JP2008256051A - 樹脂製ナット、および、すべりねじ装置 - Google Patents
樹脂製ナット、および、すべりねじ装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】ねじ軸1に螺合され、ねじ軸1と軸方向に相対移動する樹脂製ナット3であって、該樹脂製ナットを形成する樹脂材料の熱膨張係数が、ナットの軸方向断面においてナットに荷重を加えたときのナットとねじ軸との接触面における軸方向の接触圧力分布を略均一とできる値であり、上記接触圧力分布は、ナットの二次元軸対称モデルを用いて有限要素法による伝熱−構造連成解析により求めたものであり、上記接触圧力分布における接触圧力の最大値が 12 MPa 未満である。
【選択図】図1
Description
すべりねじ装置2は、ねじ軸1と、このねじ軸1のねじ溝に螺合し、このねじ軸上を摺動しながら移動する樹脂製ナット3とから構成され、ねじ軸1の回転運動が樹脂製ナット3の直線運動に変換される。その他に、樹脂製ナット3を同じ位置で回転させることによりねじ軸1に直線運動を付与する使い方もできる。樹脂製ナット3は、樹脂組成物を射出成形等することで成型される。
樹脂製ナット3の内径面の雌ねじ3aは射出成形時の金型によって形成される。また、雌ねじ3aは射出成形後に機械加工で形成することもでき、ねじ山の形状は特に限定されず、台形、ゴシックアーク、三角、矩形等いずれの形状であってもよい。
本発明において接触圧力分布とは、樹脂製ナット3の任意の軸方向断面において、ピッチ数と同数だけある摩擦接触面の接触圧力(ピーク値)を軸方向に見た分布であり、該接触圧力分布が略均一であるとは、この各接触面における接触圧力(ピーク値)の分布の偏りが小さく略均一であることをいう。
また、本発明における上記略均一とは、接触圧力分布において、各接触面における接触圧力(ピーク値)の最小値(非接触を除く)と最大値との比が 10 以下であることをいう。
このような熱膨張係数の範囲としては、(1)軸方向(6.0〜6.5)×10-5/℃ かつ径方向(5.0〜7.0)×10-5/℃、(2)軸方向(4.0〜6.5)×10-5/℃ かつ径方向(7.0〜11.0)×10-5/℃、(3)軸方向(4.0〜7.0)×10-5/℃ かつ径方向(11.0〜20.0)×10-5/℃である。樹脂材料において、軸方向および径方向の熱膨張係数が上記(1)〜(3)の範囲をはずれた値となると、接触圧力分布が偏り、接触圧力の最大値が 12 MPa 以上となる。
ナット製造時には、樹脂の選定および添加材を配合することで、熱膨張係数の調整を行なう。
図3に示すような二次元軸対称(図中y軸で対称)のモデルを用いて解析を行なった。該簡略化モデルとしたのは、ナット構造がほぼ軸対称であることと、計算時間を短縮できるためである。簡略化しているため若干実際とは異なる構造部分があるが、全体の構造の中で大きな影響を及ぼす要素であるとは考え難い。また、実際は回転することで接触面に摩擦発熱が生じるのであるが、モデルが二次元のため、回転が考慮できない。そこで、摩擦面については、回転の摩擦によって起こる摩擦熱を算出し、接触面に熱流束という形で熱の供給を設定することで解析を行なった。
よって、本発明では有限要素法による解析において、まず、伝熱解析によりねじ軸とナットとの摺動時におけるナット内部等の温度分布を求めた後、構造解析により該温度に起因する温度荷重と、所定の負荷荷重とから接触圧力分布を求める、熱の影響を考慮した伝熱−構造連成解析を行なっている。
以上の解析では、実際にナットがねじ軸を摺動することを想定した解析ができない静的状態での解析となっている。このため、摩擦面に摩擦発熱を与えるのであるが、そのまま解析を行なうと、ねじ軸の固定された位置でナットが摺動しているような条件の解析になる。よって、モデル中、ナットとねじ軸の動かない接触部のみが温度上昇し続け、摩擦面からの熱流入と、熱伝達面からの熱流出が平衡状態となったときに結果として得られる温度分布は、一部のみが実際の温度よりも随分と高い値となってしまう。一方、実機等によれば、ある一定距離以上すべりねじ装置のナットを摺動移動させると、熱流入と熱流出が平衡と考えられる状態となり、ナット、ねじ軸ともに温度が収束する。また、構造解析においてもこの温度平衡状態でのナットとねじ軸の温度分布を利用する。
よって、伝熱解析手順としては、まずねじ軸の温度を導き、その後ねじ軸の温度も用いてナットの温度分布を求める。
次に構造解析では、以上の伝熱解析の結果の温度分布と、その他負荷等の諸条件を拘束条件として入力して解析を行なう。条件設定を図4に示す
(1)まず伝熱解析より得られたねじ軸とナットの温度分布を、構造解析の条件設定として読み込み、温度拘束条件としてモデルに負荷する。
