JP2005076650A

JP2005076650A - Ball screw

Info

Publication number: JP2005076650A
Application number: JP2003209723A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Okubo; 努大久保
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ball screw to be used in a field where the main loading direction can be restricted, capable of securing the durable lifetime sufficiently without dropping its rated load value in the main loading direction. <P>SOLUTION: The ball screw 51 is equipped with a screw shaft 2 having at the peripheral surface a ball rolling groove 5 in spiral shape, a nut 3 having a ball rolling groove 6 in spiral shape, a plurality of balls 4 arranged in a raceway 7 where the grooves 5 and 6 are formed confronting each other, wherein the grooves 5 and 6 are of gothic arc type consisting of two circular arcs, and each ball 4 is put in three-point or four-point contact on the raceway 7. If it is assumed so that the one of two circular arcs to form each gothic arc groove which bears the main load is called load arc and the other which does not bear the main load is called a non-load arc, the contacting angle of the non-load arc with the ball is made smaller than that of the load arc, and/or the radius of curvature of the former is made greater than that of the latter. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールねじに係り、特に射出成形機や工作機械の縦軸用等、主荷重方向を限定出来る用途に好適なボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ボールねじでは、ねじ軸またはナットとボールとの接触部分である接触楕円（接触点）での摩擦を低減することによる長寿命化が検討されている。
例えば特許文献１に記載の技術では、ねじ軸のボール転動溝の曲率半径を、ナットのボール転動溝の曲率半径より小さくすることによって、ねじ軸とボールとの接触面圧が低減可能であることが開示されている。したがって、ボール転動溝やボールの表面での摩耗や剥離の進展を抑えられるため、耐久寿命を延ばすことができる。
また、例えば特許文献２に記載の技術では、ねじ軸のボール転動溝およびナットのボール転動溝が対向して形成される軌道と、その軌道内に配置された複数のボールとの接触状態を二点接触にすることによって、ボール転動溝やボールの表面での摩擦が低減可能であることが開示されている。したがって、ボールねじの耐久寿命を延ばすことができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３９０５２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７６７６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、総てのボール転動溝において、ボールとボール転動溝との接触角を小さくしたり、ボール転動溝の円弧の曲率半径を大きくしたりすることによって、接触楕円（接触点）での面圧を抑えているため、その副作用として、逆にボールねじ自体の定格荷重や剛性が犠牲になる。すなわち、定格荷重や剛性が低下してしまう。
【０００５】
また、特許文献２に記載の技術では、ボールねじに揺動運動（例えば小ストロークでの繰り返し運動など）をさせた場合、ボール同士の競り合いが起こり易く、ボールの詰り現象を起こすことがある。これは、軌道とボールとの接触状態が二点接触であるため、ボールが軌道内で安定せず、ボール同士の距離が徐々に詰まってしまうためである。
このように、ボールねじを長寿命化させる手段として接触楕円（接触点）での摩擦を低減させる構造には、いまだ検討の余地がある。
本発明は、このような点に着目してなされたものであって、ボールねじの定格荷重を落とさないで耐久寿命を十分に確保できるボールねじを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ところで、例えば、ボール転動溝にゴシックアーク溝を採用した一般のボールねじを考えた場合、ナットに荷重が作用するとボールは負荷を受けて、ねじ軸側およびナット側それぞれのボール転動溝の一方の円弧と接触し、それらの円弧（以下、負荷円弧と呼ぶ）での二点の接触点（接触楕円）によって主荷重を受け持つ。
【０００７】
ここで、主荷重とは、往復動するナットに働く軸方向での荷重のうち、相対的に大きな負荷がボールおよびボール転動溝の一方の円弧に働く軸方向での荷重をいう。なお、荷重には、予圧が含まれる。
ボールねじのボール転動溝が形成する軌道は、螺旋状にねじれているため、ボールねじが回転するとボール転動溝のくさび作用によって、ボール転動溝の直角断面に対して平行方向にボールが動く。そのため、軸・ナット溝の相対関係によっては、ねじ軸側またはナット側の主荷重を受け持たない円弧（以下、非負荷円弧と呼ぶ）にボールが三点目の接触をする。
【０００８】
本発明者は、この非負荷円弧で生じる三点目の接触点での摩擦によってボールねじ全体の摩擦が増加し、ボールねじの寿命に影響を与えている点に着目した。さらに、ねじ軸およびナットのボール転動溝の溝形状、特にゴシックアーク溝を形成する二つの円弧の曲率半径が、同じ曲率に形成されている点に着目し、三点目の接触点での摩擦を低減させる構成について鋭意検討したところ、ねじ軸およびナットのボール転動溝の溝形状や、それらボール転動溝とボールとを所定の関係にすることによって、非負荷円弧で生じる三点目の接触点での摩擦を低減させるにもかかわらず、ボールねじ自体の主荷重方向の定格荷重を落とさないで耐久寿命を十分に確保できることを見いだした。
