自転車

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背景

自転車は世界で最も人気のある交通手段の1つであり、約8億台の自転車が車の数を2対1で上回っています。自転車も最もエネルギー効率の高い車両です。サイクリストは1マイルあたり約35カロリー（1 kmあたり22カロリー）を消費しますが、自動車は1マイルあたり1,860カロリー（1 kmあたり1,156カロリー）を消費します。自転車は、輸送だけでなく、フィットネス、競技、ツーリングにも使用されています。それらは、レーシングバイク、全地形対応バイク、エアロバイク、一輪車、三輪車、タンデムなど、無数の形とスタイルで提供されます。

歴史

1490年までさかのぼると、レオナルドダヴィンチは現代の自転車に非常によく似た機械を思い描いていました。残念ながら、ダヴィンチは車両の製造を試みておらず、1960年代まで彼のスケッチも発見されませんでした。 1700年代後半、Comte de Sivracという名前のフランス人が、2つの車輪でできており、梁で結合された粗い木製の趣味の馬であるCelerifereを発明しました。ライダーはビームの上に座り、足を地面に押し付けることで、その装置を推進します。

1816年、ドイツの男爵カール・フォン・ドライスが操縦可能な趣味の馬を考案し、数年以内に、趣味の乗馬はヨーロッパで流行の娯楽となりました。ライダーはまた、バランスを崩すことなく、足を地面から離してデバイスに乗ることができることを発見しました。そのため、1840年に、カークパトリックマクミランというスコットランドの鍛冶屋が、踏み板で操作される2輪装置を製造しました。 2年後、彼はグラスゴーへの記録的な往復140マイル（225 km）の間に、一気に40マイル（64 km）も移動しました。数十年後、フランス人のエルネストミショーは、フロントアクスルに接続されたクランクと回転ペダルを利用した趣味の馬を設計しました。木製の車輪と鉄で作られたベロシペード フレームとタイヤは、「ボーンシェイカー」のニックネームを獲得しました。

1860年代は、ボールベアリングハブ、金属スポークホイール、ソリッドラバータイヤ、レバー操作の4速ギアシフトの発明により、自転車の改良にとって重要な10年であることが証明されました。 1866年頃、イギリスでジェームズ・スタンリーによってベロシペードの珍しいバージョンが作成されました。それは普通、またはペニーファージングと呼ばれ、大きな前輪と小さな後輪を持っていました。 Ordinariesはすぐに米国に輸出され、そこで会社もそれらを製造し始めました。これらの自転車の重量は70ポンド（32 kg）で、費用は300ドルでした。当時はかなりの金額でした。

1885年までに、別の英国人、ジョンケンプスターリーがローバーセーフティを作成しました。これは、突然の停止時に大きな前輪の上でライダーを側転させる傾向がある通常よりも安全であったため、いわゆるローバーセーフティと呼ばれます。 Safetyには、同じサイズのソリッドラバー製のホイール、チェーン駆動の後輪、およびダイアモンド型のフレームがありました。 1800年代のその他の重要な開発には、衝撃吸収を提供する空気で満たされたインナーチューブを備えたジョンボイドダンロップの空気入りタイヤの使用が含まれていました。コースターブレーキは1898年に開発され、その後まもなく、フリーホイーリングにより、ペダルを踏まなくても車輪が回転し続けることができるため、自転車に乗ることが容易になりました。

フレームは前面と背面の三角形で構成されており、前面は実際には4本のチューブの四辺形を形成しています。トップ、シート、ダウン、ヘッドチューブ。後部の三角形は、チェーンステー、シートステイ、および後輪ドロップアウトで構成されています。フレーム前面のヘッドチューブにはフォークとステアリングチューブが取り付けられています。

1890年代に自転車は非常に人気があり、現代の自転車の基本的な要素はすでに整っていました。 20世紀の前半には、より強い鋼合金がより細いフレームチューブを可能にし、自転車をより軽く、より速くしました。ディレイラーギアも開発され、スムーズな乗り心地を実現しました。第二次世界大戦後、自動車が繁栄するにつれて自転車の人気は低下しましたが、1970年代の石油危機の間に回復しました。その頃、マウンテンバイクは、2人のカリフォルニア人、チャーリーケリーとゲイリーフィッシャーによって発明されました。彼らは、古いバルーンタイヤバイクのワイドタイヤとレーシングバイクの軽量テクノロジーを組み合わせました。 20年以内に、マウンテンバイクはレーシングバイクよりも人気が高まりました。すぐに2つのスタイルのハイブリッドがそれぞれの長所を組み合わせました。

