| 【発明の名称】 |
送りねじ |
| 【発明者】 |
【氏名】篠原 種宏
【氏名】川口 昭博
【氏名】小沢 豊
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| 【要約】 |
【課題】高荷重でも摩擦係数を小さくできる送りねじを提供する。
【解決手段】送りねじは、ねじ軸１、ナット２及び直線案内面１３で構成されており、ねじ軸１とナット２との間には、潤滑油が供給されている。ねじ山の頂面４には、ねじ山に沿って所定の等ピッチで孔３が設けられている。孔３付近では、剛性が低下し、たわみ量が大きくなるので、荷重が作用したときに、ねじ歯面に周方向に周期的なへこみ変形が生じ、周方向にうねり（波打ち）を形成するようになる。このうねりのため、ねじ軸１とナット２との対向する２つの面に相対的な運動がある場合には、摺動方向にくさび油膜６を形成する領域に、油膜圧力Ｆが発生して、負荷能力Ｗ’が生じる。この負荷能力Ｗ’により、２つの面は油膜６を介して支えられる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 作用する荷重によるねじ歯面の変形が、周方向にうねりを形成するようにしたことを特徴とする送りねじ。
【請求項２】 歯面が周方向にうねりを形成するように、歯の厚み方向の剛性を周期的に変化させるために、剛性調整用の孔を設けたことを特徴とする送りねじ。
【請求項３】 荷重作用下での歯面のくぼみ変形でできたくさび油膜と２面の相対運動により発生する流体圧力で荷重を支えることができるようにし、該２つの面のメタルコンタクトを回避するようにしたことを特徴とする送りねじ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、直線移動機構として、工作機械、荷役機械、延圧機、アクチュエータ等に使用されている送りねじに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の送りねじの構造を、図８に断面図で示す。送りねじは、ねじ軸１１、ナット１２及び直線案内面１３で構成されている。ねじ軸１１の回転運動を直動変位に変換する機構であり、ねじ軸１１の回転方向に応じて、直線案内面１３で回転を拘束されたナット１２は、例えば上下方向に直線運動することができる。送りねじは、構造が簡易で、比較的安価な「回転−直線変換機構」であるので、工作機械をはじめ、プレス、荷役機械、圧延機、弁、アクチュエータ等の多くの機械類に使用されている。送りねじは、同図に示すように、従来よりねじ山の断面が略台形形状のものが多く用いられており、なめらかに正確に作動させるために、ねじのピッチ、ねじ面の面粗度等は、所定の範囲内に加工されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】荷重が小さくて、ねじの受圧面にかかる面圧が小さい場合には、さほど問題はないが、例えば圧延機の圧下ねじ、あるいは大荷重揚重アクチュエータ等の大きな荷重が作用する場合には、ねじの受圧面が非常に過酷な状態で使用されることになるため、以下のような問題があった。
(1) ねじの面はすべり方向に長い面が摺動するため、ねじ軸１１側とナット１２側の２つの面を全面において均一にぴったりと当てるように工作することは非常に難しいので、当たりのきつい個所の摩耗が大きくなり、耐久性がない。
(2) 長い面にわたって潤滑油を供給することが難しいため、２つの面が部分的には油切れを生じて、いわゆるメタルコンタクト状態となるために、摩擦係数が大きくなってしまう。
(3) 高面圧条件では、互いの面がメタルコンタクト状態で摺動している部分があり、２つの面が焼付きに至らないようにするためには、ねじの設計面圧を３００kgf/cm2 以上とすることができなくなってしまう。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、高荷重でも摩擦係数を小さくすることができる送りねじを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、作用する荷重によるねじ歯面の変形が、周方向にうねりを形成するようにした。また、歯面が周方向にうねりを形成するように、歯の厚み方向の剛性を周期的に変化させるために、剛性調整用の孔を設けても良い。このように構成することにより、容易にうねりを形成できるようになる。また、荷重作用下での歯面のくぼみ変形でできたくさび油膜と２面の相対運動により発生する流体圧力で荷重を支えることができるようにし、該２つの面のメタルコンタクトを回避するようにしても良い。
