自転車のフレーム

自転車のフレームは自転車の主要な部品であり、車輪やその他の部品が取り付けられています。直立型自転車の最新の最も一般的なフレーム設計は、安全自転車に基づいており、メインの三角形と一対の後部三角形の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]フレームは強く、硬く、軽量であることが求められ、さまざまな素材と形状を組み合わせることでこれを実現します。^[2]

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。^[3]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。

広く普及しているダイヤモンドフレーム^[1]以外にも、自転車用にさまざまなフレームタイプが開発されており、そのうちのいくつかは現在でも一般的に使用されています。

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 つ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、一対のチェーン ステーとシート ステーで結合されたシート チューブで構成されています。

ヘッドチューブには、ヘッドセット、つまりフォークとのインターフェイスが含まれています。トップチューブは、ヘッドチューブをシートチューブの上部に接続します。トップチューブは水平（地面と平行）に配置することも、スタンドオーバークリアランスを増やすためにシートチューブに向かって下向きに傾斜させることもできます。ダウンチューブは、ヘッドチューブをボトムブラケットシェルに接続します。

リア トライアングルは、後輪が取り付けられているリアフォークの端に接続します。シート チューブと、一対のチェーン ステーおよびシート ステーで構成されます。チェーン ステーは、ボトム ブラケットをリア フォークの端に接続します。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かその近く) をリア フォークの端に接続します。

歴史的に、女性向けに設計された自転車のフレームは、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ライダーが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、乗り降りを容易にするためにユニセックスのユーティリティバイクに使用され、ステップスルーフレームやオープンフレームとしても知られています。^[4]同様の結果を達成する別のスタイルはミキストです。

カンチレバー自転車フレームでは、シートステーはシートポストを過ぎて下方にカーブし、ダウンチューブと合流します。^{[5]カンチレバーフレームは、}クルーザー自転車、ローライダー自転車、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、まっすぐなチューブはシートチューブとヘッドチューブのみです。

リカンベント自転車は、クランクをライダーの下ではなく前方に移動させ、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曲がりがなく、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年にフランスで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に禁止され、^[6]リカンベント自転車の製造はその後半世紀にわたって低迷しましたが、2000年までにさまざまなメーカーから多くのモデルが販売されました。

珍しいうつ伏せバイクは、クランクをライダーの後方に移動させ、頭を前に出し、胸を下にした乗車姿勢になります。

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。^[7]

トラスフレームは、追加のチューブを使用してトラスを形成します。^[8]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。^[9]

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・ファージングのフレームは、大きな前輪と小さな後輪が特徴です。^{[10] [11]}

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。

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 ^[12]、デザイナーIonut PredescuのWire Bike ^[13] 、 Slingshot Bicycles fold-techシリーズ^{[14]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を備えたフレーム。ラウンドテールと呼ばれる。^{[15] [16]}
• 90年代初頭には、チェーンステーが高い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が高くなっているため、チェーンをリアフレームに通す必要がなくなりました。これにより、ホイールベースが短くなり、テクニカルな上り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備えたフレームと比較して、強度が損なわれ、ボトムブラケットのたわみが大きくなりました（補強しない限り）。^[17]

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。

ダイヤモンドフレームは、メイン三角形とペアになったリア三角形の 2 つの三角形で構成されています。メイン三角形は、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ています。リア三角形は、シートチューブ、ペアになったチェーンステー、シートステーで構成されています。

ヘッドチューブには、ヘッドセットと、ステアラー チューブを介したフォークのベアリングが含まれています。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と直接接続され、非一体型ヘッドセットでは、ベアリング (カートリッジ内にあるかどうかに関係なく) がヘッド 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^[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、トップチューブは追加のスタンドオーバークリアランスのためにシートチューブに向かって下向きに傾斜しています。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急激に傾斜したトップチューブでは、同等の強度を得るために追加のガセットチューブ、別のフレーム構造、または異なる材料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、急勾配のトップチューブを備えています。ステップスルーの代替デザインには、モノコックメインフレームデザインのようにトップチューブを完全に省いたものや、分離またはヒンジ付きのシートチューブを使用したもの、ミキストフレームのようにリアフォークの端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の代替品は、同等の強度と剛性を実現するために重量が増加するものの、より汎用性があります。^{[20] [21]}

