エンジンバランス

エンジンバランスとは、内燃機関または蒸気機関の可動部品によって生成される慣性力をカウンターウェイトとバランスシャフトで中和し、不快で損傷の恐れのある振動を防ぐ方法を指します。最も強い慣性力はクランクシャフト速度で発生するため (一次力)、バランスは必須ですが、クランクシャフト速度の 2 倍の力 (二次力) が重要になる場合もあります。

エンジン内の一部のコンポーネント（コネクティングロッドなど）は複雑な動きをしますが、すべての動きを往復運動と回転運動のコンポーネントに分離できるため、不均衡の分析に役立ちます。

インライン エンジン (ピストンが垂直) を例にとると、主な往復運動は次のようになります。

• ピストンが上下に動く
• コネクティングロッドが上下に動く
• コネクティングロッドはクランクシャフトの周りを回転しながら左右に動きますが、この動きによって生じる横方向の振動はピストンによって生じる上下の振動よりもはるかに小さくなります。^[1]

不均衡を引き起こす可能性のある主な回転運動は次のとおりです。

• クランクシャフト
• カムシャフト
• コネクティングロッド（ピストンとクランクスロー間の水平オフセットの変化に応じてピストン端の周りを回転する）

不均衡は、個々のコンポーネントの静的質量またはエンジンのシリンダー レイアウトによって発生する可能性があります。詳細については、次のセクションを参照してください。

可動部品の重量または重量配分が均一でない場合、その動きによって不均衡な力が生じ、振動につながる可能性があります。たとえば、ピストンまたは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可能性があります。同様に、ウェブ重量が不均一なクランクシャフトの回転や、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。

静的質量の重量配分が完全にバランスが取れていても、シリンダーレイアウトによっては、各シリンダーからの力が常に互いに打ち消し合うわけではないため、不均衡が生じます。たとえば、直列 4 気筒エンジンには垂直振動があります (エンジン速度の 2 倍)。これらの不均衡は設計に固有のものであり、回避することはできません。したがって、キャビンに入る振動を最小限に抑えるには、バランス シャフトやその他のNVH低減技術を使用して、結果として生じる振動を管理する必要があります。

往復不均衡は、ある部品（ピストンなど）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打ち消されない場合に発生します。

往復位相不平衡の種類は次のとおりです。

• 単気筒エンジンや直列 3 気筒エンジンなどの、反対方向に動くピストンの不一致。
• 不均等な間隔の点火順序、例えばオフセットクランクピンのないV6エンジンなど

往復運動面の不均衡の種類は次のとおりです。

• ボクサーツインエンジン、120°直列3気筒エンジン、90°V4エンジン、直列5気筒エンジン、60°V6エンジン、クロスプレーン90°V8エンジンなどで、等しく反対方向の燃焼力によってクランクシャフトにロッキングカップルを引き起こすクランクピン間のオフセット距離。

重複する動力行程のないエンジン（4 気筒以下のエンジンなど）では、動力伝達の脈動により、往復運動の不均衡と同様に、 エンジンがX軸上で回転振動します。

回転不均衡は、回転アセンブリ上の質量分布の不均一性によって引き起こされます。

回転位相不均衡の種類は次のとおりです。

• 回転部品上の不均衡な偏心質量（不均衡なフライホイールなど）

回転面の不均衡の種類は次のとおりです。

• 回転アセンブリの回転軸に沿った不均衡な質量は、ロッキングカップルを引き起こします。例えば、ボクサーツインエンジンのクランクシャフトにカウンターウェイトが含まれていない場合、180°離れた位置にあるクランクスローの質量は、クランクシャフトの軸に沿ってカップルを引き起こします。^[2]
• ピストン-コネクティングロッドアセンブリの質量中心の高さの差など、反対方向に移動するアセンブリのペアにおける横方向の動き。この場合、一方のコネクティングロッドが左にスイングし (クランクの回転の上半分の間)、もう一方のコネクティングロッドが右にスイング (下半分の間) することでロッキングカップルが発生し、エンジンの上部では左方向の力が、エンジンの下部では右方向の力が生まれます。

ねじり振動は、シャフトに共振周波数と一致する周波数でトルク インパルスが適用され、適用されたトルクと抵抗トルクがシャフトのさまざまなポイントで作用するときに発生します。バランスをとることはできず、減衰する必要があります。バランスはすべての速度と負荷で同様に効果的ですが、減衰は特定の動作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、共振周波数が想定される動作範囲外になるようにシャフトを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（クラッチなど）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の周囲に振動が発生します。この振動はエンジンの外部に伝わりませんが、振動による疲労によりクランクシャフトが故障する可能性があります。

