自転車のフレーム
ロッキーマウンテンバイシクルズが製造したスチール製ハードテイルマウンテンバイクのフレーム

自転車のフレームは、自転車の主要部品であり、車輪やその他の部品が取り付けられます。現代的で最も一般的なアップライト自転車のフレーム設計は、安全自転車をベースとしており、メインの三角形とそれに続く後部の三角形の2つの三角形で構成されています。これはダイヤモンドフレームとして知られています。[ 1 ]フレームは強度、剛性、軽量であることが求められ、異なる素材と形状を組み合わせることで実現されています。[ 2 ]

バリエーション

「ダイヤモンド」フレームの中央の水平なトップバーにより、ライダーは自転車のシートの上に足を振り出すことになります。
トライアンフのステップスルー、レディース、またはオープンフレーム
ダーズリー・ペダーセンの自転車（1910年頃）
チェコ共和国のシュコダ自動車博物館で撮影されたペニー・ファージング
ブロンプトンの折りたたみ自転車
イギリス、ヴィクトリア朝時代のプリマスにある自転車。スターリー・ダイヤモンドフレームの前身である。
カンチレバー自転車フレーム
1990年代後半のカーボンファイバー製トレックY-Foil
現代のトラスフレーム

広く普及しているダイヤモンドフレーム以外にも、[ 1 ]自転車用に様々なタイプのフレームが開発されており、そのうちのいくつかは今でも一般的に使用されています。

ダイヤモンド

ダイヤモンドフレームでは、メインの「三角形」は実際には三角形ではありません。ヘッドチューブ、トップチューブ、ダウンチューブ、シートチューブの4本のチューブで構成されているからです。リアトライアングルは、シートチューブと、一対のチェーンステーとシートステーで連結された部分で構成されています。

ヘッドチューブには、フォークとの接合部であるヘッドセットが収められています。トップチューブは、ヘッドチューブとシートチューブを上部で接続します。トップチューブは水平（地面と平行）に配置されることもあれば、スタンドオーバークリアランスを確保するためにシートチューブに向かって下向きに傾斜している場合もあります。ダウンチューブは、ヘッドチューブとボトムブラケットシェルを接続します。

リアトライアングルは、後輪が取り付けられるリアフォークエンドに接続します。シートチューブと、一対のチェーンステー、そしてシートステーで構成されます。チェーンステーはボトムブラケットとリアフォークエンドを繋ぎます。シートステーは、シートチューブの上部（多くの場合、トップチューブと同じ位置、またはそれに近い位置）とリアフォークエンドを接続します。

ステップスルー

歴史的に、女性向けに設計された自転車フレームは、トップチューブがシートチューブの上部ではなく中央に接続されており、スタンドオーバーハイトが低くなっていました。これは、スカートやドレスを着たままでも自転車から降りられるようにするためでした。このデザインはその後、ユニセックスのユーティリティバイクにも採用され、乗り降りを容易にしており、ステップスルーフレームまたはオープンフレームとも呼ばれています。[ 3 ]同様の効果をもたらす別のスタイルとして、ミキストがあります。

カンチレバー

カンチレバーフレームでは、シートステーはシートポストを越えて下方にカーブし、ダウンチューブと合流します。[ 4 ]カンチレバーフレームは、クルーザーバイク、ローライダーバイク、ウイリーバイクで人気があります。多くのカンチレバーフレームでは、シートチューブとヘッドチューブのみがまっすぐなチューブです。

リカンベント

リカンベント自転車は、クランクをライダーの真下ではなく前方に配置することで、ダイヤモンドフレーム自転車のレーサーに見られるような腰の急激な屈曲を避け、ライダーの周りのスリップストリームを全体的に改善します。1934年、フランスではダイヤモンドフレーム自転車がレースで時代遅れになるのを避けるため、リカンベント自転車のレースへの導入が禁止されましたが、[ 5 ]その後半世紀にわたってリカンベント自転車の製造は低迷しましたが、2000年までに様々なメーカーから多くのモデルが販売されました。

うつ伏せ

珍しいうつ伏せバイクでは、クランクがライダーの後方に移動し、頭が前に出て胸を下にした乗車姿勢になります。

十字架または桁

クロスフレームは主にクロスを形成する2本のチューブで構成されています。ボトムブラケットからサドルまでのシートチューブと、ヘッドチューブからリアハブまでのバックボーンです。[ 6 ]

トラス

トラスフレームは、トラスを形成するために追加のチューブを使用します。[ 7 ]例としては、ハンバーズ、ペダーセン、および写真のものがあります。

モノコック

モノコックフレームは内部構造を持たない中空のシェルのみで構成されています。[ 8 ]

折りたたみ

Strida折りたたみフレーム自転車（黄色）

折りたたみ自転車のフレームは、輸送や保管の際にコンパクトな形状に折りたたむことができるのが特徴です。

ペニー・ファージング

ペニー・ファージングのフレームは、大きな前輪と小さな後輪が特徴です。[ 9 ] [ 10 ]

