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エンジンバランスとは、内燃機関や蒸気機関の可動部品によって発生する慣性力を、カウンターウェイトやバランスシャフトを用いて相殺し、不快で場合によっては損傷につながる振動を防ぐ仕組みのことです。最も強い慣性力はクランクシャフトの回転速度（一次力）で発生するため、バランス調整は必須です。一方、クランクシャフトの回転速度の2倍の速度（二次力）でも、場合によっては大きな力となることがあります。
エンジン内部の一部の部品（例えばコネクティングロッド）は複雑な動きをするが、すべての動きは往復運動と回転運動に分離することができ、これにより不均衡の分析が容易になる。
ピストンが垂直に配置されている直列エンジンを例にとると、主な往復運動は次のようになります。
バランスを崩す可能性のある主な回転運動は次のとおりです。
これらの不均衡は、個々の部品の静的質量、またはエンジンのシリンダー配置のいずれかによって引き起こされる可能性があり、これについては次のセクションで詳しく説明します。
可動部品の重量、あるいは重量配分が均一でない場合、それらの動きによって不均衡な力が働き、振動が発生する可能性があります。例えば、ピストンやコネクティングロッドの重量がシリンダー間で異なる場合、往復運動によって垂直方向の力が生じることがあります。同様に、ウェブウェイトが不均一なクランクシャフトや、重量配分が不均一なフライホイールの回転によって、回転不均衡が生じる可能性があります。
静止質量の重量配分が完全にバランスが取れていても、シリンダーの配置によっては、各シリンダーからの力が常に互いに打ち消し合うとは限らないため、アンバランスが生じる場合があります。例えば、直列4気筒エンジンでは、垂直方向の振動（エンジン回転数の2倍の速度）が発生します。これらのアンバランスは設計上避けられないものであり、回避することはできません。そのため、結果として生じる振動は、バランスシャフトやその他のNVH（騒音・振動・ハーシュネス）低減技術を用いて制御し、キャビンに伝わる振動を最小限に抑える必要があります。
往復運動による不均衡は、ピストンなどの部品の直線運動が、同じ平面上で同じ運動量で反対方向に動く別の部品によって相殺されない場合に発生します。
往復運動時の位相不均衡の種類は以下のとおりです。
往復運動する平面の不均衡の種類は以下のとおりです。
重なり合うパワーストロークのないエンジン（例えば、4気筒以下のエンジン）では、動力伝達の脈動によってエンジンがX軸を中心に回転振動し、これは往復運動による不均衡に似ている。
回転体の質量分布が不均一なために、回転バランスの不均衡が生じる。
回転位相不均衡の種類は以下のとおりです。
回転面アンバランスの種類は以下のとおりです。
ねじり振動は、シャフトに共振周波数に一致する周波数のトルクパルスが加えられ、加えられたトルクと抵抗トルクがシャフト上の異なる点で作用するときに発生します。この振動はバランスを取ることはできず、減衰させる必要があります。バランス調整はあらゆる速度と負荷において同様に効果的ですが、減衰は特定の運転条件に合わせて調整する必要があります。重量やコストなどの理由で、シャフトの共振周波数が想定される運転範囲外になるように設計できない場合は、ダンパーを取り付ける必要があります。
コネクティングロッドは通常、抵抗トルク（例えばクラッチ）から異なる距離に配置されているため、クランクシャフトの軸を中心に振動が発生します。この振動はエンジン外部には伝達されませんが、振動による疲労がクランクシャフトの破損につながる可能性があります。
星型エンジンはねじり不均衡を起こさない。
一次不均衡は、クランクシャフトの回転周波数、つまりエンジンの基本周波数（第1高調波）で振動を発生させます。 [ 3 ]