(2)摩擦によって生じる熱のほかに、移動テーブル等の被駆動体により負荷荷重が加わるため、(1)の温度荷重に加えて、図4に示すようにナットのフランジ部に面圧荷重として負荷する。
(3)以上の二つの荷重を入力し、剛体運動が起こらないように、ねじ軸下部に拘束条件を加えて解析を実行する。結果としては、温度分布による材質の熱膨張による影響と、面圧荷重による影響が組み合わされた構造上の変化を観察できる。
ねじ軸は、オーステナイト系ステンレス鋼SUS303を材質とするステンレス 30 度台形ねじであり、山径が 12.0mm 、谷径が 9.5mm、 ピッチが 2.0mmのものを用いた。
樹脂製ナットはPPS樹脂を材質とし、谷径が12.5mm、山径が 10.0mm、ピッチが 2mmのものを用いた。ナットの移動ストロークは300mmである。外形寸法は、図5に示す形状で解析を行なった。ねじ軸との接触部の形態は、ねじ軸と同じで、成形に容易な30度台形ねじである。SUS303、PPS樹脂の物性値を下記表1に示す。なお、該解析ではヤング率の温度依存性を考慮した。
また伝熱解析では、上記各材質の物性値等の他に技術的係数として、それぞれの材質と雰囲気流体との間の熱の受け渡しの大きさを表す値として熱伝達率を入力する必要がある。この値に関しては、明確なものが得られておらず、暫定的な値を入力した。固体表面と自然対流の空気の間の熱伝達率がおよそ 100〜101強 W/m2/K であるので、SUSと空気間は 15 W/m2/K で与えた。PPSと空気間の値については、SUSと空気間のそれよりは小さい値であろうと考え、PPSと空気間は 5 W/m2/K で与えた。
伝熱解析で使用した設定値を下記表2に示す。
図6では接触圧力分布をナット上部から溝に沿って座標軸(x軸)をとり、その座標に沿った圧力を示したもの(y軸)を示す。図6においてx軸は、溝に沿った距離を1ピッチ分の距離で割ってあるため、1ピッチで1増加する表記になっている。また、解析条件のナットは、図6に示すように12ピッチ存在するため、接触圧力のピークも12箇所存在することになる。
図6に示すように、表1に示す熱膨張係数(軸方向および径方向)の場合では、接触圧力の最小値(非接触除く)と最大値との比が 10 以下で略均一化できており、最大接触圧力も 12MPa 未満とできることが分かる。
本発明の樹脂製ナットでは、上記解析に基づきナット材質の熱膨張係数を、上記(1)〜(3)の範囲内とすることで接触圧力分布を略均一化させるとともに最大接触圧力を低減させ、すべりねじ装置の耐荷重の上限の引き上げ、および高面圧条件下での長寿命化を図っている。
2 すべりねじ装置
3 樹脂製ナット
4 フランジ
Claims (6)
- ねじ軸に螺合され、ねじ軸と軸方向に相対移動する樹脂製ナットであって、
該樹脂製ナットを形成する樹脂材料の熱膨張係数が、前記樹脂製ナットの軸方向断面において、該樹脂製ナットに荷重を加えたときの該樹脂製ナットと前記ねじ軸との接触面における軸方向の接触圧力分布を略均一とできる値であり、
前記接触圧力は、前記樹脂製ナットの二次元軸対称モデルを用いて有限要素法による解析により求めたものであることを特徴とする樹脂製ナット。 - 前記有限要素法による解析は、前記ねじ軸と前記樹脂製ナットとの摺動時における前記ねじ軸と樹脂製ナット内部の温度分布を求めた後、該温度分布と、所定の負荷荷重とを拘束条件として前記接触圧力の解析を行なう伝熱−構造連成解析であることを特徴とする請求項1記載の樹脂製ナット。
- 前記接触圧力分布における接触圧力の最大値が 12 MPa 未満であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の樹脂製ナット。
- 前記樹脂製ナットを形成する樹脂材料の熱膨張係数が、軸方向(6.0〜6.5)×10-5/℃ かつ径方向(5.0〜7.0)×10-5/℃、または、軸方向(4.0〜6.5)×10-5/℃ かつ径方向(7.0〜11.0)×10-5/℃、または、軸方向(4.0〜7.0)×10-5/℃ かつ径方向(11.0〜20.0)×10-5/℃の範囲内であることを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の樹脂製ナット。
- 前記樹脂製ナットは、フランジが形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項記載の樹脂製ナット。
- ねじ軸にナットを螺合して、ナットをねじ軸と軸方向に相対移動させるすべりねじ装置であって、前記ナットが請求項1ないし請求項5のいずれか一項記載の樹脂製ナットであることを特徴とするすべりねじ装置。
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