関東学院大学 理工学部　准教授

堀田 智哉

2017/3　　　　　博士（工学）　東京理科大学
...もっと見る 2017/3　　　　　博士（工学）　東京理科大学
2017/4‐2020/3　 関東学院大学理工学部助教
2020/4-2023/3　 関東学院大学理工学部講師
2023/4　　　　　関東学院大学理工学部准教授
[専門分野]　転がり軸受工学、機械要素・機械設計、トライボロジー、材料工学

　トライボロジーとは、摩擦・摩耗・潤滑に関する科学のことです。機械の部品が動くとき、必ず摩擦が発生します。そして、この摩擦が原因となって、「振動」が発生することが多くあります。ここでは、その理由と実際の現象をわかりやすく説明します。

摩擦の変化によって起きる振動

　摩擦は『動きを止める力』 (=抵抗力) として習いますが、現実の摩擦はいつも一定ではなく、速度や押し付ける力、表面の状態、潤滑の有無によって強さが変わります。この『摩擦の変化』がきっかけになり、物体や部品が本来もっている『揺れやすさ (固有振動) 』と合わさると、振動や音が生まれます。
　最も代表的な例がスティックスリップ (図1) です。これは、止まっているときの摩擦 (静摩擦) が大きく、動き始めたあとの摩擦 (動摩擦) が小さいときに起こります。力を少しずつ加えると、ある瞬間に急に動き出し、また止まりやすくなるので、止まる→滑る→止まるが繰り返され、低い周波数のガクガクした振動になります。

　次に、止まらずに滑り続けていても振動が大きくなる場合があります。摩擦の強さが速度によって変わり、ある範囲で『速くなるほど抵抗が減る』ように見えると、摩擦が振動を弱めるどころか、逆に振動を育てる方向に働くことがあります。これを摩擦自励振動と呼びます。さらにブレーキの『キーッ』のような高い音は、摩擦が部品の振動モード同士を結び付け、特定の周波数で急に揺れやすくすることで起きることが多いです。この場合は、必ずしも止まる / 滑るの繰り返しをともないません。摩擦音とは、こうした高周波の振動が空気に伝わって音として聞こえている状態で、原因は一つに決められません。
　また、小さな振動が長時間続くと、接触面が微小にこすれて表面が荒れ、摩耗粉がたまり、摩擦がさらに不安定になることがあります。これをフレッティングと呼び、ボルトで固定した部品や軸受まわりで問題になります。対策としては、潤滑剤を使って摩擦の差を小さくする、表面をコーティングして滑りを安定させる、部品の形や剛性を変えて共鳴しにくくする、ゴムや制振材で振動を吸収する、といった方法があります。

摩耗による形状の変化によって起きる振動

　摩耗によって部品がすり減って形や表面が変わると、機械がガタガタ揺れたり、音が出たりする現象が生じます。新品の部品は形がそろっていて当たり方も安定していますが、使い続けると表面に傷がついたり、角が丸くなったり、わずかな段差ができます。すると回転やすべりのたびに、その段差を乗り越える小さな衝撃が繰り返され、振動の”タネ”になります。さらに摩耗で「すきま」が大きくなると、部品同士が一度当たってから離れる動きが起きやすくなり、衝突をともなう振動 (ガタ振動) になりがちです。自転車のブレーキやチェーンが古くなるとカタカタしたり、異音が増えたりするのも、この考え方で説明できます。
　回転軸を支えている軸受 (ベアリング) では、転がる部分に小さなくぼみやはがれができると、玉やころがそこを通るたびに「コツッ」という衝撃が出て、耳には高い音、計測では高周波の振動として現れます。歯車でも歯面が摩耗すると、かみ合いが少しずつずれて力の伝わり方が乱れ、一定の回転数で振動が強くなることがあります。また、摩耗粉 (すり減った粉) がたまると潤滑が悪化し、摩擦が不安定になって振動がさらに増える悪循環も起こります。

潤滑によって起きる振動

　潤滑(じゅんかつ)による振動とは、油やグリースがあるのに振動が起きる、または潤滑の状態が変わることで振動が増えたり減ったりする現象です。潤滑の役割は、金属同士を直接こすらせず、薄い油の膜 (油膜) で滑らせて摩擦と摩耗を減らすことです。しかし油膜はいつも同じ厚さで保たれるわけではなく、図2のように回転数 (相対速度) や、荷重、温度、油の粘り気 (粘度) 、供給量によって厚さが変化します。この変化が大きいと、接触が「油膜で浮く状態」と「少し当たる状態」を行ったり来たりし、摩擦力が揺れて振動の原因になります。

　たとえば回転が遅いと油が引き込まれにくく油膜が薄くなり、金属表面の凸凹が触れやすくなります。逆に回転が上がると油膜が厚くなって滑らかになりますが、条件によっては油がかき回されて抵抗が増え、回転が不安定になることもあります。また油膜形成が不安定になると、振動が出やすくなります。油の温度が上がって粘度が下がると油膜が薄くなり、振動や異音が急に増えることもあります。
　さらに潤滑油は「クッション」のように働く一方、柔らかすぎると部品がふらつきやすくなることがあります。例えばすべり (ジャーナル) 軸受では、油膜がばね・ダンパのように働き、回転体を支えています。油膜の硬さが不足すると、回転中心がゆらゆら動くオイルホワールなどの振動が起きることがあります。反対に油が硬すぎたり量が多すぎたりすると、かき回し抵抗で発熱し、粘度低下や泡立ちを招いて振動が悪化する場合もあります。

振動が摩耗や潤滑に与える影響

　振動は、摩擦・摩耗・潤滑の状態を大きく変えます。まず摩擦では、部品が細かく揺れると接触が安定せず、くっついたり滑ったりを繰り返して摩擦力が上下し、異音やさらに大きな振動を招きます。また振動で当たり方が変わると、局所的に熱が出て摩擦が増えることもあります。次に摩耗では、わずかな往復すべりが続くとフレッティング摩耗が起きやすく、表面が削れて粉が出ます。その粉が研磨剤のように働き、摩耗が加速する悪循環になります。潤滑では、振動で油膜の厚さがゆらぎ、油膜が切れて金属同士が触れやすくなります。油に空気が混ざったり、油が片寄ったりしても潤滑が不安定になり、摩擦と摩耗が増えます。例えばボルト締結部が微小振動すると、フレッティング損傷や界面状態などの変化が生じ、ゆるみ・性能低下のリスクが増える。軸受でも油膜が保てず傷やピットができ、振動が増える連鎖が起こります。振動が出たら、音の変化、温度上昇、油の汚れも見て原因をつかみましょう。振動は油を外へ押し出したり、油の中に泡を作ったりするので、給油量が足りていても油膜が切れることがあります。対策は、芯出しやバランス取りで振動源を減らし、適切な粘度の油を選ぶことです。早めの対応が故障を防ぎます。

まとめ

　音・振動の原因を解明する鍵になるのが、トライボロジーです。少し難しく聞こえるかもしれませんが、要するに摩擦・摩耗・潤滑のことです。振動は”故障の名称”ではなく、機械のどこかで起きている接触状態の変化が表面化した結果 (図3) であるといえますから、騒音や振動の原因の究明や対策をおこなうためには、トライボロジーの知識が必要不可欠です。

次回は7月号に掲載予定です。