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자전거 바퀴

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목차

1. 개요

자전거 바퀴는 자전거의 핵심 부품으로, 허브, 스포크, 림, 타이어 등으로 구성된다. 최초의 자전거 바퀴는 나무 소재로 제작되었으나, 현대에는 금속, 탄소 섬유 등 다양한 소재가 사용된다. 바퀴의 구조는 허브, 림, 스포크, 니플로 이루어지며, 허브는 바퀴의 중심, 림은 타이어를 지지하는 부분, 스포크는 허브와 림을 연결하여 강성을 제공하고, 니플은 스포크의 장력을 조절한다. 바퀴는 용도에 따라 도로/경기용, 산악자전거용, BMX용 등으로 분류되며, 각 유형에 따라 공기역학, 무게, 강성 등이 다르게 설계된다. 자전거 바퀴는 회전 질량, 디싱, 강성 등 기술적 특징을 가지며, 정렬, 장력 조절 등 주기적인 정비가 필요하다.

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자전거 바퀴

2. 역사

자전거 바퀴의 역사는 기술 발전과 밀접한 관련이 있다. 초기에는 와이어 휠의 장력을 이용한 바퀴가 조지 케일리 경에 의해 글라이더용으로 발명되었으며[1], 초창기 자전거 바퀴는 나무 허브와 스포크, 철제 타이어 등 마차 제작 방식을 따랐다. 이후 기술이 발전하면서 오늘날에는 금속 허브, 와이어 장력 스포크, 그리고 공압식 고무 타이어를 사용하는 금속 또는 탄소 섬유 림을 갖춘 형태로 진화했다.

2. 1. 발명

최초로 와이어 휠의 장력을 이용한 바퀴는 1853년 조지 케일리 경이 글라이더의 경량화를 위해 발명했다.[1]

2. 2. 초기 자전거 바퀴

최초의 자전거 바퀴는 마차 제작의 전통을 따랐다. 나무 허브, 고정된 강철 차축(베어링은 포크 끝에 위치), 나무 스포크, 열박음된 철제 타이어로 구성되었다.

2. 3. 현대 자전거 바퀴

일반적인 현대식 바퀴는 금속 허브, 와이어 장력 스포크, 공압식 고무 타이어를 고정하는 금속 또는 탄소 섬유 림을 가지고 있다.

3. 구조

자전거 바퀴는 자전거의 핵심 구성 요소 중 하나로, 여러 부품이 정교하게 결합되어 작동한다. 바퀴의 주요 구조는 다음과 같은 부품들로 이루어진다.


  • 허브: 바퀴의 가장 중심부에 위치하는 회전축 역할을 하는 부품이다. 차축, 베어링, 허브 쉘 등으로 구성되며, 프레임이나 포크에 바퀴를 고정시키는 역할을 한다.
  • 림: 바퀴의 가장 바깥쪽 테두리를 이루는 원형의 부품이다. 타이어를 장착하고 공기압을 유지하며, 지면과의 접촉을 통해 자전거가 굴러가게 한다.
  • 스포크: 허브의 플랜지와 림 사이를 연결하는 가느다란 막대 형태의 부품이다. 여러 개의 스포크가 방사형 또는 접선형으로 배열되어 바퀴의 형태를 유지하고 무게를 분산시키며, 허브의 회전력을 림으로 전달한다.
  • 니플: 스포크의 끝부분에 결합되어 림에 스포크를 고정시키는 작은 너트이다. 니플을 조이거나 풀어 스포크의 장력을 조절함으로써 바퀴의 정렬 상태(트루잉)를 맞출 수 있다.


이러한 구성 요소들이 모여 자전거 바퀴의 기본적인 구조를 형성하며, 각 부품의 종류와 재질, 결합 방식에 따라 바퀴의 성능과 특성이 달라진다.

3. 1. 허브 (Hub)

허브는 자전거 바퀴의 중심 부분으로, 차축, 베어링 및 허브 쉘(허브통)로 구성된다.[2][3] 허브 쉘 양 끝에는 일반적으로 스포크(바퀴살)를 부착하기 위한 두 개의 금속 플랜지가 있다. 허브 쉘은 프레스인 카트리지 베어링이나 프리 베어링을 포함하는 일체형일 수도 있고, 구형 디자인에서는 플랜지가 별도의 허브 쉘에 부착될 수도 있다.

허브


=== 차축 (Axle) 결합 방식 ===

차축은 포크나 프레임의 드롭아웃에 부착되며, 다음과 같은 방식으로 결합된다.

  • 퀵 릴리스: 속이 빈 차축을 통과하는 레버와 꼬챙이를 이용하여 도구 없이 바퀴를 쉽게 탈착할 수 있다. 대부분의 현대 로드 바이크와 일부 산악 자전거에서 사용된다.
  • 너트: 나사산이 있는 차축이 포크/프레임 밖으로 돌출되어 너트로 고정한다. 트랙, 고정 기어, 싱글 스피드, BMX 및 저가형 자전거에서 주로 사용된다.
  • 볼트: 차축에 나사 구멍이 있어 볼트로 조여 고정한다. 일부 싱글 스피드 허브나 캐논데일 레프티 허브 등에서 사용된다.
  • 쓰루 액슬: 한쪽 포크 다리의 구멍을 통해 허브를 통과시켜 반대쪽 포크 다리에 나사로 고정하는 탈착식 액슬이다. 일부는 캠 레버가 달려 있고, 다른 일부는 핀치 볼트로 고정된다. 앞바퀴용은 직경 20 mm, 15 mm, 12 mm, 9 mm가 있으며, 뒷바퀴용은 주로 10 mm 또는 12 mm이다. 주로 산악 자전거에 사용되지만, 디스크 브레이크가 장착된 사이클로크로스 및 로드 바이크에서도 사용이 늘고 있다. 쓰루 액슬은 바퀴를 반복적으로 탈착해도 디스크 브레이크 로터의 정렬을 유지하는 데 유리하다. 쓰루 액슬은 허브가 아닌 포크나 프레임에 맞춰 사용하며, 어댑터를 통해 다른 규격 간 호환이 어느 정도 가능하다.
  • 여성 액슬: 속이 빈 중심 액슬(주로 직경 14, 15, 17, 20 mm, 크로몰리 또는 알루미늄 재질) 양쪽에 볼트를 조여 고정하는 방식이다.[2] 기존 액슬(직경 8~10 mm)보다 훨씬 강한 구조를 가진다.[3] 고급 BMX 허브나 일부 산악 자전거 허브에서 사용된다.


