バイクのフレーム素材の比較: 合金 vs カーボン vs スチール vs チタン

次のバイクに適したフレーム素材を選択する方法

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ポール・ノーマン著

公開日：2021年11月8日午後3時

フレームの素材を選択することは、自転車を購入する際の重要な決定事項の 1 つです。

バイクのフレームは長年にわたりさまざまな素材で作られてきましたが、当初はスチールが主流でした。現在、主な選択肢はアルミニウムとカーボンファイバーの間ですが、依然としてスチールとチタンが一般的です。

各フレーム素材には長所と短所があり、重量、予算、寿命、フレーム、ひいてはバイクに求める性能特性など、ライダーとしての優先事項に応じて異なります。

自転車を購入する際に考慮すべきアルミニウム、スチール、チタン、カーボンファイバーの主な特性は何ですか?

私たちはこのことを知るために二人の専門家に話を聞いた。イギリスのチタンとスチールバイクの専門会社エニグマ社のリチャード・ランバート氏と、現在エアバス社で働く機械エンジニアであり、元プロサイクリストであり、2021年のハイランド・トレイル550の優勝者でもあるリアム・グレン氏だ。バイクパッキングレース（リアムのシングルスピードStooge Cycles Scramblerのギャラリーがあります）。

アルミニウムは低価格から中価格帯のフレームに最適な金属であり、比類のない軽量、剛性、手頃な価格の組み合わせを提供します。

アルミフレームを「アロイ」と呼んでいるのをよく見かけます。これは、純粋なアルミニウムは自転車のフレームに成形するには柔らかすぎるため、物理的特性を変えるために他の要素と混合されるためです。

実際、すべての金属製自転車フレームは同じ理由で合金で作られています。鋼自体は鉄の合金であり、チタンは主にアルミニウムとバナジウムとの合金です。

アルミニウムフレームに関して言えば、6061 や 7005 などの番号 (最も一般的に使用される 2 つのアルミニウム合金) は、各合金を形成するためにアルミニウムに混合される添加剤 (主にシリコンとマグネシウム) のコードです。すべての「レシピ」にはわずかに異なる特性があります。

「すべての金属の強度対重量比はほぼ同じです」とグレン氏は言います。「チューブの強度よりも、チューブの幅や壁の厚さなどの要素が重要です。」

アルミニウムチューブを操作して長さに沿ってさまざまな特性を与えるのは比較的簡単で、アルミニウムチューブは通常、必要な部分の剛性を確保し、必要でない部分の重量を節約するために突き合わせられます。

自転車のチューブは、材質が何であれ、通常は突き当てられています。これは、応力が大きくなり、他のチューブとの接合部に多くの材料が必要となる端の部分が厚くなる一方、重量を軽減するために中央の部分が薄くなるということを意味します。

ストレートゲージチューブは厚さが全体的に均一であり、それに合わせて一貫した特性を備えています。シングルバテッドチューブは片端 (ボトムブラケットの接合部など) が厚く、ダブルバテッドチューブは両端が厚く、トリプルバテッドチューブはチューブの中央の厚みをさらに薄くします。

バッティングは話の一部にすぎず、高級合金フレームが「ハイドロフォーミング」と表現されているのをよく見かけます。これは、高圧流体と金型を使用してチューブの形状を適合させるプロセスを指します。

ハイエンドのアルミバイクはこれまで以上に進化しており、このプロセスは複雑な形状を形成するのに役立ち、重量、強度、快適性などのフレームの特定部分の特性に影響を与えます。最新のアルミニウムフレームの多くは、空力設計の特徴も備えています。

通常、アルミニウム管を溶接してフレームを作成します。未加工の溶接部分は外観が非常にでこぼこしている場合がありますが、プレミアムフレームでは見た目がきれいになるように溶接後に平滑化されることがよくあります。少しの軽量化にも役立ちます。アルミニウムフレームが溶接されると、合金を最大限の強度に戻すために熱処理が行われます。

「[溶接時には]局所的な領域に大量の熱が加えられるため、金属の特性が局所的に変化し、溶接部が最も弱い領域になる可能性があります」とグレン氏は言います。溶接後の焼き戻しはこれを軽減するのに役立ちます。

アルミニウムは、安価な自転車フレームの大部分に使用されている素材ですが、ロードバイクと特にマウンテンバイクの両方で、パフォーマンスを重視した一部の高価なフレームでは依然として人気があります。

