# タイヤ、ホイール、ドライブトレインのエンジニアリング · トライアスロン, レベル8：エキスパート

トライアスロン · レベル8：エキスパート · Insporta Book (https://book.insporta.app/ja/triathlon/level-8/tyres-wheels-and-drivetrain-engineering/)

タイヤ、ホイール、ドライブトレインのエンジニアリング: 事実100件, テスト10件.

パワーを速度に変えるもののエンジニアリングです。数値で見る転がり抵抗、空気圧と振動、タイヤの構造とサイズ、リムとタイヤの形状、ホイールの空力、チェーンと潤滑、ギア比とプーリー、クランクとペダリングの力学、制動の物理、フレームの素材を扱います。

## テスト 1: 数値で見る転がり抵抗

- Crrは無次元の比で、抵抗力はCrrに垂直荷重（質量 × g）を掛けたものに等しくなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 優れたレース用クリンチャーやチューブレスタイヤは、なめらかなドラムや路面で、およそ0.003〜0.004を示します。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 0.004 × 80 × 9.81 × 11.1m/sは約35Wです。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 0.001 × 80 × 9.81 × 11.1は約8.7Wで、タイヤの選択がこれほど重要なのはそのためです。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 力 = Crr × 荷重なので、ライダーと自転車が重いほど、それに比例して転がり抵抗も大きくなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 路面の粗さはタイヤと自転車を跳ねさせ、なめらかなドラムのテストでは捉えられないエネルギー損失を生みます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ゴムのヒステリシスは一般に温まると小さくなるので、同じタイヤでも暖かい日のほうが速い結果になります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 時速40kmでは、空気抵抗によるパワーは通常数百ワットで、転がり抵抗は数十ワットです。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 空気抵抗によるパワーは速度の3乗で減る一方、転がり抵抗によるパワーは速度に比例してしか減らないので、低速では転がり抵抗の比重が大きくなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- スチールドラムはなめらかで曲面になっているため、絶対値は実際の路面とは異なりますが、タイヤの順位は通常そのまま当てはまります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

## テスト 2: タイヤの空気圧、インピーダンス、振動

- 自転車とライダーに伝わった振動は、体と部品の中で熱として消費されます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ブレークポイントより下では、空圧を上げると損失が減ります。それより上では、振動による損失が増えるため、実際の路面ではタイヤが遅くなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 路面が粗くなるほどブレークポイントは下がるため、最速の空気圧も下がります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 軟部組織は振動を減衰させ、力学的エネルギーを前進ではなく熱に変えます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- Frank Bertoは、ライダーの体重でタイヤがその高さの約15%つぶれるような空気圧を提案しました。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- たわみは荷重と空気圧に依存するので、同じ形を保つには、荷重が大きいほど高い空気圧が必要です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 容積と接地幅が大きいと、幅の広いタイヤは、より低い空気圧とより少ない振動で荷重を支えられます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 通常、荷重のおよそ55〜60%が後輪にかかるので、後輪にはやや高い空気圧が必要です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 非常になめらかな路面ではブレークポイントが高いため、空気圧を上げるほどケーシングの損失は減り続けます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 空気を入れすぎたタイヤの硬くて振動の多い感触は速さと間違われがちですが、実際の損失は増えています。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

## テスト 3: タイヤの構造とサイズ

- TPIが高いほど、通常は糸が細く、ケーシングがしなやかになります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 薄くて柔軟なケーシングは、ヒステリシス損失が小さく変形します。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 保護層はタイヤを硬くし、ゴムを増やすので、通常は転がり抵抗を高めます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ETRTOの表記は、タイヤ幅に続いてビードシート径を示します。622mmは標準的な700cロードのサイズです。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- 最初の数字は、タイヤの呼び断面幅です。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- 実際の幅はリムの内幅によって決まり、最近の幅広リムでは、25mmのタイヤが27〜28mmになることがよくあります。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- フックレスリムは、タイヤをフックなしで保持するため、5バールまでに制限されています。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- フックレスのビード用に設計されたタイヤだけが安全に保持され、それ以外はビードが外れて破損するおそれがあります。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- 柔らかくヒステリシスの小さいコンパウンドは、転がりが速く、グリップも高くなりますが、摩耗が早くなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ロードバイクのタイヤは細すぎて、自転車の速度ではハイドロプレーニングを起こさないため、トレッドはグリップをほとんど高めません。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

