专利名称：滚珠丝杠及具有该滚珠丝杠的带式无级变速装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及滚珠丝杠，特别是涉及在驱动汽车等带式无级变速装置(以下称为CVT)的可动滑轮用的作动器上适用的滚珠丝杠。
背景技术：
滚珠丝杠是在设于丝杠轴的外周面上的螺旋状的螺纹槽与设于外嵌在丝杠轴上的螺母的内周面上的螺旋状的螺纹槽之间配有数个滚珠，通过滚珠将丝杠轴(或螺母的回转动力变换为螺母(或丝杠)轴的推力)。
由于该滚珠丝杠的丝杠轴和螺母通过滚珠进行滚动接触，故内部摩擦小，可获得极高的传递效率，驱动力矩约为滑动丝杠的1/3，可以将回转运动变换成直线运动。因此，可以比较小的力矩得到较大的轴向负荷。
图5表示现有的CVT的概略图。CVT的动力输入侧滑轮50和输出侧滑轮51分别由固定滑轮50a、51a和与固定滑轮相向的可动滑轮50b、51b构成，在输入侧滑轮50与输出侧滑轮51之间卷绕着钢带52进行连接。各固定滑轮50a、51a和各可动滑轮50b、51b的相向面形成锥形，通过使各滑轮50、51的可动滑轮50b、51b在轴向上移动，来改变各固定滑轮50a、51a与各可动滑轮50b、51b之间的间距，其结果，带52的卷绕半径之比变化，便进行无级变速。
为了使上述可动滑轮50b、51b在轴向上移动，作动器往往采用滚珠丝杠53。滚珠丝杠53是将螺母55外嵌在丝杠轴54上形成的，如图6(a)所示，在螺母55的内部，在相向的螺纹槽56、57之间无限进行循环地将放有多个滚珠58。这些滚珠58如图6(b)所示，滚珠58的外径没有尺寸差，都是承受负荷的总负荷滚球尺寸。
在此，滚珠丝杠53的丝杠轴54不能回转且不能轴向移动地支承在支承部件(未图示)上，该支承部件与外壳(未图示)设成一体，另外，将螺母可自由回转且可在轴向上自由移动地支承着。通过使该螺母55回转，便通过轴承(未图示)、使与螺母55连接的可动滑轮50b、51b在轴向上直线移动(参照特公平8-33170号公报)。
搭载有上述CVT的汽车中，当在市内乘坐时，虽然是无级变速，但多数使用在Lo齿轮侧、与Lo齿轮和Hi齿轮的中间位置之间反复使用的形式。CVT的可动滑轮的移动距离，通常即使是Lo～Hi的全行程，也较短、为30mm左右，故在市内乘坐时，丝杠轴54的回转数最多回转1～2圈，有时回转不到1圈，若考虑螺纹导程约为4mm时，则可动滑轮50b、51b的移动距离非常短。
这种使用形式的滚珠丝杠53中，产生与受到反复进行往复运动的摇动运动的情况相同的倾向。即，螺母55边回转、边往复运动时，如图6(b)箭头所示，相邻的滚珠58反方向回转，故由于滚珠58相互间的相对滑动而引起局部性润滑不良，产生因滑动造成的摩擦。其结果，使可动滑轮50b、51b移动的滚珠丝杠53的效率降低。并且会妨碍顺利地变速。
另外，由于是使螺母55回转的方式，故设在螺母55侧的滚珠58的循环部(未图示)也随着螺母55的回转而进行回转。为了使滚珠58顺利地循环，该滚珠循环部设有比滚珠58与螺纹槽56、57之间的间隙大的间隙，故滚珠循环部的滚珠58不能承受作用于滚珠丝杠53上的力矩负荷和径向负荷。
因此，为了弥补这样的负荷容量不足，在螺母55侧进行回转的CVT上，必须增大滚珠尺寸等来提高滚珠丝杠53的负荷容量，或必须多余地提高滚珠丝杠53的刚性。这带来下述问题，即妨碍CVT的轻量和紧凑化，难以进行合理的最佳设计。
发明内容
