設計者に「軽さ」などの絶対的な指標はない
現代の機械設計では、
軽量化は非常に重要である。
- コスト低減
- 省エネ
- 高速化
- 小型化
など、多くのメリットがある。
そのため新人設計者ほど、
「軽ければ良い」
と思いやすい。
そして、ステータスシンボルを除き、モノは軽く小さいものが良いモノという風潮がある。
軽いパソコン、軽いバッグ、軽い靴などは人気があるだろう。
だから、とにかく何でも軽いものがいいと思っているかもしれない。
しかし実際の設計現場では、
軽量化によって問題が悪化する
ことがある。
つまり、設計者から見ると、すべてのものには「ちょうどいい重さ」というものが存在する。
軽量化において特に危険なのが、
“振動”
である。
本記事では、
新人設計者が見落としやすい
「軽量化と振動の関係」
について解説する。
なぜ軽量化が求められるのか
まず軽量化自体は悪ではない。
むしろ重要。
例えば、
- 自動車
- 航空機
- ロボット
などでは、
軽量化が性能向上に直結する。
そう、他の項目とのバランスが取れる限り、軽いほうがいいのはそのとおりなのである。
ただ、いつも書いていいるとおり、すべてはトレードオフ。
そんなに選択肢があるわけじゃないのが設計である。
軽量化を優先することで何かを犠牲にしているのだ。
軽くなると何が良いのか
例えば、
- 消費エネルギー低減
- 動作高速化
- 慣性低減
- 搬送性向上
など。
メリットは大きい。
軽量化の代償
ここが重要。
軽量化すると、
多くの場合、
“剛性”
が低下する。
剛性とは何か
簡単に言えば、
“変形しにくさ”。
つまり、
剛性が低いほど、
たわみやすい。
なぜ剛性低下が危険なのか
理由はシンプル。
機械は動くから。
つまり、
振動する。
機械は必ず振動する
例えば、
- モーター回転
- 衝撃
- 往復運動
- 加工負荷
など。
振動源は必ず存在する。
じゃあ、剛性が低いとどうなるか
振動しやすくなる。
つまり、
軽量化しすぎると、
機械が“柔らかく”なる。
極端に言えば、プリンやゼリーのイメージだろうか
ちょっとの外力で波打ってしまうのだ。
新人設計者がやりがちなこと
1. 強度だけ見る
非常に多い。
応力計算では問題ない。
だからOK。
しかし実際には、
剛性不足で問題が起きる。
「壊れない」と「性能が出る」は違う
ここが重要。
強度上は安全。
しかし、
- 振動
- たわみ
- 精度低下
が起きることがある。
まあ、大抵の場合、剛性が下がっていれば変形が大きくなり、
応力分布が変わり、強度も低下していることが多い。
基本的に変形して受け流すという考え方は問題が出ることが多い。
2. 板厚を簡単に減らす
軽量化でありがち。
まあ、一見すると簡単に軽量化できるからだ。
しかし板厚低下は、
剛性へ大きく影響する。
なぜ危険なのか
剛性は、
厚みに強く依存するから。
つまり、
少し薄くしただけでも、
急激に柔らかくなる場合がある。
振動が起きると何が悪いのか
非常に多くの問題が起きる。
1. 異音
まず分かりやすい。
ビビリ音。
共振音。
これは振動問題の代表例。
2. 精度低下
例えば、
ロボットや加工機。
振動すると、
位置精度が悪化する。
3. 疲労破壊
ここが怖い。
振動は繰り返し荷重。
つまり、
疲労を生む。
その結果
- クラック
- ボルト緩み
- 溶接割れ
などが起きる。
4. 共振
最も危険な現象。
個人的はこれを最も恐れている。
共振とは
振動数が、そのモノがもつ固有振動数と一致すると、
振幅が急激に増える現象。
波の強め合いのようなイメージで振幅が足しあわされて増幅する。
なぜ怖いのか
小さな入力でも、