## テスト 4: リム幅とタイヤの形状

- 内幅が広いとビードが広がり、タイヤの断面は幅が広く丸みの少ない形になります。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- ホイールの設計者は、タイヤがリムより広いと抗力が増えることを見いだし、そのためリムはタイヤよりわずかに広く作られています。 (出典: Poertner, Zipp wheel design notes（2010年代）)
- 膨らんだタイヤは、特にヨー角がついたときに、リムへのなめらかなつながりを乱します。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 幅の広いタイヤは前面投影面積が大きくなりますが、リム幅を合わせることで不利を抑えられます。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 幅の広いタイヤがよく転がるという根拠から、タイヤとリムの形を空力的にそろえるため、リムも広くなりました。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- リムよりかなり広いタイヤは横方向の支えが不十分で、倒れ込んだりよれたりすることがあります。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- タイヤをリムの外側の輪郭の内に収めると、リムを横切る空気の流れが付着したまま保たれやすくなります。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- ETRTOの表は、リムの内幅と、適合するタイヤ幅の範囲を対応させています。 (出典: ETRTO Standards Manual (2023))
- リムより広いタイヤは、リム本来の輪郭を損ない、空力上の利点をいくらか失わせます。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 後輪はフレームと脚に一部が隠れるため、前輪のほうが乱れていない流れをより多く受けます。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## テスト 5: ホイールの空力と構造

- 空気に対して、ホイールの上端は自転車の速度のおよそ2倍で動き、接地点は静止しています。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 上側のスポークは空気中を速く動くため、本数を減らして形を整えると抗力が減ります。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- リムが深いとホイールのまわりの流れがなめらかになり、ヨー角がついたときに前向きのセイル力を生むことがあります。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 前輪のディスクにかかる横方向の力はステアリングトルクを生みますが、後輪ではほとんどステアリングに影響しません。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 横方向にたわむホイールは、パッドやフレームにこすれることがあり、コーナリングやスプリントで頼りない感触になります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 長いブレーキングはリムを加熱します。カーボンの樹脂とタイヤは高温に敏感です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 平地を一定の速度で走っている間は、質量が影響するのは転がり抵抗にわずかに及ぶだけです。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 張力が不均一だと、リムが横方向や半径方向に引かれ、振れの原因になります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 順位は、ヨー角が小さいときと大きいときで逆転することがあるため、1つの数値では実際の挙動が見えません。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 強い突風の横風では、浅いフロントはステアリングへの横力の影響を抑え、深いリアは扱いやすいままです。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## テスト 6: チェーンの摩擦と潤滑

- 実験室でのテストでは、チェーン駆動の効率は最大約98.6%と測定されました。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 効率は、スプロケットが大きいほど、またチェーンの張力が高いほど上がりました。清潔な実験室の条件では、注油による差はほとんどありませんでした。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 管理された清潔な条件では、注油の効果はほとんど測定されませんでした。実際の汚れがあると、その状況は変わります。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 汚れが入ると、ローラーとピンの中に研磨性のペーストができ、摩擦と摩耗が増えます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- パラフィン系のワックスは汚れを寄せつけにくく、テストでも摩擦が小さいものの、塗り直しが必要です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- チェーンは伸びません。摩耗でピッチが長くなり、多くの駆動系では約0.5%が交換の目安です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 伸びたチェーンは歯の上に乗り上げ、高価なスプロケットの摩耗を早めます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 独立したテスト装置は、チェーンを一定のパワーと速度で駆動し、損失を測定します。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 清潔なときに速い潤滑剤でも、汚れると性能が落ちることがあるため、汚れた条件でのテストのほうが現実的です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 清潔で新しく、よく注油されたチェーンは、汚れと摩耗で失われるワットを、低コストで取り戻します。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

## テスト 7: ギア比、チェーンライン、プーリー

- 極端な組み合わせではチェーンが大きく斜めになり、摩擦と摩耗が増えます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- チェーンの角度が大きいと、プレートとスプロケットの歯のこすれが増えます。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 大きなプーリーのまわりではリンクの屈曲が少なくなり、摩擦が減ります。その差は通常1〜2ワットです。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 53/11 × 周長約2.1mは、クランク1回転あたり約10.1mで、毎分90回転なら時速約55kmです。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ディベロップメント = ギア比 × ホイールの周長で、ホイールサイズの異なる自転車のギアを比べるのに使います。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 大きいリングなら、同じギア比でも、より大きなリアスプロケットを使って、チェーンをより真っすぐに保てます。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 1xシステムは変速を簡単にしますが、ギア比の間隔が広くなり、レンジを広くカバーする形になります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 低いギアなら、持続可能なケイデンスとパワーで、座ったまま上れます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- スプロケットが小さいと、歯に噛み合うたびに各リンクがより大きく曲がるため、損失が増えます。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 大きいリングに移すと、チェーンが真っすぐになり、より大きなスプロケットを使うので、摩擦が減ります。 (出典: Spicer et al., J Mech Des 2001)

