非対称オフセットリムの方が効果はあるのでは？

どうも、YMDです☆
前回の記事に引き続き、
ホイールのスポークテンションバランスについて・・・

前回の記事ではハブフランジの幅や大きさの影響について考察しましたが、
そこでフランジの幅方向の位置の影響が大きいと結論付けました。

その後、ふと
「あ、非対称リムってのがあるやん」
と気付きました（遅い）

フランジの幅方向位置の影響が大きいなら、
非対称リムによるリムのオフセットは結構効果大きいのでは？！

というわけで、今回もCADで検証してみましょう☆

手組で使える非対称リムってのはホントに限られてるみたいですね。
とりあえず有名なDTのこれで見てみます。

DT RR440 ASYMMETRIC
http://www.dtswiss.com/Components/Rims-Road/RR-440-asymmetric
オフセット量は明記されてませんが、とりあえず3mmぐらいかな？

まずはエボライトハブの場合から。

駆動側4.02°、非駆動側6.93°

リムの径が違うので厳密に非対称形状の分だけではないですが、

ENVE 1.45の場合だと3.63°の8.04°なので、左右バランスはかなり改善されてますね！

お次、超ハイローフランジのBARTIME RS100ハブ

駆動側4.34°、非駆動側6.6°

おー、かなり近づきましたね。

これぐらい近いと左右同数スポークで普通に組んでも問題なさそうな☆

最後、個人的に一番好きなフランジ寸法のSUZUE

駆動側4.29°、非駆動側7.91°

上2つよりバランスは悪いですが、マシにはなってますね☆

なんかたくさんのパターンで検証して何が何だかになってきてるので、

各パターンでの結果を表にまとめてみました。

左右バランスの良さを見るために、左右のスポーク角度の比も載せてみました。

ちょっと見方が難しいかもですが、同じハブ同士、同じリム同士で比べてみると、

・エボライトハブの場合

　リムをENVE 1.45からDT RR440にすると、左右比が2.21→1.72と約0.5ポイント改善

・ENVE 1.45リムの場合

　ハブをエボライトからRS100にすると、左右比が2.21→1.95と約0.25ポイント改善

リムをわずか3mmオフセットさせるだけで、

かなりの改善効果が見られるのが分かるかと思います。

ただ、ハイローフランジに効果が無いわけではないので、

この2つを組み合わせたパターン（RS100ハブ＋RR440非対称リム）だと、

左右比が約1.5まで近付きます。

上でも書きましたが、これぐらい近くなると2：1組じゃなくても充分なホイールが組めそうな感じもします。

ちなみに、左右のスポーク角の合計が横剛性の大きさにほぼ比例するものと考えられます。

これに関しては、

・ハブのフランジ間幅が広い

・リムの径が小さい≒ディープリム

という2点が大きな要素になります。

RS100ハブはこの合計角度もエボライトハブとほぼ同等で、

かつ左右バランスをエボライトハブより改善出来るので、

一度RR440非対称リムと組み合わせてホイールを組んでみたいですね☆

スポークは、駆動側DTコンペティション、非駆動側DTレボリューションor SAPIM CX-RAY、

組み方は駆動側3cross、非駆動側4crossとかかな。

と書いたところで、

次回はこのスポークの太さや組み方によるテンションの違いを検証してみましょうか。

実は、持ってるホイールもこのように左右でスポークの太さを変えて組んであるのがあるのですが、

それがどういう理屈で効いてるのか整理できていないので、一度整理してみたいと思います。

それはそうと、ここんとここんなマニアックな記事ばっかり書いてますが、

いくら機械設計屋のブログやからって、

こんなマニアックな記事興味持って読む人いるんでしょうか？(笑)

ハイローフランジは左右バランス是正に効果はあるのか？

どうも、YMDです☆
今日は前回の記事に引き続き、ホイールについて書きたいと思います。

前回でも書いたホイール後輪の左右スポークバランスですが、
完組でも手組でもハブのフランジをハイロー(駆動側が大きく非駆動側が小さい)形状にして、
なんとか左右バランスを少しでも是正しようという意図が見えます。
そこで、ハイローフランジがどれぐらい是正に効果があるのか、
スポーク角度という観点から確認してみたいと思います。

まずは手組ホイールで一般的に使われているTNIのエボライトハブで見てみましょう。
またCADで線を引いてみました。
ちなみに、リムはENVE1.45として寸法を置いてあります。

