JP2005299721A - 自動車用ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】 ボールの循環が滑らかで、トルク変動が少なく、伝達効率にも優れていて、強度、および生産性にも優れた自動車用ボールねじを提供する。
【解決手段】 この自動車用ボールねじ１は、自動車の各種アクチュエータに使用されるものであって、ねじ軸１およびナット３と、これらねじ軸２およびナット３の対向面に形成されたねじ溝４，５間に介在するボール６とでなる。循環形式は、駒部材７によるものとされる。ねじ軸２のねじ溝４は転造加工されたものである。ねじ軸２のねじ溝４の肩部に、断面円弧状の面取部２０が、前記転造加工により同時に形成されたものとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電動パワーステアリング装置や、自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）等のアクチュエータに使用される自動車用ボールねじに関する。

従来、ボールねじにおいて、ねじ軸のねじ溝の肩部に、断面円弧状の面取部を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１）。これは、高速時にねじ溝肩部に衝突しながらボールが循環するときに、損傷を生じ易くなることを回避し、長寿命化を図るものである。
特開２００２−２６６９７６号公報

上記の従来例は、工作機械、一般産業機械に用いられるボールねじにおいて、機械の高速化が進んでいることにより、その高速運転時に要求される特性に対してなされた工夫である。
自動車用ボールねじの用途においては、高速運転される工作機械，一般産業機械とは異なった特性が求められている。すなわち、電動パワーステアリング等の人の手によって直接に操作される装置においては、その操舵感を損なわないように、トルク変動の少ない作動が要求される。また、自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）や、電動ブレーキ等のアクチュエータとして用いられる場合は、電子制御との親和性、あるいはより大きな推力を得るための、高い効率、つまり機械損失のないものであることが求められる。
また、自動車用のボールねじでは、安全性が強く要望され、さらに低コスト化のために生産性に優れたものであることが求められる。

この発明の目的は、ボールの循環が滑らかで、トルク変動が少なく、伝達効率にも優れていて、強度、および生産性にも優れた自動車用ボールねじを提供することである。

この発明の自動車用ボールねじは、自動車用アクチュエータに使用されるボールねじであって、ボールを転走させるねじ溝が対向して形成されたねじ軸およびナットと、前記対向するねじ溝間に介在した複数のボールとを備え、前記ねじ軸のねじ溝が転造加工されたものであり、前記ねじ軸のねじ溝の内面がねじ軸外径面に続く肩部に、断面円弧状の面取部が前記転造加工により形成されたことを特徴とする。

この構成の自動車用ボールねじによると、ねじ軸のねじ溝の肩部に断面円弧状の面取部が形成されているため、ねじ溝間のランド部を乗り超えてボールが循環するときのボールの循環が滑らかで、トルク変動が少なく、伝達効率にも優れたものとなる。上記面取部が設けられていると、ノイズレベルも低下するため、例えば電動パワーステアリング装置等のように音響特性が求められる自動車用の用途において、その要求特性に応じたものとできる。
また、このねじ軸は転造加工によるため、生産性に優れている。この場合に、ロールダイスによる冷間転造加工を行うため、ロールダイスの、ねじ軸製品としてねじ溝肩部に相当する部分に断面円弧状の部分を設けておくことで、ねじ溝肩部の断面円弧状の面取部が形成される。このように、ロールダイスに断面円弧状の部分を設けておいて、ねじ溝と同時に肩部の面取部を転造加工することは、ねじ軸のねじ溝となる部分の材料を塑性流動させ、肉が盛り上がってきた場合に、局部的な力の集中を防止し、割れの防止、あるいはスプリングバック量を小さくして精度良く加工するためにも有効である。この転造加工法により、ねじ軸のねじ溝肩部に容易に任意寸法の円弧状面取部を形成することが可能であるため、自動車用ボールねじのねじ軸の加工においては、上記の転造加工が、生産性向上によるコスト面、性能面の両方から適している。

この成形性と、実際のボールねじを回転させた場合の作動性を考慮した場合、前記円弧状の面取部の曲率半径が、ボールの半径の２．５〜２５％の範囲であることが好ましい。２５％を超えると、ボールが押し付けられることで生じるねじ溝内面の応力発生範囲である接触楕円が、ねじ溝の面取部に干渉する量が増加し、短寿命を引き起こす可能性がある。また、２．５％未満であると、面取部が小さ過ぎて、面取部を設けたことによる各種の効果が十分に得られない。

