走行中の自転車ペダルに発生するひずみの測定と疲労寿命の予測
滋賀県工業技術総合センター○岡田太郎

龍谷大学 田原大輔 相見朋輝 堀川武

Measurement of dynamic strain caused by pedaling in bicycle pedal and fatigue life
prediction.
Taro OKADA, Daisuke TAWARA, Tomoki AIMI, and Takeshi HORIKAWA
It has been increasing the probability of occurrence of an accident of a bicycle associated with a breakage failure of pedal
structure in recent years. It is derived from overloads than estimated loads which are sometimes applied to a frame and parts of abicycle due to severe loading conditions by a muscular professional bicyclist and growing in physical size in ordinary Japanese while
body weight of a bicycle is reduced. Evaluation of mechanical conditions of the pedal during riding and estimation of fatigue life arenecessary to avoid the failure accident. In this study, to evaluate magnitude and change in tread force for a pedal by a muscularprofessional bicyclist, we developed a small distortion measurement system which can be attached to a bicycle crank. Then, wemeasured bending moment which was applied to the pedal shaft at the time of depressing the pedal by the professional bicyclist.
Before the experiment, we expected that rotating bending fatigue was applied to the pedal shaft in the riding bicycle, however, wefound that pulsating fatigue was dominant based on analysis of change in bending moment on the pedal shaft. In addition, the test
revealed that magnitude of the moment during riding was twice as high as the test standard. We also performed fatigue test of a pedal
and the test results demonstrated that the possibility of fatigue failure would occur about 198 days in the shortest. Potency of ourevaluation method for mechanical behavior of the pedal was discussed and new guide to predict fatigue life of a bicycle pedal wasproposed.
緒1

言

移動体である自転車において特に回転するクランク

自転車競技は，気軽に始められ，年を重ねても継続し周辺のひずみ測定を行うために，小型かつ電池駆動するやすいことから，近年高い人気を誇っている．どのようひずみ測定システムの構築を目指した ．記録計は，なスポーツにおいても器具の軽量化は負荷の低減や成TSND121（ATR-Promotions 社）を用いた．後述の実験の績の向上に直結する大きな課題である．特に自転車にお性質上，2 箇所以上のひずみを測定する必要があるため，いて，選手以外の一般競技者が趣味で用いる器具であっひずみゲージを接続するアンプ 2 つを Fig.1 のように配ても，高級品にチタンやアルミニウムのような軽金属に置した．

加え CFRP が用いられるようになり，軽量化が行われている．
しかしながら，器具の軽量化に反して日本人の平均的な体格は大型化が進んでおり，従来の認識を超える負荷によって事故が発生する可能性が高まっている．プロ選手に限らず，肥満体型の人が健康のために運動を始めようとする際も同様である．
このようなペダルの力学的特性評価には，走行中のペダルに発生する負荷の詳細な評価が望まれる．また，その上でペダルの疲労寿命推定が必要である．そこで本研
究では，実走中の自転車部品のひずみを測定するためのFig.1 Dynamic strain measurement system
2.2 ひずみ測定の校正方法

小型のデバイスを作製し，自転車のペダルに発生する曲負荷測定に用いた自転車は，競輪競技で一般的に用いげひずみの測定を行った．また，実走状況の負荷を再現られる構成を使用した．ペダル上のひずみゲージ貼り付した疲労試験を行い，ペダルの折損事故を防ぐための製け位置は，Fig.2 のように，ペダルシャフトをクランクに品寿命の予測と，従来の製品評価の試験方法の妥当性に取り付けたときの端面から 14mm の位置である．

ついての考察を行った．

センサー感度の校正として，ペダルの踏み板の中心であるクランク端面から 50mm の位置に 1kN の荷重が加2

実験方法

2.1 小型ひずみ測定システムの構築わった際にひずみゲージの電圧変化が 300mV となるように感度を調整した．この測定法では，最大で 3kN（150Nm）の負荷まで感知することができる．

Fig.4 Bending moment in the pedal shaft
Fig.2 Position of the strain gauge on the pedal
3.2
2.3 曲げモーメントの測定
前述のように，同時に 2 箇所のひずみの測定を行った．

1 回転中の曲げモーメントの変化

測定データのうち，最大の曲げモーメントが発生した
区間 189s～192s を Fig.5 に抽出した．

センサー1 は，クランクが水平な状態で鉛直上向きから反時計回りに 10°の位置に取り付けた．センサー2 は，センサー1 からシャフトの円周方向反時計回りに 90°となる位置に，Fig.3 のように配置して貼り付けた．
これらで感知した曲げひずみから曲げモーメントを求め，ベクトル合成することで，ペダルシャフトに加わった合成曲げモーメントとその方向を算出した．

Fig.5 Bending moment in the pedal shaft (189~192s zone)
センサー1，2 の曲げモーメントの変化から，クランクが 1 回転する間にペダルシャフトに加わる合成曲げモーメントのベクトル変化を Fig.6 に図示した．なお，この図の中心は，クランクの回転中心である．ペダルシャフ
トへの曲げモーメントは，主にクランクが位置 A→B→C へと回転する際に発生し，位置 B において最大になる
Fig.3 Positional relationship between sensors 1 and 2ことが確認された．