アルミニウム合金フレームの正確な特性はバイクによって異なりますが、通常は比較的軽量で高レベルの剛性があり、堅牢で、価格はカーボンファイバーの約 5 分の 1 です。

高価なカーボンフレームの方が常に軽いとはいえ、合金フレームは実際には同じ価格のカーボンファイバーフレームよりも軽い可能性があります。

アルミニウムは鋼よりも密度がはるかに低いです。

その結果、アルミニウムフレームを特大のチューブで作成し、軽量でありながら肉厚を厚くし、高レベルの剛性を実現することができます。 Ribble 氏によると、アルミニウム合金フレームのチューブの壁の厚さは一般にスチールの 2 倍で、チューブの直径は 20 ～ 30% 大きくなります。

アルミニウムフレームは、材料の相対的な剛性と衝撃吸収性の欠如により、歴史的に不快であるという評判がありました。しかし、最新のフレーム構築技術と、ロードバイクの幅広タイヤの傾向により、多くの合金バイクは、より優れた快適性を提供します。乗り心地の向上。

アルミニウムフレームは、強度、剛性、軽量の優れたバランスを提供しますが、アルミニウム合金は、スチールやチタンとは異なり、長期的に疲労する傾向があります。

ただし、アルミニウムフレームはカーボンフレームよりも衝突や偶発的な損傷を受けにくい傾向があります。その結果、アルミニウムは依然としてすべてのマウンテンバイクで人気のフレーム素材であり、予算に余裕のあるプライベートロードレーサーにとっても賢い選択肢となっています。

「鋼は本物である」という古い格言があるように、自転車のフレームに伝統的に使用されてきた素材です。

実際、スチールはプロレベルでも、1990 年代半ばまでの約 100 年間、フレーム製造の定番でした。そのとき、プロロード界でほんの短期間だけアルミニウム合金フレームが主流となり始めました。最初のカーボンファイバーフレームが試されました。

鉄骨フレームの工法は大きく分けてラグを使うか使わないかの2つがあります。

ラグ付きフレームでは、チューブが接合部の鋳鋼ラグに差し込まれ、ろう付けされています。ラグのないフレームには、溶接または隅肉ろう付けされたチューブ接合部が備わっています。

かつては頑丈な構造が一般的で、古典的なスチールフレームには非常に精巧なフレット加工が施されたラグが付いていましたが、溶接を使用するとフレームが軽量になる傾向があり、ろう付けよりも必要な洗浄作業が少なくて済みます。そのため通常、溶接が必要な接合部に余分な材料が発生します。後で削除されます。

一方、グレン氏によると、ろう付けは溶接よりも低い温度で済むため、鋼の特性の変化が少なく、より強力な接合が得られる可能性が高いという。

アルミニウム合金フレームのチューブと同様に、スチールチューブは通常、軽量化のために突き当てられます。昔の丸いセクションではなく、現代の鉄骨フレームではチューブの形状が多様化しています。

パフォーマンス重視のスチールバイクのほとんどはクロモリ鋼で作られており、安価なローエンドフレームに見られる高張力鋼が使用されています。

鋼の組成が異なれば、特性も異なります。レイノルズ 531 は自転車のフレームに使用される古典的な合金で、531 は合金中のマンガン、カーボン、モリブデンの割合を指します。

ただし、現在では、Dedacciai や Columbus などのチューブセットプロバイダーから、さらに多くのオプションがあります。

ランバート氏は、スチールでは多種多様な異なるチューブの組成とプロファイルが利用可能であることを指摘し、他のフレームチューブでは同様ではないと述べています。つまり、選択した内容に応じて、ツーリング用に非常に頑丈なフレームを構築することも、より軽量なフレームを構築することもできます。

ステンレス鋼もオプションです。平均するとクロモリ鋼よりも弱いが、自転車製造用にクロモリと同等かそれ以上の強度を持つ特殊なステンレス鋼が開発されている、とグレン氏は言う。

スチールの主な欠点は重量とコストです。アルミニウムよりも重く、大量生産すると高価になるため、今日のほとんどの金属製自転車フレームではアルミニウムが依然として好ましい選択肢となっています。

ただし、スチールはアルミニウムよりも密度が高く（そして重い）、強度と耐久性にも優れています。これは、フレームビルダーが、重量のペナルティは残りますが、より小さい直径、より薄い壁のチューブを使用し、必要なレベルの剛性を維持できることを意味します。

