도로사이클 휠의 수평강성

출처 : http://www.rouesartisanales.com/article-23159755.html

 

I. 휠의 변형

휠의 변형은 주행자의 무게, 페달링, 뒷휠의 경우 토크, 지형 등에 의해 일어납니다. 변형은 정면변형과 측면변형이 있는데 정면변형은 대부분의 휠에서 정면강성이 매우 높아서 고려 대상이 아니며 측면변형에 대해 연구하고 고려할 가치가 있습니다. 가속이나 스프린트, 오르막을 오를 때 측면변형의 정도에 따라 주행성능이 달라지기 때문입니다.

 

II. 정면강성

정상적인 휠이라면 정면강성(수직강성)은 매우 높습니다. 대부분의 휠이 1500~2500N/mm 정도입니다. 이는 휠 위 1mm 길이에 150~250kg의 무게를 얹었을 때 휠이 수직으로 변형이 일어나지 않음을 뜻합니다. 충분하죠!

현재의 휠의 구조(텐션 있는 스포크, 림, 허브)에 견디는 힘에 여유는 없습니다. 하지만 몇 개의 특별한 휠들은 강성에 여유를 두어 진동에 강한 구조로 설계되어 있습니다. 아래에 나열한 휠들입니다. 많이 알려지지 않은 휠들이죠. 작은 돌이 깔린 울통불퉁한 길을 달릴 때나 사이클로크로스에 채용될 것으로 보입니다.

• ADA(Cees Beers) : spoke - Kevlar

• Stealth PBO(Spinergy) : spoke - Zylon 섬유

• VT-1(Lew Racing Pro) : 텐션 없는 스포크(정면강성이 800N/mm)

 

이러한 휠들이 다른 휠들에 비해 부드럽지만, 주행시의 편안함은 타이어와 관계가더 큽니다. 타이어의 특성에는 다음과 같은 요소들이 있습니다.

• 구조 : 튜블라(Tubular), 클린처(Clincher)

• 공기압

• 타이어폭

• 케이싱(Casing)

• Inner 튜브

 

수제작하는 고급의 튜블라 타이어는 클린처 타이어보다 더 편안합니다. 케이싱이 더 부드럽고 가볍습니다.

 

시험조건

• 휠 축을 고정.

• 가해지는 힘은 소프트웨어에 의해 결정되고 각각의 힘에 따라 변형의 정도를 측정.

 

변형에 관계되는 변수들은 림의 높이, 스포크의 수, 스포크 엮는 방식, 스포크 텐션입니다. 림의 높이가 낮을수록, 스포크의 수가 적을수록, 스포크 교차를 적게 엮을수록, 스포크 텐션이 약할수록 변형이 더 잘 일어납니다. 허브도 변형에 관계가 있기는 하지만 림과 스포크의 영향에 비하면 작아서 고려하지 않습니다.

 

몇 가지 휠의 정면강성

• Rear Lightweight, Rear Sonic 50mm, Rear Speedcomposites : 1400N/mm

• Front Mavic CCU, Front Corima Aero : 2000N/mm

• Front ZIPP 404, Front Lightweight : 2600N/mm

 

위에서 보듯이 대개 뒷휠의 정면강성은 앞휠에 비해 약합니다. 뒷휠은 스포크의 좌우 장력이 다르고 좌우가 비대칭으로 조립되어야 하기 때문입니다. 양방향이 약한 것이 아니라 한쪽 방향이 약합니다. 하지만 특별한 휠도 있습니다.

 

1.   뒷휠의 정면강성이 앞휠의 정면강성보다 큰 휠.

이는 스포크텐션과 림의 구조 차이에 의한 것으로 보입니다.

• Shimano 7850 C24TU : 앞휠 - 1790N/mm, 뒷휠 - 1840N/mm

• Shimano 7850 C50TU : 앞휠 - 2850N/mm, 뒷휠 - 2940N/mm

• Mavic Cosmic Carbone Ultimate(CCU) : 앞휠 - 1910N/mm, 뒷휠 - 1970N/mm

 

2. 정면강성이 일반적인 휠보다 약한 휠.

