- 科目
- 機械力学・振動工学
- 章
- 回転体
- 図番
- 11 / 11
- 内容
- シミュレータ・例題3問
回転を上げていくと、ある速さで軸が暴れだす危険速度
直径 30 mm・長さ 800 mm の軸に 30 kg の羽根車を付けた送風機は、1,528 min⁻¹ で大きくふれまわる。軸のたわみから危険速度を出す方法と、それより速く回すと重心が内側へ回り込む(2倍の速さで重心の円は3分の1)わけ。

まず触ってみる
数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。
このページの内容
この単元のポイント
- 軸のたわみやすさから出した固有振動数で回すと、軸は大きくふれまわる。この回転数が危険速度。この単元の送風機では 1,528 min⁻¹。
- 危険速度より速く回すと、円板の重心は内側へ回り込む。√2 倍を超えると、重心が回る円は、重心のずれ より小さくなる。2倍なら の3分の1。
- 軸を2倍太くすると、危険速度は4倍になる。
回る軸は、ある回転数で大きくふれる
工場やビルの空調には、大きな羽根車を回す送風機があります。羽根車は、鋼の軸の真ん中に付いていて、軸の両端を軸受が支えています。

送風機を回し始めると、回転数がだんだん上がります。その途中の、ある回転数で、機械全体がうなるようにふるえることがあります。そこを過ぎると、また静かになります。
この単元では、1台の送風機で考えます。鋼の軸は直径 30 mm、軸受の間は 800 mm。真ん中に 30 kg の羽根車(円板)が付いています。羽根車の重心は、軸の中心から 0.1 mm ずれています。
回転数を少しずつ上げていくと、軸のふれは、どう変わるでしょうか。
予想してから読む回転数を上げていくと、軸のふれまわりは?
軸は、ばねになる
軸受の間の軸は、材料力学の 単純支持ばりのたわみ(中央に集中荷重) と同じ形です。真ん中を押すと、少したわみ、手を放すと戻ります。つまり、軸はばねです。

真ん中に力 をかけたときのたわみは でした。力 ÷ たわみが、ばね定数です(ばねのつなぎ方と、はり・軸のばね定数)。
ばね(軸)と、おもり(円板)がそろったので、1自由度の自由振動(ばねと質量) の固有振動数が決まります。
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 送風機では |
|---|---|---|
| 危険角速度(軸と円板の固有角振動数) [rad/s] | 求める | |
| 危険速度(1分に回る回数) [min⁻¹] | 求める | |
| 軸のばね定数 | 求める | |
| 円板の質量 | 30 kg | |
| 軸の材料の硬さ(縦弾性係数) | 鋼 206 GPa | |
| 軸の断面二次モーメント(丸棒は ) | 直径 = 30 mm | |
| 軸受の間の長さ | 800 mm |
危険速度は、軸の固有振動数を、回転数の単位 min⁻¹ で言い直したものです。1秒に 回ゆれる軸なら、1分に 回まわすと危険です。
綱引きで読む
1自由度の自由振動(ばねと質量) の綱引きと同じです。軸は、たわみを戻そうとします()。円板は、そのまま動き続けようとします()。
- 軸が戻そうとする強さ 太さは4乗( が直径の4乗)で効きます。長さは3乗で効き、長いほど弱くなります。
- 円板が動き続けようとする強さ 重い円板ほど、ゆれは遅くなります。
- √ がかかる 太さ2倍で は 2⁴ = 16倍、危険速度は √16 = 4倍です。長さ2倍なら は 1/8、危険速度は 1/2.83 です。
