科目
機械力学・振動工学
章
振動の基礎
図番
08 / 11
内容
シミュレータ・例題3問
機械力学・振動工学 8 / 11

ゴムを柔らかくすると、床に伝わる揺れは6分の1防振(揺れを床に伝えない)

床に伝わる力が減るのは、固有振動数を揺れの振動数の 1/√2 より低くしたときだけ。ゴムを4倍柔らかくすると(沈む量 0.98 mm → 3.92 mm)、床に伝わる力は約6分の1になり、減衰を強めるとかえって伝わりやすくなる。

大きなゴムの脚に載ったポンプ。上は揺れているが、床の上のコップの水は静か
このページの内容
  1. 屋上の機械の揺れは、下の部屋に響く
  2. 床に伝わる力は、ばねとダンパを通る
  3. 伝達率の式を読む
  4. 床に伝わる力が減るのは、柔らかいばねのときだけ
  5. 柔らかさは、沈む量で分かる
  6. 減衰の効き方は、境目で逆になる
  7. どの数字がいちばん効く?
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 床に伝わる力が小さくなるのは、固有振動数を、揺れの振動数の 1/√2(約0.71倍)より低くしたときだけ。
  2. 柔らかいばねほど効く。ゴムを4倍柔らかくすると(沈む量 0.98 mm → 3.92 mm)、床に伝わる力は約6分の1。
  3. 減衰は共振の山を抑えるが、防振が効くところでは、かえって伝わりやすくする(ζ を 0.05 → 0.3 で約2倍)。

屋上の機械の揺れは、下の部屋に響く

建物の屋上やベランダには、空調の室外機やコンプレッサ(空気を押し縮める機械)が置かれます。中では、モータや羽根が回っています。回る部分にわずかなかたよりがあると、機械は上下に揺する力を出し続けます。

この力が床にそのまま伝わると、建物の床や壁が揺れ、下の部屋で「ブーン」という音や揺れになります。そこで、機械と床の間に、ゴムやばねをはさみます。これを防振といいます。

建物の屋上に置いた室外機。脚の下に、黒いゴムのブロックがはさまっている
図 8-01機械の脚と床の間に、防振ゴムをはさみます。

この単元では、1台の機械で考えます。質量 40 kg の機械が、1分に 1,500 回(1,500 min⁻¹)回っています。1秒に 25 回なので、揺れの振動数は 25 Hz です。機械は、上下に振幅 200 N の力を出しています。

防振ゴムは3種類あります。ゴム全体のばね定数が、1,600 kN/m(硬い)、400 kN/m(中くらい)、100 kN/m(柔らかい)です。減衰比は、どれも 0.05 とします。

床に伝わる力がいちばん小さいのは、どのゴムでしょうか。そのとき、床には何 N の力が伝わるでしょうか。

予想してから読む40 kg の機械が 25 Hz で揺する力を出す。床に伝わる力がいちばん小さくなるゴムは?

床に伝わる力は、ばねとダンパを通る

防振ゴムに載せた機械は、床にじかに触れていません。床を押すのは、ゴムだけです。ゴムは、ばね(ばね定数 k\skrk)とダンパ(減衰係数 c\skrc)を並べたものと見ます。

機械の脚の下にはさんだ、防振ゴムの拡大。ゴムが上下にわずかに伸び縮みしていることを、薄い残像で表している
図 8-02床を押すのは、ゴムだけ。ゴムの伸び縮みが、床に力を伝えます。

機械が xx だけ下がると、ばねは k x\skrk\,x、ダンパは c x˙\skrc\,\dot{x}(速さに比例)の力で、床を押します。床に伝わる力の振幅 FT\skrFt と、機械が出す力の振幅 F0\skrFZero の比を、伝達率といいます。