星型エンジンではねじりの不均衡は発生しません。

一次不均衡は、クランクシャフトの回転周波数、すなわち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、クランクシャフトの回転周波数の 2 倍の振動を排除します。これは、隣接するシリンダーのピストンが同時に反対の死点位置を通過する180° または単一平面クランクシャフトを備えた直列エンジンと V 型エンジンに特に影響します。直列 4 気筒エンジンは完璧なバランスになると考えられますが、正味の二次アンバランスは残ります。

これは、コネクティングロッドの大端部が左右に振動し、小端部の動きが各振動、つまりクランク1回転につき2回、上死点と下死点の間の理想的な正弦運動から外れ、小端部（およびそれに接続されたピストン）がクランクシャフトの回転の上180°で移動しなければならない距離が下180°の場合よりも長くなるためです。同じ時間での距離が長いということは、速度と加速度が高くなることを意味します。そのため、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。ピストンの非正弦運動は、数式で説明できます。

^{たとえば、自動車の場合、シリンダーが約 500 cc/30 cuin [要出典]}より大きいエンジン(さまざまな要因による)には、不要な振動を排除するためのバランス シャフトが必要です。バランス シャフトは、エンジン速度の 2 倍の速度で反対方向に回転する 1 対のバランス シャフトの形をしており、元の製造元にちなんでランチェスター シャフトと呼ばれています。

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を回避します。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の場合、通常、各バンクのピストンの数、V 角度、点火間隔などの要因によって、往復位相不均衡またはねじり不均衡が存在するかどうかが決まります。

直列 2 気筒エンジンでは、次の構成が最も一般的に使用されます。

• 360°クランクシャフト：この構成では、単気筒エンジンと同等の一次および二次不均衡が最も高くなります。^[4]しかし、点火順序が均等であるため、よりスムーズな動力伝達が可能です（ただし、4気筒以上のエンジンのような重複した動力行程はありません）。
• 180°クランクシャフト：この構成は一次バランスは保たれますが、点火順序が不均一で、ロックカップルが発生します。^[5]また、二次アンバランスは360°直列2気筒エンジンに比べて半分の強さ（頻度は2倍）になります。
• 270° クランクシャフト: この構成では二次的な不均衡が最小限に抑えられますが、一次回転面の不均衡が存在し、点火順序が不均一になります。排気音と出力伝達は 90° V ツイン エンジンに似ています。

直列 3 気筒エンジンは、最も一般的には 120° クランクシャフト設計を採用しており、次のような特徴があります。

• 点火間隔は完全に規則的です（ただし、パワーストロークは重複していません）。
• 一次往復動面と二次往復動面のバランスは完璧です。
• 一次および二次回転面の不均衡が存在します。

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、通常、上-下-下-上180° クランクシャフト設計を使用し、次の特性を備えています。

• 点火間隔は完全に規則的です（ただし、パワーストロークは重複していません）。
• 一次および二次の往復面の不均衡が存在します。
• 4 つのピストンすべてが回転周波数の 2 倍で同位相になっているため、二次的な往復力は高くなります。
• カウンターウェイトは1930年代半ばから乗用車のエンジンに使用されており、^[6]フルカウンターウェイトまたはセミカウンターウェイト（ハーフカウンターウェイトとも呼ばれる）設計のいずれかです。

直列 5 気筒エンジンは通常、72° クランクシャフト設計を採用しており、次のような特性があります。

• 完全に規則的な点火間隔と重複するパワーストロークにより、シリンダー数の少ないエンジンよりもスムーズなアイドリングを実現します。
• 一次往復動面と二次往復動面のバランスは完璧です。
• 一次および二次回転面の不均衡が存在します。

直列 6 気筒エンジンは通常、120° クランクシャフト設計、1–5–3–6–2–4 シリンダーの点火順序を採用し、次の特性を備えています。

• 完全に規則的な点火間隔と重複するパワーストローク。2 つのシンプルな 3-in-1 排気マニホールドを使用すると、エンジンが実質的に 2 つの独立した直列 3 気筒エンジンのように動作するため、均一な掃気を実現できます。
• 一次往復動面と二次往復動面のバランスは完璧です。
• 一次回転面と二次回転面のバランスは完璧です。

