JP5645827B2 - ねじ伝動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の上位概念部に記載のねじ伝動装置、すなわち、ねじ山と、該ねじ山に係合する対応部材とが設けられていて、ねじ山は対応部材に対して回転可能であり、その結果対応部材に対するねじ山の回転運動によって、対応部材はねじ山に対して移動させられる形式のねじ伝動装置に関する。
DE60222101T2に基づいて、スピンドルと該スピンドルに装着されたナットとを備えたねじ伝動装置が公知である。スピンドルの回転駆動によってナットは軸方向で移動させられる。以上の点において、この公知のねじ伝動装置は汎用のねじ伝動装置に相当している。公知のねじ伝動装置のナットは、互いに反対側に位置していて半径方向外側に向かって突出した2つの軸基部を有しており、両軸基部にローラが回転可能に支承されている。ローラは、ナット及びスピンドルを同軸的に取り囲んでいるスリーブに設けられたスリットに係合している。これらのスリットは、ねじ伝動装置の長手方向における一区分にわたって、つまり軸平行に延びていて、一端において湾曲した形状に移行しており、この湾曲した形状は、半径方向に延びる形状で、つまりねじ伝動装置に対して垂直な方向に延びる形状で終わる。スリーブは位置固定に配置されており、ナットのローラは、スリーブのスリットの側面に沿って転動する。公知のねじ伝動装置のナットのローラがスリーブのスリットの軸平行な区分に位置している場合には、ナットは回動不能に保持されて、スピンドルの回転時にねじ山ピッチに相応して移動させられる。このこともまた、汎用のねじ伝動装置に相当している。ナットのローラがスリットの湾曲した区分に達すると、ナットは回転し、このナットの回転がスピンドルの回転に重畳され、その結果、スリットがスピンドルのピッチ方向に湾曲されて延びているか又はその逆であるかに応じて、ナットの移動は減少又は増大される。これによってねじ伝動装置の外見上のピッチは変化し、駆動モーメントが一定の場合に、ナットのより大きな軸方向力を得ることができ、逆に、スピンドルの回転速度が一定の場合に、より大きな移動速度を得ることができる。そしてねじ伝動装置の外見上の伝達比は変化し、この場合外見上の伝達比というのは、スピンドルの回転速度に対するナットの移動速度の比を意味している。
補足すると、これはナットとスピンドルとの相対運動のことである。スピンドルを回転駆動する代わりに、ナットを、もしくはナットを取り囲むスリーブを回転駆動させ、これによってスピンドルを移動させることも可能である。またスピンドル又はナットを、それぞれ他方の部材、つまりスリーブを備えたナット又はスピンドルの回転運動を生ぜしめるために、移動させることも可能である。
発明の開示
本発明によるねじ伝動装置では、冒頭に述べた形式のねじ伝動装置において、請求項1の特徴部記載のように、すなわちねじ山は、変化するピッチを有しているように構成されている。
本発明によるねじ伝動装置は、例えばねじ山付スピンドルにねじ山を有している。そしてねじ山には、ナットの代わりに対応部材が係合している。そのために対応部材は例えばピン、滑子、例えばローラのような転動体又はこれに類したものを有しており、そしてこのようなピンや転動体は、ねじ山のねじ山側面に接触している。駆動が一方向においてのみ行われる場合、つまりねじ伝動装置が常に同じ方向において負荷される場合には、1つのねじ山側面における接触で十分である。しかしながら2方向駆動のためには、対応部材がねじ山において、互いに向かい合っている又は反対側を向いている2つのねじ山側面に係合作用する必要がある。つまり例えば螺条が溝として形成されていて、この溝に対応部材のローラが係合する。両方の溝側面は互いに向かい合ったねじ山側面を形成し、対応部材のローラはねじ山の回転方向に関連して、両ねじ山側面のいずれか一方に沿って転動する。対応部材は両方向において駆動される。また対応部材は2つのローラを有することができ、両方のローラの間には、ねじ山の起立したもしくは***した螺条が位置しており、その結果ローラはねじ山の、互いに反対側を向いたねじ山側面に沿って転動する。対応部材はこの場合も同様に両方向において駆動される。ねじ山における係合は、転動の代わりに、例えば対応部材のピン又は滑子によって滑動するように行うことも可能である。