TR=FTF0\skrTR = \dfrac{\skrFt}{\skrFZero}

伝達率が 1 より小さければ、ゴムが力を減らしています。1 より大きければ、ゴムが力をふくらませています。

伝達率の式を読む

TR=1⏞ばね+(2ζ r)2⏞ダンパ(1−r2)2+(2ζ r)2⏟機械の揺れやすさ\skrTR = \dfrac{\sqrt{\overbrace{1}^{\text{ばね}} + \overbrace{(2\skrZeta\,r)^2}^{\text{ダンパ}}}}{\sqrt{\underbrace{(1-r^2)^2 + (2\skrZeta\,r)^2}_{\text{機械の揺れやすさ}}}}

rr は、揺れの振動数が固有振動数の何倍かを表す振動数比です(強制振動と共振)。

  1. 分母:機械の揺れやすさ 前の単元の振幅倍率と同じ形です。機械がどれだけ大きく揺れるかを表します。
  2. 分子:ばねとダンパが床を押す力 1 はばねの分、2ζ r2\skrZeta\,r はダンパの分です。ダンパの力の山は、ばねの力の山から 1/4 周期ずれているので、2乗して足して √ をとります。

前の単元の振幅倍率に、分子の「ダンパの分」が掛かったものが、伝達率です。ダンパは機械の揺れを抑えますが、ダンパ自身も床を押します。

床に伝わる力が減るのは、柔らかいばねのときだけ

r=2r = \sqrt{2} を入れてみます。(1−r2)2=(1−2)2=1(1 - r^2)^2 = (1-2)^2 = 1 なので、分母の中身が分子の中身と同じになります。

TR=1+(2ζ2)21+(2ζ2)2=1\skrTR = \dfrac{\sqrt{1 + (2\skrZeta\sqrt{2})^2}}{\sqrt{1 + (2\skrZeta\sqrt{2})^2}} = 1

減衰比がいくつでも、r=2r = \sqrt{2} で伝達率はちょうど 1 です。それより遅い側(r<2r < \sqrt{2})では1より大きく、速い側(r>2r > \sqrt{2})では1より小さくなります。

r>2r > \sqrt{2} を、固有振動数の側から言い直すと、こうなります。

fn<f2≒0.71 f\skrFn < \dfrac{\skrF}{\sqrt{2}} \fallingdotseq 0.71\,\skrF

固有振動数を、揺れの振動数の約0.71倍より低くしたときだけ、床に伝わる力は減ります。固有振動数を下げるには、ばねを柔らかくします。

3種類のゴムで確かめます(40 kg、25 Hz、ζ = 0.05)。

ゴムのばね定数 沈む量(静たわみ) 固有振動数 振動数比 rr 伝達率 TR\skrTR 床に伝わる力
1,600 kN/m(硬い) 0.245 mm 31.8 Hz 0.785 2.56 513 N
400 kN/m 0.981 mm 15.9 Hz 1.57 0.686 137 N
100 kN/m(柔らかい) 3.92 mm 7.96 Hz 3.14 0.118 23.6 N

硬いゴムは、防振になりません。固有振動数 31.8 Hz が揺れの 25 Hz に近く、共振の山の手前にいるので、200 N の力を 513 N にふくらませて床へ伝えます。機械をボルトで床にじかに留めたときより、悪くなります。

柔らかいゴムでは、床に伝わる力は 23.6 N です。400 kN/m のゴムの、約6分の1です。

柔らかさは、沈む量で分かる

1自由度の自由振動(ばねと質量) で、自重で何 mm 下がるか(静たわみ δst\skrDst)が分かれば、固有振動数が分かることを見ました。

fn=12πgδst≒15.76δst [mm] Hz\skrFn = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{\skrG}{\skrDst}} \fallingdotseq \dfrac{15.76}{\sqrt{\skrDst\,[\mathrm{mm}]}}\ \mathrm{Hz}