コントロールケーブルはトップチューブのマウントに沿って配線されるか、トップチューブの内側を通ることもあります。最も一般的には、リアブレーキのケーブルが含まれますが、マウンテンバイクやハイブリッドバイクの中には、フロントとリアのディレイラー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。かつては高価格帯にしか存在しなかった内側配線は、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可能性があります。^[23]

ライダーがバイクにまたがり地面に立ったときのトップチューブと股間の隙間をクリアランスといいます。地面からこの点までの全高をハイトレバーといいます。

ダウンチューブはヘッドチューブをボトムブラケットシェルに接続します。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、また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。新しいものには、ブレーキレバーととも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上にあり、通常は上側ですが、下側にもある場合があります。ボトルケージに加えて、小型の空気ポンプもこれらのマウントに取り付けられる場合があります。

シートチューブには自転車のシートポストが収められており、シートポストはサドルに接続されています。シートポストをシートチューブに挿入する長さを変えることで、サドルの高さを調整できます。一部の自転車では、クイックリリースレバーを使用してこれを実現しています。シートポストは、少なくとも一定の長さ挿入する必要があり、最小挿入マークが付いています。

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（ペダルとクランクが回転する軸を保持する）をリアフォークの端またはドロップアウトに接続します。チェーンステーが短いと、一般的に自転車の加速が速くなり、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防ぐことができます。^[23]

リア ディレイラー ケーブルがダウン チューブに沿って部分的に配線されている場合、ケーブルはチェーン ステーに沿って配線されます。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 ブレーキのマウントがチェーン ステーに取り付けられます。後輪の前とボトム ブラケット シェルの後ろのチェーン ステーを接続する小さな支柱があり、これを「チェーン ステー ブリッジ」と呼びます。

チェーン ステーは、テーパー チューブまたはテーパーなしチューブを使用して設計できます。チェーン ステーは、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追加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、または隆起型にすることができます。

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 チューブと同じかそれに近い位置) をリア フォークのドロップアウトに接続します。従来のフレームでは、後輪の上のブリッジで接続された、単純な平行チューブのセットが使用されています。リア ディレイラー ケーブルがトップ チューブに沿って部分的に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。

伝統的なシートステーのデザインに代わる多くのデザインが、長年にわたって導入されてきた。シートチューブの前方、トップチューブの後端の下まで伸び、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年にそれを導入した英国のフレームビルダー、フレッド・ヘレンズにちなんでヘレニックステーと呼ばれている。 ^[24] ヘレニックシートステーは、重量の増加を犠牲にして美観を高める。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高め（レースで有利になる）、同様の理由でマウンテンバイクのフレームにも使用されている。

2012年、シートチューブを迂回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。

もう一つの一般的なシートステーのバリエーションは、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、ステーを後輪の真上で結合し、シートチューブに結合されたモノチューブにします。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追加しますが、これは通常、サスペンションのない後輪を備えた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、独立した後部サスペンションを備えた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場合に最も適しています。

デュアルシート ステーとは、自転車の前部三角形と 2 つの別々のポイント (通常は横並び) で接続するシート 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、通常、ブリッジまたはブレースを使用して、後輪の上とシート チューブとの接続部分の下のステーを接続します。このブリッジは、横方向の剛性を提供するだけでなく、リア ブレーキ、フェンダー、ラックの取り付けポイントを提供します。シート ステー自体にブレーキ マウントを取り付けることもできます。固定ギアまたはトラック バイクのシート ステーには、ブレーキ マウントがないことがよくあります。

