自励振動の原因と止め方——強制振動との見分け方、びびり・軸受の振れ回りの型ごとの手

この記事は、機械や設備、加工中の工具に、ある条件で急に大きな振動が出て困っている技術者が、それが自励振動かどうかを見分け、型ごとの手を考え、測定や解析を外に頼むときに何を渡すかを扱う。振動の測り方と評価そのものは機械・設備の振動解析を頼むときで扱った。摩擦で起きるきしみや鳴きはスティックスリップ・鳴きの対策で詳しく扱うので、ここでは位置づけだけ触れる。

強制振動と自励振動は、止め方が逆になる

機械振動の用語を定めた JIS B 0153 は、強制振動を「定常的な励振によって引き起こされる定常振動」とし、線形系の場合は励振と同じ振動数をもつとしている^[1]。これに対して自励振動は「系の内部において、非振動的なエネルギが振動的エネルギへ変換されておこる機械系の振動」で、一般に系がもつ固有振動数に近い振動数で振動する、と定義されている^[1]。

この違いがなぜ大事かというと、対策の向きが変わるからである。強制振動なら、揺らしている力（回転体の不つり合い、歯車のかみ合い、断続的な切削など）を小さくするか、力の振動数を構造の共振から外せば下がる^[2]。自励振動は、外から揺らしている力がなくても、運動そのものが自分を揺らす力を生む。力の源を探して小さくしようとしても見つからず、回転数を少し変えただけで急に消えたり出たりする。強制振動のつもりで防振ゴムを足したり、つり合いを取り直したりしても止まらないときは、自励振動を疑う。

振動数の見え方だけでは決め切れないので、急な立ち上がりと履歴の 2 つを先に見る。

JIS B 0153 は、自励振動に関係する用語として、振動の状態が過去の励振の経過で変わる「振動履歴」、自励振動で近い振動がすべて収束していく極限の周期振動である「リミットサイクル」も定義している^[1]。現場の言葉にすると、「一度出ると、少し条件を戻しただけでは止まらない」「出ると一定の大きさで揺れ続ける」という見え方になる。

自励振動の主な型

自励振動は、エネルギーがどこから入るかで型が分かれる。JIS B 0153 には、十分に潤滑されたジャーナル軸受の油膜の性質で起こる自励的な振れ回りであるオイルホイップ、流体機械で配管を含めた系が一種の自励振動を起こすサージング、流れの中の翼などの流力弾性的な自励振動であるフラッタが挙げられている^[1]。変位と速度が小さいときは負の減衰が働いて振幅を増やし、大きくなると減衰が働いて増え方を抑える、方形波に近い波形の「弛緩振動」も定義されている^[1]。摩擦によるきしみ（スティックスリップ）はこの形に近く、別の記事で扱う。

製造業の現場でよく出会うのは、次の 3 つである。

1. 切削加工のびびり
加工面の起伏が次の切削で切り取る厚さを変え、その変動がまた振動を生む。工具や工作物の剛性が低いときに出やすい。

2. すべり軸受の振れ回り
油膜の性質で軸が自分から振れ回る。高速で回るポンプ・送風機・圧縮機・タービンなどで問題になる。

3. 流れによる振動
配管・ダクト・弁・薄い板が、流れによって揺れる。渦の周期で揺らされる強制振動の型もあり、そのうちフラッタ・サージングが自励型である^[1]。

切削のびびり：振動数が回転数で少し動き、共振より少し高い

名古屋大学の社本英二氏の解説は、びびり振動を強制びびりと自励びびりに分け、自励びびりをさらに再生型とモードカップリング型に分けている^[2]。再生型は、1 回転前（多刃の工具では 1 刃前）の振動が加工面の起伏として残り、それが今の切削で切取り厚さの変動として再生するため、切削力が変動して再び振動が起きる閉じたループができ、ループの利得が大きくなると小さな振動が育つ^[2]。モードカップリング型は、2 方向の振動モードが近い共振振動数を持つときに、それらが連成して起きる^[2]。