機械をゴムに載せて、何 mm 沈むかを見れば、防振が効くかどうかが分かります。沈む量が大きいほど、柔らかいゴムです。

中くらいのゴムk = 400 kN/m40 kg沈む量0.981 mm固有振動数 15.9 Hz柔らかいゴムk = 100 kN/m40 kg沈む量3.92 mm固有振動数 7.96 Hz

どちらも同じ 40 kg の機械です。破線は、載せる前のゴムの上の面の高さです。柔らかいゴムほど深く沈み、固有振動数が低くなります(沈む量は、左右とも同じ倍率で大きくして描いています)。

この単元の機械(25 Hz)なら、境目の固有振動数は 25/2=17.725/\sqrt{2} = 17.7 Hz です。沈む量に直すと、0.795 mm です。

減衰を考えないときの目標 必要な振動数比 固有振動数 沈む量(静たわみ)
伝わる力が1倍(境目) 2\sqrt{2} 17.7 Hz 以下 0.795 mm 以上
伝わる力が 1/10 11\sqrt{11} 7.54 Hz 以下 4.37 mm 以上

ゴムを4倍柔らかくすると、沈む量は4倍、固有振動数は2分の1、振動数比は2倍です。√2 より速い側では、減衰を考えないときの伝達率は 1/(r2−1)1/(r^2 - 1) です。rr が2倍になると、伝達率は4分の1より小さくなります。表の 0.686 → 0.118 です。

材料力学の 片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) で求めた「たわみ」も、同じ静たわみです。機械を、細い片持ちの台に載せても、沈む量が大きければ防振になります。

減衰の効き方は、境目で逆になる

減衰(ダンパ)は、振動を弱めるものです。でも、防振では、いつも良いとは限りません。

揺れ方 ζ = 0.05 ζ = 0.3 減衰を強めると
固有振動数ぴったり(r=1r = 1) 10.0 1.94 減る
柔らかいゴム(r=3.14r = 3.14) 0.118 0.235 約2倍に増える

固有振動数ぴったりでは、減衰が共振の山を抑えます。伝達率は 10.0 から 1.94 に下がります。

柔らかいゴムで防振が効いているところでは、逆です。機械はほとんど揺れていないので、ばねの力は小さくなっています。代わりに、ダンパの力が目立ちます。ダンパの力は速さに比例し、速く揺れるほど大きくなります。だから、減衰を強めると、床に伝わる力が増えます。

どの数字がいちばん効く?

400 kN/m のゴム(伝達率 0.686、床に伝わる力 137 N)から、それぞれの数字を1割(10%)だけ変えます。

変えるもの 床に伝わる力の変化 理由
機械の回転数 N\skrN を10%上げる −26% 振動数比 rr が1割上がる
ゴムのばね定数 k\skrk を10%小さく −16% 固有振動数が下がる(√ で効く)
機械の質量 m\skrm を10%大きく −14% 固有振動数が下がる(√ で効く)
機械が出す力 F0\skrFZero を10%大きく +10% 1乗で効く
減衰比 ζ\skrZeta を10%大きく +0.1% 防振が効く側では、わずかに増える

ここでは、回転数を上げるのが最もよく効きます。ただし、回転数は機械の仕事で決まるので、ふつうは変えられません。設計で選べるのは、ゴムの柔らかさです。

つまり、ものを作るときは

防振ゴムは、機械を載せたときの沈む量で選びます。揺れの振動数から、境目の固有振動数(0.71倍)を出し、それより十分低くなるだけ沈む、柔らかいゴムにします。

柔らかすぎると、機械が大きく傾いたり、回り始めに共振を通るとき大きく揺れたりします。回り始めの揺れは、減衰で抑えるか、すばやく通り過ぎます。減衰を強くしすぎると、運転中の防振が効きにくくなるので、ほどほどにします。

自動車のエンジンを、車体の枠にゴムの部品で支えている様子。エンジンの小さなゆれを薄い残像で表している
図 8-04車のエンジンも、ゴムの部品で車体に取り付けて、揺れを伝えにくくしています。

