自転車のフレーム

ダイヤモンドフレームにおいて、メインの「三角形」は実際には三角形ではなく、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本のチューブで構成されています。リアトライアングルは、シートチューブと、それぞれ2本ずつ連結されたチェーンステーとシートステーで構成されています。

ヘッドチューブには、フォークとの接合部であるヘッドセットが内蔵されています。トップチューブは、ヘッドチューブとシートチューブを上部で接続します。トップチューブは水平（地面と平行）に配置される場合もあれば、またぎやすさを向上させるためにシートチューブに向かって下向きに傾斜している場合もあります。ダウンチューブは、ヘッドチューブとボトムブラケットシェルを接続します。

リアトライアングルは、リアホイールが取り付けられるリアフォークエンドに接続されています。リアトライアングルは、シートチューブと、チェーンステーとシートステーのペアで構成されています。チェーンステーは、ボトムブラケットからリアフォークエンドまで伸びています。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、またはその近く）からリアフォークエンドまでを繋いでいます。

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で接続されており、その結果、またがり高さ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でも乗り降りでき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も使用され、ステップスルーフレームまたはオープンフレームとしても知られています。^{[ 3 ]}同様の結果を実現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越えて下方に湾曲し、ダウンチューブと接します。^{[ 4 ]}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、ウィリー自転車で人気があります。多くのカンチレバーフレームでは、シートチューブとヘッドチューブだけが直線チューブです。

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ることで、一般的に、ダイヤモンドフレーム自転車のレーサーが腰を急に曲げるという特徴的な姿勢を取らずに、ライダーの周りの気流を改善します。1934年にフランスで自転車レースから禁止され、レースでダイヤモンドフレーム自転車が時代遅れになるのを防いだため、^{[ 5 ]}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年までに多くのメーカーから多くのモデルが入手可能になりました。

珍しいうつ伏せ自転車は、クランクがライダーの後方に配置されているため、頭を前に突き出し、胸を下げた姿勢で乗ることになる。

クロスフレームは、主に2本のチューブが十字形を形成する構造で構成されている。1本はボトムブラケットからサドルまでのシートチューブ、もう1本はヘッドチューブからリアハブまでのバックボーンである。^{[ 6 ]}

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。^{[ 7 ]}例としては、ハンバーズ、ペダーセン、および写真のものなどがあります。

モノコックフレームは、内部構造のない中空のシェルのみで構成されています。^{[ 8 ]}

折りたたみ自転車のフレームは、持ち運びや保管のため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フレームは、大きな前輪と小さな後輪が特徴です。^{[ 9 ] [ 10 ]}

タンデムフレームや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型のフレームデザインには、多くのバリエーションが存在する。

• シートチューブのないフレーム。例えば、Trek Y-Foil、Zipp 2001、Kestrel Airfoil、そしてSoftrideのほとんどのフレームなど。
• グレアム・オブリーの「オールド・フェイスフル」のようなトップチューブのないフレーム。
• 張力のみがかかる部材にケーブルを使用するフレームには、写真のダースリー・ペダーセン自転車、ポケット自転車、2009年のビバ・ワイヤー^{[ 11 ]} 、デザイナーのイオヌット・プレデスクによるワイヤーバイク^{[ 12 ]}、またはスリングショット自転車のフォールドテックシリーズ^{[ 13 ]などがあります。}
• 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使用したフレーム：「ラウンドテール」と呼ばれる。^{[ 14 ] [ 15 ]}
• チェーンステーを高くした自転車は、90年代初頭に人気を博しました。これは、リアトライアングルの下部フレームステーを高くした構造で、チェーンをリアフレームに通す必要をなくしました。これにより、ホイールベースが短くなり、テクニカルな登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るという欠点がありました（補強しない限り）。^{[ 16 ]}

サイクルタイプの記事では、その他のバリエーションについても説明しています。

また、製造時または後付けで連結器を追加することで、フレームをより小さな部品に分解し、梱包や輸送を容易にすることも可能です。

ヘッドチューブには、ステアラーチューブを介してフォーク用のベアリングであるヘッドセットが内蔵されています。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触しますが、非一体型ヘッドセットでは、ベアリング（カートリッジ式か否かを問わず）はヘッドチューブに圧入された「カップ」と接触します。