1980년대 이후 자전거에는 표준 차축 간격이 도입되었다. 앞 허브는 보통 100mm 너비의 포크 간격에 맞추고, 프리허브가 있는 로드 휠은 보통 130mm 너비의 뒤 허브를 사용한다. 산악 자전거는 135mm 너비의 뒤 허브를 채택하여[4] 브레이크 디스크 장착 공간을 확보하거나 휠 디시(dish, 림과 허브 플랜지 간의 좌우 비대칭 정도)를 줄여 휠의 내구성을 높였다.[1] 프리라이드와 다운힐 자전거는 142mm 또는 150mm 간격의 허브를 사용하기도 한다.[5]

=== 베어링 (Bearing) ===

베어링은 허브 쉘과 차축 사이에서 마찰을 줄여 바퀴가 부드럽게 회전하도록 돕는다. 대부분의 자전거 허브는 강철 또는 세라믹 볼 베어링을 사용하며, 크게 두 가지 방식으로 나뉜다.

  • 컵 앤 콘 베어링 (Cup and Cone Bearings): 차축에 나사로 고정되는 조절 가능한 '콘(cone)'과 허브 쉘에 압착된 '컵(cup, 레이스)' 사이에 느슨한 볼 베어링이 들어가는 방식이다. 분해하여 정비하기 쉽지만, 정확한 조정이 필요하며 잘못 조정하면 마모나 고장이 빨리 올 수 있다.
  • 카트리지 베어링 (Cartridge Bearings): 베어링이 밀봉된 원통형 카트리지 안에 조립되어 있다. 내부 링과 외부 링 사이에서 볼 베어링이 회전한다. 일반적으로 컵 앤 콘 방식보다 정밀도와 밀봉성이 우수하다. 카트리지는 허브 쉘에 압착되어 장착되며, 베어링 자체는 정비나 조정이 불가능하여 마모되거나 고장 나면 카트리지 전체를 교체한다.


=== 허브 쉘 (Hub shell)과 플랜지 (Flanges) ===

허브 쉘은 스포크나 디스크 구조가 부착되는 허브의 몸통 부분이다. 스포크 휠의 허브 쉘에는 일반적으로 차축에서 방사형으로 뻗어 나온 두 개의 플랜지가 있다. 각 플랜지에는 스포크를 걸거나 끼울 수 있는 구멍이나 슬롯이 있다. 일부 휠(예: Full Speed Ahead RD-800)은 허브 중앙에 추가 플랜지를 갖기도 하고, 본트래거나 짚의 일부 휠처럼 눈에 띄는 플랜지 없이 스포크가 허브 가장자리에 바로 연결되는 방식도 있다. Velomax/Easton의 휠처럼 스포크를 나사로 조여 고정하는 나사산 방식의 허브 쉘도 존재한다.

전통적인 스포크 휠에서 플랜지 간격은 휠의 측면 강성에 영향을 미치는데, 간격이 넓을수록 강성이 높아진다. 플랜지 직경은 휠의 비틀림 강성과 허브가 수용할 수 있는 스포크 구멍 수에 영향을 주며, 직경이 클수록 강성이 높고 더 많은 스포크를 사용할 수 있다.[6] 여러 단의 스프라켓이 장착되는 뒷바퀴의 경우, 비대칭적인 플랜지 간격과 휠 디시(dish)로 인한 불균형을 완화하기 위해 좌우 플랜지 직경을 다르게 설계(비대칭 플랜지)하기도 한다.[1]

3. 2. 림 (Rim)

림(Rim)은 바퀴의 바깥쪽 테두리를 이루는 부품으로, 안쪽에는 스포크를 연결하고 바깥쪽에는 타이어를 장착한다. 림은 타이어 내부의 공기압을 유지하고 주행 중 발생하는 충격을 흡수하며, 자전거의 무게를 지탱하는 중요한 역할을 한다.

== 소재 ==

현대의 자전거 림은 주로 알루미늄 합금으로 만들어지지만, 1980년대까지는 대부분 강철로 제작되었다(경주용 자전거 제외).[7] 최근에는 가볍고 강성이 높은 탄소섬유 소재의 림도 많이 사용된다. 역사적으로는 나무로 만들어진 림도 있었다. 최초의 자전거 바퀴는 마차 제작 기술의 영향을 받아 나무 허브, 고정식 강철 차축, 나무 스포크, 열처리된 철제 타이어를 사용했다. 일부 현대적인 휠은 공기역학 성능을 높이기 위해 탄소 섬유로 만든 덮개(후프)를 알루미늄 림에 결합하여 일반적인 클린처 타이어를 사용할 수 있도록 하기도 한다.

