JP5403572B2 - 回転運動を直線運動に変換するための伝動装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転運動を直線運動に変換するための伝動装置であって、ねじ山付スピンドルが設けられており、少なくとも１つの転がり軸受が設けられており、軸受ケーシングが設けられており、ねじ山付スピンドルに対して偏心的で軸平行に支承された、少なくとも１つのねじ条を有するナットが設けられており、ナットのねじ条が、リードを有しておらず、かつねじ山付スピンドルのねじの谷に少なくとも部分的に係合するようになっている形式のものに関する。

回転運動を直線運動に変換するための伝動装置は、専門用語で、ねじ伝動装置、転がりねじ伝動装置（Waelzschraubgetriebe）または転がりリングスピンドル伝動装置（Waelzringspindelgetriebe）と呼ばれる。このような伝動装置は、多くの場合２つまたは３つ以上の転がり軸受と、転がり軸受に対応する転がり軸受収容部とを備えている。

従来技術から、たとえば欧州特許公開第０１２２５９６号明細書に基づいて転がりリングスピンドル伝動装置が公知であり、転がりリングスピンドル伝動装置は、作業スピンドルと転がり軸受と出力ケーシングとから成っている。ねじ山付スピンドルと出力ケーシングとの間の伝達部材として、転がり軸受が役立つ。さらに転がりリングスピンドル伝動装置は、転がりリングを備えており、転がりリングは、ねじ山付スピンドルのねじの谷に係合する。その特別な構成によれば、転がり軸受は、ねじ山付スピンドルの縦軸線に対して偏心的に配置されており、この場合転がり軸受の中心軸線は、ねじ山付スピンドルの縦軸線に対して傾斜している。さらに出力ケーシングの内側で、転がり軸受を収容する転がり軸受収容体が配置されているので、伝達しようとする軸方向力は、ねじ山付スピンドルから転がり軸受を介して転がり軸受収容体に伝達され、そのあとでケーシングに伝達される。転がり軸受収容体も同様にねじ山付スピンドルの縦軸線に対して回転対象的に配置されている。この場合転がりリングは、半円形にカーブしたプロフィール（成形横断面）を有しており、プロフィールは、ねじ山付スピンドルのねじ山の、適当に成形されたプロフィールと合致し、したがってねじ山付スピンドルのねじの谷において転動過程を実現することができる。効率を改善するため、またこれに伴って摩擦損失を減少するために、ねじ山付スピンドルに係合する転がりリングのねじの谷も、ねじ山付スピンドルのねじの谷も、極率半径を有しており、この場合ねじ山付スピンドルのねじの谷に係合する転がりリングの極率半径は、ねじの谷の極率半径に応じて選択される。しかしこのような極率半径の製作は極めてコストおよび時間の嵩むものである。

ねじ山付きスピンドルを支承して、半径方向力を吸収するために、転がり軸受収容体の端部の両側に転がり軸受が設けられている。転がりリングに軸方向および半径方向で作用する力は、転がりリングの周と出力ケーシングとの間に挿入された軸受、この場合玉軸受として形成されたスラスト軸受によって吸収される。転がりリングの支承は、少なくとも１つの溝玉軸受（Rillenkugellager）によって実現される。なぜならば溝玉軸受は、軸方向力ならびに半径方向力を吸収するのに適しているからである。

ねじ山付きスピンドルとナットとの間で特に小さな遊びを有するこのような構造形式の伝動装置を実現しようとする場合、ねじ山付きスピンドルの両方の回動方向に関する十分な程度の遊びのなさが保証されるよう留意する必要がある。このことは２つまたは３つ以上の転がり軸受が設けられている場合、特に良好に実現することができる。

もちろんこのような伝動装置では、力伝達箇所および軸受け箇所における支承による摩擦損失が生じるので、機械効率は、ねじ山付きスピンドルの回転運動をナットの直線運動に変換する際に残しておくのが望ましい。
欧州特許公開第０１２２５９６号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の、回転運動を直線運動に変換するための伝動装置を改良して、効率の改善された、同時に安価に製作できるものを提供することである。

