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内燃機関超基礎講座 | 林義正氏に訊く「エンジンの振動とは」

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そもそも「振動」とは何なのだろうかーーこれを探るために林義正氏に講義をお願いした。日産でレーシングエンジンなどの設計・開発を担当し、その後は東海大学教授として教壇に立たれていた林氏に訊く。
TEXT:牧野茂雄(MAKINO Shigeo)

まず、振動とはどんなものなのかと言えば、下のチャートのように4つに分類できます。エンジンには弾性振動はほとんど関係ないのですが、それ以外の3つは関係があります。

次に、下の計算式です。これはスッ飛ばしていただいて構いません。ちょっと難しいですから。要は、クランクシャフトが回転していると、その回転中心から離れた位置にコンロッドの取り付け中心があるため、コンロッドは右に左に、つねに振れ踊るのです。燃焼の圧力を受けたピストンが真下に向かう力を、フラフラと揺れているコンロッドが受け止めるので、そこに横方向の力(スラスト力)が生まれます。

どれくらいのスラスト力が発生するかは、下図に描いた「r」(クランクシャフト中心からクランクピン中心までの距離)と「l」(コンロッド長さ=ピストンピン中心とクランクピン中心の距離)の比率、いわゆる「連桿比」が影響します。この値を7.5くらいにすると、つまり「l」が「r」の7.5倍くらいあればスラスト力はほとんど無視できますが、普通の自動車エンジンではせいぜい連桿比4程度ですからスラスト力からは逃げられません。

上の数式が示す1シリンダーの話である。クランクピンに180°(=π)の位相があれば、そのシリンダーの慣性力はθの代わりにθ-180°を入れればよい。120°ずつ3スローのV6エンジンならばθの代わりにθ±120°を入れて足し合わせればよい。加速度×質量が力であり、ピストンが上下運動するときの1次振動はとにかく大きいが、2次振動もなかなかの破壊力を持っている。その2倍の4次振動になると影響は小さくなる。(林氏談)

物体が運動するときは慣性力が働きます。たとえばクルマがカーブを曲がるときには、だれかがヒモで引っ張っているわけではないのに旋回外側に引っ張られます。クルマが自分で慣性力を発生しているのです。これと同じで、ピストンの上下運動やクランク軸の周囲を回るクランクピン(コンロッドのクランクシャフト側)も慣性力を発生しています。慣性力は外力です。

最初のチャートに「エンジンの不平衡慣性力による振動」と書きましたが、これは「外力」と考えるほうがわかりやすいでしょう。外からの力で自分が動くということです。エンジンの場合はその外力が燃焼です。不平衡とは「釣り合っていないこと」です。


エンジンの振動は複雑です。アイドリング振動の場合は、最初のチャートにあるように「強制振動」「自由振動」「剛体振動」がミックスされたものとして現れます。燃焼の力は強制振動であり、これは不平衡慣性力がもたらす振動です。また、燃焼で起きる振動はエンジンブロックという剛体を振動させるので剛体振動でもあります。さらに、エンジンブロックを支えているエンジンマウントにはマウンティングラバー(ゴム)が使われていますから、柔らかいゴムがブルブルと震える自由振動になります。このゴムが柔らかすぎるとエンジンシェイクが出ますが、これはエンジン全体がゴトゴトと動く現象になりますから剛体振動です。

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