CN102124251A - 滚珠丝杠装置 - Google Patents

Abstract

提供一种即使是在螺母因冷却而收缩时动摩擦转矩也不易上升的滚珠丝杠装置。此外，提供尽可能地提高了冷却效果并且不会导致加工效率的过度降低或压力损失的增加的滚珠丝杠装置。为此，该滚珠丝杠装置具备丝杠轴(10)、经由多个滚动体(30)与丝杠轴(10)螺合的螺母(20)以及冷却螺母(20)的冷却部(40)，在丝杠轴(10)的螺纹槽(10a)与螺母(20)的螺纹槽(20a)之间组装有多个滚动体(30)，所述多个滚动体(30)以两点接触状态被施加预压，且预压方向为拉伸方向。或者，使形成于螺母(20)的轴向的贯通孔(20b)的轴向的长度(L)与设于螺母(20)的轴向的贯通孔(20b)的直径(D)的比(L/D)满足“10≤L/D≤60”。

Description

滚珠丝杠装置

技术领域

本发明涉及滚珠丝杠装置，特别涉及能够冷却螺母的滚珠丝杠装置。

背景技术

以往，在具有丝杠轴和与该丝杠轴螺合并能够相对地旋转的进给螺母的丝杠装置中，由于在旋转时发生点接触或面接触，因而有时会在热源(例如所述进给螺母)设有冷却部。

作为这样的丝杠装置，公开了在所述进给螺母内配设供制冷剂循环的冷却管作为所述冷却部(热交换器)的丝杠装置(例如，专利文献1)。

此外，作为冷却所述进给螺母的技术，存在专利文献2所示的技术。具体来说，为这样的技术：使冷却介质通过设于进给螺母的轴向的冷却液用贯通孔(以下称作贯通孔。)，从而冷却该进给螺母。

专利文献1：日本特开昭52-63557号公报

专利文献2：日本特开2002-310258号公报

非专利文献1：千辉淳二(Junji CHIGIRA)著，传热计算法，第二版，工学图书株式会社，1981年，p18～97。

然而，在专利文献1公开的丝杠装置中，通过热交换器而被冷却的进给螺母发生热收缩，结果是存在着转矩上升的问题。

具体来说，丝杠装置的温度上升值θ以下述式子(1)表示。并且，在下述式子(1)中，t为经过时间，CM为丝杠装置的热容，β为来自丝杠装置的每单位时间、单位温度的散热量，Q为每单位时间由螺母产生的热量。

[数学式1]

$\mathrm{\θ}=\frac{Q}{\mathrm{\β}}[1-\exp (-\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{CM}}\·t)]$ ......式子(1)

此外，式子(1)中的Q由下述式子(2)表示。并且，在下述式子(2)中，T为动摩擦转矩，n为轴转速。

Q＝T×60n×2π/1000＝0.12πnT......式子(2)

如专利文献1所示，单纯冷却进给螺母的话，式子(1)中的β增大，然而如上所述地同时转矩上升的话，则根据式子(2)，Q也增大，由Q/β得到的温度上升值增大。因此，单纯冷却进给螺母的话，存在着整体的冷却效率变差的问题。

在此，图7和图8是示出每种预压形式中的预压方向与螺母的热收缩方向的关系的示意图。图7是示出使预压方向为压缩方向的两点接触状态的预压形式的图，图8是示出超尺寸滚珠预压状态的图。

如图7和图8所示，滚珠丝杠装置1具有丝杠轴10和隔着多个滚动体30相对于丝杠轴10螺合的螺母20。滚动体30在丝杠轴10的螺纹槽10a和螺母20的螺纹槽20a之间被预压。

在螺母20被冷却并产生了朝向中心方向的热收缩f的情况下，在图7和图8所示的预压状态下，螺母20向使预压载荷F_a0升高的方向收缩，使得动摩擦转矩上升。

另一方面，发明者们在冷却滚珠丝杠装置的螺母的时候，按照非专利文献1所示的努赛尔(Nusselt)方法推测出由该螺母的供冷却液通过的贯通孔的直径引起冷却效果大幅度地变化的情况，并借助实验确认了上述冷却效果的变化。

借助该实验得到的结论为，如果冷却介质的种类、流量相同，则贯通孔的直径越小，热传导率越高，冷却效果越高。

然而，若以得到好的冷却效果为目的而缩小贯通孔的直径，则存在产生以下所示的两个问题点的情况。

(1)由于贯通孔的加工成为直径小且长度长的孔的加工，因此加工效率变差，导致滚珠丝杠装置的成本升高。

(2)冷却介质通过时的压力损失增大。

发明内容

因此，本发明正是着眼于上述问题点而作出的，其目的在于，对于通过使冷却介质通过设于螺母内的轴向的贯通孔来进行冷却的滚珠丝杠装置，提供尽量提高了螺母的冷却效果的滚珠丝杠装置。

为了解决上述课题，本发明者们经过锐意研究，结果发现：通过采用基本不增加总的预压载荷的预压形式，即使是在螺母因冷却而收缩时，动摩擦转矩也不易上升。

此外，本发明者们发现：在通过使冷却介质通过设于螺母的轴向的贯通孔来进行冷却的滚珠丝杠中，通过限定贯通孔的轴向的长度L与贯通孔的直径D之比L/D，尽可能地提高了冷却效果，并且不会导致过度的加工效率降低或压力损失增加。

本发明是基于本发明者的上述发现而作出的，用于解决上述课题的本发明的一个实施方式涉及的滚珠丝杠装置的第一特征在于，该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部用于冷却所述螺母，