【０００９】
すなわち、上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、ねじ軸のボール転動溝およびナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数のボールと、を備え、前記ねじ軸のボール転動溝および前記ナットのボール転動溝にそれぞれ、２つの円弧からなるゴシックアーク溝を採用するとともに、前記ボールを前記軌道に三点または四点接触させるボールねじにおいて、前記ゴシックアーク溝を形成する２つの円弧のうち主荷重を受け持つ円弧を負荷円弧と、主荷重を受け持たない円弧を非負荷円弧と、呼ぶとき、非負荷円弧は、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さく、またはその曲率半径を大きく、若しくはその両方としたことを特徴としている。
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、ボールを軌道に対して、三点または四点接触させているため、二点接触のボールねじに比べてボールの詰まり現象が起こりにくい。そして、三点目の接触点となる非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さく、またはその曲率半径を大きく、若しくはその両方としている。
そのため、三点目の接触点での摩擦を低減させることができる。したがって、ボールねじの寿命を延ばすことができる。そして、負荷円弧については、定格荷重を受け持つために必要な接触角や円弧の曲率を維持することができるから、ボールねじとして所望の性能を保つことができる。したがって、ボールねじの定格荷重を落とさないで耐久寿命を延ばすことができる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のボールねじであって、前記軌道と前記ボールとの間に前記ねじ軸の軸方向のガタを有することを特徴としている。
請求項２に係る発明によれば、請求項１に記載のボールねじを軸方向にガタを有するボールねじ（以下、隙間ボールねじと呼ぶ）としている。隙間ボールねじを作動状態にすれば、ナット内のボール総てについて主荷重の作用する方向での負荷円弧と非負荷円弧とを、それぞれ同じ側にそろえることができる。そのため、主荷重方向の定格荷重を落とさないで耐久寿命を延ばすことができるボールねじを提供することができる。特に本発明のボールねじを主荷重方向を限定出来る用途、例えば射出成形機や工作機械の縦軸用等に適用すれば、より好適に提供することができる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載のボールねじであって、前記ボールねじの予圧構造は、オーバーサイズボール予圧構造であることを特徴としている。
請求項３に係る発明によれば、オーバーサイズボール予圧構造を採用しているので、ナットは軸方向にガタがない。そのため、軸とナットとの芯合わせを確実かつ容易に行うことができる。そして、ナット内のボール総てについて主荷重の作用する方向での負荷円弧と非負荷円弧とを、それぞれ同じ側にそろえることもできる。そのため、特に主荷重方向を限定することが出来る用途、例えば射出成形機や工作機械の縦軸用等に、さらに好適に本発明を適用可能である。
なお、このオーバーサイズボール予圧を付加する目的は、軸とナットとの相対位置を安定させることにある。したがって、予圧量は極少でよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の第一実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一実施形態であるボールねじ５１の構成を、一部を断面にて示す平面図であり、同図では、ナットを、ナットの軸方向の中心を含む平面で破断して示している。
図１に示すように、このボールねじ５１は、螺旋状のボール転動溝５を外周面に有するねじ軸２と、ねじ軸２のボール転動溝５に対向する螺旋状のボール転動溝６を内周面に有し、ねじ軸２に螺合される円筒状のナット３と、ねじ軸２のボール転動溝５とナット３のボール転動溝６とで形成される軌道７内に転動自在に装填された複数のボール４と、を備えている。
【００１４】
ボールねじ５１は、ナット３にダブルナット構造を採用している。詳しくは、ナット３は、軸方向に並べられた第１ナット３１及び第２ナット３２と、両ナット３１、３２の間に介装された間座３３と、から構成されている。なお、ナット３の軸方向一端（同図では、第１ナット３１）には、ナット３をテーブル等に固定するためのフランジ２２が設けてある。また、このフランジ２２とねじ軸２との間、および、ナット３の軸方向他端部とねじ軸２との間は、防塵用シール１０で塞がれている。
【００１５】
ナット３には、予圧を付加している。すなわち、間座３３の介装によって、第１ナット３１と第２ナット３２とを、同図に示す矢印方向にそれぞれ付勢して、軌道７とボール４との間に予圧を付加している。
ナット３の外周面には切欠部２１が形成され、この切欠部２１に略コ字状に屈曲したチューブからなる循環通路９が配置されており、循環通路押え８１によって切欠部２１に固定されている。循環通路９は、第１ナット３１及び第２ナット３２にそれぞれ１個ずつ軸方向に並べて配設され、合計２個が設けられている。
【００１６】
各循環通路９の両端は、ナット３を貫通して軌道７に至り、軌道７内を転動するボール４が循環通路９を通って循環するようになっている。そのため、複数のボール４を介してねじ軸２に螺合されているナット３と、ねじ軸２とが、ボール４の転動を介して軸方向に相対移動することができる。
図２は、ボールねじ５１における軌道およびボールの関係を拡大して示す説明図である。
【００１７】
ボールねじ５１は、ボール転動溝５、６にそれぞれゴシックアーク溝を採用している。すなわち、ボール転動溝５、６の各断面形状は曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状である。
同図に示すように、予圧を付加された各ボール４は、ゴシックアーク形状からなるボール転動溝６の一方の円弧との接触点Ｎ１と、これに対向する位置のゴシックアーク形状からなるボール転動溝５の一方の円弧との接触点Ｓ１と、の２点で接触する。すなわち、ナット３側およびねじ軸２側それぞれのボール転動溝６、５を構成している二つの円弧のうちの一方をそれぞれボール４に接触させて剛性を高めている。そして、これらの円弧（以下、負荷円弧と呼ぶ）による二つの接触点Ｎ１、Ｓ１によって主荷重を受け持つ。
【００１８】
ところで、ボールねじ５１のボール転動溝５、６が形成する軌道７は、螺旋状にねじれているため、ボールねじ５１が回転することによって軌道７のくさび作用がボール４に働くため、軌道７の直角断面に対して平行方向にボール４が動く。
そのため、ねじ軸２側またはナット３側の主荷重を受け持たない円弧（以下、非負荷円弧と呼ぶ）にボール４が第三点目の接触をする（図２に示す接触点Ｎ２）。
【００１９】
