Tubing

次の製作開始まで少し時間が空くので、今日はチュービングの話を少し。
KUALIS で使用するメインチューブは基本的に、スティール、チタン共に正円状のものを選択している。それには理由がある。
まず、フレーム全体に伝わる力の伝動がスムーズで自然であるからである。癖が少なく素直で扱いやすいフレームができる。
例えばDT のHT 側を縦オーバルにつぶし、BB 側を横オーバルにつぶすことで確かにねじれに対する剛性は多少上がる。しかしそれは裏を返せば、チューブ上に余計な負荷がかかる部分が出てくることになる。スティールの場合は特に問題なしであるが、チタンで稀にクラックが入る場合がある。その部分に無理が生じている一つの証拠である。　だからKUALISのフレーム剛性は基本的にチューブ自体の径と厚さで調整するようにしている。
チタンの場合、CS もオーバル、あるいはテーパー状のものも使用していない。テーパー加工というのは、ストレートのチューブを熱し、ローラーの中に通してグリグリつぶして圧縮されてできる。（スティールも同じ）このテーパー状になったCS （チタン）、意外と要注意。クラックが入る事が稀にある。（つい最近、バイク用チタンチューブを出している某大手アメリカのサプライヤーのテーパードCSを溶接中にクラックが入った。もちろん全てのものがこうなるという事ではない。むしろ稀であるかもしれない。）
大元のチタンチューブメーカーが純正で圧縮、くりぬきによって出来たピュアなストレートのシームレスチタンチューブに第二のメーカーが後からさらに熱を加え、テーパー加工するという過程でチューブの組成に無理が生じるということだろう。（CSのつぶしは少し話が異なる。）
　
レイノルズが出しているダブルバテッドチタンチューブもストレート状のものを中を削って作られるためよく見ると、チューブ内部がそのときに生じる熱で少し青くなっているものもある（青いろのひどいものはコンターミネーションとよばれる。それは使用不可）。使用する前にビルダーによってチェックされる必要がある。それ以外にも注意すべき点はいくつもある。
チタンフレームの製作には、正しい知識、技術、経験などが必要不可欠になる。単にスティールの溶接ができるからというだけの理由でチタンも、、、とは簡単にはいかない。
大量生産方式で作られるチタンフレームや中国で作られるチタンフレームのチュービング、製作過程、品質管理がどのようなものなのか一度見てみたい気がする。

Stress on road frame - ロードフレームにかかるストレス

This is an example which shows stress on a road frame.
1. Constant speed condition
    TT- 37%, DT- 19%, ST- 28%, CS- 8.5%, SS- 7.5%

2. Climbing condistion
   TT- 11.5%, DT- 59%, ST- 18%, CS- 7.5%, SS- 4%

3. Braking condition
   TT- 25%, DT- 58%, ST- 8%, CS- 6%, SS- 3%

(*Stress on HT is not included. HT always has lots of stress.)
 Front end has much more stress than rear end. SS doesn't have so much stress. It can be small diameter and thinner thickness.

ロードフレームにおけるストレス分布の一例を示す。（上記参照）

（＊HT は含まれていない。HT は常に最もストレスのかかる部分である。）
リアに比べてフロント三角の部分にかなりのストレスがかかっているのが分かる。SS はほとんどストレスがかからないので径を細く、薄くすることができる。

Steel tubing and Ti tubing - スティールとチタン

I show a comparison for typical steel and Ti tubing about the weight and stiffness at the joint parts . I take steel (Columbus ZONA) and Ti 3-2.5 as today's example.

Ti - TT (D35/ t0.96), ST (D35/ t0.96), DT (D35/ t0.96), CS (D22/ t0.89), SS (D19/ t0.68)

Steel - TT (D28.6/ t0.7), ST (D28.6/ t0.8), DT (D31.7/ t0.7), CS (D22/ t0.7), SS (D16/ t0.7)

1. TT - Steel has -8% stiffness and +6% weight. (compare to Ti)
2. ST - Steel has +4% stiffness and +21% weight.
3. DT - Steel has +14% stiffness and +18% weight.
4. CS - Steel has +51% stiffness and +41% weight.
5. SS - Steel has +33% stiffness and + 52% weight.