この課題を解決するための本発明の装置によれば、回転運動を直線運動に変換するための伝動装置であって、ねじ山付スピンドルが設けられており、少なくとも１つの支持軸受が設けられており、軸受ケーシングが設けられており、ねじ山付スピンドルに対して軸平行に支承されたナットが設けられており、ナットの軸線とねじ山付スピンドルの軸線とが、互いに偏心率を有しており、ナットが、少なくとも１つのねじ条を備えており、ナットのねじ条が、リードを有しておらず、かつねじ山付スピンドルのねじの谷に少なくとも部分的に係合するようになっている形式のものにおいて、ナットのねじ山のフランク角が、実質的にねじ山付スピンドルのねじ山のフランク角に相当しており、ねじ山フランクが、少なくとも軸方向力を伝達する側で、実質的に真っ直ぐに延びている。

有利には、ナットが、溝と呼ばれる複数のねじ条を備えている。

有利には、ナットの連続する溝の間の間隔が、ねじ山付スピンドルのねじ山リードに相当する。

有利には、軸線が、空間内で互いに平行に延びている。

有利には、ナットの支承が、少なくとも１つのラジアルニードル軸受によって行われるようになっている。

有利には、ナットの支承が、両側でナットの端面に設けられた、スラストニードル軸受として形成された転がり軸受によって行われるようになっている。

有利には、ナットの軸方向の支承が、滑り軸受によって行われるようになっている。

有利には、滑り軸受が、ナットとケーシングとの間の三日月形の接触領域によって形成されている。

本願発明の構成によれば、伝動装置が、少なくとも１つの転がり軸受と、軸受ケーシングと、ねじ山付きスピンドルに対して軸平行で偏心的に支承された、少なくとも１つのねじ条を有するナットとから成っている。ナットのねじ条は、リードを有しておらず、かつねじ山付きスピンドルのねじの谷に少なくとも部分的に係合する。この場合ねじ山付きスピンドルのねじ山フランクもナットのねじ山フランクも同じフランク角を有していて、かつ少なくとも軸方向力を伝達する側でカーブしていない。

別の有利な実施形態では、ナットが、溝と呼ばれる複数のねじ条を有しており、この場合連続する２つの溝の間隔は、ねじ山付きスピンドルのねじ山リードに相当する。したがって両方のフランクの相互的な噛合または転動が可能であり、この場合互いにできるだけ大きな面が係合する。

さらに有利には、ねじ山付きスピンドルの軸線とナットの軸線とが、空間内で互いに平行に延びている。

特に有利には、ナットの支承が、少なくとも１つのラジアルニードル軸受によって行われるようになっている。転がり軸受の選択によって、所要構造スペースを大幅に低減することができる。

伝動装置の有利な実施形態によれば、ねじ山付きスピンドルが、ナットの端面の両側に配置された転がり軸受によって支承されるようになっている。この転がり軸受もまたスペース的な理由からスラストニードル軸受として形成することができる。

もちろん特に有利には、ナットおよびケーシングの、互いに偏心的に配置された円形リング状の端面の重畳によって生じ、かつ運転状態で周方向で移動する三日月形の接触領域を利用し、この接触領域を軸方向力の形成に関してナットを滑り支承するために用いることができる。このような理由から、軸方向力が存在しないので、残存する支承部を、適当に小さく寸法設定することができ、スラストニードル軸受は省略することができる。これによって伝動装置は、比較的小さく寸法設定することができ、ひいては比較的小さな工作機械に使用可能である。さらに製作コストを削減することもできる。

次に本発明の実施の形態を、図示の実施例を用いて詳しく説明する。

図１には、回転運動を直線運動に変換するための伝動装置の構造原理を断面図で示した。本発明による伝動装置は、たとえば１．５ｍｍの適当なねじ山ピッチｐ１を有するねじ山付スピンドル１を備えており、ねじ山付スピンドル１は、ナット２によって包囲されている。ここではナット２は、ねじ山付スピンドル１の外径よりも大きな適当な大きさの内径を有しており、かつこの実施例では、複数のねじ条（Gewindegang）１４（図３）を備えており、この場合各ねじ条１４はねじの山を有している。もちろん機能を満たすために、ナット２に、単に１つのねじ条１４を形成してもよい。ここで重要な点によれば、ねじ条１４はリードを有しておらず、これによってねじ条１４は溝（Rille；小溝）と記載することもできる。さらにナット２は、ねじ山付スピンドル１の軸線９に対して偏心的に配置されている。その軸線は、ねじ山付スピンドル１の軸線９に対して平行に延びていて、かつ軸線９に対して間隔を有しており、このことは図１の断面図から判るように、ナット２のプロフィール（成形部）、つまりねじの山は、ねじ山付スピンドル１の右側で、ねじ山付スピンドル１のねじ山プロフィール、ここではねじ底に接触し、左側では接触しない。ねじ山付スピンドル１のねじ底に対するナット２のねじの山の係合は、ねじ山付スピンドル１のプロフィールのフランク角とナット２のプロフィールのフランク角とが同じ場合にしか実現されない。軸線９を中心とするねじ山付スピンドル１の回動に基づいて、ナット２は、軸線１０を中心に回転する。なぜならばナット２は、ねじ山付スピンドル１の１周箇所で接触して、その周に沿って転動するからである。

