岩手大学教育学部研究年報 第45巻第1号 (1985.10)97-108

デーゼルエンジンの振動測定と解析

寺 嶋 正 義*

(1985年6月19日受理)

Abstract

4サイクルデーゼルエソジソの振動を計測し,そのデータを7-1)-解析して次のことがわ

かった｡

(1) 弁が弁座に当る時の振動は爆発と同程度に大きい｡

(2) フーリエ解析した結果40Hz～50Hzと600Hz～5000Hzの振動が出ており,後者は白色雑

音に近い振動である｡

(3) 回転数の2倍に相当する振動が出ており,これは回転数が大きくなる程相対的に大きく

なる｡

高い振動数の振動は--)ジンを可擁支持することにより,振動の伝達を防止出来るが,振動

が空気に伝はり騒音となり,これを防止するのは難しい.

1 緒 言

各種エンジンは動力源として日常生活に不可欠のものとなって来ている｡以前は性能が同じ

ならば,振動,騒音は少い方がよい位の程度に考えられて来た｡しかし自動車等の使用頻度が

増大し,振動や騒音にさらされる者にとっては,耐えられる生理的限界に近づいた り,又はこ

れをオ-バーするようになると振動,騒音の大きさは性能の一部となり,また規制の対称とな

ってきている｡

また一方,振動は機械自身にも悪影響を与え,機械各部の疲労破壊や摩耗,ネヂ部のゆるみ

等の原因になっているので,振動が小さい事が好ましいが,止むを得ず発生するものについて

は発生場所からの振動の伝達を防止する必要がある｡

振動,騒音を防止するためには,これを測定し,解析しその発生場所,原田,その機構,振

動の大きさ,振動数等を知ることが必要であり,このため据置型の4サイクルデ-ゼルエソジ

ソ (4.5馬力)を1例として振動を測定し解析した｡

振動,騒音の防止については,その振動数と発生場所により,その伝達の防止が或る程度可

能なものと,防止が困難なものがある｡この防止方法を考える上でも振動の測定と解析は必要

である｡

2 振動測定,解析の方法

使用したエソジソはヤソマ-ディ-ゼルK.K社製,横型水冷4サイクルデーゼルエソジン

*岩手大学教育学部

98 寺 嶋 正 義

第1表 横型水冷4サイクル,デーゼルエンジン

連 続 定 格

出 力 ‡回 転 数

最 大

出 力 t回 転 数

4･5P中 二票 巨 忘 千 束 廃 転 T pT l

潤 滑 油

容 量

ド式ig 6･5B巨 59

でその仕様は第 1表に示す｡

これは据置型の横型水冷デー

ゼルエンジンで4.5P.Sでその

全景を第 1図(1)に示す｡

振動測定器は新 日本測器製加

速度型振動計 505Dを2台用い

た｡検出器はシリンダー頭部に

は耐熱型の541AHを,クラン

ク側には普通型の 541ATを用

いシリソダーの軸方向の振動加

速度を計測した｡

この振動計で 0-1000gまで

の加速度,振動数は0-10,000

Hzまでを計測できる0

第 1図(1)エンジン全景について説明すると,

左側に見えるのはエンジンで右側のものは渦電

流動力計である｡右手前に2台並んで置いてあ

るのが加速度振動計 505Dである｡

エソジンの右側にピックアップが付いている

のが見える｡これが検出器で上側の振動計の入

力に電線で結ばれている｡

シ1)ソダー側の検出器は下側の振動計の入力

端子に入っている｡

(1)のエンジン全景の左側から見た所を第 1図

(2)に示す｡これはシ1)ソダ--ッド部 が 見 え

る｡

右上のが空気炉過器であ り,右のバネが吸気

弁のバネ,左のが排気弁のバネである｡