TNIのエボライトハブは、駆動側がφ49mm、非駆動側がφ41mmの
少しだけハイローとなっているハブですが、
この場合で、駆動側のスポーク角度が3.63度、非駆動側が8.04度となります。
フランジの幅方向の距離が、
リムセンターに対して駆動側が16.35mm、非駆動側が36.93mmとなっており、
倍以上の差があるので、
この程度のハイロー具合だとスポーク角度も倍以上の差のままとなります。

ちょっとこれだけだとハイローフランジの検証になりませんね。
では、もっと極端なハイローフランジハブで見てみましょう！
そんなハブがあるのかなぁと思ってましたが、ありました(笑)
初めて見た時、ちょっと笑いかけましたが、作ろうという人はいるものですね☆

BARTIME RS100
http://www.bartimecycling.com/product-Hubs-RS100.php

このハブ、駆動側のフランジ径がφ90mm！！
実にTNIのハブの倍近い寸法です。
非駆動側はφ37mmとなっていて、かなりのハイローとなっています。
では、同じくCADで線を引いて確認してみましょう。

はい。
あれ、こんな程度なのか・・・
駆動側の角度が3.93度、非駆動側が7.67度。
駆動側のフランジ径がほぼ倍で、フランジ幅方向の寸法もほとんど同じなのに、
角度は0.3度しか改善されませんでした。

では、ハイローではないハブでも一応見てみましょう。
今回、実際に組むのに使ったSUZUEのクラシックハイフランジハブです。

このハブはフランジ径が両側φ67mmで、

フランジ幅方向の寸法も駆動側が16.95mm、非駆動側が39.95mmと、

上記2つのハブより広い寸法となっています。

角度は、駆動側3.9度、非駆動側9.13度となりました。

駆動側はRS100ハブと同じぐらい、

非駆動側は上記2つより頭ひとつ角度がついてますね。

では、ここで少し実験をしてみます。

エボライトハブの寸法を変えてみたら、どのようにスポーク角度が変わるでしょうか？

まずはフランジの位置関係はそのままに、

駆動側のフランジ径を10mm大きくしてみましょう。

駆動側のスポーク角度は3.7度になりました。

もとが3.63度なので、フランジ径10mm(半径は5mm)あたりの改善は約0.07度となりますね。

ではフランジの幅方向をいじればどうなるでしょうか？

駆動側のフランジを1mm外に移動させてみます。

こちらは駆動側のスポーク角度が3.85度となりました。
幅方向については、1mmあたり約0.22度の改善となります。


以上のことより、ここでは下のように結論をまとめたいと思います。

ハイローフランジに効果がないことはないが、
その効果は幅方向の寸法に比べてかなり小さくなる。

要するに、フランジ径の差を10mm大きくするより、
フランジの幅方向の差を0.5mm小さくする方が効果は大きいということですね。

もちろん、11速化によって駆動側のフランジはすごく狭苦しい思いをしているので、
現実には駆動側フランジの幅方向の位置をそんなに簡単に動かせません。
かといって非駆動側フランジの幅方向寸法を狭くすると
全体としてのスポーク角度が小さくなり、ホイールの横方向の剛性が弱くなってしまいます。
（それは分かっててこんなこと書いてます笑）

多段ギヤが付いている駆動側のスポーク角度は出来るだけつけたい、
ホイール全体としての剛性も確保したい、
でも左右バランスはある程度保ちたい・・・
ハイローフランジはそんな中での苦肉の策と言えそうですね。

個人的に２：１組が最も良いだろうと思うのは、
このようにハイローフランジのハブでもほとんど解消できないぐらいの角度差があるからです。
それならスポークの本数そのものも左右で差をつけるのが合理的だと思えます。

偉そうに書いてますが、あくまで設計的な観点からこのように書きました。
実際に手組を行っている方の中には、
ハイローフランジは効果があると書いている方もいらっしゃるので、
ハイローによる少しの違いが、実際のホイール組には大きいのかもしれませんね。
理論は大事ですが、頭でっかちになるのではなく、
現場の声も大切にする設計者でいたいと思います。

スポークの組み方及びハブフランジ径による駆動効率の違い

どうも、YMDです☆

昨日の記事はスマホから勢いで書いて、
ちょっと肝心な部分を書き忘れてたのでもう少し追加します。

リヤについては考える要素がフロントより多いと書きましたが、
それは駆動が関わってくるからです。

・駆動が必要になる
・そのための駆動ギヤがあることによってスポークの角度が左右で異なる

ざっくりと挙げて、大きくはこの2つの要素によって影響が出ます。

左右のスポーク角の違いによるアンバランスの是正は、
昨日の記事のように２：１組や左右でスポークの太さを変える、
左右で組み方を変える等によって行われています。
個人的には、角度自体が倍ほども違うので、
スポークの本数自体をそれに応じて変える２：１組が最も良さそうと考えています。

