JP4459545B2 - Ball screw device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、測定機用の送り装置等に組み込まれるボールねじ装置のように、トルク変動やボールのつまりを嫌い、低トルクで優れた作動性を必要とする用途に好適なボールねじ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種のボールねじ装置としては、例えば図7に示すものが知られている。このボールねじ装置1は、外周面に螺旋状のねじ溝2を有するねじ軸3に、内周面にねじ溝2に対応する螺旋状のねじ溝4を有するナット6が螺合されている。
【0003】
ナット6のねじ溝4とねじ軸3のねじ溝2とは互いに対向して両者の間に螺旋状の負荷軌道を形成しており、該負荷軌道には転動体としての多数のボール5が転動可能に装填されている。そして、ねじ軸3(又はナット6)の回転により、ナット6(又はねじ軸3)がボール5の転動を介して軸方向に移動するようになっている。
【0004】
なお、図のようにボール循環式のボールねじ装置の場合は、例えばナット6の外周面の一部を平坦面にしてこの平坦面に両ねじ溝2,4に連通する2個一組の孔7をねじ軸3を跨ぐように形成し、この一組の孔7にボール循環部材の一例としての略コ字状の循環チューブ8の両端を嵌め込むことにより、両ねじ溝2,4間の負荷軌道に沿って公転するボール5を該負荷軌道の途中から循環チューブ8で掬い上げて元の負荷軌道に戻し、これにより、ボール5を無限循環させるようにしている。
【0005】
ところで、従来のボールねじ装置1においては、ねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4の溝形状は共に、ボール5に対して2点で接触するゴシックアーク形状(オフセットR)やボール5に対して1点で接触するサーキュラーアーク形状(単一R)となっている。
【0006】
図8は、ねじ軸3のねじ溝2の溝形状がゴシックアーク形状で、ナット6のねじ溝4の溝形状がゴシックアーク形状とされた最も一般的な例であり、この他に、図9に示すように、ねじ軸3のねじ溝2の溝形状がゴシックアーク形状で、ナット6のねじ溝4の溝形状がサーキュラーアーク形状とされたものや、図10に示すように、ねじ軸3のねじ溝2の溝形状がサーキュラーアーク形状で、ナット6のねじ溝4の溝形状がゴシックアーク形状とされたものや、図11に示すように、ねじ軸3のねじ溝2の溝形状がサーキュラーアーク形状で、ナット6のねじ溝4の溝形状がサーキュラーアーク形状とされたもの等が例として挙げられる。
【0007】
そして、いずれのねじ溝形状の場合も、ボール直径をDw、ねじ溝の溝直角断面における溝半径をRとすると、その比R/Dwは、概ね0.50<R/Dw≦0.70の範囲で設定されているのが一般的である。
R/Dwをこのような範囲に設定するのは、ねじ溝2,4のボール5との接触面をボール5の外形形状に近い凹面とすることによって、ボール5とねじ溝2,4との接触面積(接触楕円)を大きくして接触面圧を下げ、ボールねじ装置の剛性や負荷容量を高めるためである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、すべり軸受では、摩擦をひとつの仕事と考えた場合の圧力Pとすべり速度Vとの積であるPV値が負荷容量(耐久性)の目安となっており、PV値が高ければ、摩耗は促進し、低ければ摩耗はしにくくなるといわれている。
従って、ボールねじ装置に関しては、ねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4をボール5の外形形状に近い凹面形状としてねじ溝2,4とボール5とを面接触に近づけることによって接触面圧Pを下げ、剛性や負荷容量を上げる効果はあるが、裏を返せば、ねじ溝2,4とボール5とが点接触ではないため、接触面内では微小すべりVも存在していることになる。特にボールねじ装置の場合は、転がり軸受と違ってリードによる捩じれがあることから、このすべり成分Vが必然的に大きくなることもあり、このことが純粋な転がり摩擦ではないボールねじ装置特有のすべり摩擦を生み出し、低トルクで優れた作動性を得るには限界がある。
【0009】
また、ねじ溝2,4の溝半径Rがボール5の半径に近くなるほど、ねじ溝2,4の加工誤差よるボール5の接触角の変化が敏感になり、安定した接触角を得ることが難しくなってくる。すなわち、ねじ溝2,4の加工誤差によってボール5の接触角にばらつきが生じることになる。
更に、ねじ溝2,4の溝形状を共にゴシックアーク形状として4点接触を狙ったとしても、加工誤差により2点、3点接触のボール5が存在してしまうといったように、安定したボール5の接触状態が得られなくなることがあり、特に、ボールねじ装置に積極的に予圧を与えない仕様(低トルク、低予圧)の場合には、前記加工誤差の影響が強くなる。
【0010】
ボールねじ装置のナット6内におけるボール5の運動状態(自転・公転)は、ボール5の接触角や接触状態に影響を受けるので、1つのナット6内でボール5の接触角や接触状態が変化すると、個々のボール5の運動状態(ボールの自転数、公転速度)にばらつきが発生し、ボール5のつまりやトルク変動となってボールねじ装置の作動性に悪影響を与える要因となる。
【0011】
更に、ねじ溝2,4の溝形状をサーキュラーアーク形状とした場合には、外部荷重や初期すきまによってボール5の接触角が大きく変化してしまうので、低トルクで優れた作動性を安定して得るための溝形状としては不向きである。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、トルク変動やボールのつまりがなく、低トルクで優れた作動性を安定して得ることができるボールねじ装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応するねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に形成される負荷軌道に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、前記ボールの直径をDw、前記ねじ軸のねじ溝及び前記ナットのねじ溝の溝直角断面における溝半径をRとしたとき、前記両ねじ溝の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つ前記ねじ軸及び前記ナットの内の少なくとも一方のねじ溝が0.70<R/Dw≦1.0の関係を満足することを特徴とする。
【0013】
