前荷ismのための自転車ジオメトリー考察

先月の信州の旅(前回はその装備について書いた)は、普段から乗っているLe Mans Sportifの汎用性の高さを再確認させてくれるものだった。古くて重いのに登坂が楽しい自転車で、グラベルやトレイルもそこそこいける。一方で限界もかなりよく分かってきて、弱点を克服した「次の一台」の妄想が頭の中で始まっている。ここではその妄想の一部、車体前部のジオメトリーに関する考察をメモしておく。「下駄自転車」の記事の特定箇所を掘り下げたものとみてもらってもいい。

初期中山道とグラベルを走り、諏訪、そして小淵沢へ抜けた日の一コマ

前荷ismとLow Trail

積載については前三角をまず最大活用するのが自分のセオリーで、そこに収まらないものはどちらかというと車体の前に偏らせる形が好きだ。サドルの後ろ側が重くなった時の振られる感じがないし、荷物が目の前にあればアクセスし易く、知らぬ間に脱落し紛失、みたいな恐れも少ない。

前に積む「前荷ism(マエニズム)」に適していると考えられる自転車は、low trail bikeと呼ばれる部類のものになる。trail(トレイル)とは〈ステアリング軸の延長上と地面の交点〉と〈前輪の接地点〉の距離のことだ。地面との摩擦がある状態なら、テコとして働くトレイルが長いほどステアリングの挙動はダイレクトでなくなる(穏やかになる)。

トレイル値はヘッド角 and/or フォークのオフセット量を変えることで増減するが、low trail bikeと呼ばれるものは大体、73°付近のヘッド角(ロードバイクの標準値もこの辺)と多めのオフセットを有している。自分の理解では、前荷ismとの相性はヘッド角で決まる。寝たヘッドに対してオフセットを極端に大きくとって結果的にlow trailになっても、狙っている積載スタイルには恐らく合わない(詳しくは後述)。自分の Le Mans Sportifのヘッド角は手元のメモだと72°だがもっと立っているような気がする。

いわゆるLow Trail Bikesをいくつか較べてみる

ブランドモデル標準タイヤヘッド角オフセットBB下がり
SurlyPack Rat
(52サイズ以上)
650B 42mm74°44mm55mm
MasiSpeciale Randonneur
(53サイズ以上)
650B 47mm73°65mm70mm
Velo OrangePolyvalent
(全サイズ)
650B 47mm73° 60mm67mm
NortherLyon
(54サイズ以上)
650B 42mm72°/73°/73.5° 68mm71mm

この表は、The Path Less PedaledのRuss RocaさんがYouTubeでレビューしているいわゆるlow trail自転車のうち4台のジオメトリーを部分的に抜き出したものだ(BB下がりも自分の乗り方では関連があるので合わせて載せてある)。いずれもヘッドが割と立っているのが分かるだろう。参照した動画と「操舵感の要約」を次に示す(ただしRussさんが乗ったのが表に含まれるサイズ・仕様の車体でない可能性もある)。

操舵感の要約:ラックも装着しない状態では敏感で慣れが要るがフロントに荷物を積むと安定、切れ込みも少ない
操舵感の要約:Pack Ratより癖がないが、フロント積載状態でも急登での前輪の勝手な切れ込みは少なく、下りも安定
操舵感の要約:フロントパニアで荷物を低く積んだ状態ではPack Ratより操作を要するが勝手な切れ込みは少ない部類
操舵感の要約:バッグが空の状態ではやや過敏、荷物を入れるとマイルドかつ腰だけで乗れるくらい操り易くなる

表の数値が割と近いSpeciale RandonneurとPolyvalentについては、Russさんの感想も同じような内容になっている。Pack Rat(ヘッド角が74°と際立っている一方、オフセットは控えめ)とLyon(オフセットがとりわけ大きい)も操舵感の評価は似通っているものの、フロントラックに重い荷物をドカッと積まれているPack Ratの方がより前荷ismに特化しているように見受けられる。しかしそこまで振り切ったものを自分は求めているだろうか。Speciale Randonneurくらいのジオメトリーが無難かもしれない。

