の増大を抑えつつボールの最大接触面圧を効果的に低減するためには、ｆ１を０．５２以下にすればよいことがわかる。ただし、ｆ１が０．５０以下になると、転動体軌道溝を研削加工した時の加工誤差などによってボールが転動体軌道溝に部分当たりし、接触面圧が部分的に増大したりする可能性があるため、ｆ１を０．５０＜ｆ１≦０．５２、好ましくは０．５０５≦ｆ１≦０．５２とすることが望ましい。
　次に、Ｄａ＝４．７６２５ｍｍ、ｆ１＝０．５１、θ１＝１０°の条件でｆ２を０．５１～０．７０の範囲で変化させた場合におけるボールの最大接触面圧と動摩擦力を計算した結果を図７及び図８に示す。図７及び図８から明らかなように、ボールの最大接触面圧を効果的に低減するためには、ｆ２を０．６０以下にすればよいことがわかる。また、動摩擦力の増大を効果的に抑制するためには、ｆ２を０．５４以上にすればよいことがわかる。
　次に、Ｄａ＝４．７６２５ｍｍ、ｆ１＝０．５１、ｆ２＝０．５４の条件でθ１を０°～３０°の範囲で変化させた場合におけるボールの最大接触面圧と動摩擦力を計算した結果を図９及び図１０に示す。図９及び図１０から明らかなように、動摩擦力の増大を抑えつつ転動体の最大接触面圧を効果的に低減するためには、θ１を１０°以上２０°以下にすればよいことがわかる。
　したがって、第１の円弧８の曲率半径ｒ１を０．５０Ｄａ＜ｒ１≦０．５２Ｄａに設定するとともに、第２の円弧９の曲率半径ｒ２を０．５４Ｄａ≦ｒ２≦０．６０Ｄａに設定し、かつ第１の円弧８の円弧角２θ１を１０°≦θ１≦２０°に設定し、さらに、第１の円弧８と第２の円弧９との接続部１０を互いに接線Ｔにて共有することにより、ボールに大きな負荷荷重が加わってもボールの接触面圧が過度に大きくなったりすることがないので、短寿命化を招くことなく動摩擦力の増大を抑制することができる。
　上述した実施形態では転動体としてボールを用いたリニアガイド装置に本発明を適用した場合を例示したが、例えば特公昭６２－２４６５３号公報に示されるような球面ころを転動体として用いたリニアガイド装置にも本発明を適用できることは勿論である。
　以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例または実施形態も網羅すると解すべきである。
　　１　案内レール
　　２　スライダ
　　３　ボール
　　４，６　転動体軌道溝
　　５　スライダ本体
　　７　エンドキャップ
　　８　第１の円弧
　　９　第２の円弧
　　１０　接続部

Claims (4)

  1. 　案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備え、
    　前記転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、前記溝面中央部に隣接する前記転動体軌道溝の溝面側部を前記第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成し、
    　前記第１の円弧部と、前記第２の円弧部との接続部を互いに接線にて共有していることを特徴とするリニアガイド装置。
  2. 　案内レールの長手方向に相対移動するスライダが、前記案内レール上に形成された複数の転動体軌道溝と各々対向する複数の転動体軌道溝を有するスライダ本体を備え、
    　前記転動体軌道溝の溝面中央部を第１の円弧で形成するとともに、前記溝面中央部に隣接する前記転動体軌道溝の溝面側部を前記第１の円弧より曲率半径の大きい第２の円弧で形成し、
    　前記第１の円弧部と、前記第２の円弧部とが同一の接線をなして接続部で接続されていることを特徴とするリニアガイド装置。
  3. 　前記第１の円弧の曲率半径をｒ１、前記第２の円弧の曲率半径をｒ２、前記スライダ内に転動自在に組み込まれた転動体の直径をＤａとしたとき、０．５０Ｄａ＜ｒ１≦０．５２Ｄａ及び、０．５４Ｄａ≦ｒ２≦０．６０Ｄａを満たす値に前記第１の円弧及び前記第２円弧の曲率半径を設定するとともに、前記第1の円弧の円弧角度を２θ１としたとき、１０°≦θ１≦２０°を満たす値に前記第1の円弧の円弧角度を設定する請求項１又は２に記載のリニアガイド装置。
  4. 　前記転動体軌道溝と転動体とが、前記接続部で接触する請求項１～３のいずれか一項に記載のリニアガイド装置。
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