JP6550740B2 - ボールねじのナット単体でのアキシアルすきま設定方法およびこれを用いたボールねじの製造方法 - Google Patents
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そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、ロストモーションを低減または防止し得るボールねじのナット単体でのアキシアルすきま設定方法およびこれを用いたボールねじの製造方法を提供することを課題とする。
Δep=δxF−δxB (式1)
0.17%<sa/Da≦3.6% (式2)
0.17%<sa/Da≦1.66% (式3)
上記第一または第二の態様に係るボールねじのナット単体でのアキシアルすきま設定方法を用いてボールねじを製造することを特徴とする。
ここで、本発明において、ナット単体でのアキシアルすきまsaとは、図2に示すように、図2(a)でのナット1とねじ軸2とボール3の関係から、図2(b)に示す状態になったときの、ねじ軸1とナット2の軸方向の移動量(図2(c)参照)をアキシアルすきまsaと定義する。ボールねじにはリード角があるので、図2(a)、(b)にてアキシアルすきまsaを単純に書き込むことはできないのに対し、アキシアルすきまsaは、ナット単体すきまΔDaに比べて、ボールねじ装置から容易に測定することができるので、本発明においてはナット単体でのアキシアルすきまsaを用いて規定する。また、本明細書において、sa/Daを、以下、単に「すきま/玉径比」とも呼ぶ。
図1に示すように、このボールねじ10は、ねじ軸1と、ねじ軸1に対してボール3を介して螺合するナット2とを有する。
ナット2は、軸方向に並べられた第1ナット2A及び第2ナット2Bと、両ナット2A、2Bの間に介在された間座9とが一体となって構成されている。一方のナット2Aには、端部に円環状のフランジ31が形成されている。フランジ31の内周部とねじ軸1との間、および、第2ナット2Bの軸方向他端部とねじ軸2との間は防塵用シール32で塞がれている。また、二つのナット2A、2Bは、回転方向の位相がずれないようにキー溝5に挿通された不図示のキーにより回転方向が位置決めされている。
このボールねじ10は、ねじ軸1のねじ溝11およびナット2のねじ溝21は、いずれもゴシックアーク溝である。すなわち、ねじ軸1のねじ溝11およびナット2のねじ溝21の横断面形状は、曲率中心の異なる2つの同一円弧を組合せた略V字状である。ここで、本実施形態では、溝R比(ねじ溝断面の曲率半径R/ボールの外径Da)が0.52〜0.54、または0.54〜0.56のいずれかの範囲の値に設定されている。
本実施形態のボールねじ10では、図3に示すように、ボールねじ10の溝形状の対向するフランクをそれぞれ溝F1,F2、単体すきまが零の場合の接触角をα、初期接触角をα0((同図(b))、ねじ軸1のランド面取り部7の面取り開始角をβ1B、ならびにねじ軸1の溝底ニゲ開始角をβ2Bとそれぞれ定義する。
また、本実施形態の第二態様では、溝R比が0.52〜0.54のときには、ねじ軸1の面取り開始角β1Bが60°〜65°とされ、さらに、アキシアルすきまsaが、使用するボール3のボール径φDaに対して、0.17%<sa/Da≦1.66%の範囲を満たすように設定されている。
工作機械用のボールねじ(日本精工株式会社製ボールねじ、型式:BS3610)の諸元を表1に示す。表1に第一実施例でのシミュレーション解析の基礎となるボールねじ(通常のボールねじ(比較例)と本発明品)の諸元をそれぞれ示す。
表1に示した第一実施例の予圧ボールねじに対して、アキシアルすきまsaを種々に変化(0%≦sa/Da≦10%)させた場合でのロストモーションとその低減率の解析結果を、それぞれ図6(a)、(b)に示す。
ただし、本発明品において、ボール3の乗り上げ・下げ率は、下記の(式4)のように定義しており、これらの符号が正のときに乗り上げ・下げが発生していることを示している。なお、ランド面取り部7への乗り上げが生じると、ボール3との接触点は、図9に示したようなだ円形状にはならないが、計算を簡単にする目的から、ランド面取り部7でのエッジ面圧を無視して解析を行った。
