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2012年7月25日 (水)

鉄・アルミ・カーボン

またこの話題か

※追記があります。続きへ

もう題で内容がわかると思います。
そう言えばかなり前の記事で終わってたなと思いまして。

この3つの素材でフレームを作ったらどうなるんだ、という話題。
ちなみに工学部の人間は全部わかってるので、わざわざ口にしません。聞いても教えてくれないことが多いです。「へへっ自分で勉強しなバカめ」って感じの人間が多いイメージ。別にdisってるわけじゃなくて単に僻んでるだけです。気ぃ悪くしたらごめんね。

乗り手という視点から見てフレームを構成する要素は
・重量
・剛性
・振動吸収性
だと思います。

で、そのときに素材を見て
・アルミ
・クロモリ
・カーボン
・チタン
・マグネシウム
・スカンジウム
とかでキャッキャウフフするわけです。

キャッキャウフフの内容は、端的にわかりやすいものだけをピックアップして(合ってるかどうかは関係無く)
・アルミは軽くて剛性高くて振動悪い
・クロモリは重くて剛性低くて振動良い
・カーボンは軽くて剛性高くて振動良い
とかです。

多分鼻で笑ってる工学部連中も、重量と剛性については異論無いと思います。重量は単に密度と体積、剛性は単に弾性率と断面2次モーメントで決めて良いと思いますし。もちろん剛性については「乗り手」が感じるものとは別として、ということで。

ただ振動に関してはニヤニヤするんじゃないでしょうか。そこで素人である私たちは「ぐぬぬ・・・」となるわけです。
なんだかちょっと悔しいので、久々にGoogle先生に色々聞いたりしました。素人なりに現在の解を出します。

あぁその前に余談ですが、こういった論を書くのって決まって素人ですよねホント。工学部連中は何故記事を書かないのか。当たり前すぎて書く気が起きないのか。秘密にしといて嘲笑いたいのか。難しいですねぇ。

とにかく何が言いたいかというと、こういった記事は信用するなってことです。これ系の知識をアウトプットしてる奴にロクな知識はありません。前述の通り知識がある者はわざわざアウトプットしないからです。
というわけで、素人同士楽しみましょうや。工学部は酒の肴にでもどうぞ。


さて、振動というのを考えた時に、私は前回「固有減衰能」なる言葉を使ったと思います。
これはたぶんアチラの世界では「対数減数率」だとかウンタラカンタラナンチャラだとか、まぁそんな言われ方をしてるかもしれません。

固有減衰能は“おそらく”は単位寸法あたりの減衰率を示すものだと勝手に思ってます。対数減数率については様々あって、初期振幅が違ったりします。んなもん相対評価しか出来ひんやんけ!と怒り心頭なわけですが、探せばちゃんとした基準もあるかもしれません。

そうした時に面白いことが書いてありました。もちろん引用です。引用の引用元は1万円を超える書籍だそうで、買うのもアホらしいし、図書館で探すのもなんだか億劫、ということで何も考えずに引用しました。

いわく、

・SCM440(クロモリの一種)は0.15

・A2017(ジュラ)は0.25

らしい。
この数値は減衰率(能)だから、単純にデカい方が振動吸収します。

しかも、
・7075(熱処理番不明)は2000系(型番不明)より減衰率が高い
とか。

ちょっと言ってる意味がわからんですね。
つまり、クロモリよりアルミの方が振動吸収性良いやんけって話で。
カーボンは色々探してみましたが、対数減数率しか無く、まぁその値を信じるなら糞みたいな数字を出してました。おそらく初期振幅が違うし、寸法も違うからです。比較できません。(同一寸法においてはどこぞのカーボンメーカーが振動実験をしていて、やはりアルミよりカーボンの方が優れていました)

ただこれは、“おそらく”単位寸法あたりの話です。
ロードバイクにおいてはこの数値で議論しても仕方がない。

大事なのは、寸法と重量と剛性です。

寸法は振動(振幅)方向においては小きい方が収まりが良いでしょうし、振動方向垂直においては大きい方が収まりが良いでしょう。(前者はちょっと剛性の方に傾きそうな話だけど)
重量は軽いほうが収まります。剛性も高いほうが収まります。