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つなぎます。

伝統的なダイヤモンド型フレームでは、トップチューブは水平（地面と平行）です。コンパクト型フレームでは、スタンドオーバークリアランスを確保するために、トップチューブは通常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型フレームの構造的完全性を損なうような急激に傾斜したトップチューブは、同等の強度を得るために、追加のガセットチューブ、代替のフレーム構造、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バイク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くするために、トップチューブが急勾配で下向きに傾斜しています。代替のステップスルーデザインとしては、分離またはヒンジ付きシートチューブを使用する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略したものや、ミキストフレームのようにリアフォークエンドまで続くツイントップチューブなどがあります。これらのダイヤモンドフレームの代替案は、同等の強度と剛性を実現するために重量が増加するという代償を伴いますが、より高い汎用性を提供します。^{[ 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、トップチューブ内部に配線されることもあります。最も一般的なのはリアブレーキのケーブルですが、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をトップチューブに沿って配線するものもあります。かつては最高級価格帯の自転車にしか見られなかった内部配線は、ケーブルを損傷や汚れから保護し、例えばギアチェンジの信頼性を低下させる原因となるものを防ぎます。^{[ 23 ]}

自転車にまたがり、地面に立った状態で、トップチューブとライダーの股間の間の隙間をクリアランスと呼びます。地面からこの地点までの高さをハイトレバーと呼びます。

ダウンチューブは、ヘッドチューブとボトムブラケットシェルをつなぐ部分です。ロード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がダウンチューブに沿って、またはダウンチューブ内部を通っています。古いロードバイクでは、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が、新しいロードバイクでは、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。

ボトルケージ取り付け部はダウンチューブにも設けられており、通常は上側、場合によっては下側にも取り付けられています。ボトルケージの他に、小型の空気入れもこれらの取り付け部に装着できる場合があります。

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。サドルの高さは、シートポストをシートチューブに挿入する深さを変えることで調整できます。一部の自転車では、クイックリリースレバーを使用して調整します。シートポストは、少なくとも一定の長さまで挿入する必要があります。この長さは、最小挿入マークで示されています。

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を取り付けるためのろう付けマウントが設けられている場合もある。

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部分）とリアフォークエンドまたはドロップアウトを接続します。チェーンステーが短いほど、一般的に自転車は加速しやすくなり、少なくともライダーが前輪が地面から離れないようにできる限り、上り坂を走りやすくなります。^{[ 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、チェーンステーにも沿って配線されます。1990年代後半以降に製造されたフレームでは、ディスクブレーキの取り付け部がチェーンステーに取り付けられている場合があります。また、リアホイールの前とボトムブラケットシェルの後ろでチェーンステーをつなぐ小さな補強材（チェーンステーブリッジと呼ばれる）がある場合もあります。

チェーンステーは、テーパー付きまたはテーパーなしのチューブを使用して設計できます。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クリアランスを確保するために、チェーンステーは、リリーフ加工、楕円形加工、圧着加工、S字型加工、または高さ調整を行うことができます。

シートステーは、シートチューブの上端（多くの場合、トップチューブと同じ位置またはそれに近い位置）とリアフォークのドロップアウトを繋ぐ部品です。伝統的なフレームは、リアホイール上部のブリッジで繋がれた、シンプルな平行チューブのセットで構成されています。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沿って配線されます。

長年にわたり、従来のシートステー設計に代わる多くの代替案が提案されてきた。シートチューブより前方に伸び、トップチューブの後端の下を通ってシートチューブの前方でトップチューブに接続し、小さな三角形を形成するシートステーのスタイルは、1923 年にこのスタイル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、重量が増加する代わりに美的魅力を高める。このスタイルのシートステーは、20 世紀後半にGT Bicycles (「トリプル トライアングル」という名称で) によって再び普及した。GT Bicycles はこのデザイン要素を BMX フレームに組み込んだが、これはリア トライアングルの剛性を大幅に高めることにもつながり (レースで有利になる) た。このデザイン要素は、同様の理由で同社のマウンテン バイク 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にさら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加え、フレームの剛性を犠牲にして乗り心地を柔らかくしました。

もう1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^{[ 26 ]}で、後輪のすぐ上でステーを結合してシートチューブに接合されたモノチューブを形成します。ウィッシュボーンデザインは、横方向の剛性を高めることなく垂直方向の剛性を高めます。横方向の剛性は、一般的にサスペンションのない後輪を持つ自転車には望ましくない特性です^{[ 27 ]} 。ウィッシュボーンデザインは、独立リア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される場合に最も適しています。

