ペダリングトルクで破断？
身近ではあまり聞かない。
何か？
それは、自転車でのサドル破断等のトラブル。
サドルの破断は、ピストバイクでは数知れず、ロードバイクでは2回、街乗り折り畳みで1回だ。
ピストバイクでは、TIOGAのスパイダーサドルが3ヶ月でハンモック状の座面樹脂にクラックが入る。次にBBBのチタンレール、カーボン繊維強化のCTLサドルで先端部近くの座面が破断。その後は、セライタリア・サンマルコのサドルでも同じ箇所が破断、カシマBMXレーサーサドルではサドルレールの樹脂への差し込み箇所が抜けて、同じ様なのが、昔のモントローズのサドルもレール抜けで終了。
その後、カシマの5ゴールドというNJS仕様競輪サドルに交換してからはサドルにトラブルは発生しなくなったけど、今度はシートポストのレールクランプボルトが破断損壊である。
アルミのピストフレームではシートステーの付け根にクラックが入ってシートポストがグラグラになってしまったし、学生時代ではフレームのシートパイプがハンガー部ラグの接合部で破断してBBが下に落ちたこともある。
ロードバイクではどうか？というと、こちらも頑丈な筈のセライタリア・サンマルコのサドルが破断している。
折り畳み自転車では？というと年数的には相当長い年数を要したけど、革サドルの後端でレザーを錨留めする金属フレームが破断してしまった。
印象としてはサドルは消耗品、サドルを頑丈にするとシートポストに負担が集中する。そこを頑丈にするとフレームに負担が掛かる、、、、そんな印象である。
因みに、レーパンは履かない。勿論、パッドも不要。サドルにジェル等の衝撃吸収材も不要。固いサドルで何の問題も無い。
そういう状況だけど、色々調べたり、検索してもサドルがペダリングで破断するというのは極めて少数というか皆無に近い。シートポストのサドルクランプボルトが破断するというのも調べてもなかなかヒットしない。フレームのシートパイプの縦方向の保持が失われるようなパイプ破断というのも競技者の中にも、あるかないかのレベルである。
ただ、サドル面が破断したり、クランプボルトが破断したり、シートパイプが破断するというのは、ペダリング時にサドルを上から押す力継続的に作用しているということ。この繰り返し応力による疲労が原因で部材が破断しているのは間違いない。
ところが、自転車の上に人が乗ってペダリングをする時、サドルに体重や走行時の上下振動による体重の慣性重量が作用する以外にサドル上から下向きの力が作用するか？というとなかなかイメージし辛いのも事実である。
ペダリングと車体に掛かる負担を整理して考えると、一番判りやすいのは、ペダリング入力に応じてチェーンには張力が掛かったり抜けたりを繰り返している。クランク水平時にペダルから伝達される動力が最大となりチェーン張力が最大となる。チェーン張力はチェーンリングとカセットの間のチェーンに作用し、チェーンからみるとチェーンリングを後方に引っ張る力、カセットを前方に引っ張る力を生みだしている。つまり、BBとリアアクスルを縮めようとする力になる。この力を受けることでフレームのリア三角に捻れの力が作用する。一定の駆動力を越えると張力はリア三角を縮めようと変形するが、クランクが上死点位置垂直状態になると張力が抜けるために、変形したフレームが復元する方向に変位してチェーンに張力を伝える。これがペダリングトルクによってフレームに蓄えられた力が解放されてトルクの平滑化を生みだしているのである。
この理屈は理解しやすいけど、これは結局は動力がクランクに伝わった後の話である。
サドルから下向きの力というのは、車体に伝わる前の話である。
一般に椅子に座って手は何も掴まない状態。その状態で床を踏んづける力は最大値でも体重以下である。体重以上の力で踏みつけようとすると腰が浮き上がって立ち上がる事になる。
体重以上の力で踏みつけるには腰が椅子から浮かないように手で支えるしか無い。手で何も伝えなければ、椅子、この場合サドルには、体重以上の負荷は基本的に掛からない。しかし、大きな力を伝えるために上体を固定すればその限りではない。上体を固定する事が出来れば、体重という重力ではなく、脚の屈伸によって生まれる脚力をクランクに伝える事が出来る訳だ。脚の屈伸による往復運動をクランク回転に伝えるというと質量の大きな身体の一部を高速で運動させる必要がある。高速で運動させてロスをなくすために必要なのは何か？というと、力の支点位置を固定するということ。車のエンジンで言えばエンジンマウントを頑丈にするということである。脚の屈伸による脚力を大きくするほど、また、脚の往復回数、つまりケイデンスを高くすればするほど、支点位置の固定を頑丈にする必要がある訳だ。つまり、腰を固定する事が不可欠である。自転車の場合、ハンドルにしがみつく等が考えられるが、その状態で上体を抑え込む姿勢を考えてみる。
