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執筆:
カイル・ラス、主任バイオメカニカルエンジニア
ウェンディ・オックス、上級バイオメカニカルエンジニア
ポール・ハーダー、主任R&Dエンジニア

Domaneカーボンの進化:IsoSpeedからGen 5へ

Trekを代表するDomaneプラットフォームは世代を重ねるごとに進化してきたが、一貫したコンセプトは変わらない。Domaneは、快適で安心感があり、長距離を速く楽しく走るために作られた効率的なエンデュランス・ロードバイクである。

初代Domaneは700×25cタイヤと、細いリムを挟むリムブレーキを前提に設計された。その制動力はさておき、細いタイヤは明らかに高い空気圧を必要としたため、当時のTrekのエンジニアとデザイナーは乗り心地をなめらかにするための革新的な振動吸収技術を開発した。それをIsoSpeedデカプラー、略してIsoSpeedと名付けた。IsoSpeedはシートチューブとトップチューブを剛性なく接合することで、当時の従来フレームよりもシートチューブを大幅にたわませることを可能にし、乗り心地をよりなめらかで快適なものにした。

この技術は非常に効果的で、Fabian Cancellara、Lizzie Deignan、Elisa Longo Borghiniといったライダーたちが、伝説的な荒れた路面の試練場であるパリ〜ルーベの頂点に立つことをDomaneが支えた。

長年にわたりレース実績を積み重ねることはTrekにとって名誉なことだが、2012年以降、バイク技術は大きく変化した。油圧ディスクブレーキがリムブレーキに取って代わり、より太いタイヤを履くための空間が確保された。ライダーがよりスムーズで高性能なロードライドを求めるにつれ、タイヤの空気量は段階的に増加してきた。このタイヤ革命により、より軽量でシンプルなバイクを、同等の振動吸収性と向上したペダリング剛性とともに実現する道が開かれた。そこに登場するのがDomane Gen 5だ。

図1:Trekパフォーマンス・リサーチラボにて、テストバイク間の計測機器を移送するカイル・ラスとポール・ハーダー。

Domane Gen 5、細部にわたる設計

Gen 5 Domaneの設計チームは3つの目標を掲げた。ライダーへの振動パワー¹の伝達を抑制すること、ペダリング剛性を向上させること、そしてバイクの重量を削減することである。振動パワーとは、Trekパフォーマンス・リサーチチームが荒れた路面走行時にライダーへ伝達されるエネルギーを計測するために用いる指標である。では、IsoSpeedのないバイクが、どのようにしてペダリング剛性を高めながら快適な乗り心地を実現しているのか。答えはシートポスト、フレーム、タイヤの3つのコンポーネントに集約される。

シートポストのジオメトリーとカーボンファイバーの積層は、垂直方向の振動吸収性と横方向の剛性を最適化するよう設計された。シートポストは楕円形の内部断面を備え、激しい衝撃下ではたわみながらも、バイク操作中にサドルへ荷重がかかる際の横剛性を保持する構造になっている。

図2:社内トレッドミルでの垂直方向の振動吸収性をテスト中、なめらかな乗り心地をもたらすDomane Gen 5シートポスト。

フレーム側では、垂直方向の振動吸収性とペダリング剛性の両方を最適化するように積層が設計された。Tour Magazineのペダリング剛性テスト²ではGen 4に比べて6%向上し、Domane Gen 5はDomane Gen 4とMadone Gen 8のちょうど中間という「スイートスポット」に位置する。究極のレースバイクほどボトムブラケット剛性は高くないが、旧Domaneプラットフォームと比べてペダルへのパワー伝達は明らかに向上している。

図3:Domane Gen 5へパワーを伝えている。

垂直方向の振動吸収性テストだけでは不十分な理由

従来、フレームはテストラボのジグにセットされ、サドルからウェイトを吊り下げてフレームとシートポスト全体のたわみ量を計測してきた。これは標準的な手法だが、ホイールとタイヤをシステムに含めていない点で不十分である。また、このテストは現実的な動的荷重ではなく静的荷重を使用している。そのため、フルシステムの振動吸収性を計測するのは困難を伴う。特に荒れた路面でのペダリング動作を組み込む場合はなおさらだ。そこで活躍するのがTrekパフォーマンス・リサーチラボである。Trekパフォーマンス・リサーチラボは、動的なペダリング環境におけるライダーとバイクとの相互作用を研究するために設立された。

ラボの中核であるカスタムのスラット式Woodwayトレッドミルに、Trekのエンジニアはあらゆる路面をボルトで取り付けることができる。この設備によりTrekはバイクの挙動の詳細まで追求できる。そのためトレッドミルには幅広いデータ収集ツールを組み合わせている。バイクに取り付けたひずみゲージや加速度計から3Dモーションキャプチャーまで、ラボでは「路面の凸凹から身体の動きまですべてを計測する」と表現している。これらの設備を活用し、Domane設計チームは次世代Domaneが性能目標を達成できることを確認できた。

振動パワーの計測

Trekパフォーマンス・リサーチチームは各製品開発チームと連携し、快適性、効率性、コントロールに関する研究上の問いに答えるべく取り組んでいる。快適性は主観的な印象や感覚であるため、バイクを快適にする要素をデータで裏付けることに努めており、プロトタイプを既存のTrekバイクや競合バイクと比較できるようにしている。

データ収集の観点から、快適性の定義は原則としてシンプルである。特定の速度、路面、バイクにおいて、ライダーへ伝達される振動パワーの量を低減することである³。原則はシンプルだが、振動パワーを計測する手法は相当に高度である。