原材料

自転車の最も重要な部分は、適切な幾何学的構成でコンポーネントをリンクするダイアモンド型のフレームです。フレームは自転車に強度と剛性を提供し、自転車の取り扱いを大きく左右します。フレームは前部と後部の三角形で構成されており、前部は実際には4つのチューブ（トップ、シート、ダウン、ヘッドチューブ）の四辺形を形成しています。後部の三角形は、チェーンステー、シートステイ、および後輪ドロップアウトで構成されています。フレーム前面のヘッドチューブにはフォークとステアリングチューブが取り付けられています。

自転車の歴史の多くにおいて、フレームは重いが強い鋼と合金鋼で構成されていました。フレームの素材は、強度、剛性、軽量性、耐久性を高めるために継続的に改善されました。 1970年代には、機械的に溶接できる新世代のより用途の広い合金鋼が登場し、軽量で安価なフレームの入手可能性が高まりました。次の10年で、軽量のアルミニウムフレームが人気のある選択肢になりました。ただし、最強の金属は鋼とチタンで、寿命は数十年に及びますが、アルミニウムは3〜5年以内に疲労する可能性があります。

1990年代までの技術の進歩により、カーボンなどの構造繊維の複合材料で作られた、さらに軽量で強力なフレームが使用されるようになりました。金属とは異なり、複合材料は異方性です。つまり、それらは繊維の軸に沿って最も強くなります。したがって、複合材料は単一部品のフレームに成形でき、必要に応じて強度を提供します。

ホイール、ディレイラー、ブレーキ、チェーンなどのコンポーネントは通常、ステンレス鋼でできています。これらのコンポーネントは通常、他の場所で製造され、自転車メーカーによって購入されます。

製造
プロセス

シームレスフレームチューブは、いくつかの段階を経てチューブに穴を開けて「引き込む」鋼の固いブロックで構成されています。これらは通常、平らな鋼ストリップストックを引き出し、それをチューブに包み、チューブの長さに沿って溶接することによって作られる継ぎ目のあるチューブよりも優れています。次に、シームレスチューブをさらに操作して、チューブの壁の厚さをバッティングまたは変更することにより、強度を高め、重量を減らすことができます。バッティングでは、最も応力がかかるジョイントまたはチューブの端の壁の厚さを増やし、比較的応力が少ないチューブの中央の壁を薄くします。バテッドチューブは、フレームの弾力性も向上させます。バテッドチューブはシングルバテッドで、一端が厚くなります。両端が中央よりも厚いダブルバテッド。トリプルバテッド、両端の厚さが異なります。大腿四頭筋、トリプルに似ていますが、中央が中央に向かって薄くなっています。ただし、一定の厚さのチューブは特定のバイクにも適しています。

チューブは、手でろう付けするか、機械で溶接することによってフレームに組み立てられます。前者は、より労働集約的なプロセスであるため、より高価です。複合材料は、強力な接着剤またはプラスチックバインダーで接合できます。コンポーネントは一般に機械で製造され、手または機械でフレームに取り付けることができます。最終調整は熟練した自転車メーカーによって行われます。

フレームの組み立て

チューブの調整

• 1金属は焼きなましされるか、加熱によって軟化され、くり抜かれて「くぼみ」または「花」を形成します。これらを再度加熱し、酸洗いしてスケールを取り除き、潤滑します。
• 2くぼみを測定し、切断し、適切な寸法に精密に留め継ぎします。大人用自転車のフレームサイズは、通常、シートポストチューブの上部からクランクハンガーの中央まで19〜25インチ（48〜63 cm）です。
• 3次に、ドローベンチに取り付けられたマンドレルまたはロッドの上にくぼみを取り付けます。適切なゲージを実現するために、くぼみはダイを通過し、ダイを通過してより細く長いチューブに引き伸ばされます。これは冷間引抜きと呼ばれるプロセスです。
• 4チューブは、さまざまなデザインと長さに成形およびテーパー加工することができます。テーパーゲージのフォークブレードは、適切な強度、重量、および弾力性を実現するために、12回以上の操作を通過する必要がある場合があります。

ろう付け、溶接、接着

• 5チューブは、手または機械でフレームに結合できます。フレームは、接合部で2つ以上のチューブを結合する金属スリーブであるラグの有無にかかわらず、ろう付け、溶接、または接着することができます。ろう付けとは、基本的に約1600°F（871°C）以下の温度で溶接することです。ガスバーナーは、加熱されたラグの周りに均等に配置され、表面を溶かして洗浄する白いフラックスを形成し、ろう付けの準備をします。ろう付けフィラーは一般的に真ちゅう（銅-亜鉛合金）または銀であり、接合されるチューブよりも低い温度で溶けます。フィラーが塗布され、溶けるとジョイントの周りを流れてシールされます。

位置合わせとクリーニング

• 6組み立てられたフレームをジグに配置し、適切に位置合わせされているかどうかを確認します。フレームがまだ熱くて展性がある間に調整が行われます。
• 7過剰なフラックスとろう付け金属は、酸性溶液で酸洗いし、ろう付けを滑らかになるまで洗浄および粉砕することによって除去されます。
• 8金属が冷却された後、さらに正確な位置合わせが行われます。