本発明によれば、ねじ伝動装置のねじ山は、変化するピッチを有しており、その結果ねじ伝動装置の伝達比が変化する。ねじ伝動装置の伝達比は、ねじ山の回転(回転角)に対する対応部材の移動距離の比である。従来技術に対して述べたように、対応部材は回転駆動され、これによってねじ山が移動させられるか、又はねじ山又は対応部材の移動をそれぞれ他方の部材の回転に転換することができる。
本発明によるねじ伝動装置のねじ山のピッチは、基本的には任意に変化させることができ、つまり例えば最初に大きくなり、次いで小さくなることが可能である。また部分的にピッチを0にすることも、さらには部分的に負のピッチを設定することも可能である。負のピッチというのは、ねじ山ピッチが逆になっていること、つまり右ねじ山が、左ねじ山として形成された単数又は複数の区分を有していることを意味している。ねじ山に関連した対応部材の移動は、このような区分では逆になる。
本発明によるねじ伝動装置の利点は、既に述べたように変化する伝達比にある。これによってねじ山のある区分において、トルクが所定の場合に大きな軸方向力を得ることができ、ねじ山の別の区分において、回転速度が所定の場合に高い移動速度を得ることができる。必ずしもスピンドルはねじ山を有している必要はなく、逆に、対応部材が、雌ねじ山を備えたスリーブとして形成されていて、この雌ねじ山に、スリーブを貫通するロッド又はその他の部材のピン、滑子、ローラ又はこれに類したものが係合しているような構成も可能である。ねじ伝動装置の機能はこれによって変化せず、構造はこれによってもちろん変化するが、しかしながら本発明の根本をなすコンセプト原理は維持されている。
請求項1に記載された本発明の別の有利な構成及び実施形態は、請求項2以下に記載されている。
多条のねじ山の場合(請求項3)、対応部材は有利には各螺条のために、ピン、滑子、転動体又はこれに類したエレメントを有しており、このようなエレメントはそれぞれの螺条に係合している(請求項4)。2つの螺条によって対応部材をモーメントなしに駆動することができ、この場合モーメントというのは、仮想の軸線を中心においてねじ伝動装置に対して半径方向に作用する力、つまり対応部材の横方向軸を中心にした旋回モーメントのことを意味している。3つの螺条が設けられていると、ねじ山における対応部材の係合は、静的に規定される。
請求項5に記載の構成ではばねエレメントが設けられており、このばねエレメントは、一方向におけるねじ山に対する対応部材の移動によって、緊張させられ、逆方向における対応部材の移動によって弛緩される。つまり一方向における移動時にエネルギがばねエレメントに蓄えられ、このエネルギは逆方向における移動時に(損失を無視すると)再びばねエレメントに与えられる。ばねエレメントには例えば緊縮の形で予負荷されることができるので、ばねエレメントは常にばね力を対応部材に対して加える。さらに請求項5の構成では、ばね力又は予負荷がばねエレメントの変形によって、つまりねじ山に対する対応部材の移動によって小さくなる場合に、ねじピッチは大きくなる。請求項5の対象はそれ自体、力又はモーメントを放出する操作装置である。逆の運動方向ではばねエレメントは緊張もしくは強く緊張させられ、つまりエネルギが蓄えられる。操作装置はアクチュエータと呼ぶこともできる。そしてこのような操作装置もしくはアクチュエータは、比較的出力の弱い駆動装置の使用を可能にする。それというのは、操作装置が加える力の一部は、緊張させられたばねエレメントによってもたらされるからである。その代わり駆動装置は操作装置をアクティブに戻すことが必要であり、つまりばねエレメントは操作後に、放出したエネルギを再び蓄えるために、再び緊張させられねばならないからである。既に述べたように操作装置は力又はモーメントを加えることができる。例えば圧縮ばね又は引張りばねのような直線的に作用するばねエレメントの他に、操作装置は、モーメントを加える別のばねエレメント、例えば渦巻ばねを有することも可能である。
上に述べたように操作装置は、一定のピッチを備えたねじ山を有していることができる(請求項7)。