本发明是鉴于这种情况研制成的，其目的在于提供一种使传递效率不降低、可使CVT轻量和紧凑化的滚珠丝杠及具有滚珠丝杠的CVT。
为了达到这样的目的，本发明中的技术方案1所述的发明是一种滚珠丝杠，该滚珠丝杠具有以下部分在外周面上形成有螺旋状的螺纹槽的丝杠轴；外嵌在该丝杠轴上、在内周面上形成有螺旋状的螺纹槽的螺母；将放在相向的两螺纹槽形成的转动路内的数个滚珠，在这样的滚珠丝杠上，将上述丝杠轴制成中空的，用上述螺母的端部覆盖该丝杠轴的一端部。
这样，将丝杠轴制成中空的，用上述螺母的端部覆盖该丝杠轴的一端部，便可以抑制因丝杠轴的回转而引起的润滑剂的飞散，可防止传递效率的降低。并且，可由轻量、紧凑的结构限制丝杠轴的轴向移动量。
最好，像本发明技术方案2所述的发明那样，将滚珠的外径d和上述丝杠轴的外径D之比率设为d/D≤1/15，则即使是大的轴径，也可以缩短螺母的全长，可以提供不使负荷容量和传递效率降低的、轻量和紧凑的滚珠丝杠。特别是在用于汽车等的CVT中，可以实现轻量和紧凑化，可以进行合理的最佳设计。
如技术方案3所述的发明，将螺纹槽的螺纹升角设为2°以下，则可以在不降低效率的情况下进一步减小螺母的全长。
如技术方案4所述的发明，滚珠由支承负荷重量的负荷滚珠和比该负荷滚珠的直径小的间隔滚珠构成，配置成1个间隔滚珠至少设在2个负荷滚珠之间。这样，间隔滚珠和与该间隔滚珠相邻的负荷滚珠间顺向回转，故可以消除接触部的滚珠之间的相对滑动，可以提高滚珠丝杠的效率。
最好，像技术方案5所述的发明那样，将间隔滚珠的外径制得比负荷滚珠的外径小10～100μm，螺纹槽与间隔滚珠之间的间隙不会过于不足，间隔滚珠可以顺利地转动。
如技术方案6所述的发明，将圆形的隔离物设在滚珠之间，将该隔离物的与上述滚珠相向的各凹面制成圆锥面，以规定的接触角与上述滚珠接触。做成这样的结构，不会使负荷容量过于降低，滚珠之间成为顺向回转，故可以消除接触部的相对滑动，可以提高滚珠丝杠的效率。并且，可以用该隔离物保持润滑剂，可以减少润滑剂的给脂量，同时还可以提高滚珠丝杠的润滑性能。
最好，如技术方案7所述的发明那样，在隔离物的轴向上设通孔，这样，可以将隔离物的最小厚度加厚，将隔离物的宽度减小，并且可以进一步提高对润滑剂的保持力。
技术方案8所述的发明是一种带式无级变速装置，该装置在设在回转轴上的固定滑轮和可动滑轮的相向的各带承受面之间卷绕着传递带，利用滚珠丝杠使可动滑轮在轴向上移动，这样，使传递带的卷绕直径无级地变化而进行变速，这种带式无级变速装置中，将上述滚珠丝杠做成技术方案1～7中任一项所述的滚珠丝杠，并采用这样的结构，即对该滚珠丝杠的螺母的回转和轴向移动进行固定，并且将丝杠轴制成可回转并可轴向移动的形式，与上述可动滑轮连接，通过回转驱动该丝杠轴，便使上述可动滑轮在轴向上移动。
即，对滚珠丝杠的螺母的回转和轴向移动进行固定，将丝杠轴做成可以回转并可以轴向移动的形式，与可动滑轮连接，这样，使可动滑轮在轴向上移动时，可将耐负荷能力低的螺母侧的滚珠循环部配置在非负荷侧，可进行紧凑且合理的最佳设计，并且可以抑制因滚珠循环部内的间隙大而引起的滚珠振动、和因滚珠从螺纹槽向滚珠循环部转移或从滚珠循环部向螺纹槽转移而引起的滚珠振动。
如技术方案9所述的发明，在丝杠轴的内周侧，通过轴承自由回转地连接上述可动滑轮，并且，在上述螺母的一端部内周侧，通过轴承自由回转地支承着上述回转轴，这样，可不降低滚珠丝杠自身刚性地使CVT在轴向上紧凑。