仕上げ

• 9フレームは、より完成した外観を作成するだけでなく、フレームを保護するために塗装されています。フレームは最初にアンダーコートで下塗りされ、次に着色されたエナメルで塗装されます。塗料は、手作業でスプレーするか、フレームを自動静電スプレー室に通すことで塗布できます。負に帯電したフレームは、フレームが完全にカバーするように回転するときに、正に帯電したペイントスプレーを引き付けます。最後に、転写とラッカーがフレームに適用されます。フォークブレードなどの部品には、塗装の代わりにクロムメッキを使用することもできます。

コンポーネントの組み立て

ディレイラーとギアシフトレバー

• 10自転車のスタイルに応じて、ギアシフトレバーはダウンチューブ（レーシングバイクで人気）のステムまたはハンドルバーの端に取り付けられます。フロントとリアのディレイラーに伸びるケーブルが取り付けられています。チェーンをあるドライブスプロケットから別のドライブスプロケットに移動させるフロントディレイラーは、シートチューブにクランプまたはろう付けすることができます。リアディレイラーは、ボルトオンハンガーまたは一体型ハンガーで取り付けることができます。

ハンドルバー、ステム、ヘッドセット

• 11ハンドルバーが上がっているか、平らであるか、または私が落とした可能性があります。それらは自転車のステムにボルトで固定され、ヘッドチューブに取り付けられます。ベアリング、カップ、ロックナットなどのヘッドセットコンポーネントは、ヘッドチューブに取り付けられています。ヘッドセットを使用すると、フォークがヘッドチューブ内で回転できるため、ステアリングが容易になります。

ブレーキ

• 12ブレーキレバーはハンドルバーに取り付けられています。ケーブルはブレーキまで伸びており、キャリパーに固定されています。次に、プラスチックまたは布で作られたテープをハンドルバーに貼り付けて、端を塞ぎます。

サドルとシートポスト

• 13シートポストは通常​​、鋼またはアルミニウム合金で、ボルトで固定するか、所定の位置に固定します。サドルは通常、成形されたパッドでできており、ナイロンまたはプラスチック材料で覆われています。革は長い間サドルの標準でしたが、今日ではあまり一般的に使用されていません。

クランクセット

• 14クランクセットはペダルを支え、ペダルからチェーンと後輪に動力を伝達します。クランクセットは、スチールまたはアルミニウム合金のクランクアーム、チェーンリング、およびアクスル、カップ、ベアリングのボトムブラケットアセンブリで構成されています。それらは、自転車のフレームのボトムブラケットにボルトとキャップで取り付けられています。次に、ペダルをクランクアームの端にねじ込みます。

ホイール、タイヤ、ハブ

• 15ホイールメーカーは、ホイールの直径とタイヤのサイズについてA J国際標準化機構（ISO）システムに準拠しています。ホイールは、リムに溶接されたフープに鋼ストリップを圧延する機械によって構築することができます。リムはスポークを受け入れるために穴があけられており、スポークはリムとハブフランジの間に一度に1ラウンドずつひもで締められています。
• 16均一な張力を実現するには、ホイールを半径方向および横方向に真っ直ぐにするか、まっすぐにする必要があります。次に、リムライナー、タイヤ、インナーチューブを取り付けます。チェーンは自転車に取り付けることもできます。
• 17後輪には、いくつかの歯車とスペーサーで構成されるフリー/ホイールが取り付けられており、ライダーがペダリングを停止すると、後輪がクランク機構から解放されます。
• 18ホイールは、ホイールのハブを通る車軸によって自転車のフレームに取り付けられています。車軸は、両端のボルトまたはクイックリリーススキュワーで締めることができます。

未来

20世紀を迎えるにあたり、自転車の未来は有望に見えます。 1990年代の自転車技術の発展は、人力飛行機（HPV）の設計の進歩につながりました。ほとんどのHPVは低めのリカンベントであり、従来の自転車よりも空力特性が高いため、抗力を減らして速度を上げます。リカンベントもより安全であり、多くは貨物室と天候保護を提供します。エコカーと呼ばれる自転車と自動車のハイブリッドは、1990年代までにヨーロッパの路上で浮上し始めました。オランダの外科医WimVan Wijnenによって設計され、天候保護、安全性、荷物室、簡単なメンテナンス、快適さ、スピードを提供しました。

コンピューター技術の使用は、メーカーとデザイナーの設計能力を大幅に強化しました。設計者は、ペダリングやロードショックなど、自転車に作用するさまざまな力をシミュレートできます。コンピューターで生成されたプログラムにより、テストが簡単になり、デザインのバリエーションがより簡単かつ迅速に変更されます。