請求項10記載の構成では、ねじ伝動装置を任意の位置において固定可能なブレーキが設けられている。例えば電磁式のブレーキを使用することができ、このブレーキは無電流時に作動させられ、つまり緊締作動させられる。摩擦力結合式のブレーキ及び形状結合式のブレーキ又はクラッチも使用することができる。
本発明によるねじ伝動装置は、可変のダンパとしても使用可能である(請求項12)。減衰作用は、ねじ山の回転を制動すること及び/又は対応部材の移動を制動することによって行われる。制動は、1つのブレーキによって、又は例えば1つのモータによっても行うことができる。例えば電動機をジェネレータとして運転すること、又はいわゆる四象限運転において、つまり選択的にモータとして及びジェネレータとして運転することができ、これによって所望の可変の減衰を実施することができる。モータ又は一般的に駆動装置は負荷に抗して作動するようになっている。液圧モータ、液圧シリンダ又はその他の駆動装置によっても、可変の減衰作用及び必要ならば駆動が可能である。本発明によるねじ伝動装置はエネルギアキュムレータとしても使用可能である。
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
本発明によるねじ伝動装置を、軸線を含む面で断面して示す図である。 本発明によるねじ伝動装置を備えたアクチュエータを、軸線を含む面で断面して示す図である。 本発明によるねじ伝動装置を備えた別のアクチュエータを、軸線を含む面で断面して示す図である。 本発明によるねじ伝動装置の螺条を展開して示す図である。
本発明の別の特徴は、特許請求の範囲、上記記載及び図面との関連において、以下の実施形態の記載に開示されている。個々の特徴は、本発明の実施形態ではそれぞれ単独でも又は任意の組合せにおいても実現することができる。
本発明の実施の形態
図1に示された本発明によるねじ伝動装置1は、ねじ山3を備えたスピンドル2と、ねじ山3に係合する対応部材4とを有している。この対応部材4はそれ自体ナットの機能を有しており、対応部材4はスピンドル2の回転駆動時に軸方向において移動させられる。
ねじ山3の螺条5は、螺旋形状の溝として形成されているが、螺条4の別の横断面も可能であり、螺条は例えば図2に示されているように、起立していてもよい。ねじ伝動装置1の特殊性は、ねじ山3が変化するピッチを有していることであり、この場合ねじ山ピッチは一方向において増大している。
対応部材4はスリーブ6を有しており、このスリーブ6はスピンドル2を同心的に取り囲んでいる。スリーブ6からは軸基部7が内方に向かって延びており、この軸基部7には、転動体として働くローラ8が回転可能に支承されている。ローラ8は、溝として形成された螺条5に係合しており、スピンドル2の回転時にローラ8は、螺条5もしくはねじ山3のねじ山側面9に沿って転動する。対応部材4は各螺条5毎に1つのローラ8を有しており、このローラ8は、螺条5内に係合しているか又は言い換えればねじ山3に係合している。
スピンドル2の回転によって対応部材4は軸方向でスピンドル2に対して移動させられ、この場合変化するねじ山ピッチに基づいて、対応部材4の移動速度は、スピンドル2の一定の回転速度においても変化する。同様に、変化するねじ山ピッチに基づいて、軸方向における力も変化し、この変化する力によって対応部材4は、スピンドル2の一定の駆動モーメントにおいて移動させられる。
もちろん、動作機構的な逆転も可能である。つまり対応部材4を回転駆動させて、これによりスピンドル2を対応部材4に対して移動させることも可能である。さらにまた、スピンドル2又は対応部材4を軸方向において他方の部材4,2に対して移動させ、これによりそれぞれ他方の部材、つまり対応部材4又はスピンドル2を回転させることも可能である。移動を回転運動に変化させるための条件としては、自縛作用もしくはセルフロックを回避する十分に大きなねじ山ピッチが必要である。対応部材4がそのローラ8でねじ山3に係合しているというころがり支承形式に基づいて、そのためには比較的小さなねじ山ピッチで十分である。
ねじ山係合のころがり支承形式もまた、必ずしも必要なことではなく、滑り支承形式も可能であり、この場合には例えば対応部材4の軸基部7はピンとして螺条5内に係合している(図示せず)。変化するねじ山ピッチによって、ねじ伝動装置1の伝達比が変化する。