ボトムブラケットシェルは、フレームの他のチューブに比べて短くて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保持します。通常はネジが切られており、自転車の右側（駆動側）はフレッティングによる歳差運動で緩むのを防ぐために左ネジ、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りを調整できる偏心ボトムブラケットなど、さまざまなバリエーションがあります。通常はより大きく、ネジが切られておらず、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。

従来の標準シェル幅（68、70、または73 mm）がいくつかあります。^[29]ロードバイクは通常68 mmを使用します。イタリアのロードバイクは70 mmを使用します。初期モデルのマウンテンバイクは73 mmを使用します。後期モデル（1995年以降）では、68 mmがより一般的に使用されます。最近の自転車には、シェル幅が83 mmまたは100 mmのものがあり、これらはダウンヒルマウンテンバイクまたはスノーバイクに特化しています。シェル幅は、自転車のQファクターまたはトレッドに影響します。いくつかの標準的なシェル直径（34.798〜36 mm）と、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に置き換えられたり、取り外し可能なギアボックスの取り付け場所が設けられたりすることがあります。

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の形状が決まります。さまざまなフレーム形状を比較する場合、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。自転車の使用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、ボトムブラケットの中心からヘッドチューブの上部までの垂直距離。^[31]
• リーチ、ボトムブラケットの中心からヘッドチューブの上部までの水平距離。^[32]
• ボトムブラケットドロップ、ボトムブラケットの中心がリアハブのレベルより下にある距離。^[33]
• ハンドルバードロップ、サドル上部の基準点からハンドルバーまでの垂直距離。^[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との間の水平距離。^[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、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。^[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、使用目的によって異なります。たとえば、ロードバイクでは、ハンドルバーがサドルに対して低く遠い位置に配置され、よりかがんだ乗車姿勢になります。一方、ユーティリティバイクでは快適性を重視し、ハンドルバーが高く、直立した乗車姿勢になります。

フレームのジオメトリもハンドリング特性に影響します。詳細については、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参照してください。

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54または56cm（約21.2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。現在存在するフレーム形状の範囲が広いため、フレームサイズを測定する他の方法も生まれました。^[39]ツーリングフレームは長くなる傾向があり、レーシングフレームはよりコンパクトです。

ロード レース用自転車は、重量と抵抗を最小限に抑えながら、効率的に動力を伝達するように設計されています。大まかに言えば、ロード バイクの形状は、トップ チューブが水平の従来の形状と、トップ チューブが傾斜した コンパクトな形状のいずれかに分類されます。

従来の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ことが多く、ホイールベースが長い傾向があり、これら 2 つの側面に貢献しています。コンパクトなジオメトリにより、ヘッドチューブの上部がシートチューブの上部より高くなり、スタンドオーバーの高さが下がり、スタンドオーバークリアランスが大きくなり、重心が下がります。コンパクトフレームの乗り心地の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、サイズの範囲が狭ければ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。トレードオフは快適性です。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（垂直性が低い）になる傾向があります。これにより、ライダーは坐骨にさらに位置することになり、手首、腕、首の重量が軽減され、男性の場合は、泌尿器系と生殖器系の血行が改善されます。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、重心（通常はホイールの後ろの方になります）をバイクのフレームの中央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、衝撃を効果的に吸収できます。現代の大量生産されるツーリングバイクやコンフォートバイクでは、シートチューブ角度は無視できるほど緩くなっています。これは、自動化されたプロセスで溶接ジグをリセットする必要を回避して製造コストを削減するためと思われます。そのため、シートチューブ角度が明らかに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得られません。

UCI 公認レースで使用されるロードレース用自転車はUCI規則によって規制されており、その規則ではフレームは 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許可されていません。

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、ライダーをさらに低く、より空気力学的に優れた姿勢にするためです。ハンドリング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乗られるように設計されています。これらのフレームは、サドルからハンドルバーまで正しく届くように、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 によって規制されていないため、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になっています。

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]が付いており^、後輪の位置を水平に調整して適切なチェーンの張力を設定できます。リアハブの間隔は、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、通常は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シングバイクよりも急です。