タンデムで社交的

タンデムとソーシャルフレームは複数のライダーをサポートします。

その他

基本的なダイヤモンドフレームのデザインにはさまざまなバリエーションがあります。

  • Trek Y-Foil、Zipp 2001、Kestrel Airfoil、Softrideのほとんどのフレームなど、シートチューブのないフレーム。
  • Graeme Obreeの「Old Faithful」などのトップチューブのないフレーム。
  • 張力を受ける部材のみにケーブルを使用するフレーム。写真のDursley Pedersen自転車、 Pocket Bicycle、2009 Viva Wire [ 11 ] 、デザイナーIonut PredescuのWire Bike [ 12 ] 、 Slingshot Bicycles fold-techシリーズ[ 13 ]など。
  • シートチューブ、チェーンステー、シートステーの代わりにフープが付いたフレーム。ラウンドテールと呼ばれる。[ 14 ] [ 15 ]
  • 90年代初頭には、チェーンステーが高めの自転車が人気を博しました。これは、リアトライアングルとボトムフレームステーを高くすることで、チェーンをリアフレームに通す必要がなくなったためです。これによりホイールベースが短くなり、テクニカルな登坂でのハンドリングが向上しましたが、従来のチェーンステーを持つフレームに比べて、強度が損なわれ、ボトムブラケットのたわみ（補強しない限り）が大きくなりました。[ 16 ]

サイクルタイプの記事では、追加のバリエーションについて説明します。

製造時または後付けでカプラーを追加して、フレームを小さな部品に分解し、梱包や移動を容易にすること も可能です。

フレームセット

フレームセットは自転車のフレームとフォークで構成され、ヘッドセットとシートポストが含まれることもあります。[ 17 ]フレームビルダーはフレームとフォークをペアセットとして一緒に製造することがよくあります。

フレームチューブ

ダイヤモンドフレームは、メイントライアングルとそれに続くリアトライアングルの2つの三角形で構成されています。メイントライアングルは、ヘッドチューブ、トップチューブ、ダウンチューブ、シートチューブで構成されます。リアトライアングルは、シートチューブと、それに続くチェーンステーとシートステーで構成されます。

ヘッドチューブ

ヘッドチューブにはヘッドセットと、ステアチューブを介してフォークのベアリングが組み込まれています。一体型ヘッドセットでは、カートリッジベアリングがヘッドチューブの内側の表面に直接接続されますが、非一体型ヘッドセットでは、ベアリング（カートリッジ式または非一体型）はヘッドチューブに押し込まれた「カップ」と接続されます。

トップチューブ

自転車フレームセット（フレームとフォーク）の概略図

トップチューブ[ 18 ]またはクロスバー[19]は、ヘッドチューブの上部とシートチューブの上部を接続します。

伝統的なジオメトリのダイヤモンドフレームでは、トップチューブは水平（地面と平行）です。コンパクトジオメトリのフレームでは、通常、トップチューブはシートチューブに向かって下向きに傾斜しており、スタンドオーバークリアランスを確保しています。マウンテンバイクのフレームでは、トップチューブはほぼ常にシートチューブに向かって下向きに傾斜しています。伝統的なダイヤモンドフレームの完全性を損なうような急激に傾斜したトップチューブの場合は、同等の強度を得るために、追加のガセットチューブ、フレーム構造の変更、または異なる素材の使用が必要になる場合があります。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]（ジオメトリの詳細については、「ロードバイクとトライアスロン用自転車」を参照してください。 ）

ステップスルーフレームは通常、ライダーが自転車に乗り降りしやすいように、トップチューブが急勾配に傾斜しています。ステップスルーフレームの他のデザインとしては、モノコックメインフレームのようにトップチューブを完全に省略したもの（分離型またはヒンジ式のシートチューブを使用）や、ミキストフレームのようにリアフォークエンドまで続くツイントップチューブなどがあります。ダイヤモンドフレームに代わるこれらのデザインは、同等の強度と剛性を得るために重量が増加するものの、より汎用性を高めます。[ 20 ] [ 21 ]

コントロールケーブルはトップチューブ上のマウントに沿って配線されるか、場合によってはトップチューブの内側に配線されます。最も一般的なのはリアブレーキのケーブルですが、マウンテンバイクやハイブリッドバイクの中には、フロントディレイラーとリアディレイラーのケーブルもトップチューブに沿って配線されているものもあります。かつては高価格帯でのみ採用されていた内側配線は、ケーブルを損傷や汚れから保護し、例えばギアシフトの信頼性を低下させる原因となります。[ 23 ]

ライダーがバイクにまたがり、地面に立った状態で、トップチューブと股間との間の空間をクリアランスと呼びます。地面からこの地点までの全高をハイトレバーと呼びます。

ダウンチューブ

ダウンチューブはヘッドチューブとボトムブラケットシェルを繋ぎます。レーシングバイクや一部のマウンテンバイク、ハイブリッドバイクでは、ディレイラーケーブルはダウンチューブに沿って、あるいはダウンチューブ内を走っています。古いレーシングバイクでは、シフトレバーはダウンチューブに取り付けられていましたが、最近のモデルでは、ブレーキレバーと同様にハンドルバーに取り付けられています。

ボトルケージマウントもダウンチューブに取り付けられており、通常は上側ですが、下側にも取り付けられている場合があります。ボトルケージに加えて、小型のエアポンプも取り付けられる場合があります。

シートチューブ

シートチューブには自転車のシートポストが収納されており、シートポストはサドルに接続されています。サドルの高さは、シートポストをシートチューブに差し込む長さを変えることで調整できます。一部の自転車では、クイックリリースレバーで調整できます。シートポストは少なくとも一定の長さ差し込む必要があり、その長さは最小挿入長マークで示されています。