基本的には、対応部材4が一箇所で係合している一条のねじ山3で十分であり、つまり、対応部材4がローラ8で係合する1つの螺条5を備えたねじ山3で十分である(図示せず)。図1に示した本発明の実施形態では、ねじ山3は二条であり、ねじ山3は2つの螺条5を有していて、両方の螺条5に2つのローラ8が係合しており、この場合両方のローラ8は互いに向かい合って位置するように配置されている。これによって対応部材4の対称的な駆動が達成され、対応部材4の旋回モーメントもしくは傾倒モーメントが回避される。対応部材4が、全周に亘って均一に又は不均一に分配配置された3つの箇所において係合する、三条のねじ山3は、対応部材4を静的に規定して支持する(図示せず)。
図2ではねじ伝動装置1がアクチュエータ10内に組み込まれている。アクチュエータ10のための別の名称は操作装置である。図1におけるようにねじ山3は、変化するねじ山ピッチを有している。図1とは異なり、図2では螺条5は起立もしくは盛り上がっており、この場合ねじ山3は鋸刃形状を有している。対応部材4は管形状であり、外方に向かって張り出した半径方向フランジ11を有している。対応部材4のローラ8は、鋸刃形状を有するねじ山3の半径方向のねじ山側面9に沿って転動する。アクチュエータハウジング15の端壁19に支持されているばねエレメント17は、対応部材4の半径方向フランジ11を押圧し、その結果ローラ8は常にねじ山3の半径方向のねじ山側面9に沿って転動し、ねじ山側面9から持ち上がることはない。
ねじ伝動装置1のスピンドル2は、電動機13のモータ軸12と堅く結合されており、この場合スピンドル2はモータ軸12と一体であってもよい。フライホイールマスつまりはずみ車質量を小さくするために、スピンドル2及び/又はモータ軸12は中空であってよい(図示せず)。またローラはモータ軸に配置されていても、又はモータ軸を延長する軸に配置されていてもよく、対応部材の雌ねじ山螺条に沿って転動するようになっていてもよい(図示せず)。スピンドル2をモータ軸12と回動不能に設ける代わりに、電動機13とねじ伝動装置1との間に(減速)伝動装置を配置することも可能である。「間に」という記載は、必ずしもこのような伝動装置の空間的な配置形式に関係したものではなく、モーメント伝達に関する配置形式に関係している。構造をコンパクトにするためには、遊星伝動装置が適している。
スピンドル2とモータ軸12とは互いに同軸的である。電動機13は管形状のモータハウジング14を有しており、このモータハウジング14は同軸的に、管形状のアクチュエータハウジング15内に配置されている。アクチュエータハウジング15の直径は、モータハウジング14の直径よりも大きいので、アクチュエータハウジング15とモータハウジング14との間にはリング間隙16が存在しており、このリング間隙16内にばねエレメント17が配置されている。図2においてばねエレメント17は圧縮コイルばね18である。
電動機13によるスピンドル2の回転駆動によって、対応部材4は移動させられる。ねじ山ピッチは、電動機13からの距離増大に連れて、つまりばねエレメント17の弛緩時に増大する。トルクを出すために電動機13は給電され、これによりモータ軸12は回転駆動させられる。回転及びトルクはモータ軸12において読み取り可能である。回転はばねエレメント17によって助成され、ばねエレメント17は対応部材4を押圧し、ねじ伝動装置1を介してスピンドル2にトルクを加える。従って電動機13は、アクチュエータ10が生ぜしめるトルクの一部だけをもたらす。アクチュエータ10によって生ぜしめられたトルクは一般に、外的負荷としてもしくは外的負荷に対する反応モーメントとして把握することができ、この負荷はアクチュエータハウジング15の外側においてモータ軸12におけるモーメントとして作用する。戻しのために電動機13は逆回転方向で運転される。この際に電動機13はねじ伝動装置1を介してばねエレメント17を緊縮し、つまりエネルギをばねエレメント17に蓄え、このエネルギは次いで回転駆動時に再び放出される。戻しは、既に述べたようにトルクを加える必要がある電動機13によって、ばねエレメントを緊縮するために、アクティブに行われる。外的負荷が戻し時にも作用する場合には、外的負荷は戻しを助成する。このような場合電動機13は、ばねエレメント17を緊縮するのに必要なモーメントの一部だけをもたらす。外的負荷が保たれている場合には、ばねエレメント17が電動機13を助成し、これによって電動機13の消費電流及び熱負荷を減じる。