そうすると、アルミバイクとクロモリバイクの場合、パイプ伸長方向を振幅垂直面と見てあげれば、振動方向の寸法効果は同一と考えられます。剛性も同一に出来たとしましょう。

一般にアルミの方が薄く大口径で軽く、クロモリの方が厚く小口径で重いです。これは主にクロモリの弾性率のせいで、しゃーなしです。クロモリが座屈しやすいとか言った覚えがありますが、座屈の式を見ると寸法と弾性率の項目しかありません。寸法が一緒なら座屈しにくい方だと思います。

まぁそれは良いとして、この二者で考えた時、矢印は相対減衰率ファクターとして、

アルミ:薄い(↓)大口径(↑)軽い(↑)減衰率(↑)
クロモリ:厚い(↑)小口径(↓)重い(↓)減衰率(↓)

となります。まるでクロモリが糞みたいな感じですが、これは単純にアルミとクロモリでの相対評価であり、評価基準同士の相対評価を足し算で表せるわけではありません。また、同一剛性のフレームを見たことが無いので、実際に寸法がこうなるのかわかりません。てきとーです。でもまぁ、逆転することは無いでしょう。

※追記:「鉄の方が薄いんじゃね?」とのコメントを頂きました。そうなるとこれ、全てのファクターが死ぬんですね。これはちょっと考えないといけない。話の流れを追記として切るにはあまりにもアレな感じになりそうなので、別記にします。

もし。もし、アルミとクロモリの振動に関するインプレが正しいとするならば、効くのは厚みということになります。つまり寸法効果。ほんまでしょうか?

でもそうだとすると、カーボンでも納得いくようないかないような。
低グレード(=低弾性)カーボンはアルミに比べて、剛性が同一ならば

LGカーボン:厚い(↑)大口径(→)軽い(↑)減衰率(↑)

高グレードカーボンは

HGカーボン:薄い(↓→)大口径(→)軽い(↑)減衰率(↑)

となります。
うーん、まぁ、インプレとほぼ相関してるように思えちゃいますね。まぁカーボンについては寸法が色々あるからなんとも言えないところですが。あと単純な丸形状のフレームなんてほぼ無いですしねぇ。
HGカーボンでも乗り心地が良いのはいっぱいありますし、いくら悪いとは言えアルミより酷いってのはあまり見たことがありません。だから、寸法が大きいとは言え、その他のファクターが桁違いで小さいということは無いのかもしれません。もしくは、ファクターそのものが桁違い、とかね(笑) 話をややこしくしたくないので、後者の方が濃厚ってことにしときましょう。

まとめます。
振動吸収性は素材特性のファクターよりも寸法によるファクターの方が大きい。かもしれない。


でもこれって本当でしょうか。

これはフレーム単体にある初期振幅を与えた時の減衰を頭の中で考えようって話です。自転車にはタイヤがついてます。サドルやパッドもあります。バーテープやブラケットもありますね。
ええー?って感じですよね。

そもそも人間という重量物があります。フレーム重量による減衰能なんて吹き飛んでしまいそうです。振動端が一番重いという理想状態みたいなもんではありますが。まぁそれは置いといて。

タイヤとホイールを介してようやくフレームに振動が伝わるはずです。そして減衰され、サドルを介し、パッドを伝わって人間のセンサーへと。ステムハンドルブラケットも。そう考えるとクランクから吸い取る脚はやや特殊かも。

この人間のセンサーというのは全身と仮定して良いと思います。振動の変位は骨格の変位として感知するはずですし、まぁ神経でも繋がっておけば良いんじゃないでしょうか。ほぼ無視でGO。

上記の中で気になるのは三つつないし四つですね。タイヤ、サドル、パッド、ハンドル周りです。まぁレーパン無しの場合もありますが、まぁとりあえずこのくらい。脚はどうでもいいです。

そうするとなんだか振幅の小さいものは死にそうな感じがします。人間にセンサーをつけてフーリエ変換するとデッカめのものしか残らないような予感。とくにサドル側。

そう考えると、比較的振幅の大きなものだけで考えればいいわけですよね。このときの振幅は微小変位とは呼べないほど大きなものになりそうな予感がします。共振?そんな単語は知りません。振動数?都合の良い時だけ考えます。あとフロントも面倒くさいんでリアを考えます。