また、転造加工されるねじ軸を使用する場合、そのランド部の材料不充足部分であるシーミング部の形状管理が不可欠である。シーミング部が大きいと、ランド部をボールが乗り超えるときに、ボールが落ち込むことがあり、その円滑な作動が妨げられる。したがって、面取部を設けるだけでなく、シーミング部の寸法を管理することが重要である。このシーミング部は、ランド部の軸方向長さの１／２以下とすることで、滑らかなボールの動作が得られる。

この発明の自動車用ボールねじは、循環形式が駒式である場合、つまりナットのねじ溝同士を連結する駒部材を設けたものである場合に、特に、上記各効果が有効となる。
自動車用ボールねじにおいては、循環方式として、ナットのコンパクト性や、ナット回転時に循環部が等配列にできる特長があることから、駒式が採用されることが多い。この循環方式は、ボールが循環するときに、ねじ軸のランド部上を、駒内の空間で拘束されながら乗り超えて循環する形式である。このため、ねじ軸のねじ溝の肩部に断面円弧状の面取部を設けたことや、シーミング部の寸法を１／２以下にすることによる円滑化等の効果が有効に発揮される。

この発明の自動車用ボールねじは、自動車用アクチュエータに使用されるボールねじであって、前記ねじ軸のねじ溝が転造加工されたものであり、前記ねじ軸のねじ溝の内面がねじ軸外径面へ続く肩部に、断面円弧状の面取部が前記転造加工により形成されたものであるため、ボールの循環が滑らかで、トルク変動が少なく、伝達効率にも優れていて、強度、および生産性にも優れたものとなる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。このボールねじ１は、自動車用のアクチュエータに使用される駒式のボールねじであって、ねじ軸２およびナット３と、これらねじ軸２およびナット３の対向面に形成されたねじ溝４，５間に介在するボール６とでなる。ねじ溝４，５は、ボール６を転走される螺旋状の溝である。この実施形態の自動車用ボールねじ１を使用する自動車用アクチュエータは、自動車の自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）に使用されるものであるが、この他に、電動パワーステアリング、後輪操舵装置、自動車用電動ブレーキ等に使用されるものであって良い。

ナット３は、ボール６の循環用の部品として駒部材７が設けられている。駒部材７は、ナット３に内外面に貫通して形成された嵌合用開口８に嵌合し、ナット３の螺旋状のねじ溝５の隣合う各周の部分同士を連結する１条の連結溝９を内面に形成した部材である。この連結溝９により、ねじ軸２とナット３のねじ溝４，５間で形成される螺旋条のボール転走路が周回経路となり、ボール６がこの周回経路を循環移動する。ボール６は、連結溝９を通過するときは、ねじ軸２のねじ溝４のねじ山を乗り超えることになる。

図４に示すように、駒部材７は、ナット３のねじ溝５に係合する一対のウイング部１０を有し、かつナット３の外径部に固定される一対の加締部１１を有している。これらウイング部１０の内径側からの係合と加締部１１の外径側からの加締によって、駒部材７はナット３に固定される。

図３に示すように、ナット３は、外周面に一対のトラニオン軸部１４を有している。ねじ軸２は、一端にカップリング嵌合部１３を有し、他端に軸受嵌合部１５が設けられている。

このような駒式の自動車用ボールねじ１において、この実施形態では、ねじ軸２のねじ溝４が転造加工されたものとされる。また、図１（Ｂ）に拡大して示すように、ねじ軸２のねじ溝４の内面４ａがねじ軸外径面２ａへ続く肩部に、断面円弧状の面取部２０を前記ねじ溝４の転造加工により同時に形成する。

面取部２０の曲率半径ｒは、ボール６の半径Ｒの２．５〜２５％の範囲とする。ねじ軸２の隣合うねじ溝４間の外径面２ａからなるランド部２１には、転造加工により材料の不充足部分である円周溝状のシーニング部２２が生じる。このシーニング部２２の軸方向長さｂは、ランド部２１の軸方向長さａの１／２以下とする。
ランド部２１の軸方向長さは、面取部２０が設けられているため、面取部２０を無しとした場合の長さとなる。また、シーニング部２２の軸方向長さｂは、ランド部２１の外径面よりも凹みが生じ始める位置の間の長さである。

