クロモリフレームを考える

　自転車のフレーム材料で、伝統的かつ最近見直されているらしい材料として、クロムモリブデン鋼なる物がある。一般に、クロムを添加することにより耐摩耗性、耐食性を増し、モリブデンを添加することで、硬さ、強さ、粘りを与える材料であり、特に一般に呼ばれるクロモリ鋼ってのは、機械構造用材料として用いられる事が多い。似た材料としてマンガンモリブデン鋼ってのも存在するが、ここで添加されるマンガンは、鋼に一定以上添加することで、モリブデンの添加と似た効果を得られる材料である。他にもハイテンと呼ばれるハイテンシル鋼（高張力鋼）という物もあるが、これは普通の鋼に、マンガン、シリコン、ニッケル、モリブデンといった元素の添加と場合によっては焼き入れ焼き戻しという工程を加えた物もある。高張力鋼とクロムモリブデン鋼の大きな違いというのは、添加元素が一定量あるか否か、元素比が規格を満たしているか否かの違いと考えても差し支えない。デジタル的な区分というよりも、アナログ的な緩やかな分別と捉えても差し支えない。一般に軟鋼といわれるSS400材では、引っ張り強さは400MPa程度だが、ハイテン鋼では490MPa以上で殆どが、590MPa、780MPa、最近では1GPa級のモノも見られる。
　カタログ上で良く見かける言葉としては、4130という番手のクロモリ名称を見かけるが、これはアメリカのANSI規格番号で、JISならばSCM430に相当するモノ。要は材料が何だ！という表記に過ぎず、これだから凄いという風にはならない。

　前回はアルミフレームについてアルミの種類から見た分類を行ったけど、クロモリについても、本当は同じように様々な種類がある。クロモリと一言で言っても、それはあくまでも材料の成分的な分類に過ぎず、それ以上でも、それ以下でもない。自転車フレームに、このような機械構造用材料を用いる性能的根拠は、材料の強度アップに伴う軽量化というのが一番の目的であり、次の理由が、鋼の弾性による乗り心地という２点に絞られる。それ以外の理由としては、伝統的な鉄鋼系材料ということで枯れた加工技術による信頼性、コスト的要因というのもあるし、材料特性上、疲労破壊しないというメリットが挙げられる。クロモリという言葉の総称から伺える事は、強度があるという事に尽きるが、この強度というファクターを自転車にどの様に取り入れているか？が大事である。
　BMX、MTB、シクロクロスのようなオフロード系車両の場合に用いられるクロモリってのは、その強度に着目して更に強度アップを目的としての採用が主体である一方で、ロードバイクの場合は、強度に着目して材料を極限迄薄くすることで軽さとしなやかさを目的としての採用である。多くの自転車系サイトや自転車マニアの話を聞くと、乗っているバイクのタイプに拘わらず、クロモリ＝しなやかという感想を述べられている方が多いが、クロモリ＝しなやかという感触を得ようと思えば、材料自体がしなるような構成でなければ有り得ないのでは無いだろうか？大径プレーンパイプを小さなトライアングルで組んだフレームや、真円断面のストレートフォークでは荷重による変形は大きくは期待できない。
　自転車フレームのしなり、弾性を語るならば、その構成が人力程度の荷重で変形するような構成でなければならず、敢えて言うならば細身のフレームパイプを用いた大きなトライアングル構造で無ければ考えにくい。更に、しなるという変形にクロモリパイプの物性を効かせるという設計思想ならば、変形箇所は、あくまでも構成パイプ材全体における変形でなければ考えにくい。特に三角形を基本とした自転車フレームに置いてはパイプの集合部分に大きな力を受ける訳だが、集合部分（接合部分）における応力集中による局所変形が発生するような材料ってのはクロモリ云々の弾性的特性というのは顕れにくい。パイプ接合部分がTIG溶接のような方法を用いられている場合、フレームトライアングルによる変形を積極的に起こさせる設計思想ならば、溶接部における荷重集中による局所破壊が先に現れるのでは無いだろうか？実際に市販されている車両、フレームを眺めると、TIG溶接によるクロモリフレームは殆ど全てオフロード系車両であり、パイプ径に対してフレームトライアングルは小さくなっており、フレームは、しなりとか、弾性という効果は期待していないように見える。これらの車両におけるクロモリフレームの採用理由ってのは、強大な荷重によるフレーム折損を防止する耐荷重性能を求めたものと考えられる。

　この一方で、ロードバイクのようなモデルではクロモリフレームを用いる理由ってのは、材料の弾性的特性にメリットを見出したものと言える。殆どのフレームは、ラグによるロウ付けによる接合を持ち、フレームトライアングルを大きく取る理由のためか、殆どがホリゾンタルフレーム構造となっている。ロウ付けが行われいないフレームの場合もフレームパイプの接合端を成型してパイプとの接合性に大きな留意を払っているように見える。パイプの接合部は、何れの場合も滑らかな曲線を描いており、接合屈曲部における応力集中を避ける構造となっており、接合部における変形を極力抑えるような構造となっている。このようなフレームでは、用いられるパイプの殆どがバテッド構造となっており、フレームパイプ中央部近辺の薄肉化が図られており、フレームの構造的に、フレームの変形はパイプ中央部における穏やかな変形が起こるようになっているといってよい。

