いつマウンテンバイクメーカー新モデルを発売する場合、多くの場合、新モデルの剛性、重量、快適性、空力性能の向上が強調されます。これらのパラメータの中で最も重要なのは剛性であり、バイクの力伝達を可能な限り効率的にするための重要な要素です。ただし、剛性の一般的な概念には多くの詳細が隠されています。
マウンテンバイクメーカーが製品を売るために挙げるセールスポイントの中で、必ず登場するのが「剛性の向上」です。これは実際には多くの人が話題にするパラメータですが、実際に何を意味するのかを理解している人はほとんどいません。しかし、自転車の重量と同様に、多くの人は剛性の増加の役割を過大評価しています。剛性は必ずしも強いわけではありません。
剛性とは
このパラメータの意味を分析し始める前に、まず剛性とは何かを明確にする必要があります。工学で一般的に使用される定義によれば、剛性とは、外力の適用によって引き起こされる変形に抵抗する構造要素 (自転車の場合はフレーム) の能力です。
そのため、剛性について話すとき、ほとんどの人はペダルに加える力と、ペダルストロークごとにフレームが横方向にどれだけ変形するかをすぐに思い浮かべます。
しかし、これはフレームに影響を与える力の 1 つにすぎず、コーナリング時の遠心力の影響、路面の凹凸に対する反応、その他の路面の凹凸などの他の力は考慮されていないことがよくあります。
自転車を開発するエンジニアは、自転車全体を可能な限り軽量にしながら、自転車の非常に強力な出力だけでなく、適切な衝撃吸収能力を実現するために、これらの側面をすべて考慮する必要があります。
したがって、フレームの剛性について話すときは、フレームのさまざまな領域で評価する必要があるため、このパラメータが他のパラメータよりも興味深いことがわかるでしょう。
簡単に言えば、可能な限り高い剛性を達成することは問題ではありません。特に原材料の引張強度が高い場合は、単に材料を積み重ねるだけで、より剛性の高い構造が得られます。材質に加えて、チューブの断面も重要です。-断面が大きいほど剛性が高くなります。-しかし副作用として体重は必然的に増加します。
もちろんカーボン繊維の配置も非常に重要です。現在主流となっている一方向繊維の配列方法は、繊維の配列方向の剛性が高いが、繊維に垂直な方向の剛性が非常に低いという特徴があります。これにより、エンジニアは、各繊維布の配置に応じて、フレームのさまざまな領域で対応する用途を実現することが可能になります。
完璧なフィット感を得るには、非常に複雑な計算作業が必要になります。幸いなことに、これは 21 世紀のエンジニアによって主に有限要素解析ソフトウェア (FEA) を使用する高性能コンピュータで行われています。これにより、エンジニアは数百の仮想フレームを生成し、加えられたさまざまな力に対する応答をシミュレートできます。-
フレーム設計の目標は、バランスを実現し、必要な部分にのみ剛性を追加することです。この目的を達成するために、自転車フレームのいくつかの種類の剛性を定義します。
ペダリングが硬い - 横方向の剛性
まず、私たちが通常最も考慮するのは横方向の剛性です。これは、ペダリングによって加えられる力をシミュレートするためにボトム ブラケットに荷重を加えることによって研究室で測定されます。この剛性は主に、脚がクランクを踏むたびにボトムブラケット領域が変形する程度を測定します。興味深いことに、横方向の剛性は可能な限り高くする必要があります。横方向の変位を最小限に抑えることで、生成されるベクトル力が後輪に伝達される最大の力になるからです。
さらに、後部三角形は、チェーンが後部に力を伝達するときに変形しないように十分な剛性を持たなければなりません。
これは、私たちバイク評論家がバイクがどれだけ簡単に素早く加速できるかを評価しようとするパラメータであり、このパフォーマンスは、アタックを開始したり、大規模なグループでのスプリントに直面したりするときにバイクがフルパワーを維持できることを要求するクライマーやスプリンターにとって特に重要です。ただし、巡航速度では、出力がより安定しており、一般的な愛好家の出力とそれほど変わらないため、市販されているほとんどのフレームは非常に効率的であると言えます。
横方向のボトムブラケットの高い剛性という目標を達成するために、自転車メーカーは幅広のボトムブラケットと 30 mm クランクセットの選択に注力してきました。チェーンステーも、特に側面が非常に厚いことが多いですが、後輪との互換性を避けるために厚すぎることはありません。ボトムブラケットとチェーンステーは、駆動側と非駆動側で発生するさまざまな力に対する応答のバランスをとるために、非対称であることがよくあります。-この効果を最大化するために、さまざまなカーボンファイバーの配置も使用されています。
精密制御 – ねじり剛性
より重要だがあまり言及されていないパラメータは、ねじり剛性です。これは、さまざまな力の下でフレームがどれだけねじれるかを定義します。このねじれは前輪と後輪のアライメントに影響を与えるため、特にコーナリング時のバイクのハンドリングに大きな影響を与えます。
高速でコーナリングするとき、バイクはカーブの内側に向心力を加え、遠心力が発生してカーブから外に出ようとします。フォークとリアトライアングルの構造の違いにより、前輪と後輪にかかる力が等しくなくなり、車輪の動線にズレが生じます。
