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Aug 11, 2023

Alchemy を使用して、カーボンファイバー レイアップがバイクのフレームをあらゆる適切な場所で剛性と適合性を高める方法

Perché è il materiale più leggero, rigido e resistente con cui costruire i telai delle biciclette.

バイクのフレームを作るのに最も軽く、最も硬く、最も強い素材であるにもかかわらず、Alchemy Bikes のエンジニアがカーボンファイバーをパテに例えるとは思いませんでした。 しかし、スチール、アルミニウム、チタンと比較して、カーボンファイバーはバイクの剛性と乗り心地を調整する機会の世界を開きます。

「本当に彫刻できるんです」とアルケミー社のカーボンファイバー技術者、ブラッド・クリック氏は私に語った。

もちろん、カーボンファイバーと金属の間には、乗り心地に寄与する本質的な違いがあり、互換性はありませんが、カーボンファイバーは、チューブの壁の厚さからチューブの接合部に至るまで、より「調整可能」である傾向があります。チューブ自体の形状。

私たちは、フレームの一部を通じてコン​​プライアンスや柔軟性を構築しながら、他の部分を強化して剛性を高めることについて語るブランドからのプレスリリースを毎年何十件も読んでいます。 なぜ？ 一部のチューブはトレイルで激しい力にさらされるため、可能な限り強度が必要ですが、他のチューブは、上に座っている人間の振動や衝撃を滑らかにするために少しの柔軟性を提供できます。 多くの自転車コンポーネントと同様に、それは強さと繊細さのバランスです。映画の 1 つで彼がありそうもない管理人としてキャストされているザ・ロックのように。

このバランスがどのように機能するかをよりよく理解するために、私はコロラド州ゴールデンにあるアルケミーの新しいショップに立ち寄り、エンジニアがライダーの快適性とフレームのパフォーマンスを最前線に据えて、可能な限り最高/最軽量/最強のバイクをどのように構築しているかを聞きました。

アルケミーは、ライダーの体の寸法に合わせたジオメトリーを備えたロードバイクとグラベルバイクを提供しています。 カーボンフレームだとどうしてこうなるのでしょうか？ チューブトゥチューブ構造では、トップチューブとシートチューブをスチールチューブのように適切な長さに切断し、カーボンオーバーラッププロセスで接合します。

しかし、それが起こる前に、クリックはレイアップ スケジュール、つまりチューブ自体のカーボン ファイバーのシートの向きを作成する準備ができているカーボン ファイバーのスプールを備えたレイアップ ルームにいます。

「バイクの特定のチューブやパーツにはそれぞれ独自のレイアップスケジュールがあります」とアルケミーの創設者ライアン・カニッツァロは説明する。 「それは、（カーボンファイバーの）層を何層、そしてどの方向に敷くのかということです。」

ほとんどの場合、Alchemy は織られたカーボンファイバーの代わりに一方向カーボンファイバーを使用しています。 一方向では、繊維は 2×4 の木目のように一方向に走りますが、繊維が異なる角度で走るように切断することもできます。 Alchemy は、各チューブの最適なレイアップ スケジュールを決定することで、乗り心地の特性、コンプライアンスの量、フレームの各セクションの剛性を微調整します。

カーボンファイバーのシートは、それ自体で簡単に千切れてしまいます。 「一度交差すると、2 本の繊維が互いに争うことになります」とクリック氏は言います。 Alchemy のカーボン職人がレイアップ スケジュールを作成し、シートがさまざまな角度で重なり始めると、フレームが強化され始めます。 反対の繊維を持つ2枚のシートを貼り合わせると、突然非常に破れにくくなります。

アルケミーはカーボンファイバーのシートをチューブ内に重ね合わせます。 あるシートでは繊維が 30°で走行し、別のシートでは繊維が 45°で走行する場合があります。 エンジニアは、乗り心地の調整が難しい織物カーボンファイバーを使用する代わりに、希望の剛性を実現するために各チューブの最適なレイアップ スケジュールを決定します。 平均して、各チューブを構成するカーボンファイバーのシートは約 6 枚あります。