左上部に小さく見えているのが検 出器 で あ

る｡このようにして振動計で得られたアナログ

信号を A-D変換器にてデ ィジタルに直し,こ

れをNECのパソコン PC-9801Eにて高速フ

-1)-変換して,エネルギ-の大きい順に振動

(1)ェ ソ ジ ン 全 景

(2) シリンダ頭部と弁

第1図 エンジンと検出器

デーゼルエソジソの振動測定と解析

数等を表示させ,またグラフ表

示した｡

第 2図に振動解析用パソコン

の写真を示す｡

左側に見えるのがPC-9801E

の本体と,手前がキーボードで

あ り,その上に ミニフロッピー

デ ィスクドライブ PC-8031-2

があ り,中央が PC-8853ディ

スプレイで,右則がプ1)ソクー

PC-8822である｡ 第2図では

振動をグラフ表示した 所 で あ

99

第2図 振動解析用パソコンる｡

A-Dコソバーク-はマイクロサイエソス社のDAS-1298-BPCの8チャンネル差動入力12ビ

ットA-Dコンバーターを用いた｡

これは土では入らないので電池2ケで約 2.2Vの電圧を振動計出力に印加して,0- +5V

として用いた.デ-βはO.lsで取込み1024点で高速7-1)ェ変換したoLたがって1つのデ-

タは0.1msで取込んだ｡

高速7-リ-変換のソフトはサイエンス社のGPp-985-FFTを用い,こjtを振動計測に合 う

ように直して使用したOデータ取込時間0.lsで1024点で高速7-リ-変換して,データを横軸

が振動数,縦軸はパワーの対数としてグラフ表示し,又生デ-タを横軸時間 (0.1Sフルスケー

ル)縦軸は振幅としてグラフ表示し,これをディスプレイに表示し,又プリンタに出力した｡

この変換データをプリソタにて数値としても表示するようにした｡

エンジンの運転条件は,回転数を変えて,各々の回転数で無負荷と2×0.2kg一mの負荷を夫

々実験した｡

動力計の所に回転計を取付けてあるので, こ こで,600r.p,m,800r.p.m,1000r.p.m,

1200r.p.mで実験したが,動 力 計 で はエンジンよりプ-1)-で0.735倍に減速 して い るの

エソジンでは夫々,816.4r.p.m,1088r.p.m,1360.7r.p.m,1632r.p.mで実験したことにな

る｡

この速度で夫々無負荷と,2×0.2kg一mの負荷で実験した｡

負荷は馬力 (P.S)で表わすと,600r.p.mでは,0.335P.S,800r.p.mでは 0.447P.S,1000

r.p.mでは0.558P.S,1200r.p.mでは0.67P.Sで実験したことになる｡

3 実験結果とその検討

振動加速度を振動計のメータ-から読み取 り,横軸にエソジソの回転数を取ってグラフにす

ると第3図,第4図のようになる｡振動加速度検出器は振動加速度を電圧に変え,これを振動

計で増幅して表示すると共に出力端子に,この電圧を印加する｡

メ-タ-の指示値はこの電圧の2乗平均値の平方根である｡商用電源の電圧表示と同様であ

る｡第 3図に無負荷時の振動加速度を示す｡

寺 嶋 正 義

〇'9t:

0+

N

T

0.9

(6)

朝潮

こq粛

塞

0

.寸

?

Zt

0.9

(

B)

噸

粟

芸義盛

0.寸

0 800 1000 1200 1400回 転 数(r.p.m)

第 3回 無負荷時の振動加速度

1600

0 800 1000 1200 1400回 転 数(r.p.m)

第4図 負荷時の振動加速度 (0.4kg一m)