シートチューブには、ボトルケージやフロントディレイラー用のろう付けマウントが付いている場合もあります。

チェーンステー

チェーンステーはチェーンと平行に走り、ボトムブラケットシェル（ペダルとクランクの回転軸を支える部分）とリアフォークエンドまたはドロップアウトを繋ぎます。チェーンステーが短いほど、一般的に加速性能が向上し、上り坂での走行が容易になります。少なくとも、ライダーは前輪が地面から離れるのを回避できます。[ 23 ]

リアディレイラーケーブルの一部がダウンチューブに沿って配線されている場合、チェーンステーにも配線されます。場合によっては（主に1990年代後半以降に製造されたフレーム）、ディスクブレーキ用のマウントがチェーンステーに取り付けられていることもあります。後輪の前、ボトムブラケットシェルの後ろでチェーンステーを繋ぐ小さな支柱があり、「チェーンステーブリッジ」と呼ばれることもあります。

チェーンステーは、テーパードチューブまたはテーパーなしチューブを使用して設計されます。後輪、チェーン、クランクアーム、または足のかかとのためのクリアランスを確保するために、リリーフ、楕円形、圧着、S字型、または高さのある形状にすることもできます。

シートステー

デュアルステーシートステーシステムの例

シートステーは、シートチューブの上部（多くの場合、トップチューブと同じかそれに近い位置）とリアフォークのドロップアウトを繋ぎます。従来のフレームは、後輪上部のブリッジで接続された、シンプルな平行チューブで構成されています。リアディレイラーケーブルがトップチューブに沿って配線されている場合、通常はシートステーにも配線されます。

長年にわたり、伝統的なシートステーのデザインに代わる多くの代替案が発表されてきました。シートチューブの前方、トップチューブ後端の下まで伸び、シートチューブの前でトップチューブに接続して小さな三角形を形成するシートステーのスタイルは、1923年にイギ​​リスのフレームビルダー、フレッド・ヘレンズによって発表されたヘレニックステーと呼ばれています。 [ 24 ]ヘレニックシートステーは、重量は増えるものの、見た目の美しさを高めます。このシートステーのスタイルは、20世紀後半にGTバイシクルズ（「トリプルトライアングル」の愛称で）によって再び普及しました。GTバイシクルズは、このデザイン要素をBMXフレームに取り入れました。このデザイン要素は、リアトライアングルの剛性を大幅に向上させ（レースで有利）、また、同様の理由からマウンテンバイクのフレームにも採用されています。

2012年、シートチューブをバイパスしてトップチューブのさらに奥に接続する従来のシートステーのバリエーションがVolagi Cyclesによって特許取得されました。[ 25 ]このフレーム要素は、従来のシートステーのデザインに長さを追加し、フレームの剛性を犠牲にしてより柔らかい乗り心地を実現しました。

シートステーのもう一つの一般的なバリエーションは、ウィッシュボーン、シングルシートステー、またはモノステーです。[ 26 ]これは、後輪のすぐ上でステーをモノチューブに結合し、シートチューブに接続します。ウィッシュボーン設計は、横方向の剛性を増加させることなく垂直方向の剛性を高めますが、横方向の剛性は一般的にサスペンションのない後輪を持つ自転車には望ましくない特性です。[ 27 ]ウィッシュボーン設計は、独立懸架式後輪を持つ自転車のリアトライアングルサブフレームの一部として使用するのが最適です。

デュアルシート ステーとは、自転車の前部の三角形と 2 つの別々のポイント (通常は横並び) で接するシート ステーを指します。

ファストバックのシートステーは、シートチューブの側面ではなく、後ろでシートチューブと接合します。[ 28 ]

ほとんどのシートステーでは、後輪の上とシートチューブとの接合部の下のステーをブリッジまたはブレースで接続するのが一般的です。このブリッジは横方向の剛性を高めるだけでなく、リアブレーキ、フェンダー、ラックの取り付けポイントとしても機能します。シートステー自体にブレーキマウントが取り付けられている場合もあります。固定ギアやトラックバイクのシートステーには、ブレーキマウントが付いていないことがよくあります。

ボトムブラケットシェル

ボトムブラケットシェルは、フレーム内の他のチューブに比べて短く、直径の大きいチューブで、左右に伸びてボトムブラケットを固定します。通常はネジ山が切られており、自転車の右側（駆動側）はフレッティングによるねじれを防ぐため左ネジ、左側（非駆動側）は右ネジになっています。自転車のチェーンの張力を調整できる偏心ボトムブラケットなど、様々なバリエーションがあります。通常は大きく、ネジ山がなく、分割されている場合もあります。チェーンステー、シートチューブ、ダウンチューブはすべて、通常、ボトムブラケットシェルに接続されます。

シェル幅には、従来からいくつか標準的なもの（68、70、73 mm）があります。[ 29 ]ロードバイクでは通常 68 mm が使用され、イタリアのロードバイクは 70 mm を使用します。初期のマウンテンバイクは 73 mm を使用し、後期モデル（1995 年以降）では 68 mm がより一般的に使用されています。最近の自転車の中には、シェル幅が 83 mm または 100 mm のものもあり、これらはダウンヒルマウンテンバイクやスノーバイクに特化しています。シェル幅は、自転車のQ 係数またはトレッドに影響します。標準的なシェル直径（34.798 – 36 mm）がいくつかあり、それに関連するねじピッチ（24 - 28 tpi）があります。