在所述丝杠轴的螺纹槽与所述螺母的螺纹槽之间组装有所述多个滚动体，所述多个滚动体以两点接触状态被施加了预压，且预压方向为拉伸方向。

此外，本发明的其他实施方式涉及的滚珠丝杠装置的特征在于，该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部使冷却介质通过设于所述螺母的轴向的贯通孔，通过使冷却介质通过设于所述螺母的轴向上的贯通孔来冷却所述螺母，

使所述贯通孔的轴向的长度L与所述贯通孔的直径D的比L/D满足下述式子(A)：

10≤L/D≤60......式子(A)。

此外，本发明的其他实施方式涉及的滚珠丝杠装置的特征在于，该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部用于冷却所述螺母，

在所述丝杠轴的螺纹槽与所述螺母的螺纹槽之间组装有所述多个滚动体，所述多个滚动体被施加了与冷却所述螺母时产生的所述螺母的收缩的收缩方向相反方向的预压。

此外，本发明的其他实施方式涉及的滚珠丝杠装置的特征在于，该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部用于冷却所述螺母，

所述螺母为将两个螺母隔着衬垫连结起来而成的双螺母，在该两个螺母和所述衬垫形成有供所述冷却部的冷却液通过的冷却液用贯通孔，在所述衬垫的冷却液用贯通孔的两开口部设置有O型环，并且在所述丝杠轴的螺纹槽与所述螺母的螺纹槽之间组装有所述多个滚动体，所述多个滚动体被施加了与冷却所述螺母时产生的所述螺母的收缩的收缩方向相反方向的预压。

根据本发明的各实施方式，能够提供尽量提高了螺母的冷却效果的滚珠丝杠装置。

根据本发明的一个实施方式涉及的滚珠丝杠装置，在螺母具备冷却部，并且所述螺母的预压方式为拉伸方向的两点接触预压，因此虽然向径向的收缩向提高预压载荷的方向作用，但向轴向的收缩以降低预压载荷的方式作用，因此总的预压载荷基本不增加。因此，能够提供即使是在螺母因冷却而收缩时动摩擦转矩也不易上升的滚珠丝杠装置。即，能够防止与动摩擦转矩的上升相伴的滚珠丝杠的温度上升，其结果是，能够提供尽量提高了螺母的冷却效果的滚珠丝杠装置。

根据本发明的其他实施方式涉及的滚珠丝杠装置，通过将所述贯通孔的轴向的长度L与所述贯通孔的直径D的比L/D限定为上述式子(A)，能够考虑到热传导率、丝杠轴与冷却介质的温度差、丝杠轴内的与冷却介质相接的面的面积，提供兼顾冷却效果和整体成本的理想的滚珠丝杠装置1。

此外，根据本发明的其他实施方式涉及的滚珠丝杠装置，能够防止螺母的冷却时预压转矩的增大。

此外，根据本发明的其他实施方式涉及的滚珠丝杠装置，能够防止螺母与衬垫之间的冷却介质的泄漏。

附图说明

图1是示出第一实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的沿轴向的剖视图。

图2是示出第一实施方式涉及的滚珠丝杠装置的、以拉伸方向作为预压方向的两点接触状态的预压状态与收缩的关系的图。

图3是示出第二实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的沿轴向的剖视图。

图4是示出同时测定驱动实施例1的滚珠丝杠装置、并冷却螺母时的螺母的温度上升值和转矩的结果的图表。

图5是示出同时测定驱动比较例1的滚珠丝杠装置、并冷却螺母时的螺母的温度上升值和转矩的结果的图表。

图6是示出比较例1的滚珠丝杠装置的结构的沿轴向的剖视图。

图7是示出以压缩方向为预压方向的两点接触状态的预压状态与收缩的关系的图。

图8是示出超尺寸滚珠预压状态与收缩的关系的图。

图9是示出第三实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的侧视图。

图10是示出在第三实施方式中，使贯通孔20b的轴向的长度L固定，而仅使贯通孔20b的直径D变化时，L/D的计算结果与冷却效果的关系的图表。

图11是示出在第三实施方式中，一并示出了以表4的TP2(L/D＝30)时的温度上升值为基准的情况下的其他的TP的温度上升值以及计算结果的表示L/D与冷却效果的关系的图表。

图12是示出在第三实施方式中，以能够在保证贯通孔20b的形状和表面粗糙度的同时进行加工的最大进给速度验证加工效率时的L/D与冷却效果和加工效率的关系的图表。

图13是示出在第三实施方式中，当热流Q’恒定的情况下的L/D与冷却效果和压力损失的关系的图表。

图14是示出第四实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的剖视图。

图15是示出第五实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的剖视图，(a)是沿图1的15a-15a线的剖视图，(b)是(a)的A部放大图。

图16是示出第五实施方式涉及的滚珠丝杠装置的内插部件的结构的立体图。

图17是示出相当于第六实施方式的滚珠丝杠的图，仅将螺母剖面图示出。

图18是图17的滚珠丝杠装置的箭头B方向视图。

图19是说明与流路截面的变化相伴的压力损失的图，示出的是上游侧的流路的截面积比下游侧的流路的截面积小的情况。

图20是用于说明与流路截面的变化相伴的压力损失的图，示出的是上游侧的流路的截面积比下游侧的流路的截面积大的情况。

图21是说明与流路截面的变化相伴的流速的变化的图，示出的是将截面相同的四个流路与流体导入配管并联连接的情况。

图22是说明第六实施方式涉及的滚珠丝杠装置的流路的入口和出口的设计方法的图，示出了冷却效果高的例子(a)和冷却效果低的例子(b)。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，对本发明涉及的滚珠丝杠装置的第一实施方式参照附图进行说明。图1是示出本实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的沿轴向的剖视图。