금속 림은 주로 압출 성형 방식으로 만들어 고리 형태로 제작하며, 탄소 섬유 림은 복합재 구조로 성형한다.

== 구조와 형태 ==

림의 단면 형태는 공기역학, 무게, 강성, 내구성, 타이어 호환성, 브레이크 호환성, 비용 등 다양한 요소를 고려하여 설계된다. 크게 '''단일벽'''(single-wall), '''이중벽'''(double-wall) 또는 '''상자형'''(box-section), '''삼중벽'''(triple-wall) 구조로 나눌 수 있다.[8]

  • '''단일벽 림:''' 림의 단면이 하나의 벽으로 이루어진 가장 기본적인 형태이다.
    로드스터 자전거에 사용된 웨스트우드 림(Westwood rim). 단일벽 구조의 예시이다.
  • '''이중벽(상자형) 림:''' 림 단면 내부에 벽이 하나 더 있어 속이 빈 상자 형태를 이룬다. 단일벽 림보다 강성이 뛰어나다.[8]
  • '''삼중벽 림:''' 이중벽 림 내부에 보강 구조가 추가된 형태로, 더 높은 강도를 제공한다.


알루미늄 림의 경우, 스포크가 연결되는 구멍(스포크 홀) 주변의 응력을 분산시키고 림의 내구성을 높이기 위해 아이렛(eyelet)으로 보강하는 경우가 많다. 아이렛은 스포크 홀을 강화하는 작은 금속 부품으로, 단일 아이렛과 이중 아이렛 방식이 있다. 단일 아이렛은 림의 안쪽 벽에만 적용되고, 이중 아이렛은 이중벽 림의 양쪽 벽을 모두 관통하여 더 튼튼하게 고정된다.

림 브레이크를 사용하는 자전거의 림은 브레이크 패드가 직접 닿는 제동 표면이 매끄럽고 평행하게 가공되어 있어야 한다. 반면, 디스크 브레이크나 허브 브레이크를 사용하는 자전거의 림은 이러한 제동 표면이 필요 없다.

1930~50년대 스포츠 자전거에 사용된 엔드릭 림(Endrick Rim). 현대 림 브레이크의 초기 형태로 볼 수 있다.


== 종류 ==

림은 장착하는 타이어의 종류에 따라 크게 클린처, 튜블러, 튜블리스 방식으로 나뉜다.

=== 클린처 림 (Clincher Rim) ===

26인치 산악자전거 휠에 림 테이프를 장착한 모습. 림 테이프는 스포크 니플 끝부분으로부터 튜브를 보호한다.


가장 일반적인 방식의 림으로, 클린처 타이어와 함께 사용된다. 클린처 타이어의 가장자리에는 강선이나 케블라, 트와론 같은 합성 섬유로 만들어진 '비드'(bead)가 있어, 이 비드가 림의 양쪽 가장자리(플랜지)에 걸리면서 타이어가 고정된다. 타이어 내부에는 공기를 주입하는 별도의 고무 튜브가 들어간다. 림 안쪽 바닥면에 스포크 홀이 있는 경우, 튜브가 스포크 니플 끝에 찔려 펑크가 나는 것을 방지하기 위해 고무나 천, 플라스틱 등으로 된 '''림 테이프'''를 부착해야 한다.

클린처 방식의 가장 큰 장점은 펑크가 났을 때 타이어를 분리하여 튜브를 수리하거나 교체하기 쉽다는 점이다.

ISO 5775-2 표준에서는 클린처 림을 다음과 같이 분류한다.

# '''스트레이트 사이드 (SS) 림:''' 림의 옆면이 직선 형태인 전통적인 방식.

# '''크로셰 타입 (C) 림:''' 림 안쪽에 갈고리(hook) 모양의 돌기가 있어 타이어 비드를 더 확실하게 잡아주는 방식.

# '''훅 비드 (HB) 림:''' 크로셰 타입과 유사하게 훅 구조를 가진 방식.

1970년대에 등장한 훅(크로셰) 디자인 덕분에 타이어 비드를 더 안정적으로 고정할 수 있게 되었고, 6–10 bar, 80–150 psi에 이르는 높은 공기압을 사용할 수 있게 되었다.[9][10]

=== 튜블러 림 (Tubular Rim) ===

튜블러 타이어용 림의 단면도. 영국과 아일랜드에서는 "스프린트 림"이라고도 불린다.


튜블러 타이어 전용 림이다. 튜블러 타이어는 튜브와 타이어가 일체형으로 바느질되어 있으며, 림 시멘트나 전용 접착 테이프를 사용하여 림의 바깥쪽 표면에 직접 부착한다. 따라서 클린처 림과 같은 타이어 비드를 걸기 위한 플랜지 구조가 없고, 타이어가 놓이는 부분이 얕고 둥근 형태를 띤다. 주로 경주용 자전거에 많이 사용된다.

=== 튜블리스 림 (Tubeless Rim) ===

튜브리스 타이어와 함께 사용되는 림으로, 이름 그대로 내부 튜브 없이 타이어와 림 자체가 밀폐 구조를 이루어 공기압을 유지하는 방식이다. 튜블리스 시스템을 사용하기 위해서는 림 내부가 완전히 밀폐되어야 하며, 밸브 스템, 스포크 홀(림 내부까지 관통된 경우), 타이어 비드가 장착되는 부분에서 공기가 새지 않도록 설계된 전용 림과 타이어가 필요하다.