一部のギアボックス付き自転車では、ボトムブラケット シェルが、一体型ギアボックスまたは取り外し可能なギアボックスの取り付け場所に置き換えられる場合があります。

フレームジオメトリ

チューブの長さと、チューブの取り付け角度によってフレームジオメトリが決まります。異なるフレームジオメトリを比較する際に、設計者はシートチューブ角度、ヘッドチューブ角度、（仮想）トップチューブ長、シートチューブ長を比較することがよくあります。自転車の仕様を完成させるために、ライダーはサドル、ペダル、ハンドルバーの相対的な位置を調整します。

  • サドルの高さは、ボトムブラケットの中心からサドルの中央上部の基準点までの距離です。[ 30 ]
  • スタックとは、ボトムブラケットの中心からヘッドチューブの上端までの垂直距離のことである。[ 31 ]
  • リーチとは、ボトムブラケットの中心からヘッドチューブの上端までの水平距離のことである。[ 32 ]
  • ボトムブラケットドロップとは、ボトムブラケットの中心がリアハブの高さより下にある距離のことである。[ 33 ]
  • ハンドルドロップとは、サドルの頂点からハンドルバーまでの垂直距離のことである。[ 34 ]
  • サドルセットバック、サドルの前部とボトムブラケットの中心間の水平距離。[ 35 ]
  • スタンドオーバーハイト、トップチューブから地面までの高さ。[ 36 ]
  • フロントセンターとは、ボトムブラケットの中心からフロントハブの中心までの距離である。[ 37 ]
  • つま先の重なり、つまり足が前輪の操舵を妨げる量。[ 38 ]

フレームの形状は用途によって異なります。例えば、ロードバイクではハンドルがサドルに対して低く、より遠くに配置されているため、より前屈みの姿勢になります。一方、ユーティリティバイクでは快適性を重視し、ハンドルが高く、より直立した姿勢になります。

フレームのジオメトリもハンドリング特性に影響を与えます。詳しくは、自転車とオートバイのジオメトリと自転車とオートバイのダイナミクスに関する記事をご覧ください。

フレームサイズ

よく使われる測定単位

フレームサイズは伝統的に、シートチューブに沿ってボトムブラケットの中心からトップチューブの中心まで測定されていました。典型的な「ミディアム」サイズは、ヨーロッパの男性用レーシングバイクでは54cmまたは56cm（約21.2インチまたは22インチ）、男性用マウンテンバイクでは46cm（約18.5インチ）です。現在ではフレームの形状が多様化しているため、フレームサイズの測定方法も変化しています。[ 39 ]ツーリングフレームは長めの傾向があり、レーシングフレームはよりコンパクトです。

ロードバイクとトライアスロンバイク

ロードレースバイクは、重量と空気抵抗を最小限に抑えながら、効率的なパワー伝達を実現するように設計されています。ロードバイクのジオメトリは、大まかに言えば、水平トップチューブを備えた従来のジオメトリと、傾斜トップチューブを備えたコンパクトなジオメトリに分類されます。

伝統的なジオメトリのロードフレームは、快適性と安定性に優れているとされることが多く、ホイールベースが長めになっている傾向があり、これがこの2つの要素に貢献しています。コンパクトジオメトリでは、ヘッドチューブ上端がシートチューブ上端よりも高くなるため、スタンドオーバーハイトが低くなり、スタンドオーバークリアランスが広がり、重心が低くなります。コンパクトフレームのライディングメリットについては意見が分かれていますが、いくつかのメーカーは、サイズ展開を絞り込むことでほとんどのライダーにフィットし、トップチューブが完全に水平でなくてもフレームを組み立てやすいと主張しています。

レース用のロードバイクは、水平面から測ったシートチューブ角度がより急峻になる傾向があります。これにより、ライダーは空気力学的に、そしておそらくより強いストロークの姿勢になります。その代償として、快適性が低下します。ツーリングバイクやコンフォートバイクは、伝統的にシートチューブ角度がより緩やかな（垂直度が低い）傾向にあります。これにより、ライダーは坐骨により座位をとることになり、手首、腕、首の負担が軽減され、男性の場合は、泌尿器系や生殖器系の血行が良くなります。角度を緩やかにすることで、設計者はチェーンステーを長くし、通常はホイールの後方にある重心を、バイクのフレームの中央上に、より理想的な位置に再配置します。ホイールベースが長いと、衝撃吸収効果も高まります。現代の大量生産のツーリングバイクやコンフォートバイクでは、シートチューブの角度は無視できるほど緩くなっています。これはおそらく、自動化プロセスで溶接治具をリセットする必要性を回避して製造コストを削減するためであり、そのため、シートチューブの角度が著しく緩い従来製またはカスタムメイドのフレームのような快適さは提供されません。

UCI公認レースで使用されるロードレース用自転車は、 UCI規則に準拠しており、フレームは2つの三角形で構成する必要があることなどが定められています。したがって、シートチューブやトップチューブのないデザインは認められていません。