如技术方案10所述的发明，将连接部件固定在丝杠轴的一端部上，该连接部件具有向上述螺母的外径的外方延伸的凸缘部和从该凸缘部向上述螺母的外周伸出的圆筒部，在上述圆筒部的外周设有齿轮，该齿轮用于将回转驱动力传递给上述丝杠轴，这样，可以增长丝杠轴的有效长度，缩短其全长，可以使CVT在轴向上紧凑。
最好，如技术方案11所述的发明那样，将圆筒部的长度做得比上述螺母的轴向相对移动行程长，这样，通过该螺母的轴向相对移动，可以覆盖空的环状空间的外周侧，可以防止随着丝杠轴的回转而引起的润滑剂的飞散。
如以上详细说明的那样，本发明的滚珠丝杠由于丝杠轴做成中空的，用螺母的端部覆盖该丝杠轴的一端部，故可以抑制因丝杠轴的回转而造成的润滑剂的飞散，可防止传递效率的降低。另外，即使是大的轴径，也可以实现轻量和紧凑的要求，可以限制滚珠丝杠的丝杠轴的轴向移动量。并且，由于将滚珠的外径d和丝杠轴的外径D的比率设为d/D≤1/15，故即使是较大的轴径，也可以缩短螺母的全长，不降低负荷容量和传递效率，可以提供轻量和紧凑的滚珠丝杠。特别是用于汽车等的CVT中，可以实现轻量和紧凑化，可以进行合理的最佳设计。而且，如果将螺纹槽的螺纹升角设为2°以下，则可以进一步缩短螺母的全长。
另外，在设在回转轴上的固定滑轮和可动滑轮的相向的带承受面之间卷绕着传递带，通过滚珠丝杠使可动滑轮在轴向上移动，这样，使传递带的卷绕直径无级变化而进行变速，在这样的CVT上，采用本发明的滚珠丝杠，对螺母的回转和轴向移动进行固定，并且将丝杠轴制成可以回转且可轴向移动的形式，与上述可动滑轮连接，通过对该丝杠轴进行回转驱动，使可动滑轮在轴向上移动，可将耐负荷能力低的螺母侧的滚珠循环部配置在非负荷一侧，可以进行紧凑、合理的最佳设计，并且可以抑制因滚珠循环部内的间隙大而导致的滚珠振动、和可抑制因滚珠从螺纹槽向滚珠循环部转移或从滚珠循环部向螺纹槽转移而导致的滚珠振动。
图1是表示使用本发明滚珠丝杠的CVT的实施形式的纵剖面图。
图2是表示滚珠丝杠的传递效率和螺纹升角的关系的说明图。
图3是表示使用本发明滚珠丝杠的CVT的另一实施形式的纵剖面图。
图4是表示本发明滚珠丝杠的实施形式的局部放大图。
图5是现有的CVT的概略图。
图6(a)是表示现有的CVT的滚珠丝杠的剖面图。
图6(b)是表示现有的CVT的滚珠丝杠的模式性的局部放大剖面图。
具体实施例方式
以下，根据图1～图4对本发明的实施方式详细地加以说明。图1是表示具有本发明滚珠丝杠的CVT的纵剖面图。
该CVT是将卷绕传递带1的固定滑轮2和可动滑轮3安装在回转轴4上，使各自的带承受面2a、3a相向。通过用滚珠丝杠5使可动滑轮3在轴向上直线移动，便使传送带1的卷绕直径进行无级变化。在此，例示了固定滑轮2和回转轴4一体形成的构造，但也可以是在固定滑轮2上设向可动滑轮3侧延伸的圆筒部，外嵌在回转轴4上的构造。
螺母7一体地具有断面呈コ字形的连接部7b。该连接部7b覆盖丝杠轴10的一端部，限制丝杠轴10向一个方向移动的移动量，防止滚珠11的脱落和附着在丝杠轴10上的润滑剂的飞散。另外，在该连接部7b的内周侧嵌合有滚珠轴承6，可自由回转地将回转轴4和固定滑轮2支承在螺母7上。
可动滑轮3的带承受面3a的背面侧设有筒部9，在回转轴4上用未图示的滑动键止转，并且可在轴向上滑动。另外，也可以采用滑动阻力小的滚动式的直接传动式轴承取代该滑动键。
