こんにちは。けいすけです。
今日はロードバイクのフレーム素材であるクロモリ、アルミ、カーボンの特徴を解説していきたいと思います。
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材料の特徴
「一般的にはこんな特徴がありますよ」という話をするのですが、幅が広い話なので色々あるんですね。
「カーボンはこんなフレームだ」
「クロモリはこんなフレームだ」
「アルミは硬いけれどもカーボンは柔らかい」
というように言われていますが、これは素材だけではなく設計の話で結構変わってきたりするのです。
だから一般的に硬いと言われているアルミも、柔らかいアルミがあったり、硬いカーボンというのもあったりするわけです。
というように色々幅があるのですが、その中でも材料によってある程度「こんな特徴があるよ」ということが言えるのでその材料の特徴についてお話ししていきたいと思います。
一概に言えるわけではないので参考程度にしてみてください。
ここで解説するのは、よく使われているクロモリ、アルミ、カーボンです。
クロモリ
クロモリとは鉄です。
鉄にクロムとモリブデンを入れたものです。
鉄にクロムとモリブデンを入れるとどうなるのか。基本は鉄なんですけれども、鉄って硬くて重いんです。
「硬くて重い素材を使って自転車を作りましょう」ということでどうなるかということです。
強い（硬い）ので少量の鉄を使うだけで十分な強度が出せる
めちゃくちゃ硬い（強い）ので少量の鉄を使うだけで十分な強度が出せますが、軽いのかというと話は別です。
もともと鉄は水の9倍くらい密度が重いので、鉄を使う量としては少ないですが軽いというわけではなく、それなりに重たいものになってしまいます。
少量なのでパイプの肉厚は薄くなってしまう
使う量が少ないと自転車のフレームに使うパイプの肉厚が薄くなってしまいます。
大きな直径のパイプのフレームを作ると肉厚が薄すぎて危ないということでパイプ自体が小さくなりがちなんですね、鉄の場合は。
大きい鉄のパイプを使ったとしても肉厚をそんなに減らせないので、無駄に重たいもの、強度も強すぎるものが出来てしまいます。
なので鉄の場合は、パイプを細くして肉厚もそれなりのものを使います。
必然的にパイプの直径も小さくなる
鉄を使ったクロモリは、必然的にパイプは小さく（細く）なります。
これは美しいですよね。
クロモリのパイプのフレームの美しいところは何と言ってもパイプの細さにあると思っています。
そういう美しいものが出来てきます。
直径が小さいパイプはたわみやすい
ただし、直径が小さいパイプというのはどうしてもたわみやすいです。
引っ張りの強度、圧縮の強度、そのパイプを引っ張るようなときには十分な強度は出しているのですが、どんどんパイプが細くなってくるとパイプ自体はどうしてもたわみやすくなりますね。
これがクロモリフレームは柔らかいと言われる理由ですね。
ということで、鉄というのは硬くて重いがゆえに少量の鉄を使うだけでフレームが出来るのでパイプが細くなり、その結果柔らかいという、そういうフレームが出来るということです。
アルミ
次に、アルミですが、アルミは軽いというイメージがありますよね。
まず、アルミだけだとめちゃくちゃ柔らかいんです。
だから純アルミというようなアルミだけで使われる工業的な製品はあまりなくて、アルミに亜鉛、マグネシウム、銅などを混ぜたジュラルミンというものを使います。
ジュラルミンになるとアルミよりはそれなりに硬くなりますがそれでも鉄よりは柔らかいです。
そして軽いということですね。
柔らかくて軽いというわけです。
鉄と同じ強度を出すためにはたくさんアルミを使うことになる
決してアルミというのはそれ自体で強いとか硬いというわけではないので、鉄と同じくらいの強度を出すためにはアルミをたくさん使う必要があるんですね。
重量としては、結局鉄とだいたい同じくらいの重さになってしまいます。
だからアルミというのは軽いけれども柔らかくて、鉄と同じくらいの強さを出すためにはだいたい同じくらい必要なんですね。
アルミを使ったからといって直ちに軽量化出来るということではないです。
比重量は鉄と同じくらい
結局比重量は鉄と同じくらいです。
アルミを使えば軽量化出来るわけではないんですけれども、アルミには「アルミを使えば軽くなる」というイメージはありますよね。
それは正解で、何故かと言うとアルミは柔らかい分、鉄に比べれば加工がしやすいので鉄では出来ないような複雑で考え抜かれた形にするということが出来ます。
そうすると、形を強度を出しやすい形にすることでアルミは強度が出るということがあります。
今、もしアルミのロードバイクを持っている方がいたら、アルミのロードバイクを見てもらいたいんですけれども。
どこでもいいんですけれども、パイプを見てもらうと例えばトップチューブって先端から反対側にいくにつれてパイプの直径が変わっていると思うんですね。
パイプの先端の方は太めなのに後ろにいくにつれてスーッと絞っていって細くなる。そういうパイプをアルミのロードバイクは使っていると思います。