アルミニウムや、後で説明するようにカーボンファイバーとは異なり、損傷した場合でも（比較的）簡単に修復できます。

同様に、鋼にも疲労限界があり、時間の経過とともに摩耗するアルミニウムとは異なり、疲労限界以下の応力に何度でも耐えることができますが、破損することはありません。

スチールの自然な減衰特性により、たとえアルミニウムの剛性重量比には及ばないとしても、「バネのような」乗り心地、つまり快適な乗り心地が得られます。

これらすべての理由により、スチールは、重量がそれほど気にならないブティックバイクやカスタムバイク、さらにはツーリングバイクやバイクパッキングフレームに人気のオプションです。スチールはチタンよりも価値があり、耐久性と寿命が重要です。

とはいえ、ステンレス鋼で作られていない限り、スチールフレームは外部の腐食を防ぐために塗装する必要があり、錆を防ぐためにチューブの内側にもコーティングすることができます。

チタンは、その乗り心地とコスト、またチタンバイクが「一生もののバイク」としてもてはやされることが多いため、贅沢な選択肢とみなされがちです。

ほとんどの金属には、破損する前に定義された負荷サイクル数が必要です。チタンは、繰り返しの応力やひずみに対する耐久性がはるかに優れているため、熟練したフレーム製造者は、故障のリスクを冒さずに、より軽量でコンプライアンスに優れたフレームを製造できることを意味します。

アルミニウムやスチールフレームと同様に、チタンも合金であり、フレームビルダーが利用できるさまざまなグレードもあります。

AL3 2.5V 合金 (アルミニウム 3%、バナジウム 2.5% を含む) は、チタンフレームに使用される最も一般的なグレードです。 6AL 4V チューブは著しく強度が高く、その結果、加工が難しくなり、高性能フレームや、ヘッドチューブやボトムブラケットスリーブなどの剛性が重要な個々の領域に使用されることがあります。

たとえば、Enigma は、より準拠性の高い Etape フレームセットの 3AL 2.5V アロイ (グレード 9) ではなく、グレード 5 チタンとしても知られる、より剛性の高いハイグレード 6AL 4V アロイをパフォーマンスバイクに使用しています。

チタン合金は耐疲労性にも優れているため、破損することなく曲げることができます。たとえば、Moots はチタンチェーンステーのフレックスを利用して、Mountaineer および Routt YBB フレームセットの後部にピボットレスサスペンションを提供しています。

チタンは、自転車フレームにおいて他の金属に比べて明らかな利点を持っています。スチールよりも密度が低いため、肉厚のチューブを使用しながらフレームセットを軽量化できます。チタンチューブは、同じ引張強さのスチールチューブの半分の重量です。 Enigma のチタンチューブセットの厚さは通常、最も薄い部分で 0.9 mm ですが、スチールの場合は 0.5 mm です。

そのためチタンフレームは凹みにくく、またチタンは腐食しないため塗装の必要がなく、傷や欠けも気になりません。チタンフレームに特有の未加工の仕上げも素晴らしく見えますが、チタンフレームを塗装できない理由はありません。

一方、エニグマのランバート氏によると、チタンは鋼よりも加工がはるかに難しいという。「溶接プロセスの清浄度と制御、特にエニグマではアルゴンガスを使用する酸素のパージに注意する必要があります」と彼は言います。

以前は、入手可能なチタンチューブセットはほとんどなく、バイク専用に設計されていませんでした。これにより、チタンフレームはしなりすぎるという評判が生まれました。ランバート氏は、バイク固有のチューブの選択肢が増えているため、それは今では問題ではないと言い、一方、テーパードステアラーや幅広のボトムブラケット規格などの設計上の特徴により、チタンフレームは用途の要求に応じた剛性を持たせることができるとしている。

とはいえ、優れたフレームビルダーの手にかかれば、チタンは依然として快適な乗り心地を提供するという評判を持っています。

裏を返せば、チタンは最も高価な金属オプションであり、多くの場合カーボンフレームセットの価格を上回ります。

ランスアームストロングが Trek 5500 OCLV で 1999 年のツールドフランスで優勝して以来、カーボンファイバーは高性能自転車フレームの頼りになる素材となってきました。

それには正当な理由があります。カーボンファイバーは適応性の高い驚異的な素材であり、正確な要件に合わせて形状を調整し、剛性、快適性、空力性能のバランスを取ることができます。