1600

横軸に回転数,縦軸に振動加速度,単位 g (重力の加速度)をとると,クランク側の振動は

ほぼ回転数に比例して増加する｡

シリソダー側もはば回転数に比例して増加してお り,最大は14.5gに達している｡

負荷 (0.4k㌢一m)をかけた時のグラフを第4図に示す｡こちらはクランク側ははば比例して

増大するが,シ1)ソダ-側は増大はするが比例的ではない｡その結果,816.4r.p.m と1088.6

r.p.mで はシリンダー側は負荷時の振動の方が大であるが,1360.7r.p.mで 同 じに な り,

デーゼルエソジソの振動測定と解析 101

1632.8r.p.mでは,反って小さくなっている｡

次に4サイクルエソジソの弁の開閉関係の関係図の1例を第5図に示す｡

振動計よりのデータをAID変換してパソコソに取入れ, それを高速7-1)エ変換したもの

と,振動波形のグラフを第 6図-第9図に示す｡

第6図は無負荷,シリンダー側の実験結果で,第7図は無負荷,クランク側のものを第8図

は負荷をかけシ1)ソダ-側のもの,第 9図は負荷をかけクランク側の実験結果である｡いづれ

も上から夫々816r.p.mのもの,1089r.p.mのもの,1361r.p.mのもの,1633r･p･mのものを示

している｡

第6国(4)1633r.p.mについて説明すると上のグラフは高速フーリエ変換した結果で縦軸は各

振動数の振動のエネルギーの対数表示で1目盛20dB(デシべ/レ)で横軸は振動数で1目盛200

Hz,フルスケール5000I12;であ り,下のグラフは振動波形で縦軸は振幅に比例したもので1日

盛0.5Vでフルスケール5Vであ り,横軸は時間で左より右に進み1日盛 0.01秒でフルスケー

ル0.1秒である｡MAX.63E+03とあるのは,最大値が0.63×108のことであるo

第5図 4サイクル機関の弁関係図

102

CH

寺 嶋 正 義

虹∵二木-云サ(1)816r.p.m

rlAX.29E+0320dB/DIYZE+2/DIV.5u/DIV

IE-◎2′⊂lIV

CH 1C A

(3日361∫.p.m

bIAX.20t∃+03

】 A B誠1-----I-:--一･一----'1-1 (4)1633ど.p.m

第6園無負荷,シリソダー側の測定結果

デーゼルエソジンの振動測定と解析

I-ltF'tl -t･ --触 -I---苧-･--f1--守

(2)1088r.p.m

(3)1361r.p.m

(4)1633r.p.m

第7図 無負荷,クランク側の実験結果

103と

104 寺 嶋 正 義

(1)816r.p.m

C

C心州紅 仙 J B Ch

(3)1361∫.p.m

(4)1633r.p.m

第8匡10.4kg一m負荷,シリンダー側の実験結果

デーゼルエンジンの振動iRrJ定と解析

r′) (1)816∫:p･m

CA B f

(3)1360r.p.m

(4)1633∫.p.m

第9図 0.4kg一m負荷,クラソク側の実験結果

.51J/DIVIE-¢2/EIIV

106 寺 嶋 正 義

データの取込みは3.6V 以上になった時に111)ガ-がかか り取込むようにした｡振動による

電圧は交流であり,取込みは0- 5Vであるので,+2.2V の電圧をかけて全部プラスになる

ようにした｡

いづれのデータも周期的に振動が発生しているのが分る｡

第5図において4サイクルエソジソは2回転で1サイクル完了するが,爆発,排出弁閉,吸

気弁閉で弁が弁座に当り振動を発生することが考えられるが,この時間間隔より検討すると,

第6図(4)では1サイクルが 0.1S以下であるので,Aが爆発による振動,Bが排出弁閑で弁が

弁座に当る振動,Cが吸込弁閉で弁が弁座に当る振動であることが分った｡同様 に して(1),(2),(3)も振動と振動との時間間隔と振動波形からA,B,Cに相当するものを検討し記入した｡