同じ解説は、旋削での再生びびりの特徴を、切削幅・比切削抵抗・機械構造の動コンプライアンス（揺れやすさ）が大きいときに出やすい、振動数は主軸回転数で変わり機械構造の共振振動数より少し高い、発生時に振動が指数関数的に増える、工具が摩耗すると安定になる傾向がある、とまとめている^[2]。対策として、切削幅を減らす、安定な回転数を選ぶ（軟らかい金属の高速切削では共振振動数の整数分の 1 の近くにある）、工具や工作物の形・把持の方法・工作機械の構造を見直して揺れやすさを下げる、などを挙げている^[2]。強制びびりなら、強制力の振動数を構造の共振振動数の整数分の 1 の近くからずらす、強制力を減らす、動剛性を上げるのが基本だとしている^[2]。同じ「びびり」でも、自励か強制かで手が違う。

安定な条件を前もって知るには、安定限界線図（どの回転数で、どこまで切り込めるかの図）を作る。東京農工大学の笹原弘之氏らは、3 次元 CAD と有限要素法で工作物の剛性と振動の形を求め、打撃したときの音から減衰比を同定して安定限界線図を予測し、軸方向の切込みが比較的小さい範囲で切削実験とよく一致したと報告している^[4]。安定限界線図を作るには、機械構造の周波数応答と比切削抵抗が分かっている必要がある^[2]。外に頼むなら、打撃試験で周波数応答を測ることが出発点になる。

すべり軸受の振れ回り：危険速度の 2 倍の手前から、回転の約半分で揺れる

水産大学校の太田博光氏らは、すべり軸受に起きる自励振動であるオイルホワールの振動特性を実験で調べている^[3]。論文は、オイルホワールは回転軸の 1 次危険速度（固有振動数）の 2 倍以下の回転数で発生する不安定振動で、発生時の軸の振動数は回転数の約 1/2 に等しく、ヒステリシスを持つため回転数を下げても容易には収まらない、と書いている^[3]。抑えるために、高速のすべり軸受では楕円型や二円弧型の軸受、粘度の低い油を使う工夫がとられているとも書いている^[3]。実験の値は次のとおりである^[3]。

この数字はその装置での結果で、他の機械にそのまま当てはまるものではない。読み取ってよいのは、①振動数が回転数のおよそ半分に乗る、②さらに回転を上げると振動数が固有振動数の近くに張り付く、③上げるときと下げるときで出る範囲が違う、という 3 つの見え方である^[3]。JIS B 0153 の言うオイルホイップ（油膜の性質による自励的な振れ回り）^[1]が疑われるときは、回転数を上げながらと下げながらの両方で振動を記録すると、この特徴が見える。

流れによる振動：流速がある値を超えると揺れ出す

配管・ダクト・弁・熱交換器の管・薄い板が、流れによって揺れることがある。渦の周期で揺らされる強制振動の型もあり、自励型の場合は流れの速さがある値を超えたところで急に揺れ出し、流れを少し落としても止まらないことがある。JIS B 0153 は、流体の流れが原因となる振動を流体励起振動、流れの中の翼などの流力弾性的な自励振動をフラッタ、流体機械で配管を含めた系の自励振動をサージングとしている^[1]。この型は、流速・圧力・弁の開度と振動の大きさを同時に記録し、どの値を超えたところで出るか、どこまで戻すと止まるかを見る。構造の固有振動数と流れの条件の両方が要るので、振動の測定と流れの解析を組み合わせることが多い。

社内で見分ける手順

1. 振動数を測る
大きさだけでなく、周波数分析で何 Hz で揺れているかを出す。JIS B 0906 は、機械の評価に使う広帯域の振動値は振動数や位相まで参照しないのが基本だとし、機械の状態の変化を見つけるにはベクトル（振幅と位相）の変化の情報が特に有用だとしている^[5]。

