自転車の発達とテクノロジー

およそ四半世紀以前に、石油ショックという大きな社会問題が発生しました。トイレットペーパーがないと大騒ぎをされた記憶があるものと思いますが如何でしょうか、その時代に執筆されたSCIENTIFIC AMERICAN (日本版は1973年5月号)の記事、S.S.ウイルソンさんがお書きになった「自転車の発達とテクノロジー」を読んだことがあります、その内容には 「自転車で移動する人間は、どの動物、どの機械よりも、物理的効率がよいらしい。」 と言う内容です、図を見ると明らかなように驚異的にエネルギー効率が高いと認められます、記事は古いが現在でも通用しますのでポイント部分を要約して紹介します。

「自転車は、構造的・機械的に非常に効率のよいものであり、人間を運ぶために大量生産された最初の機械である。その発達の途上で使われるボール・ベアリング、空気タイヤ、管構造などの技術は自動車や航空機に受け継がれ近代技術への貢献は計り知れない」。

自転車の目的は、個人が容易に移動することができる、自転車は自然の進化よりずっとすぐれた方法でこの目的を達成した。
一定の距離を移動する時に消費するエネルギーを、いろんな動物や機械についての重量の関数として比較してみると、普通に歩く人間は、かなりよい値（0.75cal/g/km）であるが、人間は馬や鮭、またはジェット機ほど効率がよくない。

だが自転車の助けがあれば、一定の距離に対する人間の消費量は約5分の1に減少する（約0.15cal/g/km）。人間が速度を3倍から4倍増すことのほかに、自転車に乗る人は、動く動物や機械のなかで高い効率を誇ることになる。

この性能を発揮するために、自転車は人間工学的に最適化設計に発展してきた。それは筋（最も強力な大腿の筋）を、理にかなった関節運動（足の滑らかな回転運動）で、一定速度（ケイデンス＝60〜80回転）で運行させる。

この実現は動力を効率よく伝達しなければならない。（ボール・ベアリングとブッシュ・ローラーのチェーンなど）。そして回転抵抗を最小 にすること（空気タイヤの利用）。またペダルをこいで坂を登る難儀を減少するために、極力軽量でなければならない。

自転車は歩行に比較してエネルギー効率が高い理由は、主として筋の運動方式にある。自転車は、ある距離を動くことによって機械的な仕事を行なう。一方、筋は緊張しているが動いていないとき（いわゆる”静止状態”のとき）でも、エネルギーを消費している。静かに立っている 人間は、骨を圧縮し、筋を張るという複雑なシステムで直立姿勢を維持している。

ただ立っていてもエネルギーを消費する。また、シャドウ・ボクシングをするように、外部に何の力もおよぼさずに運動する場合でも、 筋のエネルギーは消費されるし、外部に力に対して何ら機械的仕事は行われなくても、手と腕は交互に加速と減速を繰り返すからである。

歩くとき下肢の筋は身体の他の部分を直立姿勢に支持するとともに、身体全体を持ち上げたり下げたり、加速したり減速したりしなければならない。すべてこれらの運動は、有用な外部仕事を何もせずにエネルギーを消費する。

坂を登るときには、重力に対する仕事が付加される。このようにエネルギーを消費する以外にも、足底が地面と接触するたびにエネルギーが失われる。これは、道路、靴、靴下が消耗することによって明らかである。腕や足を振ることも、摩擦による消耗やエネルギー損失を起す。

これを自転車に乗ることを比較すると、第一に自転車に乗る場合は座っているのでエネルギーが節約される。脚（下肢）の筋を支持機能が解放され、これに伴うエネルギー消費を節約することになる、身体の中での往復運動部分は、膝と大腿が中心となる。

脚の関節運動はは一定の速度でなめらかに回転し、身体の他の部位は静止しているので最も強い筋のみが使われる、脚による加速と減速が効率よく達成される。

上昇する脚 はもち上げる必要はなく、もう一方の脚は下向きの推力によって上げられる。一般的なサイクリング姿勢において、背中の筋は胴を支持するために使用されるが、 腕もこれを補助することができ、手と腕にはわずかな緊張しか残らない。

自転車競技の選手などは、風の抵抗を減少させるために、快適とはいえない前傾姿勢をすることで風の抵抗にたいするエネルギー損失抑制している。風による抵抗は、自転車乗りに対して、風の速度の二乗に比例して大きくなる。

この様子は、毎時20kmで、毎時10kmの風にさからってサイクリングするとすれば、毎時10kmの追い風にのって同じ速度を維持する場合よりも、風の抵抗は9倍も大きくなる。

実際には、多くの自転車乗りが知っているように、最適なペダル速度を維持するために、ギア比を変化させて風の状態に合うように自転車の速度を調整する（ケイデンスを重視する）。

風の抵抗以外で、重要なエネルギー損失は、ころがり抵抗がある。車輪に適当な空気を入れたタイヤであれば、ころがり抵抗は滑らかな表面では小さく、速度の影響はほとんどない。

デザイン設計の全ての部分が乗り手の体格と関連しているので、自転車全体がつねに乗り手のサイズに合っていなければならない。軽量な構造の実現は、主としてワイヤ・スポーク の車輪と管構造の開発によるものであり、これか゜自転車のペダルをこいで坂を登らねばならないという事実といえる。

自転車という乗り物は材料やエネルギー源の要求が少なく、環境汚染への影響が少ないこと、健康によい影響を与え、死傷事故もすくないので、博愛的な機械と見ることができる。
この石油ショック事件をきっかけに世界は化石燃料を燃やすことによって大気中のＣＯ2 が増加して地球の温暖化と言う環境悪化が起こるという問 題に気がつき、その対策として省エネが本格的に取り上げられるようになり自動車などは、ダウンサイジングによって小型・軽量化・低燃費の出現となり日本の 企業にとって追い風となった、今ではビッグスリーを超える時代になった。更にエコロジーの提唱で自動車から自転車へと転換が期待されている。



自転車の走行に関する基本も付け加えておこう。

走行抵抗に対する考え方
この内容はｘ24さ んから教えてもらったものです、内容は自動車の考え方だそうです。自転車のものではないか基本は共通だから参考になるだろうとレクチャーを受けたときの ノートです。同じような内容をｋｉｎｓさんからも教えてもらったことがあります。表現は異なるが、ほぼ同じような考え方であることがわかりました。

走行抵抗と走行エネルギ
自転車で人が出す出力は、すべてがスピードに変わるのでなく、大半が走行抵抗によって失われてしまう。そのため、いかに抵抗を小さくして、この出力を有効にスピードに変えることができるのか、そこが非常に重要なテーマになる。

走行抵抗というのは、大きく分けてころがり抵抗、勾配抵抗、加速抵抗、それに空気抵抗の4つがあげられる。それぞれを簡単に説明すると、ころがり抵抗とはタイヤや駆動系のベアリングなどによって生じる抵抗で、車両重量に比例して増大し、簡単には