送風機で確かめる
使う式は、 と です。まず軸の断面二次モーメントです。
軸のばね定数です。
1 mm たわませるのに 767.9 N。N/m に直すと 767,900 N/m です。
振動数に直すと 160.0 ÷ 2π = 25.5 Hz。1分あたりの回転数に直すと、
この送風機は、1分に 1,528 回まわすと、軸が大きくふれまわります。
別の見方でも確かめます。軸を横にして止めておくと、30 kg の重さ 294.3 N で、軸の真ん中は 294.3 ÷ 767.9 = 0.383 mm 下がります。1自由度の自由振動(ばねと質量) で見たとおり、自重で下がる量 から、。同じ値です。
なぜ危険速度で大きくふれるのか
回転体の不つり合い で見たとおり、重心がずれた円板を回すと、軸は重心の向きへ引っぱられます。その向きは、円板といっしょに回ります。
軸は、ばねです。その軸を、1回まわるごとに1回、ぐるりと押していることになります。押す回数が、軸の固有振動数に一致すると、強制振動と共振 のブランコと同じで、押すたびにゆれが大きくなります。これが危険速度です。

ふれの大きさは、次の式で決まります(導き方は最後に畳んであります)。軸の中心が回る円の半径を、軸のふれ とします。
は、回す速さが危険速度の何倍かです。1 に近づくと分母が 0 に近づき、ふれは限りなく大きくなります。本当の軸では、減衰があるので有限で止まりますが、軸受や円板がこすれたり、軸が曲がったりするほど大きくなることがあります。
送風機を 1,000 min⁻¹ で回すと、 = 1,000 ÷ 1,528 = 0.655。
1,500 min⁻¹ まで上げると、0.982 倍で、ふれは 2.68 mm。重心のずれの約 27 倍です。
危険速度を超えると重心が内側へ回り込む
危険速度より速く回すと、ふしぎなことが起きます。円板の重心 G が、軸の中心 S と、軸受の中心 O の間に入り込むのです。
- 危険速度より遅いとき:O → S → G の順に並びます。重心は、軸のふれの、さらに外側を回ります。
- 危険速度より速いとき:O → G → S の順に並びます。軸は重心と反対の側へ曲がり、重心は内側(O の側)を回ります。
円板が回るのが速すぎて、軸のばねは、ついていけません。強制振動と共振 で、固有振動数より速く揺すると、おもりが押す力と逆向きに動いたのと同じです。
重心が回る円の半径 は、
のとき、分母は |1 − 2| = 1 で、 です。それより速いと、 は より小さくなります。危険速度の2倍(送風機なら 3,056 min⁻¹)では、分母は |1 − 4| = 3 で、。重心は、ずれ 0.1 mm の 3分の1 の円を回ります。
重心が、回転の中心に自分から寄っていくので、これを自動調心といいます。軸受が受ける力は、曲がらない硬い軸のときの 倍で済みます。
| 回す速さ(危険速度の何倍) | 軸のふれ | 重心の円 |
|---|---|---|
| 0.655(1,000 min⁻¹) | 0.75 | 1.75 |
| 0.982(1,500 min⁻¹) | 26.8 | 27.8 |
| √2(2,161 min⁻¹) | 2 | 1 |
| 2(3,056 min⁻¹) | 1.33 | 0.33 |
速く回すほど、軸のふれは に近づき、重心の円は 0 に近づきます。
発電所の蒸気タービンのように、長くて重い軸を速く回す機械には、危険速度より速いところで使うものがあります。そういう機械は、回し始めと止めるときに、危険速度をすばやく通り過ぎます。

どの数字がいちばん効く?
