はじめに：プロトタイプができたら、まず「測る」

前回の記事では、FEM解析の本質的な限界として「入力していない荷重の応力はゼロとしか出ない」という点を解説しました。

では、入力荷重に見落としがないかを検証するにはどうすればよいのでしょうか。

答えはシンプルです。実際にその部位に発生している応力を、直接測定するのです。

プロトタイプのエンジンができた後であれば、ひずみゲージを使って応力を直接測定する、いわば「昔ながらの方法」が非常に有効です。むしろ、下手にFEM解析だけに頼るよりも、原因に近づけることが多いというのが筆者の実感です。

この記事では、ひずみゲージ実測の強みと、台上評価と実機運転の乖離という「もうひとつの落とし穴」について解説します。

ひずみゲージ実測の「圧倒的な強み」

FEM解析にはできないことが、実測にはできる

ひずみゲージによる実測の最大の強みは、設計者が想定していた荷重も、想定外の荷重も、結果として発生している応力をすべて包括的に捉えられることです。

FEM解析は「設計者が入力した荷重に対する応答」しか計算できません。これは前回の記事で詳しく解説しました。

一方、ひずみゲージは違います。ゲージは物理的にその部位に貼り付けられており、なぜそこに応力が発生しているかに関係なく、その瞬間に存在するひずみ（＝応力）をそのまま検出します。

つまり、設計者が入力荷重として想定していなかった慣性力や共振や逆入力による応力も、すべて測定結果に含まれます。この「漏れのなさ」こそが、実測の最大の価値です。

解析で「応力が低い」と出ていた場所でも

FEM解析で「この部位は応力が低い」という結果が出ていたとしましょう。しかし、その結果は入力荷重が正しいことを前提としています。

もしひずみゲージを貼って測定した結果、解析よりもはるかに大きな応力が検出されたなら、それは解析に含まれていない荷重が存在することの直接的な証拠です。

逆に、解析結果と実測結果がよく一致していれば、入力荷重が概ね正しくモデル化できていることの確認にもなります。

つまり、実測はFEM解析の入力条件の妥当性を検証する手段としても機能するのです。

振動次数分析：応力波形が示す「荷重の指紋」

ひずみゲージ実測のもうひとつの大きな強みが、測定した応力波形の周波数分析（FFT）を行うことで、荷重の正体を推定できるという点です。

振動次数から荷重の発生源を逆算する

エンジンの運転中に発生する応力は、さまざまな荷重源が重なり合った結果です。しかし、それぞれの荷重源は特定の周波数（振動次数）に対応しています。

応力波形をFFT（高速フーリエ変換）にかけることで、どの振動次数の成分がどれだけ含まれているかを分析できます。

回転1次成分： アンバランスや偏心荷重に起因するもの。

回転2次成分： 4気筒エンジンであれば2次慣性力に対応。バランサ軸による打ち消しの対象になる成分です。

爆発次数成分： 燃焼圧による荷重。4ストロークエンジンなら回転0.5次の整数倍に対応します。

特定回転数でのピーク： 共振による動的応力増幅。構造の固有振動数と励振周波数が一致する回転数で応力が急激に大きくなります。

このように、振動次数を分析することで、「この応力は慣性力由来だ」「これは爆発荷重に同期している」「これは特定回転数での共振だ」といった原因の切り分けが可能になります。

応力波形は「荷重の指紋」

応力波形を指紋にたとえると、理解しやすいかもしれません。

犯罪捜査では、現場に残された指紋を照合して犯人を特定します。同じように、ひずみゲージで捉えた応力波形の「振動次数パターン」を分析することで、その応力を発生させている荷重源を特定できるのです。

FEM解析では、この「指紋照合」はできません。解析結果に含まれるのは、自分が入力した荷重による応答だけだからです。入力していない荷重の「指紋」は、解析結果のどこにも残っていません。

実測による次数分析は、設計者が想定していなかった荷重源を発見するための、最も直接的で強力な手段のひとつです。

台上評価と実機運転の乖離：もうひとつの落とし穴

ひずみゲージ実測の重要性を理解した上で、さらに注意しなければならないポイントがあります。それは、どこで測定するか——つまり、台上（エンジンベンチ）と実機搭載状態の違いです。

台上で問題なしでも、実機で壊れることがある

エンジンの耐久試験は、まず台上（エンジンベンチ）で行われることが多いです。台上ではダイナモメータにエンジンを結合し、さまざまな運転条件で長時間の耐久試験を実施します。

ここで「応力集中するとしたら、ここかな」と目星をつけた場所にひずみゲージを貼り、応力を測定します。その結果、問題のない応力レベルであることを確認する。ここまでは教科書通りのプロセスです。

しかし、台上評価で問題がなかったにもかかわらず、実際の機器に搭載して運転した際に、予想していなかった場所で破損が発生するケースがあります。

なぜ台上と実機で結果が異なるのか

台上試験と実機運転で作用する荷重モードが異なるためです。

台上試験では、エンジンはダイナモメータに結合され、比較的理想的な条件で運転されます。しかし実機では、以下のような追加の要因が加わります。

搭載先の剛性・拘束条件の影響： 車体やフレームとエンジンの結合状態が、エンジン自体の変形モードに影響を与えます。台上の治具による支持条件と、実機のマウント条件では、同じ荷重でも変形の仕方が変わり得ます。

