ねじり振動

ねじり振動は、物体（通常はシャフト）の回転軸に沿った角度振動です。ねじり振動は、回転シャフトやカップリングを使用する動力伝達システムで問題となることが多く、制御しないと故障の原因になります。ねじり振動の 2 つ目の影響は乗用車にも当てはまります。ねじり振動は、特定の速度でシートの振動や騒音を引き起こす可能性があります。どちらも快適性を低下させます。

回転部品を使用する理想的な発電 (または伝達) システムでは、加えられるトルクまたは反応するトルクは「滑らか」で一定の速度をもたらし、動力が生成される回転面 (入力) と取り出される面 (出力) は同じです。実際にはそうではありません。生成されるトルクは滑らかでない場合があり (例:内燃機関)、駆動されるコンポーネントがトルクに滑らかに反応しない場合があり (例:往復動型コンプレッサー)、通常、動力生成面は動力取り出し面からある程度離れています。また、トルクを伝達するコンポーネントは、滑らかでないトルクや交互のトルクを生成する場合があります (例: 弾性駆動ベルト、摩耗したギア、位置ずれしたシャフト)。無限に硬い材料は存在しないため、シャフトからある程度離れた位置で加えられるこれらの交互のトルクは、回転軸を中心にねじり振動を引き起こします。

ねじり振動の発生源

動力源によって、ドライブトレインにねじり振動が生じることがあります。しかし、回転入力が非常にスムーズなドライブトレインであっても、内部コンポーネントを通じてねじり振動が発生する可能性があります。一般的な発生源は次のとおりです。

内燃機関：連続燃焼ではない燃焼のねじり振動とクランクシャフトの形状自体がねじり振動を引き起こす^[1]
往復動型圧縮機：ピストンは圧縮により不連続な力を受ける。^[2]
ユニバーサルジョイント：このジョイントの形状により、シャフトが平行でない場合、ねじり振動が発生します。
スティックスリップ: 摩擦要素の噛み合い中に、スティックスリップ状況によってねじり振動が発生します。
ラッシュ: 回転方向が変更されたり、動力の流れ (駆動側と従動側) が逆転したりすると、ドライブトレインのラッシュによってねじり振動が発生する可能性があります。

クランクシャフトのねじり振動

ねじり振動は、内燃機関のクランクシャフトでは懸念事項です。特に振動の周波数がクランクシャフトのねじり共振周波数と一致する場合、クランクシャフト自体が破損したり、フライホイールが切断されたり、駆動ベルト、ギア、および付属部品が故障したりする可能性があるためです。ねじり振動の原因は、いくつかの要因に起因します。

クランクシャフト、コネクティングロッド、ピストンのスライダークランク機構によって交互トルクが生成されます。
- 燃焼によるシリンダー圧力は、燃焼サイクルを通じて一定ではありません。
- スライダークランク機構は、圧力が一定であっても滑らかなトルクを出力しません（例えば、上死点ではトルクは生成されません）
- ピストン質量とコネクティングロッド質量の動きは、しばしば「慣性」トルクと呼ばれる交互トルクを生成する。
6 個以上のシリンダーを直線状に配置したエンジンは、長さが長いため、クランクシャフトの柔軟性が非常に高くなります。
2 ストロークエンジンでは、ストローク長が長いため、通常、メインベアリングとピンベアリング間のベアリングオーバーラップが小さくなり、剛性が低下するためクランクシャフトの柔軟性が高まります。
メインベアリングとコンロッドベアリング内の油膜のせん断抵抗を除いて、クランクシャフトには振動を低減する減衰が本質的にほとんどありません。

クランクシャフトのねじり振動が制御されていない場合、クランクシャフトまたはクランクシャフトによって駆動される付属品（通常はエンジンの前部。フライホイールの慣性により、エンジン後部の動きは通常減少します）の故障を引き起こす可能性があります。カップリングは振動エネルギーを熱に変換します。したがって、カップリングがこれによって損傷を受けないようにするために（負荷によって温度が非常に高くなる可能性があります）、ねじり振動計算によってこれが検証されます。^[3]

この潜在的に有害な振動は、多くの場合、クランクシャフトの前部ノーズにあるねじりダンパーによって制御されます (自動車では、多くの場合、フロントプーリーに組み込まれています)。ねじりダンパーには主に 2 つのタイプがあります。

粘性ダンパーは、粘性流体内の慣性リングで構成されています。クランクシャフトのねじり振動により、流体が狭い通路を通過し、振動が熱として消散します。粘性ねじりダンパーは、自動車のサスペンションの油圧ショックアブソーバーに似ています。
チューニングされたアブソーバータイプの「ダンパー」は、ハーモニックダンパーまたはハーモニックバランサーと呼ばれることがよくあります(技術的にはクランクシャフトを減衰またはバランスさせるものではありませんが)。このダンパーは、スプリング要素 (多くの場合、自動車エンジンではゴム) と、通常クランクシャフトの最初のねじり固有周波数にチューニングされた慣性リングを使用します。このタイプのダンパーは、励起トルクがクランクシャフトの最初の固有周波数を励起する場合、特定のエンジン速度で振動を軽減しますが、他の速度では軽減しません。このタイプのダンパーは、地震時に建物の動きを軽減するために超高層ビルで使用されるチューニングされた質量ダンパーに似ています。