ころがり抵抗=μ×車両総重量

で算出される。

μはころがり抵抗係数で、低速では一定だが、スピードが高まるにともない急速に増加する傾向を持っている。このようなことから、自転車の重量はレギュレーションをふまえてできるだけ軽量化を図ることが望ましい。
勾配抵抗は、坂道を上るとき自転車を引き戻そうとする力で、重量と坂道の角度sinθに比例するので、

勾配抵抗=車両総重量×sinθ

で示される。

実際に坂を.上るために必要になる力は、これにころがり抵抗を加えたものとスピードが影響するので、

 P=9.8×重量(sinθ+μcosθ) ×V/3.6×100/η

といった数式になる。

ここで、P=必要な動力
          　W=車両重量
    　　　θ:傾斜角
   　　　μ:ころがり抵抗
         　 V:速度
   　　　 η=効率

 加速抵抗は、重量と加速度の積に比例する。数式としては、

   加速抵抗＝加速度×(重量+回転部重量)/重量加速度

重力加速度＝9.8m/s＾2

で表わされる。

空気抵抗は、自転車が走るとき空気の抵抗を受けるために生じる抵抗で、速度の2乗に比例して増加する。このため、速度が高まると急速に抵抗が高まる。

その度合いは、自転車の形状に大きく影響を受ける。数式としては、

空気抵抗＝Cd×前面投影面積×V＾2

            Cd＝空気抵抗係数
            V＝速度

それぞれの数値は、以上のような計算式によって大方の出力の計算ができる。
これに空気抵抗を加えて考えると、平坦路を走るときの走行抵抗は、

 R＝μr×重量×9.8×V＾2+1.203×Cd×A×V3/＾2

            R=走行抵抗
            A:前面投影面積

で表わされる。このとき必要な走行エネルギは、走行抵抗と電気的効率(ηe)、機械的伝達効率(ηm)を掛け合せたものになり、
 W＝R×1/ηe×1/ηm

といった計算式で表わされる。これがフラットな道路を走る場合に必要な出力である。

ころがり抵抗を抑えるための方法

ここで、ころがり抵抗についてもう少し説明しておきたい。タイヤが回転して進むことによって生じる抵抗としては、空気抵抗、タイヤと路面が摩擦することで 生じる摩擦抵抗、タイヤを構成する素材によるヒステリシスロスがある。それぞれに直進時、コーナリング時、制動時によって異なる数値が出るが、これらの 抵抗を100とみたとき、タイヤ自体の空気抵抗は3%前後である。そして、続いて摩擦抵抗が10%足らず、残りがヒステリシスロスであり、これがころがり抵抗の大半を占める。

では、これらの抵抗をできる限り抑えるためには、どうしたらいいだろうか。
まずタイヤ&ホイールについても空気抵抗が生じるので、スポークホイールに軽量なプラスチック製カバーを当てたディスクホイールを採用し、さらに前側にホイールカーバーを加えることでこれを低減する。これによって数パーセントの空気抵抗によるロスを防ぐことができる。

もっとも大きなヒステリシスロスについては、まずロスの少ないタイヤ選定が要求される。通常、スポーツ用自転車用のホイールはロード用かマウンテンバイク用のものが採用される。そのホイール径やタイヤ幅についても、ころがり抵抗が大きく影響する。

タイヤ幅については、路面にトルクを伝えるためには接地幅が広い方が有利になる反面、摩擦抵抗が増える。またタイヤのトレッドパターンも摩擦ロスに影響を 与えるので、オフロード用のブロックパターンのトレッドではなく、オンロード用のパターンを選ぶことで、よりヒステリシスロスを軽減することができる。

特 に、オンロード用の巾でもトレッドパターンが縦溝重視のライトツーリング用のものを選定することによって、摩擦抵抗は少なくなる。さらに、トレッドパター ンの真新しいタイヤは、使い込んでいくことによって摩擦が低減する。完全にトレッドパターンがなくなると15～50%程度摩擦が少なくなるということから考えると、タイヤのトレッドパターンの選定は非常に重要である。

空気圧についても、高い方がころがり抵抗は少ない。空気圧の増加率のほぼ半分程度の割合で、ころがり抵抗は下がるとされている。

このほか、ホイール径もころがり抵抗に影響する。直径が大きい方がころがり抵抗は少なく、小さくなるほど大きくなる。
直進しているホイールの、力とモーメントのつり合いについて考えてみよう。
タイヤの回転軸を中心に、路面に平行な力Faがころがり抵抗Frに勝って前進するとき、車軸にかかる重量Wは、接地中心点Oからオフセット量Zの位置にあるタイヤと路面間の接地圧分布の重心点O'において、路面からの反力Wを受ける。つまり車軸の高さをhとした場合、定常走行状態ではFa=Fｒとなり、接地中心点Oにかかるモーメントのつり合いは

 Fr×h＝W×ｌ

となる。

接地中心点Oにかかるモーメントがつりあうとしたとき、hの長さが短くなればころがり抵抗Frは大きくなる。逆にhの長さを大きく取ることによって、Oにかかるころがり抵抗は小さくなる。このようなことから、ホイール径を大きくすることによっても、ころがり抵抗を軽減できるのである。

以上より、現在の自転車のホイール径は、18インチ以上が主力であり、特に27インチ前後のホイールを採用するケースカ圧倒的に多く、中には26インチを採用するケースも出ている。

空気力学の考えかた

走行抵抗において、どのように空気が影響するかについて紹介したが、これに対する対処の方法が空気力学の考えかたである。

自転車が走るとき、空気抵抗は20km/hを超えるあたりから急速に強まる。40km/hを超えるスピードでは、空気抵抗に奪われる損失の方が走行に費やされるエネルギより大きくなり、出力の80%以上を空気抵抗に奪われてしまう。そのため、高速走行を長時間続けることはエネルギ消費が大きくなる。

高速時の負担をできるだけ少なくするには、走行中の空気の抵抗が少なくなるような自転車形状を研究していく必要があり、これが空気力学である。
自転車で人が出す出力のロスを少なくして、これをできる限り路面に伝えてスピードに替えていくのが、空気抵抗に備えた自転車形状になる。

前出より少し丁寧な数式にすると

空気力＝C×画面投影面積×Ｖ＾2×空気密度/＾2

       V=速度
       Cは自転車の形状によって決まり、自転車の大きさには関係しない空気係数である。

ところで空気抵抗は、形状によってどのような差が生じてくるのであろうか。自転車ではないが箱形のものがもっとも抵抗が大きく、続いて平板を進行方向に直角に.立てた場合、次が球形、もっとも抵抗の少ないのは飛行機の翼型である。自転車がよりハイスピードになると、空気によって車両が浮き上がらないような自転車形状やスポイラーが要求されるかもしれない、自転車の最高スピードは120km/h前後で、それも1分前後ときわめて短い時間のみ可能としている。しかし、最高スピードが120km/hとなると、当然それに備えた対策が求められる。

