自転車とオートバイのジオメトリ

自転車やオートバイのジオメトリとは、特定のバイクの構成を定義する主要な測定値（長さと角度）の集合です。これらの主なものは、ホイールベース、ステアリング軸角度、フォークオフセット、トレイルです。これらのパラメータは、バイクのハンドリングに大きな影響を与えます。^[1]

ホイールベースとは、前輪と後輪の中心（または地面との接触点）間の水平距離です。ホイールベースは、リアフレームの長さ、ステアリング軸の角度、フォークのオフセットによって決まります。自動車や電車で使用されるホイールベースという用語に似ています。

ホイールベースは、バイクとライダーを合わせた重心の高さとともに、バイクの縦方向の安定性に大きな影響を与えます^{[説明が必要] 。短いバイクは、}ウイリーやストッピーを行うのに適しています。

ステアリング軸角度は、垂直軸から測定した場合はキャスター角、水平軸から測定した場合はヘッド角と呼ばれます。ステアリング軸は、ステアリング機構（フォーク、ハンドルバー、前輪など）が旋回する軸です。ステアリング軸角度は通常、ヘッドチューブの角度と一致します。

自転車では、ステアリング軸の角度は水平から測定され、ヘッドアングルと呼ばれます。90°のヘッドアングルは垂直になります。たとえば、Lemond ^[2]は次のように示しています。

• トラック用に設計された2007年型フィルモア。フレームサイズに応じてヘッドアングルが72.5°から74°まで変化する。
• 2006 年型 Tete de Course はロードレース用に設計されており、フレーム サイズに応じてヘッド アングルが 71.25° から 74° まで変化します。

フロントフォークサスペンションのおかげで、現代のマウンテンバイクはロードバイクとは対照的にヘッドチューブ角度が緩やかになりがちで、一般的には約70°ですが、フレームのジオメトリ設定によっては62°まで下がることもあります。^[3]

少なくとも1つのメーカー、Cane Creekは、ヘッド角度を変更できるアフターマーケットのスレッドレスヘッドセットを提供しています。 ^[4]

オートバイでは、ステアリング軸の角度は垂直から測定され、キャスター角、傾斜角、または単に傾斜角と呼ばれます。^[5] 0°の傾斜は垂直です。たとえば、Moto Guzzi ^[6]は以下を提供しています。

• 2007 年型 Breva V 1100、傾斜角 25°30′ (25.5 度)
• 2007年式ネバダクラシック750（傾斜角27.5°）

フォークオフセットは、ステアリング軸から前輪の中心までの 垂直距離です。

自転車では、フォークオフセットはフォークレイクとも呼ばれます。ロードレース用自転車のフォークのオフセットは40～50 mm（1.6～2.0インチ）です。^[7]

オフセットは、フォークを湾曲させたり、フォークの下端に垂直なタブを追加したり、フォーククラウンのフォークブレードソケットをステアラーの前にオフセットしたり、フォークをステアチューブに対して斜めにクラウンに取り付けたりすることで実現できます。曲線のあるフォークの開発は、ジョージ・シンガーによるものです。^[8]

テレスコピックフォークチューブを備えたオートバイでは、トリプルツリーのオフセット、トリプルツリーに取り付けられたフォークチューブへのトリプルツリーレイク^{[9] （通常、0からの度数で測定）の追加、またはその2つの組み合わせのいずれかによってフォークオフセットを実装できます。 [10]}トレーリングリンクフォークやリーディングリンクフォークなどの他のあまり一般的ではないオートバイフォークでは、リンクアームの長さによってオフセットを実装できます。

フォークの長さは、下部フォーククラウンベアリングから車軸中心まで、ステアリングチューブに平行に測定されます。^[11]

トレイルとは、前輪が地面に接する地点からステアリング軸が地面と交差する地点までの水平距離です。前輪の接地点がステアリング軸と地面の交点より後ろ（自転車の後方）にある場合、測定値は正とみなされます。ほとんどの自転車のトレイルは正ですが、 2マススケート自転車やPython Lowracerなど、一部の自転車のトレイルは負です。^[12]