2.4 曲げ疲労試験
踏み板の中心であるクランク端面から 50mm の位置に荷重が加わるように疲労試験機にペダルを取り付け，ペダルシャフトに曲げモーメントが加わるように片振りの曲げ疲労試験を行った．
周波数は 3Hz，荷重条件は 3kN（150Nm）～1.4kN（70Nm）の任意の荷重を最大荷重とし，応力比 0.1 にて行った．
3

実験結果

3.1 曲げモーメントの測定センサーを取り付けた自転車を用いて実際に走行を行った．ペダルシャフトに加わる曲げモーメントの測定を行い，Fig.4 のグラフを得た．曲げモーメントは最大102Nm に達した．

Fig.6 Bending moment from the point of view centered at thecrank rotation

次に，視点をクランク中心ではなく，ペダルシャフト程度の練習でペダルが折損することが予測され，事故をの中心に固定し，ベクトル変化を Fig.7 に図示した．位

未然に防ぐには，それよりも早い時期に交換をする必要

置 A→B→C→D→A とクランクが 1 回転する間に，合成がある．

曲げモーメントのベクトルは多少水平方向にブレるが，しかし，実際の練習時には，中負荷の練習も行われ，常に下向きで増減を繰り返すことが判明した．このこと

100Nm には達さずとも，70Nm 程度の曲げモーメントはから，ペダルの踏み込みによって発生するペダルシャフ頻繁に発生している．グラフとして掲載できなかったが，トへの負荷を疲労試験機で再現する場合，回転曲げや両本研究では，合計 1,000 秒間の曲げモーメントの測定を振りではなく，片振りの曲げ疲労試験が最も適切と考え行った．それらを考慮して修正マイナー則によって疲労られる．

寿命の再計算を行うと，その期間は 198 日まで短縮される可能性が判明し，半年以内の交換が必要となることが示唆された．
4.2 ペダルの評価法の妥当性についての考察
国内で販売される自転車のペダルについては，一般車・スポーツ車に関わらず，JIS D9416 自転車-ペダルに記載されている試験項目をクリアする必要がある 1)．その中の動的耐久試験の項目においては，ペダル幅の中心

Fig.7 Bending moment from the point of view centered at theに 90kg の荷重を加えて回転軸が加熱しないように 10 万pedal shaft回回転させることが求められている．このとき，シャフトと踏み板の双方に損傷があってはならない．本実験で3.3 疲労試験
ペダルシャフトに曲げモーメントを加える片振りの曲げ疲労試験を行い，Fig.8 の曲げモーメントサイクル線図を得た．走行中に実測された最大の曲げモーメントである 100Nm を加え続けると，約 50,000 サイクルでシャフトが折損した．図より，疲労限となる曲げモーメン
トは，70Nm 以下であると判明した．

用いたペダルで同様の試験を行う場合は，ペダル幅の中心まで 50mm であることから，45Nm の曲げモーメントを加え続けた状況での回転曲げ疲労試験を行うこととなる．
しかし，本実験の結果から，実際にペダルシャフトに加わる疲労は，回転曲げではなく片振りに近く，かつ，自転車競技者の脚力では，規格で想定されている倍以上の 100Nm の曲げモーメントが発生しうることが判明した．折損による事故の防止，競技者本人ならびに交通の安全のため，自転車ペダルの評価項目に，今後は片振り曲げ疲労試験も追加することを提案したいと考える．
5結言

小型ひずみ測定システムを構築し，走行中の自転車のペダルシャフトに発生する曲げモーメントの変化を測定した結果，シャフトに発生している疲労は，回転曲げではなく，片振り曲げに近い状態において発生していることが判明した．
Fig.8 Relationship of bending moment to fatigue

また，測定された曲げモーメントの最大値である
100Nm の負荷で片振り曲げ疲労試験を行った結果，

4

考察

4.1 疲労寿命の予測

50,000 サイクルで折損し，測定データの提供者が練習を毎日続けた場合，最短で 198 日程度で折損する可能性が

本実験の曲げモーメントの測定結果は，自転車競技者あることが示唆された．事故を未然に防ぐために，従来の練習時に採取されたものである．Fig.4 の曲げモーメンの試験規格に加え，片振りの曲げ疲労試験を自転車ペダトのグラフから，100Nm の曲げモーメントは最大値であルの評価項目に追加することを提案する．

り，定常的に発生していないことがわかる．実際には，

本研究の一部は，公益財団法人 JKA の若手研究補助の

高負荷状態はクランクの回転数で 10 回転程度である．

助成を受けて進めることができました．ここに記して感1 日の練習においては，200 秒間の高負荷練習が 6 本謝の意を表します．

程度行われる．そのため，ペダルへの 100Nm の負荷は 1日で 60 回発生する．100Nm での疲労試験では 50,000 サイクルで折損していることから，単純な計算では 850 日

参考文献
JIS D 9416 自転車-ペダル,日本工業規格(2009).