アルミニウム(軟鋼角パイプ)について知りたいことすべて

軽量構造や高い熱伝導性・電気伝導性が求められる箇所には、アルミニウムが至るところに用いられています。一般的なスポーツバイクは、アルミニウム製のシリンダーブロック、ヘッド、クランクケースに加え、溶接されたアルミニウム製のシャーシとスイングアームを備えています。エンジン内部では、ピストンがアルミニウムの重要な用途となっています。ピストンは熱伝導性に優れているため、融点をはるかに超える燃焼温度にも耐えることができます。ホイール、冷却水・オイルラジエーター、ハンドレバーとそのブラケット、フォーククラウンの上部(多くの場合下部)、アッパーフォークチューブ(倒立フォークの場合)、ブレーキキャリパー、マスターシリンダーなども同様にアルミニウム製です。

誰もが、溶接部分が伝説のポーカーチップの山を思わせるアルミ製シャーシに感嘆の眼差しを向けたことがあるだろう。アプリリアの2ストローク250ccレーサーなどに見られるような、こうしたシャーシやスイングアームの中には、優美な芸術作品と呼べるものもある。

アルミニウムは合金化や熱処理によって軟鋼(引張強度60,000psi)以上の強度を持つことができ、しかもほとんどの合金は迅速かつ容易に機械加工が可能です。アルミニウムは鋳造、鍛造、押出成形(シャーシのサイドビームの一部はこの方法で作られています)によっても加工できます。アルミニウムは熱伝導率が高いため、溶接には大きな電流が必要となり、高温の金属は不活性ガスシールド(TIG溶接またはヘリアーク溶接)によって大気中の酸素から保護する必要があります。

アルミニウムはボーキサイト鉱石から抽出するのに大量の電力を必要とするが、いったん金属の形で存在すれば、リサイクルコストは低く抑えられ、鋼鉄のように錆びて失われることもない。

初期のオートバイエンジンメーカーは、当時新素材だったアルミニウムをクランクケースにいち早く採用した。そうでなければ、クランクケースは3倍近くも重い鋳鉄製でなければならなかっただろう。純アルミニウムは非常に柔らかい。父が母の1100合金製の二重鍋を即席のBB弾トラップとして使ったとき、母が怒っていたのを覚えている。鍋の底は無数のくぼみだらけになってしまったのだ。

銅を含む単純な合金の強度向上はすぐに発見され、自動車のパイオニアであるW.O.ベントレーは、第一次世界大戦前に試作したアルミニウム製ピストンにまさにそのような合金を使用した。当時主流だった鋳鉄製ピストンとの比較試験で、ベントレーが初めて試作したアルミニウム製ピストンは、すぐに出力を向上させた。作動温度が低く、吸入される燃料と空気の混合気の温度上昇を抑え、密度をより多く保持した。今日では、アルミニウム製ピストンは自動車やオートバイのエンジンに広く使用されている。

ボーイング社の炭素繊維強化プラスチック製旅客機787が登場するまでは、航空機のほぼすべての機体の自重の60%がアルミニウムであるというのが航空業界の基本的な事実だった。アルミニウムと鋼鉄の相対的な重量と強度を考えると、これは一見奇妙に思える。確かに、アルミニウムは体積比で鋼鉄のわずか35%の重さしかないが、高強度鋼は高強度アルミニウムの少なくとも3倍の強度を持つ。なぜ薄い鋼鉄で飛行機を作らないのだろうか?

結局、アルミニウムと鋼鉄の同等構造における座屈抵抗の違いが問題となった。同じ重量(1フィートあたり)のアルミニウム管と鋼管を用意し、肉厚を薄くしていくと、鋼管の方が先に座屈する。これは、鋼管の肉厚がアルミニウムのわずか3分の1しかないため、自己支持力がはるかに低いからである。

1970年代、私はフレームビルダーのフランク・カミリエリと仕事をしていました。なぜもっと軽量で剛性の高いフレームを作るために、より太い直径で肉厚の薄い鋼管を使わないのかと彼に尋ねたところ、彼はこう答えました。「そうすると、エンジンマウントなどの部品にひび割れを防ぐために大量の材料を追加しなければならなくなるので、結局軽量化の効果はなくなってしまうのです。」

カワサキは1970年代初頭にファクトリーMXバイクにアルミ製スイングアームを初めて採用し、他のメーカーもそれに倣った。そして1980年、ヤマハはケニー・ロバーツを乗せた500cc2ストロークGPバイクを開発した。このバイクのフレームは角型押し出し成形アルミ管で作られていた。多くの設計上の試行錯誤が必要だったが、最終的にはスペイン人エンジニア、アントニオ・コバスのアイデアを基に、ヤマハのGPロードレース用フレームは今日おなじみの大型ツインアルミビームへと進化を遂げた。

確かに、他のタイプのシャシーにも成功例はあります。例えば、ドゥカティの鋼管製「トレリス」構造や、1990年代初頭のジョン・ブリテンによる「スキン・アンド・ボーンズ」カーボンファイバー製シャシーなどが挙げられます。しかし、今日ではツインアルミビームシャシーが主流となっています。耐久性のあるボルト留めポイントと、実績のある形状さえ備えていれば、成形合板でも実用的なシャシーを作れると私は確信しています。

鋼とアルミニウムのもう一つの大きな違いは、鋼には疲労限度と呼ばれるものがあることです。これは、ある一定の応力レベル以下であれば、部品の寿命は実質的に無限であることを意味します。ほとんどのアルミニウム合金には疲労限度がないため、アルミニウム製の機体は、計画された使用時間数に基づいて「寿命」が定められています。この限度以下であれば、鋼は多少の負荷を許容しますが、アルミニウムは目に見えない内部疲労損傷という形で、あらゆる負荷を記憶しているのです。

1990年代の美しいGPシャシーは、量産の基盤にはなり得なかった。これらのシャシーは、機械加工、プレス加工、鋳造されたアルミニウム部品を溶接して作られていた。これは複雑なだけでなく、3種類の合金すべてが相互に溶接可能である必要があった。溶接は、たとえ生産ロボットが行うとしても、コストと時間を要する。

今日の軽量4ストロークエンジンと鋳造シャーシを可能にした技術は、溶融アルミニウム上に瞬時に形成される酸化アルミニウム膜を巻き込まない低乱流鋳型充填法である。このような膜は金属に弱点を形成し、従来は十分な強度を得るために鋳造品をはるかに厚くする必要があった。これらの新しいプロセスで鋳造された部品は非常に複雑な形状になるが、今日のアルミニウムシャーシは片手で数えられるほどの溶接箇所で組み立てることができる。この新しい鋳造法によって、市販のオートバイの重量を30ポンド以上削減できると推定されている。

多種多様な鋼材と並んで、アルミニウムは人類文明の基本的な素材だが、現代のオートバイにとってはそれ以上の存在だ。アルミニウムはバイクの心臓部であり、あまりにも普及しているため、私たちはその存在をほとんど意識せず、バイクの性能の多くをアルミニウムに負っていることを認識することもほとんどない。


投稿日時:2019年6月20日