ねじ軸２のねじ溝４の転造加工は、図５に示すように、支持台３４に回転および進退自在に支持された丸棒状の素材Ｗを、一対のロールダイス３５の間に挟み込み、ロールダイス３５を回転させることにより行う。ロールダイス３５は、外周面に転造用の多条の螺旋条突条３５ａを有するものである。
図１のねじ溝４の断面円弧状の面取部２０は、図６に示すように、上記ロールダイス３５に、面取部２０と対応する断面円弧状の型部３５ｂを設けておくことにより、ねじ溝４と同時に転造加工される。

この構成の自動車用ボールねじ１によると、ねじ軸２のねじ溝４の肩部に断面円弧状の面取部２０が形成されているため、ランド部２０を乗り超えてボール６が循環するときのボール６の循環が滑らかで、トルク変動が少なく、伝達効率にも優れたものとなる。すなわち、ボール６は駒部材７を通過するときに、駒部材７の連結溝９内に拘束されながらランド部２０上を、乗り超えて循環することになる。この循環時のボール６の動作が面取部２０によって円滑に行われる。面取部２０が設けられていると、ノイズレベルも低下するため、例えば電動パワーステアリング装置等のように音響特性が求められる自動車用の用途において、その要求特性に応じたものとできる。

また、このねじ軸２は転造加工によるため、生産性に優れている。この場合に、ロールダイス３５にねじ軸製品のねじ溝肩部に相当する部分に上記断面円弧状の型部３５ｂ（図６）を設けておくことで、ねじ溝４と同時に面取部２０が形成される。このように、ロールダイス３５に断面円弧状の型部３５ｂを設けておいて、ねじ溝４と同時に肩部の面取部２０を転造加工することは、ねじ軸２のねじ溝４となる部分の材料を塑性流動させ、肉が盛り上がってきた場合に、局部的な力の集中を防止し、割れの防止、あるいはスプリングバック量を小さくして精度良く加工するためにも有効である。
この転造加工法により、ねじ軸２のねじ溝肩部に容易に任意寸法の円弧状面取部２０を形成することが可能であるため、自動車用ボールねじ１のねじ軸２の加工においては、上記の転造加工が、性能面、生産性向上によるコスト面の両方から適している。

この成形性と、実際のボールねじ１を回転させた場合の作動性を考慮した場合、面取部２０の曲率半径ｒは、ボール６の半径Ｒの２．５〜２５％の範囲であることが好ましい。２５％を超えると、ボール６が押し付けられることで生じるねじ溝内面の応力発生範囲である接触楕円Ｐが、ねじ溝４の面取部２０に干渉する量が増加し、短寿命を引き起こす可能性がある。また、２．５％未満であると、面取部２０が小さ過ぎて、面取部２０を設けたことによる各種の効果が十分に得られない。

また、転造加工されるねじ軸２を使用する場合、そのランド部２１の不充足部分であるシーミング部２２の形状管理が不可欠である。シーミング部２２が大きいと、ランド部２１をボール６が乗り超えるときに、ボール６が落ち込むことがあり、その円滑な作動が妨げられる。したがって、面取部２０を設けるだけでなく、シーミング部２２の寸法を管理することが重要である。このシーミング部２２は、ランド部２１の軸方向長さａの１／２以下とすることで、滑らかなボール６の動作が得られる。

図７〜図９は、この実施形態に係るボールねじ１を使用した自動マニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）におけるシフト機構の一例を示す。このシフト機構３０は、ハウジング３１内に複数本平行に設置された進退自在な任意のシフトレール３２を、その長手方向（Ｙ方向）に移動させることで、シフト動作、つまり変速ギヤ（図示せず）の切換を行うものである。各シフトレール３２は、切欠３２ａを有していて、図８のシフトフィンガ３３が係合可能である。このシフトフィンガ３３の係脱により、進退動作させるシフトレール３２が選択される。

シフトフィンガ３３を上記選択のために進退させるを動作に、第１のモータ３４および第１のボールねじ３６が用いられる。また、シフトフィンガ３３を揺動させてシフトレール３２を進退させる動作に、図９の第２のモータ３５および第２のボールねじ３７が用いられる。これら第１および第２のボールねじ３６，３７に、上記実施形態の自動車用ボールねじ１が用いられる。ただし、第１のボールねじ３６は、そのナット３につき、トラニオン軸部１４がなく、係合溝１６が設けられたものとする。