この非負荷円弧で生じる第三点目の接触点Ｎ２での摩擦によってボールねじ５１全体としての摩擦が増加し、ボールねじ５１の寿命に影響を与えている。
そこで、本発明に係るボールねじ５１では、この第三点目の接触点Ｎ２での摩擦を低減させる構成として、非負荷円弧を、負荷円弧に対し、ボール４との接触角を小さくし、且つその曲率半径を大きく構成している。
【００２０】
すなわち、図２に示すように、非負荷円弧となる第三点目の接触点Ｎ２での接触角をαｎ２、負荷円弧となる接触点Ｎ１、Ｓ１での接触角をそれぞれαｎ１、αｓ１、非負荷円弧の曲率半径をＲｎ２（およびＲｓ２）、負荷円弧の曲率半径をＲｎ１（およびＲｓ１）とするとき、αｎ２＜αｎ１（＝αｓ１）、且つ、Ｒｎ２＞Ｒｎ１（およびＲｓ２＞Ｒｓ１）として構成している。
【００２１】
次に、以上の構成からなるボールねじ５１の作用・効果について説明する。
このボールねじ５１によれば、ボール４を軌道７に対して、三点接触させているため、ボール４の挙動が安定する。例えばボール転動溝にサーキュラアーク溝を採用した二点接触のボールねじに比べてボール４の詰まり現象が起こりにくい。
【００２２】
そして、三点目の接触点Ｎ２となる非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、ボール４との接触角を小さく且つその曲率半径を大きくしている。そのため、三点目の接触点Ｎ２での摩擦を低減させることができる。したがって、ボールねじ５１の寿命を延ばすことができる。
そして、負荷円弧については、定格荷重を受け持つために必要な接触角や円弧の曲率を維持することができるから、ボールねじ５１として所望の性能を保つことができる。したがって、ボールねじ５１の定格荷重を落とさないで耐久寿命を延ばすことができる。
【００２３】
具体的には、例えば、負荷円弧については、定格荷重を受け持つために必要な接触角や円弧の曲率として、接触角を４５°とし、ボール４の直径をＤｗとするとき、円弧の曲率を５４％Ｄｗとする。そして、非負荷円弧については、接触角を３０°とし、円弧の曲率を５８％Ｄｗとすれば、定格荷重を落とさないで耐久寿命を延ばすことができるボールねじ５１を提供することができる。
【００２４】
なお、本実施形態のボールねじ５１では、非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さくし、且つその曲率半径を大きくしているが、少なくともそのいずれか一方、例えば、非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さく（αｎ２＜αｎ１（＝αｓ１））して構成しても良く、または、非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、その曲率半径を大きく（Ｒｎ２＞Ｒｎ１）することによって三点目の接触点Ｎ２での摩擦を低減させる構成としてもよい。しかし、本発明の効果をより奏する構成とする上では、非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、ボール４との接触角を小さくし、且つその曲率半径を大きくすることが望ましい。
【００２５】
ところで、第一実施形態のボールねじ５１は、上述のように、ダブルナット予圧を予圧構造に採用している。この場合、図３および図４に示すように、第１ナット３１及び第２ナット３２のそれぞれは、逆方向に負荷が作用することになる。
そのため、一方が正作動の時、他方は逆作動となるから、主荷重方向は特定されない。したがって、第一実施形態のボールねじ５１では、三点目の接触点Ｎ２での摩擦を低減させるという効果は、第１ナット３１または第２ナット３２のいずれか一方のナットについてのみ奏することになる。もちろん、いずれか一方のナットについては、摩擦低減の効果が得られるため、ボールねじ５１全体としては、定格荷重を落とさないで耐久寿命を延ばすことができる。
【００２６】
なお、第一実施形態のボールねじ５１のように、例えばダブルナット予圧を採用し、主荷重方向を特定できない用途では、正作動の場合は、ナット３側での三点目の接触点、また、逆作動の場合は、ねじ軸２側での三点目の接触点のみを非負荷円弧とみなして、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さく且つその曲率半径を大きく構成すれば十分である。このように構成すれば、逆方向へ作動した際の定格荷重を下げることはない。もちろん、上述の第一実施形態のボールねじ５１のように、ねじ軸２およびナット３の三点目の接触点両方をボールとの接触角を小さく且つその曲率半径を大きく構成してもよい。ただし、この場合には、例えば工作機械などの水平軸など、正逆両方向での荷重を受ける用途では、一方の定格荷重が下がるため、本発明を適用する上で、必ずしも好ましいとはいえない場合がある。しかし、ボールねじに主荷重が作用する方向を特定できるならば、ナット３全体に対して摩擦低減の効果が得られるとともに定格荷重を落とさないボールねじとして使用することが可能である。
【００２７】
そこで、次に、この点に着目した本発明の構成例である第二実施形態のボールねじについて説明する。なお、上述した本発明の第一実施形態と同様の構成等は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図５は、本発明の第二実施形態であるボールねじの構成を説明する平面図であり、同図では、ナットをその軸線を含む平面で破断して示している。また、図６は、第二実施形態のボールねじにおける軌道およびボールの関係を拡大して示す説明図である。
【００２８】
図５および図６に示すように、第二実施形態のボールねじ５２は、ナット３をシングルナット構造によって構成するとともに、ボール４と軌道７との間に予圧を付加しないで軸方向にガタをもたせた状態にして、いわゆる隙間ボールねじとした点が上記第一実施形態と異なっている。
詳しくは、図６に示すように、ボールねじ５２は、第一実施形態と同様に、ボール転動溝５、６にそれぞれゴシックアーク溝を採用している。そして、ナット３をシングルナット構造にするとともに、ボール４と軌道７との間にガタをもたせている。すなわち、ボール４の直径Ｄｗ＜軌道の内径７ｄとなる関係となるように構成している。なお、同図では、軌道７に対してボール４が隙間を備えているイメージを示しており、実際には、ボール４は、重力の作用によって、例えばねじ軸２側の円弧と接触した状態で軌道７内に配設されている。
【００２９】
図５に示すように、ボールねじ５２は、正作動方向（同図では、左向き）を主荷重方向と定めたときに、ボール４が軌道７内の各円弧に対して、上述の第一実施形態同様に、三点接触をさせている（図２参照）。そして、この三点接触状態において、非負荷円弧を、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さくし且つその曲率半径を大きくして構成している。
【００３０】
次に、以上の構成からなるボールねじ５２の作用・効果について説明する。