乗り心地とハンドリングを向上させるために、ショックアブソーバーがよく使用されます。フロントとリアのホイールに衝撃を吸収するフルサスペンションモデルや、フロントホイールから発生する衝撃のみを処理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、さまざまなバリエーションがあります。1990 年代に洗練された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に多くの変更が加えられました。

最近の^{[いつ? ]リア}サスペンションシステムを備えたマウンテンバイクには、リアショックアブソーバーを作動させるための回転式リアトライアングルがあります。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にはメーカーによってさまざまなバリエーションがあり、ライディングの目的に応じてさまざまなデザインがあります。

ロードスター自転車は、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「座って体を預ける」ライディング ポジションを生み出します。その他の特徴としては、ホイールベースが 40 インチ以上 (多くの場合 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 40 mm に対して 76 mm) であることが多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、通常はより軽いフレームと、シートチューブとヘッドチューブの角度が約 70 ～ 72 度とやや急になっています。

歴史的に、自転車のフレームのチューブに最もよく使われる素材は鋼鉄でした。 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鋼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、炭素繊維、さらには竹やボール紙で作ることもできます。 ダイヤモンド型フレームは、チューブ以外の部分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いる素材には、木材(無垢材またはラミネート)、マグネシウム(鋳造I ビーム)、熱可塑性プラスチックなどがあります。 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（または弾性係数）は、理論上は乗り心地や動力伝達効率に影響します。実際には、非常に柔軟なフレームでもタイヤやサドルよりはるかに硬いため、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、自転車のフィット感によって決まります。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難しく、柔軟性が高すぎると、主に後部三角形の歪みによる路面のタイヤの擦れ、リムとブレーキの擦れ、ギア機構とチェーンの擦れによって動力伝達に影響します。極端な場合、ライダーがサドルから高トルクをかけると、ギアが勝手に変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。

スチールフレームは、クロモリを含むさまざまな種類の鋼合金を使用して作られることが多い。強度があり、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い）、振動減衰性に優れているため、フレームの残り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スチールを使用することが一般的である（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両方に共通する典型的な構造は、標準的な円筒形の鋼管を使用し、これをラグで接続するものです。ラグは厚い鋼片でできた継手です。管は管の端を取り囲むラグに取り付けられ、次に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、高温溶接よりも管の強度に悪影響が少なく、強度を落とさずに比較的軽い管を使用することができました。最近の冶金学の進歩（「空気硬化鋼」）により、高温溶接温度によって悪影響を受けない、または特性が改善される管が作られ、一部の高級自転車を除いて、 TIG溶接とMIG溶接の両方でラグ構造が脇に追いやられるようになりました。より高価なラグ付きフレームの自転車には、軽量化と職人技の証として、手作業で凝った形にヤスリがかけら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簡単なため、現場での修理がより容易です。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錆を効果的に防ぐことができますが）、ラグフレームで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溶接で接続する方法で、チューブを固定するためのラグを必要としません。代わりに、フレームチューブ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チューブ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チューブは正確に切り込みまたは斜め切りにされ^{[44] [45]}、次にラグ構造プロセスと同様に、真鍮のフィレットがジョイントにろう付けされます。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（滑らかな曲線の外観）を実現できます。

鉄骨フレームでは、バテッド チューブを使用すると重量が減り、コストが増加します。バテッドとは、チューブの壁厚が両端で厚くなり (強度のため)、中央で薄くなる (軽量のため) ことを意味します。