一方、図10(c)、(d)より、ねじ軸1およびナット2の溝底ニゲ部1d、2dへの乗り下げは、乗り下げ率は乗り上げ率よりもかなり小さく、すきま/玉径比sa/Daが約1.6%を超えるような領域ではさらに乗り下げ率は低下する。よって、アキシアルすきまsaを大きくする場合におけるすきま/玉径比sa/Daの上限は、ねじ軸のランド面取り部への乗り上げへの影響によって決定されることが明らかである。
先に述べたように、アキシアルすきまsaを大きくすると、ロストモーションを低減することができる。しかし、アキシアルすきまsaの設定値がある上限を超えると、ねじ軸1のランド面取り部7へのボール3の乗り上げを生じてしまう。ここで、通常品のボールねじでは、すきま/玉径比sa/Daの上限は、sa/Da<0.2%程度であるところ、本発明品では、この値を大きく超える領域で用いられる。そこで、本発明品に適用し得るアキシアルすきまsaの上限値を求めるために、種々のボールねじおよびねじ溝形状の内部設計値において、ロストモーション低減率とねじ軸のランド面取り部への乗り上げを調べた。
次に、ねじ軸1およびナット2のランド面取り部7、8への乗り上げについては、BS6316のような大径ボールねじでは、溝R比が52%と通常サイズのものより小さくなるので、ボール3のランド面取り部7、8への乗り上げが懸念される。しかし、表2に示す通り、BS6316のような大径ボールねじでは、面取り開始角が他よりも大きめにとられているので、図12に示すように、すきま/玉径比sa/Daが約6%を超える領域で乗り上げが始まっていることがわかる。
図6、図11を参照して説明したように、本発明品でのロストモーション低減効果は、ボールねじの諸元やサイズにかかわらず成り立つ。しかし、上述したように、本発明品の効果の成立し得るアキシアルすきまsaの範囲は、ボールねじ10の作動中のランド面取り部7へのボール3の乗り上げにより制限される。そこで、上記第一実施例を基本として、接触角と面取り開始角が異なる3種類のボールねじに対して、本発明の有効性を解析的に調べた。解析に用いた3つのボールねじの諸元を、それぞれ表3に示す。
図13から、ねじ溝形状K1,K2の場合では、ねじ溝形状は、ランド面取り開始角β1Bとニゲ開始角のみが異なるため、ロストモーションに対する差異が無いことがわかる。ねじ溝形状K3では、ランド面取り開始角β1Bとニゲ開始角のほかに接触角αが異なることから、ロストモーション低減率Repに差異が現れているものの、いずれのねじ溝形状においても、同図のロストモーション低減率Repからも明らかなように、本発明品のロストモーション低減に対する有効性が確かめられる。
また、ねじ溝形状K3は、他の2つのねじ溝形状K1、K2よりもさらにねじ軸1の面取り開始角β1Bが小さいものの、接触角αが、α=40°と他のねじ溝形状よりも小さくとられているため、ボール3の乗り上げが始まるすきま/玉径比sa/Daの値が著しくは低下していない。
表1に示した第一実施例のボールねじ10の接触角をα=40°、45°、50°の3通り用意し、これらに対して、すきま/玉径比sa/Daを種々に変化させた場合での、ロストモーション低減率Rep、ランド面取り部7への乗り上げ率ε1B、ならびにナット2のランド面取り部8への乗り上げ率ε1Mの解析結果を、それぞれ図15および図16に示す。
このように、本発明品では、ボールねじ10のアキシアルすきまsaを大きくとることにより、初期接触角α0が増加して軸方向剛性も増大するので、その結果としてロストモーションの低減を狙ったものである。ところが、実際は、単に接触角αを大きくしてボールねじの剛性増加を図っても、ロストモーションの低減にはさほど効果を持たないことが明らかにされた。
以上より、ゴシックアーク溝の接触角αが、α≦50°となるようなボールねじに対しては、アキシアルすきまsaが、すきま/玉径比sa/Da≦3.6%であるならば、ロストモーション低減効果の有効性が確かめられた。
表1に示した第一実施例のボールねじ10の溝R比fpを、fp=0.52、0.54、0.56の3通り用意し、これらに対してすきま/玉径比sa/Daを種々に変化させた場合での、ロストモーション低減率Repを図17に、また、ランド面取り部7への乗り上げ率ε1B、ならびにナット面取り部8への乗り上げ率ε1Mを解析した結果を、それぞれ図18に示す。
これは、溝R比fpを小さくすると、ボール食込み挙動が抑制されてロストモーションが低減されるものの、接触だ円の長軸半径が大きくなるため、ボール3が乗り上げ易くなったためと考えられる。高荷重向けの大径ボールねじでは、接触面圧を低減させる目的から、溝R比fpを0.52で設計するものが多いが、本発明が適用できる領域が狭くなる。