動かしてみよう

ゴムのばね定数 k\skrk を、400 kN/m から少しずつ小さくしてみてください。床の下の朱の矢印(床に伝わる力)が短くなります。次に、大きくして、1,000 kN/m の近くを通ってみてください。固有振動数が 25 Hz に重なり、床に伝わる力がふくらみます。

盤の下のグラフは、伝達率の曲線です。強制振動と共振 の共振曲線と、軸・目盛り・線の決まりをそろえています。縦軸は、1 から 10 までと、0.1 から 1 までが、同じ幅になる目盛り(対数の目盛り)です。どの線も、√2 の縦の案内線で、1倍の横の線を通ります。

機械の揺れは速いので、はじめは 1/20 の速さで動かしています。機械のゆれは 1 mm より小さいので、図では50倍に拡大しています。「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、前の波形を薄く重ねて比べられます。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. ゴムを4倍柔らかい 100 kN/m にする(まだ)
  2. ゴムを4倍硬い 1,600 kN/m にする(ζ は 0.05)(まだ)
  3. k = 100 kN/m のまま、減衰比 ζ を 0.3 に上げる(まだ)
kg
kN/m
N
min⁻¹
FmkcFT← いま 右ほど前の力薄い線:機械の力 濃い線:床に伝わる力重さで沈む量 0.981 mm単元防振尺度変位 ×50伝達率0.686
t = 0.0000 s
00.050.10.150.2-500-2500250500時間 t [s]床に伝わる力(上向きを正) [N]機械の力 F0
012340.050.10.20.512510振動数比 ω/ωn伝達率共振√21倍ζ = 0.050.686
伝達率は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

TR=1+(2ζ r)2(1−r2)2+(2ζ r)2\htmlClass{q-force}{T_R} = \dfrac{\sqrt{1 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}}=1+(2×0.05×1.57)2(1−1.572)2+(2×0.05×1.57)2= \dfrac{\sqrt{1 + (2 \times 0.05 \times 1.57)^2}}{\sqrt{(1-1.57^2)^2 + (2 \times 0.05 \times 1.57)^2}}=0.686= 0.686
静たわみ(自重で下がる量)
δst=0.981 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\mathrm{st}}} = 0.981\ \mathrm{mm}
固有振動数
fn=15.9 Hz\htmlClass{q-flow}{f_n} = 15.9\ \mathrm{Hz}
振動数比
ω/ωn=1.57 \htmlClass{q-flow}{\omega/\omega_n} = 1.57\
伝達率
TR=0.686 \htmlClass{q-force}{T_R} = 0.686\
床に伝わる力の振幅
FT=137 N\htmlClass{q-force}{F_T} = 137\ \mathrm{N}
途中の計算(導出)を見る
  1. 静たわみ(機械の重さで、ゴムが縮む量)

    δst=m gk=40×9.81400,000=0.981 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\mathrm{st}}} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-geometry}{g}}{\htmlClass{q-material}{k}} = \dfrac{40 \times 9.81}{400{,}000} = 0.981\ \mathrm{mm}
  2. 固有振動数(静たわみから)

    fn=12πgδst=12π9.819.81×10−4=15.9 Hz\htmlClass{q-flow}{f_n} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{g}}{\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\mathrm{st}}}}} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{9.81}{9.81\times 10^{-4}}} = 15.9\ \mathrm{Hz}
  3. 振動数比(揺れの振動数が、固有振動数の何倍か)

    r=N/60fn=1,500/6015.9=1.57r = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{N}/60}{\htmlClass{q-flow}{f_n}} = \dfrac{1{,}500/60}{15.9} = 1.57
  4. 伝達率(床に伝わる力 ÷ 機械が出す力)