そうすると、剛性(弾性率×断面2次モーメント)のファクターについてはちょっと考えた方が良さそうな気すらします。減衰率の考えでは剛性は高い方が良かったわけですが、剛性が高いというのは歪も少ないわけで、もしかして「底づき」をするんじゃないでしょうか。つまり、「跳ね」です。変位を回収出来ず、跳ねます。この跳ねとは大きくても数mm程度かもしれません。タイヤが離れることは無いかもしれません。

これって・・・もしかして・・・トラクションですかね?
タイヤが離れることが無くとも、重量物が通常の振動より大きな変位を経験するわけで、そこではエネルギーを使うべきでしょう。正確には振動を与えるための推進力の一部が、内部エネルギー消費の他に位置エネルギーとして変換される。そして振動と違って獲得されたエネルギーが内部エネルギーの連続消費へと向かわない。

内部エネルギーのお話は全然勉強してないので、高剛性と低剛性でどうなるかが全然わからんのですが(というか「内部エネルギー」という単語自体合ってるのか不明)、もし一律に同じような消費をするなら(変位が違う時点でおかしいような気もするけど)、低剛性の方は位置エネルギー変換分が無いと考えちゃだめですか?

これがトラクションになりませんかね?
まぁこれは別のお話なんですが。

話が逸れました。とにかく、振動とは別に変位を生じるかもしれない。
すると、先ほど振動は骨格の変位で感じると仮定しましたが、この変位も慣性力の観点から骨格の変位として感じ取られるべきでしょう。すると、これって、フレームから来る微振動なんかより振幅は遥かに大きいはず(たぶん)ですから、人間としてはより大きな振動が来た!と感じても良いんじゃないでしょうか。


そうすると、フレームを介する微振動は寸法ファクターとして処理されるものの、「跳ね」検知による振動においては実は剛性で別に定義されるファクターがあるということでどうでしょうか。

でないとちょっとチグハグになるフレームがありますもんね(笑)
とすると、剛性がそれぞれ逆センスの動きをするわけですよね。別定義の方(跳ねの方)はもちろん閾値があるでしょうけど、ほぼリニアでしょう。

とすると、またどちらが効くかというお話になって。
これは感覚ですが、たぶん跳ねの方が効くんじゃないかなーーーーって。たぶん。もう全然わからないですけど。

何が言いたいかというと、わかりやすく言うと

剛性も大概にしとけよ。あと厚みは大事やでな。」ということです。

そう思えば、昔の中級アルミで「フロントはそこそこ軽快なのに、リアがガッタガタやでな」みたいなものがありましたが、これって寸法の話で収まるんじゃないでしょうか。こういうのは、トラクションというより剛性で走らせていたような気がしますが、それはどちらが優勢かというお話で。

CAADなんか良いんじゃないでしょうか。あのアワーグラス。寸法考えるとタシカーニって感じ。あのフレームはトラクションもそこそこ良かったですが、しっかり縦と横を使い分けてたというわけでしょうか。そういえば、ダウンチューブはアルミ缶みたいな薄さでしたね。これも整合的な雰囲気。

カーボンもさっき上でぐちゃぐちゃ言ってましたが、整合的な雰囲気が出てきました。

その他諸々、なんだか整合的な気がしてきました。気のせいかもしれません。

どうでしょう、アルミ・クロモリ・カーボンの振動吸収性能についての考察でした。たぶん全部間違ってます。正解は工学部の人に聞いてください。教えてくれないと思いますけどね。

ではまた。

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コメント

工学部の人がアウトプットしない気持ちは何となく分かりますね、私の場合ブログ関連はかなり勉強ましたが、誰かに教える気にはなりませんし、仕事の専門知識も書く気にはなれません(^^;)カステさんも就職後はかなり詳しくなるでしょうが、ブログには書けない事が増える気がします


振動に関しては教えてくれた人がいたので調べましたが、他にもぽろぽろキーワードが出てきたので調べてみます( ´∀`)

ニヤニヤcatface

kazuさん

そうやって言われてみると、アウトプットが無い理由は二つですねぇ。
・馬鹿らしくて言うのすらダルい
・言うとマイナス面が出るから言わない
まぁ、工学部的には前者っぽいですが。私も後者みたいなのが増えるんですかねぇ。

