回転変動（捩り振動）計測と解析の紹介

回転変動（捩り振動）は回転部品の角速度が変動する事を言います。それはトルク変動により発生します。典型的には回転要素を持ったエンジン、タービン電気モーターのような機械で現れます。

捩り振動を理解する上で重要な事は、もしそれを確認せずに放置すると、機械的欠陥を引き起こす可能性があります。　例えば、エンジンのクランクシャフトは動作中に不均一な速度を維持します。そこではエンジンRPMは一定であるにも関わらず、回転速度は変動しています。　

この変動が部品の疲労、クラック、あるいは、極度のケースでは悲惨な欠陥に導かれるストレスを誘導しかねません。この事象が起こっている捩り振動を監視する事はシステムの寿命と効率の点で大変重要です。

捩り振動が重要な理由

捩り振動は広い市場に渡って、機械的システムの性能、耐久性、信頼性に直接影響を及ぼす重要な要素です。

内燃エンジンでは、例えば、発火事象によって引き起こされたクランクシャフト回転速度の変動は連続的なストレスとなり、カップリング、ベアリング、歯車のような部品には加速的に摩耗が発生します。同時に、捩り振動問題は圧縮と爆発によってのみ引き起こされるのではなく、ドライブトレーン全体の負荷衝撃を引き起こします。　これがエンジンの次数解析とNVH周波数解析の結びつきになります。これらの相互関係はシステムの動的挙動と性能の最適化を理解するのに重要です。これらの解析によって、技術者は潜在的な弱点を把握し、ドライブトレーン構成部品の耐久性と信頼性を改善する事がでます。更に、この手法は振動騒音特性を改善させ、運転性と顧客満足度を向上させます。

スチームタービンでは、捩り振動は回転するシャフトと蒸気の流れとの相互交流によって発生します。蒸気圧力の変動はタービン回転速度を変動させ、もし、正しく制御されないなら、機械的ストレスと欠陥となります。タービン内の過剰な捩り振動はシャフト、ローター、ベアリングのような重要部品を破損させ、コストのかかる修理や休止時間を増大させます。発電用に使用されるタービンには、外的な影響も受けます。例えば、グリッド、低調波のようなフィードバック効果です。これらの要素はタービン動作の安定性と効果に重大な影響を与えます。　
これらの効果を理解し、軽減する事は損害を防ぎ、信頼できるエネルギー出力を確保する上で重要です。　進展した監視と制御システムがこれらへのチャレンジを図り、最適な性能を保持する為に配備されています。

電気自動車では、捩り振動は電気モーターのドライブトレーンに影響を及ぼします。高周波の捩り振動はＥＶモーターの急激な加速、減速特性から現れます。これがノイズ、振動、過酷さ(NVH)問題になり、乗客の乗り心地に影響を与えます。加えて、長時間に渡っての捩り振動は減速機の歯車とモーターベアリングの摩耗を増幅させ、自動車の効率と寿命を減らします。　

風力発電用遊星歯車セットでは、捩り振動は独特のチャレンジとなります。これらの歯車セットは風力タービンブレードのエネルギーを発電に伝達させる役目です。風の速度変動は捩り振動を引き起こし、ギアボックスを通じて伝搬し、ミスアライメント、歯面の摩耗、疲労破損に導かれます。もし適正な管理がされてなかったら、これらの振動はタービン効率を減らし、コストの掛かるメンテナンス、風力タービンシステム全体の寿命を短縮します。

捩れ振動はまた、自動車、機械でのユーザーに影響を及ぼします。ここでの過度な振動は一般的には、ギア鳴き、クラッチのチャターのような不快、ノイズを導きます。工業アプリでは、管理されてない捩り振動は不同期問題、機械精度の低下、性能の低下、動作費用の増額を引き起こします。これらへのチャレンジはメカシステム全体に渡って捩り振動管理の重要性を強調し、性能、寿命の両方への重要性を照らします。

捩り振動の計測方法

捩り振動の計測には回転速度変動の正確な計測が要求され、度々、シャフト回転毎に複数回サンプリングするセンサーが使用されます。光エンコーダー、光センサー、磁気ピックアップのような回転毎のパルス(PPR)センサーが一般的にこのような計測で使用されます。これらのセンサーは大変高い周波数で回転速度に応じた信号を生成し、技術者に各々のサイクルにおいて回転速度の細かな変動を検知させます。　

優れたPPRはより詳細なデータを提供し、捩り振動現象を簡単に把握します。NVH世界で一般的に使用されるような時間ベースのデータを使用するのではなく、GHz領域での高分解能カウンテイングを使用する角度ベースの計測手法は最も正確な結果と、小さな容量の計測データファイルにより高速FFTを提供する事において究極の効果がある事が判りました。

それから、計測されたデータは回転データ用の特別なソフトを使用し、角度領域データを使用、RPM範囲に渡って周波数とアンプリチュードード変化を認識する為に処理され解析されます。これがシステム性能への価値ある洞察を提供します。

自動車での使用例

自動車産業では、捩り振動は特別に関係性が深いものです。加速中には自動車エンジンは個々のシリンダーから均等な馬力が出力される事によりRPMにおいて僅かな急激な変動をもたらします。これらの振動が一般的に小さいですが、それらが許容限度を超えたなら、目立った振動、ノイズが引き起こされます。例えば、ドライバーはステアリングハンドル、べダル、あるいは、トランスミッションからのノイズで報告してくるかもしれません。いくつかの場合において、捩り振動はエンジン、ドライブトレーン部品の破損に導く可能性があります。従って、自動車メーカーは性能、快適性の両面で改善されるようエンジンをスムーズにそして、安全制限内で安定動作させる為に進展した振動計測システムを使用します。