• Lew Racing Pro VT-1 : 750N/mm ~ 800N/mm

                       (림의 높이 : 46mm로 높은 편임에도.)

이 휠은 스포크 장력이 없습니다. 수직으로 부하가 걸리면 림이 변형이 되고 스포크가 구부러집니다. 그래서 주행자의 무게 제한이 있습니다. 이런 휠은 재밌고 독특한 것을 좋아하는 이들에게 관심을 끌만합니다.

 

III. 측면강성(수평강성)

 

1. 설명

측면강성은 휠의 성능 면에서 복잡하고 중요한 변수입니다. 가속, 스프린트, 오르막을 오를 때 특히 영향을 끼칠 수 있습니다.

Mavic사의 엔지니어인 Jean-Pierre Mercat의 의견. 보기에 똑같은 모양의 4개 휠을 측면강성을 각각 달리하여(20N/mm~80N/mm) 오르막에서 출력파워를 측정하면서 SRM과 심박수를 관찰하였다. 300번을 시험했음에도 마땅한 결론을 얻지 못했다. 일반적인 파워(180W~350W)에서는 성능의 차이가 없었다. 하지만 우수한 선수들이 오르막을 전력으로 오를 때는 많은 차이가 있음을 발견했다. 수평강성이 20N/mm인 휠은 휘청거림으로 인해 최대파워에서 15% 낮게 측정되었다. (원문 - The maximal power reached was lower (-150W at 1000W) with the flexy wheels at 20N/mm.) 60N/mm과 80N/mm의 두 휠은 차이가 없었다. 심박수는 20N/mm의 휠이 80N/mm의 휠에 비해 더 낮았다. 수평강성이 약한 휠에 대해 일부의 파워가 휠의 휘청거리는데 쓰여지고 가속력에서도 효율이 낮았다.

위 실험 결과는 수평강성이 가속이나 스프린트시에 큰 영향을 주는 요소임을 말해 줍니다. 도로경기에서 브레이크어웨이(레이스에서 여럿이 달리다가 순간적으로 치고 나가는 것)할 때 출발 후 1시간 동안은 300W 정도의 파워가 나왔고, 이후 2시간 반 동안 270W로 낮아졌습니다.(PowerTab 장비로 측정.) 가속할 때는 몇 초 동안 500~700W를 내었습니다. 세계적인 선수들의 경우 스프린트할 때 1000~1500W를 내기도 하는데 이런 경우에는 딱딱한 휠이 유리합니다.

 

2. 관찰

측면강성은 휠의 옆쪽(뒷바퀴는 스프라켓이 있는 방향에서)에서 림에 부하를 주어 부하를 준 지점과 그 지점으로부터 180도 지점(허브를 기준으로 반대편 림)의 휘어짐을 측정하였습니다. 부하와 변형의 정도를 측정하여 강성을 계산합니다. 측면강성 측정시에 부하는 주행자의 몸무게가 대부분입니다. 자전거에 타고 있고, 자전거가 비스듬히 서 있는 상태. 비스듬한 각도가 림에 측면 부하를 생성하기 때문입니다.

이 상태에서 주행자가 페달을 밟았을 때 스포크를 통해 전달된 토크가 휠을 변형시킵니다. 안장에 앉아서 페달링 할 때도 페달을 밟을 때마다 림에 변형이 일어납니다. 그래서 뒷휠은 가능하면 딱딱한 것이 좋습니다. 그래야 파워의 전달이 즉각 일어나게 됩니다.

바퀴가 기울어진 상태에서 부하가 걸릴 때 한쪽면의 스포크는 텐션이 줄어들고 반대면의 스포크는 텐션이 강해집니다. 부하가 낮으면 강성곡선은 직선으로 비례적이지만, 부하가 클 때는 비드라이브쪽의 스포크들이 완전히 느슨해집니다.