Vツインエンジンには次のような特徴があります。

• 90 度の V 角とオフセット クランク ピンにより、V ツイン エンジンは完璧なプライマリ バランスを実現できます。
• 共有クランクピンが使用されている場合 (Ducati V ツイン エンジンなど)、360° クランクシャフトにより点火間隔が不均一になります。これらのエンジンには、主要な往復面と回転面の不均衡もあります。コネクティング ロッドがクランクシャフトに沿って異なる位置にある場合 (フォーク アンド ブレード コネクティング ロッドが使用されていない場合)、このオフセットによりエンジン内にロッキング カップルが発生します。

V4 エンジンには、「V」角度とクランクシャフトの構成に関してさまざまな構成があります。例をいくつか挙げます。

• V 角が狭いランチアフルビアV4 エンジンは、V 角に対応するクランク ピン オフセットを備えているため、点火間隔は直列 4 気筒エンジンの点火間隔と一致します。
• 一部のV4エンジンは点火間隔が不規則で、バランスをとるすべての項目に関して各設計を個別に検討する必要がある。ホンダRC36エンジンは、V角90°、クランクシャフト180°、点火間隔180°-270°-180°-90°で、クランクシャフト回転360°内および720°内で点火間隔が不均一となる。一方、ホンダVFR1200Fエンジンは、V角76°、クランクピン共有360°、オフセット28°で点火間隔256°-104°-256°-104°となっている。このエンジンは、フロント-リア-リア-フロントという珍しいコネクティングロッド配置で、フロントシリンダーバンクのシリンダー間の距離（「ボア間隔」）がリアよりも広く、ロッキングカップルが減少している（エンジン幅が広くなる）。^[7]

V6 エンジンは一般に次の構成で製造されます。

• 60° V 角: この設計により、エンジン サイズがコンパクトになり、クランクシャフトの長さが短くなるため、ねじり振動が低減します。回転面の不均衡。左右のシリンダー バンクがずれているため (コネクティング ロッドとクランク ウェブの厚さによる)、往復面の不均衡をクランクシャフト カウンターウェイトを使用して低減することがより困難になります。
• 90° V 角: この設計は歴史的には、設計と製造のコストを削減するために 90° V8 エンジンから 2 つのシリンダーを切り落としたことに由来しています。初期の例としては、3.3 L (200 cu in) と 3.8 L (229 cu in) のシボレー 90° V6 エンジンがあり、18° オフセットのクランクシャフトにより点火間隔が不均一になっています。ホンダ C エンジンなどの新しい例では、30° オフセットのクランクピンが使用され、点火間隔が均一になっています。60° V 角の V6 エンジンと同様に、これらのエンジンには、一次往復面と回転面のアンバランス、互い違いのシリンダー バンク、およびより小さな二次アンバランスがあります。

[正確さ: 「フラット」エンジンは必ずしも「ボクサー」エンジンではありません。 「フラット」エンジンは、180 度 V 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 で使用されている 180 度 V エンジンには、同じクランク スローを使用するコネクティング ロッドを持つ対向シリンダー ペアがあります。 これとは対照的に、BMW のオートバイに適用される「ボクサー」エンジンでは、各コネクティング ロッドに独自のクランク スローがあり、対向シリンダーのクランク スローから 180 度の位置にあります。]

フラットツインエンジンは通常、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、次の特性を備えています。

• 一次往復動面と二次往復動面のバランスは完璧です。
• 一次回転面と二次回転面の不均衡が存在します。

フラット4エンジンは通常、左-右-右-左のクランクシャフト構成を使用し、次の特性を備えています。

• 主な不均衡は、対向するピストンのロッキング カップルがずれている (前後にオフセットされている) ことによって発生します。上下に揺れるコネクティング ロッドのペアは異なる重心の高さで動くため、このロッキング カップルの強度は直列 4 気筒エンジンよりも小さくなります。
• 二次的な不均衡は最小限です。

フラット 6 エンジンは通常、ボクサー構成を使用し、次の特性を備えています。

• 均等間隔の点火間隔と重複するパワーストローク。各シリンダーバンクのシンプルな 3-in-1 排気により均一な掃気が可能になり、この点ではエンジンは実質的に 2 つの独立した直列 3 気筒エンジンのように動作します。
• クランクシャフトに沿った対向するシリンダー間の距離により、一次往復面と回転面の不均衡が生じます。フォークアンドブレードコネクティングロッドを使用すれば、フラット 6 エンジンの一次バランスは完璧になります。
• 同位相で動くシリンダーのペアがないため、二次的な不均衡は最小限に抑えられ、不均衡は反対側のシリンダーによってほぼ相殺されます。
• 水平対向 6 気筒エンジンは長さが短いため、直列 6 気筒エンジンよりもねじりアンバランスが低くなります。