巨大な振動になるから。
例えば
- カバーが暴れる
- 軸が折れる
- 部品が破断する
など。
理論的には共振が発生すれば破壊は免れないが、実際的にはある一定の値で収束する。
それを共振倍率といって、入力された振動の何倍の加速度になっているかを示す値である。
例えば、加速度1Gの振動が入力されたときに、共振が発生、
共振倍率20であった場合、そのモノには20Gの加速度がかかることになる。
そして、この共振倍率を予測し、設計に織り込むことが難しいのである。
だから怖い。
軽量化すると共振しやすくなることがある
ここが重要。
軽量化で剛性が低下すると、
固有振動数が変化する。
すると、
使用中の振動数と一致する場合がある。
大抵の場合、軽量化すると固有振動数は低下する。
100Hzだった固有振動数が50Hzになったりする。
そうすると50Hzで発生しなかった共振が発生するようになり、
結果として、疲労と併せて破損につながる可能性もあるのだ。
「試作では問題なかった」の罠
これも多い。
試作では問題なし。
しかし量産後、
突然振動問題が出る。
なぜか
実際の使用環境では、
- 個体差
- 取り付け差
- 温度変化
などがあるから。
つまり、
現実では条件が変わる。
なぜベテラン設計者は“不要な肉抜き”を嫌うのか
新人ほど、
軽量化＝進歩
と思いやすい。
しかしベテランほど、
剛性低下を怖がる。
なぜか
振動問題は、
後から直しにくいから。
強度問題は補強できることもある
しかし振動問題は複雑。
- 周波数
- モード
- 剛性分布
などが絡む。
つまり厄介
しかも、
原因特定が難しい。
「軽い」は正義ではない
重要なのは、
バランス。
本当に必要なのは
- 必要十分な軽量化
- 必要十分な剛性
なのである。
CAE解析だけでは危険
最近は解析環境が進化している。
しかし、
解析条件が現実と違えば、
結果もズレる。
特に振動は難しい
- 接触
- 締結
- 摩擦
- 境界条件
で大きく変わる。
つまり、
解析だけ信じるのは危険。
さらに、解析時間も静荷重に比べて大きく増大するだろう。
強い設計者ほど“振動”を意識している
優秀な設計者ほど、
形状を見ると、
- ここは揺れそう
- この板は鳴きそう
- この構造は弱い
と考えている。
なぜか
振動問題を経験しているから。
まあ、大抵は、応力集中箇所に共振倍率と疲労が重なって壊れることになるだろう。
私の場合は、試作評価中に筐体が見事にバラバラになったことがある。
振動は“見えない”
ここが難しい。
強度不足なら壊れる。
しかし振動問題は、
最初は見えにくい。
例えば
- 微妙な異音
- わずかなブレ
- 小さな疲労
など。
しかし放置すると、
重大問題になる。
現場ではどうしているのか
実際の現場では、
- 補強リブ
- 制振材
- 板厚調整
- 質量追加
などで対策する。
面白いのは
「軽量化問題を逆に重くして解決する」
こともある。
つまり、
軽さだけ追うと危険。
というよりも、むしろ、多くの場合、振動対策すると重くなるだろう。
AI時代でも振動理解は重要
AI設計は進化する。
しかし、
実機特有の振動問題は、
まだ人の経験が重要。
だからこそ、
原理原則理解が強みになる。
まとめ
軽量化は重要。
しかし、
“軽量化＝正義”
ではない。
軽量化すると、
剛性低下によって、
- 振動
- 共振
- 精度低下
- 疲労破壊
などが起きることがある。
つまり設計とは、
単に軽くする仕事ではない。
“現実の中で成立するバランス”
を作る仕事なのである。
本当に強い設計者ほど、
軽さだけでなく、
剛性と振動を同時に見ている。
そこに、
機械設計の奥深さがある。