滚珠丝杠5由在外周面上形成有螺旋状的螺纹槽10a的丝杠轴10，和外嵌在该丝杠轴10上、内周面形成有螺旋状的螺纹槽7a的螺母7，及将放在丝杠轴10和螺母7的相向的两螺纹槽10a、7a之间形成的转动路内的数个滚珠11构成。丝杠轴10做成中空的圆筒形，将滚珠轴承12嵌合在其内周侧，使丝杠轴10自由回转地支承在可动滑轮3的筒部9上。
在丝杠轴10的可动滑轮3一侧的端部外径上形成有小直径台阶部10b，在该小直径台阶部10b上嵌装着环状的连接部件13。为了牢固地嵌住该连接部件13，在小直径台阶部10b的外径上形成压花。
连接部件13由外嵌在小直径台阶部13上的嵌合部13a，和从该嵌合部13a向外径侧延伸、比螺母7的外径更高地形成的凸缘部13b，及从该凸缘部13b沿轴向延伸而覆盖螺母7的外周的圆筒部13c构成，用钢板冲压加工形成。在圆筒部13c的内周与丝杠轴10的外周之间形成的环状空间14内可以将放在轴向上进行相对移动的螺母7。
在圆筒部13c的外周上固定着齿轮16，该齿轮16自由滑动地与用电动机(未图示)进行回转驱动的齿轮15啮合。丝杠轴10通过该齿轮16和连接部件13进行回转驱动。另外，为了使齿轮16与齿轮15顺利地滑动，用具有耐磨性的、摩擦系数低的合成树脂制造。
通过用电动机回转驱动齿轮15，以滚珠轴承12自由回转地支承的丝杠轴10边围绕可动滑轮3回转、边相对于固定的螺母7在轴向上移动，使可动滑轮3向固定滑轮2一侧滑动。这时，可动滑轮3的带承受面3a和与该带承受面3a相向的固定滑轮2的带承受面2a之间的间隙变窄，传递带1的卷绕直径增大。如果使丝杠轴10的回转方向相反，则可使可动滑轮3向与固定滑轮2相反的方向滑动，两个带承受面2a、3a之间的间隙增大，传递带1的卷绕直径减小。
一般，为了使滚珠丝杠5保持良好的动作，必须在一定程度上加大螺纹槽7a、10a的螺纹升角，如图2所示，若该螺纹升角为2°以下，则滚珠丝杠5的传递效率急剧降低，故通常将螺纹升角设为2°以上。
另外，一个循环内的滚珠个数多时，转矩变动大，动作转矩特性降低，故丝杠轴10的外径增大时，滚珠11的外径也必须随之增大，通常，凭经验将滚珠11的外径d、丝杠轴10的外径D设定为d/D＞1/15。
像图1例示的CVT的滚珠丝杠5那样，在丝杠轴10的外径D大的情况下，滚珠11的外径d增大，而且螺纹升角增大，故不仅螺母7的全长增长，而且外径也加大。因此，CVT的轻量和紧凑化有待进一步改善。
图3是表示具有本发明滚珠丝杠的CVT的另一实施方式的纵剖面图。与图1相同的部位、相同的部件用相同的符号表示，省略详细的重复说明。该CVT使用的滚珠丝杠20由在外周面上形成有螺旋状的螺纹槽21a的丝杠轴21，和外嵌在该丝杠轴21上、内周面形成有螺旋状的螺纹槽22a的螺母22，及将放在丝杠轴21和螺母22相向的两螺纹槽21a、22a之间形成的转动路内的数个滚珠23构成。丝杠轴21制成中空圆筒形，将其内周侧通过滚珠轴承12自由回转地支承在可动滑轮3的筒部9上。
螺母22一体地具有覆盖丝杠轴21的端部的、断面呈コ字形的连接部22b，在其内周侧上嵌合着滚珠轴承6，自由回转地支承着回转轴4。连接部22b嵌在外壳8上，对螺母22的回转和在轴向上的移动进行固定。
这里，滚珠23的外径d’极小，与丝杠轴21的外径D’之比设定为d’/D’≤1/15。另外，通过减小滚珠尺寸，可以减小螺纹升角，将其设定为2°以下。