デュアルシートステーとは、自転車のフロントトライアングルに2つの異なる点（通常は左右に並んで）で接合するシートステーのことです。

ファストバックシートステーは、シートチューブの側面ではなく、背面でシートチューブに接合されます。^{[ 28 ]}

ほとんどのシートステーでは、後輪の上とシートチューブとの接続部の下を繋ぐために、ブリッジまたはブレースが用いられます。このブリッジは横方向の剛性を高めるだけでなく、リアブレーキ、フェンダー、キャリアなどの取り付けポイントとしても機能します。シートステー自体にもブレーキマウントが取り付けられている場合があります。ただし、固定ギアバイクや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設けられていないことがよくあります。

ボトムブラケットシェルは、フレーム内の他のチューブに比べて短く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。通常はねじ山が切られており、自転車の右側（駆動側）はフレッティングによるプレセッションによる緩みを防ぐために左ねじ、左側（非駆動側）は右ねじになっていることが多いです。偏心ボトムブラケットなど、自転車のチェーンの張力を調整できる多くのバリエーションがあります。これは通常、より大きく、ねじ山がなく、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。

伝統的な標準シェル幅はいくつかあります（68、70、または73  mm）。^{[ 29 ]}ロードバイクは通常68  mmを使用し、イタリアのロードバイクは70 mmを使用します 。初期のモデルのマウンテンバイクは73  mmを使用し、後期のモデル（1995年以降）は68  mmをより一般的に使用します。一部の現代の自転車はシェル幅が83または100  mmで、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の特殊な用途向けです。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。関連するねじピッチ（24～28 tpi）を持ついくつかの標準シェル直径（34.798～36 mm）があります。

ギアボックス付きの自転車の中には、ボトムブラケットシェルが一体型ギアボックス、または着脱式ギアボックスの取り付け場所に置き換えられているものがある。

フレームサイズは、従来、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シートチューブに沿って測定されていました。一般的な「ミディアム」サイズは、ヨーロッパの男性用ロードバイクでは54cmまたは56cm  （約21.2インチまたは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幅広い範囲により、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めである傾向があり、ロード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、最小限の重量と空気抵抗で効率的な動力伝達を実現するように設計されています。大まかに言うと、ロードバイクのジオメトリは、水平なトップチューブを持つ伝統的なジオメトリと、傾斜したトップチューブを持つコンパクトなジオメトリの2つに分類されます。

伝統的な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とよく言われ、ホイールベースが長いため、これらの特性に貢献しています。コンパクトジオメトリでは、ヘッドチューブの上端がシートチューブの上端よりも高くなるため、またぎ高さが低くなり、結果としてまたぎクリアランスが大きくなり、重心が低くなります。コンパクトフレームの乗り心地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、サイズ展開が狭くなることで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くなると主張しています。

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の角度がより急な傾向があります。これにより、ライダーは空気抵抗が少なくなり、より力強いストロークポジションを取ることができます。ただし、快適性は犠牲になります。ツーリングやコンフォートバイクは、従来からシートチューブの角度がより緩やか（垂直度が低い）な傾向があります。これにより、ライダーは座骨に体重がかかりやすくなり、手首、腕、首への負担が軽減され、男性の場合は尿路や生殖器へ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（そうでなければホイールの後ろ側に寄ってしまう）をバイク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くなることで、効果的な衝撃吸収にも貢献します。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、シートチューブの角度がわずかに緩やかになっている。これはおそらく、自動化された工程で溶接治具を再調整する必要をなくすことで製造コストを削減するためであり、そのため、シートチューブの角度が明らかに緩やかな、伝統的な製法やカスタムメイドのフレームのような快適さは得られない。

UCI（国際自転車競技連合）公認レースで使用されるロードレース用自転車は、 UCIの規定に準拠しており、その規定には、フレームが2つの三角形で構成されていなければならないことなどが明記されている。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認められない。

トライアスロン、あるい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べて、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、ライダーをより低く、空気抵抗の少ないポジションにするためです。ハンドリングと安定性は低下しますが、これらの自転車は集団走行の要素が少ない環境での走行を想定して設計されています。これらのフレームは、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ため、サドルからハンドルバーまでのリーチが適切です。さらに、UCIの規制を受けていないため、Zipp 2001、Cheetah、Softrideなどの一部のトライアスロン用自転車は、従来とは異なるフレームレイアウトを採用しており、より優れた空気抵抗を生み出すことができます。