    TR=1+(2ζ r)2(1−r2)2+(2ζ r)2=1+(2×0.05×1.57)2(1−1.572)2+(2×0.05×1.57)2=0.686\htmlClass{q-force}{T_R} = \dfrac{\sqrt{1 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}} = \dfrac{\sqrt{1 + (2 \times 0.05 \times 1.57)^2}}{\sqrt{(1-1.57^2)^2 + (2 \times 0.05 \times 1.57)^2}} = 0.686
  5. 床に伝わる力の振幅

    FT=TR F0=0.686×200=137 N\htmlClass{q-force}{F_T} = \htmlClass{q-force}{T_R}\,\htmlClass{q-force}{F_0} = 0.686 \times 200 = 137\ \mathrm{N}

よくある勘違い

「硬いゴムのほうが、しっかり受け止める」

ゴムを硬くすると、機械はあまり沈まず、しっかり置かれているように見えます。でも、固有振動数が上がり、揺れの振動数に近づきます。上の表のとおり、1,600 kN/m のゴムでは、床に伝わる力は機械の力の 2.56倍です。防振ゴムの役目は、受け止めることではなく、揺れについていかずに、床へ渡さないことです。

「減衰は、多いほどよい」

減衰が効くのは、共振の近くです。防振が効いているところ(√2倍より速いところ)では、減衰を強めるほど、床に伝わる力は増えます。

振幅倍率と伝達率

似た形の式なので、分けておきます。

量 意味 √2倍の速さで
振幅倍率 X/Xst\skrX/\skrXst(前の単元) 機械のゆれが、静かに押したときの何倍か 1 より少し小さい
伝達率 TR\skrTR(この単元) 床に伝わる力が、機械の力の何倍か どんな ζ でも、ちょうど 1

この公式が使える条件

  • 機械は上下にだけ揺れ、ゴムのばねの力は、縮みに比例する
  • ゴムの減衰は、速さに比例する力(粘性減衰)とみる
  • 機械が出す力の振幅 F0\skrFZero は一定(回転の不つり合いのように、回転数で力が変わる場合は、回転体の不つり合い で扱います)
  • 床は動かないものとする。揺すり始めのゆれが消えたあとの、定常のゆれだけを見る(シミュレータも定常のゆれだけを描く)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

機械の揺れ:運動方程式は、前の単元と同じです。

m x¨+c x˙+k x=F0sin⁡ωt\skrm\,\ddot{x} + \skrc\,\dot{x} + \skrk\,x = \skrFZero\sin\skrOmega t

定常のゆれは x=Xsin⁡(ωt−ϕ)x = \skrX\sin(\skrOmega t - \phi)、X=Xst/(1−r2)2+(2ζr)2\skrX = \skrXst/\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\skrZeta r)^2} でした(Xst=F0/k\skrXst = \skrFZero/\skrk)。

床に伝わる力:床を押すのは、ばねとダンパです。θ=ωt−ϕ\theta = \skrOmega t - \phi と書くと、

fT=k x+c x˙=kXsin⁡θ+c ωXcos⁡θf_T = \skrk\,x + \skrc\,\dot{x} = \skrk\skrX\sin\theta + \skrc\,\skrOmega\skrX\cos\theta

sin⁡\sin と cos⁡\cos の和の振幅は、それぞれの振幅を2乗して足して √ をとったものです。

FT=Xk2+(c ω)2=kX1+(2ζr)2\skrFt = \skrX\sqrt{\skrk^2 + (\skrc\,\skrOmega)^2} = \skrk\skrX\sqrt{1 + (2\skrZeta r)^2}

(c ω/k=2ζr\skrc\,\skrOmega/\skrk = 2\skrZeta r を使いました。)kX=F0×X/Xst\skrk\skrX = \skrFZero \times \skrX/\skrXst なので、

TR=FTF0=1+(2ζr)2(1−r2)2+(2ζr)2\skrTR = \dfrac{\skrFt}{\skrFZero} = \dfrac{\sqrt{1 + (2\skrZeta r)^2}}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\skrZeta r)^2}}