上述のように第二実施形態のボールねじ５２では、予圧を付加させないで軸方向にガタを有する隙間ボールねじとしている。そのため、このボールねじを作動させた場合は、ナット３内のボール４総てについて主荷重の作用する方向での負荷円弧と非負荷円弧とを、それぞれ同じ側にそろえることができる。したがって、ボールねじ５２は、主荷重方向を限定出来る用途に適用することによって、ナット３内のボール４総てについて摩擦低減の効果を奏するとともに、定格荷重を落とさないボールねじとして使用することが可能である。なお、主荷重方向を限定出来る用途としては、例えば射出成形機や工作機械の縦軸用等に好適に使用することができる。
【００３１】
ここで、例えば射出成形機や工作機械の縦軸等に用いられるボールねじには、通常、上述した隙間ボールねじが使用されるが、隙間ボールねじでは、ナット３は軸方向にガタがあるため、例えば射出成形機や工作機械の縦軸等に取り付ける際に、ねじ軸２とナット３との芯合わせが困難な場合がある。そこで、このような場合にあっては、次に説明する第三実施形態のボールねじが好適に使用しうる。
【００３２】
以下、本発明の第三実施形態について説明する。なお、上述した本発明の第一または第二実施形態と同様の構成等は、同一の符号を付してその説明を省略する。
第三実施形態のボールねじは、図６において、ボール４の直径Ｄｗ≧軌道の内径７ｄとなる関係となるように、いわゆるオーバーサイズボールを採用して構成している点が第二実施形態とは異なっている。
【００３３】
すなわち、図７に示すように、第三実施形態のボールねじは、第一実施形態または第二実施形態と同様に、ボール転動溝５、６にそれぞれゴシックアーク溝を採用している。そして、予圧付加には、オーバーサイズボール予圧構造を採用し、ボール転動溝５、６で形成される軌道７と、その軌道７内に配置された複数のボール４において、軌道７が形成する内径７ｄよりもボール４のボール直径Ｄｗをほぼ同径または僅かに大きいものを挿入して、ボールを４点接触させることによって予圧を与えている。なお、オーバーサイズボールによって予圧を付加する目的は、ねじ軸２とナット３との相対位置を安定させることにある。したがって、予圧量は極少でよい。
【００３４】
そして、第二実施形態と同様に、正作動方向を主荷重方向と定めたときに、非負荷円弧を、負荷円弧に対し、ボールとの接触角を小さくし且つその曲率半径を大きくして構成している。
次に、以上の構成からなる第三実施形態のボールねじの作用・効果について説明する。
【００３５】
第三実施形態のボールねじによれば、オーバーサイズボール予圧構造を採用しているため、ナット３は軸方向にガタがなく、ねじ軸２とナット３との芯合わせを確実かつ容易に行うことができる。そして、第二実施形態のボールねじと同様に、ボールねじを作動させた場合は、ナット３内のボール４総てについて、主荷重の作用する方向での負荷円弧と非負荷円弧とを、それぞれ同じ側にそろえることもできるから、主荷重方向を限定することが出来る。そのため、例えば射出成形機や工作機械の縦軸用等に、より好適に適用可能である。
【００３６】
なお、以上説明した本発明のボールねじの各構成は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記各実施形態では、ボール４同士の間に、スペーサを介在させていないが、スペーサを介在させてもよい。スペーサを介在させれば、ボール４同士の競り合いが抑制されるので、摩擦トルクの発生をより安定して抑えることができる。また、例えば小球を挟む等の方法や、その他の保持器も使用可能である。
【００３７】
また、上記実施形態では、チューブ式の循環通路９を用いているが、これに限定されるものではなく、他の形式の循環通路を用いてもよい。
また、上記各実施形態では、予圧方法として、第一実施形態では、ダブルナットによる間座予圧とし、第二実施形態では、隙間ボールねじとして予圧を付加させず、また、第三実施形態では、オーバーサイズボール予圧をそれぞれ用いているが、これらに限定されるものではなく、本発明のボールねじの予圧方法としては、その他の方法も適用可能である。例えば、シングルナットの中央付近のリードを予圧量だけ大きくして予圧を与えることができる。また、多条ねじにおいて、ねじ軸の条間とナットの条間とをずらして予圧を与えることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ボールねじの定格荷重を落とさないで耐久寿命を十分に確保できるボールねじを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態のボールねじの構成を説明する平面図であり、同図では、ナットをその軸線を含む平面で破断して示している。
【図２】本発明のボールねじにおける、軌道とボールとの関係を拡大して示す説明図である。
【図３】本発明の第一実施形態のナットの構成を説明する平面図である。
【図４】本発明の第一実施形態の予圧付加による軌道とボールとの関係を示す説明図である。
【図５】本発明の第二実施形態のボールねじの構成を説明する平面図であり、同図では、ナットをその軸線を含む平面で破断して示している。
【図６】本発明の第二実施形態での軌道とボールとの関係を示す説明図である。
【図７】本発明の第三実施形態での軌道とボールとの間係を示す説明図である。
【符号の説明】
５１、５２ボールねじ
２ねじ軸
３ナット
４ボール
５（ねじ軸の）ボール転動溝
６（ナットの）ボール転動溝
７軌道
９循環通路
１０防塵用シール
２１切欠部
２２フランジ
３１第一ナット
３２第二ナット
３３間座
８１循環通路押え
Ｄｗボール直径
Ｎ１（ナットの負荷円弧での）接触点
Ｎ２（ナットの非負荷円弧での）接触点
Ｓ１（ねじ軸の負荷円弧での）接触点
Ｓ２（ねじ軸の非負荷円弧での）接触点
Ｒｎ１（ナットの負荷円弧での）曲率半径
Ｒｎ２（ナットの非負荷円弧での）曲率半径
Ｒｓ１（ねじ軸の負荷円弧での）曲率半径
Ｒｓ２（ねじ軸の非負荷円弧での）曲率半径
αｎ１（ナットの負荷円弧での）接触角
αｎ２（ナットの非負荷円弧での）接触角
αｓ１（ねじ軸の負荷円弧での）接触角
αｓ２（ねじ軸の非負荷円弧での）接触角[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ball screw, and more particularly to a ball screw suitable for an application in which the main load direction can be limited, such as for an longitudinal axis of an injection molding machine or a machine tool.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a ball screw, it has been studied to extend the life by reducing friction at a contact ellipse (contact point) which is a contact portion between a screw shaft or a nut and a ball.