電気機械駆動システムにおけるねじり振動

駆動システムのねじり振動は、通常、駆動電気モーターのローターの回転速度の変動をもたらします。平均ローター回転速度に重畳されたこのような角速度の振動は、電磁束の摂動を引き起こし、モーター巻線の電流のさらなる振動につながります。次に、生成された電磁トルクは、追加の時間変動電気機械的相互作用によっても影響を受け、駆動システムのさらなるねじり振動につながります。上記によると、駆動システムの機械的振動/振動は、モーター巻線の電流の電気振動と結合します。このような結合は通常、非線形であり、大きな計算負荷をもたらします。

電気機械振動は非線形性が高く、結合性が高いため、近似が使用されることが多く、このような振動を解析的に特徴付けることができます。機械システムと電気システム間の振動の特徴付けを簡素化するために、機械コンポーネントと電気コンポーネントは結合されていないと仮定するのが一般的です。次に、機械または電気のいずれかの側面を定常状態に保持することにより、もう一方の特性を計算できます。一般的な方法は、電気モーターによって生成される電磁トルクを、時間またはローターとステーターの滑りの想定励起関数として適用することです。 ^[4]^[5]^[6]これは通常、特定の電気モーターの動的動作に対して実行される多数の実験測定に基づいています。この目的のために、測定結果、つまり経験に基づいて、電気モーターによって生成される電磁外部励起の適切な近似値を提供する式が開発されています。^[7]電気モーターの巻線に流れる電流は正確ですが、機械駆動システムは通常、1 つまたはまれに最大で数個の回転剛体に縮小されます。^[8]多くの場合、このような単純化は工学的応用には十分有用な結果をもたらしますが、機械システムの多くの質的な動的特性、例えば質量分布、ねじりの柔軟性、減衰効果などが無視されるため、不正確さにつながる可能性があります。したがって、駆動システムの振動挙動が電気機械の回転子の角速度変動に及ぼす影響、そして回転子と固定子の巻線の電流振動に及ぼす影響は、任意の高い精度を提供できる数値的方法を除いて、十分な精度で調査することはできません。

機械振動と変形は、鉄道車両の駆動系構造の大部分の動作に関連する現象です。鉄道車両のトランスミッションシステムのねじり振動に関する知識は、機械システムダイナミクスの分野で非常に重要です。^[9]鉄道車両の駆動系のねじり振動は、非常に複雑な多くの結合メカニズムによって生成され、2つの主要な部分に分けることができます。

鉄道の駆動系システム内の電気機械的相互作用。電気モーター、ギア、ディスククラッチとギアクラッチの駆動部品が含まれます。^[10]
車輪とレールの接触領域における粘着力の変化によって引き起こされる柔軟な車輪^[11]^{[12]および輪軸のねじり振動。}^[13]

粘着力の相互作用は、クリープ値に関連する非線形特性を持ち、車輪レール領域の状態と軌道形状（特に曲線区間を走行する場合）に大きく依存します。多くの現代の機械システムでは、ねじり構造の変形性が重要な役割を果たします。鉄道車両のダイナミクスの研究では、ねじり変形可能な要素のない剛体多体法が使用されることがよくあります^[14]このアプローチでは、車輪レールの縦方向相互作用に重要な影響を与える自己励起振動の解析はできません。^[15] 駆動機械^[16]^[17]または車両の要素と結合した電気駆動システムの動的モデリングは、そのようなモデリングの目的が、ランアップ、ランダウン、車輪レール領域での粘着力の喪失など、システム動作の過渡現象に関する情報を得ることである場合に特に重要です。電気駆動モーターと機械間の電気機械的相互作用のモデリングも、駆動システムの自己励起ねじり振動に影響を与えます。^[18]^[19]

物理システムのねじり振動の測定

ねじり振動を測定する最も一般的な方法は、シャフトの 1 回転にわたって等間隔のパルスを使用する方法です。専用のシャフトエンコーダーとギア歯ピックアップトランスデューサー (誘導、ホール効果、可変磁気抵抗など) は、これらのパルスを生成できます。結果として得られるエンコーダーパルス列は、デジタル rpm 読み取り値または rpm に比例した電圧に変換されます。

デュアルビームレーザーの使用は、ねじり振動の測定に使用されるもう 1 つの技術です。デュアルビームレーザーの動作は、シャフト上の異なるポイントに向けられた 2 つの完全に整列したビームの反射周波数の差に基づいています。この方法には特定の利点があるものの、周波数範囲が制限され、部品からレーザーまでの視線が必要であり、複数の測定ポイントを並行して測定する必要がある場合は複数のレーザーが必要になります。