>他にもキーワード
おぉ、これは期待。どうやら素材だけやってもダメっぽいし、どういうファクターが出てくるのか気になります。

エムズゥ

ʅ(;´◔౪◔;)ʃ全く ʅ(◔౪◔ʅ)三(ʃ◔౪◔)ʃ困ったもんだ

フレームパイプの場合、アルミより鉄の方が肉厚薄いかもね。
鉄は口径大きくしたくても、重さを増やさないならば肉厚の限界があるんだけど、アルミはまだいける、ので。

tatsushiさん

それは有り得そうですね。鉄の場合、現在の最薄って0.38ですかね。アルミはどのくらいなんでしょう・・・ちょっと気になるなぁ。。

工学部じゃありませんが材料工学やってた人間としては、やっぱり専門外っていうか、非理系思考な人とはそういう話はしませんなww

一番大きな理由は、用語の混乱かもしれません。
「剛性」ってつい簡単に言っちゃうんですが、そもそも「材質」によって「剛性」を語る事自体がナンセンスだろって共通認識がないと、話がはじまりませんから。
「剛性」って「構造」ありきで語られるべきものであって、一般的に言われる『剛性』(≒『剛性感』)って製品としてのトータルな剛性なわけですよ。

あ、ちなみに『剛性』≒「ヤング率」で言えば一般的な材料なら クロモリ>>CFRP>>>アルミです。

本文中の議論に関しては、「比強度」「内部損失」あたりを絡めて、さらに材質による構造への制約を含めて考えれば、ある程度かたちになるんではないかと。

剛性のファクターを語るには材料剛性も重要ですが、構造的な剛性の方が重要だと思います。
自転車の場合は全体が構造物ですから。

トライアングルフレームも三角形で剛性を稼いでいますしね。

そう考えると三角形が小さいほうがフレーム単体の構造的な剛性は有利ですが、シートポストの出しろが多くなり、ステムが長くなるという事で全体的な剛性は落ちる可能性があります。


そういうことを考えると面白いかもしれませんね^^

nana-cさん

ご助言ありがとうございます。

さて、剛性を材質で語るのはナンセンスとのことですが、とは言え同一形状においては素材特性(この場合弾性率)が関与しますよね。そういった意味で材質も考えたいと思っています。もちろん材質と構造の2つでは後者の方が剛性というファクターにおいて圧倒的に支配的であるという認識は持っております。

>『剛性』≒「ヤング率」で言えば一般的な材料なら クロモリ>>CFRP>>>アルミです。
とのことですが、これは初耳です。一般的な材質というのがブラインドになりますが、クロモリよりも低弾性なCFRPというのは一般的と言うかどうか・・・
例えばSCM440であれはヤング率が225GPa程度。低弾性タイプのCFRPとして最も弾性の低いTORAYCA T300や、フレームによく使われるT700で230GPaとのこと(一般的に24tカーボンと呼ばれるものですよね?)。このような低弾性タイプですとほぼイコールかと思われます。
もしかしてフレームに使われるようなクロモリというのはSCM440より高弾性なのでしょうか。

>「比強度」
比強度を眺めるとカーボンってこれが弱いなぁと驚きました。1桁違いますね。高強度タイプの糸でもそんなに改善されない様子・・・こりゃまたなんとも。
追記:これ間違ってますね。kgfとMPaを見間違えた様子。逆でした。カーボンが一桁上。

>「内部損失」
これは減衰率と繋がるファクターとして見て良いんでしょうか。この値を見る限り、やはり減衰率と同じくアルミは優秀ですよね。微振動(減衰自由振動)に関してはクロモリよりアルミの方が優秀、という認識をしております。

>材質による構造への制約
特にアルミについてはこれを考えないといけないのかなぁと思いました。アルミは構造で剛性を稼がないと(=撓みを少なくしないと)マズい素材という認識です。カーボンにおいても比強度がカスですから、強度を素材に頼るようなことをしてはいけないのかなぁという認識です。

様々な助言ありがとうございます。もう少し勉強してみますね。

野良猫さん

剛性に関しては全くおっしゃる通りだと思います。
同一素材で考える場合はそういうことも考慮に入れるべきでしょうね。(っていうか素材が一緒だったら構造しかファクター残らないんだけど)