この発明のボールねじ装置の好ましい形態としては、前記両ねじ溝の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つ前記ねじ軸及び前記ナットの内の少なくとも一方のねじ溝が0.80≦R/Dw≦1.0の関係を満足するものが挙げられる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図、図2は本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図、図3は本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図、図4〜図6はPV値及びトルクとR/Dwとの関係を示すグラフ図、なお、各実施の形態共に、ボールねじ装置の基本的構成については図7で説明した従来のボールねじ装置を採用して相違点についてのみ説明し、また、重複する部分については各図に同一符号を付してその説明を省略する。
【0015】
本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置は、図1に示すように、ボール5の直径をDw、ねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4の溝直角断面における溝半径をRとしたとき、前記両ねじ溝2,4の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つねじ軸3のねじ溝2がR/Dw>0.70の関係を満足する溝形状とされている。
【0016】
このようにこの実施の形態では、R/Dwを意図的に大きくしてねじ軸3のねじ溝2面を平面に近づけることで、ボール5とねじ溝2との接触面圧Pは増加してもすべり成分Vが減少するので、PV値としては低くなり、これにより、トルク変動やボールのつまりがなく、低トルクで優れた作動性を安定して得ることができる。
【0017】
なお、図1では、便宜上、分かりやすくするためにねじ溝2の溝形状をV溝としている。究極的にはボール5が接触するねじ溝面が平面となるR/Dw=∞(溝形状としてはV溝で本発明ではこれもゴシックアーク溝に含む)であるが、実用的には、R/Dw>0.70であれば、その効果は十分に得られることを確認した。
【0018】
また、溝半径Rが大きくなるほどねじ溝2の加工誤差の影響を受けにくくなり、安定したボール5の接触角、接触状態を得ることができ、ボール5の運動状態のばらつきも少なくなる。更に、ねじ溝形状がV溝であれば、ボール5の接触角は一定である。
次に、図2及び図3を参照して、本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置を説明する。なお、作用効果については、上記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。
【0019】
図2に示す実施の形態では、ボール5の直径をDw、ねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4の溝直角断面における溝半径をRとしたとき、前記両ねじ溝2,4の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つナット6のねじ溝4がR/Dw>0.70(図2では、上記同様に、便宜上、分かりやすくするためにR/Dw=∞としてねじ溝4の溝形状をV溝としている)の関係を満足する溝形状とされている。
【0020】
図3に示す実施の形態では、ボール5の直径をDw、ねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4の溝直角断面における溝半径をRとしたとき、前記両ねじ溝2,4の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4が共にR/Dw>0.70(図3では、上記同様に、便宜上、分かりやすくするためにR/Dw=∞としてねじ溝2,4の溝形状をV溝としている)の関係を満足する溝形状とされている。
【0021】
【実施例】
R/Dwが変化した場合の、4点接触(ねじ軸のねじ溝:2点接触、ナットのねじ溝:2点接触)の各接触部における最大PV値の総和(ΣPVmax )と、摩擦トルクの計算結果を図4〜図6に示す。
【0022】
図4は、ナット6のねじ溝4をゴシックアーク形状としてR/Dw=0.54と一定とし、ねじ軸3のねじ溝2をゴシックアーク形状としてR/Dwを0.54〜1.5まで変化させた場合(図1相当)、図5は、ねじ軸3のねじ溝2をゴシックアーク形状としてR/Dw=0.54と一定とし、ナット6のねじ溝4をゴシックアーク形状としてR/Dw=0.54〜1.5まで変化させた場合(図2相当)、図6は、ねじ軸3のねじ溝2及びナット6のねじ溝4をゴシックアーク形状とし、R/Dwを共に0.54〜1.5まで変化させた場合(図3相当)である。なお、各図は、R/Dwを横軸、ΣPVmax を左縦軸、摩擦トルクを右縦軸に示している。また、ねじ溝の形状以外は同一仕様のボールねじ装置を用いた。ボールねじ装置の仕様を次に示す。
【0023】
(ボールねじ装置の仕様)
軸径25mm×リード6−2.5巻1列、ボール径Dw=3.968mm
総ボール
予圧荷重Fa0=500N、予圧方式=4点接触オーバーサイズボール予圧
外部荷重=無し、潤滑剤=メカニックオイルVG68、軸回転−ナット移動、
回転速度=100min-1
図4〜図6から明らかなように、いずれの場合も、R/Dwが大きくなることで、予圧荷重が一定でもPV値、摩擦トルク共に低下させることが可能となり、また、その低下の割合もR/Dw>0.70で緩やかになってくることが判る。さらに、R/Dw≧0.8で、PV値、摩擦トルク共、その低下がほぼ飽和し、R/Dw≧1.0でその低下がさらに飽和状態となることが判る。
【0024】
なお、本発明のボールねじ装置は上記各実施の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において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、循環チューブ式のボールねじ装置に本発明を適用した場合を例に採ったが、これに代えて、エンドキャップ式やこま式のボールねじ装置に本発明を適用してもよく、更に、非循環式のボールねじ装置に本発明を適用してもよい。
【0025】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、R/Dwを意図的に大きくしてねじ溝面を平面に近づけることで、ボールとねじ溝との接触面圧が増加してもすべり成分を減少させてPV値を低くしているので、トルク変動やボールのつまりがなく、低トルクで優れた作動性を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図2】本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図3】本発明の他の実施の形態であるボールねじ装置のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図4】PV値及びトルクとR/Dwとの関係を示すグラフ図である。
【図5】PV値及びトルクとR/Dwとの関係を示すグラフ図である。
【図6】PV値及びトルクとR/Dwとの関係を示すグラフ図である。
【図7】ボールねじ装置の一例を示す断面図である。