마빅, 미쉐린, 허친슨이 공동 개발한 '''UST'''(Universal System Tubeless)는 산악자전거용 튜블리스 시스템의 표준으로 널리 알려져 있다.[11][12] 튜블리스의 주요 장점은 튜브가 없기 때문에 타이어가 장애물과 림 사이에 끼어 찢어지는 '스네이크 바이트' 펑크를 방지할 수 있다는 점이다. 이로 인해 더 낮은 공기압으로 주행할 수 있어 접지력을 높일 수 있다.[11]

단점으로는 타이어를 림에 장착하고 분리하는 작업이 클린처 타이어보다 까다로울 수 있으며,[11] 주행 중 펑크가 발생했을 때 수리가 어려울 수 있어 비상용 튜브를 휴대하는 경우가 많다.[11] 일부 사용자들은 일반 림에 특수 림 테이프와 액체 실런트(sealant)를 사용하여 스포크 홀과 비드 부분을 밀폐시켜 튜블리스 시스템을 구현하기도 하지만,[11] 이 경우 튜블리스 전용으로 설계되지 않은 타이어는 측벽 강성이 약할 수 있다.[11]

2006년에는 시마노와 허친슨이 로드 바이크용 튜블리스 시스템인 '''로드 튜브리스'''(Road Tubeless)를 선보였다.[13] 로드 튜브리스 림은 UST 림처럼 림 내부에 스포크 홀이 돌출되지 않도록 설계되었으며, 정밀하게 가공된 림 플랜지 구조가 타이어 비드와 밀착되어 공기 밀폐를 유지한다. 이 시스템 역시 림 테이프나 튜브가 필요 없다.

3. 3. 스포크 (Spoke)

스포크는 허브와 림을 연결하는 가느다란 막대 모양의 부품이다.[1] 초기 자전거 바퀴는 마차 제작 전통을 따라 나무 스포크를 사용했지만, 현대 자전거 바퀴는 대부분 인장력(당기는 힘)을 받는 금속 또는 탄소 섬유 스포크를 사용한다. 스포크는 바퀴의 형태를 유지하고 강성과 탄성을 조절하는 중요한 역할을 한다.

스포크 묶음


스포크의 길이에 대한 설명도

구조각 스포크의 한쪽 끝은 허브 플랜지의 구멍에 걸리도록 되어 있다. 가장 일반적인 형태는 끝이 90도로 구부러지고 머리가 달린 'J-벤드(J-bend)' 타입이다. 허브 플랜지 구멍을 통과한 후 머리 부분이 걸려 빠지지 않게 된다. 다른 방식으로는 구부러진 부분 없이 머리만 있는 '스트레이트 풀(straight-pull)' 스포크도 있다.

다른 쪽 끝에는 나사산이 있어 spoke nipple|스포크 니플영어이라 불리는 특수한 너트를 이용해 림에 고정된다. 니플은 림의 구멍에 끼워져 스포크와 연결되며, 이를 조이거나 풀어 스포크의 장력을 조절할 수 있다. 스포크 니플의 주요 재료는 황동과 알루미늄이다.
형태와 재료스포크는 다양한 형태와 재료로 만들어진다.

  • 두께: 일반적인 스포크는 전체적으로 두께가 균일하다.
  • ''더블 버티드(Double-butted)'' 스포크: 중앙 부분의 두께를 가늘게 만든 형태로, 무게가 가볍고 탄성이 좋으며 공기역학적으로 유리하다.[15]
  • ''싱글 버티드(Single-butted)'' 스포크: 허브 쪽이 더 두껍고 림 쪽으로 갈수록 얇아지는 형태이다.
  • ''트리플 버티드(Triple-butted)'' 스포크: 허브 쪽이 가장 두껍고, 중간 부분이 가장 얇으며, 림 쪽 나사산 부분은 중간 두께를 가진다.[16]
  • 단면 모양: 일반적으로 단면이 원형이지만, 고성능 휠에서는 공기 저항을 줄이기 위해 단면이 납작하거나 타원형인 '블레이드(Bladed)' 스포크를 사용하기도 한다.[1] 일부 스포크는 속이 빈 튜브 형태로 제작되기도 한다.[1]
  • 재료:
  • 강철 및 스테인리스강: 현대 자전거 스포크의 가장 일반적인 재료이다. 특히 스테인리스강은 내구성, 강성, 유지보수의 용이성 때문에 선호된다.[17]
  • 기타 재료: 티타늄,[1] 알루미늄,[18] 탄소 섬유,[1] 폴리에틸렌 복합 재료[19] 등도 사용된다.
  • 구형 또는 저가형 자전거의 비(非)스테인리스강 스포크는 표면 처리를 위해 아연 도금이나 페인트칠, 드물게 크롬 도금을 하기도 하지만 시간이 지나면 녹이 슬 수 있다.[17]

개수
자전거/차문 충돌 후 부서진 림. 스포크 파손도 보인다.


일반적인 금속 자전거 바퀴에는 24개, 28개, 32개 또는 36개의 스포크가 사용된다. 더 많은 무게와 스트레스를 견뎌야 하는 탠덤 자전거나 BMX 자전거의 바퀴에는 40개 또는 48개의 스포크가 쓰이기도 한다. 로우라이더 자전거의 경우 바퀴 하나에 최대 144개의 스포크를 사용하기도 한다.

스포크 수가 적으면 공기 저항이 줄어들어 공기역학적 이점이 있지만, 각 스포크가 지지해야 하는 림의 부분이 넓어져 림 자체의 강성이 더 중요해지고, 따라서 더 튼튼하고 무거운 림이 필요할 수 있다. 반면, 스포크가 림 둘레에 균등하게 많이 분포된 바퀴는 일반적으로 더 튼튼하고 유지 관리가 소홀해도 비교적 덜 민감한 것으로 여겨진다.
레이싱 (Lacing)
스포크 조립(레이싱) 방법의 예.
오른쪽: 방사형(Radial) 조립.
왼쪽: 접선형(Tangential) 조립.