トラックフレームはロード^フレームやタイムトライアルフレームと多くの共通点がありますが、リアフォークエンドはドロップアウトではなく水平方向の後方向きになっています^[40 ] ^{。これにより、}リアホイールの位置を水平方向に調整して適切なチェーンテンションを設定できます。リアハブ間隔は、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。ボトムブラケットドロップは小さく、通常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スバイクよりも急です。   

乗り心地の向上と操縦性の向上を図るため、ショックアブソーバーがよく使用されます。ショックアブソーバーには、前後輪の衝撃を吸収するフルサスペンションモデルや、前輪からの衝撃のみに対応するフロントサスペンションのみのモデル（ハードテール）など、さまざまな種類があります。1990年代に高度な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も多くの改良が加えられました。

最近のリアサスペンションシステム搭載マウンテンバイクは、リアショックアブソーバーを作動させるために、後部トライアングルが回転する構造になっている。フルサスペンションマウンテンバイクのフレーム設計にはメーカーによって大きな違いがあり、走行目的によっても異なる設計が存在する。

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「お座りしてお願いする」ような乗車姿勢を実現します。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、フォークのオフセットが約3インチ（ほとんどのロードバイクの40mmに対し76mm）と長いことが挙げられます。このタイプのフレームは、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、通常はフレームが軽量で、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。 

スチールフレームは、クロモリ鋼を含む様々な種類の鋼合金を使用して作られることが多い。強度が高く、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（そのため一般的に重い）、フレームの他の部分が別の材料で作られていても、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の場合）。これは、スチールの方が振動減衰性に優れているためである。^{[ 23 ]}

ロードバイクとマウンテンバイクの両方で一般的に用いられる構造は、標準的な円筒形の鋼管をラグで接続するものです。ラグは、より厚い鋼片で作られた継手です。チューブは、チューブの端を囲むラグにはめ込まれ、その後、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、高温溶接に比べてチューブの強度への悪影響が少なく、強度を損なうことなく比較的軽量なチューブを使用することができました。近年の冶金技術の進歩（「空冷硬化鋼」）により、高温溶接によって悪影響を受けない、あるいは特性が向上するチューブが開発され、これにより、ごく一部の高級自転車を除いて、TIG溶接とMIG溶接の両方がラグ構造の主流ではなくなりました。より高価なラグフレームの自転車では、軽量化と職人技の証として、ラグが手作業で凝った形状に削られています。 MIG溶接やTIG溶接のフレームとは異なり、ラグ付きフレームは構造がシンプルなため、現場での修理が容易です。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効果的に錆びを防ぐことができますが）、ラグ付きフレームでは隣接するチューブに物理的な損傷を与えることなく、チューブを迅速に交換できます。^{[ 42 ] [ 43 ]}

自転車のフレームをより経済的に構築する方法としては、TIG溶接で接続された円筒形の鋼管を使用する方法があり、チューブを固定するためのラグは必要ありません。代わりに、フレームチューブはジグ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、ラグなしでフレームチューブを接合するもう1つの方法です。これはより手間がかかるため、生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ノッチまたはマイター^{[ 44 ] [ 45 ]}され、その後、ラグ構造プロセスと同様に、接合部に真鍮のフィレットがろう付けされます。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。

鉄骨フレームにおいて、バテッドチューブを使用すると軽量化が図れる反面、コストは増加します。バテッドとは、チューブの肉厚が両端（強度を高めるため）で厚く、中央部（軽量化のため）で薄くなるように変化する加工のことです。

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ような、高張力鋼とも呼ばれる軟鋼で作られています。しかし、高品質の自転車フレームは、非常に薄い肉厚の軽量チューブに加工できる高強度鋼合金（一般的にはクロムモリブデン、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材の1つは、マンガンモリブデン合金鋼であるレイノルズ「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、自転車用チューブの最も有名なメーカーの2つです。中品質の自転車の中には、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るものもありました。例としては、シュウィンル ツアー（少なくとも特定のモデル）があり、トップチューブとボトムチューブにはクロモリ鋼が使用されていますが、フレームの残りの部分には低品質の鋼が使用されています。

