変速機 (自転車)

自転車の変速機：歴史、種類、仕組み、そして未来

この記事では、自転車における変速機の仕組み、歴史、種類、そして最新の技術革新について詳細に解説します。自転車の変速機は、ペダルの回転力を車輪の回転に変換する装置であり、その操作機構も含めて理解することが重要です。

変速機の役割

自転車の変速機は、ペダルの回転数とトルクを変化させることで、様々な路面状況や走行状況に対応できるよう設計されています。人間の脚力は一定のトルクしか発揮できませんが、変速機によってギア比を変えることで、坂道での登坂力や平地での高速走行を可能にします。これは、原動機付きの乗り物が減速してトルクを増すのと対照的です。

変速機の種類としては、主に内装変速機と外装変速機があります。シングルスピードの自転車は変速機を備えていませんが、多段変速機を搭載した自転車は、状況に応じて最適なギア比を選択できます。

変速機の駆動方式

自転車の変速機の駆動方式には、チェーン、ベルト、シャフトなどがあります。しかし、最も一般的なのはチェーン駆動方式です。チェーン駆動方式では、異なる直径の歯車（チェーンリングとスプロケット）にチェーンをかけ替えることで変速を行います。このチェーンの掛け替えを行う機構を特に「ディレイラー」と呼びます。ディレイラーは、外装変速機に用いられる機構です。
一方、歯車の切り替えによって変速を行う内装変速機もあります。これは、ハブ内部に組み込まれた機構で、外部からの影響を受けにくいため、耐久性が高い点が特徴です。

変速機の操作機構：シフター

変速機を操作するための機構をシフターと呼びます。シフターは、ライダーの変速操作をディレイラーや内装変速機に伝える役割を果たします。スポーツ自転車では、操作部分のみを指して特にシフターまたはシフトと呼ぶことが多く、変速比の位置決め機能も担います。近年では、電動で駆動する変速機も登場しています。電動アシスト自転車も、アシスト機能をオフにすれば通常の自転車と同様に機能するため、外装、内装を問わず変速機が搭載されています。

変速機の段数

自転車の変速機の段数は、一般車では2～3段程度ですが、スポーツ車では20～30段以上に及びます。スポーツ車は、クランク側と車輪側それぞれに変速機を持つため、その組み合わせによって多くのギア比が得られます。しかし、全てのギア比がきれいに並んでいるわけではなく、組み合わせによっては重複する部分もあります。この微妙なギア比の選択が、競技において重要なテクニックとなります。

変速機の歴史

ペニー・ファージングと安全自転車

初期の自転車であるペニー・ファージング型自転車では、駆動輪である前輪がクランクに直結していました。19世紀後半に安全自転車が登場すると、チェーン駆動によりクランク側と後輪側の歯車比を変えることが可能になり、これが広義の変速機構を持った最初の自転車となりました。初期の変速方式には、動輪の両面に異なるサイズの歯車を取り付ける「ダブルコグ」方式がありました。

フリーホイールの登場

19世紀後半から20世紀初頭にかけて、フリーホイール機構が考案されました。これは、ペダルを漕がなくなっても後輪が回り続ける機構で、スムーズな変速や変速機の保護に役立ちます。フリーホイールは、後のチェーン掛け替え式外装変速機においても不可欠な機構となりました。

内装変速機と外装変速機の開発

20世紀初頭に内装変速機が登場しましたが、重量や信頼性などの課題がありました。スターメーアーチャー社による「AW-3」の開発により品質が向上しました。一方、外装変速機の開発は内装変速機より遅れましたが、自転車の普及と自転車競技の隆盛に伴い、様々な試みが行われました。第二次世界大戦前後には基本的な構造が確立され、カンパニョーロ社などのメーカーが登場しました。リアディレイラーは、初期はクランクの逆転が必要でしたが、次第に改良が加えられ、現在の基本設計が確立しました。

シフトレバーの進化

初期のシフターは、ダウンチューブに取り付ける小型レバーが主流でした。その後、バーエンドコントローラーやサムシフターなども登場しましたが、ダウンチューブシフターが長い間主流でした。初期のレバーは、無段階に動く「フリクション」タイプが中心でしたが、シマノの「ポジトロンシステム」や「SIS」の登場により、正確な位置決めが可能なインデックスタイプが普及しました。さらに、1991年にシマノが開発したデュアルコントロールレバーは、ブレーキレバーと一体化することで、ハンドルから手を離さずに変速できる画期的な技術でした。これにより、ダウンチューブシフターは次第に姿を消していきました。

電動化とコンピュータ制御

近年では、電動化とコンピュータ制御による変速システムが開発されています。シマノの「Di2」やカンパニョーロの電動コンポーネントなどが登場し、よりスムーズで正確な変速が可能となっています。また、サイクルコンピュータと連動して自動で変速を行うシステムも開発されていますが、コストの高さなどが普及の課題となっています。

内装変速機の進歩

内装変速機は、外装変速機と比べて開発スピードは遅かったものの、近年ではシマノの「インター7」やSRAM、ローロフなどの製品が登場し、変速段数や性能が向上しています。

変速機のタイプ：内装式と外装式

内装変速機

内装変速機は、ハブ内部に遊星歯車機構を内蔵しています。泥汚れに強く耐久性が高い反面、重量が大きく、変速段数が少ない、伝達効率が低い、価格が高いといった欠点があります。ベルトドライブやシャフトドライブの自転車では、内装変速機が用いられることが多いです。

外装変速機

外装変速機は、チェーンリングとスプロケットの組み合わせを変えることで変速します。軽量で多くの段数を備え、正確な変速が可能な反面、外部に露出しているため泥などに弱く、メンテナンスが必要となります。ロードバイクやマウンテンバイクなど、競技用自転車に多く用いられます。ロードバイク用とマウンテンバイク用では、リアディレイラーの形状が異なります。マウンテンバイク用は、大きなスプロケットの直径差に対応できるよう設計されています。

シフターの種類

シフターには様々な種類があり、ドロップハンドル用とフラットハンドル用で大きく異なります。

ドロップハンドル用シフター

ダウンチューブシフター: ダウンチューブに装着する伝統的なレバー式シフター。シンプルで軽量、耐久性が高い反面、ハンドルから手を離す必要があるため、レースでは不利です。
デュアルコントロールレバー: ブレーキレバーと一体型になったシフター。ハンドルから手を離さずに変速できるため、現在のロードレースでは標準装備となっています。
バーエンドコントローラー: ハンドルバーの端に取り付けるシフター。タイムトライアルバイクなどで使用されます。
コマンド: サンツアーが発売していた、ブレーキレバーに取り付けるシフター。
トップチューブシフター: トップチューブ上に装着するシフター。主に少年用自転車に使用されていました。

フラットハンドル用シフター

ラピッドファイヤー/トリガーシフター: 親指で操作するレバー式シフター。フラットハンドル用では最も普及しています。
グリップシフト: グリップを回転させることで変速するシフター。
サムシフター: 親指で操作するレバー式シフター。
* エクスプレスシフター: サンツアーが発売していた、親指で操作するレバー式シフター。

まとめ

自転車の変速機は、その歴史の中で様々な進化を遂げてきました。最新の電動化やコンピュータ制御技術の導入により、より正確でスムーズな変速が可能となっています。自転車を選ぶ際には、自分の走行スタイルやニーズに合った変速機の種類と段数を考慮することが重要です。

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