ただし、カーボンにも欠点がないわけではありません。カーボンファイバーの自転車フレームは高価であり、市場の最高価格では 5 桁に達しますが、他の素材に比べて衝突による損傷を受けやすい可能性があります。

カーボンバイクのフレームは、エポキシ樹脂のマトリックスに埋め込まれたカーボンファイバー（シート状に織られた繊維）の層で構成されています。カーボンファイバーが強度を与え、樹脂がそれを保持します。

「カーボンは、層ごとの重量比強度が最も優れています」とグレン氏は言います。「しかし、それは一方向のみなので、自転車のフレーム内で複数の角度で積み重ねられています。つまり、重量に対する強度は少し下がりますが、それでも他の素材よりも高いのです。」

ほとんどのフレームは、「プリプレグ」と呼ばれるカーボンファイバー/樹脂素材のシートを何枚も重ねて作られており、フレーム内のさまざまな場所でグレードや向きが異なります。たとえば、Look 社の 795 Blade フレームは 800 以上の異なるプリプレグを使用して作られていると述べています。

「樹脂はフレームに耐衝撃性と圧縮強度を与えます」とグレン氏は言います。「プリプレグを製造する会社は比較的少なく、多くのフレームはサードパーティによって製造されているため、ほとんどのフレームは同じ樹脂で製造されます。これは自転車メーカーが専門とするレイアップであり、それがフレームに異なる品質を与えています。」

レイアップをマスターする必要があるため、カーボンフレーム設計はさらに複雑になります。自転車ブランドも、個々のエンドユーザーが自分のフレームにどのように乗るのかを知りません。そのため、カーボンフレームが異常な荷重に耐えられるようにするために、ある程度の過剰設計が行われることになる、とグレン氏は言います。

手作業でフレーム内のさまざまな層を組み立てたら、フレームを重い金属の型に入れ、圧力をかけながら加熱してさまざまな層を結合します。

モノコックフレームでは、バイクのサイズごとに異なる金型が必要となるため、新しいフレーム設計のセットアップに費用がかかります。

いくつかのカスタムフレームに使用される代替案は、チューブツーチューブ構造です。この構造では、事前に成形されたカーボンファイバーチューブが適切な長さに切断され、接合部で追加のカーボンファイバーで包まれるか、カーボンファイバーのラグに接着されます。コルナゴ C64 は後者の構造方法の典型的な例ですが、コンドルのカーボンフレームセットはチューブツーチューブ構造を使用しています。

非常に限られた数の自転車メーカーが、機械を使用して独自のカーボンファイバーをチューブに織り込んでいます。これは、一部の BMC およびタイムフレームセットで使用されているプロセスです。

カーボンファイバーとすべての金属の主な違いは、カーボンファイバーの複合的な性質によりカーボンファイバーが異方性になることです。これは、その物理的特性が方向によって異なることを意味します。

異方性材料の日常的な例としては木片が挙げられます。縦に割るのは簡単ですが、縦に割るのはかなり難しいです。

これはカーボンファイバーでも同様で、さまざまな部品のレイアウトがフレームの乗り心地と強度に重要であることを意味します。カーボンバイクのマーケティング資料で「レイアップ」への言及が繰り返し見つかるのはこのためです。

もう 1 つの重要な要素は、使用されるカーボンファイバーの弾性率です。弾性率が高い繊維は剛性が高くなりますが、脆さも増すため、「高弾性」として販売されているフレームであっても、さまざまなグレードのカーボン繊維を組み合わせて作られています。弾性率の高いカーボンファイバーは高価でもありますが、最終的には同じ強度でより軽量なフレームが得られます。

カーボンフレームに他の素材が組み込まれている場合もあります。一例としては、ビアンキのカウンターベイル技術が挙げられます。これは多くのフレームに使用されており、粘弾性材料の層をカーボンレイアップに統合しており、ビアンキによれば、これが振動の減衰に役立つとのことです。

バイクブランドがすべてを征服したハイエンドカーボンフレームを称賛する傾向があることから、カーボンファイバーの利点はよく知られています。

フレームの各部分の特性を慎重に精選できるということは、カーボンフレームをバイクの特定の要求とそのバイクが設計されたライディングのタイプを満たすように設計できることを意味します。

カーボンファイバーを使用すると、乗り心地と快適性を考慮しながら、カーボンを複雑な空気力学的チューブ形状に巻き付けるオプションがあり、非常に軽量で非常に剛性の高いフレームを作成できます。