第7図-第9図においても同様に検討し記入した｡

その結果,振動は連続したものではなく,周期的に減衰振動が発生している｡

また高速7-1)エ変換したものでは40-50H2;にピークがあるが,後は400-600Hzから5000

H2;までほぼ一様に振動が出ている.20-50HEの振動数について検討すると,第 2表に示すよ

うになる｡

第2表 弁,クラソク運動による振動数

備 考 l- ソク運動による振動 1姦芸による

回転数によるものと,クラソク運動によ

り回転数の2倍によるものと,2回転に3

回の振動であるから回転数の1.5倍のもの

とが予想される｡ そうすると13Hz;～54H2;

のものが出ることになる｡

40-50H2;の振動はこのものか, 又エソ

ジンの防振支持による固有振動数によるも

のかは分らない｡ 各デ-タとも40-50H2;

が出ているので後者の可能性が強いと考え

られる｡

7-1)-変換したデータはディスプレイに表示し,またプ1)ソクーで印字して打出した｡

この1例を第3表に示す｡これは無負荷,クランク側,1361r.p.mのものである｡

第3表 無負荷,クランク側,1361r.p.mのデータ

SAMPLE FREQ COMPLEXTERM COS SIN POUFR COMPOSIT COMPOSITNO. VALUE NO. REAL IMAGE TERM TERM SINAMPL SINPHASE

8123456789

101112131415161718

I.e82Ln9441808Ln2Ln2.iOLn3co071紹724LLILn991mq48

1211311121

11211111

llLn239288467Ln728721

.′D294CO(》つんつん(り30122Ln91ノb

.358E+84 -16.5, -8.Oi -33 ､18 8.6725E+03 36.67 -64.13

.387E+84 -6.8. -16.8i -12

.58占E+82

.339E+84

.324E十04

.372E+04

.319E+04

.311E+94

.393E+04

.343E+◎4

.378E+94

.345E+84

.265E+94

12.8, 11.8i 2416.8, -2.5i 32

-16.0, 1.Oi -32-9.5, 12.8i -19

-ll.8, -10.8i -224.5, -14.8i 9

-13.8, 6.5i -26-9.5, -ll.8i -1914.0, -2.5i 28-1.9, -14.Oi -2-5.5. -12.51 -ll

.489E+04 -13.5, -8.5i -27

.260E+84 7.8, -ll.5i 14

.389E+04 -9.5, -9.5i -19

.363F+84 -12.0, -5.CIi -24

.271E+84 -9.0. -9.Oi -183 .418E+84 -5.5. -ll.Oi -ll

32 0.5848E+03 34.18 -28.56-22 0.538OE+83 32.56 -47.49

5 8.5245E+83 32.39 81.12-2 8.5140E+83 32.06 86.42

-24 0.4占.85E+83 38.61 38.3720 8.4420E+8328 0.4325E+83

-13 8.4225E+8322 8.4225E+035 8.4045E+83

28 8.3940E+8325 0.3739E+031 8.3658E+83

23 8.3625E+83

29.7329.LIL29.0729.9728.4428.8727.3127.8226.93

ー47.7317.8263.44

-40.8279.8E1-4.09

-23.75-87.8831.33

19 8.3610E+83 26.87 -45.Ego18 0.3380E+03 26.90 -67.3818 8.32LleE+03 25.46 -45.0022 8こ3825E+03 24.68 -26.57

デーゼル-./ジ./の振動測定と解析 107

FREQ.NOとあるのが振動数であ り,右の方にPOWERとある数値が,その振動数のエネル

ギーに比例した数値である.E+04は,×104を意味する｡

上よりエネルギーの強い順に表示してある.3500H2;が 1番強く,その次に3870H2;,その次

に低い58.6H2;が出ている018番目まで打出してあるが3000-4000H2;が多い｡

このように高い1000Hz～5000Hzの振動の伝達を防止することは可能であるが,これらの振

動は騒音となって空気に伝達していく｡

この騒音を防止することは仲々むづかしい｡

つぎのその理論を紹介し,伝達の防止方法を検討する｡

4 振動の伝達と防止

つぎのように符号をとる｡

x:変位 k:ばね常数

m :質量 wn:J吾 固有角振動数

cc:限界減衰係数 C :減衰係数

;:孟 減衰比率

Fo:F.-Fosinaltの力を受けた時の定常的な力｡

第10図において質量mの機枕がkのばね常数のもので弾性

支持されてお り, Fosina)tの振動カを発生している時の

基礎に伝達される力を求めて見る(1)｡

基礎に伝達される力は,

(cwx)2-kxJ1+(号)2kxJ1.(2;-£)2 ･･-･･････-･(1)