For example, in the technique described in Patent Document 1, the contact surface pressure between the screw shaft and the ball can be reduced by making the radius of curvature of the ball rolling groove of the screw shaft smaller than the radius of curvature of the ball rolling groove of the nut. It is disclosed that there is. Accordingly, the wear life and separation progress on the ball rolling groove and the surface of the ball can be suppressed, so that the durability life can be extended.
Further, for example, in the technique described in Patent Document 2, a raceway formed by opposing a ball rolling groove of a screw shaft and a ball rolling groove of a nut and a contact state between a plurality of balls arranged in the raceway It is disclosed that the friction at the ball rolling groove or the surface of the ball can be reduced by making the two-point contact. Therefore, the durable life of the ball screw can be extended.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2002-39052 A [Patent Document 2]
JP 2002-276765 A [0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique described in Patent Document 1 described above, in all the ball rolling grooves, the contact angle between the ball and the ball rolling groove is reduced, or the radius of curvature of the arc of the ball rolling groove is increased. By doing so, the surface pressure at the contact ellipse (contact point) is suppressed, and as a side effect, the rated load and rigidity of the ball screw itself are sacrificed. That is, the rated load and rigidity are reduced.
[0005]
Further, in the technique described in Patent Document 2, when a swinging motion (for example, repetitive motion with a small stroke) is performed on the ball screw, the balls tend to compete with each other, which may cause a ball clogging phenomenon. This is because the contact state between the track and the ball is a two-point contact, so that the ball is not stabilized in the track and the distance between the balls gradually becomes smaller.
As described above, there is still room for study on the structure for reducing the friction at the contact ellipse (contact point) as means for extending the life of the ball screw.
The present invention has been made paying attention to such points, and an object of the present invention is to provide a ball screw that can sufficiently ensure a durable life without dropping the rated load of the ball screw.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
By the way, for example, when considering a general ball screw adopting a Gothic arc groove as a ball rolling groove, when a load is applied to the nut, the ball receives the load, and the ball rolling groove on each of the screw shaft side and the nut side is changed. It contacts one arc and is responsible for the main load by two contact points (contact ellipses) on those arcs (hereinafter referred to as load arcs).
[0007]
Here, the main load means a load in an axial direction in which a relatively large load acts on one arc of the ball and the ball rolling groove among axial loads acting on the reciprocating nut. The load includes preload.
The raceway formed by the ball rolling groove of the ball screw is twisted in a spiral shape. Therefore, when the ball screw rotates, the ball moves in a direction parallel to the perpendicular cross section of the ball rolling groove due to the wedge action of the ball rolling groove. Move. Therefore, depending on the relative relationship between the shaft and the nut groove, the ball contacts the third point with an arc that does not receive the main load on the screw shaft side or the nut side (hereinafter referred to as an unloaded arc).
[0008]
The inventor paid attention to the fact that the friction at the third contact point generated in the unloaded arc increases the friction of the entire ball screw and affects the life of the ball screw. Furthermore, paying attention to the fact that the groove shape of the ball rolling groove of the screw shaft and nut, especially the radius of curvature of the two arcs forming the Gothic arc groove, are formed with the same curvature, at the third contact point As a result of intensive studies on the configuration to reduce the friction, the third point that occurs in the unloaded arc by setting the groove shape of the ball rolling groove of the screw shaft and nut and the predetermined relationship between the ball rolling groove and the ball. In spite of reducing the friction at the contact point, it was found that a sufficient durability life can be secured without dropping the rated load in the main load direction of the ball screw itself.
[0009]
That is, in order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a screw shaft having a spiral ball rolling groove on the outer peripheral surface, and a nut having a spiral ball rolling groove on the inner peripheral surface. A ball rolling groove of the screw shaft and a plurality of balls disposed in a raceway formed so that the ball rolling groove of the nut faces each other, and the ball rolling groove of the screw shaft and the ball rolling of the nut Each of the moving grooves employs a Gothic arc groove composed of two arcs, and in a ball screw that brings the ball into contact with the track at three or four points, the main load of the two arcs forming the Gothic arc groove is When the arc that is handled is called the load arc and the arc that is not responsible for the main load is called the non-load arc, the non-load arc has a smaller contact angle with the ball or a larger curvature radius than the load arc. Shi It is characterized in that the both.
[0010]
According to the first aspect of the present invention, since the ball is brought into contact with the track at three or four points, the ball clogging phenomenon is less likely to occur compared to a two-point contact ball screw. The non-load arc serving as the third contact point has a smaller contact angle with the ball and / or a larger radius of curvature than the load arc.
Therefore, friction at the third contact point can be reduced. Therefore, the life of the ball screw can be extended. And about a load arc, since a contact angle and curvature of an arc required in order to take charge of a rated load can be maintained, desired performance as a ball screw can be maintained. Therefore, the durability life can be extended without reducing the rated load of the ball screw.
[0011]
The invention according to claim 2 is the ball screw according to claim 1, characterized in that an axial backlash of the screw shaft is provided between the track and the ball.
According to the invention according to claim 2, the ball screw according to claim 1 is a ball screw having a backlash in the axial direction (hereinafter referred to as a gap ball screw). When the clearance ball screw is in the activated state, the load arc and the non-load arc in the direction in which the main load acts can be aligned on the same side for all the balls in the nut. Therefore, it is possible to provide a ball screw that can extend the durability life without dropping the rated load in the main load direction. In particular, if the ball screw of the present invention is applied to an application that can limit the main load direction, for example, for the vertical axis of an injection molding machine or a machine tool, it can be provided more suitably.