ライダーにとって、これは不正確なハンドリングと言えます。基本的に、ライダーがコーナーで絵筆のように線を引いても、バイクは望むようなタイトなレスポンスを与えてくれません。逆に、バイクがこのパラメータで良好なパフォーマンスを発揮すると、カーブを描きやすいだけでなく、簡単な動作でバイクを曲がりの中心に向けることができ、曲がりの中心を通過した後、非常に均一な進行で曲がりの縦方向の角度が徐々に修正され、コーナリングラインでのバイクのフロントの方向の突然の変化に対する反応も速くなります。全体的にコーナリング制御全体が軽くダイレクトになり、剛性の低いモデルのもたつき感がなくなりました。
フレームが簡単にねじれないようにするために、メーカーは通常、フォーク本体を強化し、より大きなステアリングチューブを使用します。実際、ヘッドセットのベアリングは、従来の 1 インチ ベアリングから、下部ボウルでよく見られる 1.5 インチ ベアリングまで、年々増加しています。これは、自転車のダウンチューブがフレーム構造の主要な支持部分であるため、通常、断面が最も広い理由でもあります。-
しかし、考慮すべき別の側面があります。妥協することなくフレームに最高のパフォーマンスを提供するには、横方向とねじりの剛性のバランスが取れていなければならないということです。一方で、フロントアクスルとリアアクスルの横方向の剛性が高すぎると、路面に衝撃を受けるたびにバイクが反発するため、道路状況が完璧ではない場合にバイクに乗りにくくなる可能性があります。したがって、これらだけではなく、考慮すべき側面がさらにあります。
スムーズな乗り心地 – 縦方向の剛性
前述のポイントの目標が可能な限り最強の剛性を達成することである場合、垂直面ではその逆になります。バウンド効果を回避するための一定の剛性と同時に、路面の凹凸を解決するのに十分な変形能力が必要です。
これはライダーの体重の影響を受けるため、調整が非常に難しいパラメーターであり、自転車の設計はさまざまなタイプのライダーを考慮に入れています。もちろん、ライダーのビッグデータ分析を通じて特定のサイズのライダーの平均サイズを推測できるようになり、エンジニアはこのパラメータをより正確に調整できるようになりました。
一般に、横剛性と同様に、フレームチューブの断面とカーボンクロスの配置も縦剛性に大きく影響します。{0}縦方向の剛性も調整することで、横方向の剛性に影響を与えることなく、振動吸収性と力伝達効率の完璧なバランスを実現します。
通常、垂直方向の剛性は空力に影響します。これは、空力チューブによってチューブの垂直断面が増加し、それによって垂直方向の剛性が増加し、水平方向の断面が減少するためです。-これは横方向の剛性に影響を及ぼしますが、これはフレームが求めるものとはまったく逆です。
この問題の解決策は通常、先端を切り取った仮想尾管と、管の水平断面積を増やすことに依存しますが、これは重量だけでなく空力性能にも影響します。-
バイクが硬すぎる、または柔らかすぎる場合はどうなりますか?
冒頭で述べたように、剛性の絶対値が重要である場合、最新の素材を使用して自転車を非常に硬いものにするのは非常に簡単です。しかし、そのようなバイクで 1 時間以上乗り続けることができる人はほとんどいません。路面の変化ですぐに腕や背中が粉々になるだけでなく、どんな些細な操作に対する反応も速すぎて、常に緊張しなければならないからです。
実際、歴史のある時期にこのようなバイクがありました。初めて乗ったとき、特に加速するときの感触は非常に素晴らしかったのですが、すぐにそのようなバイクは現実世界では実用的ではないことが明らかになりました。キロメートルが経過するにつれて、それは私たちに助けになるというよりも苦痛を与え、あるいは下り坂のカーブごとに、コーナリングに自信がありすぎること以外にポジティブなフィードバックを何も与えませんでした。 21 世紀初頭に人気を博したオールアルミニウムのレーシング モデルは、今でも誰もが覚えていると思います。-それはまさに「二輪とポール、他には何もすることはない」状態でした。
私たちはそれらの対極にあるものを「コットンバイク」と考えていました。おそらく巡航速度を維持するために継続的に高強度の出力を必要とする種類のバイクであり、加速時の反応は言うまでもなく、パワーの半分以上が失われていると感じるでしょう。-
このようなバイクは、コーナリングやトレース時に人々の悪夢のような記憶を呼び起こすこともあります。中級クラスのスチール フレーム ロードバイクを所有しているライダーなら、私の言っている意味が理解できると思います。-こういうバイクを「形が上品で質感が高級」と言えますが、分かる人には分かると思います。
上記の紹介の後、ほとんどの場合、より高い剛性の方が確実に人気があることがわかりましたが、フレームのあらゆる領域で厳密にテストされ、最終的にさまざまな指標の完璧なバランスを達成する必要があります。つまり、フレーム全体の剛性は長年にわたって大幅に向上しています。最新世代のモデルでは数回踏むだけで済む場合もありますが、10 年前の同じモデルではさらに何度も踏む必要がある場合があります。このように比較すると、フレーム設計の知識の発展、設計ツールの充実、素材の品質の向上が自転車の性能に与える大きな影響を直感的に感じることができます。