## テスト 8: クランク長とペダリングの力学

- 120〜220mmの範囲では、最大パワーの変化は数%にとどまり、最適なケイデンスはクランク長に合わせて調整されました。 (出典: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- クランクが短いと、低いエアロポジションでの股関節の折れ込みが減り、快適性とパワーの助けになることがあります。 (出典: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- ストロークの下端での脚の伸びは、クランクの変化分だけサドル高を上げた場合にのみ、同程度に保たれます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 足が円を描く速さは、回転数とクランク半径の両方に依存します。 (出典: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- レビューでは、パワーと効率への影響は一貫しておらず、好むライダーもいるとされています。 (出典: Leong, Elmer & Martin, J Appl Biomech 2017)
- Qファクターはペダル間の横方向の間隔で、膝の軌道と快適性に影響します。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- スタックが高いと、足に対して実質的にサドルが低くなるので、その分を考慮する必要があります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 最大パワーはほぼ同じペダル速度で出るため、クランクが短いほど最適な回転数は高くなります。 (出典: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- ひずみゲージはトルクを測定し、それに回転速度を掛けるとパワーになります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 片側式のパワーメーターは両脚が等しく貢献すると仮定しますが、これはすべての人に当てはまるわけではありません。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

## テスト 9: 制動の物理

- 重心が高いと、荷重移動により、後輪が浮くまでは前輪が制動の大部分を担います。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 幾何学的な制約により、自転車はピッチオーバーの前でおよそ0.5gまでしか減速できず、自動車よりはるかに低い値です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 減速すると荷重が前輪に移り、そのグリップが高まる一方で、後輪は荷重が抜けます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ローターは汚れにくく、制動の熱もリムとタイヤには届きません。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 摩擦は運動エネルギーを熱に変えるので、長い下りでブレーキが熱くなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 運動エネルギーは、したがって一定の減速度での停止距離は、vの2乗に比例して増えます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- タイヤのグリップには限りがあり、制動に使うとコーナリングに回せる分が減ります。これが「摩擦円」です。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- パッド、ローター、フルードが過熱すると、摩擦や圧力が失われ、制動力が下がります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- しっかりしたブレーキングを短く区切って行うと、ブレーキの合間に部品が冷え、コーナーのためのグリップも残ります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ベースバーのレバーに手を伸ばすには時間がかかるため、ライダーはテクニカルな区間ではベースバーに移ります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

## テスト 10: フレームとコンポーネントのエンジニアリング

- 複合材のレイアップは、荷重がかかる方向に繊維を配置するので、高い剛性対重量比と設計の自由度が得られます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- カーボンは、衝撃を受けた後、見た目にはほとんど分からないまま内部に亀裂が入ることがあります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- カーボンは設計された方向には強い一方、締め付けの応力には弱いので、トルクレンチを使えば破損を防げます。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- ケーブルを隠すと、バーとヘッドチューブまわりの、むき出しで乱流を起こす雑多な部分が減ります。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 収納をフレームの形状に組み込めば、気流の中に置いた後付け品による抗力を避けられます。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- ライダーの後流の中や両腕のあいだに置いた場合は、抗力の変化がほとんどない、あるいはむしろ減るという結果になることがよくあります。 (出典: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- アルミ合金は手頃な価格で、ぶつけたときの許容度が高い一方、同じ剛性ならカーボンより重くなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- サイズが合わないフレームは、接点の配置の自由度を制限します。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- チタンは耐久性と耐食性があり、しなやかな乗り心地を得られますが、カーボンよりコストが高く重くなります。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)
- 目に見えない損傷は突然の破損につながるおそれがあるため、専門家による点検や画像検査が望ましいです。 (出典: Wilson & Schmidt, Bicycling Science（第4版、2020年）)

出典: 査読付きのスポーツ工学および生理学の文献。確立した事実については公表された試験データと規格

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