図８において、ハウジング３１に第１のシャフト部材３８が進退自在に設置され、その外周にスリーブ３９が進退のみ自在に嵌合している。スリーブ３９は、第１のシャフト３８と一体に回動が可能である。このスリーブ３９に、上記シフトフィンガ３４が設けられている。第１のシャフト部材３８と平行に、第１のボールねじ３６のねじ軸２が配置されてハウジング３１に回転自在に支持され，ねじ軸２の一端は第１のモータ３４の出力軸にカップリング４０を介して回転伝達可能に連結されている。ボールねじ３６のナット３は、係合溝１６を有していて、この溝１６に、スリーブ３９に設けられた係合片４１がナット進退方向に係合する。この係合のため、モータ３４でボールねじ３６のねじ軸２を回転させることにより、そのナット３が進退し、ナット３と共に、スリーブ３９およびシフトフィンガ３３を進退させることができる。この進退により、任意のシフトレール３２の切欠３２ａにシフトフィンガ３３を係合させることができる。

図９において、第２のボールねじ３７のねじ軸２は、ハウジング３１に回転自在に設置されていて、モータ３５の出力軸にカップリング４２を介して回転伝達可能に連結されている。ボールねじ３７のナット３に設けられたトラニオン軸部１４は、レバー４４に設けられた係合切欠４４ａに係合している。レバー４４は、ハウジング３１に支持部４５によって回動自在に支持された回動シャフト４６と一体に固定されており、回動シャフト４６の軸心回りに正逆揺動自在である。第２のモータ３５により第２のボールねじ３７のねじ軸２を回転させると、ナット３が進退し、このナット３の進退により、レバー４４と共に回動シャフト４６が回動させられる。回動シャフト４６は、図８の第１のシャフト３８と平行に設けられていて、レバー等の駆動伝達手段（図示せず）を介し、その回動を第１のシャフト３８に伝達可能である。このため、第２のモータ３５で第２のボールねじ３７のねじ軸２を回転させ、これによりそのナット３を進退させることにより、レバー４４、回動シャフト４６、および第１のシャフト３８を介してスリーブ３９が回動させられる。このスリーブ３９の回動により、そのシフトフィンガ３４が係合したシフトレール３２を進退させ、変速ギヤ（図示せず）の切換動作が行える。

なお、上記実施形態では、自動車用ボールねじ１の循環形式を駒式としたが、この発明は循環形式を問わず適用でき、例えば、エンドキャップ式や、ガイドプレート式、リターンチューブ式等の自動車用ボールねじにも適用することができる。

（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるボールねじの一部省略断面図、（Ｂ）はそのねじ軸のねじ形状を示す部分拡大断面図である。 同ボールねじの正面図である。 そのねじ軸のランド部の部分拡大斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれナットの駒部材嵌合部分を示す部分展開図、同ナットの駒部材嵌合部分の縦断面図、および同駒部材の概略斜視図である。 転造加工設備の破断正面図である。 そのロールダイスの部分拡大正面図である。 同ボールねじを用いた手動マニュアルトランスミッションの切換機構の平面図である。 図７のＡ−Ａ線拡大断面図である。 図８のＢ−Ｂ線拡大断面図である。

符号の説明

１…ボールねじ
２…ねじ軸
３…ナット
４，５…ねじ溝
６…ボール
７…駒部材
２０…面取部
２１…ランド部
２２…シーニング部

Claims (4)

1. 自動車用アクチュエータに使用されるボールねじであって、ボールを転走させるねじ溝が対向して形成されたねじ軸およびナットと、前記対向するねじ溝間に介在した複数のボールとを備え、前記ねじ軸のねじ溝が転造加工されたものであり、前記ねじ軸のねじ溝の内面がねじ軸外径面に続く肩部に、断面円弧状の面取部が前記転造加工により形成されたことを特徴とする自動車用ボールねじ。
2. 請求項１において、前記円弧状の面取部の曲率半径が、ボールの半径の２．５〜２５％の範囲である自動車用ボールねじ。
3. 請求項１または請求項２において、前記ねじ軸のねじ溝間のランド部に前記転造加工で生じるシーニング部の軸方向長さを、ランド部の軸方向長さの１／２以下とした自動車用ボールねじ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記ナットのボール循環形式が、このナットのねじ溝同士を連結する駒部材を設けた駒式のものである自動車用ボールねじ。

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