【図8】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図9】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図10】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【図11】従来のねじ軸及びナットのねじ溝形状を示す説明図である。
【符号の説明】
2…ねじ溝(ねじ軸側)
3…ねじ軸
4…ねじ溝(ナット側)
5…ボール
6…ナット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, for example, a ball screw device that is suitable for an application that requires excellent operability at low torque, such as a ball screw device incorporated in a feeding device for a measuring machine, that does not like torque fluctuation or ball clogging. About.
[0002]
[Prior art]
As a conventional ball screw device of this type, for example, the one shown in FIG. 7 is known. In this ball screw device 1, a
[0003]
The
[0004]
As shown in the figure, in the case of a ball circulation type ball screw device, for example, a part of the outer peripheral surface of the
[0005]
By the way, in the conventional ball screw device 1, the groove shape of the
[0006]
FIG. 8 shows the most general example in which the groove shape of the
[0007]
In any screw groove shape, if the ball diameter is Dw and the groove radius in the cross section perpendicular to the screw groove is R, the ratio R / Dw is approximately 0.50 <R / Dw ≦ 0.70. Generally it is set by the range.
R / Dw is set in such a range by making the contact surface of the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a sliding bearing, the PV value, which is the product of the pressure P and the sliding speed V when friction is considered as one work, is a measure of the load capacity (durability). It is said that it promotes, and if it is low, it is difficult to wear.
Therefore, with respect to the ball screw device, the
[0009]
Further, as the groove radius R of the
Furthermore, even if the groove shapes of the
[0010]
Since the movement state (spinning / revolution) of the
[0011]
Further, when the groove shape of the
The present invention has been made to eliminate such inconveniences, and provides a ball screw device that can stably obtain excellent operability at low torque without torque fluctuation or ball clogging. Objective.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a screw shaft having a helical thread groove on an outer peripheral surface, and a thread groove corresponding to the screw groove of the screw shaft on the inner peripheral surface. A ball screw device comprising: a nut screwed to a screw shaft; and a plurality of balls loaded so as to be able to roll on a load track formed between the two screw grooves, wherein the diameter of the ball is Dw, the screw When the groove radius in the cross section perpendicular to the groove of the shaft and the screw groove of the nut is R, the groove shapes of both the screw grooves are both Gothic arc shapes, and at least one of the screw shaft and the nut The screw groove satisfies the relationship of 0.70 <R / Dw ≦ 1.0 .
[0013]
As a preferred form of the ball screw device according to the present invention, the groove shapes of both the screw grooves are both Gothic arc shapes, and at least one of the screw shaft and the nut is 0.80 ≦ R / Dw. Those satisfying the relation of ≦ 1.0 .