레이싱은 스포크를 허브와 림의 구멍에 끼워 특정한 패턴으로 배열하는 과정을 말한다.[23][24]

  • 방사형 (Radial Lacing, 크로스-0): 스포크가 허브 중심에서 림을 향해 직선으로 뻗어 나가는 방식이다. 다른 스포크와 교차하지 않으며, 가장 가볍고 공기역학적인 휠을 만들 수 있다.[1] 하지만 허브에서 림으로 토크(회전력)를 전달하는 데는 비효율적이어서, 주로 토크 전달이 필요 없는 앞바퀴나 림 브레이크를 사용하는 바퀴에 쓰인다.[1] 이전에 다른 패턴으로 사용되었던 허브는 스포크 자국으로 인해 약해졌을 수 있으므로 방사형 레이싱에 재사용하지 않는 것이 좋다.
  • 접선형 (Tangential Lacing, 크로스 패턴): 스포크가 허브 플랜지에 비스듬한 각도로 연결되어 서로 교차하는 방식이다. 허브에서 림으로 토크를 효율적으로 전달할 수 있어 구동력이 전달되는 뒷바퀴나 디스크 브레이크, 드럼 브레이크가 장착된 바퀴에 주로 사용된다.[1] 스포크 하나가 다른 몇 개의 스포크와 교차하는지에 따라 '크로스-2', '크로스-3' 등으로 불린다. 예를 들어 32개나 36개 스포크 휠은 주로 크로스-2 또는 크로스-3 패턴으로 제작된다.
  • 접선형 레이싱에서 토크가 가해지면(예: 가속 시), 스포크의 절반(후미 스포크, trailing spokes)은 장력이 증가하여 림을 회전시키고, 나머지 절반(선두 스포크, leading spokes)은 장력이 감소한다. 제동 시에는 반대로 선두 스포크의 장력이 증가하고 후미 스포크의 장력이 감소한다. 이런 방식으로 스포크 장력 변화를 최소화하면서 양방향으로 토크를 효과적으로 전달할 수 있다.
  • 기타 패턴: '크로우즈 풋(Crow's Foot)'과 같이 방사형과 접선형을 혼합한 패턴 등 다양한 레이싱 방식이 존재하며, 주로 성능 향상이나 미적인 이유로 사용된다.

뒷바퀴 스포크뒷바퀴는 일반적으로 앞바퀴보다 더 많은 무게를 지탱하고 구동력을 전달해야 하므로 더 큰 스트레스를 받는다. 특히 여러 장의 스프라켓(기어)이 달린 뒷바퀴 허브는 구조적으로 비대칭일 수밖에 없어, 오른쪽(스프라켓 쪽) 스포크가 왼쪽 스포크보다 장력이 훨씬 더 높게(약 2배) 걸리는 경우가 많다. 이 때문에 뒷바퀴의 오른쪽 스포크가 피로 누적으로 인해 파손될 가능성이 더 높다.[14] 스포크 파손은 순간적인 과도한 힘보다는 반복적인 스트레스로 인한 피로 파괴가 주된 원인이다.[14]

3. 4. 니플 (Nipple)

니플


니플은 스포크를 림에 연결하는 작은 너트이다. 허브 플랜지에 연결된 스포크가 림에 조립되는 부분에 니플이 있으며, 스포크 렌치를 사용하여 니플을 회전시켜 스포크의 장력을 균등하게 조절할 수 있다.[27] 각 스포크의 한쪽 끝은 니플과 결합하기 위해 나사산이 나 있다.

니플은 일반적으로 스포크의 림 쪽에 위치한다. 하지만 일부 휠에서는 무게 중심을 휠의 축에 더 가깝게 이동시켜 관성 모멘트를 줄일 목적으로 허브 쪽에 니플을 두기도 한다.[27] 또한, 레이싱 휠에서는 약간의 공기역학적 이점을 얻기 위해 림 내부에 니플이 위치하기도 한다.[28]

니플에 사용되는 가장 흔한 재료는 '''황동'''과 '''알루미늄'''(종종 "합금"이라고 불림)이다. 황동 니플은 알루미늄보다 무겁지만 내구성이 더 뛰어나다. 반면 알루미늄 니플은 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 황동보다 내구성이 떨어지고 부식에 취약하다.

4. 종류

자전거 바퀴는 사용하는 자전거의 종류나 주행 목적에 따라 다양한 형태로 나뉜다. 크게 도로용, 산악용, BMX용 등으로 구분할 수 있으며, 각각의 용도에 맞게 크기, 소재, 구조 등에서 차이를 보인다.

4. 1. 도로/경기용 자전거 바퀴

도로 자전거 경주에서 바퀴 성능에 영향을 미치는 주요 요소는 다음과 같다.

최근 도로 자전거에는 공기역학적 성능을 높인 휠셋이 많이 사용된다. 알루미늄 림이 여전히 일반적이지만, 탄소 섬유 소재의 인기도 높아지고 있다. 탄소 섬유는 가벼워서 림뿐만 아니라 허브 쉘 제작에도 사용된다. 다만 허브는 바퀴의 회전 중심에 가까워, 허브 무게 감소가 림 무게 감소보다 회전 관성에 미치는 영향은 적다.