このセクションでは、鉄道機関車に組み立てられた、駆動輪と車軸で接続された 2 つの蒸気エンジンのバランス調整について説明します。

機関車の不均衡な慣性の影響は、機関車の動きと鋼鉄橋のたわみの測定を説明することによって簡単に説明される。これらの測定は、振動振幅と機関車自体、レール、橋への損傷を減らすために、さまざまなバランス調整方法とその他の設計上の特徴が必要であることを示している。例の機関車は、2 つの外側シリンダーとバルブ ギア、連結された駆動輪、および独立した炭水車を備えた、単純な非複合型である。3 気筒および 4 気筒機関車のバランス調整方法は複雑で多様であるため、基本的なバランス調整のみがカバーされ、さまざまなシリンダー配置、クランク角度などの影響については触れられていない。^[8]数学的な処理は、「さらに読む」で見つけることができます。たとえば、ダルビーの「エンジンのバランス調整」では、多角形を使用して不均衡な力と偶力の処理について説明しています。ジョンソンとフライはどちらも代数計算を使用しています。

機関車は速度が上がると前後に揺れ、左右に揺れる傾向がある。また、縦揺れや揺れもする傾向がある。この記事では、2 台の蒸気機関と連結された車輪の不均衡な慣性力と偶力から生じるこれらの動きについて考察する (同様の動きは、線路の走行面の凹凸や剛性によっても発生する可能性がある)。最初の 2 つの動きは往復運動する質量によって発生し、最後の 2 つはガイド バーに対するコンロッドまたはピストンの推力の斜め作用によって発生する。^[9]

バランス調整には 3 つのレベルがあります。最も基本的なレベルは、駆動輪のオフセンター部分、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、往復動部品の一部は、追加の回転重りでバランス調整できます。この重量は、ホイールのオフセンター部分に必要な重量と組み合わされ、この余分な重量によってホイールのバランスが崩れ、ハンマーブローが発生します。最後に、上記のバランス重りはホイールの平面にあり、元のアンバランスの平面にはないため、ホイール/車軸アセンブリは動的バランス調整されていません。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、2 平面バランス調整で、2 番目の平面は反対側のホイールにあります。

不安定になる傾向は、特定の機関車のクラスの設計によって異なります。関連する要因には、重量と長さ、バネとイコライザーによるサポート方法、アンバランスな移動質量の値とバネ下質量および機関車の総質量との比較などがあります。炭水車が機関車に取り付けられる方法によっても、その動作が変わることがあります。レールの重量による軌道の弾力性と路盤の剛性は、機関車の振動動作に影響を与える可能性があります。

乗り心地が悪いだけでなく、乗り心地が悪いと、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します。

すべての駆動輪は、中心からずれたクランクピンと付属部品によって不均衡が生じている。主駆動輪は、最大のクランクピンと主ロッドの回転部分を備えているため、不均衡が最も大きい。また、バルブギア偏心クランクと偏心ロッドの後端も備えている。連結駆動輪と同様に、主駆動輪にもサイドロッドウェイトの一部がある。主ロッドの回転運動を割り当てられた部分は、当初は両端で支えて重量を量って測定していた。より正確な方法が必要となり、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割する必要が生じた。この位置は、ロッドを振り子のように振って測定した。^[10]残りの駆動輪の不均衡は、クランクピンとサイドロッドウェイトによって生じる。各クランクピンに割り当てられたサイドロッドウェイトは、クランクピンの数と同じ数のスケールにロッドを吊るすか、計算によって測定される。

往復ピストン、クロスヘッド、メインロッド、バルブモーションリンクは不均衡であり、前後方向の揺れを引き起こします。これらの90度の分離により、揺れが発生します。^[11]

機関車全体は、アンバランスな慣性力の影響を受けて動く傾向がある。アンバランスな機関車の水平方向の動きは、1850年頃、フランスのル・シャトリエ氏によって、建物の屋根からロープで吊り下げて測定された。機関車を時速40マイルの道路速度に相当する速度まで加速し、緩衝梁に取り付けた鉛筆で水平方向の動きをトレースした。トレースは、前後方向の動きと揺れの複合作用によって形成された楕円形だった。アンバランスな機関車の1台では、その形状は5⁄8インチの正方形で囲むことができ、回転および往復運動する質量に対抗するために重りを追加することで、その形状は縮小された。^[12]