[0012]
The invention according to claim 3 is the ball screw according to claim 1, wherein the preload structure of the ball screw is an oversized ball preload structure.
According to the invention of claim 3, since the oversized ball preload structure is adopted, the nut has no backlash in the axial direction. Therefore, centering of the shaft and the nut can be performed reliably and easily. The loaded arc and the unloaded arc in the direction in which the main load acts on all the balls in the nut can be aligned on the same side. Therefore, the present invention can be more suitably applied to an application that can limit the main load direction, for example, for the vertical axis of an injection molding machine or a machine tool.
The purpose of adding this oversize ball preload is to stabilize the relative position of the shaft and the nut. Therefore, the amount of preload may be extremely small.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a plan view showing a part of the configuration of the ball screw 51 according to the first embodiment of the present invention in a cross section. In FIG. 1, the nut is broken at a plane including the axial center of the nut. As shown.
As shown in FIG. 1, the ball screw 51 includes a screw shaft 2 having a spiral ball rolling groove 5 on the outer peripheral surface, and a spiral ball rolling groove facing the ball rolling groove 5 of the screw shaft 2. 6 on the inner peripheral surface, and in a raceway 7 formed by a cylindrical nut 3 screwed to the screw shaft 2, a ball rolling groove 5 of the screw shaft 2, and a ball rolling groove 6 of the nut 3. And a plurality of balls 4 loaded so as to roll freely.
[0014]
The ball screw 51 employs a double nut structure for the nut 3. Specifically, the nut 3 includes a first nut 31 and a second nut 32 arranged in the axial direction, and a spacer 33 interposed between the nuts 31 and 32. A flange 22 for fixing the nut 3 to a table or the like is provided at one axial end of the nut 3 (the first nut 31 in the figure). Further, a dust-proof seal 10 is closed between the flange 22 and the screw shaft 2 and between the other axial end of the nut 3 and the screw shaft 2.
[0015]
A preload is applied to the nut 3. That is, the first nut 31 and the second nut 32 are urged in the direction of the arrow shown in the figure by interposing the spacer 33, and a preload is applied between the track 7 and the ball 4. .
A cutout portion 21 is formed on the outer peripheral surface of the nut 3, and a circulation passage 9 made of a tube bent in a substantially U shape is disposed in the cutout portion 21, and is fixed to the cutout portion 21 by a circulation passage presser 81. Yes. One circulation passage 9 is arranged in the axial direction for each of the first nut 31 and the second nut 32, and a total of two circulation passages 9 are provided.
[0016]
Both ends of each circulation passage 9 pass through the nut 3 to the track 7, and the balls 4 that roll in the track 7 circulate through the circulation passage 9. Therefore, the nut 3 screwed into the screw shaft 2 via the plurality of balls 4 and the screw shaft 2 can move relative to each other in the axial direction via the rolling of the balls 4.
FIG. 2 is an explanatory view showing, in an enlarged manner, the relationship between the track and the ball in the ball screw 51.
[0017]
The ball screw 51 employs gothic arc grooves for the ball rolling grooves 5 and 6, respectively. That is, each cross-sectional shape of the ball rolling grooves 5 and 6 is substantially V-shaped combining two arcs having different centers of curvature.
As shown in the drawing, each ball 4 to which a preload is applied is a ball having a Gothic arc shape at a point of contact N1 with one arc of the ball rolling groove 6 having a Gothic arc shape, and a position facing the contact point N1. Contact is made at two points, the contact point S1 with one arc of the rolling groove 5. That is, one of the two arcs constituting the ball rolling grooves 6 and 5 on the nut 3 side and the screw shaft 2 side is brought into contact with the ball 4 to increase the rigidity. The main load is handled by two contact points N1 and S1 of these arcs (hereinafter referred to as load arcs).
[0018]
By the way, since the track 7 formed by the ball rolling grooves 5 and 6 of the ball screw 51 is spirally twisted, the wedge action of the track 7 acts on the ball 4 when the ball screw 51 rotates. The ball 4 moves in a direction parallel to the right-angle cross section.
Therefore, the ball 4 comes into contact with the third point (contact point N2 shown in FIG. 2) in an arc that does not receive the main load on the screw shaft 2 side or the nut 3 side (hereinafter referred to as an unloaded arc).
[0019]
The friction at the third contact point N2 generated by the unloaded arc increases the friction of the ball screw 51 as a whole and affects the life of the ball screw 51.
Therefore, in the ball screw 51 according to the present invention, as a configuration for reducing the friction at the third contact point N2, the non-load arc is made smaller in contact angle with the ball 4 with respect to the load arc, and The radius of curvature is large.
[0020]
That is, as shown in FIG. 2, the contact angle at the third contact point N2 that is a non-load arc is αn2, the contact angles at the contact points N1 and S1 that are load arcs are αn1, αs1, and non-load, respectively. When the radius of curvature of the arc is Rn2 (and Rs2) and the radius of curvature of the load arc is Rn1 (and Rs1), αn2 <αn1 (= αs1) and Rn2> Rn1 (and Rs2> Rs1) are configured. .
[0021]
Next, the operation and effect of the ball screw 51 having the above configuration will be described.
According to this ball screw 51, since the ball 4 is brought into contact with the track 7 at three points, the behavior of the ball 4 is stabilized. For example, the clogging phenomenon of the ball 4 is less likely to occur compared to a two-point contact ball screw that employs a circular arc groove as the ball rolling groove.
[0022]
Then, the non-load arc serving as the third contact point N2 has a smaller contact angle with the ball 4 and a larger radius of curvature than the load arc. Therefore, the friction at the third contact point N2 can be reduced. Therefore, the life of the ball screw 51 can be extended.
As for the load arc, the contact angle and the curvature of the arc necessary for taking charge of the rated load can be maintained, so that the desired performance as the ball screw 51 can be maintained. Therefore, the durability life can be extended without dropping the rated load of the ball screw 51.