Theses numbers are at the joint of the frames. If you make these two frames, steel one is much stiffer and stronger than Ti, but heavier instead (around the joint).
It is a key point to think about the stiffness and weight to design a frame for each customer.

スティールとチタンチュービングの剛性と重量比較の一例。（チューブのジョイント部分）。今日の例として、スティール（コロンバス、ZONA）、チタン（3-2.5）の比較。

（上記参照）

これらの数値はジョイント部分である。もしこれら2台のバイクを作った場合、スティールのほうがより強く、剛性があるが、同時により重いものになる。
カスタマーに応じたフレームの剛性と重量について考える事は、カスタマーにあったフレームをデザインする上で一つのキーポイントになる。

Current standard? - 現在のスタンダード?

Road bike has been stiffer and stiffer. Also the standard of stiffness has been changed a lot for the past 15 years. This Ti D-43mm (1.7inch) down tube is not unusual as current standard Ti road bike.

ロードバイクはどんどん高剛性なものになってきている。また、その剛性の基準も過去15年で大きく変わってきた。この径43mmチタンダウンチューブも今の基準からすると特に超高剛性というわけでもないのだろう。

A good choice - 一つの選択

Ti road frame with D-43mm down tube from Philippines. It is 1268g (size 46cm(c-c)).
This is a good example as a stiff and light-weight Ti frame. Steel frame (D-41/t-0.54mm, same stiffness as Ti above) couldn't keep light-weight like this frame with the same stiffness. There are some points to have a Ti frame. If a Ti frame is outside of the points, it will be a just heavy and expensive frame...
I guess this customer or shop will know one of the best points to choose Ti frame.

Ti ロードフレーム（径43mmダウンチューブ、フィリピンからのオーダー）。1268g、サイズ46cm（C-C）。これは高剛性で軽量なチタンフレームの良い例だと思う。スティールフレーム（径41/厚0.54mm
相当）ではこの剛性でかつこの軽量さを保つのは困難である。チタンフレームを選ぶメリットはいくつかある。もしこのポイントから外れると、単に高価でヘビーなフレームを手にしてしまうことに。。。
このカスタマー、あるいはショップはチタンフレームを選択するためのベストポイントの一つを知っているように思う。

Cutting method for steel tube - スティールチューブのカッティング手法

Steel tubing for high-end bikes is usually double butted tubing. That is to make the tube lighter and have a strength and stiffness on both sides. When I design a steel frame, I rather pay attention the thicker parts (not thinner part) on both sides of the tube (main tubes). I never cut off only one side of the tube, but cut both sides to keep double butt. It makes a well-balanced frame. Unless it is kept, the tube doesn't show the maximize ability.
This is an significant matter in steel frame design process.

ハイエンドのスティールチューブはたいていダブルバテッド管になっているが、それは両端（ジョイント部になる）に剛性を残しつつ、チューブを軽くするためである。自分がスティールフレームをデザインする時、薄い部分ではなくむしろ両側の厚い部分に注意を払っている（メインチューブ）。つまりチューブをカットした後両側の厚い部分を必ず残すようにしている。そうすることにより、チューブが組み合わさった後バランスの良いフレームになる。決して片側から寸法を測りカットするなんて事は当然しない。なぜなら、ダブルバテッドをキープしてこそそのチューブの持つアビリティーが発揮されるからである。
これはスティールフレームをデザインする上で、重要な事柄だと思っている。