如图1所示，本实施方式的滚珠丝杠装置1具有丝杠轴10和螺母20。丝杠轴10和螺母20经由多个滚动体30螺合。螺母20形成为内径比丝杠轴10的外径大的筒状。以与形成于丝杠轴10的外周面的螺旋状的螺纹槽10a对置的方式在螺母20的内周面形成有螺纹槽20a。滚动体30能够在由螺纹槽10a和螺纹槽20a形成的滚动路径中滚动。

此外，在螺母20形成有沿轴向贯通的贯通孔20b。该贯通孔20b被用作冷却介质的通路，并且该贯通孔20b与用于使冷却介质在贯通孔20b内循环的循环装置(未图示)连接。该循环装置和贯通孔20b构成冷却部40。这样，通过用未图示的循环装置使冷却介质在贯通孔20b内循环，来将螺母20冷却。

在丝杠轴10的螺纹槽10a与螺母20的螺纹槽20a之间，组装有多个滚动体30，所述多个滚动体30以预压载荷F_a0受到变位导程(offset lead)预压(两点接触预压)，且预压方向为拉伸方向。

图2是示出以拉伸方向作为预压方向的两点接触状态的预压状态与收缩的关系的图。

如图2所示，在对螺母20施加拉伸方向的两点接触预压的情况下，朝向径向的热收缩f₁向提高预压载荷F_a0的方向作用，不过由于向轴向的热收缩f₂以降低预压载荷F_a0的方式作用，因此总的预压载荷基本不增加。

因此，在本实施方式涉及的滚珠丝杠装置1中，通过对螺母20施加拉伸方向的两点接触预压，即使冷却螺母20，预压转矩也不增大，能够有效地冷却滚珠丝杠装置1整体。

即，在丝杠轴10的螺纹槽10a与螺母20的螺纹槽20a之间组装有多个滚动体30，所述滚动体30被施加了与冷却螺母20时产生的螺母20收缩的收缩方向相反方向的预压。

(第二实施方式)

图3是示出第二实施方式涉及的滚珠丝杠装置的图。如图3所示，相对于第一实施方式中采用变位导程预压作为预压方式，本实施方式采用了双螺母预压方式。

具体来说，如图3所示，本实施方式的滚珠丝杠装置1在公共的丝杠轴10上设有经由多个滚动体30与该丝杠轴10螺合的第一螺母20A和第二螺母20B以及衬垫50。衬垫50形成为内径与第一螺母20A和第二螺母20B的内径大致相同的圆环状，衬垫50用于阻止第一螺母20A与第二螺母20B的相对旋转。此外，通过设置衬垫50，对组装于第一螺母20A和第二螺母20B各自的螺纹槽21a、22a与滚珠丝杠10的螺纹槽10a之间的多个滚动体30以预压载荷F_a0施加两点接触状态的预压。另外，预压方向与第一实施方式一样，为拉伸方向。

实施例

以下，对本实施方式涉及的滚珠丝杠装置的实施例进行说明。

图4是示出同时测定将所述第一实施方式的滚珠丝杠装置(参照图1)作为实施例1的滚珠丝杠装置进行驱动、并在驱动的过程中冷却螺母时的螺母的温度上升值和转矩的结果的图表。

此外，图5是示出同时测定驱动比较例1的滚珠丝杠装置、并在驱动的过程中冷却螺母时的螺母的温度上升值和转矩的结果的图表。

在表1示出实施例1和比较例1的滚珠丝杠装置的结构，在表2示出实施例1和比较例1的驱动条件，在表3示出实施例1和比较例1的冷却条件。

在此，如图6所示，比较例1的滚珠丝杠装置的结构为在螺纹槽10a和螺纹槽20a之间组装有被施加了超尺寸滚珠(over size ball)预压(四点接触预压)的多个滚动体30，这一点与实施例1不同。

另外，在图4和图5中，螺母的温度急剧降低时即冷却开始时。

[表1]

滚珠丝杠规格

	两点接触滚珠丝杠	四点接触滚珠丝杠
			轴径	50mm	50mm

导程	25mm	25mm
			钢球直径	7.1438mm	7.1438mm
有效珠卷数	2.7卷×1列	2.7卷×1列
			预压方式	变位导程预压	超尺寸滚珠预压

[表2]

运转条件(两点接触、四点接触共用)

试验机	NSK制转矩测定机
		预压载荷	150Ncm
平均转速	241mm-1

[表3]

冷却条件

如图4和图5所示可知，在冷却开始时，实施例1和比较例1的螺母的温度均降低，不过可知实施例1的滚珠丝杠装置的轴的温度降低比较多。在滚珠丝杠装置驱动的进给系统中，直接影响工作台精度的轴的温度变化是重要的。

此外，着眼于转矩的变化的话，在比较例1中，转矩上升到冷却前的大约2倍。这是因为，由冷却引起螺母的热收缩，该热收缩的方向与预压方向一致，从而使得预压载荷升高。该发热淡化了基于冷却的散热效果，结果是整体的冷却效果降低。此外，导致了过大预压，结果使得滚珠丝杠装置的寿命降低。

与此相对，实施例1的滚珠丝杠装置的转矩在冷却前后基本没有变化。这是因为，在螺母因冷却而热收缩的方向中，虽然在径向预压载荷提高了，不过在轴向则向降低预压载荷的方向作用，两个方向上相互作用。其结果是，在实施例1的滚珠丝杠装置中，能够不受螺母的热收缩的影响而得到很好的冷却效果。

(第三实施方式)

图9是示出第三实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的侧视图。如图9所示，在本实施方式的滚珠丝杠装置中，本实施方式的滚珠丝杠装置1具有丝杠轴10和螺母20。丝杠轴10与螺母20经由多个滚动体30螺合。螺母20形成为内径比丝杠轴10的外径大的筒状。以与形成于丝杠轴10的外周面的螺旋状的螺纹槽10a对置的方式，在螺母20的内周面形成有螺纹槽20a。滚动体30能够在由螺纹槽10a和螺纹槽20a形成的滚动路径中滚动。