【０００５】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る送りねじの実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る送りねじの構造を表した断面図であり、図２は、図１中の線II−IIによる断面図である。図１に示すように、送りねじは、ねじ軸１、ナット２及び直線案内面１３で構成されており、ねじ軸１とナット２との間には、潤滑油（グリース又は油）が供給されている。ねじ軸１は、ねじ山が断面略台形形状である。ねじ軸１の歯形には、外周側から周方向に等ピッチで、孔３があけられている。すなわち、ねじ山の頂面４には、ねじ山に沿って所定の等ピッチで孔３が設けられている。孔３の断面形状は、図２に示すとおりであり、孔３は、ねじ山の根元付近まで達している。また、孔３は、受圧面５（ねじ山の頂と谷底とをつなぐフランク）と平行となるように、設けられている。受圧面５は、一般的に３度乃至１０度程度傾斜しており、したがって、孔３も同程度傾斜している。
【０００６】この孔３により、ねじ軸１の周方向の歯厚が変化して、その剛性も変化する。すなわち、孔３があけられた付近では、他の部分よりも剛性が低下し、荷重Ｗによるたわみ量が大きくなる。すなわち、孔３は、剛性を調整するためのものである。したがって、ねじ歯面（ねじ山）に荷重が作用したときに、ねじ歯面に周方向に周期的なへこみ変形が生じ、周方向にうねり（波打ち）を形成するようになる。歯に孔をあけることで、ねじ軸１の周方向の歯厚を変化させ、ねじ面の変化により、周方向に所定のうねり（波打ち）を形成するようにしている。このとき、上述したように、孔３は受圧面５と平行に加工しているので、作用する面圧Ｐによって受圧面５に生じるうねりを、ねじれ山の頂面４（歯先）側とねじ山の根元（歯元）側とで同量とすることが可能となる。なお、本実施形態では、孔３のピッチが、隣り合う孔同士のなす中心角が１２０度となるようにしてあるが、送りねじの使用条件等を考慮して決定すれば良く、これ以外の例えば、６０度や３０度などのピッチが短くすることは、適宜行うことができる。
【０００７】次に、うねりによる油膜６の作用について、図３により説明する。図３は、ナット２が静止状態で、ねじ軸１が矢印３Ａの方向に相対的に滑っているときの油膜圧力Ｆの変化の状態を示す図面である。両者の対向面においては、ねじ軸１側は凸面であり、ナット２側は平坦面であり、その２面間には、油膜６が形成されている。ナット２の平坦面上の任意の一点においては、ねじ軸１の相対移動により、２面間の距離ｓが小さくなり（図中ａｂ間）、凸面の先端部ｂが通過した後は、２面間の距離ｓは大きくなっていく（図中ｂｃ間）。すなわち、２面間に、くさび形状油膜が形成されると（ａｂ間、くさび領域）、図３に示すように、油膜圧力Ｆが発生し、逆に、ひろがり形状油膜の領域（ｂｃ間）では、その圧力がたたない。そして、油膜圧力Ｆが最大となる位置は、くさび形状に依存するが、くさび形状の途中で生じる。なお、凸面の先端部ｂを通過すると、図３に示すように、厳密には多少負圧になる（破線参照）。
【０００８】１つのうねりでは、上述のような作用があるので、らせん状のねじ面１周分では、図４及び図５に示すような作用となる。図４は、らせん状のねじ面を１周分だけ展開した図であり、図５は、ナット２が静止状態で、ねじ軸１が矢印５Ａの方向に相対的に滑っているときの油膜圧力Ｆの変化の状態を示す図面である。荷重Ｗ、受圧面積Ａの場合において、ねじの歯面に面圧Ｐ（Ｐ＝Ｗ／Ａ）が作用した場合には、歯面は、孔３のある領域ではへこみが大きくなるため、図４に示すように、歯の表面は、実線４Ａから破線４Ｂに変化し、孔３のピッチに対応したうねりが生じる。なお、油膜厚さｈは、おおよそ５乃至２０μｍ（ミクロン）であるので、うねりは、同程度である必要がある。このうねりのため、２つの面に相対的な運動がある場合には、図５に示すように、摺動方向にくさび油膜６を形成する領域には、油膜圧力Ｆが発生し、そのときの油膜厚さｈと回転による周速Ｕ及び潤滑油の粘度μに依存した負荷能力Ｗ’を発生し、この負荷能力Ｗ’により、２つの面は油膜６を介して支えられる（動圧流体潤滑）。