揚力や高性能化にともなう高性能タイヤの選定などのテーマについては、将来的には配慮すべきだが、今日では空気抵抗を下げる方向を中心に検討することで十 分と思われる。しかし、横風が強い天候の中でレースが行われることもしばしばあるので、これに備えた自転車の形状を考えておく必要はある。これらのことから次世代自転車の形状としてフェアリングを装備するのが標準的になるものとも感じている。すでにリカンベントのような形状とマンゴのようなものを見ることができる。

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自転車走行に必要な動力

走行に必要な動力は走行抵抗を上回る力が作用して走ることが出来ます。その内訳を計算するための因子は空気抵抗と転がり抵抗と登坂抵抗および伝動損失の和になります。
このうち空気抵抗、転がり抵抗と伝動損失は動力損失となるので小さくすることが望ましいといえます。必要とする動力は速度が速なると空気抵抗は速度の2乗の割合が大きくなります。

実際の動力は自転車用の動力計を取り付けると計測できますが大変高価なものなので計算で目やすをつけることにします。
動力源となる人体の効率は、そのエネルギー消費から産出されるエネルギー変換効率が１５～３０％であることから実際に使われる必要な動力はその３～６倍と なる。
登坂抵抗に対する改良の余地が少ないが輪荷重の前後バランス考慮することで負担を軽減することが出来ることを確かめてみました。
転がり抵抗と伝動損失は部品の選定とフレームの設計によって大きく変わるのでデザイナーの腕の見せどころとも言えそうだ。

空気抵抗の影響はロードバイクとママチャリのライディングのポスチュァーを見比べると明らか、また、風除けのフェアリングによって改善することも出来る。 この影響を極力少なくしようということから超前乗りというようなエアロポジションというポスチュャーが取り入れられています。このポジションでは重心位置 がほぼ車体の中央にくるようになり荷重のバランスがよくなるメリットがあります。

空気抵抗
走行している乗り物は風によって、自転車に限らず風を切り分けて進むことになります。自転車と直接関係はないが高速で走る鉄道のモデルをご覧下さい、世界最速鉄道の1つ。2007年には時速574.8キロの世界記録を樹立した、これは音速の約半分のスピードに相当します如何に空気抵抗の影響を避けるための戦いが伺えます。
自転車も時速30km/hを超えるようになると必要とするパワーの殆どが空気抵抗に打ち勝つために消費されます。そのためリカンベントのように空気抵抗の少なくなるようなものが有利になります。さらにカウリングをつけた葉巻スタイルの「マンゴ」では時速50ｋｍを軽々と出せるというものも目のあたりで見ることから実感できます。
 
空気が身体および自転車に衝突することによって生じる抵抗は空気１ｍ³ の質量が２０度Ｃで約１．２ｋｇであり、温度と湿度によって多少変化する、スピードが時速20ｋｍを超えるようになると非常に大きな力となります。大半が空気抵抗に打ち勝つための力が占めることになります。


空気抵抗に影響する要因

１． 自転車の速度
空気抵抗は速度の２乗に比例する。速度が２倍になると４倍にというような増え方になるのでスピードを出すということは風との戦いということになります。
２． 投影面積
空気抵抗は身体前面と自転車の投影面積に比例する。投影面積は空気抵抗が減るという走り方を前傾姿勢によって減少させる。また、リカンベントのように投影面積を小さくし更にフェアリングを取り付けて性能を高めるという方法もあります。タイヤも細いＲＯＡＤ用とＭＴＢを比べると面積が大きいものでは風の影響を大きく受けることになります。
３． 形状
形状係数で表す形状の違いは同じ面積でも流線型の形状は空気抵抗が少なくなる。フェアリングをつけたり、リムの形状にエアロホイルを使用したりします。
衣服についても競技用は体に密着し表面を滑らかにすることで面積と共に影響が小さくなる工夫をしています。
４． 空気密度
空気抵抗は空気密度に比例する。冬は気温が低く空気密度が大きいので空気抵抗も大きく逆に、夏は気温が高く空気密度が小さいので空気抵抗は小さくなる。  
５． 風向
４５゜前方から吹いている風の空気抵抗は、その風が正面から吹いている場合の空気抵抗の約７0％になる。 真横からの風は空気抵抗に対して中立ではなく、その風が正面から吹いている場合の空気抵抗の約１0％の空気抵抗を受ける。
追い風による必要動力減少は、向い風による必要動力増加の約４0％となる。
経験的に行きは向い風そして帰りは追い風、帰りの追い風によって回収できる動力は行きの風によって増加した動力の約４0％という勘定になる。

ころがり抵抗
タイヤと路面の間に生ずる抵抗でころがり抵抗係数が大きいほど、またタイヤにかかる荷重に比例する。軽量化によって、ころがり抵抗を小さくなる用にデザインします。
ころがり抵抗 ＝ ころがり抵抗係数 ｘ タイヤに加わる荷重

ころがり抵抗係数に影響する要因
１． 路面の状態
路面の凹凸、表層が粗いほど大きくなる。アスファルトの平坦で密粒の舗装路、ざらついた粗粒の舗装路、無舗装路、石畳、砂利道のようにな順に大きくなる。

トラック競技の路面    0.001

滑らかなコンクリート   0.002

アスファルト道路        0.004

未舗装の道路          0.008

２． タイヤの形状
タイヤの接地面はパターン形状が粗いほど大きくなる。ブロックタイヤが最も大きく、スリックタイヤが小さい。空気圧が低く柔らかいタイヤは、軟弱地盤を走るときは必要だが接地面積が大きくなりころがり抵抗も大きくなる。
３． タイヤの材質
タイヤの材質によって摩擦係数が変わるので、タイヤメーカーはころがり抵抗係数が小さい材質の開発を行っている。タイヤの空気圧が高いほどタイヤの接地面での変形が少なく転がり抵抗は小さくなるが乗り心地は悪くなる。
４． タイヤ外径
要因効果としてさほど大きくないが、タイヤ外径が大きいほど転がり抵抗は小さくなる。また、慣性2次モーメントについての配慮も必要だ。

登坂抵抗
自転車で坂道を登るとき道路勾配仁比例して大きくなる。 登坂によって位置エネルギーが大きくなるので、使われた動力は損失にならない。下り坂ではペダルを漕いで動力を加えなくとも、位置エネルギーを利用して走ることができることになる。

伝動損失
チェーンとか軸受など回転部分の摩擦による損失、これとは別にサスペンションで衝撃とか振動を逃がすことも含まれます。チェーンの摩擦は、ブッシュとピン、リンクどうし、ローラとスプロケットの歯そしてリンクとスプロケットの歯の摩擦などがある。軸受の摩擦には、ペダル軸受、クランク軸受、チェーン・プーリ軸受、前輪軸受および後輪軸受のベアリング、これをＧ3クラスのセラミックボールに交換することで大幅な改善が出来ます、これ以外にもハンドルの摩擦などがある。駆動系のパーツは軽量なものほど高価であるが高性能でもある。