図3には、ねじ山ピッチが変化する本発明によるねじ伝動装置1を備えた別のアクチュエータ10が示されている。ねじ伝動装置1はアクチュエータハウジング15内に収容されている。ねじ伝動装置1のスピンドル2は図2におけるように形成されていて、このスピンドル2は鋸刃形状を備えた螺条5を有しており、これらの螺条5に沿って、管形状の対応部材4のローラ8が転動する。図3に示したアクチュエータ10は電動機を有しておらず、スピンドル2を駆動するために、歯車22がスピンドル2の端部に回動不能に固定されている。ばねエレメント17として、図3に示したアクチュエータ10は皿ばねユニット26を有しており、この皿ばねユニット26は管形状の対応部材4と管形状のアクチュエータハウジング15との間におけるリング間隙に配置されている。皿ばねユニット26はアクチュエータハウジング15の端壁19に支持されていて、対応部材4の外方に向かって張り出した半径方向フランジ11を押圧する。
図3に示したアクチュエータ10は、高い出力密度とコンパクトな構造形状を有している。別体の駆動モータを備えた構造形状によって、自由な配置形式が可能である。例えば駆動電動機はアクチュエータ10と並んで平行に配置されることも、又はアクチュエータ10に対して半径方向に配置されることもできる。図3のアクチュエータ10は、それ自体がモータ又はその他の駆動装置を有していないので、パッシブ型アクチュエータと理解することができる。このようなアクチュエータ10は、例えば電動機、液圧式モータ又は空気力式モータのようなアクティブ型アクチュエータとの関連においてしか機能しない。図示されていないアクティブ型アクチュエータは、例えば歯車22を介して図示されていない電動機又はその他のモータと連結されているパッシブ型アクチュエータを調整及び制御し、この場合電動機又はその他のモータは、アクティブ型アクチュエータを形成しているか又はアクティブ型アクチュエータの構成部分である。例えばラック伝動装置を用いた他の連結形態も可能である。
図2及び図3に示したアクチュエータ10は、可変の減衰作用を備えた(回転)ダンパとしても使用することができる。電動機13がジェネレータとして運転されて、スピンドル2の回転を制動する、つまり減衰することによって、スピンドル2の回転駆動は減衰される。電動機13のいわゆる四象限運転(Vier-Quadraten-Betrieb)も可能であり、このような運転では、電動機は状況に関連して、モータとして又はジェネレータとして運転される。電動機13のジェネレータ出力の制御又は調整によって、電動機13の制動モーメントの高さ、ひいては減衰作用の高さが調節可能であり、つまりダンパとして使用されるアクチュエータ10の減衰作用は可変である。減衰作用はブレーキ32を用いても可能であり、これについては図2を参照しながら後で述べる。
対応部材4の移動時に、ばねエレメント17を形成する圧縮コイルばね18は強く圧縮されて予負荷され、これによってエネルギが蓄えられ、圧縮コイルばね18はこのエネルギを対応部材4の最初の始動時に再び放出する。従ってアクチュエータ10はエネルギアキュムレータを形成している。ばねエレメント17におけるエネルギ蓄積もまた、出力の弱い電動機13、液圧モータ又はその他の駆動装置の使用を可能にするために役立つ。
図4には、図1〜図3に示された本発明によるねじ伝動装置1におけるねじ山3の螺条5が展開図で示されている。図4には示されていないスピンドル2の軸線方向は、図4では鉛直方向(上下方向)であり、従ってスピンドル2に対する半径方向は水平方向(左右方向)である。図4から分かるように螺条5は始端部及び終端部に半径方向区分29,30を有している。この半径方向区分29,30においてねじ山3はセルフロック作用を有していて、スピンドル2に対してモーメントが加えられることなしに、図4に図示されていない対応部材4が軸方向に移動することを阻止している。図4には対応部材4のうち、軸基部7と該軸基部7に回転可能に支承されたローラ8とが、螺条5の異なった複数の箇所に示されている。図示のように螺条5は半径方向区分29,30に凹部31を有することができ、この凹部31内にローラ8はスナップ係合して、ねじ山駆動をこの箇所において固定もしくは停止する。