空気力学に基づいたホイールとエアロバーを備えたタイムトライアル自転車に乗るサイクリスト

トライアスロン（またはタイムトライアル）専用のフレームは、標準的なロードバイクのフレームと比較して、自転車のボトムブラケットの軸を中心にライダーを前方に回転させます。これは、ライダーをより低く、より空気力学的に優れた姿勢にするためです。操縦性と安定性は低下しますが、これらの自転車はグループライディングの要素が少ない環境での走行を想定して設計されています。これらのフレームは、サドルからハンドルバーまでの適切なリーチを確保するために、シートチューブの角度が急でヘッドチューブが低く、ホイールベースが短い傾向があります。また、UCIの規制を受けていないため、Zipp 2001、Cheetah、Softrideなどの一部のトライアスロン用自転車は、より空気力学的に優れた非伝統的なフレームレイアウトを採用しています。

トラックバイク

トラックフレームはロードバイクやタイムトライアルバイクと多くの共通点があるが、ドロップアウト[ 41 ]ではなく、水平で後ろ向きのリアフォークエンド[ 40 ]を備えているため、後輪の位置を水平に調整して適切なチェーン張力を設定できます。リアハブ間隔は、ロードフレームの130ミリメートル（5.1インチ）以上ではなく、120ミリメートル（4.7インチ）です。ボトムブラケットのドロップは小さく、通常50～60ミリメートル（2.0～2.4インチ）です。また、シートチューブの角度はロードレースバイクよりも急です。

Alskar Designモダンなカーボン フルサスペンション マウンテン バイク フレームの設計。

マウンテンバイク

乗り心地とハンドリング性能を向上させるため、ショックアブソーバーが頻繁に採用されています。前後輪のショックを吸収するフルサスペンションモデルや、前輪からの衝撃のみを吸収するフロントサスペンションのみのモデル（ハードテイル）など、様々なバリエーションがあります。1990年代に高度なサスペンションシステムが開発されたことで、クラシックなダイヤモンドフレームは急速に改良されました。

近年のリアサスペンションシステム搭載マウンテンバイクは、リアショックアブソーバーを作動させるためのピボット式リアトライアングルを備えています。フルサスペンションマウンテンバイクのフレームデザインはメーカーによって大きく異なり、ライディングの目的に合わせて様々なデザインが採用されています。

ロードスター/ユーティリティ自転車

ロードスターバイクは伝統的に、シートチューブとヘッドチューブの角度が約66度または67度とかなり緩やかで、非常に快適で直立した「起き上がり」のライディングポジションを実現します。その他の特徴としては、ホイールベースが40インチ以上（通常は43～47インチ、ロングバイクの場合は57インチ）と長く、フォークレイクが約3インチ（ほとんどのロードバイクの40mmに対して76mm）と長いことが挙げられます。このスタイルのフレームは、マウンテンバイクやロードバイクに比べて快適性が高いため、近年人気が再燃しています。このタイプの自転車のバリエーションとして、「スポーツロードスター」（「ライトロードスター」とも呼ばれる）があり、通常はより軽量なフレームと、シートチューブとヘッドチューブの角度が約70～72度とやや急角度になっています。

フレーム素材

歴史的に、自転車のフレームのチューブに最もよく使用される素材はスチールです。スチールフレームは、非常に安価な炭素鋼からより高価で高品質のクロムモリブデン鋼合金まで、さまざまなグレードのスチールで作ることができます。フレームは、アルミニウム合金、チタン、カーボンファイバー、さらには竹やボール紙で作ることもできます。ダイヤモンド型のフレームは、チューブ以外の材料から形成されることもあります。これには、I ビームやモノコックが含まれます。これらのフレームに使用されてきた素材には、木材(無垢またはラミネート)、マグネシウム(鋳造I ビーム)、熱可塑性樹脂などがあります。素材のいくつかの特性は、自転車のフレームの製造に適しているかどうかを判断するのに役立ちます。

  • 密度（または比重）は、単位体積あたりの物質の軽さまたは重さを測る指標です。
  • 剛性（または弾性率）は、理論上は乗り心地と動力伝達効率に影響を与えます。しかし実際には、非常に柔軟なフレームであっても、タイヤやサドルよりもはるかに硬いため、乗り心地は最終的にはサドルの選択、フレームの形状、タイヤの選択、そして自転車のフィット感に大きく左右されます。フレームのプロファイルが狭いため、横方向の剛性を実現するのは非常に困難です。また、柔軟性が高すぎると、主にリアトライアングルの歪みによる路面へのタイヤの擦れ、ブレーキとリムの擦れ、チェーンとギア機構の擦れなどにより、動力伝達に影響を与える可能性があります。極端な場合、ライダーがサドルから大きなトルクをかけると、ギアが勝手に切り替わることもあります。
  • 降伏強度は、材料を永久的に変形させるのに必要な力を決定します（耐衝撃性のため）。
  • 伸びは、ひび割れが発生する前に材料がどの程度の変形を許容するかを決定します（衝突安全性のため）。
  • 疲労限界と耐久限界は、ペダリングや走行中の衝撃による周期的なストレスを受けたときのフレームの耐久性を決定します。