このねじ山付スピンドル１のねじ山に沿った接触によって、ナット２は、ねじ山付スピンドル１の回動に対して追加的に、強制的に軸方向でも運動させられる。ナット２の外側表面に、支持軸受１１が内輪３で被せ嵌められている。内輪３と外輪４との間に、転動体５が設けられている。さらに支持軸受１１の外輪４は、軸受ケーシング６と結合されており、軸受ケーシング６は、２つのラジアル軸受７によってねじ山付スピンドル１に支持されている。

ねじ山付スピンドル１が回動させられると、ナット２は、ねじ山付スピンドル１のねじ山のフランクとナット２のねじ山のフランクとの接触による摩擦接続に基づいて共に回動させられる。したがってねじ山付スピンドル１のリードｐ１は、ナット２の軸方向運動を生ぜしめ、ここではねじ山付スピンドル１の１回動で１．５ｍｍである。この場合導入される軸方向力は、ねじの山を介してナット２とねじ山付スピンドル１との接触箇所で支持され、これによって導入される軸方向力は、半径方向の成分を有し、半径方向の成分は、ねじ山付スピンドル１の支承部によって吸収する必要がある。

もちろんねじ山付スピンドル１の代わりに、支持軸受１１の外輪４もまた同様に良好に軸線１０を中心に回動させることができる。この場合角度によって形成される両方の山の最深位の係合点が、ねじ山付スピンドル１の周りを移動する。これによって結果として生じる半径方向の支持力も同様に周方向で移動する。この力を支持するために、ねじ山付スピンドル１の軸線９はガイドする必要がある。このためにねじ山付スピンドル１は、ラジアル軸受７にガイドされる。

図２には、図１に示した本発明による伝動装置の構造を斜視図で示した。ここではねじ山付スピンドル１に沿って配置された軸受ケーシングを看取することができる。

図３には、図１に示した軸線９の左側を断面図で示しており、ここではねじ山付スピンドル１およびナット２の両方のねじ山フランク１２，１３は、互いに接触していない。図３には、理解を深めるために、関係する両方の構成部材のプロフィールは、拡大して示しているので、ねじ山付スピンドル１およびナット２のねじ山フランク１２，１３のフランク角α，βならびにナット２の溝間隔ｐ２およびねじ山付スピンドル１のリードｐ１がはっきりと看取される。

図４のａに示したように、接触し合う構成部材に対して垂直方向で、構成部材を通って、ねじ山付スピンドル１の中心点を通って延びる断面２４を置いて、断面２４を、後続の図４のｂ〜ｄにおいて時計回り方向で動かして示すと、ねじ山付スピンドル１（実線）とナット２（破線）との間の面接触がはっきりと看取される。図４には、それぞれねじ山付スピンドル１の外径を１ａで、コア直径を１ｂで示し、ナット２の外径を２ａで、コア直径を２ｂで示した。

各図面の右半部には断面２４を平面図で示しており、左半部にはねじ山付スピンドル１の軸線１ｃの両側で両方の構成部材の接触点もしくは接触面が看取される。断面２４は、図４のａでは０°の角度で位置する。断面２４は、図４のｂでは４５度の角度で位置し、図４のｃでは９０°の角度で、また図４のｄでは１３５°の角度で位置する。図４のｃから判るように、一方では、軸線１ｃに関するねじ山付スピンドル１およびナット２の半径は同じであり、また他方では、軸線１ｃの下方でねじ山付スピンドル１の右側のフランクの面は、ナット２のフランクの面に接触する。これに対して上半部では、このような接触が逆になっているので、ねじ山付スピンドル１の左側のフランクは、ナット２の右側のフランクと接触する。図４のｂから判るように、軸線１ｃの上方および下方でねじ山付スピンドル１のフランクとナット２のフランクとにおける接触は再び変化されるので、この図４のｂでは、軸方向力だけを軸線１ｃの下方におけるねじ山付スピンドル１とナット２との面接触に基づいて伝達することができる。図４のｄでは、面接触は、軸線１ｃに関して逆になるので、力伝達は、専ら軸線１ｃの上方におけるねじ山付スピンドル１とナット２との面接触によって実現されている。