アルケミーは、道路フレームとグラベル フレームにチューブツーチューブ構造のみを使用しており、現在もコロラド州ゴールデンの社内で製造されています。 また、フレームに密閉チャンバー構造も与えます。 例えば、トップチューブの内部はシートチューブから遮断されている。 これにより、フレームの振動減衰が向上します。 ただし、マウンテンバイクのフレームにはオープンチャンバーモノコック構造が使用されています。 サスペンションと大きなタイヤの場合、振動減衰はそれほど重要ではありません。

カニッツァーロ氏は、チューブツーチューブ構造と集中的なレイアップスケジュールがロードバイクとグラベルバイクに適しており、モノコックがフルサスペンションマウンテンバイクのフレームに適していると説明しています。

「マウンテンバイクでは、[チューブからチューブへ]はそれほど必要ありません」と彼は言います。 「マウンテンバイクは、サスペンションがすべての機能を果たせるように、できるだけ硬く、耐久性があり、軽量であることが望まれます。なぜなら、マウンテンバイクでは、フレームと同様にサスペンションが乗り心地を引き出すものだからです」十分な剛性と耐久性があり、サスペンションの能力を最大限に発揮させることができます。」

ほとんどのカーボンファイバーフレームと同様に、アルケミーでは金型とブラダーを組み合わせてフレームまたはフレームチューブを作成します。 カーボンファイバーシートを金型に置き、ブラダーをフレームチューブに挿入します。 熱が上昇し、金型がフレームに下向きの圧力を加え、チューブ内のブラダーが最大 200psi まで膨張して内側から外側に圧力がかかり、フレーム チューブを挟んでカーボンファイバーがより強くより高密度になります。 この工程でカーボン繊維に樹脂を混ぜ込むとフレームが硬化します。

ボトムブラケットのようなフレームのより複雑な部分では、アルケミーはブラダーの代わりに圧力を加えるためにシリコンを使用しています。 加熱されると、シリコンが膨張してボトムブラケットの隅を満たし、金型内に外側の圧力がかかります。

Alchemy は、カーボンファイバー ロードバイクとグラベル バイクのレイアップ スケジュールに何が組み込まれているか、また剛性とコンプライアンスのバランスをとるためにバイクのフレームがどのように設計されているかについての一般的なアイデアを提供してくれました。 一般的に、バイクのフレームは、地面の力がバイクと接触する下半分ではより硬くなり、ライダーが座る上半分ではより柔軟になります。 これは、よりボリュームのあるタイヤとサスペンションがホイールを介して伝達される力の多くを処理するフルサスペンションバイクよりも、リジッドフレーム（ロード、グラベル、ハードテール）の場合に明らかに重要です。 フルサスペンション フレームに関しては、アルケミーは剛性と耐久性に応えます。

アルケミーの製品開発責任者、マット・マズザック氏は「マウンテンバイクにはさらなる耐衝撃性が求められる」と語った。 「岩にぶつかることもありますし、ロードバイクとは異なる力がかかります。マウンテンバイクのレイアップは、自転車に快適さを提供するサスペンション、タイヤ、ホイールがあるため、究極の剛性をより重視しています。 「基本的には、サスペンションが本来の役割を果たせるように、フレームを分離してできる限り硬くする必要があります。フレームが柔軟で順応性がある場合は、運動学が台無しになります。」

トップチューブは、ピーナッツバターとゼリーのサンドイッチのパンのようなものです。 それらは最もエキサイティングな要素ではありませんが、それをまとめています。 トップチューブの役割は最も単純です。

「それぞれの作品は、その目的に応じて少しずつ異なる方法で構築されます」とブラッドは言います。 「最も単純なベースレベルは、おそらくトップチューブです。それは 1 本のチューブで、フィットするようにカットされています。非常にシンプルです。」 トップチューブは主にたわみと闘い、他のチューブほどストレスを受けず、繊維がより真っ直ぐな方向にレイアップされます。

