チタンの鎧　フリクション低減効果の測定　実験手順について

2020年11月10日2021年9月12日

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自転車のチェーンやスプロケットに施工する酸化チタン粒子のコーティング「チタンの鎧」の駆動損失の低減効果を調べるため、コーティングを施工した駆動系部品と非施工の部品を用意して比較実験を行った。

ここでは、実験手順とデータ処理について説明する。

チタンの鎧の本記事はこちら

チタンの鎧　フリクション低減効果の測定実験

実験の概要

チタンの鎧は、フリクション低減の他にも自浄作用や帯電防止といった効果を謳っているが、今回は駆動損失の低減のみに注目し、駆動系部品にチタンの鎧を施工することでどの程度のフリクション低減効果があるのかを定量的に評価する。

自転車がよく走る、走らない、といった感覚は、使用者の体調や天候、あるいは気持ちに大きく左右される。こういった不確定要素を排除しつつも、実際の自転車の使用環境を再現するため、複数のパワーメーターと自動負荷調整が可能なローラー台を使用して実験を行った。

市販のパワーメーターは測定精度が低い（±2％程度）うえ、各パワーメーターの個体差もある。そこで、スマートトレーナーの設定パワーを一定にしてペダリングを行い、チタンの鎧を施工した駆動系と、非施工の駆動系でのクランク軸のパワー測定値を比較することで、駆動損失の低減効果を求めた。

使用機材

実験に使用した機材は以下の通り。

バイク

フレーム　Lynskey SuperCooper
クランク　Shimano Dura-Ace FC-9000 172.5mm
リヤディレイラー　Shimano Ultegra RD-R8050 SS

パワーメーター

クランクアーム型パワーメーター　Pioneer ペダリングモニタ PM910H
ペダル型パワーメーター　Garmin Vector J
スマートトレーナー　Saris H3

駆動系（チタンの鎧を施工済みの部品と未施工の部品を各1セット用意）

チェーンリング　CS-5800 39T（105グレード）
チェーン　CN-HG601（105グレード）
スプロケット　CS-R7000 11-30T（105グレード）
プーリー　RD-R8000 テンション/ガイドプーリーセット（アルテグラグレード）

ソフトウェア

バーチャルサイクリングサービス　ZWIFT（PC版）
パワーログ測定ソフト　IpWatts（Android）

実験手順

実験では、使用するギヤ歯数やペダリングパワーによるチタンの鎧の効果の差を調べるため、ZWIFTで以下のようなワークアウトを作成し、3種のギヤ組み合わせと、3段階のパワーで測定した。
スマートトレーナーはERGモード（負荷自動調整）を使用したので、ほぼ一定のパワーでペダリングが行える。ワークアウト中は80～85rpmのケイデンスで、なるべく一定のペダリングを行った。

内容	使用ギヤ	パワー（ERGモードで負荷調整）
セット1	39×24T	160W　3分 240W　3分 320W　3分
セット2	39×17T	160W　3分 240W　3分 320W　3分
セット3	39×13T	160W　3分 240W　3分 320W　3分

パワーメーターテスト用ワークアウト
※ケイデンスは80～85rpmを維持

実験は、10分以上ペダリングしてスマートトレーナー本体の温度が安定した後に開始した。また、実験中はエアコンで空調を行い、室温を平均22度に保った。

測定データの一例を以下のグラフに示す。160W,240W,320Wと、階段状にパワーが変化している。

次に、各区間ごとにパワーを平均し、

駆動損失=[クランク軸パワー] － [リヤハブ軸パワー]

を計算した。
なお、クランク軸パワーは、クランクアームのPioneer ペダリングモニタ PM910H（両足）とペダル内蔵のGarmin Vector Jで測定たパワーの平均値、
リヤハブ軸パワーはスマートトレーナーでのパワー測定値である。

ギヤ	設定パワー	PM910とVectorの平均値（①：クランク軸パワー）	SarisH3測定値≒設定パワー（②：リヤハブ軸パワー）	駆動損失（①-②）
24T	160W	153W	160W	-6W
24T	240W	233W	240W	-6W
24T	320W	317W	320W	-3W
17T	160W	158W	160W	-2W
17T	240W	234W	240W	-6W
17T	320W	313W	320W	-7W
13T	160W	153W	160W	-6W
13T	240W	233W	240W	-7W
13T	320W	310W	320W	-10W

各セットの平均と駆動損失の計算
※パワーメーターの個体差の影響で、駆動損失はマイナスの値になっている

チタンの鎧を施工した駆動系、施工していない駆動系について上記のテスト用ワークアウトを行い、駆動損失を比較した。

チタンの鎧を施工したチェーンには専用のオイルが塗布されている。未施工のチェーンに対しても洗浄脱脂後、同種のオイルを塗布したものを準備して実験を行ったが、実験途中にオイルが切れて異音がしはじめた。

そのため、チェーンオイルをウエスで拭き取り、市販のチェーンオイル（ワコーズ　チェーンルブリキッド　パワー）を注油して改めて実験を行った。専用オイルでの測定結果も参考として記す。

実験記号	チタンの鎧	チェーンオイル
Ti	施工済	チタンの鎧専用オイル（ほぼオイル切れ）
NC	未施工	チタンの鎧専用オイル（ほぼオイル切れ）
TiO	施工済	ワコーズチェーンルブ注油
NCO	未施工	ワコーズチェーンルブ注油