此外，在螺母20形成有沿轴向贯通的贯通孔20b(在图9中，沿螺母20的轴向形成有三个贯通孔20b)。这些贯通孔20b被用作冷却介质的通路，并且用于使冷却介质在贯通孔20b内循环的循环装置(未图示)与滚珠丝杠装置1连接。该循环装置和贯通孔20b构成冷却部40。冷却部40包括连结所述循环装置和贯通孔20b以使冷却介质流入贯通孔20b的管41和使冷却介质从贯通孔20b流出的管41。这样，通过用未图示的循环装置使冷却介质在贯通孔20b内循环，来将螺母20冷却。

在此，根据非专利文献1，当α为热传导率、Δθ为丝杠轴10与冷却介质的温度差、F为丝杠轴10内的与冷却介质相接的面的面积时，在制冷剂以紊流状态流过贯通孔20b内的情况下的热流Q’以下述式子(3)表示，

[数学式2]

Q’＝α·Δθ·F......式子(3)

此外，当π为流体的热传导率、D为贯通孔20b的直径、Nu_m为努赛尔数(NusseltNumber)、L为贯通孔20b的轴向的长度时，热传导率α以及丝杠轴10内的与冷却介质相接的面的面积F以下述式子(4)和式子(5)表示。

[数学式3]

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\λ}}{D}{\mathrm{Nu}}_m$ ......式子(4)

F＝πd·L......式子(5)

在此，当Re_m为雷诺数(Reynolds number)、Pr_m为普朗特数(Prandtl number)时，上述努赛尔数Nu_m以下述式子(6)表示。

[数学式4]

${\mathrm{Nu}}_m={{0.036\mathrm{Re}}_m}^{0.8}\·{{\mathrm{Pr}}_m}^{1/3}{\left(\frac{D}{L}\right)}^{0.055}......\left(6\right)$

另外，当u_m为冷却介质的流速、v为冷却介质的运动粘度、a为冷却介质的温度传导率时，雷诺数Re_m和普朗特数Pr_m分别以下述式子(7)和式子(8)表示。

[数学式5]

${\mathrm{Re}}_m=\frac{D\·u_m}{v}$ ......式子(7)

${\mathrm{Pr}}_m=\frac{v}{a}$ ......式子(8)

在此，当w为冷却介质的流量、A为贯通孔20b的截面积时，冷却介质的流速u_m以下述式子(9)表示。

[数学式6]

$u_m=\frac{W}{A}$ ......式子(9)

另外，贯通孔20b的截面积A以下述式子(10)表示。

[数学式7]

$A=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}$ ......式子(10)

将以上的式子(4)～(10)代入式子(3)并整理的话，热流Q’以下述式子(11)表示。

[数学式8]

$Q^{,}=0.109\·\mathrm{\λ}\·\mathrm{\Δ\θ}\·\mathrm{\π}{\left(\frac{w}{\mathrm{v\π}}\right)}^{0.8}\·{\left(\frac{v}{a}\right)}^{1/3}\·L^{0.945}\·D^{-0.745}$ ......式子(11)

如果冷却介质的种类、流量不变的话，式子(11)是冷却液通过的贯通孔20b的长度与贯通孔20b的直径的函数，其表示：贯通孔20b的长度越长则热交换进行得越多，贯通孔20b的直径越小则热交换进行得越多。即，冷却效果提高。若将此置换成螺母20的设计来看的话，可以说是贯通孔20的轴向的长度L与贯通孔20b的直径D的比率即L/D大，则冷却效果高。在实际的螺母20的设计中，上述中的贯通孔20b的轴向的长度L大多根据载荷条件、要求寿命、要求精度等确定，在设计具有冷却部的螺母20时，贯通孔20b的直径D为重要的参数。

因此，在通过使冷却介质通过一条贯通孔20b来冷却螺母20的情况下，将贯通孔20b的轴向的长度L固定而仅使贯通孔20b的直径D变化时的L/D与冷却效果的关系在图10中示出。在图10中，关于冷却效果(纵轴)的数值，测定滚珠丝杠在单纯往复运动时的饱和温度上升值，用以L/D＝30的值为基准(＝1)的比来表示。如图10所示，L/D低于10的话，冷却效果大幅降低，L/D在10以上时冷却效果大致线性地提高。由此可知，L/D如下述式子(12)所示，优选尽量大的值。

[数学式9]

$\left(\frac{L}{D}\right)\≥10$ ......式子(12)

在此，对式子(12)所示的关系和以下述表4所示的试验条件进行了实验的滚珠丝杠装置1进行比较评价。

图11是示出在本实施方式中，一并示出了以表4的TP2(L/D＝30)时的温度上升值为基准的情况下的其他的TP的温度上升值以及图10的计算结果的表示L/D与冷却效果的关系的图表。如图11所示，确认到实验结果与计算结果基本良好地一致，能够通过实验确认上述计算方法。

[表4]

根据图11，在螺母20设有冷却部的情况下，贯通孔20b的轴向的长度L与贯通孔的直径的比率L/D最好尽量大，不过在该值过大的情况下存在以下两点问题。

(1)贯通孔20b的加工成为直径小的长孔加工，因此加工效率降低，导致滚珠丝杠装置的成本上升。

(2)冷却介质通过时的压力损失增大。

在此，对于上述(1)的问题点，验证了在加工上述螺母20时贯通孔20b的轴向的长度L与贯通孔的直径的比率L/D和加工效率的关系，因此图12中表示将该结果与图11重合的情况。在图12中，关于纵轴的加工效率的数值，测定能够在保证贯通孔20b的形状和表面粗糙度的同时进行加工的最大进给速度下的贯通孔20b的加工时间，用以L/D＝30时的值为基准(＝1)的比来表示。