 

(변환되는 지점은 위 그래프보다 더 서서히 변화합니다.)

위 그래프를 보면 부하가 18kg이 될 때까지 휠은 단단하게 견딥니다. 부하가 20kg(주행자 몸무게 90kg에 해당) 되기 전에 고정강성을 잃습니다.

 

3. 측면강성(수평강성)

일반적인 휠의 측면강성은 여러 가지 변수에 의해 달라집니다. 림의 깊이(높이), 비틀림강성, 스포크길이, 스포크수에 의해 휠의 강성이 결정됩니다. 마빅사의 의견에 따르면 Bracing Angle(허브의 플랜지 사이의 거리 변수)가 측면강성에서 가장 큰 변수입니다. 앞휠의 Bracing Angle이 크고 좌우대칭이어서 뒷휠보다 강성이 더 높습니다.

 

휠의 측면강성을 증가시키기 위한 요소들.

• 스포크의 길이가 짧아지도록 강하고 깊은 림을 사용한다.

• 두꺼운 스포크를 사용한다.

• Bracing Angle을 크게 한다. - 좌우 플랜지 간격이 큰 것을 사용

• 스포크 장력을 높게 한다.

 

하지만 이 모든 것들은 무게 증가라는 바라지 않는 결과를 가져옵니다. 지면에 접촉하는 림에 부하가 걸려서 변형이 생기면 허브축을 중심으로 180도 되는 곳에도 변형이 일어납니다. 그렇게 되면 브레이크 패드와 림 사이의 간격이 좁아지고 심하면 맞닿기도 하는데 바퀴가 굴러가는데 저항으로 작용하게 됩니다.

여기에는 최소한 두 개의 중요한 변수가 있습니다.

• 림의 깊이가 얇을수록 변형(브레이크 패드 사이의 간격 변화)은 덜하고, 측면강성은 약해진다.

• 스포크의 수가 많으면 측면강성이 강하다.

 

이에 따르면 림의 깊이가 깊으면 스포크의 수는 많아야(최소 24개) 측면강성도 강하고 변형도 덜 일어납니다. 하지만 스포크의 수가 많아지면 바퀴의 공기저항이 증가합니다. 그래서 연구를 통하여 림의 깊이가 깊으면서 스포크의 수를 줄인 휠도 만들어지고 있습니다. 이런 휠이 특정한 목적에 최적화된 휠이라 할 수 있습니다.

여러 도로사이클 휠들의 수평강성

강성에 따라 내림차순으로 정리한 표.

위의 표는 여러 휠셋의 측면강성을 나타낸 것입니다. 앞과 뒤의 림은 같은 구조이며 앞휠의 측면강성이 뒷휠보다 큽니다. 이는 앞휠이 Bracing Angle가 크기 때문입니다.

예외도 있습니다. 대형제조사에서 제작하는 특별한 휠셋은 뒷휠의 측면강성이 앞휠보다 강합니다. 특별한 스포크(스포크의 구조와 엮는 방식), 극한의 텐션, 특별한 림구조(예: Mavic R-SYS)를 채용하는 것이죠. 

주행자의 무게와 힘의 범위 안에서 사용되도록 만들어지는 경우도 있습니다.

측면강성이 약하고 변형이 자주 일어난다면 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다.

(1) 정밀도가 떨어진다.

(2) 성능이 떨어지고 주행자가 강성의 부족을 느끼게 된다.

(3) 스포크의 수명이 짧아진다.

큰 휠셋 제조사는 Mavic, Shimano, Campagnolo 등입니다. 이런 회사들에서는 다양한 휠셋을 만들어내고, 작은 제조사들은 제한된 사용 범위의 휠셋의 생산에 역점을 두고 있습니다. Reynolds, Tune, Specialized, FRM, DT swiss 등의 회사가 여기에 해당됩니다.