캄파놀로(Campagnolo)의 뒷바퀴. "G3" 삼중 스포크 래싱이 적용되었다. 오른쪽에는 18개의 접선 스포크가 있지만 왼쪽에는 9개의 방사형 스포크만 있다. 사진에는 10단 카세트도 보인다.


공기역학적 휠셋은 일반적으로 림의 높이, 즉 림 깊이(림의 가장 바깥쪽 표면과 가장 안쪽 표면 사이의 방사형 거리)가 깊은 것이 특징이다. 또한 스포크(바퀴살) 개수를 줄이거나, 스포크 없이 원판 형태로 만들기도 한다. 스포크는 공기 저항을 줄이기 위해 단면이 납작하거나 타원형인 '블레이드 스포크'를 사용하기도 한다.[1] 일부 스포크는 속이 빈 튜브 형태이기도 하다.

이러한 공기역학적 휠셋은 림과 스포크의 특수한 형태로 인해 전통적인 스포크 휠셋보다 무거워지는 경향이 있다. 스포크 수가 적으면 림이 스포크 사이의 넓은 간격을 지지해야 하므로 더 튼튼하게 만들어져 무게가 늘어날 수 있기 때문이다. 하지만 개선된 알루미늄 합금이나 탄소 섬유 같은 가벼운 소재를 사용하고, 스포크 수를 과거 고성능 휠의 절반 정도로 줄이면서도 비슷한 회전 관성과 더 가벼운 총 무게를 가진 휠셋들이 생산되고 있다.

클린처 타입의 탄소 섬유 휠셋 중에는 지프, 마빅(Mavic) 등 여러 제조사의 제품처럼 타이어를 고정하는 부분에 알루미늄 부품을 함께 사용하는 경우가 많다. 그러나 캄파놀로 하이페론 울트라 클린처(Campagnolo Hyperon Ultra Clincher), 비바 v8(Viva v8), 본트래거 카본 클린처(Bontrager's Carbon Clincher), DT Swiss RRC1250, 코리마(Corima) 위니움(Winium) 및 에어로(Aero), 라이트웨이트 스탠다드 C(Lightweight Standard C) 휠셋처럼 전체가 탄소 섬유로 만들어진 림도 점점 늘어나고 있다.

림은 바퀴의 가장 바깥쪽 부품으로, 안쪽 구멍에 스포크를 연결하고 바깥쪽에는 타이어를 장착한다. 소재는 주로 철이나 알루미늄이지만, 탄소 섬유 강화 플라스틱(카본, CFRP)이나 목재 등도 사용된다. 림의 형태는 크게 튜블러, 클린처, 튜블리스 세 가지로 나뉘며, 이에 따라 장착 가능한 타이어 종류가 결정된다.

  • '''튜블러''': 튜블러 타이어용 림. 타이어를 림 시멘트로 접착하여 고정한다.
  • '''클린처''': WO(와이어드 온), HE(후크드 에지), BE(비디드 에지) 타입이 있다. 가장 일반적인 방식이다.
  • '''튜블리스''': 튜블리스 타이어에 사용되는 림. 튜브 없이 타이어를 장착한다.


4. 2. 산악자전거 바퀴

산악 자전거 바퀴는 일반적으로 림의 대략적인 외부 직경과 약 5.08cm 이상의 넓은 타이어 폭으로 설명된다.

  • '''24인치''': 주니어 산악 자전거에서 가장 흔하게 사용되는 바퀴 크기이다. 일반적인 24인치 림의 지름은 507mm이고, 타이어를 포함한 외부 지름은 약 약 60.96cm이다.
  • '''26인치 (ISO 559)''': 2010년대 초반까지 새로운 산악 자전거에 가장 흔하게 사용되었던 바퀴 크기이다.[31] 이러한 전통은 초기 산악 자전거 개척자들이 당시 더 널리 쓰이던 유럽 표준 대신 미국산 자전거의 부품을 사용했기 때문에 시작되었다. 일반적인 26인치 림의 지름은 559mm이며, 타이어 외부 지름은 약 약 66.55cm이다. 현재는 점차 사용이 줄어드는 추세이다.
  • '''27.5인치 (ISO 584)''': 일부에서는 '650B'라고도 부른다.[37][38] 림 지름은 584mm이며, 넓고 돌기가 많은 타이어를 장착한다.[32][33][34][35][36] 26인치(ISO 559)와 29인치(ISO 622) 규격의 중간 지점에 해당하며, 26인치 바퀴보다 부드러운 승차감을 제공하고 29인치 바퀴보다 강성과 내구성이 더 뛰어나다는 장점을 결합했다.
  • '''29인치 (ISO 622)''': '29er'라고도 불리며, 널리 사용되는 700C(622mm 직경 클린처) 바퀴 규격과 같다. 사이클로크로스 자전거뿐만 아니라 크로스컨트리 산악 자전거에서도 인기를 얻고 있다. 림 지름은 622mm로 대부분의 로드, 하이브리드, 투어링 자전거 바퀴와 동일하지만, 오프로드 주행 시 내구성을 높이기 위해 일반적으로 더 튼튼하게 만들어진다. 평균적인 29인치 산악 자전거 타이어(ISO 59-622)의 외부 직경은 약 약 74.04cm이다.


29인치(왼쪽)와 26인치(오른쪽) 산악 자전거 바퀴 크기 비교

4. 3. 700C 도로 자전거 바퀴 (ISO 622)

700C 앞바퀴


여행용, 경기용, 사이클로크로스 자전거는 사용하는 목적에 따라 바퀴의 형태가 크게 다르다. 경기 자전거나 도로 자전거에 사용되는 바퀴는 가벼운 무게와 공기역학적 효율성을 중요하게 여기는 반면, 사이클로크로스용 바퀴는 튼튼함이 강조되고, 여행용 자전거 바퀴는 더 높은 내구성이 요구된다.