√2 で 1 になる:TR=1\skrTR = 1 とおくと、1+(2ζr)2=(1−r2)2+(2ζr)21 + (2\skrZeta r)^2 = (1-r^2)^2 + (2\skrZeta r)^2。(2ζr)2(2\skrZeta r)^2 が両辺から消えて、(1−r2)2=1(1-r^2)^2 = 1、つまり r2=2r^2 = 2 です。ζ\skrZeta が消えるので、減衰比によらず、境目は 2\sqrt{2} です。

減衰の逆転:TR2=1+a(1−r2)2+a\skrTR^2 = \dfrac{1 + a}{(1-r^2)^2 + a}(a=(2ζr)2a = (2\skrZeta r)^2)と書くと、aa を増やしたとき、分子と分母に同じ数を足すことになります。分子が分母より小さいとき(r>2r > \sqrt{2}、伝達率が1より小さい)は、同じ数を足すと比は1に近づく、つまり増えます。分子が分母より大きいとき(r<2r < \sqrt{2})は、減ります。

減衰が無いとき:ζ=0\skrZeta = 0 なら TR=1/∣1−r2∣\skrTR = 1/|1 - r^2|。r>2r > \sqrt{2} では 1/(r2−1)1/(r^2 - 1) です。1/10 にするには r2=11r^2 = 11 です。

例題

例題1 コンプレッサを防振ゴムに載せる

質量 60 kg のコンプレッサを、防振ゴムに載せて床に置きます。ゴム全体のばね定数は 300 kN/m、減衰比は 0.05 です。

コンプレッサは 1,800 min⁻¹ で回り、上下に振幅 300 N の力を出します。

(1) ゴムの静たわみ (2) 固有振動数 (3) 振動数比 (4) 伝達率と、床に伝わる力の振幅 を求めてください。

ヒント 1 / 2

静たわみ δst=mg/k\delta_{\mathrm{st}} = mg/k を先に出し、固有振動数は fn=12πg/δstf_n = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{g/\delta_{\mathrm{st}}} で求めます。

ヒント 2 / 2

60×9.81/300,000=0.00196260 \times 9.81 / 300{,}000 = 0.001962 m です。揺れの振動数は 1800/60=301800/60 = 30 Hz です。

答えと解き方を見る
(1) δst=1.96 mm(1)\ \delta_{\mathrm{st}} = 1.96\ \mathrm{mm}
(2) fn=11.3 Hz(2)\ f_n = 11.3\ \mathrm{Hz}
(3) r=2.67(3)\ r = 2.67
(4) TR=0.169,FT=50.8 N(4)\ T_R = 0.169,\quad F_T = 50.8\ \mathrm{N}
  1. 静たわみ(機械の重さで、ゴムが縮む量)

    δst=m gk=60×9.81300,000=1.96 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\mathrm{st}}} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-geometry}{g}}{\htmlClass{q-material}{k}} = \dfrac{60 \times 9.81}{300{,}000} = 1.96\ \mathrm{mm}
  2. 固有振動数(静たわみから)

    fn=12πgδst=12π9.810.00196=11.3 Hz\htmlClass{q-flow}{f_n} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{g}}{\htmlClass{q-displacement}{\delta_{\mathrm{st}}}}} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{9.81}{0.00196}} = 11.3\ \mathrm{Hz}
  3. 振動数比(揺れの振動数が、固有振動数の何倍か)

    r=N/60fn=1,800/6011.3=2.67r = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{N}/60}{\htmlClass{q-flow}{f_n}} = \dfrac{1{,}800/60}{11.3} = 2.67
  4. 伝達率(床に伝わる力 ÷ 機械が出す力)