搭載先からの逆入力： 走行中の路面入力や、作業機（建設機械など）の衝撃荷重が、エンジン側に振動として伝わります。これは台上では再現されない荷重です。

過渡的な運転パターン： 急加速・急減速、高回転からの急停止、間欠的な高負荷運転など、台上の定常運転パターンでは再現しにくい荷重条件があります。

振動モードの干渉： エンジン単体と搭載状態では固有振動数が変化します。台上では問題にならなかった回転数域で、実機環境では共振が発生する可能性があります。

ここでも「原理原則」が成り立つ

台上で応力が出ていなかった部位に実機で破損が起きた——このとき、原理原則に立ち返って考えましょう。

「疲労破壊は、応力が発生している箇所に応力集中源が存在し、繰り返し荷重が作用することで発生する」

破損が起きたということは、その部位には変動応力が存在していたはずです。そして、台上評価では応力が出ていなかったということは、実機でしか発生しない荷重モードが存在していたということになります。

この推論は、原理原則に忠実に従っただけのシンプルなものですが、原因究明の方向性を正しく導いてくれます。

「枯れた構成」と「多用途エンジン」で異なるリスク

台上と実機の乖離がどの程度問題になるかは、エンジンの種類や用途によって大きく異なります。

枯れた構成（自動車用エンジンなど）

自動車用エンジンのように、長年の開発実績がある構成では、発生する応力パターンが経験的によく理解されています。過去の膨大なデータから、台上試験でもかなり正確に実機環境を再現するためのノウハウが蓄積されています。

このような場合、台上評価の信頼性は相対的に高く、台上で問題なければ実機でもほぼ問題ないという判断が、ある程度成り立ちます。

多用途エンジン（産業用、建設機械用、発電機用など）

一方、多用途エンジンでは事情が大きく異なります。エンジンの構成（気筒数、バランサの有無、補機配置など）や使用条件（搭載先の種類、運転パターン）が多様であり、ひとつひとつの搭載環境に固有の荷重条件が存在します。

過去の知見がそのまま適用できないケースが多く、台上試験だけでは再現できない荷重モードが存在するリスクが高いのです。

こうした場合は、台上評価に加えて実機搭載状態でのひずみ測定を行うことが、潜在的なリスクを発見するために非常に効果的です。

実務における疲労設計のベストプラクティス

ここまでの議論を踏まえ、エンジン部品の疲労設計における実務的なベストプラクティスを整理します。

1. FEM解析の入力荷重を徹底的に棚卸しする

解析を行う前に、その部品に作用するすべての荷重を洗い出すことが最も重要です。見えやすい荷重だけでなく、ボルト締結軸力、慣性力、熱応力、外部入力なども含めて検討しましょう。

2. 平均応力の影響を忘れない

疲労評価では応力振幅に注目しがちですが、特にボルト締結部周辺では平均応力の影響が大きくなります。修正グッドマン線図などを用いて、平均応力を考慮した評価を行いましょう。

3. 解析結果を鵜呑みにしない

解析で「応力が低い」と出ても、それが「本当に応力が低い」のか「入力荷重が不足している」のかは、解析だけでは区別できません。常に「入力は正しいか？」と自問する習慣を持つことが大切です。

4. プロトタイプでは必ず実測する

プロトタイプエンジンができたら、ひずみゲージによる実測を行いましょう。特に以下のケースでは実測の重要性が高まります。

• 新規の構造を採用した場合
• 多用途エンジンで搭載先が多様な場合
• 過去に類似構成での実績データがない場合

5. 台上評価と実機評価の両方を行う

台上評価だけで終わらせず、可能な限り実機搭載状態での評価も行いましょう。台上で問題なくても実機で壊れることがあり、その差分にこそ、設計の盲点が潜んでいます。

6. 解析と実測を「両輪」として使い分ける

解析は仮説を立てるための道具です。実測は仮説を検証し、未知の現象を発見するための道具です。どちらか一方に頼るのではなく、両方を組み合わせることで、疲労設計の精度と信頼性が格段に向上します。

まとめ：原理原則に立ち返れば、答えは見えてくる

この記事シリーズ全体を通じて一貫しているのは、次の原理原則です。

「疲労破壊は、応力が発生している箇所に応力集中源が存在し、かつ繰り返し荷重が作用することで初めて発生する」

この原則から導かれる実務上の教訓は、以下のとおりです。

• 破損した以上、そこには変動応力が存在していた
• 解析で応力が出ていなくても、入力荷重が不足している可能性がある
• 実測は、想定外の荷重を発見するための最も直接的な手段である
• 台上と実機の差分にこそ、見落としている荷重が潜んでいる

高度な解析技術が利用可能な現代だからこそ、「解析結果が正しい」という思い込みに陥らず、エンジニアとしての物理的な直感と、実測による検証を大切にしたいと考えています。

疲労設計に限らず、機械設計において大切なのは、原理原則に立ち返って考えることです。シンプルな原則を愚直に守ることが、複雑な問題を解決するための最も確実な道だと、筆者は信じています。

一松（いちまつ）

大学院（機械工学専攻）修了後、大手輸送機器メーカで設計一筋20年

大学院（機械工学専攻）修了後、大手輸送機器メーカーに入社。20年以上、二輪車・多目的車両向けエンジン設計に携わっています。現場の知見から「考えるための情報」を発信しています。