ホイールフロップの正体を誰も知らない

前荷ismのメイン課題である低速時の前輪の切れ込みはwheel flop(ホイールフロップ)と呼ばれ、自分のこれまでの見聞と経験によると、主にヘッド角を立てることで抑えられる。ここからしばらくは、Kuromoriというサイトの記事“What is “Wheel Flop?”を参考にその理屈を探る。この記事は、巷に出回っているホイールフロップ現象の説明がいかにでたらめかを指摘したものだ。

f = “wheel flop factor,” the distance that the center of the front wheel axle is lowered when the handlebars are rotated from the straight ahead position to a position 90 degrees away from straight ahead

Bicycle and motorcycle geometry: Wikipedia

これは 〈ハンドルバーを正面から90°切った際に前輪の車軸がどれだけ下がるか〉が「ホイールフロップ(因子) ƒ 」である、というWikipediaの記述だが、そこに併記されている計算式 ƒ = b sin θ cos θ で導き出されるのは、Kuromoriの記事によれば全く別のもの、〈ステアリング軸の延長からタイヤの接地点へ直角に線が引ける点の地面からの高さ〉である。

ƒ = b sin θ cos θ で算出されるもの(“What is “Wheel Flop?”より)

Kuromoriはこれに代わるものとして、〈車体前部(※車軸ではない)の沈み〉にも注目した数段マトモなモデルを提示する。標準的なロードバイクのジオメトリーを想定した場合、Kuromoriのモデルでは〈車軸の沈み〉は約14.6mm、〈車体前部の沈み〉は約1.5mmとなる(ƒ = b sin θ cos θ で算出される値はどちらとも一致しない)。〈車軸の沈み〉は操舵角90°にかけて大きくなっていくが、〈車体前部の沈み〉はそうではなく、最大になる角度はジオメトリーによって異なる。

車体前部の沈みの近似モデル (“What is “Wheel Flop?”より)

前三角やサドル後ろの荷物は主に〈車体(前部)の沈み〉、パニア類は主に〈車軸の沈み〉にそれぞれ影響を受けると考えられる。Kuromoriによれば〈車軸の沈み〉の量は大体ヘッド角と車輪径で決まり、オフセットやトレイルの値はあまり関係ない。パニア類は前輪の車軸付近に重心があると沈みの影響を大きく受け、ステアリング軸(の延長上)に重心を後退させると影響が減るだろう、とも書かれている。車軸に比べてステアリング軸上にある車体前部の沈みはざっと一ケタ小さいので、この推論には説得力があるように思える。フォークのオフセットが増えればパニア類(の重心)を後退させるべき距離も増すわけだ。

ヘッド角オフセット車体
(最大)
車体
(舵角10°)
車体
(舵角20°)
車体
(舵角90°)
車軸
70°86.73mm1.300mm0.1423mm0.5187mm-9.400mm20.26mm
73°69.55mm1.306mm0.1243mm0.4585mm-3.524mm14.68mm
76°52.18mm1.313mm0.1047mm0.3915mm-2.643mm9.981mm
トレイル値を30mmに固定した場合のフロント周りの落ち込み量(“What is “Wheel Flop?”の表を元に作成)

同じ車体前方の荷物でも、ハンドルバーバッグ(フロントバッグ)の類はパニアとは事情が違ってくる。Kuromoriはハンドルバーバッグ(ステアリング軸から150mmの位置に重心がくると仮定)の沈み込みを含む表を示し、これが一般にホイールフロップと呼ばれている現象なのではないか、と問いかけている。