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、この軽量化によって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ている場合は、高品質の（クロモリまたはマンガン）スチールフレームは、爪で軽く叩くことで判別できます。高品質のフレームは鐘のような澄んだ音を発しますが、通常の品質のスチールフレームは鈍い音を発します。また、重量（ フレームとフォークで約2.5kg）や、使用されているラグとフォークエンドの種類によっても判別できます。

アルミニウム合金は鋼合金に比べて密度と強度が低いものの、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、合金の性能が不十分であったり、溶接技術が不完全であったりしたために、疲労に対して脆弱であることが示されていました。これは、明確な疲労限界を持ち、溶接やろう付けが容易な鋼やチタン合金とは対照的です。しかし、熟練した作業員による高品質な溶接技術、自動化、そして現代のアルミニウム合金へのアクセス性の向上により、これらの欠点のいくつかはその後軽減されました。鋼に比べてアルミニウムの魅力的な強度対重量比と特定の機械的特性は、アルミニウムを好ましい構造材料の一つとして位置づけています。

自転車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。

現在最も一般的な構造は、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するものです。溶接されたアルミニウム製自転車フレームが市場に出回るようになったのは、この溶接方法が1970年代に経済的になってからのことです。

アルミニウムは、鋼とはチューブ径に対する最適な肉厚が異なります。アルミニウムは、直径と肉厚の比率が約 200:1 で最も強度が高くなりますが、鋼はそれのほんの一部です。しかし、この比率では、肉厚は飲料缶と同程度になり、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用チューブは妥協の産物であり、肉厚と直径の比率は最高の効率ではありませんが、空力的に許容できるより妥当な比率で、衝撃に対する耐性も高いオーバーサイズのチューブを提供します。これにより、鋼よりもはるかに剛性の高いフレームが実現します。多くのライダーは、アルミニウムフレームはより剛性が高く設計されているため、鋼製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ていますが、そ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、三角形で構成されているため、垂直方向に非常に剛性が高いからです。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ています。^{[ 46 ]}一方、横方向およびねじり（ねじり）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。

アルミニウム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、必ずしもそうとは限りません。低品質のアルミニウムフレームは、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、軽量化のために、中央部の肉厚を端部よりも薄くしたバテッドアルミニウムチューブを使用しています。非円形チューブは、剛性、空力性能、マーケティングなど、さまざまな理由で使用されます。さまざまな形状は、これらの目標のいずれかに焦点を当てており、すべてを達成することはほとんどありません。

チタンは自転車フレーム用の比較的特殊な素材です。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備えています。^{[ 47 ]}カーボンファイバーほど軽量ではありませんが、チタン製の自転車はより快適な乗り心地を提供できるため、性能よりも快適性を求めるサイクリストの間で人気があります。^{[ 48 ] [ 49 ]}しかし、チタンは材料費が高く、鋼鉄やアルミニウムよりも加工が難しいため、鋼鉄、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、元々は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ます。チタン自転車フレームで最も一般的に使用されている合金は、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、冷間引抜きやハイドロフォーミングによってさまざまな形状に加工でき、内部ケーブルを通すことができます。^{[ 50 ]}溶接は通常、溶接部を酸化から保護するために不活性な環境で行われます。^{[ 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材料です。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}高価ではありますが、軽量で耐腐食性があり、強度が高く、ほぼどんな形状にも成形できます。その結果、必要な箇所（ペダリング力に耐えるため）の特定の強度を微調整できる一方で、フレームの他の部分（快適性のため）には柔軟性を持たせることができるフレームができます。カスタムカーボンファイバー自転車フレームは、ある方向（横方向など）には強く、別の方向（垂直方向など）には柔軟である個々のチューブで設計することもできます。方向によって特性が変化する個々の複合チューブを設計できる能力は、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 ]}カーボンファイバーフレームの中には、接着剤とラグで接合された円筒形のチューブを使用するものがあり、これはラグ付きスチールフレームとやや類似した方法です。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単一の部品で製造されます。