将螺纹升角设为2°以下，会担心滚珠丝杠20的传递效率降低，但在此，滚珠23由支承负荷重量的负荷滚珠23a和比该负荷滚珠23a的直径小的间隔滚珠23b构成，配置成一个间隔滚珠23b至少夹在2个负荷滚珠23a之间，这样，间隔滚珠23b同与该间隔滚珠23b相邻的负荷滚珠23a间成为顺向回转，故可以消除接触部的滚珠23a、23b之间的相对滑动，可提高滚珠丝杠20的效率。
另外，将间隔滚珠23b设定成其滚珠直径比负荷滚珠23a小10～100μm，最好小20～50μm。滚珠直径之差小于10μm时，与负荷滚珠23a的直径之差过小，不易获得消除接触部的相对滑动的效果，若滚珠直径之差大于100μm，则螺纹槽21a、22a与间隔滚珠23b之间的间隙过大，间隔滚珠23b不能顺利地转动，滚珠丝杠20不能顺利地动作。
另外，为了避免因滚珠尺寸减小而使负荷容量降低，间隔滚珠23b与负荷滚珠23a的数量比除了1∶1以外，可以适当地选择1∶2、1∶3。
也可以如图4所示那样，将隔离物25夹在滚珠26、26之间，代替上述间隔滚珠。该隔离物25在与滚珠26、26的成为接触面的两面上具有凹面27、27，形成用通孔28连通凹面27、27的环状。防止将放在丝杠轴29和螺母30的各自的螺纹槽29a、30a之间形成的转动路31内的数个滚珠26、26之间直接接触，可减小动作转矩，促进顺利的转动。
隔离物25的凹面27可以是圆锥面，也可以是凹球面，使滚珠26以规定的接触角φ进行接触，隔离物25的姿势稳定，可以实现滚珠26的顺利转动。接触角φ，即滚珠26的中心O和接触点A的连接线与隔离物轴心O-O间的角度最好在20°～30°范围内。
通孔28的直径设定为滚珠直径的30％以下。若该通孔28的直径大于该值，则使刚性降低，若过小，则最小厚度较薄，制造上有问题。设有通孔28，可以保持润滑剂，可以尽可能地减小滚珠26、26之间的距离。因此，与上述的间隔滚珠相比，可以提高滚珠丝杠的负荷容量。
隔离物25的外径设定在滚珠直径的50～80％的范围内。外径超出该范围，由于滚珠26、26之间有间隙，故在动作中隔离物25与螺纹槽29a、30a接触，姿势变得不稳定，引起转矩增大，因此是不理想的。
作为隔离物25的材质，可以是烧结金属制造的，也可以用具有自润滑性的合成树脂制成。这种合成树脂可以列举出例如加入强化材料的聚酰亚胺(PI)或聚酰胺(PA)等。另外，作为提高润滑性的材料，可以用以超高分子量聚烯烃作为基材、使润滑油和润滑脂等润滑成分分散保持的所谓固态润滑组成物形成。具体地说，在超高分子量聚烯烃粉末90～1wt％中混合润滑成分5～99wt％，将该混合物装入规定形状的金属模中，在超高分子量聚烯烃的凝胶温度以上的温度下加热，然后冷却固化而形成的。作为超高分子量聚烯烃粉末，可以使用由聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，或它们的共聚物构成的粉末，或将各自单独的粉末配合而成的混合粉末，各粉末的平均分子量约为1×106～5×106的粉末。
通常，在滚珠丝杠上设有滚珠循环部(未图示)，该循环部的结构有以下形式设在螺母外周上的回流管式，设在螺母内周上的导向板式，设在螺母的内周上、将相邻的螺纹槽连接起来而使滚珠逆转的档块式，设在螺母的端部、使滚珠逆转而滚到在轴向上延伸的螺母的穿通孔内的端隙(end gap)式等等，本发明不局限于这样的结构，但在螺母外径部上没有拉出部的导向板式和挡块式是比较合适的。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于这样的实施方式，这些实施方式仅是例示，当然，在不脱离本发明的要点的范围内，能够以各种方式实施，本发明的范围按权利要求的记载来表示，并且包括权利要求范围中记载的同等含义和范围内的所有的变更。