 

특별한 휠.

1. CarbonSports Lightweight(1100g 이하), Mavic Cosmic Carbone Ultimate(1200g.

이 두 휠은 카본이 주재료이고 매우 단단하고 가볍습니다. 사용범위도 넓죠. 단점이라면 수리가 매우 어렵고 림의 깊이가 깊어 옆바람에 취약하고 가격이 비싸다는 것입니다.

         

                             ▲Leightweight                                      ▲Mavic CCU

2. Mavic R-SYS

이 휠은 매우 단단한 카본 스포크를 사용하는데 텐션도 낮습니다. 림의 깊이가 낮고 가벼운 무게(1380g/set, 다른 알루미늄합금 림에 비해)에도 측면강성은 높습니다. 딱딱하고 가볍기 때문에 오르막에 유리합니다.

3. Lew Racing Pro VT-1

이 휠은 카본/붕소 스포크를 림과 허브에 접착하는 방식으로 만들었고 텐션이 없어서 수직방향이나 측면에 대해 매우 탄력적입니다. 그러나 주행할 때 전달되는 힘이 허브 플랜지의 가운데로 작용하기 때문에 뒷휠은 매우 단단합니다. 이 구조는 허브에서 직접 림에 토크가 전달되기 때문에 브레이크 패드간 수평 변형을 방지합니다.

(번역자 주 " 잘 이해 안 됨. Bracing Angle이 없는 것이 아닐까?)

이 휠은 주행자의 무게나 힘에 의한 측면강성시험은 제대로 측정되지 않습니다. 이 휠은 주행자의 무게 제한이 있습니다. (84kg 이하.)

(원문 : It only shows the rider weight limit, because the Lew does not flex a great deal laterally when stomping on the pedals.)

아래 그래프는 여러 휠의 강성을 나타낸 것입니다.

Lew Racing Pro VT-1는 작은 측면부하에는 강하여 중간 정도 무게의 주행자에게 좋습니다.

 

IV. 결론

도로를 탈 때 휠에 의한 자전거의 성능과 효율의 느낌은 휠의 관성에 기인하지만 측면강성은 매우 중요한 요소입니다. 강한 가속시에 휠이 휘어져서 브레이크 패드에 림이 닿으면 파워 손실이 생기고 결국 가속은 느려집니다. 휠의 강성은 이런 조건에서 최대 성능을 낼 수 있어야 합니다. 물론 모든 선수에게 매우 딱딱한 휠이 좋은 것만은 아닙니다. 몸무게가 많이 나가거나 매우 강한 선수들에게 휠의 측면강성이 45N/mm와 55N/mm의 차이를 느낄 수 있습니다. 몸무게가 가벼운 주행자나 편안하게 즐기며 타는 이들에게 강성은 중요하지 않으며 관성이 더 중요합니다.

(역주 : 강성이 높다고 반드시 관성이 작아지는 것은 아니다.)

휠의 여러 특성들을 고려해야 하기 때문에 딱딱한 휠이 반드시 좋다고 할 수 없습니다. 측면강성을 높이려면 대개 휠의 무게도 증가하는데 이 경우 관성이 커져서 가속이나 오르막에는 불리합니다. 이상적으로 보면 공기저항, 베어링의 저항, 주행자의 몸무게를 견디는 것을 고려하여 무게와 강성의 최적비율의 휠이 좋은 휠이라 할 수 있습니다.

주행자의 몸무게가 많이 나가거나 극한 성능을 내고 싶은 레이서라면 무조건 강성이 강해야 합니다.

주행자의 몸무게에 따른 휠의 수평강성

80kg 이상 : 40N/mm 이상.

70 ~ 80kg : 35 ~ 40 N/mm. 주행자에 따라 적당하기도 하고 부족할 수도 있다.

60 ~ 70kg : 30N/mm 정도.