安価なスチール製自転車フレームは、自動車やその他の一般的な製品の製造に使用される、高張力鋼とも呼ばれる軟鋼で作られています。ただし、高品質の自転車フレームは、非常に薄い壁ゲージの軽量チューブにできる高強度鋼合金（一般にクロムモリブデン、または「クロモリ」鋼合金）で作られています。最も成功した古い鋼の1つは、マンガンモリブデン合金鋼のレイノルズ「531」でした。現在では、4130クロモリまたは同様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2つのメーカーです。中品質の自転車のいくつかは、フレームチューブの一部にのみこれらの鋼合金を使用していました。その一例は、シュウィンのルツアー（少なくとも特定のモデル）で、 上部と下部の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、爪で軽く叩くと、高品質の (クロモリまたはマンガン) スチール フレームであることがわかります。高品質のフレームはベルのような音がしますが、通常の品質のスチール フレームは鈍い音がします。重量 (フレームとフォークで約 2.5 kg) と、使用されているラグとフォーク エンドのタイプによっても識別できます。

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、強度対重量比が優れているため、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わかっています。これは、疲労限度が明確で、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の溶接、自動化、および現代のアルミニウム合金の容易な利用によって、その後軽減されました。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。

現在最も人気のある構造は、タングステン不活性ガス (TIG) 溶接で接合されたアルミニウム合金管を使用しています。溶接されたアルミニウム自転車フレームが市場に登場し始めたのは、このタイプの溶接が 1970 年代に経済的になってからでした。

アルミニウムは、最適な壁厚とチューブ径の比率が鋼鉄とは異なります。アルミニウムは直径:壁厚の比率が約 200:1 のときに最も強度が増しますが、鋼鉄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。したがって、アルミニウム製の自転車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、より合理的な空気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のチューブを提供します。その結果、フレームは鋼鉄よりも大幅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なるように設計されているため、スチール フレームの方が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のです。逆に、この議論自体が、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ます。^[46]一方、横方向と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よりも軽量であると認識されていますが、常にそうであるとは限りません。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、重量軽減のために、中間セクションの壁厚を端部セクションよりも薄くしたバテッドアルミチューブを使用しています。非円形チューブは、剛性、空気力学、マーケティングなど、さまざまな理由で使用されています。さまざまな形状がこれらの目的のいずれかに重点を置いており、すべてを達成することはほとんどありません。

チタンは自転車のフレームに比較的特化した素材です。高い比強度、高い疲労限度、優れた耐食性など、多くの望ましい特性を持っています。 ^[47]カーボンファイバーほど軽量ではありませんが、チタンはより快適な乗り心地を提供できるため、パフォーマンスよりも快適さを求めるサイクリストの間で人気のある素材となっています。^{[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機械加工が難しいため、スチール、アルミニウム、カーボンファイバーに比べてフレームが比較的高価になります。^{[48] [49]}

チタンフレームには通常、もともと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よく使用される合金は3AL-2.5V（アルミニウム3.5％、バナジウム2.5％ ）で、次に6AL-4V（アルミニウム6％、バナジウム4％）が続きます。一部のメーカーは、サイクリング専用に設計された他の合金を試しています。^{[47] [49]チューブは}冷間引抜とハイドロフォームでさまざまな形状にすることができ、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状態で行われます。 ^{[48] [50]}

カーボンファイバー複合材は、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、軽量で耐腐食性があり、強度も高く、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ながら（ペダリングの力に耐えるため）、他のフレームセクションでは柔軟性を持たせることができます（快適性のため）。カスタムカーボンファイバー自転車フレームは、一方向（横方向など）には強度があり、別の方向（縦方向など）には柔軟な個別のチューブを使用し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別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]一部のカーボンファイバーフレームでは、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。別のタイプのカーボンファイバーフレームは、}モノコック構造と呼ばれる一体型で製造されています。

サンタクルーズ・バイシクルズが実施した一連のテストでは、フレームデザインが同一で重量がほぼ同じ場合、全体的な力負荷（フレームに張力と圧縮の両方を与える）と衝撃強度を受けると、カーボンフレームはアルミニウムよりもかなり強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がありますが、他の素材に比べて耐衝撃性が低く、衝突や取り扱いを誤ると損傷しやすくなります。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します。^[57]これらの素材は、長期間の使用で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、層間亀裂または接合部の接着剤の亀裂に限定され、適切な設計慣行により応力をうまく制御できます。壊れたカーボンフレームを修理することは可能ですが、安全上の懸念があるため、可能な限り最高の基準で専門業者のみが行う必要があります。^[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不可能な空気力学的プロファイルでフレームを形作ることができるため、または他の素材では重すぎるため、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、その空気力学的効率により、サイクリストは全体的な速度を上げることができます。