【０００９】図６に、本実施形態の場合の送りねじの特性を、従来の場合と比較して表してある。図６の横軸（Ｘ軸）は軸受特性数（μＵ／Ｐ）、縦軸（Ｙ軸）は摩擦係数（ｆ）である。従来の場合は実線６Ａで、本実施形態の場合は破線６Ｂでそれぞれ表してある。なお、本実施形態の場合の値は実験によるものである。両者とも、下に凸の放物線であり、軸受特性数を減少させていく場合に、油膜６が存在すれば、それに伴って摩擦係数も減少していくが（流体潤滑領域）、一定の値Ｘ’となると、油膜６が薄くなりすぎて、摺動面の表面の山谷どうしの接触を生じ、逆に摩擦係数は増大する傾向になる。軸受特性数は、面圧Ｐ、速度Ｕ及び油の粘度μで定まり、摺動条件を示しており、軸受特性数が小さくなると、摺動条件が厳しくなっていくことになる。すなわち、摺動条件は、面圧Ｐが増加したり、速度Ｕが減少したり、油の粘度μが小さくなったりすると、厳しくなる。横軸において座標原点Ｏに近づくほど、摺動条件が厳しくなっていき、縦軸において座標原点Ｏに近づくほど、摩擦係数が小さくなっていくので、送りねじの特性が良いといえるのは、Ｘ−Ｙ座標上における曲線が座標原点Ｏにより近づく場合である。言い換えると、点Ｘ’をできるだけ左側（図６中）にシフトするために、油膜形成を助長すると、送りねじ特性が向上する。
【００１０】同図から明らかなように、従来の場合では、点Ｘ２を境界にして、摩擦係数の変化方向が減少から増加に変わるが、本実施形態の場合では、その境界が、点Ｘ１（Ｘ１＜Ｘ２）となり、条件が厳しくなっても、油膜６が保持され、流体潤滑領域が拡大している。すなわち、高荷重の厳しい条件でも摩擦係数が小さい。具体的には、点Ｘ１における摩擦係数は、従来の場合の点Ｙ２では、０．１乃至０．２程度であるが、本実施形態の場合の点Ｙ１では、０．０２程度であり、高荷重の場合でも、摩擦係数は極めて低い。したがって、本実施形態の場合には、高荷重でも、メタルコンタクト、すなわち潤滑面の油膜が薄くなって油膜を通して局部的に金属接触点が生じる事態が回避される。
【００１１】よって、本実施形態では、以下のような効果を有する。
(1) 高荷重作用時においても、ねじ面は流体膜を介して摺動するので、摩擦係数は、０．０２乃至０．０３レベルに低減でき、従来の部分的には２つのメタルコンタクトを生じた状態（境界潤滑域）で作動する従来の送りねじの摩擦係数０．１乃至０．２の１／１０レベルであり、スムーズな動きが可能になるとともに、動力が大幅に低減できる。
(2) 流体潤滑域での作動が可能となり、歯面の面あれもなく、摩擦も生じないので、ねじの寿命が大幅に延びる。
(3) 従来の設計限界を超えた高面圧設計が可能となり、コンパクトな高面圧の送りねじの製作が可能となる。
【００１２】なお、孔３の形状は、丸孔に限られず、歯面のうねり変形が所定の凹凸となるようにすれば、これ以外の例えば、長孔、矩形孔などの形状を採用することも可能である。また、孔３のサイズや深さについても、歯面のうねり変形が所定の凹凸となるように決めれば良い。また、うねり変形となるように歯形の孔をあけずに、図７に示すように、歯に、例えば円形カッター等によって周期的に切込み７を入れるような他の加工をしても良い。さらに、ねじの加工のときに、周方向にミクロンオーダ、例えば５乃至２０μｍ（ミクロン）程度のうねりをつけながら切削または研磨しても良い。また、本実施形態では、ねじ軸１に剛性調整用の孔３を設けているが、ナット２側に同様の孔３を設けても良い。また、本実施形態では、ねじ軸１が台形ねじであるが、のこ歯ねじ、四角ねじ、修正角ねじにも応用することは可能である。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、周方向にうねりを形成するようにしたので、相対的な運動により、摺動方向にくさび油膜６が形成され、その領域には、油膜圧力Ｆが発生して、負荷能力Ｗ’が生じる。よって、この負荷能力Ｗ’により、２つの面は油膜６を介して支えられるので、高荷重でも摩擦係数を小さくすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）２月１０日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚男 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２３０２９７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）８月２７日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２７９１１ |
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