これはペダリングによる力がクランク水平で真下方向に力を加えているのだが、これによって上体が浮かないようにするには身体を下方向に押さえる。或いは上に浮き上がらないように下から上体を引っ張る事が必要となる。ドロップハンドルで下ハンを握るということは、身体が浮き上がろうとする力に対して、ハンドルを握る事で身体が上に移動しないように保っていると言える。こうやって上体を支えることで体重以上の駆動力をペダルに伝える事が出来る。ここで大事なのは、駆動力を与える支点となる身体を固定していると言う事。
身体の固定をドロップハンドルを握る手で支えるのがスポーツサイクル、重力で支えるのがママチャリ一般車ということになる。
ママチャリ一般車の場合、体重以上の負荷はサドルを介してフレームに作用することはない。そうなると壊れる事もないだろうけど、過激な前傾姿勢の競技用ロード、ピストバイクでは低いハンドルによって身体を下に押し付ける大きな力を加える事が出来る。そのために、サドルには大きな下向きの力が掛かる事となる。こうする事で重力とは別の脚力による大きなトルクをペダルに伝える事が出来るからだ。
その形態故に、ピストバイク、競技用ロードではサドル破断、レールクランプボルト破断、シートパイプ破断が起こりうる訳だ。
ところで、このような破断を回避しながら、体重以上の大きな力をペダルに伝える事は出来ないか？が一つの発想となりうるわけだ。
もっと楽に支える方法は無いか？という事で最初に思い付くのは、腰で支える事。腰で支えるということは一番楽なのがサドルに腰当てを設けること。そうすれば腰当てで身体を固定して前方にペダルを踏みつける事で上体の余分な力を使わずに体重に近いトルクをペダルに掛ける事が出来る訳だ。これがリカンベント等クランクフォワードジオメトリーの自転車の効率的な動力伝達の理由だ。ただ、こういう姿勢というのは通常のスポーツサイクルとか形がかけ離れてくる。そうなると、一般的な価値観から見ると不格好という風になる。
そこで別の方法を考えてみると、ハンドルを下に設け浮き上がる身体を引っ張って支えるのではなく、腰当ての代わりに腕で支えるという手も存在する。腰当てというのはペダルを踏む反力で腰が後方に動くのをストッパーで支える事だけど、腰の後方へのスライドを上方に位置するハンドルにを握って腕で支える事でも腰の移動を防止出来る。腰の後方へのスライドを防止するための握り帽だから握るべきハンドルというのは、高い位置に来る。高い位置にハンドルを設け腕でハンドルを握って腰の後方へのズレを防止する事ができれば、大きな力をペダルに伝える事が出来る訳だ。
これが駆動力の確保で有効な手段でもある。実はこういうコンセプトで、レイノルズ953ロードは作っている。ドロップハンドル＋アシストバー、それに見合ったシート角、クランク長を取り入れている。こうすることで、大きな力を効率的にペダルに作用させる事が出来る訳だ。
サドルに下向きの力が発生するというのは、結局何か？というと、ペダルを踏む力が動力として伝える力の限界値を高めた結果、質量のある下肢を往復運動して発生する振動を抑え込んで効率的にペダルに動力を耐えるために尻を固定した結果ということなのである。
これは、単車、自動車でエンジンマウントの力の事である。エンジンマウントが強固でなければ動力は伝わらない。出力を上げていくとエンジンマウントが千切れるのと同じ事である。大きな力が掛かればエンジンは浮き上がるし、高回転させるとバランスが悪いとエンジンが暴れ出すということである。自転車の場合、乗り手をネジでフレームに固定する訳ではないのである。乗り手はサドルの上に座っているだけだけで、重力による載っかり状態で在れば、重力以上の駆動力を加えると身体が浮き上がるだけである。脚によって駆動力を伝える時、重量以上のトルクを伝えるには、身体を車体に押し付ける事が不可欠なのである。如何に大きな力で身体を車体に固定出来るか？で身体が自転車に伝える力の上限が決まってくると理解出来るだろう。また、質量のある下肢を高速度で往復させると尻の座りが悪いと尻が跳ねるけど、尻はねの防止には、スムーズなペダリングと、下肢の動き、そして尻のしっかりした固定が不可欠な事も理解出来るだろう。