それぞれを1割(10%)だけ大きくしたとき、危険速度がどう変わるかです。
| 変えるもの | 危険速度の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 軸の直径 を10%太く | +21% | に4乗、√ で2乗(1.1² = 1.21) |
| 軸受の間 を10%長く | −13% | に3乗、√ で 1.5乗(1.1⁻¹·⁵ = 0.867) |
| 円板の質量 を10%重く | −4.7% | √ で 0.5乗 |
| 重心のずれ を10%大きく | 0% | 危険速度は変わらない(ふれ は10%増える) |
軸の太さと長さが、円板の質量よりずっと効きます。重心のずれ は、危険速度を変えません。変えるのは、ふれの大きさだけです。
送風機に戻る
最初の問いに戻ります。直径 30 mm・軸受の間 800 mm の鋼の軸に、30 kg の羽根車。危険速度は 1,528 min⁻¹ です。
回転数を上げていくと、ふれは 1,528 min⁻¹ に向かって大きくなり、そこを過ぎると小さくなります。2倍の 3,056 min⁻¹ では、重心は 0.1 mm の 3分の1 の円を回ります。
1,000 min⁻¹ で使うなら、軸のふれは 0.075 mm です。危険速度の 0.655 倍で、十分に離れています。
つまり、ものを作るときは
回す速さを、危険速度からはっきり離します。危険速度より下で使うなら、軸を太く・短くして危険速度を上げます。太さは4乗で軸のばね定数に効くので、少し太くするだけでよく効きます。
危険速度より上で使うなら、回し始めと止めるときに、危険速度をすばやく通り過ぎます。どちらの場合も、重心のずれ をできるだけ小さくしておきます(回転体の不つり合い)。ふれは に比例するからです。

動かしてみよう
回転数 を 1,000 から、1,500、3,060 と上げて、左の円板の図で G(重心)と S(軸の中心)の並びを見てください。危険速度を越えたところで、G が O の側へ回り込みます。下のふれの曲線では、いまの速さに点が付きます。曲線の縦軸は、目盛りが1つ上がるごとに10倍になります(0.01・0.1・1・10・100)。危険速度の近くの約27倍も、2倍の速さの約3分の1も、同じグラフで読めます。
次に、軸の直径 を変えて、危険速度がどれだけ動くかを見てください。
軸は実際には速すぎて見えないので、はじめは 1/20 の速さで動かしています。ふれは 300 倍に拡大して描いています。図は、回し続けたあとの落ち着いた回り方(定常のふれまわり)で、回し始めの様子は含みません。
試してみよう0 / 3
- 回転数 N を 1,500 min⁻¹ にして、危険速度に近づける(まだ)
- 危険速度の約2倍、N = 3,060 min⁻¹ で回す(まだ)
- 軸の直径 d を2倍の 60 mm にする(ほかは初期値)(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- ばね定数
- 危険角速度(軸の固有角振動数)
- 危険速度
- 回す速さ ÷ 危険速度
- 軸のふれ(軸の中心が回る円の半径)
- 重心が回る円の半径
途中の計算(導出)を見る
軸の断面二次モーメント(丸棒)
軸のばね定数(両端を支えた軸の中央。鋼 E = 206 GPa)
危険角速度(軸と円板の固有角振動数)
危険速度(1分に回る回数に直す)
回す速さ ÷ 危険速度
軸のふれ(減衰なし)
重心が回る円の半径
よくある勘違い
「危険速度は、軸が弱くて壊れる速さ」
危険速度は、強さ(どこまで耐えられるか)ではなく、硬さ(ばね定数)と質量で決まります。強い鋼に替えても、縦弾性係数 がほぼ同じなので、危険速度は変わりません。危険なのは、その速さでふれが大きくなるからです。
「速く回すほど、ふれは大きくなる」
速く回すほど、ふれは大きくなる。ふれは危険速度でいちばん大きくなり、それより速いと小さくなります。遠心力は回転数の2乗で増えますが、危険速度を超えると、軸は重心と反対側へ曲がり、重心は中心へ寄っていきます。
角速度・振動数・回転数を取り違える
送風機の危険速度は、同じ1つの速さを、3つの単位で言えます。
| 言い方 | 値 | 直し方 |
|---|---|---|
| 危険角速度 | 160.0 rad/s | 1秒に進む角度 |
| 軸の固有振動数 | 25.5 Hz | |
| 危険速度 | 1,528 min⁻¹ |
の 160 を、そのまま min⁻¹ と読むと、危険速度を 10 分の1 近く低く見積もってしまいます。