これは、鉄でこういう形を作るとしたらかなり難しいですね。
アルミだと比較的簡単に出来るので、見た目はシンプルですが複雑な鉄には出来ないような形で作ることが出来ます。
そういう部分でアルミは軽量化が出来たりします。
強度を出すためにはたくさんのアルミを使う必要がある
このように、鉄にはない複雑な形を作ることができるのですが、強度を出すためにはアルミをたくさん使わなくてはなりません。
肉厚を厚くするなら、パイプの径を太くしてしまえばいいのでアルミの場合はどうしてもパイプの径が太くなるという傾向があります。
直径が大きいパイプはたわみにくい
アルミの場合、パイプの径が太くなるということは鉄と逆で、鉄というのは直径が小さいからパイプとしてたわみやすいのですが、アルミフレームはパイプの直径が大きくなるのでたわみにくくなります。
そのことからアルミフレームは硬いと言われるようになりました。
アルミを細いパイプで作るという技術が出てくれば、もっとしなやかなアルミを作ることが出来ると思います。
しかし、基本的にはアルミはパイプが大きくなって硬くなるという傾向があります。
カーボン
最後にカーボンですが、材質としては鉛筆と同じです。
ちなみに軽いか？とか硬いか？というと、超硬いです。鉄とかアルミに比べてめちゃくちゃ硬いです。
そしてめちゃくちゃ軽いです。
軽さとか硬さだけで言ったらアルミとか鉄はカーボンに全く敵わないですね。
カーボンは人類が今まで経験したことのないような硬さなわけです。
カーボンについては「こういう傾向があるよ」というのはなかなか言いづらいので、その仕組みについてお話ししていきます。
出来たものを見るとしなやかなものが多いかなという印象がありますが、ただ作り方によればガチガチに硬いものも作ることが出来ます。
そういうところを説明していきます。
カーボンは糸なんです
カーボンというのは糸なんですね。アルミとか鉄（クロモリ）というのは金属ですけれども、カーボンは、皆さんが今着ている服の繊維と同じ、糸なんです。
その糸を炭素で作っているというものなんですね。
糸を織って布にします（カーボンシート）
糸を織るので縦糸と横糸があって布にするというものですね。
カーボンシートを重ねて（積層）カーボンパイプを作ります
さらにパイプを組み合わせてフレームを作ります。
このカーボンシートを積層してぐるぐると巻いたりしてカーボンのパイプを作り、さらにそのパイプを組み合わせてフレームを作ります。
パイプを組み合わせてフレームを作るというより、フレームの形のものにカーボンのシートをぐるぐる巻きつけてカーボンフレームを作るということになります。
糸ということは
ということで、もともとカーボンというのは糸なんですね。
糸ということは、布にしますよね。
布というのは当然、縦糸と横糸があるじゃないですか。
縦糸と横糸の本数を変えれば、強度をほぼ自由自在に（カーボンの限界はありますが）変えることが出来るわけです。
例えば、縦糸の本数を増やして横糸の本数を減らせれば、同じ重さのカーボンシートにも関わらず縦に引っ張った時にはめちゃくちゃ強い、横に引っ張った時には弱いということが出来るんです。
また、縦糸と横糸は通常90度にクロスしていますけれども、あるところでカーボンシートを45度傾けて貼ったりしたらまた変わるわけですよね。
今度は引っ張るのではなく、ねじるところの強度が一気に強くなったりします。
作ろうと思えばガチガチに硬いフレームもふにゃふにゃなフレームも作れる
カーボンというのはもともと糸なので自由度がめちゃくちゃ高いわけですね。作るのは大変ですけれども、自由度は高いです。
だから本当に一概に言えないですね、カーボンっていうのは。
だから作ろうと思えばガチガチに硬いフレームも作れるし、めちゃくちゃしなやかに跳ね返るようなフレームも作れたりします。
本当に自由度が高いというものですね。
カーボンは柔らかいものが多い？
柔らかいものが多いといように言われているのですが、それはどちらかと言うとこれくらい柔らかい方が市場に受け入れられるという結果の裏返しではないかなと思っています。
あとは、カーボンをたくさん使ってガチガチにすると、たくさん使うということは材料費がかさむのでその辺のちょうどいいところをみているのかなという気がします。
なので、同じカーボンフレームでもAは硬いけれどもBは柔らかい…ということが出てくるので、触ってみて「あ、これくらいかな。」とみないとわからないですね。
まとめ
今日はロードバイクのフレーム素材のクロモリ、アルミ、カーボンの特徴について紹介しました。
- クロモリ（鉄+クロム+モリブデン）硬くて重い
- アルミ（アルミ+亜鉛+マグネシウム+銅など）柔らかくて軽い
- カーボン（鉛筆と同じ）超硬い！そして軽い！
この材料だから硬い、柔らかいというのは一概には言えないですけれども、全体的にはこんな傾向がありますというように思ってもらえればいいかなと思います。
それではまた！
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