回転運動を形成するために多くの場合電動モータが用いられるので、図５に示したように、モータの可動子としての回転子に伝動装置を組み込むと多くの場合有利である。電動モータ２３の、ねじ山付スピンドル１に対して同軸的に配置された回転子１９は、内径で、偏心的な孔を備えており、偏心孔にはナット２が支承されている。したがって外部で回転式に取り付けられたねじ山付スピンドル１は、ねじ山付スピンドル１に対して偏心的に支承されたナット２によって包囲される。図１に記載したナット２の支承とは異なって、ナット２は、本実施例では、ラジアルニードル軸受１５に受容され、このことは半径方向の寸法の減少に基づいて、同様に所要構造スペースの減少につながり、電動モータ２３へのコンパクトな組込が許容される。このためにラジアルニードル軸受１５は、生じる半径方向力を吸収して、モータ回転子１９の回動をナットの回動から分離するのに役立つ。ねじ山付スピンドル１の軸方向力を吸収するために、ナット２の両方の端面側に、スラストニードル軸受１６が、転がり軸受として設けられている。この軸方向力は、電動モータ２３のモータ回転子１９に導入されて、モータ回転子１９から再び回転子軸受１８を介して電動モータ２３のケーシング１７に伝達される。この場合スラストニードル軸受１６も、同様に転がり軸受であるロータ軸受１８もまた、全ての軸方向力を伝達し、伝達方向は矢印で示した。

図６には、電動モータ２３に挿入された、図４に示した本発明による伝動装置を示した。この場合ナット２、ラジアルニードル軸受１５、ねじ山付スピンドル１、モータ回転子１９および電動モータ２３のケーシング１７は、原則として同じ箇所に配置されている。もちろんこの実施例では、図５の実施例に対して異なるナット２の軸方向の支承が設けられている。したがってねじ山付スピンドル１を通ってナット２に導入される軸方向成分は、転がり軸受１６を介して回転子１９に導入され、回転子１９から回転子軸受１８を介してケーシング１７に導入されるのではなく、専ら滑り軸受を介して直接的にケーシング１７に導入される。滑り軸受は、ナット２とケーシング１７との間の、三日月形の接触領域２０によって得られる。理解を深めるために、区分Ａについて図７で後述する。このために回転子軸受２１，２２は、軸方向力が生じないので、適当に小さく寸法設定することができ、両方のスラストニードル軸受１６は省略することができる。このような支承形態の結果として、伝動装置は比較的小さく寸法設定することができ、ひいては比較的小さな構造スペースに使用可能であり、しかも製造コストを削減することもできる。

図７には、図６に示した、接触領域２０に形成された滑り軸受面を示した。滑り軸受面はハッチングして示した。選択された各直径もしくはナット２の内径とケーシング１７の外径との比に応じて、三日月形の面接触が得られる。箇所Ｂは、三日月形面の開始部を示し、箇所Ｃは、終了部を示した。換言すると、箇所Ｂでナット２とケーシング１７との間の接触が生じ、ハッチング面にわたって続き、この場合各構成部材は、独自の回転中心点を有しており、各構成部材の回転中心点は相互間隔ｅを有しており、接触面積は、最大面積に到達するまで次第に増加し、箇所Ｃで終了するまで減少する。この場合ケーシング１７の半径ｒ１７は、ハッチング面の外側の境界を成し、ナットの半径ｒ２は、内側の境界を成す。さらに図７から、効率と負荷能力との間の関係が判る。比較的小さな面積は、比較的小さな孔摩擦に基づいて良好な効率を示し、この場合比較的高い面圧が生じる。面積が拡大すると、面圧が減少する。これによって負荷能力が高められ、同様に耐用期間が高められる。