　世間一般で言われるクロモリの乗り味というのを感じようとすれば、細身で大きな三角形を持つフレームで、尚かつ、軽量（パイプが薄くないと弾性変形しそうにない）なモデルという事になるのでは無いだろうか？小径車、折り畳み自転車でのクロモリフレームってのは重量軽減目的の採用か、強度確保のための採用であり、フレーム断面とパイプ長から考えると変形って要素は考えにくい。オフ車系の場合は過激な衝撃によっても破断させないという目的だろう。仮に、フルサイズロード外の車型において、弾性的な挙動を与えようとするのであれば、荷重を受けるフレームパイプ自体に何らかの加工がなされ、TIG溶接部外で変形しそうな構造を持っているのでは？と考えられる。

　今回、531ロードを手に入れて、鋼材系の自転車がトータル４台となった。オモイヨＷＷはパナソニックが商品名として付けたＡＬＥＸフレームという高張力鋼、西DAHONとスピママはANSI規格の4130クロモリ、531ロードがレイノルズ531というマンガンモリブデン鋼であるが、それぞれを比較すると、フルサイズロードの構成パイプが最も細く長い。他の自転車は径は太く短いものである。細くて長いものはしなるが、太くて短いモノってのはしなりにくい。そういう太くて短い鋼材パイプで組まれた自転車からクロモリの乗り心地、鋼材フレームのしなやかさを感じ取るのは至難の業ではないだろうか？ただ、西DAHONのクロモリの折り畳みフレームは前にも述べたが興味深い構造である。それは、チェーンステーのハンガーとの溶接部から離れたところで、パイプが潰された加工が為されており、見た目、意図的に強度を落としたような構造となっているが、こういう処置でもしなければ鋼材系フレームの弾性的な特性は感じることが難しいように見える。

　世間でいうクロモリのバネ感というのは、一体何か？これについて最近よく考える。バネ感という位だから、材料の弾性変形から感じる感覚だろうと考える。ということで、いろんな考えを巡らせてみた。バネ感というのは、ペダリングという自転車を漕ぐ際に車体に作用する内力と、その内力による変形からの復元時における効果の事だと考えられる。
　ペダリングにおいては、クランクが水平時において駆動力最大となりチェーンの張力が最大となり、リアのスプロケットを回す方向、チェーンリングを押し戻す方向に等しく作用する力であるが、この張力は、ハンガーとリアアクスル間の距離を縮めようと作用する。
　一方で、クランクが垂直方向に向いている時は駆動力は最小となる。ここで、ペダリング力最大時における力は、駆動力とハンガーとリアアクスル間の距離を縮めようとする力に分配されるが、後者の力はフレームの後三角形部分の変形を来す。この変形は、弾性率×変形量による力を蓄えており、ペダリング力が最小になると、変形が復元する際に、蓄えられた弾力が解放される。この解放される力は、縮められたハンガーとリアアクスルの距離も元に戻す（広がる）方向に作用し、その際の張力は、やはりスプロケを駆動する方向とチェーンリングを逆転させる方向に作用する。
　このような考えが正しいとすれば、ペダリングの力というのは、駆動力＋変形力として作用し、ペダリングの力が小さくなった時に変形からの復元力として駆動に寄与するとも考えられる。加えるエネルギーの総量は変わらずに、最大出力時の一部が一時的に蓄えられ、その蓄積分が時間差を置いて解放されるということなのだろうか？勿論、変形という仕事の変換を経るために、絶対的なエネルギーというのは減衰していると言えるが、ペダリング中における駆動力の変動（トルク変動）自体は小さくなっていると考えれる。
　この考えを更にシンプルに考えると、靴の裏にスプリングを取り付けて走るようなモノなのかもしれない。脚に掛かる荷重自体を漸増的に変化させて負担を軽減するというもの。もっと言えば、ソールが工夫されたランニングシューズのような効果がクロモリフレーム車にはあるのかもしれない。堅いフレームといえば硬いソールの靴、柔らかいフレームというと柔らかいソールの靴のようなモノなのかもしれない。硬い靴ってのは、踏み込みがダイレクトである反面、足に掛かる衝撃の変動も大きいが、跳ねる靴ってのは、踏み込みに対してワンテンポ遅れるが、足に掛かる負担となる衝撃の変動が穏やかってイメージであり、そういうモノなのかもしれない。

　そんな事を考えながら、色々と自転車に乗ってみるのだが、正直なところ、その違いってのは自分の感性から伺い知る事は難しいのが現状である。

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