振幅∬は次のようになる｡

Fo/A

Jl1-(意)2]2.(2∈意)2(2)を(1)式に代入して

FTR- 1+(2∈%)2J[1-(｢£)2]2.(2∈惹)2

･････=･････-･(2)

-･----･(3)

第10図 振動伝達の模型図

この(3)式で系がばねをもたずに剛に取付けられているならば Foは基礎に直接伝達される撹

乱力となる｡したがってFTR/Foは可境性支持を通して伝達される力と,剛性支持のとき直接

伝達される力との比を表わし,系の伝達率TRとよばれる｡

TR-F# =

1.(2∈意 )2/[1-(意 )2]2+(2∈意 )2

------(4)

108

(4)式について滅衷比率0.15と

0.25について伝達率をグラフ表

示すると第11図のようになる｡

a)-alnの所で共振して伝 達 率

は高くなるがa'> /fa･nでは

小さくなる｡

a'< /すbnでは1よりも大き

くなる｡

これより支持の固有振動数よ

り高いものは伝達率が小さくな

ることが分る｡

これより高い振動数の加振力

0

0

0

3

2

1

tZト

静

瑚

朋[

寺 嶋 正 L義

0.15

0̀ 25

1.0′㌻~2.0 3.0 4.0 5.0

振 動 数 比-Aaln

第11図 振 動 の 伝 達 率

があるときは可境性支持により

容易に伝達率を小さくすることが出来る｡しかしエソジソ全体が高い振動数で振動すると,こ

れが騒音となって空気に伝わるが,これを防止することの方が,かなり難しい｡

クラソク機構は回転すると,回転数とその2倍の振動数の振動が発生することが分ってし､る

が(2),-第6図-第9図の結果では2倍の振動数のものは出ているが,回転数の振動は出ていな

い｡

5 結 言

4サイクルデーゼルエンジンの振動を計測し,そのデ-タを/くソコソにより高速7-1)-変

換して振動数分析を行った｡

この実験で次のことがわかった｡

(1) 爆発した時の振動は予想されたが,排気弁,吸気弁が閑のとき弁革に当る時の振動が爆

発の時と同程度に発生している｡

(2) フー1)-変換したデータからは40-50Hzのものと400-600-5000Hzまでの振動数のも

のが出ている｡後者は白色雑音に近い｡

(3) 回転数の2倍の振動が出て来ており,これは回転数の大きな程,相対的に大きく出てお

り,これはクランク機構による振動と考えられる｡

以上のことが分ったが,1000Hz～5000Hzの振動はエソジソを可携性支持にすることにより

その伝達を防止出来るが,エソジンから発する振動が騒音となり,これを防止するのは難しい｡

第2表に示す低い振動数のものも出ている筈であり,フーリエ変換したデータには,はっき

りと表れているものが多いが,余 りはっきりとは表われていないものもあった｡

本実験に用いたパソコンは59年度設備更新費により,また A-D変換器等は59年度特定研究

費により購入したものを用いた｡

近年は実験データ整理等に′<ソコソが用いられており,実験のデータ処理に必需品となりつ

つあり,本実験はこれらが設ったので出来たものである｡

文 献

1)W.T.Thomson著,小堀訳:磯械振動入門.68, (昭37-12)

2)J.P.D.Hartog著,谷口,藤井訳,機械振動論,190, (昭39-10)