この公式が使える条件
- 軸の質量は、円板に比べて小さいとして考えない。円板は軸受の間の真ん中にある
- 軸受は、軸の端を支えるだけで、傾きはしばらない(単純支持)。軸受や台は動かない
- 円板の傾き(首振り)は考えない。円板が軸の真ん中にあれば、たわんでも傾かない
- 減衰は考えない。危険速度のすぐ近くでは、ふれは実際より大きく出る
- 一定の速さで回し続けたあとの、落ち着いた回り方(定常のふれまわり)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
円板といっしょに回る見方で、つり合いを考える:一定の角速度 で回り続けると、O・S・G は1本の直線の上に並んだまま、いっしょに回ります。軸の中心のふれを (G と同じ側を正)とすると、重心は O から の所を回ります。
円板を円の上に引き戻す力(中心向き)は、軸が戻そうとする力 です。重心が半径 の円を回るのに要る力は、回転体の不つり合い の です。この2つが等しいので、
を左にまとめます。
両辺を で割り、 を使うと、
では分母が負になり、 は負、つまり軸は G と反対の側へ曲がります。重心の位置は
で、この大きさが本文の です。 で なので、 になります。
軸受が受ける力:軸受は、合わせて の力を受けます。硬い軸なら重心は半径 を回るので 。比は で、防振(揺れを床に伝えない) の伝達率と同じ形です。
時間で追う見方:軸の中心の位置を、横 ・縦 とすると、円板の重心は にあります。運動の式は
整理すると 。強制振動と共振 の強制振動の式で、押す力の大きさが (回転数の2乗で増える)になったものです。縦も同じで、2つを合わせると、半径 の円になります。
例題
例題1 ポンプの軸
ポンプの鋼の軸(直径 40 mm)を、600 mm 離れた2つの軸受で支え、その真ん中に 12 kg の羽根車を付けます。軸の質量は考えず、縦弾性係数は 206 GPa とします。
(1) 危険速度は何 min⁻¹ ですか。(2) 3,000 min⁻¹ で回すとき、回す速さは危険速度の何倍ですか。
ヒント 1 / 2
軸のばね定数 ()を出してから、 です。
ヒント 2 / 2
、 です。
答えと解き方を見る
軸の断面二次モーメント(丸棒)
軸のばね定数(両端を支えた軸の中央。鋼 E = 206 GPa)
危険角速度(軸と円板の固有角振動数)
危険速度(1分に回る回数に直す)
回す速さ ÷ 危険速度
危険速度の半分より少し下で回すので、ふれは小さく済みます(重心のずれ e の約 0.26 倍)。
送風機の軸(直径 30 mm・800 mm・30 kg)より、太く・短く・軽いので、危険速度がずっと高くなります。
例題2 自重のたわみから危険速度を出す
両端を軸受で支えた軸の真ん中に、50 kg の円板が付いています。軸を横にして止めておくと、円板の重さで、軸の真ん中が 0.5 mm 下がりました。
(1) 危険速度は何 min⁻¹ ですか。(2) この軸を 1,200 min⁻¹ で回してよいでしょうか。回す速さが危険速度の何倍かで答えてください。
ヒント 1 / 2
円板の重さ で 下がるので、。 に入れると、 が消えます。
ヒント 2 / 2
は m に直して です。
答えと解き方を見る
自重で下がる量 δ は mg/k なので、k/m = g/δ です。軸の太さや長さを知らなくても、危険速度が出ます(1自由度の自由振動の単元の、静たわみと同じ考え方)。
1,200 min⁻¹ では、軸のふれは重心のずれの 4.12 倍になります。回転数を下げるか、軸を太く・短くして危険速度を上げます。
例題3 危険速度の2倍で回す
危険速度が 1,800 min⁻¹ の軸を、3,600 min⁻¹ で回し続けます。円板の重心のずれは e = 0.05 mm です。減衰は考えません。
(1) 軸のふれ r はいくらですか。(2) 重心が回る円の半径 a はいくらですか。(3) 軸受が受ける力は、曲がらない硬い軸に同じ円板を付けたときの何倍ですか。
ヒント 1 / 2
、 に、 を入れます。
ヒント 2 / 2
なので です。
答えと解き方を見る
危険速度の2倍では なので、、 です。
軸受が受ける力は、軸が戻そうとする力 k r で、重心を円の上に引き戻す力 m ω² a と同じです。硬い軸なら重心は半径 e を回るので、力の比は a/e になります。
危険速度より十分速く回すと、軸が曲がるほうが、かえって静かに回ります。ただし、回し始めと止めるときには、危険速度を通り過ぎます。