この場合接触し合う両方の面は、相対回動されず、このことは比較的高い摩擦に起因する。両方の面は、面重心の傍の共通の回転中心点を中心に転動し合う。したがって主に孔摩擦成分から構成される滑り摩擦にもかかわらず、極めて良好な効率が得られる。

本発明による、回転運動を直線運動に変換するための伝動装置の基本構造原理を示す断面図である。 図１に示した、本発明による伝動装置を示す斜視図である。 図１のＸで示した部分の拡大図である。 ａ〜ｄは、ねじ山付スピンドルとナットとの間の面接触の変化を選択された断面で示す図ある。 本発明による伝動装置を工作機械に用いた使用例を示す図である。 ねじ山付スピンドルとナットとの選択的もしくは最適化された支承を備えた、図５に示した伝動装置を示す断面図である。 図６に示した、ナットとケーシングとの間の接触領域に形成される三日月形の滑り軸受面を示す図である。

符号の説明

１ ねじ山付スピンドル、 １ａ ねじ山付スピンドルの外径、 １ｂ ねじ山スピンドルのコア直径、 １ｃ ねじ山付スピンドルの軸線、 ２ ナット、 ２ａ ナットの外径、 ２ｂ ナットのコア直径、 ３ 転がり軸受−内輪、 ４ 転がり軸受−外輪、 ５ 転がり軸受−本体、 ６ 軸受ケーシング、 ７ ラジアル軸受、 ８ ねじの谷、 ９ 軸線（ねじ山付スピンドル）、 １０ 軸線（ナット）、 １１ 支持軸受、 １２ ナットのねじ山フランク、 １３ スピンドルのねじ山フランク、 １４ ねじ条／溝、 １５ ラジアルニードル軸受、 １６ スラストニードル軸受、 １７ ケーシング、 １８ 回転子軸受、 １９ 偏心ロータ、 ２０ 接触領域、 ２１ 回転子軸受、 ２２ 回転子軸受、 ２３ 電動モータ、 ２４ 断面、 ａ 偏心率、 α ねじ山付スピンドルのねじ山のフランク角、 β ナットのねじ山のフランク角、 Ａ 区分、 Ｂ 交点、 Ｃ 交点、 ｒ_２ ナットの半径、 ｒ_１７ ケーシングの半径、 ｐ_１ ねじ山リード、 ｐ_２ 溝間隔

Claims (3)

1. 回転運動を直線運動に変換するための伝動装置であって、
   ねじ山付スピンドル（１）が設けられており、
   少なくとも１つの支持軸受（１１）が設けられており、
   軸受ケーシング（６）が設けられており、
   ねじ山付きスピンドル（１）の外径よりも大きな内径を有する、ねじ山付スピンドル（１）に対して軸平行に支承されたナット（２）が設けられており、
   ナット（２）の軸線（１０）とねじ山付スピンドル（１）の軸線（９）とが、互いに偏心率（ｅ）を有しており、
   ナット（２）が、少なくとも１つのねじ条を備えており、
   ナット（２）のねじ条が、リードを有しておらず、かつねじ山付スピンドル（１）のねじの谷（８）に少なくとも部分的に係合するようになっている形式のものにおいて、
   ねじ山付きスピンドル（１）の回転運動をナット（２）の直線運動に変換するために、ナット（２）のねじ山のフランク角（α）が、実質的にねじ山付スピンドル（１）のねじ山のフランク角（β）に相当しており、ねじ山フランク（１２，１３）が、少なくとも軸方向力を伝達する側で、実質的に真っ直ぐに延びており、
   ナット（２）が、溝と呼ばれる複数のねじ条（１４）を備え、
   ナット（２）の連続する２つの溝（１４）の間の間隔が、ねじ山付スピンドル（１）のねじ山リード（ｐ _１ ）に相当しており、
   ナット（２）の軸方向の支承を行う滑り軸受が、ナット（２）と、該ナット（２）を介して前記ねじ山付きスピンドル（１）の軸方向力が直接伝達されるケーシング（１７）との間の三日月形の接触領域（２０）によって形成されていることを特徴とする、回転運動を直線運動に変換するための伝動装置。
2. 軸線（９，１０）が、空間内で互いに平行に延びている、請求項１記載の伝動装置。
3. ナット（２）の支承が、前記支持軸受（１１）に含まれる少なくとも１つのラジアルニードル軸受（１５）によって行われるようになっている、請求項１又は２記載の伝動装置。

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