人力エンジンの性能
人力エンジンは２０３個の骨と約８００からなる筋で構成されるものであり使用する燃料もいろんな材料が利用できるもので極めて長い時間メインテナンスなしで安定した百ワットを超える出力を連続的に取り出せるし、瞬間ならばなんと２５００ワット程度まで出せる精密で多機能・多目的に活用できる機構であるといえます。

自転車に乗るばあいに人が出せる動力は、体力や訓練の程度などによって、個人差が大変に大きく１００Ｗから５００Ｗ程度まで取り出すことが出来るという報告があります。２００Ｗ程度まではサイクリングで長時間連続して出せる出力。ツール・ド・フランス級の競技者が、長時間連続して出せる出力は４００Ｗから５００Ｗだそうです。

私たちが一番困難に遭遇するのは上り坂と向かい風です。短時間では４００Ｗ程度の出力を頑張って１０秒程度の無酸素領域で坂道を登る事はできますが、向かい風では短時間で限界を感じることだろうと思います、より動力性能を高めるため筋力をトレーニングで少しずつ出力の増大ができるのも機械エンジンと異なるところだし大事に使えば百年近く利用できるものといえる。

参考になるＷＥＢサイト

自転車の性能とパラメータを推定するアナリティックサイクリング技術提供のソフト。

内容は微分方程式や高度な数値解析手法を使用したソフトでリアルタイムに特徴的なテーブルとメソッドをプロットして返す製品の紹介。

http://www.analyticcycling.com/AnalyticCycling.html

自分自身の結果を参照してください。 

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カーボンモノコック成形手法

３次元形状のコンポジットパーツ成形手法の概略以下のようなものである。

１．ＣＡＤモデルからカッタパスを生成
発砲樹脂のブロックを５軸ＭＣを用いたボールエンドミル加工で、凸型を削り出す。この樹脂に表面硬化処理を施して耐熱性の無いマスタモデルを製作。

２．マスタモデルにＧＦＲＰあるいはＣＦＲＰを積層
凹型のシェルをつくる。ここでツールと呼ばれ、耐熱性のある対象物の成形型。

３．ツールに、アウタシェル用のＣＦＲＰプリプレグ、フィルム接着
ハニカム（アラミドが多い）、フィルム接着剤、インナシェルＣＦＲＰプリプレグの順に張り積層。

４．耐熱性のあるナイロンフィルムを積層物にかぶせる
シール剤により目止めする。ナイロンフィルム上に設けたバルブにゴムホースをつなぎ、真空ポンプにより吸引する。エア漏れが無いことを確認した後、加熱炉に入れて成形する。航空機などでは、加熱炉の代わりにオートクレーブを用い、加熱と同時に５気圧程度加圧する。

この方法は、ハンドレイアップと呼ばれる（曲面部はプリプレグを細かく分割し、皺が生じないように貼り込んでいく）、３次曲面を継ぎ目無しに一体で成形で きる点に大きなメリットがある。ただし、３次元ＣＡＭや５軸の切削加工機械、大きな加熱炉には高価な設備装置が必要で、真空引きフィルムやフィルム接着剤 （１㎡あたり２万円程度）などの消耗品が高価。

この手法は金型の製作で高圧に耐えるものにし、注形時にカイザー効果を意識してプレストレスを加えることで均質で等方性のある、高弾性・高強度のものを実 現することが可能と考えられるます。金額にこだわらない魅力的な新しい製品のビジネスになり得る可能性がある。

ネットの情報を見ることから、いろんなビジネスチャンスがあるものだと思う。だが発想の転換で成功のチャンスがあると見るのは間違いなのかと思うぐらい、 誰もが積極的にやろうとしていないようにも見えるのは何故なのだろうかと思う、不景気で嘆くより積極的な研究投資が必要。

このような工法を活用して、自転車のモノコックボデーとかホイール、クランク、サドル、ハンドルバー等いろんな大型のものが製作できそうである。また、こ れ以外のものについても利用できる可能性があり継続して情報を集める予定。有益な情報があればお知らせください。

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強くて軽い素材

強くて軽い素材「CFRP」の低コスト化

航空機。「」と「次世代輸送系システム設計基盤技術開発プロジェクト」の中間評価報告書には下記のプロジェクトには「バータム法」というのがあります。この内容はわれわれにとっても参考になるので概略を紹介します。大掛かりな冷凍庫や加圧炉などに設備投資が必要なく小規模企業で実現できる工法の一つで、現在ではプリプレグで成形したものとほぼ同等の強度が出るようになりました、と報告されています。

研究開発内容
【プロジェクト】
1．航空機関連（広く産業技術を対象とした研究開発であって航空機関連技術にも稗益するものを含む）
（１）省エネ用炭素繊維複合材技術開発
①概要
航空機、自動車、鉄道、船舶等の輸送機械等における炭素繊維複合材の適用範囲を拡大し、省エネルギーの促進を図るため、先進的な炭素繊維複合材成形技術や、耐雷対策の低コスト化技術等の研究開発・実証を行う。
②技術目標及び達成時期
２０１３年度までに、従来の方法に比べ低コストであり、曲率の大きな部位の成形も行うことができるＶａＲＴＭ（バータム）法等の炭素繊維複合材成形技術や、炭素繊維複合材を用いた製品の耐雷性能を低コストで確保する技術の研究開発・実証を行う。
③研究開発期間
２００８年度～２０１３年度

試行錯誤の末に辿りついた「バータム法」

自転車に使われているフレーム素材は、鉄系のクロモリからアルミニウムに銅やマグネシウムなどを加えたアルミ合金の利用が多い。その理由は強さと軽さにある。飛行機も最近ではアルミ合金から更に強くて軽い素材「CFRP」の低コスト化を目指している。飛行機は重たくなると離陸に時間がかるし重たい機体では燃費も悪くなる。軽量化が必要だ。時代が流れ技術が進歩するにつれ、アルミ合金よりさらに軽い素材が注目されるようになる。複合材だ。２つ以上の異なる素材を組み合わせた材料のことで、その多くは、単一素材からなる材料より軽くて強いという特長をもっている。そして、航空機業界で注目されている複合材が炭素繊維複合材（CFRP）である。

「CFRPとはプラスチックの中に炭素（カーボン）繊維を入れることで高強度と軽量が両立するので、省燃費の旅客機が生産できるようになってきた。現在運行中の旅客機の10～15％の機体にCFRPが使われる最近開発されたボーイング787は構造重量の50％がCFRPだそうです。旅客機の素材はアルミ合金からCFRPへと急速に移行しているが、CFRPそのものは実は1970年代には既に存在していた。機体への採用が遅れていたのはコストです。CFRPは従来のアルミ合金と比べると1.5～２倍ものコストがかかるため、民間企業にとっては採用しにくい。それでもCFRPが採用されつつあるのは、環境保全や省エネルギーの気運の高まりがあるからです。しかし航空会社とすれば、従来コストが安ければそれに越したことはありません。そこで我々が新たなCFRPを研究・開発するに当たって掲げた目標が、従来のCFRPより20％コストを削減することでした。