チューブエンジニアリングとフレーム形状により、これらの特定の材料に見られる欠点の多くを克服できます。

フレームの材質は、使用頻度の高い順にリストされています。

鋼鉄

2002年式スチールフレームのフルリジッド（サスペンションなし）トレック800スポーツ
マンガロイ鋼製自転車フレームのフレームラベル

スチールフレームは、クロモリ鋼を含む様々な種類の鋼合金を用いて作られることが多い。強度が高く、加工しやすく、比較的安価である。しかし、他の多くの構造材料よりも密度が高く（したがって、一般的に重くなる）、振動吸収性に優れているため、フレームの他の部分が別の素材で作られている場合でも、フォークブレードにはスチールが使用されるのが一般的である（2018年現在、ハイブリッド通勤用自転車）。[ 23 ]

ロードバイクとマウンテンバイクの伝統的な構造は、標準的な円筒形の鋼管をラグで接続するものです。ラグとは、厚い鋼板でできた継手です。チューブは、チューブの端を取り囲むラグに装着され、ラグにろう付けされます。歴史的に、ろう付け（特に銀ろう付け）に伴う低温は、高温溶接よりもチューブの強度への悪影響が少なく、強度を損なうことなく比較的軽量のチューブを使用することができました。近年の冶金技術の進歩（「空気硬化鋼」）により、高温溶接による悪影響を受けない、あるいは特性が向上するチューブが開発されました。これにより、 TIG溶接とMIG溶接の両方が、一部の高級自転車を除いてラグ構造から姿を消しました。より高価なラグフレームの自転車には、軽量化と職人技の証として、手作業で凝った形状にヤスリがけされたラグが付いています。 MIG溶接やTIG溶接のフレームとは異なり、ラグフレームは構造がシンプルなため、現場での修理が容易です。また、鋼管は錆びる可能性があるため（実際には塗料や防錆スプレーで効果的に錆を防ぐことができますが）、ラグフレームは隣接する管に物理的な損傷を与えることなく、迅速に管を交換することができます。[ 42 ] [ 43 ]

自転車フレームのより経済的な製造方法は、円筒形の鋼管を TIG溶接で接合する方法で、管を接合するためのラグを必要としません。代わりに、フレーム管は治具に正確に位置合わせされ、溶接が完了するまで所定の位置に固定されます。フィレットろう付けは、ラグを使用せずにフレーム管を接合する別の方法です。これはより労働集約的であるため、量産フレームに使用される可能性は低くなります。TIG 溶接と同様に、フィレット フレーム管は正確にノッチまたはマイター加工され[ 44 ] [ 45 ]、ラグ製造プロセスと同様に、接合部に真鍮のフィレットがろう付けされます。フィレットろう付けフレームは、溶接フレームよりも美的統一性（滑らかな曲面外観）を実現できます。

鉄骨フレームにおいて、バテッドチューブの使用は軽量化とコスト削減につながります。バテッドチューブとは、チューブの肉厚を端部（強度向上のため）から中央部（軽量化のため）へと変化させることです。

安価な自転車のスチールフレームは、自動車などの一般的な製品の製造に使用される軟鋼（高張力鋼とも呼ばれる）で作られています。しかし、高品質の自転車フレームは、非常に薄い壁厚の軽量チューブに加工できる高強度鋼合金（一般的にはクロムモリブデン、または「クロモリ」鋼合金）で作られています。最も成功した昔の鋼の一つは、マンガンモリブデン合金鋼であるレイノルズ「531」でした。現在では、4130クロモリや類似の合金がより一般的です。レイノルズとコロンバスは、自転車チューブの最も有名なメーカーです。中品質の自転車の中には、フレームチューブの一部にのみこれらの合金鋼を使用しているものもありました。例えば、シュウィン・ル・ツアー（少なくとも一部のモデル）は、トップチューブとボトムチューブにクロモリ鋼を使用し、フレームの残りの部分には低品質の鋼を使用していました。

高品質のスチールフレームは、一般的に通常のスチールフレームよりも軽量です。他の条件が同じであれば、この軽量化により自転車の加速性能と登坂性能が向上します。

チューブのラベルが紛失した場合、高品質の（クロモリまたはマンガン）スチール製フレームかどうかは、爪で軽く叩いて確認することができます。高品質のフレームはベルのような音を発しますが、通常の品質のスチールフレームは鈍い音を発します。また、重量（フレームとフォーク合わせて約2.5kg）と、使用されているラグとフォークエンドの種類でも判別できます。

アルミニウム合金

CNC 加工されたアルミニウムのセクションを溶接してボルトで固定したマウンテンバイクのフレーム。

アルミニウム合金は、鋼合金に比べて密度が低く強度も低いですが、優れた強度対重量比を備えているため、鋼に比べて重量面で大きな利点があります。初期のアルミニウム構造は、効果のない合金や不完全な溶接技術が原因で、疲労に対して脆弱であることが示されていました。これは、明確な疲労限度があり、溶接やろう付けが容易な一部の鋼合金やチタン合金とは対照的です。しかし、これらの欠点の一部は、より熟練した労働力による高品質な溶接、自動化、および現代のアルミニウム合金の入手しやすさによって、その後軽減されてきました。アルミニウムは、鋼に比べて魅力的な強度対重量比と特定の機械的特性を備えているため、フレーム構築材料として好まれる地位を確保しています。

自転車のフレームによく使われる合金は、6061 アルミニウムと7005 アルミニウムです。

今日最も人気のある構造は、アルミニウム合金管をタングステン不活性ガス（TIG）溶接で接合したものです。溶接されたアルミニウム製自転車フレームが市場に登場し始めたのは、1970年代にこの溶接方法が経済的になってからでした。