垂直方向の不均衡、つまりレールにかかる車輪荷重の変化の影響は、1895年に米国の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、つまりひずみを測定し、静的値よりも28%の増加が不均衡な駆動力によるものであると結論付けました。^[13]

ペンシルバニア鉄道の試験工場では、機関車の残留アンバランスを 3 つの方法で評価しました。特に、1904 年のルイジアナ購入博覧会では 8 台の機関車が試験されました。3 つの測定項目は次のとおりです。

1. 臨界速度。これは、不均衡な往復運動部品が機関車の牽引力を逆転させる速度として定義されました。速度が速い場合、この動きはダッシュポットのオイルの流れを絞ることで減衰されます。臨界速度は、ボールドウィン タンデム コンパウンドの 95 RPM から、コール コンパウンド アトランティックの 310 RPM 以上まで変化しました。
2. パイロットの水平方向の動き。たとえば、ボールドウィン複合アトランティックは時速 65 マイルで約 0.80 インチ移動しましたが、コール複合アトランティックでは 0.10 インチ移動しました。
3. プラントの支持車輪にかかる負荷の質的評価。直径 0.060 インチのワイヤーを車輪の下に通した。変形したワイヤーを測定すると、車輪にかかる垂直荷重の目安が得られた。たとえば、コール複合アトランティックは、時速 75 マイルまでのすべての速度で 0.020 インチの厚さからほとんど変化がなかった。対照的に、時速 75 マイルのボールドウィン複合アトランティックでは、車輪の回転が 30 度で急激な反動衝撃が加わっても、車輪が完全に持ち上がったことを示す変形は見られなかったが、わずか 20 度の回転で、ハンマー打撃なしの変形は 0.020 インチになった。^[14]

定性的な評価は、運転席での乗り心地の観点から、遠征中に行われる場合があります。くさびの詰まり、イコライザーの汚れ、機関車と炭水車の間のたるみなど、無関係な要因が乗り心地の悪さを引き起こす可能性があるため、定性的な評価は、より良いバランスの必要性を示す信頼できる指標ではない可能性があります。また、機関車の重心に対するバランスの取れていない車軸の位置によって、運転席の動きの大きさが決まる場合もあります。AH Fetters は、4-8-2 では、重心下の 26,000 ポンドの動的増加の影響は運転席には現れなかったが、他の車軸で同じ増加があった場合は現れるだろうと述べています。^[15]

バランス ウェイトは、不均衡の原因とな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設置できる唯一の平面はホイール自体であり、ホイール/車軸アセンブリに不均衡なカップルが発生します。ホイールは静的にのみバランスが取れています。

往復運動する重量の一部は、車輪に回転する余分な重量を追加することでバランスが取れています。つまり、まだ静的にしかバランスが取れていません。オーバーバランスは、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を引き起こします。両方の用語は、以下の参考文献に記載されているのと同じ定義を持っています。ハンマーブローは静的平均値を中心に変化し、車輪が回転するたびに静的平均値に加算または減算されます。^[16] 米国では、これはダイナミックオーグメントと呼ばれ、車輪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する設計者の試みによって引き起こされる垂直方向の力です。^[17]

ハンマー打撃という用語は、実際に起こっていることをあまりうまく表現していません。なぜなら、力は継続的に変化しており、車輪がレールから一瞬浮き上がる極端な場合にのみ、車輪がレールから落ちたときに本当の打撃が発生するからです。^[18]

1923年頃まで、アメリカの機関車は、不均衡な連結による主軸荷重の1回転あたり平均からの上下20,000ポンドもの変動を伴って、静的状態でのみバランスが取れていました。^{[19]乗り心地の悪さと損傷により、往復運動する重量を機関車の総重量の割合としてバランスを取ることや、フランクリン緩衝器を使用して[20]}機関車と炭水車の重量を合わせた重量としてバランスを取ることなど、動的バランス調整の推奨が生まれました。

車輪/レールの負荷が変化する別の原因であるピストン推力は、ハンマーブローや動的増加などと誤って呼ばれることがあります。ただし、これらの用語の標準的な定義には記載されていません。また、後述するように、車輪の回転ごとに異なる形態をとります。

駆動輪に重りを追加する代わりに、機関車の有効質量とホイールベースを増やすために、密接したカップリングを使用してテンダーを接続することもできます。プロイセン国鉄は、往復バランスのない2気筒エンジンを製造しましたが、テンダーカップリングは剛性がありました。^[21]後期のアメリカの機関車では、これに相当するカップリングは摩擦減衰ラジアルバッファーでした。^{[22] [23]}