さて、もう一つの要素の駆動を伝えないといけないという点ですが、
ENVEで組んだホイールはリヤのスポークを

ドライブ側：3クロス組
反ドライブ側：1クロス組

としました。
この理由について説明します。

特殊なホイールを除いて、自転車のホイールはスポークにテンションが与えられて、
そのテンションでリムを回して駆動力を伝達するという構造になっています。
スポークを引っ張るのはハブのフランジであり、
ハブのフランジがスポークを一番強く引っ張れるのは、
スポークがハブフランジの径に対して接線方向になっている時になります。
つまり、スポークの角度を接線方向に出来るだけ近付けるのが
駆動伝達効率に対しては良いということになります。

今回組んだホイールのスポークパターンをCADで図にしてみました。
まずドライブ側の図です。

実際のハブやリムの寸法を入れて角度を測ってみると、
今回の組み方ではスポーク角度は約78度となりました。
（ラジアル組が0度、完全接線方向が90度とした場合です）
かなり接線方向に近いのが分かると思います。

続いて、反ドライブ側の図です。

今回、反ドライブ側はラジアル組ではなく、1クロス組にしました。
その理由は、ひとえに出来るだけ駆動伝達効率を上げたかったからです。
反ドライブ側は8本しかスポークがないので、
現実的な範囲で組むことが出来る1クロス組にしました。

ラジアル組の場合、ハブがスポークに与える力をベクトル分解しても、
駆動を伝達する方向への力は理論上は0になります。
（スポークテンション等の要素があるので、現実には完全に0にはなりませんが）
駆動を担う後輪でそんなラジアル組を採用するハッキリとした理由が見つけられなかったので、
後輪にラジアル組を入れる考えはありませんでした。

今回の場合、スポークを引っ張る力をベクトル分解してリムを回す方向の力の大きさを見ると、
反ドライブ側はドライブ側の約62％のリムを回転させる力を発生することになります。
（スポーク1本あたりでの比較、ハブの接線方向に働く力が同じになるとして）
ちなみに、スポークの角度は約50度になります。

以上のことが、今回のホイールで２：１組の3クロス＆1クロス組を採用した理由です。

なお、ハブのフランジ径も駆動伝達効率に大きく影響があるのでは？
と考えて、今どき希少なハイフランジのハブを採用したのですが、
こちらについては考えてた理論に間違いがありました。

間違いの元となった手書き図

この図に書いてあるとおり、
ハブフランジがスポークを引っ張る力を一定として考えると、
スポークがリムを回そうとする力はハブフランジの径に完全に比例します。
要はフランジ径が大きいほど駆動伝達力が優れることになります。
この図でφ40だと8ｋｇ、φ65だと13ｋｇと書いてあるのがそのことになります。

しかしながら、ホイールが完成して実走も済ませた後、
本当にそんなに美味しい話があるんだろうかと疑いの目が出てきました。
ホイール自体の性能に文句はなかったので、
それを理論的に実証しようとして逆に理論の間違いに気付きました。

この理論でいくと、駆動伝達効率が最高になるのはディスクホイールになります。
それもスポークホイールと比較した場合に桁違いの差が発生することになります。
ディスクホイールが駆動効率に優れていることは事実ですが、
この理論が合っているのなら、
ディスクホイールにするだけで10倍ほども伝達効率が上がることになります。

そこでふと気付きました。
自転車にホイールを付けて走る場合、
ホイールを回すのはギヤを介してハブの軸を回して、その力が伝わって、となります。
前提条件として一定にしなければならないのは、ハブ軸に働くトルクなのでした。
トルクが一定の場合、ハブフランジがスポークを引っ張る力は、

スポークを引っ張る力＝トルク÷ハブフランジ径

となり、ハブフランジ径が大きくなるほどスポークを引っ張る力が小さくなります。
結果として、ハブフランジ径が大きかろうが小さかろうが、
スポークがリムを回そうとする力はほとんど差が出ないということになります。
改めて考えるとかなり間の抜けた話です。
美味しい話には気を付けろということですね(笑)