二次バランスは、クランクシャフト回転周波数の2倍の周波数での振動を除去します。これは、隣接するシリンダーのピストンが同時に反対側の死点を通過する、180°または単面クランクシャフトを備えた大型の直列エンジンやV型エンジンで必要となる場合があります。4気筒直列エンジンは完全なバランスが期待されるかもしれませんが、正味の二次不均衡は残ります。
これは、コネクティングロッドの大端が左右に揺れるため、小端の動きが各スイング（クランク1回転あたり2回）で上死点と下死点間の理想的な正弦波運動からずれ、小端（およびそれに接続されたピストン）がクランクシャフト回転の上180°で移動する距離が下180°で移動する距離よりも長くなるためです。同じ時間で移動距離が長くなると、速度と加速度が高くなるため、上死点を通る慣性力は下死点を通る慣性力の2倍にもなります。ピストンの非正弦波運動は、数式で表すことができます。
例えば自動車の場合、シリンダー容積が約500cc/30立方インチ（様々な要因によって異なる）を超えるエンジンでは、不要な振動を解消するためにバランスシャフトが必要となる。これは、エンジン回転数の2倍の速度で互いに逆方向に回転する一対のバランスシャフトで構成されており、製造元のランチェスターにちなんでランチェスターシャフトと呼ばれている。
V8エンジンでは、通常、クロスプレーンクランクシャフトを使用することでこの問題は回避されます。180 °またはシングルプレーンクランクシャフトは、特定の利点があり、振動がそれほど問題にならない高性能V8エンジンでのみ使用されます。
複数のシリンダーを持つエンジンでは、各バンクのピストン数、V角、点火間隔などの要因によって、往復運動の位相不均衡やねじり不均衡が存在するかどうかが通常決まります。
直列2気筒エンジンは、一般的に以下の構成を採用しています。
直列3気筒エンジンは、一般的に120°クランクシャフト設計を採用しており、以下の特徴を備えています。
直列4気筒エンジン（インライン4気筒エンジンとも呼ばれる）は、一般的に上下上下上下の180°クランクシャフト設計を採用しており、以下の特徴を持つ。
直列5気筒エンジンは一般的に72°のクランクシャフト設計を採用しており、以下の特徴を備えています。
直列6気筒エンジンは一般的に120°クランクシャフト設計、1-5-3-6-2-4の点火順序を採用しており、以下の特徴を備えています。
V型2気筒エンジンには、以下の特徴があります。
V4エンジンは、 Vの角度やクランクシャフトの構成に関して、さまざまなバリエーションが存在します。例としては、以下のようなものがあります。
V6エンジンは一般的に以下の構成で生産されています。
「フラット」エンジンは必ずしも「ボクサー」エンジンとは限りません。「フラット」エンジンは、180度V型エンジンまたは「ボクサー」エンジンのいずれかです。フェラーリ512BBに使用されている180度V型エンジンは、対向するシリンダーペアのコネクティングロッドが同じクランクストロークを使用します。これに対し、BMWのオートバイに採用されている「ボクサー」エンジンでは、各コネクティングロッドは独自のクランクストロークを持ち、対向するシリンダーのクランクストロークから180度離れた位置に配置されます。
水平対向2気筒エンジンは、一般的に180°クランクシャフトと独立したクランクスローを使用し、以下の特徴を備えています。
水平対向4気筒エンジンは、一般的に左-右-右-左のクランクシャフト配置を採用しており、以下の特徴を備えています。
水平対向6気筒エンジンは一般的にボクサー型レイアウトを採用しており、以下の特徴を備えています。
このセクションでは、鉄道機関車に組み込まれた、駆動輪と車軸で連結された2つの蒸気機関のバランス調整について概説します。
