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回転体のバランス調整は、振動を最小限に抑えるプロセスです。ガスタービンや発電機などの重工業機械は、壊滅的な故障を引き起こすだけでなく、騒音や不快感を引き起こす可能性があります。細い車輪の場合、バランス調整は単に重心を回転中心に移動させるだけで済みます。完全なバランスをとるためには、力と偶力のポリゴンが遠心力の影響を防げるほど十分に近くなければなりません。機械部品を賢明に設計し、アンバランス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
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、軸を水平に保ちながら静止することができます。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に見られ、反射板をバルブの反対側に配置することで、重心を車輪の中心に分散させています。他の例としては、砥石、ディスク、自動車の車輪などがあります。静的バランスを検証するには、物体が可能な限り摩擦を少なくして自由に回転できることが必要です。
これには、鋭く硬化したナイフエッジが備えられ、水平かつ平行になるように調整されている場合があります。あるいは、各ナイフエッジの代わりに、一対の自由回転ボールベアリングレースが使用される場合があり、これにより水平および平行の要件が緩和されます。物体は、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。物体はゆっくりと回転し、静止時には、静的にバランスが取れていればランダムな位置で停止します。バランスが正しく取れていない場合は、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保ちます。
ダイナミックバランス
回転する質量系は、回転によって遠心力や遠心偶力が生じないとき、動的つり合い状態にあります。系は、その重量を支えるために必要な力以外の外力や外力を加えることなく回転します。系が初期状態で不均衡な場合は、遠心偶力によって軸受に生じる応力を避けるために、カウンターバランス用の重りを追加する必要があります。
これは、自転車のホイールのリムが座屈したときに見られる現象です。ホイールは所定の位置まで回転しませんが、リムの質量の一部がオフセットしているため、動揺カップルが生じ、動的振動を引き起こします。このホイールのスポークを調整してリムをセンターに合わせることができない場合は、動的バランスをとるための代替手段が用いられます。[2]
動的不均衡を修正するための 3 つの要件は、物体を回転させる手段、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、および振動変位、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です。
物体が円盤状の場合、検知される振動を低減するために、縁の近くに重りを取り付けることがあります。これは1面動的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、2面バランシングを行う方が適している場合があります。これは、片端の回転軸を固定し、もう一方の端の振動を低減するものです。次に、手前側の端は振動を自由にし、奥側の端の回転軸を固定することで、再び振動を低減します。精密作業では、この2面測定を繰り返す場合があります。
かつて動的バランス調整は高価な機器を用いる必要がありましたが、走行中の振動を時折抑える必要があるユーザーであれば、スマートフォン内蔵の加速度計とスペクトル解析アプリケーションを活用できます。より簡便な動的バランス調整方法では、4回の測定が必要です。まず、最初のアンバランス測定と、基準点に取り付けたテストマスによるアンバランス測定を行い、次にテストマスを120度前方に移動させて再びアンバランス状態とします。最後に、テストマスを基準点から120度後方に移動します。これら4回の測定で、良好なバランスを実現するための最終的なマスのサイズと位置を決定できます。
生産工程におけるバランス調整では、動的振動の位相を振幅とともに観察します。これにより、内部計算されたサイズの質量を計算された位置に配置することで、1回の回転で動的バランスを一発で達成できます。これは、クリップ式の鉛（または最近では亜鉛）製の「ホイールウェイト」でタイヤを取り付けた自動車のホイールの動的バランス調整に一般的に用いられる方法です。
不均衡なシステム
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直線力および／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、一般的に振動として現れます。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、部品の耐用年数を短縮する可能性があります。例えば、ベアリングは、公称バランスの取れたシステムでは発生しない垂直方向のねじり力を受ける可能性があり、また、瞬間的な直線力がベアリングの限界を超える可能性があります。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。アンバランス質量を持つシャフトは、力によって曲がり、疲労破壊を起こす可能性があります。
ガスタービンやジェットエンジンのように、質量が小さいのに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を十分考慮する必要があります。大きな振動が発生し、システム全体の故障を引き起こす可能性があります。
参考文献
- ^ ガエターノ・ランツァ (2009). 『機械力学』（1911年版復刻版）. BiblioBazaar. p. 112. ISBN 978-1-103-19721-7。
- ^ オーウェン、デイビッド。「自転車のホイールのバランスをとる方法」
- https://www.instructables.com/Dynamic-Motor-Balancing-with-Sugru-and-an-iPhone/
- http://www.conradhoffman.com/Balancing.xls
外部リンク