炭素繊維以外の材料、例えば金属ボロンなどをマトリックスに加えることで、剛性をさらに高めることもできます。^[要出典]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衝撃強度を向上させるために、カーボン織りにケブラー繊維を取り入れているものもあります。

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で使用できます。熱可塑性自転車フレームの 1 つの具体例は、より一般的な熱硬化性エポキシ材料ではなく、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 フレームです。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 1 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す。このチューブは、内部にブラダーがある金型に配置され、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す。次に、金型を加熱して熱可塑性プラスチックを溶かします。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す。

自転車のフレームには、アルミニウムの約64%の密度を持つマグネシウム製のものもある。1980年代、フランク・カークというエンジニアが、チューブではなくI型梁で構成された一体成型のダイカストフレームという斬新な形状を考案した。英国にカーク・プレシジョン社という会社が設立され、この技術を使ってロードバイクとマウンテンバイクのフレームを製造した。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、従来のチューブを使った方法で作られている。^[61]

自転車メーカーの中には、スカンジウムを含むアルミニウム合金でフレームを製造しているところもあります。マーケティング目的では、通常、単にスカンジウムと呼ばれていますが、Sc 含有量は 0.5% 未満です。スカンジウムは、優れた疲労耐性により一部のアルミニウム合金の溶接特性を向上させ、より小径のチューブの使用を可能にして、フレーム設計の柔軟性を高めます。

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）で作られたフレームセットを26,000ドルで短期間販売した。乗り心地は非常に悪かったが、フレームは横方向にも非常に柔軟だったという報告があった。^[62]

自転車のフレームの多くは、竹の管を金属や複合材で接合して作られており、機械的な特徴だけでなく、見た目の美しさも重要な要素となっている。^{[63] [64]}

自転車のフレームの多くは、無垢材またはラミネート材で作られています。パリ・ルーベレースの265キロの過酷なレースを耐え抜いた自転車もありますが、見た目の美しさは乗り心地と同じくらい重要な要素です。^[65]東アフリカでは、木材が自転車の製造に使用されています。^[66] 段ボールも自転車のフレームに使用されています。^[67]

異なる素材を組み合わせることで、単一の素材で実現できるよりも、さまざまな領域で望ましい剛性、コンプライアンス、または減衰を実現できます。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、チタンのいずれか）です。このアプローチの1つの実装には、金属製のダウンチューブとチェーンステー、カーボン製のトップチューブ、シートチューブ、シートステーが含まれます。^[68]もう1つは、金属製のメイントライアングルとチェーンステー、カーボン製のシートステーのみです。^[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]

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 チューブは、強度を高めるために接合部付近の厚みを増やし、他の部分は薄い素材で軽量化しています。たとえば、トリプル バテッドとは、通常はアルミニウム合金製のチューブに 3 つの異なる厚みがあり、端の溶接部分に厚い部分があることを意味します。同じ素材をハンドルバーにも使用できます。

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、さまざまな小さな特徴は、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があります。^[71]

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。

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• シェルドン・ブラウンの「自転車のサイズ設定の修正理論」 - フレーム サイズを測定するさまざまな方法についての説明。
• フレームサイズ計算機 - シンプルなフレームサイズ計算ツール
• サイクリストのための冶金学 - フレームの使用への適合性に関連してフレーム材料の特性について説明します
• BikeCAD プログラムを使用すると、独自のフレームをオンラインで設計できます。
• Frame Sketcher (2021-04-27 にWayback Machineでアーカイブ) は、フレームをオンラインでスケッチして比較できるシンプルな HTML5 アプリです。