表1に示した第一実施例のボールねじ10のランド面取り開始角β1Bを、β1B=60°、66°、70°、75°の4通り用意し、これらに対して、すきま/玉径比sa/Daを種々に変化させた場合でのロストモーション低減率Rep、ランド面取り部7への乗り上げ率ε1Bを解析した結果を図19に示す。同図に示すように、ランド面取り開始角β1Bを小さくすれば、本発明品として適用できるすきま/玉径比sa/Daの領域が小さくなることがわかる。
すなわち、上述した解析結果から、本発明を適用した際に、ねじ軸1のランド面取り部7への乗り上げが最も懸念されるボールねじ10は、大径ボールねじ(BS6316,溝R比fp=0.52)であり、ねじ軸1のランド面取り開始角β1Bが、β1B=60°(ただし,接触角=40°)の構成である(表4参照)。
2 ナット
3 ボール
7 ねじ軸のランド面取り部
8 ナットのランド面取り部
11 ねじ軸のねじ溝
12 ねじ軸のランド
21 ナットのねじ溝
Claims (3)
- ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有し、前記ねじ軸は前記ナットを貫通し、前記ねじ軸の外周面に形成された螺旋状のねじ溝と前記ナットの内周面に形成された螺旋状のねじ溝とにより前記複数のボールが公転運動する転動路が形成されるボールねじのナット単体でのアキシアルすきまを設定する方法であって、
当該ボールねじとして、前記ねじ軸および前記ナットの各ねじ溝が、いずれもゴシックアーク溝であり、ダブルナット予圧方式または定圧予圧方式によって予圧を付与して用いられ、ボールねじ荷重が前記予圧のみであって、その大きさを動定格荷重の3〜5%としており、ナット単体すきまが無い場合の接触角が40°〜50°、溝R比が0.54〜0.56、および、前記ねじ軸のランド端部の面取り開始角が65°〜75°とされるものを対象とし、
作動中のボール食込み挙動による前記ねじ軸および前記ナットの各ねじ溝のランド面取り部への前記ボールの乗り上げを生じさせないように且つ逆方向作動時における前記各ねじ溝の溝底ニゲへの前記ボールの乗り下げを生じさせないように、シミュレーション解析の結果に基づいて、前記ナット単体でのアキシアルすきまを、使用する前記ボールのボール径に対して下記(式)を満たす範囲に設定することを特徴とするボールねじのナット単体でのアキシアルすきま設定方法。
0.17%<sa/Da≦3.6% (式)
但し、saはナット単体でのアキシアルすきま、Daは使用するボールのボール径である。 - ねじ軸と、ナットと、複数のボールとを有し、前記ねじ軸は前記ナットを貫通し、前記ねじ軸の外周面に形成された螺旋状のねじ溝と前記ナットの内周面に形成された螺旋状のねじ溝とにより前記複数のボールが公転運動する転動路が形成されるボールねじのナット単体でのアキシアルすきまを設定する方法であって、
当該ボールねじとして、前記ねじ軸および前記ナットの各ねじ溝が、いずれもゴシックアーク溝であり、ダブルナット予圧方式または定圧予圧方式によって予圧を付与して用いられ、ボールねじ荷重が前記予圧のみであって、その大きさを動定格荷重の3〜5%としており、ナット単体すきまが無い場合の接触角が40°〜50°、溝R比が0.52〜0.54、および、前記ねじ軸のランド端部の面取り開始角が60°〜65°とされるものを対象とし、
作動中のボール食込み挙動による前記ねじ軸および前記ナットの各ねじ溝のランド面取り部への前記ボールの乗り上げを生じさせないように且つ逆方向作動時における前記各ねじ溝の溝底ニゲへの前記ボールの乗り下げを生じさせないように、シミュレーション解析の結果に基づいて、前記ナット単体でのアキシアルすきまを、使用する前記ボールのボール径に対して下記(式)を満たす範囲に設定することを特徴とするボールねじのナット単体でのアキシアルすきま設定方法。
0.17%<sa/Da≦1.66% (式)
但し、saはナット単体でのアキシアルすきま、Daは使用するボールのボール径である。 - 請求項1または2に記載のボールねじのナット単体でのアキシアルすきま設定方法を用いてボールねじを製造することを特徴とするボールねじの製造方法。
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