とにかく今気になるのは振動ですね。
平成23年度 自転車の性能評価技術確立のための基礎研究補助事業 というもので熊大の方がレポートを出しておりましたが、実は乗り心地なんてプラシーボじゃないの?とのこと。
論文じゃなくて報告書みたいなものでしたので詳しいことが全く書かれておらず、なんとももやもやした感じです。

気に食わないのでもうちょっと勉強します。

>クロモリよりも低弾性なCFRPというのは一般的と言うかどうか・・・

よく誤解されるところなんですが、カーボンって繊維『だけ』のデータを見ると非常に優秀なんですよ。
あえてカーボンと書かずにCFRPと書いたのはその意味でなんですが、繊維としてのヤング率がそのままCFRPの物性になるかといえば、当然まったく異なります。
非常に理想的な条件で、最高品質のプリプレグをしっかりバキューム引きながらオートクレーブで焼いてやって、やっと繊維の8割ってあたりでしょうか。
民生品のカーボン製品で250Gpa超えるCFRPはなかなか無いです。
さらにCFRPは方向性のある素材なので、データがそのまま素材の強度と言えるかというと…

そのあたりをゴマカスために、あえて「一般的な」と書いたわけですよww

もちろん、クロモリだって製品化する際の熱の入りによって、強度は大きく落ちる場合もあるわけですから、あくまで一般論なんですがね。

構造と材質で、材質も考えたいって気持ちはわかるんですがね…
材質が構造を制約することで現在のクロモリ、アルミ、カーボンの各々の特性が決定されている部分は多いわけですから、各素材で「どのような構造がとれるのか」の部分を無視しちゃうと問題の本質は見えてこないと思うわけですよ。

最近のクルマの設計屋さんの世界などはもうすでにそうなってきていますが、素材を考えることは構造を考えることであり、構造を考えることはイコール最適な素材は何かと考える事になってきてるわけですから。

nana-cさん

ほへー・・・
こりゃ面食らいました、繊維の8割・・・レジンってそんなに邪魔するもんなんですね。いやいや、全くそういうことは知りませんでした。これだから私のような非専門の人間は・・・いやぁありがとうございます。

>各素材で「どのような構造がとれるのか」
全くおっしゃる通りで。素材を考えたくなるのはやっぱり素人心ってやつなんですかねぇ。にんともかんとも。

>構造を考えることはイコール最適な素材は何か
そういう方向で考えるのですね。イコールと書かれてますが、これは構造→素材っていう方向ですよね。どうしても素人心としては逆方向ばかりに目が行ってしまって。ちょっとそういう視点でも見てみます。

非専門の人間に丁寧にご教授頂きありがとうございました。大変勉強になります。

 まあワンランク上の考察には鋼の知識が必要でしょうね。専門家で鉄という人は少なく、~鋼というのが普通です。JISのハンドブックにもあるように鉄鋼材料はその他金属を圧倒するほどのボリュームがあり金属をしるということの半分以上が鉄鋼材料を知ることになります。そのあたりの議論がすっぽ抜けていきなりアルミにはいってもマグネシウムもあるじゃないとか、様々な論点が湧き上がるでしょうし、カーボンを仮に炭素繊維の意味で使っているのであれば、産業上ほとんど使われていません(航空機材料につかわれてみっともないはしゃぎ様)のでこの3者ともピントのずれた問題設定になっており、ソーシャルエンジニアリングの典型的手法だと思われます。

ネット情報の異常を斬る さん

せっかくだからマジレスしますね。

おっしゃる通りなんですが、現状ですと鉄(チャリンコ乗りの間じゃ鉄で通じます)のチャリを作ろうとしますとですね、使えるパイプが限られてくるわけです。
確かに自前で好きな鋼(こっちは材料名ですね)のパイプを拵えて作る方も居るとは思いますが、本記事の場合、市販品を考えております。

「いきなりアルミやマグネシウム」とのことですが、チャリンコなんて大抵使えるパイプが決まってきますから、(確かに"アルミ"などと一括りにするのは難ではありますが)特に突飛な感じはしないと思うのですが。

更に「カーボン」を炭素繊維と仮定されておりますが、上記と併せてお察しください。

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