トレイルは自転車の操縦特性を決定する重要な要素としてよく挙げられ、^{[13] [14]}自転車メーカーのジオメトリデータに記載されていることもあります。ウィルソンとパポドプロス^[要出典]は、機械的なトレイルの方がより重要で有益な変数である可能性があると主張していますが^[15]、両方の表現はほぼ同じことを表現しています。

トレイルはステアリング軸角度、フォークオフセット、ホイールサイズの関数であり、それらの関係は次の式で表すことができます。^[16]

${\displaystyle {\text{トレイル}}_{\text{自転車}}={\frac {R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}{\sin(A_{h})}}}$そして${\displaystyle {\text{トレイル}}_{\text{オートバイ}}={\frac {R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}{\cos(A_{r})}}}$

ここで、はホイールの半径、は水平から測定した自転車のヘッドアングル、は垂直から測定したオートバイのレイクアングル、 はフォークオフセットです。トレールは、ホイールサイズを大きくするか、ヘッドアングルを小さくまたは緩めるか、フォークオフセットを小さくすることで増やすことができます。トレールは、ヘッドアングルが大きくなる（急になる）と、フォークオフセットが大きくなると、またはホイール直径が小さくなると、小さくなります。 ${\displaystyle R_{w}}$${\displaystyle A_{h}}$${\displaystyle A_{r}}$${\displaystyle O_{f}}$

オートバイに乗る人は、トレールをレイク角との関係で語る傾向があります。レイク角が大きいほど、トレールは大きくなります。自転車では、レイク角が増加すると、ヘッド角が減少することに注意してください。

トレールはバイクが傾いたり、操縦したりすると変化する。従来のジオメトリーの場合、バイクが傾いたり、傾いた方向に操縦したりすると、トレールは減少する（ハブではなく接地点間の距離を測定するとホイールベースは増加する）。^[17]トレールは、例えばブレーキに反応してサスペンションが作動すると変化する。ブレーキング中の荷重移動により伸縮式フォークが圧縮されると、トレールとホイールベースは両方とも減少する。^{[18] [自費出版ソース? ]}少なくとも1台のオートバイ、MotoCzysz C1には、89〜101 mm [3.50〜3.98インチ]の調整可能なトレールを備えたフォークが搭載されている。^[19]

メカニカルトレールは、ステアリング軸と前輪と地面の接触点との間の垂直距離です。 ^[20]通常のトレールと呼ばれることもあります。^[21]いずれの場合も、その値はトレールの式の分子に等しくなります。

${\displaystyle {\text{MechanicalTrail}}_{\text{自転車}}=R_{w}\cos(A_{h})-O_{f}}$、 そして

${\displaystyle {\text{MechanicalTrail}}_{\text{motorcycle}}=R_{w}\sin(A_{r})-O_{f}}$

自転車の操縦に関する科学的理解は未だ不完全であるが^[15]、相互依存する動的複雑さについては全体的によく理解されている。^[22]メカニカルトレイルは、自転車の操縦特性を決定する上で最も重要な変数の1つであることは間違いない。トレイルがゼロであれば、いくつかの利点が得られる可能性がある。^[23]

• 側面から来る風力の圧力中心の位置の影響が排除される
• ホイールフロップ効果（下記参照）が排除される

熟練した注意深いライダーは、メカニカル トレイルが低い場合により進路を制御できる可能性がありますが、トレイルが高いほど、自転車を「手を使わずに」乗りやすくなり、主観的に安定することが知られています。

ホイールフロップとは、ハンドルを回したときに前輪が「バタバタ」と倒れるため、自転車やバイクが予想以上に曲がる傾向にあるステアリング動作を指します。ホイールフロップは、ハンドルが「直進」位置から回転するときに、自転車やバイクの前端が下がることで発生します。この下降現象は、次の式に従って発生します。