アルミニウムとスチールの最適な壁厚とチューブ径の比率は異なります。アルミニウムは約200:1（直径：壁厚）で最大強度に達しますが、スチールはそのわずか一部です。しかし、この比率では壁厚は飲料缶と同等になり、衝撃に対して非常に脆くなります。そのため、アルミニウム製の自転車用チューブは妥協案であり、壁厚と直径の比率は最高効率ではありませんが、より合理的な空力学的に許容できる比率と優れた耐衝撃性を備えた特大チューブを提供します。その結果、フレームはスチールよりもはるかに剛性が高くなります。多くのライダーは、アルミニウムフレームは剛性が高く設計されているため、スチールフレームはアルミニウムよりも乗り心地が良いと主張しますが、この主張の妥当性には疑問があります。自転車のフレーム自体は三角形でできているため、垂直方向に非常に剛性が高いからです。逆に、この主張自体が、アルミニウムフレームの方が垂直方向の剛性が高いという主張に疑問を投げかけています。[ 46 ]一方、横方向およびねじり方向の剛性は、状況によっては加速とハンドリングを向上させます。

アルミフレームは一般的にスチールフレームよりも軽量であると認識されていますが、必ずしもそうとは限りません。低品質のアルミフレームは、高品質のスチールフレームよりも重い場合があります。一部のメーカーは、軽量化のためにバテッドアルミチューブ（中間部分の肉厚を端部よりも薄くする）を使用しています。非円形チューブは、剛性、空力特性、マーケティングなど、様々な理由で使用されています。様々な形状のチューブがこれらの目的のいずれかに重点を置いており、全てを実現できることは稀です。

チタン

熟練の職人が作り上げたチタンフレームに特徴的な溶接ビード。

チタンは自転車フレームに比較的特化した素材です。高い比強度、高い疲労限界、優れた耐食性など、多くの望ましい特性を備えています。 [ 47 ]カーボンファイバーほど軽量ではありませんが、チタン製の自転車はより快適な乗り心地を提供するため、パフォーマンスよりも快適性を重視するサイクリストの間で人気があります。[ 48 ] [ 49 ]しかし、チタンは材料費が高く、スチールやアルミニウムよりも加工が難しいため、スチール、アルミニウム、カーボンファイバーと比較してフレームは比較的高価になります。[ 48 ] [ 49 ]

チタンフレームには通常、元々は航空宇宙産業向けに開発されたチタン合金とチューブが使用されています。チタン製自転車フレームに最も一般的に使用されている合金は3AL-2.5V（アルミニウム3.5%、バナジウム2.5% ）で、次いで6AL-4V（アルミニウム6%、バナジウム4%）です。一部のメーカーは、サイクリング用に特別に設計された他の合金の開発を試みています。[ 47 ] [ 49 ]チューブは冷間引抜成形とハイドロフォーミングによって様々な形状に成形でき、内部配線も可能です。[ 50 ]溶接は通常、溶接部を酸化から保護するために不活性雰囲気下で行われます。[ 48 ] [ 50 ]

炭素繊維

1996年の「ビリア アンプラグド」自転車
タイムロードバイクのヌードカーボン。トップチューブ、ダウンチューブ、ヘッドチューブで異なる方向の繊維が見られます。

炭素繊維複合材は、自転車のフレームによく使われる人気の非金属素材です。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]高価ではありますが、軽量で耐腐食性と強度に優れ、ほぼあらゆる形状に成形できます。その結果、必要な部分の強度を微調整し（ペダリング力に耐える）、他のフレームセクションでは柔軟性を持たせる（快適性を高める）ことができるフレームが完成します。カスタムの炭素繊維製自転車フレームは、一方向（横方向など）には強度があり、別の方向（縦方向など）には柔軟性のある個々のチューブを使って設計することもできます。方向によって特性が異なる個々の複合チューブを設計する機能は、一般的に生産されている金属フレーム構造では実現できません。[ 55 ]一部の炭素繊維フレームでは、円筒形のチューブを接着剤とラグで接合しており、ラグ付きスチールフレームに似た方法です。別のタイプの炭素繊維フレームは、モノコック構造 と呼ばれる一体型で製造されます。

サンタクルーズ・バイシクルズ社が実施した一連のテストでは、同一形状でほぼ同重量のフレーム設計において、カーボンフレームは、全体的な荷重（フレームに張力と圧縮の両方を与える）と衝撃強度において、アルミニウムよりもかなり強度が高いことが示されました。[ 56 ]カーボンフレームは軽量で強度に優れていますが、他の素材に比べて耐衝撃性が低く、衝突や不適切な取り扱いによって損傷を受けやすい場合があります。ひび割れや破損は、衝突だけでなく、締めすぎや部品の不適切な取り付けによっても発生する可能性があります。[ 57 ]これらの素材は、長期間の使用によって発生する疲労破壊の影響を受けやすいことが示唆されていますが、[ 58 ]これは多くの場合、層間亀裂や接合部の接着剤の亀裂に限定され、適切な設計によって応力を適切に制御できます。破損したカーボンフレームの修理は可能ですが、安全上の懸念から、可能な限り最高水準の専門業者によってのみ行われるべきです。[ 59 ]