機関車の不均衡な慣性の影響は、機関車の動きと鋼橋のたわみの測定を説明することによって簡単に示されます。これらの測定は、振動振幅と機関車自体、レール、橋梁への損傷を低減するためのさまざまなバランス方法やその他の設計上の特徴が必要であることを示しています。例として挙げた機関車は、2 つの外側シリンダーと弁装置、連結された駆動輪、独立した炭水車を備えた単純な非複式タイプです。3 気筒および 4 気筒機関車のバランス方法は複雑で多様になる可能性があるため、さまざまなシリンダー配置、クランク角などの影響については言及せず、基本的なバランスのみが扱われます。[ 10 ]数学的な処理は「参考文献」にあります。たとえば、ダルビーの「エンジンのバランス」では、多角形を使用して不均衡な力と偶力の処理が扱われています。ジョンソンとフライは両方とも代数計算を使用しています。
高速走行時、機関車は前後に激しく揺れ、また左右に前傾したり、横揺れしたりする傾向があります。また、ピッチングやロッキングも発生します。この記事では、2 台の蒸気機関とその連結された車輪の不均衡な慣性力と偶力に起因するこれらの動きについて考察します (同様の動きは、線路の走行面の不規則性や剛性によっても発生する可能性があります)。最初の 2 つの動きは往復運動する質量によって引き起こされ、最後の 2 つの動きはガイド バーに対するコネクティング ロッドの斜めの作用、つまりピストンの推力によって引き起こされます。[ 11 ]
バランス調整には3つの段階があります。最も基本的なのは、駆動輪の偏心部分、つまりクランクピンとその付属部品の静的バランス調整です。さらに、往復運動する部品の一部は、追加の回転ウェイトを使用してバランス調整できます。このウェイトは、車輪の偏心部分に必要なウェイトと組み合わされ、この追加ウェイトによって車輪が過バランス状態になり、ハンマーブローが発生します。最後に、上記のバランスウェイトは車輪の平面上にあり、不均衡の原因となる平面上にはないため、車輪/車軸アセンブリは動的バランス調整されません。蒸気機関車の動的バランス調整はクロスバランス調整と呼ばれ、反対側の車輪にある2つの平面でのバランス調整です。
不安定性の傾向は、特定の機関車の設計によって異なります。関連する要因としては、重量と長さ、ばねやイコライザーによる支持方法、不均衡な可動質量の値がばね下質量および機関車の全質量とどのように比較されるかなどが挙げられます。炭水車が機関車にどのように取り付けられているかも、その挙動に影響を与える可能性があります。レールの重量や路盤の剛性といった線路の弾力性も、機関車の振動挙動に影響を与える可能性があります。
乗り心地の悪さだけでなく、乗り心地の悪さは機関車と線路の両方の部品の摩耗や破損によるメンテナンス費用も発生させる。
すべての駆動輪には、クランクピンと付属部品の偏心によって生じる不均衡があります。主駆動輪は、最大のクランクピンと主ロッドの回転部分があるため、不均衡が最も大きくなります。また、バルブギア偏心クランクと偏心ロッドの後端もあります。連結駆動輪と同様に、サイドロッドの重量の一部も持ちます。回転運動を割り当てられた主ロッドの部分は、当初は両端で支えて重量を測定することによって測定されていました。打撃中心の位置に基づいて回転部分と往復運動部分を分離する、より正確な方法が必要になりました。この位置は、ロッドを振り子のように振って測定しました。[ 12 ]残りの駆動輪の不均衡は、クランクピンとサイドロッドの重量によって生じます。各クランクピンに割り当てられたサイドロッドの重量は、クランクピンの数と同じ数のスケールにロッドを吊り下げるか、計算によって測定されます。
往復運動するピストン・クロスヘッド・メインロッド・バルブの動きのリンクはアンバランスで、前後方向のサージングを引き起こします。90度の分離により、揺動カップルが発生します。[ 13 ]
機関車全体は不均衡な慣性力の影響を受けて動く傾向がある。不均衡な機関車の水平方向の動きは、1850 年頃にフランスの M. ル・シャトリエによって、建物の屋根からロープで吊り下げて定量化された。機関車は時速 40 マイルに相当する道路速度まで走行し、緩衝梁に取り付けられた鉛筆で水平方向の動きがトレースされた。トレースは、前後方向の動きと揺れる動きの複合作用によって形成される楕円形であった。不均衡な機関車の 1 つでは、その形状は 5/8 インチの正方形で囲むことができ、回転質量と往復質量に対抗するために重りを追加すると、一点にまで縮小した。[ 14 ]
