回転質量のバランス

回転体のバランスは振動を避けるために重要です。ガスタービンや発電機などの重工業機械では、振動により重大な故障が発生するだけでなく、騒音や不快感も生じます。細い車輪の場合、バランスを取るには重心を回転中心に移動するだけです。システムが完全にバランスをとるには、遠心力の影響を防ぐために、力と偶力のポリゴンが近い必要があります。機械部品を賢明に設計して、不均衡を可能な限り最小限に抑えるか、完全に排除することが重要です。

静的バランスは、物体の重心が回転軸上にあるときに発生します。^[1]したがって、物体は、ブレーキ力をかけずに、軸を水平にして静止したままでいることができます。重力によって回転する傾向はありません。これは、自転車の車輪で見られるもので、反射板がバルブの反対側に配置され、重心が車輪の中心に分散されます。他の例としては、砥石、ディスク、または車の車輪があります。静的バランスを確認するには、物体ができるだけ摩擦を少なくして自由に回転する必要があります。

これには、水平かつ平行になるように調整された、鋭く硬化したナイフの刃が備えられている場合があります。あるいは、各ナイフの刃の代わりに、一対の自由回転ボールベアリングレースが使用され、水平および平行の要件が緩和されます。オブジェクトは、車輪のように軸対称であるか、車軸を備えている必要があります。オブジェクトはゆっくりと回転し、静止すると、静的にバランスが取れている場合はランダムな位置で停止します。そうでない場合は、接着剤またはクリップ式の重りをしっかりと取り付けてバランスを取ります。

回転する質量システムは、回転によって遠心力や遠心偶力が生じない場合、動的バランスが保たれています。システムは、重量を支えるために必要なもの以外の外力や偶力を加えることなく回転します。システムが最初から不均衡な場合は、遠心偶力によってベアリングにかかる​​ストレスを回避するために、カウンターバランス ウェイトを追加する必要があります。

これは、自転車の車輪のリムが曲がったときに見られます。車輪は望ましい位置まで回転しませんが、リムの質量がいくらかオフセットされているため、動的な振動につながる揺れが発生します。この車輪のスポークを調整してリムを中央に配置することができない場合は、動的バランスを確保するために別の方法が使用されます。^[2]

動的不均衡を修正するには、次の 3 つの要件があります。1) 物体を回転させる手段、2) 物体が回転軸に対して垂直に振動できるようにするフレーム、3) 振動変位、振動速度、または (理想的には) 瞬間加速度を感知して不均衡を検出する手段。

物体が円盤状の場合、感知される振動を減らすために縁の近くに重りを取り付けることができます。これは 1 平面ダイナミック バランシングと呼ばれます。物体が円筒状または棒状の場合、片方の端の回転軸を固定し、もう一方の端の振動を減らす 2 平面バランシングを実行するのが望ましい場合があります。次に、近端が振動できるようにし、遠端の回転軸を固定して、振動を再び減らします。精密作業では、この 2 平面測定を繰り返すことができます。

動的バランス調整は、以前は高価な機器で行っていましたが、たまに振動を抑える必要があるだけのユーザーは、スマートフォンの内蔵加速度計とスペクトル分析アプリケーションを使用できます。例として、参考文献 3 を参照してください。動的バランス調整を実現する手間のかからない方法は、4 つの測定のみで済みます。1) 初期のアンバランスの読み取り 2) 基準点にテスト質量を取り付けた状態でのアンバランスの読み取り 3) テスト質量を 120 度前方に移動してアンバランスを再度記録 4) テスト質量を最終的に基準点の 120 度後方に移動。これら 4 つの読み取りで、適切なバランス調整を実現するための最終的な質量のサイズと位置を定義できます。参考文献 4

生産バランス調整では、動的振動の位相をその振幅とともに観察します。これにより、内部で計算されたサイズの質量を計算された位置に追加することで、1 回のスピンでワンショットの動的バランス調整を実現できます。これは、クリップ式の鉛 (または現在は亜鉛) の「ホイール ウェイト」を使用してタイヤを取り付けた自動車のホイールを動的にバランス調整するために一般的に使用される方法です。

アンバランス システムが回転すると、回転軸に垂直な周期的な線形力および/またはねじり力が発生します。これらの力の周期的な性質は、通常、振動として感じられます。これらの軸外振動力は、個々の機械要素の設計限界を超え、これらの部品の耐用年数を短縮する場合があります。たとえば、ベアリングは、名目上バランスの取れたシステムでは発生しない垂直ねじり力を受ける場合があり、瞬間的な線形力はベアリングの限界を超える場合があります。このような過剰な力は、短期間でベアリングの故障を引き起こします。アンバランスな質量を持つシャフトは、力によって曲がったり、疲労破壊を起こしたりする場合があります。

ガスタービンやジェットエンジンのように、質量が小さいにもかかわらず回転速度が非常に速い条件、または船舶のプロペラのように回転速度は低いが質量が大きい条件では、回転システムのバランスが大きな振動を発生し、システム全体の故障を引き起こす可能性があるため、回転システムのバランスを十分に考慮する必要があります。

• https://www.instructables.com/Dynamic-Motor-Balancing-with-Sugru-and-an-iPhone/
• http://www.conradhoffman.com/Balancing.xls

• ウィキメディア・コモンズにおける回転質量のバランスに関するメディア