個人タイムトライアルレースやトライアスロン用に作られた多くのレーシングバイクは、円筒形のチューブでは実現できない、あるいは他の素材では重すぎる可能性のある空力プロファイルを持つフレームを製作できるため、複合構造を採用しています。このタイプのフレームは実際には他のフレームよりも重いかもしれませんが、その空力効率により、サイクリストはより高い速度を達成できる可能性があります。

カーボンファイバー以外にも、金属ボロンなどの他の素材をマトリックスに添加することで、剛性をさらに高めることができます。最近のハイエンドフレームの中には、ダウンチューブ、シートステー、チェーンステーなどの振動減衰性と耐衝撃性を向上させるために、カーボン繊維にケブラー繊維を組み込んだものもあります。

熱可塑性

1980 年代初頭のIteraプラスチック製自転車。

熱可塑性プラスチックは、再加熱して形を変えることができるポリマーの一種で、自転車のフレームを作るのにいくつかの方法があります。熱可塑性自転車フレームの具体例としては、より一般的な熱硬化性エポキシ樹脂ではなく、熱可塑性材料に繊維が埋め込まれたカーボンファイバーフレームがあります。GT Bicycles は、1990 年代半ばに STS システムフレームで熱可塑性フレームを製造した最初の大手メーカーのひとつです。カーボンファイバーは熱可塑性繊維とともにチューブ状に緩く編み込まれていました。このチューブは、内部にブラダーがある金型に入れられ、次にブラダーが膨らまされてカーボンとプラスチックのチューブが金型の内側に押し付けられました。次に金型を加熱して熱可塑性プラスチックを溶かしました。熱可塑性プラスチックが冷却されると、最終形状で金型から取り出されました。

マグネシウム

自転車のフレームの一部はマグネシウム製で、その密度はアルミニウムの約64%です。1980年代、エンジニアのフランク・カークは、一体型のダイカストで、チューブではなくIビームで構成された斬新なフレーム形状を考案しました。この技術を用いてロードバイクとマウンテンバイクのフレームを製造するため、英国にカーク・プレシジョン社が設立されました。しかし、初期の商業的成功にもかかわらず、信頼性に問題があり、1992年に製造が中止されました。[ 60 ] 現在生産されている少数の現代のマグネシウムフレームは、従来のチューブを用いた構造になっています。[ 61 ]

スカンジウムアルミニウム合金

一部の自転車メーカーは、スカンジウムを含むアルミニウム合金（マーケティング目的では単にスカンジウムと呼ばれることが多い）でフレームを製造していますが、Sc含有量は0.5%未満です。スカンジウムは一部のアルミニウム合金の溶接特性を向上させ、優れた耐疲労性も備えているため、より小径のチューブの使用が可能になり、フレーム設計の柔軟性が向上します。

ベリリウム

ミネソタ州セントクラウドのアメリカン・バイシクル・マニュファクチャリングは、ベリリウム管（アルミラグに接着）製のフレームセットを2万6000ドルで短期間販売した。乗り心地は非常に硬かったが、フレームは横方向への柔軟性も非常に高かったという報告があった。[ 62 ]

竹

竹管を金属や複合材で接合した自転車のフレームは数多く作られており、その美しさは機械的特性と同じくらい重要な要素となっている。[ 63 ] [ 64 ]

木材

自転車のフレームは、無垢材またはラミネート材で作られているものが多くあります。パリ・ルーベレースの265キロメートルの過酷なレースを完走した自転車もありましたが、その美しさは乗り心地の良さと同じくらい重要な要素でした。[ 65 ]東アフリカでは、自転車のフレームに木材が使用されています。[ 66 ]段ボールも自転車のフレームに使用されています。[ 67 ]

組み合わせ

カーボン/アルミニウム/スチールフレームのGiant Cadex自転車

異なる素材を組み合わせることで、単一の素材で実現するよりも、様々な部位で望ましい剛性、柔軟性、または減衰特性を実現できます。組み合わせる素材は通常、カーボンファイバーと金属（スチール、アルミニウム、またはチタン）です。このアプローチの一例としては、金属製のダウンチューブとチェーンステーに、カーボン製のトップチューブ、シートチューブ、シートステーを組み合わせたものがあります。[ 68 ]もう1つの例として、金属製のメイントライアングルとチェーンステーに、カーボン製のシートステーのみを組み合わせたものがあります。[ 69 ] カーボンフォークは、あらゆるフレーム素材のレーシングバイクで非常に一般的になっています。[ 70 ]

他の

自転車の種類に関する記事では、追加のバリエーションについて説明します。

バテッドチューブ

バテッドチューブは、接合部付近の厚みを増すことで強度を高め、その他の部分は薄い素材で軽量化を図っています。例えば、トリプルバテッドチューブは、通常はアルミニウム合金製のチューブに3種類の異なる厚みを持たせ、端部の溶接部分に厚い部分を設けた構造です。この素材はハンドルバーにも使用できます。

ろう付け

ボトルケージの取り付け穴、シフターボス、ケーブルストップ、ポンプペグ、ケーブルガイドなど、さまざまな小さな部品は、もともとろう付けされていたため、ろう付けと呼ばれています。また、現在でもろう付けされている場合もあります。[ 71 ]

サスペンション

多くの自転車、特にマウンテンバイクにはサスペンションが付いています。

参照

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