伝達効率の測定方法
SPEEDHUBの伝達効率の要点は伝達効率にまとめています。この記事では、同じ駆動系でも測定によって数値が異なる理由と、Rohloffがどのように測定したかを説明します。
1. ペダリングは一定ではない
「1. ペダリングは一定ではない」セクションライダーはほぼ一定のケイデンスでペダルを回しますが、トルクはクランク1回転の中で大きく脈動します。測定では、ケイデンスの変動は約5%でしたが、トルクの変動は90%を超えました。チェーン、チェーンリング、ベアリング、ギアなど、負荷を伝えるすべての部品は、1回転ごとに2回、負荷がかかっては抜けます。
| 出力とケイデンス | 100 W、75 rpm | 300 W、75 rpm | 575 W、50 rpm |
|---|---|---|---|
| ピークトルク | 21.6 Nm | 68 Nm | 200 Nm |
| 最小トルク | 3.8 Nm | 8 Nm | 20 Nm |
テストベンチは一定トルクの電気モーターで駆動されます。そこで問題になるのは、実際の脈動する負荷にどの一定出力が相当するかです。答えを出したのは、Rohloffのチェーンとチェーンリングの摩耗試験装置でした。平均150 W、5〜30 Nmの間で脈動する負荷で実走した部品は、一定30 Nmで運転した試験部品と同じように摩耗しました。摩耗と摩擦損失は同じ要因から生じるため、テストベンチは平均ではなくトルクのピークで運転する必要があります。簡単に言えば、80 Wの走行は、同じケイデンスでテストベンチ上の約160 Wで再現されます。
2. 2種類の損失
「2. 2種類の損失」セクション- 負荷に依存する損失：チェーンのリンク、ギア、ベアリングなど、負荷を受けて動く部品の摩擦です。伝達される出力に比例して大きくなります。
- 負荷に依存しない損失：シール、摺動面、かき回される潤滑剤によるものです。駆動力には左右されず、速度、温度、潤滑剤の粘度だけで決まります。
架空の2つの駆動系。どちらも50 Wで伝達効率91%です：
| 入力出力 | 50 W | 100 W | 200 W | 300 W | 400 W | 500 W |
|---|---|---|---|---|---|---|
| システムA：7% + 1 W | 91.0% | 92.0% | 92.5% | 92.7% | 92.75% | 92.8% |
| システムB：3% + 3 W | 91.0% | 94.0% | 95.5% | 96.0% | 96.3% | 96.4% |
低出力では負荷に依存しない損失が、高出力では負荷に依存する損失が支配的になります。曲線CとDは同じ駆動系で、熱や潤滑膜の変化によってシールの損失が1 Wから2 Wに増えた場合（A → C）、または3 Wから2 Wに減った場合（B → D）です：
200 W未満では、わずか±1 Wの変動で結果が数パーセント動きます。しかもそれは1回の測定中にも起こりえます。摩擦熱そのものが条件を変えるからです。そのため200 W未満の効率値は、多数回の繰り返し測定から求めた場合にのみ有効で、常に上限と下限のある幅として示す必要があります。200 Wを超えると、変動は無視できるほどになります。
3. ライダーの効率も重要
「3. ライダーの効率も重要」セクション目標は機械的に最高の数値ではなく、投入したエネルギーのうちどれだけが前進する力になるかです。筋肉の効率は適切な力と動作速度で約25%に達しますが、合わないギアでは簡単に10ポイント悪化します。これはギアシステム間の差よりはるかに大きい値です。
| 効率 | ライダーA | ライダーB |
|---|---|---|
| 筋肉の効率 | 24% | 22% |
| 駆動系の効率 | 93% | 97% |
| 総合 | 22% | 21% |
適切なギアのライダーAは、劣る駆動系でも、不適切なギアのライダーBより効率的です。スポーツ医学では、上りでも下りでも合うように、隣り合うギアの段差を15%未満としています。だからこそ、変速域とギアの数は常に伝達効率と並べて考える必要があります。ギア比の比較をご覧ください。
4. Rohloffの測定
「4. Rohloffの測定」セクションボトムブラケット、チェーン、チェーンリング、ハブまたはギアボックスを含む駆動系全体を測定し、約160 W、トルクピーク50 Nm（ペダル上で285 N）のスポーティなライダーを再現しました：
| パラメーター | 値 |
|---|---|
| ケイデンス | 60 rpm |
| ブレーキ出力（一定） | 314 W |
| 駆動トルク | 50 Nm |
比較対象として、24段の外装変速機（46、36、26歯のチェーンリング、11〜28のカセット）とSPEEDHUB（46/16）を、どちらも約100 kmの慣らし運転の後に測定しました。測定は複数回繰り返し、許容差は±0.5%です。
- 外装変速機：清潔で十分に注油した状態で測定し、次に約1,000 km走行した汚れたチェーンとスプロケットで測定しました。使用済み部品では、伝達効率が平均で1%低くなりました。
- SPEEDHUB：同じく1,000 km走行したチェーンとスプロケットで測定しましたが、測定できるほどの差はありませんでした。
SPEEDHUBの伝達効率は、各ギアで負荷を受ける遊星段の数にぴったり対応しています：
| ギア | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 負荷を受ける段数 | 2 | 2 | 3 | 1 | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 0 | 2 | 1 | 1 |
最も効率が高いのは11速で、どの段も働かない直結ギアです。1〜7速は8〜14速と同じパターンをたどりますが、そこでは3段目も減速するため、約2%低くなります。どのギアでどの段が働くかはハブ内部の14段をご覧ください。
覚えておきたいこと
「覚えておきたいこと」セクション- 200 W未満での一定トルク測定は、実用上ほとんど意味がありません。スポーティなペースでは、ライダーは100 Wを大きく超える出力を出しています。
- 伝達効率は常に許容幅とともに、また変速域とギアの数と合わせて比較してください。
- 汚れ、潤滑、摩耗はオープンな駆動系に最も大きく影響し、密閉されたSPEEDHUBにはほとんど影響しません。