[0023]
Specifically, for example, for a load arc, when the contact angle is 45 ° and the diameter of the ball 4 is Dw, the curvature of the arc is 54 when the contact angle and the curvature of the arc necessary for taking charge of the rated load are used. % Dw. And about a non-load arc, if a contact angle shall be 30 degrees and the curvature of an arc shall be 58% Dw, the ball screw 51 which can extend a durable life without dropping a rated load can be provided.
[0024]
In the ball screw 51 of the present embodiment, the non-load arc has a smaller contact angle with the ball and a larger radius of curvature than the load arc, but at least one of them, for example, The unloaded arc may be configured with a smaller contact angle with the ball than the loaded arc (αn2 <αn1 (= αs1)), or the curvature of the unloaded arc is larger than that of the loaded arc. The friction at the third contact point N2 may be reduced by increasing the radius (Rn2> Rn1). However, in order to make the configuration of the present invention more effective, it is desirable to make the non-load arc smaller in contact angle with the ball 4 and larger in radius of curvature than the load arc.
[0025]
By the way, the ball screw 51 of the first embodiment employs a double nut preload for the preload structure as described above. In this case, as shown in FIGS. 3 and 4, the load acts on the first nut 31 and the second nut 32 in the opposite directions.
Therefore, when one side is in the normal operation, the other side is in the reverse operation, so the main load direction is not specified. Therefore, in the ball screw 51 of the first embodiment, the effect of reducing the friction at the third contact point N2 is exerted only on one of the first nut 31 and the second nut 32. . Of course, since any one of the nuts has an effect of reducing friction, the entire life of the ball screw 51 can be extended without dropping the rated load.
[0026]
In addition, for example, a double nut preload is adopted and the main load direction cannot be specified as in the ball screw 51 of the first embodiment, and in the case of normal operation, the third contact point on the nut 3 side, In the case of reverse operation, if only the third contact point on the screw shaft 2 side is regarded as a non-load arc, the contact angle with the ball is smaller and the radius of curvature is larger than the load arc. It is enough. If comprised in this way, the rated load at the time of act | operating to a reverse direction will not be reduced. Of course, like the ball screw 51 of the first embodiment described above, both the screw shaft 2 and the third contact point of the nut 3 may have a small contact angle with the ball and a large radius of curvature. However, in this case, when the load is applied in both forward and reverse directions, such as a horizontal axis of a machine tool, for example, the rated load on one side is lowered, so it is not necessarily preferable in applying the present invention. There is. However, if the direction in which the main load acts on the ball screw can be specified, it is possible to use the ball screw as a ball screw that has the effect of reducing friction with respect to the entire nut 3 and does not drop the rated load.
[0027]
Then, next, the ball screw of 2nd embodiment which is the structural example of this invention paying attention to this point is demonstrated. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to 1st embodiment of this invention mentioned above, and the description is abbreviate | omitted.
FIG. 5 is a plan view for explaining the configuration of the ball screw according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the nut is shown by being broken along a plane including its axis. Moreover, FIG. 6 is explanatory drawing which expands and shows the relationship between the track | orbit and a ball | bowl in the ball screw of 2nd embodiment.
[0028]
As shown in FIGS. 5 and 6, the ball screw 52 of the second embodiment is configured such that the nut 3 has a single nut structure and the backlash is not applied in the axial direction without applying a preload between the ball 4 and the track 7. This is different from the first embodiment in that it is a so-called gap ball screw.
Specifically, as shown in FIG. 6, the ball screw 52 employs gothic arc grooves for the ball rolling grooves 5 and 6 as in the first embodiment. The nut 3 has a single nut structure, and a backlash is provided between the ball 4 and the track 7. That is, the ball 4 is configured such that the diameter Dw <the inner diameter 7d of the track. In the figure, an image in which the ball 4 is provided with a gap with respect to the track 7 is shown. In reality, the ball 4 is in contact with, for example, an arc on the screw shaft 2 side by the action of gravity. It is disposed in the track 7.
[0029]
As shown in FIG. 5, in the ball screw 52, when the normal operation direction (leftward in the figure) is determined as the main load direction, the ball 4 is in the first implementation described above with respect to each arc in the track 7. Like the form, three-point contact is made (see FIG. 2). In this three-point contact state, the unloaded arc is configured with a smaller contact angle with the ball and a larger radius of curvature than the loaded arc.
[0030]
Next, the operation and effect of the ball screw 52 having the above configuration will be described.
As described above, the ball screw 52 of the second embodiment is a clearance ball screw having a backlash in the axial direction without applying a preload. Therefore, when this ball screw is operated, the load arc and the non-load arc in the direction in which the main load acts on all the balls 4 in the nut 3 can be aligned on the same side. Therefore, the ball screw 52 can be used as a ball screw that reduces the friction of the balls 4 in the nut 3 and does not drop the rated load by being applied to an application that can limit the main load direction. It is. In addition, as a use which can limit a main load direction, it can use suitably, for example for the vertical axis | shaft of an injection molding machine or a machine tool.
[0031]
Here, for example, the above-described gap ball screw is usually used for a ball screw used for the vertical axis of an injection molding machine or a machine tool. However, in the gap ball screw, the nut 3 is loose in the axial direction. For example, when attaching to the vertical axis of an injection molding machine or a machine tool, it may be difficult to align the screw shaft 2 and the nut 3. Therefore, in such a case, the ball screw of the third embodiment described below can be suitably used.
[0032]
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to 1st or 2nd embodiment of this invention mentioned above, and the description is abbreviate | omitted.
The ball screw of the third embodiment is different from that of the second embodiment in that a so-called oversized ball is employed so that the relationship of the diameter Dw of the ball 4 ≧ the inner diameter 7d of the track in FIG. Is different.