CFRPがコスト高になる理由は、その製造方法にある。これまでの製造方法は、まず炭素繊維に溶かした樹脂をまぶして半乾きにする。

このシートをプリプレグと呼ぶ。このプリプレグを30～40枚、箇所によっては100枚ほど重ねる。加工前のプリプレグは空気中に出すと３日ほどで使えなくなってしまうため、-10～-20℃の冷凍庫で保管する必要がある。プリプレグを積み重ねた後は、オートクレーブと呼ばれる加圧炉で120～180℃まで加熱し、４～６気圧の圧力をかけて成形するという工程を経る。
「この方法は組立工数が多いだけでなく、冷凍庫や加圧炉などに莫大な設備投資が必要となり、コスト高につながっていました。そこで、冷蔵庫や加圧炉を使わないで成形できる方法はないかと試行錯誤の末に辿りついたのが、『バータム法』という製造法です」。

バータム法は、VaRTM（Vacuum assisted Resin Transfer Molding）のことで、「真空樹脂含浸製造法」となる。
「この製造法は、まず炭素繊維を薄いフィルムで覆い、フィルム内の空気を抜くことによって１気圧程度まで圧縮します。その真空圧を利用して樹脂を呼び込み、比較的低い温度で成形します。この方法ならばプリプレグのような中間素材だけでなく、高価な加圧炉も冷蔵庫も必要ない。つまり製造費を大幅に削減できるメリットがある」しかし、当初のバータム法にはある欠点があった。１気圧という小さな圧力しか加えられないため、樹脂が炭素繊維に均一に染み渡らないのである。

「付着が弱いということは強度が落ちてしまうということです。製造コストを抑えることができても強度が弱い材料では意味がない。そこで、樹脂の注入口や注入順序を変えたり、さらに中に詰め物をしてみたりと試行錯誤を繰り返し改良に改良を重ねてきました。その結果、ようやくベストな方法を見つけることに成功した」。

念願だった低コストの製造法の確立。従来のCFRPに比べ圧倒的に優位な材料ができたわけだが、実はここまでは序章に過ぎない。厳格な安全性を問われる旅客機ではいくつもの試験をクリアしてはじめて実用化となる。
「基本となるのは、現在旅客機で使われているプリプレグを用いたCFPRと同等レベルの強度と剛性を得ることです。バータム法で成形したCFRPの一部を取り出し、圧をかけたり引っ張ったりすることで強度試験を繰り返していったわけですが、その試験である困難を抱えていました」。

素材の強度や剛性は主に「面内」と「面外」の検査がある。金属は見た目の変化と内部の変化に大きな差はないが、CFRPなどの複合材は、外部から見て異常がなくとも内部が損傷し、そこを起点として大きな破壊につながることがあるため、面内と面外の両方の検査が必要になる。

旅客機だけでなく他産業にも広げたい
2008年４月、JAXAの調布航空宇宙センターで強度試験がおこなわれていた。厚さわずか１mm、B4ほどの大きさの黒い板。それはJAXAが開発したバータム法でできた低コストのCFRPだった。黒い板には白いスプレーでまだら模様が加えられ、2t、3t、4tと圧が加えられ、その都度２台のARAMISで板を撮影し、最終的に10tまで圧がかけられた。板はわずかに歪んだものの破壊されることなく耐えていた。データはカラーマップに変換され、時系列に並べることで素材が歪んでいく様子がわかる。

「強度が足りなければさらに成形方法を工夫するなどして、現在ではプリプレグで成形したものとほぼ同等の強度が出るようになりました。ただCFRPのような複合材の場合、場所によって強度などにバラつきが出ることがあるため、どの場所でも同じ値を出すことがとても重要です。多少強度が落ちたとしても均一の素材ならば、設計の工夫によって強度不足を補え、実用化できるわけです」。JAXAではベンチャー企業とのコラボレーションにより、すでに６ｍ級の実物大の主翼を完成させ、いくつかの強度試験もおこなわれている。製造した主翼はすでに３本というから、ミッションも佳境に入りつつある。

「航空機を製造するメーカーでもバータム法を改良して素材開発に着手しているため、開発した製造法が採用されるかはまだ未知数です。この製造法は大がかりな設備がいらないので中小企業でも容易に導入できる。自動車は重量が半分になれば燃費も半分になるといわれ、風力発電も羽根が軽くなれば発電容量を増やすことができる。活用できる用途の裾野はとても広いのです」旅客機産業だけでなく、日本の産業の未来につながる１つの素材。その研究が、今日も続いている。

自転車の軽量化を目指しているわれわれにとって、利用できる環境が整うことを期待している。フレームのような剛性のもの以外にも、ブレーキレバーとシフターを組み込んだハンドルバーとかサドル、タイヤのようなものとかコンポの軽量化したものも作れるようになり、気軽に入手できる価格帯のものが製品として現れてくることを願いたいし､我々の手で作ってみる価値もあると思う。

 

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片持ち梁の振動

片持ち梁の1次モードの固有振動数ωは(1.875/L)^2*√(ρA/EI)で求まります。
ここで、L:梁の長さ、ρ:密度、A:断面積、E:ヤング率、I:断面二次モーメント。
但し、ωの単位はrad/secですから、周波数に直します。

ωは角速度です。周波数に直すには、ω＝2πf、ここに、πは円周率、fは周波数。

1.先端加重のない片持ち梁

固有値決定式 1+cos(λL)*cosh(λL)=0
λ1*L=1,875→ω1=λ1^2*√(EI/ρA)→(1.875/L)^2*√(EI/ρA)

2.先端に加重がある場合

固有値決定式　μ*λ*L=[1+cos(λL)*cosh(λL)]/[sin(λL)*cosh(λL)-cos(λL)*sinh(λL)]
μ=m/(ρAL)

ですので、加重なしのとき（μ=0）、固有値方程式は一致します。

連続体の固有振動数の計算式は、参考文献として機械力学の教科書、一例として「谷口修著、（改訂）振動工学（標準機械工学講座5、コロナ社）」があります。

片持ち梁の振動応力 
  
略図のような片持ち梁に荷重をかけた時の固有振動数を求めます。

｜
｜＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝●　　　　●：重り
｜　　　　　　　　　　　　　　　             ＝：梁

材質：SUS304
梁形状　長さ：300mm　径：Φ32mm
重り：50ｋｇ
振動加速度：2G
というような想定　

簡単なモデルで、上下運動させる、その上下運動の具体的は周波数はいくらなのでしょうか？　
固有振動数とはその1次曲げモードを言っているのでは？

また、固有振動数とその時の荷重とのことですが、固有振動数とは上記の通り構造物固有のものであり、荷重を掛けなくても存在します。荷重の絶対値に関係するのではなく、上下運動の加振周波数に依存します。これが固有振動数であれば、梁のたわみは急激に大きくなります。少なくとも上記条件であれば、強制振動になります。