ヘッド角/トレイル値バッグ(10°)車軸(10°)車体(10°)バッグ(5°)車軸(5°)車体(5°)
73°/30mm0.760mm0.407mm0.078mm0.191mm0.103mm0.020mm
73°/35mm0.780mm0.407mm0.096mm0.196mm0.103mm0.024mm
73°/40mm0.801mm0.407mm0.113mm0.201mm0.103mm0.029mm
73°/56mm0.870mm0.407mm0.171mm0.219mm0.103mm0.043mm
73°/70mm0.931mm0.407mm0.223mm0.234mm0.103mm0.056mm
72°/30mm0.799mm0.455mm0.079mm0.201mm0.115mm0.020mm
72°/35mm0.821mm0.455mm0.097mm0.206mm0.115mm0.025mm
72°/40mm0.842mm0.455mm0.115mm0.212mm0.115mm0.029mm
71°/30mm0.838mm0.505mm0.080mm0.211mm0.127mm0.021mm
71°/35mm0.860mm0.505mm0.099mm0.216mm0.127mm0.025mm
71°/40mm0.883mm0.505mm0.117mm0.222mm0.127mm0.030mm
71°/56mm0.956mm0.505mm0.179mm0.240mm0.127mm0.045mm
71°/70mm1.022mm0.505mm0.235mm0.257mm0.127mm0.059mm
ヘッド角とトレイル値の違いによるフロント周りの落ち込み量の変化(“What is “Wheel Flop?”の表を元に作成、カッコ内は舵角)

表の範囲内でいえば、ヘッド角が1°寝た場合、バッグ沈みへの影響を相殺するにはトレイルを約10mm減らさなければならない。ヘッド角を立てずに低速でのバッグ沈みを抑えようとすると極端にlow trailにせねばならず、そうすると速度が上がってからのステアリングの(よい意味での)抵抗が損なわれ、過敏な自転車になってしまう。Kuromoriが特に重要とみなしているのはやはりヘッド角、それから荷物(の重心)のステアリング軸からの距離である。

ハンドルバーバッグ沈みも含むモデル (“What is “Wheel Flop?”より)

Kuromoriはまた簡易的な実験を行い、微かにステアリングを切った自転車のトップチューブを上から圧迫した際の〈車体の沈み〉とハンドルバーバッグに重りを追加していった際の〈バッグの沈み〉を観測している。バッグの荷重は簡単に前タイヤと地面の摩擦を上回ったが、トップチューブへの荷重は摩擦の増加に貢献してステアリングの切れ込みは起こらなかったという。逆に前輪の荷重を抜くと切れ込みが発生。

改めて実践を考えてみる

Kuromoriの記事を踏まえ、前荷ismの勘所を改めて考えてみる。

  • ヘッドが立った自転車の方が基本的に相性がよい。
  • 車体側の荷重はステアリングに影響しにくいので、前三角(とダウンチューブ下)はしっかり活用。その上での前荷ism。
  • パニアを含むフォーク横の積載は、車軸よりステアリング軸(の延長上)に重心を寄せる。フォーク真横のダボを使って荷物をくくりつける場合、オフセット値が同じでも直線的なフォークよりベントフォークの方がステアリング軸に沿った部分が多いのでちょっとだけ有利かもしれない。
  • ハンドルバーバッグの類もなるべくステアリング軸に重心を寄せる。これはブレーキの種類によって有利不利が生じるところだ。ステム脇の小さいバッグ類も重心バランスの向上には有用(脚に当たってしまうなどの問題がなければ)。
  • 荷重は荷物だけの問題ではないので、自転車の構成パーツや乗り手のポジションも合わせて検討する。
概ね好バランスだったがダウンチューブ下も活かしたかった

今回はこんなところで結びにしよう。ステアリングの勝手な切れ込みは低速域だけの問題、とはいえ、キャンプ装備を積んでの長いヒルクライムなどはざらにある状況だ。またグラベルのような路面の摩擦係数の低い環境では、切れ込みの発生はより顕著になる(2020年のきゃんつー集いのセットアップではグラベルの登りでヒョコヒョコしてしまい難儀した)。前荷ismとそれに適した自転車の探求は続く。

ジオメトリーの問題もあるし、パニアが前に出過ぎているやつ

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