自転車のブレーキは, リムブレーキとハブブレーキ (ディスクブレーキを含む) の2種類に分けられます. ブレーキの種類によって, ホイールのリムにかかる力は異なり, スポークの組み方も関係してきます. 今回のブログでは, 2種類のブレーキと2種類のスポークレイシングについて, リムにかかる応力を計算します. その結果, ハブブレーキとラジアルスポークの組み合わせは, 良くないことがわかりました.
ブレーキ, リム, スポークパターンの紹介
自転車の後輪は, 決して放射状に組まれていないことにお気づきでしょうか. あるいは, ディスクブレーキに移行した後のツールドフランスの自転車の前輪の形状が変わっているのを見たことがあるかもしれません. ペダリングとブレーキングによるトルクで, ホイールのリムに過大な力がかからないようにするために, 接線方向に編む必要があるからです. リムブレーキの場合, ホイールハブにトルクがかからず, ホイール全体がアーチのように機能するため, このような力が発生しないのです. そのため, リムの重量を軽くすることができます. それが, 「リムブレーキのみ！」という警告の訳です.
2005年のトライアスロンバイク. 当時の高性能レーシングバイクに特徴的なラジアルスポークレイアウト. 画像: GS, 再加工: אx – 自作です. ライセンスはWikimedia Commonsを通したCC BY-SA 3.0 による.
なお, ディスクブレーキは2018年以前に UCI で禁止されており, この変更には賛否両論がありました. 構造力学的にどれほどの違いがあるのか, 見ていきましょう.
自転車のリムの力のモデリング
ここでは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオン製品である設計モジュールと構造力学モジュールを使用する自転車リムモデルでの力のモデリングについて説明します.
リムとハブはアルミニウム製と見なされ, スポークは構造用鋼で作られています. タイヤ圧は3バールに設定され, ボルトプリテンション機能を使用して1 kN のスポーク張力を課します. 幾何学的非線形性が考慮され, これによりモデルが完全に非線形になるため, 荷重力の連続適用が使用されます. 2種類のブレーキは別々の荷重ケースとして実装され, スポークのレースパターンはパラメーターで制御されます. レーシングとブレーキのタイプによって与えられる4つのケースに加えて, ブレーキ力の効果を計算します.
シミュレーション結果
グラフは, 2つの荷重ケースと形状のリムの平均応力を示しています. ラジアルスポークレーシングとディスクブレーキを備えたケースは, より大きな応力を持っているとして際立っています. これは, ディスクブレーキ付きのリムブレーキ用に設計されたリムを使用することが安全でない理由を説明しています.
ディスクブレーキはより高いリム力を発生させ, 接線方向にひもで締められたホイール座屈を引き起こす可能性があります.
ラジアルスポークの場合, ハブのトルクバランスを実現するために, スポークの力の向きを変える必要があります. これが, 下の図に示すように, ディスクブレーキのリム力が高くなる原因です. 応力は材料の降伏応力を大幅に下回っていますが, それでも座屈破壊を引き起こすのは十分可能です.
ディスクブレーキのリム応力 (レインボーカラーテーブル) がプロットされています. ラジアルスポークの場合, リムがハブに対してどのように回転するかに注意してください (右).
リムの壊滅的な故障は1つの側面ですが, 剛性もバイクの制御を維持する上で重要な役割を果たす可能性があります. 下のグラフは, 2つのレーシングタイプとブレーキタイプのハブに対するリムの回転を示しています. リムブレーキはリムの限界回転を引き起こしますが, ラジアルレースホイールのディスクブレーキは大きな変形を引き起こします.
リムの回転は, 主にホイールのレーシングとブレーキのタイプに依存します (角度の対数軸に注意してください).
概要
自転車のリムにかかる力を, ブレーキの種類とスポークの組み方を変えてモデル化しました. この結果は, なぜリム警告がついてくるのか, また, なぜいまだにリムブレーキにこだわる人がいるのかを説明するものです.
一方, あまり議論にならないのが, ペダルです. ペダルが何故落ちずにくっついているかご存知ですか？ もしご存知でなければ, 私たちの古いブログをご覧ください. 自転車のペダルはどうやってくっついているのか？
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