[0033]
That is, as shown in FIG. 7, the ball screw of the third embodiment employs gothic arc grooves for the ball rolling grooves 5 and 6, respectively, as in the first or second embodiment. For the preload application, an oversize ball preload structure is adopted, and the track 7 is formed by the track 7 formed by the ball rolling grooves 5 and 6 and the plurality of balls 4 arranged in the track 7. A ball 4 having a ball diameter Dw substantially equal to or slightly larger than the inner diameter 7d is inserted, and a preload is applied by bringing the ball into contact at four points. The purpose of applying the preload with the oversized ball is to stabilize the relative position between the screw shaft 2 and the nut 3. Therefore, the amount of preload may be extremely small.
[0034]
As in the second embodiment, when the positive operation direction is defined as the main load direction, the non-load arc is configured by reducing the contact angle with the ball and increasing the radius of curvature with respect to the load arc. doing.
Next, the action and effect of the ball screw of the third embodiment having the above configuration will be described.
[0035]
According to the ball screw of the third embodiment, since the oversized ball preload structure is adopted, the nut 3 has no backlash in the axial direction, and the screw shaft 2 and the nut 3 can be reliably and easily aligned. Can do. Then, similarly to the ball screw of the second embodiment, when the ball screw is operated, the load arc and the non-load arc in the direction in which the main load acts are respectively set for all the balls 4 in the nut 3. Since they can be aligned on the same side, the main load direction can be limited. Therefore, it can be more suitably applied to, for example, the vertical axis of an injection molding machine or a machine tool.
[0036]
In addition, each structure of the ball screw of this invention demonstrated above is not limited to said each embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
For example, in each of the above embodiments, a spacer is not interposed between the balls 4, but a spacer may be interposed. If a spacer is interposed, since the competition between the balls 4 is suppressed, the generation of friction torque can be suppressed more stably. Further, for example, a method of sandwiching a small ball or other cages can be used.
[0037]
Moreover, in the said embodiment, although the tube-type circulation path 9 is used, it is not limited to this, You may use the circulation path of another type.
Further, in each of the above embodiments, as a preload method, in the first embodiment, a spacer preload by a double nut is used, in the second embodiment, no preload is added as a gap ball screw, and in the third embodiment, Each of the oversize ball preloads is used, but the present invention is not limited to these, and other methods can be applied as the preload method for the ball screw of the present invention. For example, the lead near the center of the single nut can be increased by a preload amount to give a preload. Further, in a multi-thread screw, preload can be applied by shifting the space between the screw shaft and the space between the nuts.
[0038]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ball screw which can fully ensure a durable life without dropping the rated load of a ball screw can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view for explaining the configuration of a ball screw according to a first embodiment of the present invention, in which the nut is shown broken away on a plane including its axis.
FIG. 2 is an explanatory view showing an enlarged relationship between a track and a ball in the ball screw of the present invention.
FIG. 3 is a plan view illustrating a configuration of a nut according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a track and a ball by applying a preload according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view for explaining a configuration of a ball screw according to a second embodiment of the present invention, in which the nut is shown by being broken along a plane including its axis.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between a track and a ball in the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the track and the ball in the third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
51, 52 Ball screw 2 Screw shaft 3 Nut 4 Ball 5 Ball rolling groove 6 (of screw shaft) Ball rolling groove 7 (of nut) Track 9 Circulating passage 10 Dust-proof seal 21 Notch 22 Flange 31 First nut 32 Second nut 33 Spacer 81 Circulating passage retainer Dw Ball diameter N1 Contact point N2 (at the nut's unloaded arc) Contact point S1 (at the nut's unloaded arc) Contact point S2 (at the screw shaft's loaded arc) Contact point Rn1 (in the unloaded arc of the screw shaft) radius of curvature Rn2 (in the unloaded arc of the nut) radius of curvature Rs1 (in the unloaded arc of the nut) radius of curvature Rs2 (in the loaded shaft of the screw shaft) Radius of curvature αn1 (at the loaded arc of the nut) contact angle αn2 (at the unloaded arc of the nut) contact angle αs1 (at the loaded arc of the screw shaft) contact angle αs2 (at the unloaded arc of the screw) With load arc ) Contact angle

Claims

外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、ねじ軸のボール転動溝およびナットのボール転動溝が対向して形成される軌道内に配置された複数のボールと、を備え、
前記ねじ軸のボール転動溝および前記ナットのボール転動溝にそれぞれ、２つの円弧からなるゴシックアーク溝を採用するとともに、前記ボールを前記軌道に三点または四点接触させるボールねじにおいて、
前記ゴシックアーク溝を形成する２つの円弧のうち主荷重を受け持つ円弧を負荷円弧と、主荷重を受け持たない円弧を非負荷円弧と、呼ぶとき、
非負荷円弧は、負荷円弧に比べて、ボールとの接触角を小さく、またはその曲率半径を大きく、若しくはその両方としたことを特徴とするボールねじ。The screw shaft having the spiral ball rolling groove on the outer peripheral surface, the nut having the spiral ball rolling groove on the inner peripheral surface, the ball rolling groove of the screw shaft and the ball rolling groove of the nut are opposed to each other. A plurality of balls arranged in a formed track,
In the ball screw that adopts a Gothic arc groove composed of two circular arcs for each of the ball rolling groove of the screw shaft and the ball rolling groove of the nut, and for bringing the ball into contact with the track at three or four points,
Of the two arcs forming the Gothic arc groove, the arc that bears the main load is referred to as a load arc, and the arc that does not bear the main load is referred to as a non-load arc.
A ball screw characterized in that the non-load arc has a smaller contact angle with the ball and / or a larger radius of curvature than the load arc.

前記軌道と前記ボールとの間に前記ねじ軸の軸方回のガタを有することを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。The ball screw according to claim 1, wherein a backlash of the screw shaft is provided between the track and the ball.

前記ボールねじの予圧構造は、オーバーサイズボール予圧構造であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。The ball screw according to claim 1, wherein the preload structure of the ball screw is an oversized ball preload structure.