权利要求
1.一种滚珠丝杠，该滚珠丝杠具有以下部分在外周面上形成有螺旋状的螺纹槽的丝杠轴；外嵌在该丝杠轴上、在内周面上形成有螺旋状螺纹槽的螺母；将放在由相向的上述两螺纹槽形成的转动路内的数个滚珠，其特征在于，将上述丝杠轴制成中空的，用上述螺母的端部覆盖该丝杠轴的一端部。
2.根据权利要求1所记载的滚珠丝杠，将上述滚珠的外径d和上述丝杠轴的外径D之比率设为d/D≤1/15。
3.根据权利要求1或2所记载的滚珠丝杠，上述螺纹槽的螺纹升角设为2°以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所记载的滚珠丝杠，上述滚珠由支承负荷重量的负荷滚珠和比该负荷滚珠的直径小的间隔滚珠构成，配置成1个间隔滚珠至少设在2个负荷滚珠之间。
5.根据权利要求4所记载的滚珠丝杠，将上述间隔滚珠的外径制得比上述负荷滚珠的外径小10～100μm。
6.根据权利要求1～3中任一项所记载的滚珠丝杠，将圆形的隔离物设在上述滚珠之间，将该隔离物的、与上述滚珠相向的各凹面制成圆锥面，以规定的接触角与上述滚珠接触。
7.根据权利要求6所记载的滚珠丝杠，在上述隔离物的轴向上设有通孔。
8.一种带式无级变速装置，该装置在设在回转轴上的固定滑轮和可动滑轮的相向的各带承受面之间卷绕着传递带，通过滚珠丝杠使上述可动滑轮在轴向上移动，这样，便使上述传递带的卷绕直径无级地变化而进行变速，其特征在于，将上述滚珠丝杠制成权利要求1～7中任一项所记载的滚珠丝杠，对该滚珠丝杠的螺母的回转和轴向移动进行固定，并且将丝杠轴制成可回转并可轴向移动的形式，与上述可动滑轮连接，通过回转驱动该丝杠轴，便使上述可动滑轮在轴向上移动。
9.根据权利要求8所记载的带式无级变速装置，在上述丝杠轴的内周侧，通过轴承自由回转地连接上述可动滑轮，并且在上述螺母的一端部内周侧，通过轴承自由回转地支承着上述回转轴。
10.根据权利要求8或9所记载的带式无级变速装置，将连接部件固定在上述丝杠轴的一端部上，该连接部件具有向上述螺母的外径的外方延伸的凸缘部和从该凸缘部向上述螺母的外周伸出的圆筒部，在上述圆筒部的外周设有齿轮，该齿轮用于将回转驱动力传递给上述丝杠轴。
11.根据权利要求10所记载的带式无级变速装置，将上述圆筒部的长度制得比上述螺母的轴向相对移动行程要长。
全文摘要
提供一种不降低传递效率，可使CVT轻量和紧凑化的滚珠丝杠及具有该滚珠丝杠的CVT。在设在回转轴(4)上的固定滑轮(2)和可动滑轮(3)的相向的各带承受面(2a、3a)之间卷绕着传递带(1)，通过滚珠丝杠(20)使可动滑轮(3)在轴向上移动，这样，使传递带(1)的卷绕直径无级变化而进行变速，在这样的带式无级变速装置上，对该滚珠丝杠(20)的螺母(22)的回转和轴向移动进行固定，将制成中空的丝杠轴(21)设成可以回转并可以轴向移动的形式，与可动滑轮(3)连接，用螺母(22)的端部覆盖该丝杠轴(21)的与可动滑轮(3)相反侧的端部，通过回转驱动丝杠轴(21)，便可使可动滑轮(3)在轴向上移动。
文档编号F16C33/37GK1420293SQ0215134
公开日2003年5月28日 申请日期2002年11月18日 优先权日2001年11月19日
发明者吉田勇, 数野惠介 申请人:Ntn株式会社