2. 条件を振る
回転数・切込み・送り・流速を少しずつ変え、振動数が回転数の整数倍に正確に乗って動くか（強制）、固有振動数の近くに張り付くか、回転数の約 1/2 など分数に乗るか（自励の疑い）を見る^[1][3]。振動数だけで決めず、手順 3 の履歴と合わせて判断する。

3. 上げるときと下げるときを両方記録する
出始めた条件と、止まった条件が違えば、自励振動の可能性が高い^[3]。

4. 固有振動数を知る
止まった状態でハンマーで叩き、構造の固有振動数を測る。揺れている振動数がその近くか、少し高いかを比べる^[2]。

5. 運転条件ごとの振動の違いを記録する
JIS B 0906 は、ある運転条件では満足な振動状態でも別の条件では不満足になる「振動感度」を持つ機械があり、疑問があれば追加の試験や理論的な評価について受渡当事者間で合意するのが望ましいとしている^[5]。どの条件で出て、どの条件で出ないかの表は、そのまま外に渡す資料になる。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

依頼書には「振動を止めたい」ではなく、「自励振動か強制振動かを分けたい」「安定に使える回転数の範囲を知りたい」のように、決めたいことを一文で書く。構造の解析を外に出すときの決め方はFEM 構造解析を頼むとき、騒音と振動をあわせて切り分けるなら騒音・振動の切り分けが近い。軸受そのものの異音は軸受の異音と故障で扱う。

出る条件と出ない条件の表を持って、見分け方から相談を→ 相談する

よくある質問

防振ゴムで機械を浮かせれば自励振動は止まりますか

止まるとは限らない。防振ゴムは主に外へ伝わる振動を減らすもので、機械の中でエネルギーが入り続ける自励振動は、エネルギーの入り口を断つか、減衰を増やすか、安定な条件を選ぶ方が効く^[2][3]。防振ゴムの選び方は防振ゴムの選び方と発注で扱った。

回転数を下げれば必ず止まりますか

出始めた回転数より下げても止まらないことがある。振動履歴があるため、上げるときに出た回転数より低いところまで下げる必要がある^[1][3]。切削のびびりでは、回転数を下げると工具の逃げ面が加工面に当たって振動を抑える効果が出ることもあり、それを使った対策もある^[2]。

シミュレーションだけで原因が分かりますか

解析には、比切削抵抗や周波数応答、減衰の値が要り、減衰は解析だけでは求まらないことが多い^[2][4]。実機の測定で固有振動数と減衰を押さえ、それを解析に入れて安定な範囲を予測する、という組み合わせが確実である。

まとめ

自励振動は、機械の中で振動でないエネルギーが振動に変わって起き、固有振動数に近い振動数で揺れる^[1]。強制振動とは対策の向きが逆なので、急な立ち上がりと上げ下げの違いを主に、振動数の動き方を補助にして見分ける^[1][2][3]。切削のびびりは安定な回転数と切込みで^[2][4]、すべり軸受の振れ回りは軸受の形と油で^[3]手を打つ。外に頼むときは、出る条件と出ない条件の表と、決めたいことの一文を渡す^[5]。

あわせて、歯車の騒音の原因、振動・衝撃試験を仕様に入れるときも参照してほしい。

出典・参考資料

1. JIS B 0153:2001 機械振動・衝撃用語（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）
2. 社本英二「切削加工におけるびびり振動の発生機構と抑制」（電気製鋼 第 82 巻 2 号／2011 年・技術解説）
3. 太田博光ほか「滑り軸受に発生する自励振動オイルホワールの振動特性」（水産大学校研究報告 70 巻 2 号／2021 年）
4. 笹原弘之・内藤祥久・堤正臣「CAD/CAE と打撃音を利用したエンドミル加工時のびびり振動の予測と回避」（精密工学会誌 72 巻 4 号／2006 年）
5. JIS B 0906:1998 機械振動－非回転部分における機械振動の測定と評価－一般的指針（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）

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