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a screw shaft of a ball screw device as an example of an embodiment of the present invention and a thread groove shape of a nut, and FIG. 2 is a screw shaft of a ball screw device according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is an explanatory view showing a screw groove shape of a nut, FIG. 3 is an explanatory view showing a screw shaft shape and a screw groove shape of a nut of a ball screw device according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 4 to 6 are PV values and torques. FIG. 7 is a graph showing the relationship between R and D / Dw, and in each of the embodiments, the basic configuration of the ball screw device is explained using only the conventional ball screw device described in FIG. In addition, the same reference numerals are assigned to the overlapping portions, and the description thereof is omitted.
[0015]
As shown in FIG. 1, a ball screw device as an example of an embodiment of the present invention has a diameter of a
[0016]
Thus, in this embodiment, the contact surface pressure P between the
[0017]
In FIG. 1, for the sake of convenience, the groove shape of the
[0018]
Further, as the groove radius R increases, it becomes less susceptible to the processing error of the
Next, with reference to FIG.2 and FIG.3, the ball screw apparatus which is other embodiment of this invention is demonstrated. In addition, about an effect, since it is substantially the same as the said embodiment, description is abbreviate | omitted.
[0019]
In the embodiment shown in FIG. 2, when the diameter of the
[0020]
In the embodiment shown in FIG. 3, when the diameter of the
[0021]
【Example】
When R / Dw changes, the sum of the maximum PV values (ΣPVmax) at each contact part of four-point contact (screw shaft screw groove: two-point contact, nut screw groove: two-point contact) and friction torque The calculation results are shown in FIGS.
[0022]
FIG. 4 shows that the
[0023]
(Specifications of ball screw device)
Shaft diameter 25 mm x lead 6-2.5 turns per row, ball diameter Dw = 3.968 mm
Total ball preload load Fa0 = 500N, preload system = 4-point contact oversize ball preload external load = none, lubricant = mechanical oil VG68, shaft rotation-nut movement,
Rotation speed = 100min-1
As is clear from FIGS. 4 to 6, in any case, the R / Dw increases, so that both the PV value and the friction torque can be reduced even when the preload is constant, and the rate of the decrease is also high. It turns out that it becomes loose when R / Dw> 0.70. Further, it can be seen that when R / Dw ≧ 0.8, the decrease of both the PV value and the friction torque is almost saturated, and when R / Dw ≧ 1.0, the decrease is further saturated.
[0024]
The ball screw device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a circulation tube type ball screw device is taken as an example. Instead, the present invention is applied to an end cap type or top type ball screw device. In addition, the present invention may be applied to a non-circulating ball screw device.
[0025]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, slippage is increased even if the contact surface pressure between the ball and the screw groove increases by intentionally increasing R / Dw to bring the screw groove surface closer to a flat surface. Since the PV value is lowered by reducing the components, there is no torque fluctuation or clogging of the ball, and excellent operability can be stably obtained with low torque.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing a thread groove shape of a screw shaft and a nut of a ball screw device as an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing screw groove shapes of a screw shaft and a nut of a ball screw device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing a thread groove shape of a screw shaft and a nut of a ball screw device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between PV value and torque and R / Dw.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between PV value and torque and R / Dw.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between PV value and torque and R / Dw.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a ball screw device.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a conventional screw shaft and a thread groove shape of a nut.
FIG. 9 is an explanatory view showing a conventional screw shaft and a thread groove shape of a nut.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a conventional screw shaft and a thread groove shape of a nut.
FIG. 11 is an explanatory view showing a conventional screw shaft and a thread groove shape of a nut.
[Explanation of symbols]
2 ... Thread groove (screw shaft side)
3 ...
5 ...
Claims (1)
前記ボールの直径をDw、前記ねじ軸のねじ溝及び前記ナットのねじ溝の溝直角断面における溝半径をRとしたとき、前記両ねじ溝の溝形状が共にゴシックアーク形状とされ、且つ前記ねじ軸及び前記ナットの内の少なくとも一方のねじ溝が0.70<R/Dw≦1.0の関係を満足することを特徴とするボールねじ装置。A screw shaft having a helical thread groove on the outer peripheral surface, a nut having a thread groove corresponding to the screw groove of the screw shaft on the inner peripheral surface and screwed to the screw shaft, and the two screw grooves A ball screw device comprising a number of balls rotatably mounted on a formed load track,
When the diameter of the ball is Dw, and the groove radius in the cross section perpendicular to the groove of the screw shaft and the screw groove of the nut is R, the groove shapes of both the screw grooves are both Gothic arc shapes, and the screw A ball screw device, wherein a thread groove of at least one of the shaft and the nut satisfies a relationship of 0.70 <R / Dw ≦ 1.0 .
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