ρA(∂^2・Y/∂t^2) + EI(∂^4・Y/∂x^4) = F(x,t)

ρ：密度
A：梁の断面積
E：ヤング率
I：断面2次モーメント
Y：たわみ
F：強制荷重

F(x,t)=0として解析した場合、固有振動数となります。そして、基本モードの整数倍で固有値が計算出来ます。

あと荷重については、実際の振動方向が切り替わる場合は慣性力が発生するため、少しややこしいが、上記強制荷重をmα・sinωt(m:質量、α：加速度、ω：加振角周波数)で考えてみること。　

SUS304のヤング率Eを190[GPa]と仮定した場合、上記モデルでの固有振動数fは？？.？[Hz]となります。

上記モデルを減衰考慮の1自由度系モデルと仮定した場合、

m(d^2・Y/dt^2)+c(dY/dt)+k・Y = fsinωt ・・・(1)

Y：たわみ
m：おもり質量
c：減衰係数
k：バネ定数(=3EI/(L^3))
f：強制荷重
ω：加振角周波数

が成立します。これを解き、必要な梁荷重P、つまり(1)式の左辺第3項に代入すると、荷重振幅のみを考えた場合、

P / f = ωn^2 / √{(ωn^2-ω^2)^2 + (2ζωn・ω)^2} ・・・(2)

ωn：固有角周波数
ζ：減衰比 (=c/{2√(mk)})

と計算されます。もし減衰を考慮しないならば、ζ=0です。
f=mαとすれば、固有振動数を含めた上記条件での荷重計算ができます。

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有限要素法による応力解析

大型コンピューターでなければ利用できなかった有限要素法による数値解析が、パーソナルコンピューターの性能向上及び解析ソフトのユーザーインターフェースの向上によって身近なものになってきました。現在の製造業では、３次元ＣＡＤで設計図を描き、引き続きコンピューター上で強度解析を行って試作に入ることが多くなりました。この強度解析によく用いられる数値解析手法が有限要素法（ＦＥＭ） を用いた応力解析と呼ばれるものです。

自由発想・自由デザインを目的としたシステムを開発の一環に取り入れようとしています。自転車に必要なフレームの機能部品をいろんな種類について製作しておきます、あとは必要なものを取り出してパイプでジョイントすれば実用的に乗ることが可能なものになるのです。

デザインモデルを製作するための部品群とそれらを組み合わせた参考例のスタイルブック、そしてＣＡＤを利用して図面と構造力学計算が可能なシステムを検討しています。力学問題はＦＥＭという有限要素法を活用します。数学が中心になりますが人手では困難な計算処理はコンピュータの発達により今ではＰＣを利用していろんなことができる時代です、誰もが簡単に有限要素法を利用できる時代です。

有限要素法を理解するには、多少の基礎知識が必要です。有限要素法には、空力・流体力学、伝熱学、弾性力学などと、数学関連でベクトル演算、マトリックス 演算、テンソル演算、連立方程式の解法、数値積分と数値微分などを扱うのでシステムを製作するには勉強が必要な人もいるかもしれません。もう一つ素材の物 性値が必要ですが、これはデータベースを利用します、これを読んだ途端に尻込みするか諦めてしまう人がいるかも知れません。

だが、自転車のデザイン画（スケルトン図）をＰＣで描くとフレームの力学計算の結果を知らせてくれるシステムをこれから作ろうとしています。このシステム によってオンリーワンの自作自転車が作れるようになればお役に立つのではないかと思います。いろんな分野の知識と経験を求めています、扱うフレーム素材 は、アルミ合金、ステンレス、クロームモリブデン、カーボン繊維等を利用します。

素材物性・材料力学・構造力学・流体力学・機械設計・加工技術・接着技術・板金加工・切削加工・精密鋳造・カーボン・実験計画・要因分析・力学試験・ ＣＡＤ・ＦＥＭこれらに関してご協力のお申し出をくださいますよう、よろしくお願いいたします。
有限要素法による応力解析の仕組みはを簡単に説明すると。金属の棒などは、力学的には連続体とみなしますが、複雑な構造物を連続体として応力や変位を計算 することは非常に難しいものがあります。そこで、連続体である構造物を有限の小さな要素に分割し、隣り合う要素を接点で結合することで近似的に構造物を表 現します。そうすると個々の要素はマトリクス（行列） で表すことができるようになりますので、構造物全体を組み合わせたマトリクスで表し、あとはコンピューターに計算させることで応力や変位を求めることがで きるという仕組。

有限要素法による応力解析では、コンピューター上に現物と同じモデルさえ作ってしまえば自由に荷重の大きさ、方向などを変えて何度もシミュレーションする ことができます極めて便利なものといえます。以前に台湾でレモンを設計してみてはという誘いがありました、この相手先では一般に利用されているダイアモン ドフレーム以外はできませんでした。モデルを作成することは私にとっては難しいことではありません、レモンのようにこれまでに無い特殊モデルの作成ができ ない相手であったので実現はしませんでした。

構造解析プログラム
Nastran のソースコードをベースにいろんな製品が開発されています、入出力フォーマットも同じ汎用構造解析プログラムがありますのでその概要を拾い出してみました。 Nastran は主要製造分野で幅広く利用されており、自転車、自動車、航空宇宙、防衛、重機、造船業界における高度なシステムレベルの解析に使われているようです。
 
解析機能とパッケージについて以下の解析が可能だと記されています。NastranのオリジナルはFORTRANで記述されたオープンソフトで利用することができます。
必要に応じてカスタマイズすることが可能なので利用してみてはと思います。

線形静解析
    静的な荷重を受ける構造物の変位、ひずみ、応力などの計算
力学的平衡状態にある非拘束構造物を解析する慣性リリーフ機能
    伝熱解析の結果を用いて熱ひずみ／熱応力解析も可能

固有振動解析
    固有振動数と固有モードの計算

座屈解析
    線形座屈荷重値と座屈モードの計算

伝熱解析（定常／非定常、線形／非線形）
    定常／非定常状態での構造物の温度分布、及び熱流束を計算
    温度依存性の材料特性を考慮
    温度拘束、熱流束、輻射、対流を境界条件として設定可能
    輻射形態係数の自動計算

スポット溶接解析
    スポット溶接をメッシュ分割しないでモデル化する

設計感度解析
    線形静的解析、固有振動解析、座屈解析で可能

非線形解析
    材料非線形、幾何学的非線形、境界非線形解析

動的応答解析（線形／非線形）
    周波数応答解析、過渡応答解析、ランダム応答解析、応答スペクトル解析、複素固有値解析

空力弾性解析
    航空機など、空気の流れの中に置かれた構造物の静的な空力弾性解析やフラッタ解析

エレメント解析
    解析モデルを部分構造に分けて計算する機能

これらについて興味がある、勉強してみたいし使ってみたい、作ってみたいとのご要望があればお手伝いすることができそうです。

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フレームチューブの強度と撓み

物性のひとつに疲労強度というものがある。これは破壊するまでに材料が静的引張強度以下の周期的負荷のストレスにどれだけ耐えるかという物性である。
アルミニウム系合金は鉄系合金に比べ、この疲れ強度が非常に小さい。鉄系合金には無限回数加えられても破壊が起きないという負荷レベルが存在する、これを疲れ強さと呼ぶが、アルミニウム系合金には疲れ強さがほとんどの存在しない。