根据图12可知，自L/D超过60时起加工效率急剧地下降。这是因为，随着工具直径变小，工具刚性降低，因此为了防止工具破损，不得不降低加工速度，此外由于是长度大的加工，因此用于排出切屑的去除动作(非加工时间)增加。因此可知，L/D的范围优选为下述式子(13)。

[数学式10]

$\left(\frac{L}{D}\right)\≤60$ ......式子(13)

此外，当ζ为贯通孔20b内的摩擦损失系数、ρ为流体的密度、u_m为流速时，以紊流状态流过贯通孔20b内的流体在出入口的压力损失h以下述式子(14)表示。

[数学式11]

$h=\mathrm{\ζ}\frac{L}{D}\·\frac{\mathrm{\ρ}\·{u_m}^2}{2}$ ......式子(14)

在此，如果流量恒定的话，根据式子(9)、(10)，压力损失、流量w与贯通孔20b的直径D的关系如下。

[数学式12]

$h\∝\frac{w^2}{D^5}$ ......式子(15)

在此，将流量Q’恒定的情况下的L/D与冷却效果和压力损失的关系以图13示出。图13是将在流量Q’恒定的情况下的L/D与压力损失的关系与图11重叠得到的图。在此，压力损失按照右侧的轴示出。由此可知，自L/D超过40时起，压力损失急剧地升高。

在冷却滚珠丝杠装置1时，需要将通过具有泵或冷却机的冷却部而冷却了的冷却介质供给到滚珠丝杠装置，为了使该冷却部更加紧凑，或者抑制冷却部自身的发热，需要尽量减小滚珠丝杠装置1内的压力损失。

即，可知L/D的范围优选为下述式子(16)。

[数学式13]

$\left(\frac{L}{D}\right)\≤40$ ......式子(16)

根据以上结果，在具有冷却螺母20的结构的滚珠丝杠装置1中，为了兼顾冷却效果和螺母20的加工效率，根据式子(12)、(13)，优选贯通孔20b的轴向的长度L与贯通孔20b的直径D的比处于下述式子(A)的范围。

[数学式14]

$10\≤\left(\frac{L}{D}\right)\≤60$ ......式子(A)

进而，为了实现冷却部的负载降低，根据式子(12)、(15)，使贯通孔20b的轴向的长度L与贯通孔20b的直径D的比如下述式子(17)所示的话，能够提供兼顾了冷却效果和总成本的理想的滚珠丝杠装置1。

[数学式15]

$10\≤\left(\frac{L}{D}\right)\≤40$ ......式子(17)

在上述的说明中，对在螺母内形成有一条贯通孔的滚珠丝杠装置进行了计算，然而如图9所示，在螺母内沿轴向并排设置多条贯通孔并使这些多条贯通孔连结，在采用这样的形态的滚珠丝杠装置中，将上述计式子的L以4L(例如在螺母内并排设置四条贯通孔的情况下)等进行计算即可。

(第四实施方式)

接着，参照附图对第四实施方式涉及的滚珠丝杠装置在以下进行说明。另外，本实施方式涉及的滚珠丝杠装置仅衬垫50相对于第一螺母20和第二螺母30的设置形态与上述第二实施方式(参照图3)不同。因此，对于标示与第二实施方式相同的标号的同样的结构省略说明。

图14(a)、(b)是示出第四实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的剖视图。图14(b)是图14(a)的变形例。

如图14(a)所示，在构成螺母20的两个螺母(第一螺母20A和第二螺母20B)与衬垫50之间设有O型环70。具体来说，在第一螺母20A和第二螺母20B各自与衬垫50接触的接触面21A、21B，以包围贯通孔20b、20b的一个(接触面22A、22B侧)开口部的方式形成有圆环状的第一收纳部23A、23B。并且，在第一收纳部23A、23B中收纳有包围贯通孔20b、20b的圆环状的O型环70。这样，通过在第一螺母20A和第二螺母20B与衬垫50之间设置O型环70，形成了冷却介质不会从该部分泄漏的结构。另外，如果与衬垫50的密封状态足够好的话，也可以在第一螺母20A和第二螺母20B中的任意一方设置O型环70，不是必须在第一收纳部23A、23B两者都设置O型环70。

此外，作为图14(a)所示的滚珠丝杠装置的结构的变形例，如图14(b)所示，也可以将设置于衬垫50与螺母20A、20B之间的O型环70设置于衬垫50侧。具体来说，在衬垫50的与第一螺母20A对置的一个面50a、以及衬垫50的与第二螺母20B对置的另一个面50b，分别以包围贯通孔51的一个开口部分的方式形成圆环状的第二收纳部(凹部)52，并在这些第二收纳部52设置O型环70。另外，如果第一螺母20A和第二螺母20B的任意一方的密封状态足够好，则只要在一个面50a和另一个面50b中的任意一个面设置O型环70即可，不是必须在两个面50a、50b这两个面都设置第二收纳部52、52。

这样，通过将O型环70形成于衬垫50侧，例如在衬垫50侧形成第二收纳部52即可，因此能够原样留用现有的螺母，能够降低制造成本。

(第五实施方式)

接下来，参照附图对第五实施方式涉及的滚珠丝杠装置在以下进行说明。另外，本实施方式涉及的滚珠丝杠装置是对上述的第一实施方式中的贯通孔20b的结构进行详细叙述的实施方式。因此，对标示与第一实施方式相同标号的同样的结构省略说明。