垂直方向のバランスの崩れ、つまりレールにかかる車輪荷重の変動の影響は、1895年に米国でロビンソン教授によって定量化されました。彼は橋のたわみ、つまり歪みを測定し、静的値からの28%の増加は不均衡な駆動装置によるものだとしました。[ 15 ]
ペンシルバニア鉄道の試験場では、機関車の残留アンバランスが3つの方法で評価された。特に、1904年のルイジアナ購入博覧会では8両の機関車が試験された。その3つの測定項目は以下のとおりである。
運転室での乗り心地に関しては、ロードトリップ中に定性的な評価を行うことができる。しかし、ウェッジの固着、イコライザーの汚れ、機関車と炭水車の間のガタつきなど、無関係な要因によって乗り心地が悪くなる可能性があるため、より良いバランスが必要であることを示す信頼できる指標とはならない。また、バランスの崩れた車軸の位置が機関車の重心に対してどの程度であるかによって、運転室での揺れの程度が決まる場合もある。AH Fetters は、4-8-2 機関車では、 重心下の 26,000 ポンドの動的増強の影響は運転室には現れなかったが、他の車軸で同じ増強をすると影響が現れたと述べている。[ 17 ]
バランスウェイトは、アンバランスの原因となっている部品の反対側に取り付けられます。これらのウェイトを取り付けられる平面はホイール自体のみであるため、ホイール／車軸アセンブリにアンバランスな偶力が生じます。ホイールは静的バランスのみで調整されます。
往復運動する重量の一部は、ホイールに追加の回転重量を加えることでバランスが取られますが、これは静的にバランスが取れているだけです。この過剰バランスにより、ハンマーブローまたはダイナミックオーグメントと呼ばれる現象が発生します。これらの用語はどちらも、以下の参考文献で示されているのと同じ定義です。ハンマーブローは静的平均値を中心に変動し、ホイールが回転するたびに交互に加算および減算されます。[ 18 ] 米国では、これはダイナミックオーグメントとして知られており、設計者がホイールにカウンターバランスを組み込むことで往復運動する部品のバランスを取ろうとした結果生じる垂直方向の力です。[ 19 ]
ハンマー打撃という用語は、力が連続的に変化するため、実際に起こっていることをうまく表現していません。車輪がレールから一瞬浮き上がる極端な場合にのみ、車輪が再び降りてくるときに真の打撃が発生します。[ 20 ]
1923年頃まで、アメリカの機関車は静的状態のみでバランスが取られており、 アンバランスなカップルにより、1回転あたり平均から上下に最大20,000ポンドの主軸荷重の変動がありました。[ 21 ]乗り心地の悪さや損傷から、動的バランスを取るための推奨事項が生まれ、これには往復運動する重量を機関車全体の重量の割合として定義すること、またはフランクリン緩衝器を使用する場合は、機関車と炭水車の重量の合計として定義することが含まれていました。[ 22 ]
車輪／レール荷重の変動要因の一つであるピストン推力は、ハンマーブローやダイナミックオーグメントと誤って呼ばれることがあるが、これらの用語の標準的な定義には含まれていない。また、後述するように、車輪1回転あたりのピストン推力の形態も異なる。
駆動輪に重りを追加する代わりに、テンダーをタイトカップリングで接続することで、機関車の有効質量とホイールベースを増やすことができた。プロイセン国鉄は、往復バランス機構のない2気筒エンジンを製造したが、テンダーとの連結は剛性があった。[ 23 ]後期アメリカの機関車における同等の連結は、摩擦減衰式ラジアルバッファーであった。[ 24 ] [ 25 ]