つまり、どんなに小さな負荷でも何度も繰り返し荷重が加われば、アルミチューブのフレームはいつか破壊する。

これは約１０年経過した時発生した典型的な応力腐食割れの実例です、走行中に発生すると大変なことになります。
アルミニウムでフレームを作る際はこのアルミニウム最大の欠点とも言える疲れ強度の低さをいかに設計段階でカバーできるかが、フレーム設計の鍵である。

なるべく、アルミニウムの部位に応力がかからないように設計する。この考えに基づいてリトル・ダイアモンド・フレームは考案されている。

　フレームはパイプを組み合わせたラーメン構造を基本にているのが一般的だ。では、このパイプに応力がなるべくかからないようにするためにはどうしたらよいだろうか。その答えがこれまで市販されているものはパイプを太くすることで解決している。リトル・ダイアモンド・フレームでは、ブリッジというチタンのばね特性を生かしたパイプで応力を緩和させる方式を採用している。撓むのはこの部分が中心でアルミニウムの部分は撓んだり変形したりすることが無視できるというアイデアである。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
応力を発生させる要因は、負荷として引張と圧縮、せん断、曲げ、ねじれなどがある。パイプは太くすることで曲げとねじれに強くなる。このうち最もフレームパイプにかかると思われる曲げについて検討する。

 　図はパイプの左側を壁に固定した状態でパイプの右端に質量（Μ）のおもりをぶら下げたときの図である。建築などの一般例として片持ち梁というものがある。詳細な計算は力学の初歩の教科書に掲載されている。
フレームに興味がある読者は曲げ応力の場合、パイプ内の最大応力（σ）は断面係数（Ζ）と曲げモーメント（L）によって簡単に求めることができる。その関係は次のようになる。

σ＝Μ/Ζ

パイプの断面係数（Ζ）は

Ζ＝π(D^3-d^3)/32

したがって、最大応力（σ）

σ＝32/(l-x) Μg/π(D^3-d^3)

パイプの肉厚（t）は一定とすると、内径（d）は外径（D）と肉厚（t）によって表される、

σ＝16(l-x) Μg/πt(3D^2-6Dt+4t^2)
∵ d＝D-2t

となる。パイプの肉厚（t）がパイプの外径（D）に比べて、十分に小さいときは

σ＝16(l-x) Μg/3πtD^2

で近似される。
上式の最大応力（σ）に許容応力（τ）を代入して、変形すると、

Μ=3πtD^2/16(l-x)g

つまり、肉厚そのままで外径を2倍にすると重量は2倍だが、そのパイプは4の重量に耐え得る。

疲労強度の低いアルミニウムの負荷を少し軽減するという手法である。「パイプの強さは外径の3乗に比例する」という説もある。
パイプの強さとは上記の例ではパイプの強さを耐えられる静的荷重の大きさで表した。しかし、ここでもうひとつ、パイプの曲がりにくさを強さとして考えてみる。
右端におもりをぶら下げることでパイプは当然のことながら、曲がる。パイプを曲げると上側が伸びて、下側が縮む。そのため、真中あたりに伸びも縮みもしない中層がある。この中層の微小長さ（dx）が曲率の中心（C）を見込む角を（dθ）とし、その曲率半径を（ρ）とすると、中層から (Ζ) の距離にある断面 (dS) の主軸に対する平行層のひずみ（ε）は、

ε=(ρ+Ζ)dθ-ρdθ/ρdθ=Ζ/ρ

となる。ただし、上式では（dθ）が微小角度であるから、sin（dθ）=dθという近似で、この層に加わる応力を（dF/dS）とすると、ヤング率（E：応力とひずみの関係）の定義から、

E=dF/dS）/(Ζ/ρ), ∴ dF= (E/ρ)ΖdS

となる。曲げモーメント（L）は微小断面（dS）にかかる力（dF）を面積（S）で積分するという形をとる。
また、同時に曲げモーメント（L）は巨視的におもりまでの距離（l-x）とおもりによる荷重（Mg）の外積としても表されることから次式が得られる。

L=EI/ρ=（l-x）Μg

ここで（I）は断面二次モーメントと呼ばれる値で上述の断面係数（Ζ）はこの断面二次モーメント（I）をその軸である中層と断面の交線から断面のもっとも遠い点までの距離（（D-d）/2）で割った値である。パイプの長さを（l）、端からの距離（x）に位置する微小長さ（dx）に対する右端の微小降下を（de）とおく。微小長さ（dx）が曲率半径（ρ）で微小角度（dθ）曲げられたために微小降下（de）が生じたとすれば、次式が得られる。

de=（l-x）dθ=（l-x）/(dx/ρ)
∴ρ=（l-x）/ (dx/ de)

この二式より測定がほぼ不可能な曲率半径（ρ）を消去し、次式を得る。

de=Μg/EI（l-x）^2 dx

したがって、一般解（e）は、

e=Μgl^3/3EI

となる。ここで断面二次モーメント（I）はパイプの場合、回転座標系で積分すること、その値は次のようになる。

I=π(D^4-d^4)/64

これを一般解（e）の式に代入すると次式

e=64Μgl^3/3πE(D^4-d^4)

同様に肉厚（t）を一定、かつパイプの肉厚（t）が外径（D）に比べて、十分に小さいとすると、上式は

e=8Μgl^3/3πEtD^3

肉厚が同じで外径を2倍にすると重量は2倍だが、そのパイプの曲がりにくさは8倍になる。

以上をまとめるとパイプは太くすることで2つの効果を得ることができる。 1つ目はパイプ内に発生する最大応力を低減する効果、 2つ目はパイプの曲がりにくさを上げる効果である。このような考え方で、これまでのアルミフレームは設計されているものと認められる。

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キャスターアングル

レモンのキャスターアングル（ＣＡ）を変化させたとき、ステアリンク特性がどのように変化するかアップライトなママチャリポジションでの予備テストを行いました。この結果から、いろんな参加者のデータを基に実験計画法で要因分析を行い主効果を求めること、および乗り手の交互作用の分析をしてみることで基本的な設計パラメタを取得する方向に向かうことができそうです。