    TR=1+(2ζ r)2(1−r2)2+(2ζ r)2=1+(2×0.05×2.67)2(1−2.672)2+(2×0.05×2.67)2=0.169\htmlClass{q-force}{T_R} = \dfrac{\sqrt{1 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}} = \dfrac{\sqrt{1 + (2 \times 0.05 \times 2.67)^2}}{\sqrt{(1-2.67^2)^2 + (2 \times 0.05 \times 2.67)^2}} = 0.169
  5. 床に伝わる力の振幅

    FT=TR F0=0.169×300=50.8 N\htmlClass{q-force}{F_T} = \htmlClass{q-force}{T_R}\,\htmlClass{q-force}{F_0} = 0.169 \times 300 = 50.8\ \mathrm{N}

揺れの振動数 30 Hz は、固有振動数の約2.7倍で、√2倍をこえています。床に伝わる力は、機械が出す力の約6分の1です。

例題2 何 mm 沈むゴムを選べばよいか

質量 80 kg の送風機が 1,200 min⁻¹ で回っています。床に伝わる力を、機械が出す力の 1/5 以下にしたいと考えました。

減衰は考えないものとして、(1) 必要な振動数比 (2) 固有振動数の上限 (3) 静たわみの下限 (4) ゴム全体のばね定数の上限 を求めてください。

ヒント 1 / 2

減衰が無いときの伝達率 TR=1/(r2−1)T_R = 1/(r^2-1) を 1/51/5 とおいて、rr を求めます。

ヒント 2 / 2

揺れの振動数は 1200/60=201200/60 = 20 Hz です。fn=20/rf_n = 20/r です。

答えと解き方を見る
(1) r≧6=2.45(1)\ r \geqq \sqrt{6} = 2.45
(2) fn≦8.16 Hz(2)\ f_n \leqq 8.16\ \mathrm{Hz}
(3) δst≧3.73 mm(3)\ \delta_{\mathrm{st}} \geqq 3.73\ \mathrm{mm}
(4) k≦211 kN/m(4)\ k \leqq 211\ \mathrm{kN/m}

減衰を考えないとき、√2 より速い側の伝達率は 1/(r2−1)1/(r^2 - 1) です。1/(r2−1)=1/51/(r^2-1) = 1/5 から r2=6r^2 = 6 です。

静たわみで選ぶと、機械の質量を知らなくても、ゴムの柔らかさが決まります(固有振動数は静たわみだけで決まるので)。

実際のゴムには減衰があるので、伝達率は 1/5 より少し大きくなります。余裕を見て、もう少し柔らかいものを選びます。

例題3 減衰を強めると、どうなる?

例題1のコンプレッサで、防振ゴムを、減衰比 0.25 の、よく減衰するゴムに替えました。ばね定数は同じ 300 kN/m です。

(1) 運転中(1,800 min⁻¹)の伝達率は、0.05 のときと比べてどうなりますか。(2) 回り始めに、回転の振動数が固有振動数を通り過ぎる瞬間(r = 1)の伝達率はどうなりますか。

ヒント 1 / 2

伝達率の式に r=2.666r = 2.666 と r=1r = 1 を、ζ = 0.05 と 0.25 の両方で入れます。

ヒント 2 / 2

r=1r = 1 では (1−r2)2=0(1-r^2)^2 = 0 なので、TR=1+4ζ2/(2ζ)T_R = \sqrt{1+4\zeta^2}/(2\zeta) です。

答えと解き方を見る
(1) TR: 0.169→0.267 (増える)(1)\ T_R:\ 0.169 \rightarrow 0.267\ \text{(増える)}
(2) TR: 10→2.24 (減る)(2)\ T_R:\ 10 \rightarrow 2.24\ \text{(減る)}

減衰は、共振の山を低くします(回り始めの揺れを抑える)。その代わり、防振が効くところ(√2倍より速いところ)では、ダンパが床を押す力が加わり、伝達率が上がります。

回り始めと運転中の、どちらを重く見るかで、ゴムの減衰を選びます。