「共振を避ける設計思考」で再評価を削減— 家電製品の振動対策支援
電装製品における振動対策は、単純な強度設計とは異なり、周波数・応答・拘束条件といった動的現象を理解したうえで設計を成立させる必要があります。
しかし実際の開発現場では、とりあえず補強する、板厚を上げる、固定点を増やすといった強度的な対策が中心となり、評価段階で問題が再発するケースも少なくありません。
本記事では、振動問題を構造の応答現象として整理し直し、共振を避ける設計へ転換することで、振動要求の達成と再評価削減を実現した支援事例を紹介します。
目次
1. 支援先企業の概要
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 業種 | 電装製品メーカー |
| 規模 | 中堅規模（量産製品を複数展開） |
| 地域 | 関東 |
| 販売形態 | BtoB |
| 主な顧客 | 自動車関連・産業機器メーカー |
対象製品は、振動負荷の大きい環境で使用される電装製品です。従来よりも厳しい振動要求が追加され、高周波帯域（〜2kHz）、高応答加速度、小型軽量化を同時に成立させる対応が求められていました。
これらを同時に満たす必要があり、従来の設計手法では対応が難しい状態になっていました。
2. 支援前の状況と課題
支援前は、
振動を「構造の応答現象」として整理できていない
根本にあったのは、振動を「構造の応答現象」としてとらえず、強度問題として扱っていたことです。実際の対策は、板厚を増やす、リブを追加する、固定箇所を増やすといった強度的な手法が中心でした。
ただし、これらの手法では、振動部位がどの周波数帯で応答しているのかが整理されません。応答の特性が分からないまま強度的な対策を積み重ねても、根本対策につながらないケースが多く見られました。
この背景には、振動仕様（周波数・加速度）への理解不足がありました。
解析結果と実機挙動が一致しない
解析上は問題がないにもかかわらず、実機評価では不具合が再発するケースも発生していました。原因を整理すると、解析条件と実機の状態が次の点で一致していませんでした。
- 実機での拘束状態
- 部品の作りこみ
- 接触条件
これらの不整合により、実機の応答特性が解析と食い違っていました。このため、「解析結果を見て安心しても、実機で問題が出て手戻る」という状態が繰り返されていたのです。
3. 実施した振動対策設計支援
支援前は、評価で振動の不具合が出るたびに、その現象へ個別に対処する進め方が中心でした。つまり、表に出た結果だけを見て対策する状態です。
今回の支援では、結果への対処にとどまらず、なぜその応答が生じたのかという原因まで遡って整理することを軸に、振動設計を見直しました。
① 振動仕様の分解と整理
機械系エンジニアは、与えられた振動仕様（周波数帯域、応答レベルとしての加速度）と、各部品の共振の発生域を照合しました。これにより、厳しい周波数帯、大きく応答している部位、共振する可能性のある構造を整理しました。
その結果、対策が必要な部品が明確になり、設計の方向性が定められたのです。
② 共振を前提にした構造設計
次に、応答が生じた理由をもとに設計を再構築しました。振動対策では、単純に剛性を上げると、別の周波数帯で新たな共振が発生する場合があります。
そこで、固有振動数のシフト、共振ピークの分離、部品重量バランスの見直しを実施しました。単純な補強ではなく、揺れを制御して共振しにくい構造を狙う設計への移行です。
③ 制振レイアウト設計
振動の応答は、構造形状、材料特性、締結・接着条件、配置バランスで決まります。そこで機械系エンジニアは、部品軽量化、接着剤変更、固定方法の最適化、部品配置変更を総合的に実施しました。
また、振動問題は部品単体ではなく、周辺部品や筐体全体との相互作用で発生するケースも多く見られます。近傍部品との剛性差や締結部との距離関係によっても応答特性が変化するため、周辺構造を含めたレイアウトを検討しました。
検討では、対象部品だけを見るのではなく、どこから入力が伝わっているか、どの部位で振動エネルギーが増幅しているか、振動の逃げ道がどこにあるかを整理しています。荷重の伝わり方を整理しながら、構造全体で共振を避ける検討を進めました。
その結果、局所的な補強に頼らず、製品全体として振動を成立させる設計へつなげています。
④ 解析と実機評価による検証
解析と実機で結果がずれた際は、解析モデルと実機での実装の差を見直し、誤差を縮める検討を行いました。そのうえで、解析結果はそのまま答えとして扱うのではなく、振動問題の傾向を仮説検証するために用いました。
実機での評価結果も、合格・不合格で終わらせませんでした。どの条件で応答が変化したのか、どの対策が振動低減に効いているのか、なぜ応答ピークが移動したのかを整理しながら進めました。
その結果、対策の有効性を構造の面から説明できるようになり、次機種への設計展開や類似製品への横展開をしやすい状態を整えています。
以上のように今回の支援では、振動仕様の整理から構造設計、レイアウト検討、解析と実機評価のすり合わせまでを機械系エンジニアが一貫して担当しました。
4. 振動対策設計を進めるうえで工夫したこと
振動対策において機械系エンジニアが意識したのは、議論の土台と設計思想の二点です。
振動を「数値と言葉」で整理する
支援前は、「振動が厳しい」という感覚的な議論にとどまっていました。そこで機械系エンジニアは、周波数帯域、応答レベル、共振、拘束条件という言葉で議論できる状態を作りました。これにより、対策方針を構造として共有できるようになっています。
共振を避ける設計思想
剛性を上げるだけでは、別の周波数帯で新たな共振を招く場合があります。そこで、剛性を確保しつつ応答ピークを避けるという考え方を設計の軸に据えました。共振の発生原因を考えながら、対策を検討できる進め方を定着させています。
5. 成果と変化
支援の前後で、振動要求への対応力と、現場の検討の進め方が変わりました。
数値面の成果
対応力の面では、次のような成果が得られています。
- 従来比約10倍レベルの振動要求に対応
- 再評価の回数を低減
- 振動に起因する試作時の不具合を低減
いずれも、振動を構造として捉え直したことで成しえた成果です。
現場の変化
支援前は、「とりあえず補強して評価する」進め方が中心でした。支援後は、応答する周波数帯・部位とその要因を特定したうえで、対策方針を決められるようになっています。具体的には、次のような変化がありました。
- 応答加速度・周波数帯域・拘束条件で、振動問題を構造的に整理
- 剛性向上に加え、固有振動数シフトや応答低減を狙う設計へ
- 解析だけでなく、実機の拘束状態やばらつきを踏まえた議論が定着
特に、共振がなぜ発生するのかを説明しながら対策を検討できるようになった点が、大きな変化です。
6. このような企業におすすめ
以下のような課題を抱える企業には、本支援の活用が有効です。
- 振動対策が後付け・場当たり的になっている
- 評価段階で振動問題が発覚し、再設計が頻発している
- 解析結果と実機挙動が一致しない
- 強度設計を中心に振動を扱っている
- 振動対策が属人化している
特に量産製品では、初期段階で振動メカニズムを整理できるかどうかが、開発効率を大きく左右します。本支援は、振動を応答現象として早期に整理し、後戻りの少ない設計へ転換するための有効な手段です。
問題が顕在化してから対策する場合に比べ、再設計や評価のやり直しを抑え、開発期間とコストを大きく削減できます。共振メカニズムを説明できる形で設計に落とし込む進め方は、属人化しがちな振動対策を組織の資産として残せる点も特長です。
振動対策の進め方を見直したい場合は、ぜひ一度ご相談ください。