ISO 622 규격의 림 직경은 "29er" 자전거에 사용되는 림과 동일하며, 이 크기는 로드 자전거에서 가장 흔하게 사용된다. 일반적으로 "700C" 타이어라고 불리는 이 규격의 로드 바퀴는 튜블러 타이어 또는 클린처 타이어를 사용하도록 설계된다.

림은 바퀴의 가장 바깥쪽 부품으로, 안쪽에는 스포크를 고정하고 바깥쪽에는 타이어를 장착한다. 700C 로드 바퀴에 사용되는 림은 주로 장착하는 타이어 종류에 따라 구분된다.

  • 튜블러 림: 튜블러 타이어 전용 림으로, 타이어를 림 시멘트로 접착하여 고정한다.
  • 클린처 림: 가장 일반적인 형태로, 타이어 비드가 림의 가장자리에 걸리는 구조이다. WO(와이어드 온), HE(후크드 에지), BE(비디드 에지) 등으로 세분화된다.
  • 튜블리스 림: 튜블리스 타이어를 사용하기 위한 림으로, 타이어와 림이 밀착되어 공기 누출을 막는 구조이다.


4. 4. BMX 바퀴 (ISO 406)

보통 지름 20인치(테 지름 406 mm)를 가진 BMX 바퀴는 작은 편이다. 이는 젊거나 키가 작은 자전거 이용자에게 잘 맞으며, 점프나 스턴트 같은 기술을 구사할 때 발생하는 충격을 견딜 수 있도록 튼튼하게 만들어졌다. 또한, 바퀴의 회전 관성을 줄여 쉽게 가속할 수 있다는 장점이 있다.

BMX 허브에는 크게 카세트 허브와 프리코스터(플코) 허브 두 가지 종류가 있다.

  • 카세트 허브: 페달을 굴리지 않을 때 '타다다닥'하는 특유의 라쳇 소리가 나는 것이 특징이다. 하지만 자전거가 뒤로 움직일 때 페달도 함께 뒤로 돌아가는 단점이 있다.
  • 프리코스터(플코) 허브: 카세트 허브의 단점을 개선한 방식으로, 라쳇 소리가 나지 않는 대신 자전거가 뒤로 갈 때 페달을 굴리지 않아도 된다는 장점이 있다.
  • 하이브리드 허브: 일부 제조사(예: 위더피플)에서는 카세트 허브처럼 라쳇 소리를 내면서도 프리코스터 허브처럼 페달을 뒤로 돌리지 않아도 되는, 두 허브의 장점을 결합한 형태의 허브를 개발하기도 했다.

4. 5. 기타 특수 휠

일반 휠은 림과 스포크가 별도로 구성되지만, 타임 트라이얼 경기 등에서는 스포크의 공기 저항을 줄이기 위해 휠 전체가 일체 성형된 특수한 것을 사용하기도 한다. 이러한 특수 휠은 주로 고급 스포츠 사이클용으로 제작된다. 1990년대에는 OGK가 어린이용 소형 자전거 외에 시티 사이클용 26인치 플라스틱제 바톤 휠을 공급하기도 했으나, 금속제보다 경도가 낮고 타이어 탈착 시 림 손상 우려 등의 단점으로 널리 보급되지는 못했다.

; 디스크 휠

탄소 섬유 디스크 휠


스포크가 있어야 할 부분이 원반 형태로 막혀 있는 휠이다. 공기역학적 항력을 최소화하도록 설계되었다. 원반과 림이 CFRP로 일체 성형된 것이나, 일반적인 허브와 림에 금속 스포크 대신 케블라(아라미드 섬유) 등의 와이어를 사용하고 그 위에 플라스틱 원반 커버를 씌운 타입이 있다. 스포크 커버 형태는 기존 스포크 휠에 클립으로 부착하는 페어링일 수도 있다.

디스크 휠은 공기 저항을 상당히 줄일 수 있지만, 원반 때문에 바람이 빠져나가지 못해 측풍의 영향을 강하게 받는다. 또한 일반적으로 기존 스포크 휠보다 무겁다. 이러한 이유로 국제 사이클 연맹(UCI)은 디스크 휠 사용을 금지하거나 자전거 뒷바퀴에만 사용을 제한하는 경우가 많다. 반면, 국제 트라이애슬론 연맹(ITU)은 규제가 덜 엄격하여 1980년대 트라이애슬론에서 디스크 휠 사용이 확산되는 계기가 되었다. 스포크 커버 형태는 비구조적 페어링으로 간주되어 UCI 규정상 허용되지 않을 수 있지만, ITU 규정에서는 허용된다. 주로 실내 경기에 사용되며, 실외 경기에서는 측풍의 영향을 고려하여 뒷바퀴에만 사용되는 경우가 많다.

한편, 디스크 브레이크가 장착 가능한 일반 휠을 '디스크 휠'이라고 부르는 것은 잘못된 용어 사용이다.

; 바톤 휠

CFRP 등 비금속 재질로 만들어진 3개에서 6개 정도의 굵은 스포크를 가진 휠이다. 스포크와 림이 융합되어 있어 스포크 장력을 유지할 필요가 없다. 디스크 휠에 비해 측풍의 영향을 덜 받는다는 장점이 있다. 무게를 줄이고 측풍 성능을 개선하기 위한 타협안으로, 림에 통합된 소수의 인장-압축 스포크를 가진 형태도 있으며 이 역시 주로 탄소 섬유로 제작된다.