今回はかなり理屈っぽい話を長々と書いてしまいました。
出来るだけ普通の人にも分かるような書き方を心がけましたが、
いかがだったでしょうか？
僕も設計者として、こんな間違いをしないようにもっと精進していきたいと思います。

究極の手組ホイールを考える

どうも、YMDです☆

自転車(ロードバイク)に乗っていると欲しくなってきますよね。

ホイール☆

市場には色々なメーカーが色々なタイプのホイールを出していますが、

機械設計屋の性なのか、
ホイールを選ぶのにメーカーお仕着せの完組ホイールにはあまり目を向けず、

自分でリム・ハブ・スポーク・組み方等を選べる手組ホイールの方に興味が向いてしまいます。

現在、手元には2セットホイールがあるのですが、

その2セット共が手組ホイールです☆

今日はそのうちの僕が考える中での究極を求めた方のホイールをご紹介します。

とりあえず写真を☆

リヤ・ドライブ側

リヤ・反ドライブ側

フロント

リヤを斜めから

さてこのホイール、仕様は下記のようになってます。

フロント

リム：ENVE 1.45 チューブラー 20H

ハブ：Bike Hub Store SLF71W 20H

スポーク：SAPIM CX-RAY

組み方：ラジアル組

重量：486g

リヤ

リム：ENVE 1.45 チューブラー 24H

ハブ：SUZUE クラシックハイフランジ 32H

スポーク：SAPIM CX-RAY

組み方：2:1組(ドライブ側・3クロス、反ドライブ側・1クロス)

重量：755g

タイヤは前後ともMAXXIS Campione

まずフロントですが、

フロントに関してはあまり考える要素は多くはないので、

色んなところを探した中で最もハブのフランジ幅が広いものをチョイス。

フランジ幅を広くすることで横方向の剛性を稼ぐことが出来ます。

ただ、少しだけやり過ぎた感もあって、

当初はフロントも2クロス組を考えてたのですが、

フランジ幅が広すぎて2クロス組にするとフォークと干渉するぐらいになっちゃってました。

仕方なくラジアル組に変更しました。

リヤは色々と考える要素も多く、設計屋としては面白いところです。

左右対称の形状ではないので、
左右同数スポークよりも異数スポークの方がバランスがいいはずなのでは？

現実に、カンパニョーロやシマノ等でも2:1組が普通に取り入れられています。

ホイールを後ろから見た時のスポークが立っている角度、

これがドライブ側と反ドライブ側でおよそ倍ほどの角度差となっているので、

スポーク数を2:1にするのは理に適っていると考えられます。

なおかつ、ラージフランジのハブにすれば、

理屈上はかなりの駆動効率改善効果がある！

と思いましたが、こちらに関してはホイールが出来た後に改めて考え直したら、

その理屈の前提条件に間違いがあることに気付きました。

そりゃそうだ、そんなに劇的に効くならメーカーが取り入れないはずがない(笑)

これに関しては機会があれば別記事にして書こうかと思います。

ラージフランジの駆動効率改善効果は別として、

このSUZUEのハブはフランジ寸法的にも剛性面で有利な寸法となっていて、

(フランジ幅が広い)

結果的には良い仕上がりとなりました。

ラージフランジで見た目も結構カッコいいし(笑)

さて、ホイールの性能の大きな部分を占めるリムについては、

手組ホイールで選べる中ではある意味定番でもあるENVEの1.45をチョイス。

リム高45mmにして、実測でも300gを切るほどの軽量リム。

さらに強度や剛性も十分に確保しているという、
手が届く中では究極と言えるリムでしょう。

スポークに関しては、リム以上に定番のCX-RAYです。

こちらは手組ホイールで性能を求めるなら定番中の定番といったところでしょう。

ホイールビルドは大阪箕面のガソリンアレイさんにお願いしました。

このようなマニアックな要求にも親切に対応してくださる信頼の置けるショップさんです。

もちろん、ホイールビルドの技術も一級品で、

このホイールの前に組んでもらったホイールは一年ほど使っても振れなし！

今回もバッチリでした☆

実際に組み上がったこのホイールで走ってみると、

今まで使ってたアルミリムのホイールの完全上位互換といったところで、

ブレーキ性能以外は劣るところなし！

加速性、巡航性、乗り心地、どれも素晴らしいものでした。

乗り心地まで良かったのは、嬉しい誤算でした(笑)

このように、新しいモノの形を考えるのだけではなく、

既存のものを組み合わせて形にするというのも設計と言えると思います。

設計って難しいことのように思えますが、少し理解出来るようになると面白いものですよ☆