Comparison steel and titanium 2 (small parts) - スティールとチタンの比較2（スモールパーツ）

I would like to compare steel and titanium for small parts, today.
                                          Ti          Steel
1. Dropout,                       64g         92g
2. Cable stop,                     1g           2g
3. Threaded adjuster           2g           4g
4. Triple stop                      2g         12g
5. Road brake bridge        12g         22g
6. Canti post                       6g         12g
7. Brake Boss                     6g         12g

Steel small parts are definitely heavier than those of Ti. For example, if you see steel road and Ti road, the small parts (steel) are 128g and Ti is 83g. Steel road is 45g heavier than Ti. About cross bike, 69g heavier than Ti. This is a big difference. Steel tubing has been developed so far, but the small parts haven't. If I think about the difference of density of the material, it's hard to reduce the weight, but I hope it, or I should design and have it made by someone?

今日はチタンとスティールのスモールパーツ（小物）の比較をいてみることにする。

表は上記参照。

スティールは明らかにチタンより重いのが分かる。例えば、ロードバイクに必要なパーツで比べてみると、スティールは計128g、チタンが83gでその差45gである。シクロクロスについては、その差69gと決して小さな差ではない（と思う）。スティールチューブの開発はこれまでなされてきているが、スモールパーツのほうはそうでもない。鉄とチタンの素材の密度の違いを考えると、軽くするのは大変かもしれないが、もうちょっと何とかならないものだろうか？自分でデザインして作ってもらうしかないか？

お詫び：　自身のブログを読んで下さっている日本の方からオーダーしていただいたフレームのISPの連結部分に不備があったことをお詫びいたします。早急に対応してお返しいたします。誠に申し訳ありませんでした。

Comparison steel and titanium frame (tubing) 1 - スティールとチタンフレーム（チュービング）の比較1

Steel (KUALIS)

Ti

Ultimate strength of steel is 130-210ksi (True temper S3, max/217ksi, Reynolds 953 stainless steel, 225-290ksi), Ti 3Al-2.5V is 90-95, and Ti 6Al-4V is 130-145. For strength and stiffness, steel is far stronger than Ti as a material although both materials are strong enough for a bike frame. What about the weight? Steel is always heavier than Ti?

Basically, steel can keep its strength and stiffness with smaller diameter and thinner thickness than those of Ti. So if I say roughly, if you want a stiffer (than Ti)and light weight frame, you can have a stiffer steel frame which is close to Ti for the weight (about +200g). But there is a condition that the tube diameter must be less than 38mm (1 3/8). If the diameter is larger than 38mm (1 1/2), a steel tube becomes stiffer, but just heavier because it cannot be thinner any more.
But Ti can be stiffer than steel with larger diameter (more than 38mm) keeping light weight although it has limitations. So I would say, it would be a good choice to have a Ti frame with a larger diameter tube (>38mm), if you think you want a frame, which is as stiff and light as possible... Otherwise, if you want a more comfortable, flexible, and lighter frame, you should have a Ti frame which has smaller diameter and thinner thickness tubes. It depends on the design which material steel or Ti is better for you.

スティールの極限強度は約130-210ksi (Henry James, true temper S3, max/217ksi, Reynolds 953 stainless steel, 225-290ksi), チタン3Al-2.5Vは90-95, チタン6Al-4Vは130-145である。強度と剛性に関していうなら、スティールはチタンよりも強度が高い。（チタンもスティールもフレーム材料としての強度は十分以上である）重量に関してはどうか？スティールは常にチタンより重いのだろうか？
基本的にスティールはチタンよりも小さい径のチューブでその剛性を保つことができる。大雑把にいうなら、チタンに近い重量（+200g 前後）でより剛性の高いスティールフレームを作ることはできる。ただし条件がある。そのチューブ径は38mm以下であること、である。径が38mmを超えてくると剛性は上がるが、重量もさらに増すことになる。何故ならいまのスティールチューブはもう限界の厚さ（薄さ）まできているため、これ以上径を上げても、薄くすることは不可能であるからである。すなわち、ただ径を大きくするしかない（つまり重くなるだけである）。
しかしチタンは38mm径を超えても軽さをキープしつつ、剛性を上げることができる。もしできる限りの剛性（スティール以上）と軽さをもったフレームを望むなら、チタンフレーム（38mm径以上のチューブ使用）はグッドチョイスであると言えるだろう。　でなければ、より快適で、柔軟で、かつかなりの軽量なチタンフレーム（35mm径以下でバテッド加工で薄くしたもの）という選択も良いだろう。
いずれにしても、どちらのマテリアルが良いかはデザインしだいである。