図4:次のテスト走行に向け、バイクとライダーの準備を整えるポール・ハーダーとウェンディ・オックス。

Domane Gen 4とGen 5には、力感知式のサドルとハンドルバーを取り付けた。各タッチポイントにかかる力を計測し、同じ箇所に取り付けた加速度計から速度を算出し積分することで、それぞれのタッチポイントがライダーへ伝えるパワーを計算できる。この手法を用いて、Gen 4とGen 5のバイクを連続した荒れた路面の上で比べ、時速7〜20マイルの速度域とタイヤ空気圧を変化させながら計測を行った。

32mmおよび35mmタイヤの推奨空気圧は、路面状況、バイクとライダーの体重、タイヤサイズ、タイヤ構造を考慮したWolf Tooth空気圧計算機を用いて設定した。空気圧スイープは推奨空気圧の±20%の範囲で実施した。700×25cタイヤとの比較には、過去のデータに基づくチューブタイプの推奨空気圧を使用した。



図5:トレッドミルの荒れた路面における、ライダー+バイクの合計重量200ポンド(約90kg)での振動パワー。

上のグラフは、高圧の25mmチューブタイプタイヤの時代において、IsoSpeedが大きな役割を果たしていたことを示している。IsoSpeedを搭載していても、25mmタイヤの振動パワー伝達は、IsoSpeed非搭載のGen 5と比べて19%高い。32mmタイヤから35mmタイヤに変更すると、タイヤの内部表面積は約10%増加する。これを踏まえ、32mmと35mmタイヤ間でタイヤケーシングへの外向き力を一定に保つためには、空気圧を10%低下させる必要がある。

その結果、Domane Gen 5の振動パワーは、IsoSpeed搭載のGen 4バイクの5%以内に収まることが確認された。IsoSpeedのメンテナンスが不要になり、292g軽量化されたバイクとしては申し分ない結果である。もちろん、Domaneの検証はラボ内にとどまらない。執筆時点で、量産前のGen 5バイクはライドテスターによる400時間超、約9,700kmのライドテストを蓄積していた。

ライダーとバイクの動きの計測


高低様々な力、加速度、そして振動パワーを生じる荒れた路面に対してバイクがどう応答するかを調査するため、3次元モーションキャプチャー(mocap)を使用した。12台のOptiTrack PrimeX 22三次元赤外線カメラを用いてライダーとバイクの動きを記録し、トレッドミル上でDomaneのGen 4とGen 5との反応を解析した。

図6:三次元モーションを収録するウェンディ・オックス。

バイクの各部位に反射マーカーを取り付け、地形からの入力に対してバイクのさまざまな部位が三次元空間でどう応答するかを把握できるようにした。シャーシのなめらかさという観点(すなわちバイクがどれだけ乗り心地をなめらかにするか)では、ボトムブラケット周辺のマーカーに注目した。サドルでのライダーの体験を理解するため、骨盤とサドルの動きを分析した。最もシンプルな表現をすれば、乗り心地がなめらかなほど、骨盤とサドルは「連動」している。言い換えれば、荒れた路面では、サドルがライダーを弾ませ、骨盤とサドルの間に「非連動」が生じることがある。あるいは、ライダーがサドルから浮いて乗り心地をなめらかにすることもできるが、これはエネルギー代謝上の負担が非常に大きい。

下記のグラフは、32mmタイヤ装着のDomane Gen 4と35mmタイヤ装着のDomane Gen 5における、時速20マイルでのラップアンサンブル平均(すなわちトレッドミル1周あたりの平均変位)を示している。ラップ間の標準偏差は、曲線周辺の薄い網掛け領域で示されている。曲線下の網掛け領域は透明な青と黄で塗り分けられており、緑色は重複する領域を示している。示された傾向はすべての速度で一貫しているが、ここでは地形に対するバイクの垂直変位が最も顕著に現れる時速20マイルに着目する。「シャーシのスムーズさ」すなわち垂直方向のボトムブラケット変位の差は0.08mm、「サドルから仙骨への変位」すなわち「連動性」の差はわずか0.11mmに過ぎない。つまり、Gen 5バイクとGen 4バイクの反応の差は、実質的に区別がつかないレベルである。



図7:ボトムブラケットおよびサドル〜仙骨変位の3Dモーションキャプチャー・ラップアンサンブル平均

結論


軽量でシンプルなカーボンロードバイクであるGen 5 Domaneは、シートポストとフレームのジオメトリー、およびカーボンファイバー積層設計、そして35mmタイヤスペック*により、なめらかで効率的な走りを狙いどおり実現している。Gen 5 Domaneはまた、多くのライダーに愛されてきたエンデュランス・ロードジオメトリーとフィット感を継承し、Domaneが最初から大切にしてきた快適性、安心感、そして効率性をライダーに届け続ける。

*35mmタイヤクリアランスはSLR 9 AXS 1xを除く全モデルに標準装備

引用:
1. 1. Drouet J-M, Covill D, Leroux M, Richard S(2022)「衝撃時におけるロードバイクの動的な
快適性評価指標について」 Sports Eng 25:1. https://doi.org/10.1007/s12283-021-00366-x
2. 2. Tour Magazine ペダリング剛性テスト:https://www.tour-magazin.de/en/buying-advice/components/how-tour-tests/how-tour-tests-the-tour-road-bike-test-in-detail/
3. 3. Trek CheckOUT ホワイトペーパー:https://www.trekbikes.com/us/en_US/checkout-full-suspension-science/