图15是示出第五实施方式涉及的滚珠丝杠装置的结构的剖视图，(a)是沿图1中的15a-15a线的剖视图，(b)是(a)的A部放大图。此外，图16是示出第五实施方式涉及的滚珠丝杠装置的内插部件的结构的立体图。

如图15(a)所示，在本实施方式中，在贯通孔20b的内部配设有沿该贯通孔20b的长度方向延伸的内插部件60。该内插部件60的截面形状形成为：使贯通孔20b的流路的截面积减小、且使内插部件60与贯通孔20b的内周面的接触面积尽可能小。具体来说，如图15(b)所示，在贯通孔20b的内部配设有具有菱形形状的截面形状的内插部件60。该具有菱形形状的截面形状的内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，在贯通孔20b的截面中与贯通孔20b的内表面通过四点进行接触。

另外，关于该内插部件60的形状，只要是沿贯通孔20b的长度方向延伸、使贯通孔20b的流路的截面积减小、且尽可能地减小与贯通孔20b的内周面的接触面积，则并不特别限定。

此外，内插部件60也可以具有将贯通孔20b沿其长度方向分为多条流路的截面形状。

在图16(a)～(f)示出了内插部件60的具体的形状。

图16(a)所示的内插部件60的截面形状为圆形，该内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，并且以在贯通孔20b的截面中不与贯通孔20b的内表面接触的方式配设于贯通孔20b的内部。另外，通过该内插部件60在贯通孔20b内并未形成多条流路。

图16(b)所示的内插部件60的截面形状为圆形，该内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，并且以在贯通孔20b的截面中与贯通孔20b的内表面在一点进行接触的方式配设于贯通孔20b的内部。另外，通过该内插部件60在贯通孔20b内并未形成多条流路。

图16(c)所示的内插部件60的截面形状为矩形，该内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，并且以在贯通孔20b的截面中与贯通孔20b的内表面在四点进行接触从而形成四条流路的方式配设于贯通孔20b的内部。

图16(d)所示的内插部件60的截面形状为三角形，该内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，并且以在贯通孔20b的截面中与贯通孔20b的内表面在三点进行接触从而形成三条流路的方式配设于贯通孔20b的内部。

图16(e)所示的内插部件60为图15(b)所示的截面形状的内插部件60，其截面形状为菱形形状，该内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，并且以在贯通孔20b的截面中与贯通孔20b的内表面在四点进行接触从而形成四条流路的方式配设于贯通孔20b的内部。

图16(f)所示的内插部件60的截面形状为两个圆形接触的形状，该内插部件60沿贯通孔20b的长度方向延伸，并且以在贯通孔20b的截面中与贯通孔20b的内表面在两点进行接触从而形成两条流路的方式配设于贯通孔20b的内部。

图16(a)～(f)所示的内插部件60中，图16(c)～(f)所示的内插部件60在贯通孔20b内形成多条截面小的流路，因此具有提高冷却液的流速的效果。不过，在循环装置(未图示)的压送容量小的情况下，过度增大内插部件60的截面积，则无法借助配管阻力来提高流速，因此需要根据所述循环装置的压送容量确定内插部件60的形状(截面形状和与贯通孔20b的内周面的接触面积)。

此外，被冷却物(螺母20)与贯通孔20b内的冷却介质的热交换通过贯通孔20b的内表面进行，因此优选内插部件60的形状为与贯通孔20b的内周面接触的部分尽量少的形状。即，图16(d)所示的形状的内插部件60比图16(c)、(e)所示的形状的内插部件60优选，而图16(f)所示的形状的内插部件60更为优选，图16(b)所示的形状的内插部件60进一步优选，图16(a)所示的形状的内插部件60特别优选。

在此，一般来说，当u_m为冷却介质的流速、v为冷却介质的运动粘度、a为冷却介质的温度传导率时，影响冷却效果的雷诺数Re_m以下述式子(18)表示。

[数学式16]

${\mathrm{Re}}_m=\frac{D\·u_m}{v}$ ......式子(18)

在此，当w为冷却介质的流量、A为贯通孔20b的截面积时，冷却介质的流速u_m以下述式子(19)表示。

[数学式17]

$u_m=\frac{w}{A}$ ......式子(19)

另外，贯通孔20b的截面积A以下述式子(20)表示。

[数学式18]

$A=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}$ ......式子(20)

将以上的式子(19)和(3)代入式子(18)并整理的话，雷诺数Re_m以下述式子(21)表示。

[数学式19]

${\mathrm{Re}}_m=\frac{4w}{\mathrm{\πvD}}$ ......式子(21)

由此可知，在冷却介质的流量w恒定的情况下，贯通孔20b的直径D小，则式子(21)所表示的雷诺数Re_m升高。不过，贯通孔20b的直径D缩小必须处于不会发生过度的压力损失的范围内。

另一方面，被冷却物(螺母20)与贯通孔20b内的冷却介质之间的热交换与被冷却物(螺母20)同贯通孔20b内的冷却介质的接触面积成比例。

考虑以上情况可知，为了提高雷诺数Re_m，要减小贯通孔20b的直径D，为了增加所述接触面积要增加贯通孔20b的数量，这是高效地冷却被冷却物(螺母20)的方法。然而，形成截面积小的贯通孔20b且增加该贯通孔20b的数量会引起加工效率的降低，结果会导致加工成本的大幅增加。

因此，在本实施方式中，在贯通孔20b的内部配设内插部件60，借助于该内插部件60的配设来形成直径小的贯通孔且增加所述接触面积，由此实现了提高雷诺数Re_m的结构。