Studying Titanium - チタンの研究

This is a specialized book for titanium. I read through it once. But of course, I am still learning about Ti from this book sometimes. I can gain some knowledge through internet, too, but it is almost general things.
Through this book, I can learn many, many things about Ti (character, crystal stracture... everything.). This is a specialized book, but there are lots of detailed explanations so I can understand the contents well. It's a nice guide book and very interesting. If you are interested in titanium and learn something, I recommend this book to you. You can learn everything about titanium.

これはチタンに関する専門書である。一通り既に読んでいるが、今でもたまにぺらぺらとめくっては、チタンについて学んでいる。ネットを通してある程度学ぶこともできるが、それらは一般的な知識ベースのものがほとんどである。
この本を通して、チタンに関する膨大な知識（特徴、種類、結晶構造、、、全て）が得られる。専門書ではあるが、細やかな説明も多く理解しやすい。大変良いガイドブックであり、興味深い。もしあなたがチタンに興味があるならこの本をお勧めする。チタンについての知識は何でも得られるだろう。

High-stiffness and Flexibility – 高剛性と柔軟性

There are huge defferences for the relation between stiffness and flexibility in a frame depenping on each customer. It is interesting.
For example, there are two customers A and B. Customer A wants to have a comfortable and flexible bike. On the other hand, customer B would like to have a high-stiffness frame for his bike. (This is a rough example.) One of their tubing is like below, for instance.

*d – diameter, t – wall-thickness

Customer A - Ti, d-35mm (1.37”), t-0.66mm (0.026”), or Steel, d-28.6mm (1.125”), t-0.5mm (0.019”)

Customer B - Ti, d-43mm (1.7”), t-0.93mm (0.037”), or Steel, d-38.0mm (1.5”), t-0.6mm (0.023”)

(*In this example, both Ti and steel have almost the same relation about the stiffness and weight.)

You can see there is a huge difference of stiffness (and weight, too) between the customer A and B (B has 213% (+113%) stiffness and 174% (+74%) weight compared with A.) . You could also understand that customers have their own ride feeling through the bikes. This couldn’t be designed by adjusting the frame size in a material. Tubing design is one of the interesting and important things for a custom-made frame.

1本のフレームの中で剛性と柔軟性に関しては、カスタマーによって大きく異なる。これは非常に興味深い。例えば、カスタマーAさんとBさんがいるとする。Aさんは快適でフレキシブルなフレームが欲しい、一方Bさんは高剛性なフレームを求めているとする。（あくまで大雑把な例であるが）そのチュービングセットの一部は例えば、以下のような具合である。

Aさん　　Ti,　径35mm、厚0.66mm、あるいはSteel,　径28.6mm、厚0.5mm

Bさん　　Ti,　径43mm、厚0.93mm、あるいはSteel,　径38mm、厚0.6mm　

（＊チタン、スチールはそれぞれほぼ同じ剛性と重量の関係にある。）

AさんとBさんではそのフレームに求める特性にかなりの違いがある（Bさんの方がAと比較して213％の剛性と174％の重量）。いかに乗り手によって異なるかが理解できる。これは一つの素材の中で、サイズをアジャストするだけでは作れない。チュービングデザインが必要になってくる。それはフレーム設計において興味深く、重要な要素である。