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カテゴリ:デザイン( 5 )

自転車のフレーム設計方法みなさん自転車のフレームはどのような設計方法を用いていますか?

わたしは自転車の製作を職業としたことはありませんし構造力学の計算などもしていません、だが何か問題が起こった時その原因を考えたり、解決法を見つけ出すことの体験が役に立ちます。たまたま過去に石油ショックを体験した時に、自転車は世界で一番エネルギー効率の高い乗り物だと言う文献を見たのがきっかけて興味を持ち趣味として自転車の創作活動をはじめました。

自転車のフレームの設計の教科書とかマニュアルというようなものがあるのでしょうか?
ネッドで検索してみても設計方法という情報は見当たりません。素材の物性とかロードバイクに使われるCr-Moチューブのデータはあります。

設計者は、過去に成功した例の設計計算書や設計図を通して「リバースエンジニアリング」という手法で先人から多くのものを学ぶという考え方があります。

この言葉は知的財産権との関係で時として悪いイメージで語られることがありますが、設計はこの手法で先人から多くのものを学ぶものといえるのではないのでしょうか。

例えばロードバイクを例に取るとスケルトン図とチューブのデータは容易に入手することが出来ます。
このデータから断面二次モーメント(I)を計算することは簡単に出来ます。一方、素材の弾性率は近似値として理科年表などから参考データを取り出します。

Cr-Moを例に取れば密度が7.9、弾性率は207Gpという値が出ています。一方、自作のカーボンチューブは密度が1.475、弾性率は120Gp程度のものを作ることが出来ます。

構造力学における片持ち梁という基本の公式には、支点間距離(L)の片側に、ある荷重(P)をかけたときどれだけ変形(δ)するかという場合は式は1を利用します。
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       δ=P*L^3/48*E*I

という簡単な式で求めることが出来ます、近似値を求めるなら十分な精度といえます。
両端支持梁の場合は3を利用します。分母の48が3に変わるだけです、この差には16倍の開きが両端支持梁と片持ち梁にあるということです。換算式 1kgf=9.80665N (例)81.6kgfのときは、800Nで行います。

       δ=P*L^3/3*E*I

自作のカーボンチューブの弾性率もこの式を用いて算出します。具体的にはある長さの供試体に間隔をおいた支点間距離(L)の中央に荷重(P)を加えダイヤルゲージで撓み量を測定することで、この式から逆算して弾性率(E)を求めることが出来ます。断面二次モーメント(I)はノギスで採寸して公式から求めます。

これ等の値から弾性率(E)と断面二次モーメント(I)の積を素材のインデックス(EI)とする相対値として扱います、このようにすると弾性体であれば素材の種類ごとに考える必要がなくなります。

お気づきになったと思いますがCr-Moのデータは豊富にあります、それを利用して組み立てたロードバイクをカーボンに置き換えて作るとすればインデックス(EI)が同じような数値になるようなことにすれば作ることが出来ます。この方法もある意味において「リバースエンジニアリング」といえるのではないかと思います。

この方法が簡便な設計の目安をつけるのに役立つ手法として利用しています。これなら関数電卓があれば簡単に計算が出来るので素人思考の一つとして役立つチェック法だと思います。繰り返し計算をするのであれば表計算ソフトにプログラムを組み込んでおくとか、フリーソフトを利用するのがよいと思います。

このようにして、目安をつけて試作モデルを制作し、壊してみることで、必要な設計の役に立つデータを取ることで解決しているのが最初の段階のトライアルモデルあるいは破壊検査モデルということになります。この結果を基に壊れる一歩手前で安全に乗れるものが作れることになります。

これからはじめる世界最軽量のミニベロに挑戦するテーマではまずフレームをCr-Moを例に取れば密度が7.9、弾性率は207Gpとあるように、これをカーボンチューブ密度が1.475、弾性率は120Gpとしたとき、弾性率が低い分、断面二次モーメント(I)を大きくすることで解決できます。カーボンも、オートクレーブで架橋することと素材を選択すればCr-Moと同等の弾性率が207Gpあるいはそれ以上のものも制作可能です。

この場合Cr-Moを密度が7.9、カーボンチューブ密度が1.58とすると同じフレームを作ると1/5の重量で作れることになります。ちなみにCr-Moのフレームが1600gとすると320gというように超軽量のフレームが計算上作れるということになります。このようなアプローチの仕方を素人思考いうことにします。

よくプロの真似をしたら成功するだろうと考える人がいますがプロにはプロのやり方があり、設備とか技術を同じ物にすることは出来ません、素人には設備とか技能を必要とする方法を追いかけても実現できません。実現可能な発想の思考が生まれて初めて実現の可能性が見出すことができるようになります。この考えることの楽しみこそ趣味の醍醐味と言えそうです。