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、形状が同一で重量もほぼ同じフレーム設計の場合、全体的な力負荷（フレームに引張力と圧縮力の両方を加える）と衝撃強度において、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丈夫ですが、他の素材に比べて耐衝撃性が低く、衝突や不適切な取り扱いによって損傷しやすい場合があります。衝突だけでなく、締め付けすぎや不適切な部品の取り付けによっても、ひび割れや破損が発生する可能性があります。^{[ 57 ]}これらの素材は、長期間の使用で発生する疲労破壊に対して脆弱である可能性が示唆されていますが、^{[ 58 ]}これは多くの場合、層間亀裂や接合部の接着剤の亀裂に限られ、適切な設計によって応力を十分に制御できます。破損したカーボンフレームは修理可能ですが、安全上の懸念から、最高水準の専門業者のみが行うべきです。^{[ 59 ]}

個人タイムトライアル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、複合素材構造を採用しています。これは、円筒形のチューブでは不可能な空力形状にフレームを成形できる、あるいは他の素材では過度に重くなってしまうためです。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、その空力効率の高さは、サイクリストの総合速度向上に貢献する可能性があります。

炭素繊維以外にも、金属ホウ素などの材料をマトリックスに添加することで、剛性をさらに高めることができます。最近のハイエンドフレームの中には、特にダウンチューブ、シートステー、チェーンステーなどの部分において、振動減衰性と耐衝撃性を向上させるために、ケブラー繊維を炭素繊維の織り目に組み込んでいるものもあります。

熱可塑性樹脂は、再加熱して再成形できるポリマーの一種であり、自転車のフレームを作るために様々な方法で利用できます。熱可塑性樹脂製の自転車フレームの一例として、一般的な熱硬化性エポキシ樹脂ではなく、熱可塑性樹脂にカーボンファイバーを埋め込んだフレームが挙げられます。GT Bicyclesは、1990年代半ばにSTSシステムフレームで熱可塑性樹脂製フレームを製造した最初の大手メーカーの一つです。カーボンファイバーは、熱可塑性樹脂の繊維とともに緩くチューブ状に編み込まれます。このチューブは、内部にブラダー（空気袋）が入った金型に入れられ、ブラダーを膨らませることで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。その後、金型を加熱して熱可塑性樹脂を溶かします。熱可塑性樹脂が冷えると、最終形状で金型から取り出されます。

ごく少数の自転車フレームはマグネシウム製で、マグネシウムの密度はアルミニウムの約64%です。1980年代、エンジニアのフランク・カークは、チューブではなくIビームで構成された一体成型のフレームという斬新な形状を考案しました。この技術を用いてロードバイクとマウンテンバイクのフレームを製造するために、英国にKirk Precision Ltdという会社が設立されました。しかし、初期には商業的に成功を収めたものの、信頼性に問題があり、1992年に製造が中止されました。^{[ 60 ]} 現在生産されている少数のマグネシウムフレームは、従来の方法でチューブを使用して製造されています。^{[ 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がある。スカンジウム含有量は0.5%未満だが、マーケティング目的で単に「スカンジウム」と呼ばれることが多い。スカンジウムは一部のアルミニウム合金の溶接特性を向上させ、優れた疲労耐性をもたらすため、より細い径のチューブを使用することが可能になり、フレーム設計の柔軟性が高まる。

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社は、ベリリウム管（アルミニウム製ラグに接着）で作られたフレームセットを短期間販売し、価格は26,000ドルだった。乗り心地は非常に硬かったが、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 ]}

竹管を金属や複合材の接合部で繋いだ自転車フレームがいくつか作られている。美的魅力は、機械的特性と同じくらい動機付けとなることが多かった。^{[ 63 ] [ 64 ]}

自転車のフレームは、無垢材または積層材で作られたものがいくつかある。パリ～ルーベの過酷な265キロメートルを走破したものもあるが、乗り心地だけでなく、美的魅力も動機付けとなることが多い。^{[ 65 ]}東アフリカでは、自転車を作るのに木材が使われている。^{[ 66 ]}段ボールも自転車のフレームに使われている。^{[ 67 ]}

異なる素材を組み合わせることで、単一の素材では実現できない、さまざまな領域で望ましい剛性、柔軟性、または減衰性を得ることができます。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、またはチタン）です。このアプローチの実装例の1つは、ダウンチューブとチェーンステーが金属製で、トップチューブ、シートチューブ、シートステーがカーボン製であるものです。^{[ 68 ]}もう1つは、メインフレームとチェーンステーが金属製で、シートステーだけがカーボン製であるものです。^{[ 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、その他のバリエーションについても説明しています。