両半径方向区分29,30の間の領域において、螺条5は連続的に増大するピッチを有している。このことは不可欠なことではなく、螺条5のピッチは再び減少することも可能であり、それどころか負のピッチを備えた区分も可能であり、このような区分においては対応部材4の運動方向は逆向きになる(図示せず)。図4から容易に分かるように、ねじ山3もしくはその螺条5のピッチはほぼ任意に選択することができ、これによりスピンドル2の各箇所においてねじ伝動装置1の所望の伝達比を得ることができる。
アクチュエータ10は、ねじ伝動装置1と駆動モータとしての電動機13とを備えた構成グループを、もしくは図3では駆動モータのない、ねじ伝動装置1だけを備えた構成グループを形成している。
アクチュエータ10はブレーキ32を有しており、このブレーキ32によってモータ軸12及びスピンドル2、ひいてはアクチュエータ10全体が固定可能である。このブレーキは、休止状態において緊締作動もしくは圧着されていて、作動のために操作されねばならないブレーキ32である。図2には象徴的に磁気ブレーキ32が示されており、この磁気ブレーキ32は例えば緊締作動状態もしくは圧着状態において無電流で安定している。双安定性の磁気ブレーキ又はその他のブレーキの使用が可能であり、このようなブレーキは圧着位置と解除位置とにおいて無電流状態のままであり、解除もしくは圧着への切換えのためにだけ操作もしくは給電されねばならない。

Claims (10)

  1. ねじ伝動装置であって、ねじ山(3)と、該ねじ山(3)に係合する対応部材(4)とが設けられていて、ねじ山(3)は対応部材(4)に対して回転可能であり、その結果対応部材(4)に対するねじ山(3)の回転運動によって、対応部材(4)はねじ山(3)に対して移動させられる形式のものにおいて、
    ねじ山(3)は、変化するピッチを有し、
    ねじ伝動装置(1)は、ねじ山(3)に対する対応部材(4)の移動時に変形するばねエレメント(17)を有しており、ねじ山(3)のピッチは、ばねエレメント(17)のばね力が該ばねエレメント(17)の変形によって小さくなる場合に、大きくなり
    ねじ山(3)の螺条(5)は始端部及び終端部に半径方向区分(29,30)を有し、半径方向区分(29,30)では、スピンドル(2)に対してモーメントが加えられることなしに対応部材(4)が軸方向に移動することが阻止されることを特徴とするねじ伝動装置。
  2. 対応部材(4)は、ねじ山(3)のねじ山側面(9)に沿って転動する転動体(8)を有している、請求項1記載のねじ伝動装置。
  3. ねじ山(3)は多条である、請求項1又は2記載のねじ伝動装置。
  4. 対応部材(4)は各螺条(5)のためにそれぞれ1つの転動体(8)を有している、請求項3記載のねじ伝動装置。
  5. ねじ山(3)は部分的にピッチを有していない、請求項4記載のねじ伝動装置。
  6. ねじ伝動装置(1)は1つの構成グループを形成している、請求項1から5までのいずれか1項記載のねじ伝動装置。
  7. ねじ伝動装置(1)は駆動モータ(13)を有している、請求項1から6までのいずれか1項記載のねじ伝動装置。
  8. ねじ伝動装置(1)は、ねじ山(3)を対応部材(4)と共に固定するブレーキ(32)を有している、請求項1から7までのいずれか1項記載のねじ伝動装置。
  9. 前記ばねエレメント(17)は、一方向(作業行程)におけるねじ山(3)に対する対応部材(4)の移動時に弛緩され、かつ駆動モータ(13)に加えて付加的にエネルギを放出し、かつばねエレメント(17)は、逆方向(戻り行程)におけるねじ山(3)に対する対応部材(4)の移動時に、駆動モータ(13)によってねじ伝動装置(1)を介して、外的負荷が戻り行程の方向でねじ山(3)又は対応部材(4)に対して作用する場合には、外的負荷によって助成されて緊張させられる、請求項1記載のねじ伝動装置。
  10. ねじ伝動装置(1)は駆動モータ(13)を有していて、ねじ伝動装置(1)は可変のダンパとして使用される、請求項1記載のねじ伝動装置。
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