回転変動計測用センサー

異なるタイプのセンサーが捩り振動計測用に使用され、アプリケーションによって特別な利点を提供します。　磁気ピックアップは頑丈さ、安価、使い易さ故に最も人気あるセンサーの内の１つです。しかし、計測できる歯車数に限界があります。
光エンコーダーはゼブラテープ、あるいは、ゼブラデイスクと共に動作し、より高いPPR率を提供し、小さな変動を検知する上でより高い精度を提供します。しかし、汚れ、ほこり、油気に敏感です。

　高分解能のイクリメンタル_エンコーダーは特に高次数解析を可能にする回転毎の充分な情報を提供します。これはトランスミッションエラー解析と歯当り次数認識に大いに関連性を持たせます。正しいセンサーの選択は精度の必要性と環境状況に依存します。

ゼブラテープ、歯車マーキング（歯欠けギア）の補正

角度ベースデータにおいて、60歯数で１歯の計測時に平均の50％へ回転スピードが低下し、あるいは、60歯で2歯の計測時に平均の33％へ回転スピードが低下しますが、Rotecシステムではゼブラテープ、あるいは、歯車マーキング使用時の突合せ接合の修正処理を簡単に行います。

捩り振動次数への理解

捩り振動次数は基本回転速度の倍数であり、振動源を特定する上で手助けになります。エンジン解析では、捩り振動次数は回転毎の重要なトルクパルス数を表します。例えば、４シリンダエンジンにて、２次は一般的に燃焼事象に対応しており、振動源を理解する為にキーとなる診断ツールとなります。
同時に、パルスが純粋なサイン波形なら、上記のみが適応しています。しかし、そうでないなら、ハーモニクスがスペクトラム内に生成されています。

実際のトルクパルス数はエンジン燃焼次数とその動作の動特性によって決定されます。しかし、そこには高い次数のハーモニクスを生成させる非サイン要素を含んでいます。これが複数のシリンダーを持つエンジンのダイナミックを正しく解釈する為に正確なスペクトラムを計測・解析する事の重要さを示しています。

捩れ振動の高次数はドライブトレーンのような特別な構成部品における高調波振動、あるいは、欠陥を示しているかもしれません。これらの次数を解析する事で、技術者はどの部品が最も捩れ振動へ影響を及ぼしているかをピンポイントで指し示し、それらを減らす為のターゲットアクションを取ることができ、最適な機械性能と寿命を確保する事ができます。

NVH解析における捩れ振動次数

NVH解析は自動車と工業アプリケーションで不可欠であり、そこで、振動源を理解し、ノイズ対策にてシステムを最適にする為にも重要です。捩れ振動次数は特にNVHにおいて有効です。　なぜなら、回転変動はノイズや振動のような音響と機械的出力に関する道筋を与えるからです。どの捩れ振動次数が過度なノイズや振動に貢献しているかを認識する事は問題となる周波数を個別化させる事に役立ちます。この処理は振動を抑え、ユーザーの快適性を増強し、システム全体の信頼性、効率を改善する為の追加ダンパーやバランス取りのような介入部品での改善を可能にします。

捩り振動次数の計算方法

捩り振動次数は特定の振動事象の周波数を基本的な回転周波数(RPM)で割算する事で計算されます。例えば、シャフトが600 rpm(10Hz)で回転し、振動が20 Hzで発生しているなら、次数は１秒毎になるように計算されます。

これらの次数は特定の振動現象を回転速度と関連付けて技術者を支援し、より正確な解析を可能にします。捩れ次数を計算するには正確なデータ計測と周波数スペクトラムと基本周波数に関連する各々の振動事象の次数を解析する事ができるソフトを使用する事が要求されます。左図は１秒間の周期事象で、右図は１回転の次数事象です。例えば、エンジンが600 rpmで２次の振動を持つなら、振動周期は20 Hzとなります。

捩れ共振とその影響

捩れ共振はシステムの共振周波数が外的な駆動周波数と一致する時に発生し、増大された挙動に導かれます。回転機械では、この共振が捩り振動にて重大な増幅に導かれ、気づかないままであれば、悲惨な損害の結果を招く可能性があります。例えば、エンジンでは、クランクシャフトの共振は特定のRPMで発生し、クランクシャフトを極度に捩り、システムを通じて振動を増幅します。注意深く設計し、調整する事で共振条件を認識し避ける事が機械システムの長期寿命には重要です。

捩り振動を減らす為の手段

捩り振動を減らす為には特定のアプリケーションに依存したいくつかの手段があります。回転部品のバランスを取る事は振動に影響を及ぼすアンバランスな力を最小にすることに役立ちます。性能を最大にし、不規則なトルクパルスを減らす為にエンジンパラメーターや、トランスミッションをチューニングする事もまた、効果的です。加えて、ダンパー、フレキシカップリングやゴムの設置などの絶縁技術は振動を吸収し、他部品への転送減衰の助けになります。共振を避ける為に部品の共振を合わせながら、センサーとアクチュエーターをリアルタイムで振動と反対に動作させるアクテイブ振動コントローラーは近代的システムで使用される先進的な解決策です。

結論

捩り振動計測は回転機械の設計、動作、メンテナンスにおいて、重要な要素です。捩り振動の根本原因を理解し、先進的な計測技術を使用しながら、技術者はシステムの破損を防ぎ、性能を向上させ、システム全体の耐久性を改善可能です。高サンプリングPPRセンサー、高精度な捩り次数解析とバランシング、ダンピングのような抑制技術がこの対策に必要なツールです。自動車エンジン、工業用タービン、電気モーターであろうとも、効果的な捩り振動管理は部品の動作寿命を延長させ、広いアプリ範囲に渡ってスムーズな効率的な動作を確保します。