ペダリングトルクは基本は下半身の筋力で生まれるけど、この筋力を駆動力として伝えるには、体重＋腰をサドルに固定する力の大きさが重要となるといっても過言ではない。
腰をサドルに固定する力というのは上体の筋肉を使って身体を固定する力ということである。この力が大きければ大きい程、サドルから車体に作用する下向きの力が大きいということになる。下ハンとかDHバーでの前傾スタイルで大きな力でペダリングしている時は、上腕筋、大胸筋を使っている事が自覚できるけど、そこで生まれた力は身体を固定するために投入しているのだ。身体をしっかり固定できるから脚力を目一杯作用させてペダリングが行えるということになる。
因みに、身体を固定する力は、クランク回転と連動しておりクランク水平時に身体を下向きに押し付ける力が最大値となっている。つまり、クランク回転と連動してフレームに下向きの力が繰り返し連続的に作用しているのである。
今まで、サドル、クランプボルト等の破断頻度を見ると、常に大きな力でペダリングしているピストバイクが最も高くなっている。これは、固定ギアで常時回っている、常時駆動していることが原因と言える。ロードバイク、一般自転車のようにフリーギアの自転車では、そこまで連続的に繰り返し応力がフレームに作用しているとは言えない。それ故に、破断事故が発生しづらいといえる。
大きな力で回転数を上げて乗るというのは、フレームに掛かる負担が想像以上に大きいのである。これがサドル座面の破断、サドルレールの抜け落ち、レールクランプボルトの破断、シートパイプの破断という結果を招くのである。
これを考えると、自転車において動力効率を高めるには、サドルの上の上体を如何に強固に固定するかが極めて重要ということが判る。
最近はシートポストの動きに自由度を与え快適性を高める考え方もあるけど、高トルクでダイレクトな走りを得ようとすれば、サドル部でのライダー保持が甘いと動力ロスが生まれる事が推測される。
勿論、乗り心地重視なら問題無いけど、スポーツサイクルで駆動効率重視だと今一かもしれない。
因みに、サドルから下向きの力をスマートに受けようとすれば、シートポストの理想形状はオフセットゼロのタイプが理想である。オフセットがついたシートポストはシートポストのクランプ部から見て前後の首振り負荷が作用することになる。つまり、この場合はシートポストの縦割れ損壊を招く可能性があるということである。特にポストクランプは端部に一箇所でバンド留めする訳で、上下方向は兎も角前後方向の締結は決して強くない構造となっている。これは、フレームへの負担を考えるとベストとは言い切れない。
まぁ、自身はシートポストはオフセットゼロを選んでいるので問題無いけど、オフセットの大きなポストはフレームへのダメージ軽減という意味では今一かも知れない。
因みに、大きな力でペダリングを行うというのはサドルを介して下向きの力が作用していると言うことである。この力で車体を安定させようとすれば、この下向きの力による車体の横揺れを最小限に抑える事が理想とも言える。そういう意味では、自転車自体は低重心で作るのが理想であり、BBハイトを低く抑え、大きな力による横揺れを抑える思想が理想的とも言える。BBハイトの上下位置の違いの幅は、実際にはそれ程大きくない。あっても20mm程度の幅だろうけど、この幅の範囲で、トークリアランス、下死点時ペダルクリアランスで許せる範囲でBBハイトは落とした方が車体の安定度が高くなり無駄が生まれづらくなるのかもしれない。
先日、レイノルズ953でフレームオーダーする時は、アドバイスに従って作ってもらったフレームは、シートポストはオフセットゼロを使い、筋力、フォームからハンガーは低めを提案して貰ったけど、そういう面でも理に適っている。このフレームはピストバイクでの大きな前傾姿勢によって上体をフレームに押し付ける乗り方とは違い、アップライト気味な姿勢で、クランクフォワードに近い寝たシート角、それから短めのクランク長ながらも上体をアシストホールドするバーで腰を固定しながら無駄なくペダルを前踏み下ろし出来るようにデザインしてあったりする。
高い出力で高ケイデンスという乗り方ではないけど、低ケイデンスでも長いレンジで大きな力を伝えるようにデザインしてある。勿論、大きな力が長い間サドルを介して作用するのでフレーム側ではそれをしっかり受け止める事ができるように組み方、ポストオフセットを選んでいる。
ところで、この辺の考え方はブログで順を追ってアップする。記事は出来ているけど予約投稿の時期は2020年の12月20日くらいとなる予定。