ただし、それには費用がかかります。また、安価なフレームにはカーボンファイバーが常に最良の選択肢であるとは限りません。より手頃な価格のアルミニウム製オプションは、より安価で同等かそれ以上の乗り心地を提供できます。

金属フレームに対するカーボンファイバーのもう 1 つの欠点は、リーマ加工やタップ加工を行ってコンポーネントをねじ込むためのねじ山を設けることができないことです。つまり、通常、ベアリングをフレームに押し込むか、フレームに金属インサートを追加する必要があります。ハウスネジ付きベアリング。

特にプレスフィットのボトムブラケットベアリングはきしむという評判があり、金属インサートはバイクの重量を増加させ、正しく行われないとアライメントの問題を引き起こす可能性があります。

カーボンファイバーは非常に潰れやすいため、クイックリリースのドロップアウトなどの領域で簡単に損傷する可能性があります。そのため、カーボンバイクにはスルーアクスル用の金属製ドロップアウトやインサートが装備されているか、これらの領域に金属製のプロテクターが含まれていることがよくあります。

強打や衝突は、外側からは見えないフレームチューブの内側に損傷を与える可能性があり、フレームが予期せず破損する可能性があります。カーボンフレームにバッシュや激しいクラッシュがある場合は、再び乗る前に検査を受ける必要があります。内部の損傷を検出するには、超音波検査または X 線検査が必要になる場合があります。

カーボンフレームが破損した場合、リサイクルの選択肢は限られていますが、メタルフレームの場合はリサイクルが簡単です。特にチタンの価値は、最終的に埋め立てられる可能性が低いことを意味します。

カーボンファイバー、チタン、スチール、アルミニウムは自転車のフレームに使用される最も一般的な素材ですが、まれなオプションもいくつかあります。

スカンジウムと呼ばれるフレームを時々見かけます。ただし、自転車のフレーム全体に使用するにはあまりにも稀な元素であり、スカンジウムフレームは実際には、他の金属とともに、少量のスカンジウムを含むアルミニウムの合金です。スカンジウム含有量は、合金チューブの強度を高めるために含まれています。

一部の自転車や自転車部品はマグネシウム合金で作られており、その素材で作られたニッチなフレームにより、マグネシウム合金が復活する脅威が続いています。マグネシウム合金はアルミニウムよりも軽く、強度も優れていますが、剛性は低くなります。 Kirk Precision バイクフレームがツールドフランスでレースに出場した 1990 年代初頭に全盛期を迎えました。 Pinarello Dogma は 2006 年遅くまでマグネシウムで作られていました。Vaast はまた、Vaast A/1 グラベルバイクを含むさまざまなマグネシウムフレームも製造しています。

天然素材は自転車フレームにニッチな分野を見出しています。いくつかのブランドが竹製のフレームチューブを備えた自転車を販売しています。ライダーは、路面の振動をうまく減衰させてくれて快適だと報告しています。その結果、自転車は他の素材よりも少し重くなり、竹チューブは環境に優れた認定を誇っていますが、接続するために環境に優しくないラグや樹脂が必要になる場合があります。

亜麻は、カーボン単独よりも振動を吸収しやすいと言われているため、通常はカーボンファイバーと組み合わせて自転車フレームのコンポーネントとしても使用されています。 LOOK 765 エンデュランスバイクシリーズで使用されており、レーシングレジェンドの Johan Museeuw が 2000 年代半ばに発売した一連のバイクにも採用されました。

ポールはほぼ 10 年にわたり、自転車テクノロジーについて執筆し、サイクリングに関するあらゆることをレビューしてきました。彼は Cycling Weekly に 5 年間勤務し、CyclingNews、Cyclist、BikePerfect などのタイトルでも執筆し、BikeRadar にも定期的に寄稿しました。技術面では、リム幅から最新のサイクルコンピューターまであらゆるものをカバーしています。彼は、Cycling Weekly で最初の電動バイクのいくつかをレビューし、それらが今日の洗練されたマシンに発展する様子を取材し、電動に関するすべての専門家になる途中です。ポールはグラベルが発明される前から夢中で、シクロクロスバイクでサウスダウンズを越えたり、チルターンの泥だらけの道を走ったりしていた。彼はクロスカントリーマウンテンバイクにも手を出しました。彼が最も誇りに思っているのは、クロッサーでサウスダウンズウェイを完走したことと、ロードバイクでモンテグラッパに登るという長年の野望を達成したことです。

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