７８度はハンドルが軽く手放しで走行ができます。
７２から７５度は乗りやすく手放しハンドルで走行ができます、この角度が私にとって最適です。６５度も試して見ましたが手放しハンドルでの走行は難しくなります、この角度が常用限界と感じました。
６０度は乗ることはできますが、ハンドルは重たく途中からの切れ込みが強くなります。５４度も乗れないわけではありませんが、この設定で乗ることはありません。
この角度に付いては個人差があると考えられます、いろんな人のデータを集めて解析してみようと思いますのでご協力ください。
ＫｉｔＬｅｇｏｎの利用で基本的な走行特性を実験で確かめることができます。次はシートアングルの可変実験とシートポストのたわみについての適正値を確かめてみたいと思います。
また、高速走行をする場合を想定してドロップハンドルを取り付けたロードバイクポジションについても確かめる予定です。

自転車の設計で重要なポイント

キャスターアングル
小径車は手放しハンドルが困難といわれるが次の写真に示すように仲間のＫＨＳにはじめて乗った時自転車でも、高い精度て組み立てられたものは手放しハンドルは容易に出来ます。

ハンドリング特性を左右するトレール値はキャスターアングルとオフセットの適正値を決めることです。この要素が個人の持つ感性とマッチした時はじめて自分に合目的な自転車が出来たということになる、といえるぐらい重要なポイントである。

トレール値は大きすぎても小さすぎても良い結果を得ることはできません。進路保持性能と進路変更性能の二つの特性バランスが取れているのがよいトレール値と言うことが出来ます。この裏づけは競技用の自転車700Cのバイクからも推論することができる。その値を調べてみると700Cのバイクで、55～58が標準値とされる。許容範囲としては50～64まで。これらの範囲でバランスが取れていると言われています。

大きいフレームサイズだとトレール値は55～58に納めてある。しかし全てのサイズにおいて適正値を実現することは困難である。そこで可能な限り適正値に近づける許容範囲のための設計を行っている。それをＬｅｍｏｎの女性モデルなど小さいモデルでは55～58という範囲を超えてしまう。それはオフセットを多く取りすぎると重心が前に行きすぎ、ハンドルを振るのが重くなってしまうため。そのため男性よりも筋肉量に劣る女性には向かない設計となってしまう。そのバランスをとるために63.4（オフセット量は55）という数値を採用した例もある。

トレール値が変化するとどのような状態になるのか？　
それは、トレール値が大きい（キャスター角は小［寝る］、オフセット小［短い］）場合。自動操縦性が強くなる。ハンドルを傾けたとき切れ込みは大きいが、前輪の自己復元機能（ハンドルをまっすぐに戻す機能）も強いため進路保持性が強くなる。結果、自転車の自動操縦に逆らう操作をすると重くなると言うのが一般論。

いわゆる『鈍い』動きになる。自転車任せと表現することもできる。逆にトレール値が小さい（キャスター角は大［立つ］、オフセット大［長い］）場合。ふらつき感が現れる。ハンドルを傾けたときの切れ込みは弱く、進路保持性は弱い。
フロント周りの操作は軽くなるが、直進を維持するための乗り手の負担が大きくなる。いわゆる『軽すぎる、ふらつく』動きになる。この兼ね合いが必要でありその要求は人の感性とこれまだの体験による所が大きいといえる、従ってこの値の最適化が設計において大きな鍵を握っているといえる。


セルフステア

クルマのセルフアライニングトルクという言葉をヒントに、この言葉を「辻 司　さん」が使い始めた造語のようですが、うまく説明できるので利用します。自転車でＵターンなど低速で小さく曲がるときは、乗り手ががハンドルを切る。そうして腕の力でハンドルを切る行為を操舵という。一方、普通のコーナリングでは、車体を傾けると傾けた側へ自然にハンドルが切れる。

多くの乗り手は意識していないし、速度が上がると舵角はとても少なくなるが、程度の差こそあれ必ず、傾けた側へハンドルは切れている。その自然にハンドルがイン側へ切れる挙動を自然操舵、あるいはセルフステアという。そこで生まれるハンドルの切れ角が“自然舵角”と呼ぶ。同じ半径のコーナーを曲がるにしても、自転車によってセルフステアの挙動や自然舵角はそれぞれ異なる。自動車と違い、自転車は舵角以外の要素で曲がる部分も多いという特徴があります。また同じ自転車でも乗り方によって変わる。

自転車が向きを変える性能、あるいはその特性のこと。向きが変わりやすいものを旋回性が高い、あるいは旋回性がいいという。旋回性を生み出す力が旋回力で、これは例えば前輪アライメントなどにも大きく左右される。一般的にはキャスター角が立っていてトレール寸法が短く、ホイールベースが短いほど、安定性は落ちるが旋回性は高い傾向にあるとされる。だが実際には、車体重量配分やフレームの剛性バランス、タイヤの特性など、かなり多くの要素が複合的に絡み合う。

そして、自転車で旋回性を最も大きく左右するのは「乗り手の性能」。コーナリング時に自転車の頭＝フロントまわりがイン側に向いて回り込んでいく性能や、その特性のことを“回頭性”という。これも旋回性のことだが、車体の傾きやすさや舵角の付き方など、旋回特性を細かく分析していく場合に使われることがある。傾くだけで曲がらない、バンクさせると平行移動的に車体全体がインへ寄っていく傾向が強いといった特性を解説するときに「回頭性は低い」という使い方がある。

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シートアングル

初期の設定はシートアングルが鋭角にセットしたものです。この状態で乗ると超前乗りスタイルで兎に角早く走れと督促されている雰囲気です。それはGraeme Obree選手の「スーパーマン」スタイルを連想します。このスタイルは記録達成後にＵＣＩの規則改正され禁じ手となりました。競技規則に無縁な私とっては興味深い発見でした。キャスターアングルとともに検討対象です。

一般的な設定に変更しました、ごく当たり前の感覚で乗ることが出来ます、この角度については少し研究してみる必要性を感じました。高速走行を目的にするのであればシートアングルを立てることです。あたかも陸上競技で１００m ダッシュの感覚になります。通常のポタリング目的ならばこの画像のように違和感の無いものがバランス的に見て良さそうです。

シートアングルは一般車で72度　キャンピング、 73度　ランドナー、74-75度　ロードレーサー、クロスルート、スポルティーフ、　75-76度　ピスト、TTバイク、トライアスロン、このような例に分類されます。これまで乗り心地を主体にシートピラーにチタンを採用し70度程度にしていましたが今回の発見で74度と80度で確かめてみることにします。

 

競輪選手の中には80度で好成績を収めている人もいます。この乗車姿勢がペダルに体重をかけやすいこと、さらにクランクの回転運動における上死点を０度としたとき９０度から１８０度での踏力方向が円の接線方向に接近することから回転運動への有効成分が増大すると言う見方も出来る。実験で確かめる価値があります。
 

自分の好みと目的に合わせることが出来ますので確かめてみてください。

競技用自転車

ＵＣＩの規則ではサドルの前淵がＢＢのセンターから5ｃｍ以上後方になくてはならないという規則があります。また、自転車の質量は６．８ｋｇ以下であってはならないという制限もあります。

 

ちなみに規則に適合する画像を参考までに掲載しておきます。

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