通过采用该结构，将上述贯通孔20b的直径D置换为等同直径D_e并像下述式子(22)那样表示。在此，在下述式子(22)中，等同直径D_e指的是假设存在截面积与冷却液的流路的截面积相同的圆的情况下该圆的直径。即，内插部件的截面积越大则等同直径D_e越小，从而通过将该等同直径D_e代入上述式子(21)的D而求得的雷诺数Re_m提高(冷却效果提高)。另外，由于设于螺母的贯通孔的直径D不变，因此加工效率是同等的。此外，A_d为流路的截面积。此外，L_wet指的是从贯通孔的圆周长度减去内插部件与贯通孔的内表面相接的接触部分的长度而得到的长度。即，在图16(a)～(f)所示的内插部件的设置形态中，图16(a)的形态中，L_wet与贯通孔的圆周长度相等，图16(b)、(f)的形态中，L_wet与贯通孔的圆周长度大致相等，图16(c)、(e)的形态中，L_wet与从贯通孔的圆周长度减去内插部件与贯通孔的内表面相接的四个部位的接触部分的长度而得到的长度相等，图16(d)的形态中，L_wet与从贯通孔的圆周长度减去内插部件与贯通孔的内表面相接的三个部位的接触部分的长度而得到的长度相等。

[数学式20]

$D_e=\frac{4A_d}{L_{\mathrm{wet}}}$ ......式子(22)

如以上说明所述，根据本实施方式的滚珠丝杠装置1，由于在贯通孔20b配设有沿贯通孔20b的长度方向延伸的内插部件60，因此能够减小贯通孔20b的流路的截面积，并确保通过贯通孔20b的冷却介质与贯通孔相接触的面积较大。因此能够提供尽量提高了冷却效果而不会导致加工效率过度降低的滚珠丝杠装置1。

此外，在本实施方式的滚珠丝杠装置1中，内插部件60形成为具有将贯通孔20b沿其长度方向分为多条流路的截面形状，由此仍然确保了冷却介质与贯通孔相接的面积较大，并且形成多条截面积减小了的贯通孔20b的流路，因此冷却液的流速提高，能够更为高效地减少加工效率的过度降低。在此，将本实施方式的结构应用到形成于螺母内的贯通孔为一个的滚珠丝杠装置，或者应用到在螺母形成多个贯通孔的滚珠丝杠装置，均能够提供具有更高冷却效果并防止了加工效率过度降低的滚珠丝杠装置1。

(第六实施方式)

接下来，参照附图对第六实施方式涉及的滚珠丝杠装置在以下说明。

图19是说明与流路截面的变化相伴的压力损失的图，示出的是上游侧的流路的截面积比下游侧的流路的截面积小的情况。此外，图20是用于说明与流路截面的变化相伴的压力损失的图，示出的是上游侧的流路的截面积比下游侧的流路的截面积大的情况。此外，图21是说明与流路截面的变化相伴的流速的变化的图，示出的是将截面相同的四个流路相对于流体导入配管并联连接的情况。此外，图22是说明本发明的滚珠丝杠的流路的入口和出口的设计方法的图，示出了冷却效果高的例子(a)和冷却效果低的例子(b)。此外，图17是图16的滚珠丝杠装置的箭头B方向视图。

本实施方式的滚珠丝杠装置具备：在内周面形成有螺旋槽的螺母、在外周面形成有螺旋槽的丝杠轴、以及配置于由螺母的螺旋槽和丝杠轴的螺旋槽形成的轨道槽之间的滚珠。在螺母形成有多个沿轴向贯通该螺母的(冷却用)贯通孔。相邻的贯通孔的截面形状和截面积相同或者大致相同。这些贯通孔在螺母的轴向端部通过流路截面的形状和面积相同或者大致相同的流路形成部件串联连接从而形成流路。在该流路的入口和出口串联连接有流路截面的形状和面积相同或者大致相同的冷却介质导入配管和冷却介质排出配管。

根据这样的结构，相比于将相邻的贯通孔与跟这些贯通孔截面积不同的流路形成部件连接形成流路的结构，能够提供在流路内流动的冷却介质的压力损失小且冷却效率高的滚珠丝杠装置。

以下，参照附图对该实施方式详细地进行说明。

如图17所示，该实施方式的滚珠丝杠具备螺母1、丝杠轴2、滚珠3、半圆弧状的管(流路形成部件)4、冷却液导入配管(冷却介质导入配管)5、冷却液排出配管(冷却介质排出配管)6以及连接器81～84。在图17中，省略了滚珠循环部件和密封件。

在螺母20的内周面形成有螺旋槽20a。在丝杠轴10的外周面形成有螺旋槽10a。在由螺母20的螺旋槽20a和丝杠轴10的螺旋槽10a形成的轨道槽之间配置有滚珠30。在螺母20的轴向一端形成有凸缘24。

在螺母20，沿轴向贯通的两个贯通孔20b、20b形成于在螺母20的直径方向上对置的位置。在螺母20的靠凸缘24侧的端部，通过半圆弧状的管4将这些贯通孔20b、20b连接起来。管4的一端与贯通孔20b用连接器81连结。管4的另一端与贯通孔20b用连接器82连结。由此，形成了由贯通孔20b、20b和管4构成的流路。

贯通孔20b的未与管4连接的端部经连接器83与冷却液导入配管5连接。贯通孔20b的未与管4连接的端部经连接器84与冷却液排出配管6连接。即，该流路的入口和出口设于贯通孔20b、20b的未通过管4进行连接的端部。

由此，冷却液按照冷却液导入配管5→连接器83→螺母20的贯通孔20b→连接器81→管4→连接器82→螺母20的贯通孔20b→连接器84→冷却液排出配管6的顺序流动。在该冷却液的流动中，利用贯通孔20b、20b内的冷却水的流动直接冷却螺母20。