シートステーはライダーが座るシートチューブと接続するため、ある程度のしなりを持たせたシートステーを構築することができます。 Alchemy では、シート ステーのねじれ力に対抗するためにねじり抵抗をある程度組み込んでいますが、ここではコンプライアンスが重要です。 カーボンを使用して軽量化することもできますし、チューブに弓や曲がりを持たせて垂直方向のフレックスを高めることもできます。

シート ステーは他のチューブよりも軽くて柔軟性があり、または薄いかもしれませんが、それが必ずしもフレーム内の弱いリンクであることを意味するわけではありません。 カニッツァーロは「この作品は、その目的に必要なだけの強度を持っています」と述べています。

シートチューブは通常、ストレートプライで作られています。 トップチューブと同様に、シートチューブもたわみに対抗するように設計されていますが、快適性を高めるためにある程度のコンプライアンスを持たせるようにも作られています。

乗り心地の点では、ダウンチューブはねじれに耐えることが重要です。 トレイルを横切るとき、ダウンチューブは岩の衝撃をそらし、自転車のペダリングによるねじり力に抵抗し、ボトムブラケットやドロップアウトとは別に、落下やジャンプによる衝撃の多くを吸収する役割を果たします。

チェーンステーはより重く作られており、剛性と耐久性を高めるために追加された 0° カーボンファイバーシートをより多く使用しています。 マズザック氏によると、チェーンステーはより大きな力に耐えられるように作られているため、通常、トップチューブよりも重いという。

これらの部品では、フォークが取り付けられる場所、または後輪が取り付けられる場所に、おそらく 4 分の 1 インチの固体カーボンファイバーが使用されています。 硬いだけでなく、耐久性も必要です。

ボトムブラケットは、着地時の衝撃力やライダーのペダリングによるひねりに耐えます。 粗末な岩を何度も乗り越えたりしますか？ BB は卑劣なフカヒレの攻撃にも耐えられるはずです。 たとえ一部の繊維が掘り出されたとしても、それを補うのに十分な材料があるはずですが、常に徹底的に検査する価値があります。

Alchemy のカーボン フレームのドロップアウトも、同じ理由で厚さが 4 分の 1 インチです。 非常に多くの変化を伴うフレーム上のこれらのスポットは、車軸が狂った場合やカセットが何らかの理由でフレームの内側に接触した場合でも耐えられるように作られています。 アルケミーは、フレーム上の 2 か所 (ウォーターボトルのボスとチェーンステー) に織られたカーボンファイバーを使用し、純粋な強度を実現しています。

最後に、Alchemy は、ショック マウントが上記のコンポーネントと同じくらい硬くなければならないと述べています。なぜなら、エネルギーがショックだけに送られて他の場所に送られることは誰も望んでいないからです。 サスペンションのふらつき感が生じたり、フレームの性能に支障をきたす恐れがあります。

アルケミーがカーボンファイバーの仕事に誇りを持っていることは明らかです。 レイアッププロセスでの手作業のため、金型から取り出されたフレームには、いくつかのファイバーストリップが他のストリップよりも盛り​​上がっている、フレーム上にいくつかの目立つ溝や滑らかでない部分ができます。

カニッツァーロ氏によると、一部のブランドは塗装前に研磨することを承知で、余分にカーボンファイバーを追加するという。 カーボンを研磨して滑らかにしたり、ファイバーの美しさを損なったりするのではなく、Alchemy はフレーム全体にクリア ペイントの厚いコートを追加し、それから研磨して、ペイントの下にレイアップが見えるようにします。

ほとんどの人は、色の下の職人技を見たいため、マットではなく光沢のあるペイントを選択します。 各フレームに最大 40 時間の労力がかかるため、これは正しい選択のように思えます。