${\displaystyle f=b\sin \theta \cos \theta }$

どこ：

${\displaystyle f}$=「ホイールフロップ係数」、ハンドルバーを真っ直ぐな位置から真っ直ぐな位置から90度離れた位置まで回転させたときに前輪の車軸の中心が下がる距離

${\displaystyle b}$= トレイル

${\displaystyle \theta }$= ヘッド角度

ホイールフロップは自転車やバイクの前部を下げることを伴うため、重力による力により、ハンドルバーの回転速度が増加し、ライダーがハンドルバーをさらに操作しなくてもハンドルバーが回転し続ける傾向があります。ハンドルバーを回したら、ライダーはハンドルバーにトルクを加えてハンドルバーを真っ直ぐな位置に戻し、自転車やバイクの前部を元の高さに戻す必要があります。^[24]前輪の回転慣性により、前輪の方向転換を開始または加速するために反対のトルクが必要になるため、ホイールフロップ効果の重大さが軽減されます。

上記の式によると、トレールの増加やヘッドアングルの減少は、自転車やオートバイのホイールフロップ係数を増加させ、ハンドルバーを真っ直ぐな位置に戻すために必要なトルクを増加させ、車両がカーブのラインから突然外れてしまう傾向を高めます。また、車両、ライダー、および積荷の質量を増やすか、重量比を変更して質量の中心を前方に移動させることにより、車両の前輪にかかる重量を増やすと、ホイールフロップ効果の深刻度が増します。車両の速度とホイールの回転速度を上げて前輪の回転慣性を増加させると、ホイールフロップ効果に対抗する傾向があります。

ある程度のホイールフロップは一般的に望ましいと考えられています。Bicycle Quarterly誌は、「ホイールフロップが小さすぎる自転車は、ハンドルバーの入力に対する反応が鈍くなります。ホイールフロップが大きすぎる自転車は、低速および中速でラインから外れやすくなります。」と述べています。^[25]

フォークは改造または交換される可能性があり、それによってバイクの形状が変わります。

例えば、リジッドフォークからサスペンションフォークに切り替えることでフォークの長さを長くすると、自転車の前部が持ち上がり、ヘッドアングルが減少します。^[11]バイクのレイクは反対方向に測定されるため、フォークを長くするとレイクに逆の効果が生じます。

経験則では、フォークの長さが 10 mm 変化すると、ステアリング軸の角度が 0.5 度変化します。

フォークのオフセットを大きくするとトレイルが短くなり、既存のフォークでブレードを長くせずに曲げるだけでオフセットを大きくするとフォークが短くなります。 ^[26]

ノースダコタ州（米国）は、「公道でのオートバイの製造、販売、安全な運転」のために、傾斜とトレイルに関する最低および最高の要件を定めています。^[27]

「4. 三輪バイクを除くすべてのバイクは、前輪の形状に関して以下の仕様を満たす必要があります。

最大: 傾斜: 45 度; トレイル: 14 インチ [35.56 センチメートル] 正

最小: 傾斜: 20 度; トレイル: 2 インチ [5.08 センチメートル] 正

製造業者の仕様には、各オートバイまたはオートバイのクラスごとの特定のレイクとトレイルが含まれている必要があり、「レイク」と「トレイル」という用語は、第 28 章から第 32 章に従って採択された規則によってディレクターによって定義される必要があります。

人間工学や使用目的などのジオメトリのその他の側面については、自転車フレームの記事を参照してください。オートバイの場合、その他の主なジオメトリパラメータは、シートの高さと、フットペグとハンドルバーの相対的な配置です。

• 自転車とオートバイのダイナミクス
• 自転車フォーク
• 自転車のフレーム
• ハブセンターステアリング
• バイクフォーク

• オートバイのステアリングジオメトリ
• 自転車フォークの長さ
• 自転車のキャスター角と呼ばれることもある寸法の図。
• バイクの傾斜、トレイル、オフセットの説明 2011年3月19日アーカイブ、Wayback Machine