根据该实施方式的滚珠丝杠，由螺母20的贯通孔20b、20b和管4构成的流路、与该流路的出入口连接的冷却液导入配管5和冷却液排出配管6中，流路截面(流路的截面形状和截面积)全都相同，因此冷却液的压力损失变小。因此，提高了冷却效果，减轻了冷却液供给用泵的负担。

此外，由于两个贯通孔20b、20b相对于冷却液导入配管5串联连接，因而流速保持恒定，由此，与将两个贯通孔20b、20b相对于冷却液导入配管5并联连接的情况那样在分支点处流路截面增大而流速降低的情况相比，冷却效果有所提高。

对本实施方式的作用在以下进行说明。

首先，对与流路的截面积的变化相伴的压力损失在以下进行说明。

如图19所示，在上游侧的流路201的截面积A₁比下游侧的流路202的截面积A₂小的情况下，当设流路201的平均流速为V₁、流路202的平均流速为V₂、重力加速度为g时，根据伯努利定理，压头损失h’以下述式子(23)表示。

h＝(V₁-V₂)/2g＝ζ·V₁ ²/2g......式子(23)

其中，ζ＝(1-A₁/A₂)²。

由式子(23)可知，当

时压头损失h达到最小。

如图20所示，在上游侧的流路201的截面积A₁比下游侧的流路202的截面积A₂大的情况下，当设流路201的平均流速为V₁、流路202的平均流速为V₂、重力加速度为g时，根据伯努利定理，压头损失h以下述式子(24)表示。

h’＝(V₂-V₁)/2g＝ζ’·V₂ ²/2g......式子(24)

其中，ζ’＝(A₁/A₂-1)²。

由式子(24)可知，当

时压头损失h’达到最小。

根据以上分析，通过使上游侧的流路201的截面积A₁与下游侧的流路202的截面积A₂相同，能够减少压力损失。

因此，通过使由螺母的贯通孔和流路形成部件形成的流路以及与该流路的出入口连接的配管的流路截面的形状和面积尽量相同(相同或者大致相同)，能够减小所述流路的出入口和所述流路内的冷却介质的压力损失。

另外，特别发挥该能够减小压力损失的效果的情况为油等粘性高的流体(运动粘性系数在1.585mm²/s以上)的情况和紊流(雷诺数在3000以上)的情况。

对与流路的截面积的变化相伴的流速的变化在以下进行说明。

如图21所示，当将截面的形状和面积相同的四个流路相对于截面的形状和面积相同的流体导入配管并联连接的时候，在通往各流路的分支点处流路截面积为各流路的四倍。与此相对地，在将截面的形状和面积相同的四个流路串联连接并在其一端连接截面的形状和面积相同的流体导入配管的情况下，流路截面积没有变化。

当设流量为Q、流路截面积为A时，流速V以下述式子(25)表示。

V＝Q/A......式子(25)

根据式子(25)可知，冷却介质的流速越快则散热量越大，冷却效果越高，因此流路截面积越大则相反地冷却效果越低。

根据以上情况可知，当连接多条冷却流路时，采用串联连接而非并联连接的话，能够得到高冷却效果。

因此，例如图22(a)所示，通过流路形成部件4连接螺母20的贯通孔20b、20b来形成流路，将该流路的入口5a和出口6a设于贯通孔20b、20b的未通过流路形成部件4进行连接的端部，由此将两个贯通孔20b、20b串联连接，使得从流路的入口5a到出口6a为止的流路截面(形状和面积)相同。

与此相对地，例如图22(b)所示，在将流路的入口5a设于流路形成部件4并将两个贯通孔20b、20b并联连接的情况下，在通往各贯通孔20b、20b的分支点处流路截面一下子增大。与该情况相比，图22(a)所示的情况由于不存在流路截面积的变化，因而能够确保流速恒定，因此冷却效果高。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，然而本发明并不限定于此，能够进行各种变更、改良。

标号说明

1：滚珠丝杠装置；

10：丝杠轴；

20：螺母；

30：滚动体；

40：冷却装置。

Claims (4)

1.一种滚珠丝杠装置，其特征在于，

该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部用于冷却所述螺母，

在所述丝杠轴的螺纹槽与所述螺母的螺纹槽之间组装有所述多个滚动体，所述多个滚动体以两点接触状态被施加了预压，且预压方向为拉伸方向。

2.一种滚珠丝杠装置，其特征在于，

该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部使冷却介质通过设于所述螺母的轴向的贯通孔，通过使冷却介质通过设于所述螺母的轴向的贯通孔来冷却所述螺母，

使所述贯通孔的轴向的长度L与所述贯通孔的直径D的比L/D满足下述式子(A)：

10≤L/D≤60……式子(A)。

3.一种滚珠丝杠装置，其特征在于，

该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部用于冷却所述螺母，

在所述丝杠轴的螺纹槽与所述螺母的螺纹槽之间组装有所述多个滚动体，所述多个滚动体被施加了与冷却所述螺母时产生的所述螺母的收缩的收缩方向相反方向的预压。

4.一种滚珠丝杠装置，其特征在于，

该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴；螺母，该螺母经由多个滚动体与所述丝杠轴螺合；以及冷却部，该冷却部用于冷却所述螺母，

所述螺母为将两个螺母隔着衬垫连结起来而成的双螺母，在该两个螺母和所述衬垫形成有供所述冷却部的冷却液通过的贯通孔，在所述衬垫的贯通孔的开口部，以包围所述贯通孔的方式设置有O型环，并且在所述丝杠轴的螺纹槽与所述螺母的螺纹槽之间组装有所述多个滚动体，所述多个滚动体被施加了与冷却所述螺母时产生的所述螺母的收缩的收缩方向相反方向的预压。

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