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KitLegon(C)
クラシックな自転車から現在の物までが展示されていました、リカンベントとか未来の自転車はありませんでしたが、展示されていたPACIFIC PEDAL LIFE DESIGN(撮影:西宮)をご覧下さい。最初に展示されていたこの自転車を見て感動しました。自転車は、その原型が既に確立されている、新しい自転車はその時代の原理が活用している、いわばリエンジニアリングの立場で作られる、したがって初期の自転車のようにビックリするような感動を覚えるようなものは見当たりませんでした。自転車の良さは外観ではなく実用的に乗ってみて確かめることが出来なければ評価はできないものです。展示された自転車のコピーを制作し乗って確かめられるようなことになれば有益なことだと感じました。

ここでは、自転車生活デザインなど「エコ・プロダクツデザインコンペ」の募集などが目に付きました。

その趣旨と目的は下記の通り
近年、環境問題、特に地球環境問題は社会問題となり、国際的な議論や取り組みがいくつか実行され一部は効力を表していますが、地球温暖化など対策が不十分とされるものも存在します。また、経済発展に絡んだ生活の向上と相反して行き詰まり、ライフスタイルの刷新など抜本的な対策が必要となっています。このような状況の中、環境配慮型製品が成功するためには、十分な機能、一貫した品質、低コストを超えた差別的要素が必要で、これらを追求していくとデザインに着眼せざるを得ません。メーカーとユーザーをつなげる言語である"デザイン"主導のイノベーションを実現すれば、顧客に喜びを与えられる製品が生まれます。アイディアだけでなく実現化しマーケットインすることによって期待できるエコ・エフシェンシー(エコの効果)を一つでも多く実現する事がこのエコ・プロダクツデザインコンペの目的です。

優秀な作品の商品化を目指すエコデザインコンペティションです。と紹介されていますので私たちの作品も応募してみてはどうだろうか、例えば荷物乗せ自転車のような実用的なもの、KitLegonの発想最軽量のミニベロにチャレンジというようなものが考えられます。

自由テーマ部門  独創的な考え方、デザイン提案などに参加してみては如何でしょうか。

1. あらゆる分野のデザイナー、技術者、学生など、団体あるいは個人やグループで応募できます。
2. 年齢、性別、国籍は問いません(日本語の理解が必要です)。
3. デザイン提案は、国内外未発表なものに限ります。応募点数の制限はありません。
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04/25更新

本日の小回り自転車のアイデアを取り入れることが秘密の一つあり、久しぶりに面白い実験が出来たと思います。この動画思わず繰り返し見てしまいました。このアイデアはフロント部分のみを車椅子とドッキングさせる案があります、陽だまりの中村さんに提案してみてもと思います。

椅子壱さんから16インチと14インチの片持ちハブをご提供いただきましたので、早速このモデルに取り入れて実験機を製作してみてはどうだろうかと思います。コラボレーションをはじめましょう。

まず、スケルトンを描いてサイズを決める必要があります。針間さん、西宮さん、それぞれ自分のサイズで寸法図を書いてくださるようお願いします。それをベースにカーボンフレームを設計し製作環境を整えることにします。

16インチの折りたたみ式
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輪行目的のコンパクトタイプの習作、Pythonを当初検討しようとしたが乗りこなすのが非常に困難というアドバイスから、実績のあるCruzbike方式を取り上げてみることにしました。このデザインには普通の自転車と同じ感覚で乗れるようにしたいと考えています、またこのモデルには秘密が隠されています、製作する段階になれば公表することにします。ご意見をお寄せください。
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輪行・ポタリング目的の16インチ重量5kgを目指すレモン、巡航速度20から25km/hを目標にしたコンセプト
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自転車は構造が単純で外観を見ることで原理が理解できます。
一寸した工夫で自分でオリジナルを作ることも可能です。
趣味で始めた初期の作品です。この作り方はKitLegonに進化しています。
アルミ合金のバイプとジョイターで作るKitLegon(A)方式で進めてきました、材質の特性と構造的に、やや難点はありますが改善の余地は十分あります。更に発展させて現在進行中のものにカーボン素材を使用したKitLegon(C)の開発を進めつつあります。これを完成させてMT05で公開するのも一つの案だと思います。ここに示した作品のようなものが作れるように、初期のアイデアを生かして初心に回帰して完成させることが必要だと感じています。

03320h KitLegonの原型になるものを収録しました。
12インチサイズの例をサンプルにしました。
画像をクリックしてスライドをご覧ください。
多くの人々が自由発想の自転車が作れるように。
アルミ合金とカーボン製のものを完成させたい。
現在の状況は次のスライドをご覧ください。
カーボン素材を使用したKitLegon(C)の開発途上の実例、アルミ合金のバイプとジョイターで作った例 KitLegon(A)
現在製作予定としていくつかのイメージを描いて見ましたのでご覧下さい。
03320h前三角のフレーム、この部分はハネカムにしてモノコックで作ることも可能。だが、ハネカム素材が非常に高価。
03320hスーパーマンポジションを意識した作例。これ以上取り外すものがないSimpleな構造です。高速走行・向かい風の時には前面投影面積を小さくするライディングポジション。シートの前後位置を調整することでアップライトなポスチヤーもとることが可能。原理的にはこのモデルが良さそうです。このポジションは超前乗りに近いので重心が前方に移動します、したがって前後の輪荷重バランスから見てリアセンターを短くすることが出来るので、次の画像のようになります。

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