クランクピンとロッドの重量は、ホイール上の静的バランスウェイトの位置とは異なる平面上にあります。高速走行時に不均衡な偶力をバランスさせる必要がある場合は、2平面バランス、すなわち動的バランスが必要となります。この場合、2つ目の平面は反対側のホイールに配置されます。
機関車の車輪セットの2平面または動的バランス調整は、クロスバランス調整として知られています。[ 13 ]クロスバランス調整は、1931年までアメリカ鉄道協会によって推奨されていませんでした。それまでアメリカでは静的バランス調整のみが行われていましたが、製造業者は輸出用機関車にクロスバランス調整を仕様に含めていました。ヨーロッパの製造業者は、1849年にル・シャトリエが理論を発表した後、クロスバランス調整を採用しました。[ 26 ]
特定の橋梁設計に対して最大車輪荷重と最大車軸荷重が規定されているため、鋼橋の要求される疲労寿命を達成できます。[ 27 ]車軸荷重は通常、2つの車輪荷重の合計にはなりません。これは、各車輪でクロスバランスの作用線が異なるためです。[ 28 ]機関車の静的重量がわかっている場合、往復運動部分を部分的にバランスさせるために各車輪に加えることができるオーバーバランスの量が計算されます。[ 29 ]通過する機関車の下の橋梁で測定されるひずみには、ピストン推力による成分も含まれています。これは、各車輪の許容オーバーバランスの上記の計算では無視されています。考慮する必要があるかもしれません。[ 30 ]
回転力は回転ごとに車輪荷重を交互に減少させ、また増加させるため、接地面における持続的な牽引力は車輪1回転ごとに低下し、車輪が滑る可能性がある。[ 31 ]滑りが発生するかどうかは、同時に連結されたすべての車輪に対するハンマー打撃の比較によって決まる。
高速スリップによる過剰なハンマー打撃は、往復運動重量の40%をバランスさせるという1934年のAAR勧告に従った新しい北米の4-6-4および4-8-4のレールの折れ曲がりの原因となった。[ 10 ]
車輪の不均衡な慣性力は、軌道の剛性に応じて異なる垂直振動を引き起こす可能性があります。グリースを塗布した軌道区間で行われた滑り試験では、あるケースでは時速165 マイルの滑り速度でレールにわずかな痕跡が見られましたが、より柔らかい軌道では時速105マイルでレールに深刻な損傷が発生しました 。[ 32 ]
蒸気機関のクロスヘッド摺動面は、クランクピンにかかるコネクティングロッドの力に対する反力を提供し、クランクシャフトの1回転ごとに2回、ゼロから最大値の間で変化します。[ 33 ]
ハンマー打撃は車輪の回転ごとに交互に加算と減算を行うのに対し、ピストン推力は、運動方向と機関車が惰性走行しているかドリフトしているかに応じて、1回転につき2回、静的平均値に加算または減算するだけです。
鉄道機関車に用いられる複動式蒸気機関では、前進運転時にはスライドバーにかかる垂直推力の方向は常に上向きである。推力はストロークの終端ではゼロから、コンロッドとクランク間の角度が最大となるストロークの中間点で最大となる。[ 34 ]クランクピンがピストンを駆動する時（惰性運転時など）は、ピストンの推力は下向きである。最大推力の位置は、スライドバーの中央部の摩耗の増加によって示される。[ 35 ]
上部スライドにかかる可変力の傾向として、ストロークの半分で機械をリードスプリングから持ち上げ、ストロークの両端でゆっくりと下げる傾向がある。これによりピッチングが発生し、2 つのシリンダーの最大上向き力が同時ではないため、スプリング上で転がる傾向もある。[ 34 ]
機関車の車輪の動的バランス調整は、他の平面に存在する不均衡をバランス調整する平面として車輪を使用するものであり、ジェットエンジンのコンプレッサー/タービンアセンブリなどの他のローターの動的バランス調整と類似している。組み立てられたローターの残留不均衡は、航空機にエンジンが搭載された状態でアクセスできる2つの平面にバランスウェイトを取り付けることによって修正される。1つの平面はファンの前部にあり、もう1つは最後のタービン段にある。[ 36 ]
引用文献
情報源