車輪のクランクピンとロッドの重量は、静的バランス ウェイトの車輪平面位置の外側の平面にあります。速度が速いときに不均衡なカップルのバランスをとる必要がある場合は、2 平面、つまり動的バランス調整が必要です。使用される 2 番目の平面は、反対側の車輪にあります。

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シングとして知られています。^[11]クロスバランシングは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。その時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、メーカーは輸出用の機関車にクロスバランシングを指定した場合に組み込んでいました。ヨーロッパのメーカーは、ルシャトリエが1849年に理論を発表した後、クロスバランシングを採用しました。^[24]

最大輪重および車軸荷重は、特定の橋梁設計に対して指定され、鋼橋の必要な疲労寿命を達成できる。^[25]車軸荷重は、通常、2 つの輪重の合計にはなりません。これは、クロスバランスの作用線が各車輪で異なるためです。^[26]機関車の静的重量がわかっている場合、往復運動する部品を部分的にバランスさせるために各車輪に加えられるオーバーバランスの量が計算されます。^[27]通過する機関車の下の橋で測定されたひずみには、ピストン推力による成分も含まれます。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。これを考慮に入れる必要があるかもしれません。^[28]

回転力は車輪の荷重を1回転ごとに交互に増加させるだけでなく減少させるため、接地面における持続的な牽引力は車輪が1回転するごとに一度低下し、車輪がスリップする可能性があります。^[29]スリップが発生するかどうかは、連結されたすべての車輪に同時にハンマー打撃がどの程度比較されるかによって決まります。

1934年のAAR勧告に従って往復運動重量の40%をバランスさせるというノースアメリカンの新しい4-6-4と4-8-4では、高速での滑りによる過度のハンマー打撃がレールのねじれの原因となった。^[8]

車輪の不均衡な慣性力は、線路の硬さに応じてさまざまな垂直振動を引き起こす可能性があります。グリースを塗った線路部分で行われた滑りテストでは、あるケースでは滑り速度165mphでレールにわずかな跡が残りましたが、より柔らかい線路では105mphでレールに深刻な損傷が発生しました。^[30]

蒸気機関のクロスヘッド摺動面は、クランクピン上のコネクティングロッドの力に反応し、クランクシャフトが1回転するごとにゼロと最大値の間で2回変化します。^[31]

車輪が 1 回転するごとに交互に加算と減算を行うハンマー ブローとは異なり、ピストン推力は、運動の方向と機関車が惰性走行しているか漂流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。

鉄道機関車に使用されている複動式蒸気機関では、前進時にスライドバーにかかる垂直推力の方向は常に上向きです。これは、ストロークの終わりにはゼロですが、コンロッドとクランクの角度が最大になる半ストローク時には最大になります。^[32]惰性走行時のようにクランクピンがピストンを駆動する場合、ピストンの推力は下向きです。最大推力の位置は、スライドバーの中央の摩耗の増加によって示されます。^[33]

上部スライドにかかる可変力の傾向は、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、ストロークの終わりで機械を緩めることです。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昇力が同時に発生しないため、スプリング上で転がる傾向もあります。^[32]

機関車の車輪の動的バランス調整は、車輪を他の面に存在する不均衡のバランス調整面として使用するもので、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に似ています。組み立てられたローターの残留不均衡は、航空機に搭載されたエンジンでアクセスできる2つの面にバランスウェイトを取り付けることで修正されます。1つの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ります。^[34]

• バランスマシン
• 騒音、振動、不快感

引用

出典

• バーナード・スヴォボダ（1984）、代替代替手段の機械、vol. 331 ページ、パリ: Editions TECHNIP、ISBN 9782710804581
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• テイラー、チャールズ・フェイエット（1985年）、理論と実践における内燃機関、第2巻：燃焼、燃料、材料、設計、マサチューセッツ：MITプレス、ISBN 0-262-70027-1
• クラーク、ダニエル・キニア（1855）、鉄道機械、第 1 版、ブラック アンド サン
• ジョンソン、ラルフ（2002）、『蒸気機関車』、シモンズ・ボードマン
• フライ、ローフォード H. (1933)、「機関車のカウンターバランス」、アメリカ機械学会誌
• ダルビー、WE（1906）、エンジンのバランス、エドワード・アーノルド、第4章 –機関車のバランス
• ベヴァン、トーマス（1945）、機械の理論、ロングマンズ、グリーン＆カンパニー