5. 기술적 특징

자전거 바퀴는 다양한 기술적 특징을 가지며, 이는 자전거의 전반적인 성능과 주행 특성에 중요한 영향을 미친다. 주요 기술적 특징으로는 바퀴의 가속 성능과 관련된 회전 관성, 바퀴의 구조적 대칭성과 관련된 디싱, 그리고 핸들링 및 힘 전달 효율성과 관련된 강성 등이 있다. 이러한 요소들은 바퀴의 소재, 구조, 스포크 패턴 등 다양한 설계 변수에 의해 결정된다.

5. 1. 회전 질량 (Rotating mass)

자전거 바퀴는 자전거가 움직일 때 회전하면서 동시에 직선으로 이동하기 때문에, 바퀴 질량은 같은 질량의 프레임보다 가속시키는 데 더 큰 힘이 필요하다. 바퀴 설계에서 회전 관성을 줄이면 반응성이 좋고 더 빠르게 가속하는 바퀴를 만들 수 있다는 이점이 있다.

회전 관성을 줄이기 위해 바퀴 설계에서는 다음과 같은 방법을 사용한다.

  • 더 가벼운 림 소재 사용
  • 스포크 니플을 허브 쪽으로 옮기기
  • 알루미늄과 같이 더 가벼운 소재의 니플 사용


하지만 회전 관성은 가속이나 감속, 제동 시에만 주로 영향을 미치는 요소이다. 일정한 속도로 주행할 때는 공기역학이 더 중요한 요소가 되며, 오르막길을 오를 때는 자전거 전체의 총 질량이 중요하다. 더 자세한 내용은 자전거 성능 문서에서 확인할 수 있다.

5. 2. 디싱 (Dish)

현대식 텐션 스포크 자전거 바퀴의 허브 플랜지는 일반적으로 스포크가 림에 부착되는 지점보다 더 넓게 간격을 둔다. 단면에서 보면 스포크와 허브는 삼각형 구조를 이루어 수직 및 측면 강성을 확보한다. 3차원에서 스포크 배열은 양쪽으로 원뿔 모양을 형성하는데, 이를 "디시(Dish)"라고 부른다. 허브 플랜지 사이의 간격이 넓을수록 디시가 깊어지며, 이는 바퀴의 측면 강성을 높이는 효과를 가져온다. 반대로 스포크가 수직에 가까워 디시가 얕아지면 측면 강성은 약해진다.

모든 바퀴의 양쪽 디시가 동일하지는 않다. 특히 뒷바퀴의 경우, 코그셋(프리휠 또는 카세트)이나 디스크 브레이크 로터가 허브 공간의 일부를 차지하기 때문에 허브 플랜지가 자전거 중심선에 대해 비대칭적으로 위치하게 된다. 림은 바퀴 중앙에 위치해야 하지만, 플랜지의 비대칭성 때문에 좌우 스포크의 각도와 장력에 차이가 발생한다. 이렇게 비대칭적인 구조를 가진 바퀴를 "디시드(Dished)" 휠이라고 한다. 일반적으로 디시가 얕은 쪽(주로 구동계가 있는 오른쪽)의 스포크는 반대편보다 약간 짧지만 훨씬 높은 장력으로 조립된다. 이러한 비대칭성을 줄이기 위해 허브 플랜지 위치를 조정한 디자인, 림의 스포크 구멍을 중심에서 벗어나게 배치하는 방식, 스포크를 허브 플랜지에 연결하는 방식을 변경하는 등 다양한 기술이 적용된다.[51]

바퀴를 조립하거나 정비할 때 휠 정렬 스탠드나 디싱 게이지(Dishing Gauge)를 사용하여 허브 액슬을 기준으로 림이 정확히 중앙에 위치하는지 측정하고 조정한다. 이처럼 림을 중앙에 맞추는 작업을 "디싱"이라고 부르기도 하며, 이는 대칭적인 구조의 앞바퀴에도 해당된다.[52]

5. 3. 강성 (Stiffness)

자전거 바퀴의 강성은 크게 방사형, 측면, 비틀림의 세 가지 방향으로 측정할 수 있다.

  • 방사형 강성은 바퀴가 지면의 충격을 얼마나 잘 흡수하는지와 관련이 있다.
  • 측면 강성은 특히 앞바퀴의 경우, 자전거의 핸들링 성능에 영향을 준다.
  • 비틀림 강성(또는 접선 강성)은 허브나 디스크 브레이크처럼 허브에 힘이 가해질 때, 바퀴가 추진력과 제동력을 얼마나 효과적으로 전달하는지를 나타낸다.


이러한 강성은 여러 요인에 의해 다양한 정도로 영향을 받는다. 주요 요인으로는 바퀴의 반지름, 림의 굽힘 및 비틀림 강성, 스포크의 수, 굵기(게이지), 엮는 방식(패턴), 허브의 강성, 허브 플랜지 간격, 허브 반지름 등이 있다.[53] 일반적으로 스포크가 교차하는 횟수가 많아질수록 측면 및 방사형 강성은 감소하고, 비틀림 강성은 증가하는 경향이 있다. 반면, 스포크의 장력 자체는 이러한 강성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다.[54]

하지만 스포크 장력이 너무 과도하면 좌굴 현상으로 인해 바퀴가 갑자기 파손될 수 있는 위험이 있다.[55] 바퀴의 측면 강성, 특히 좌굴에 대한 저항력을 높이는 가장 중요한 요소는 스포크와 바퀴 중심면(중간면)이 이루는 각도이다. 따라서 허브의 폭을 넓히는 것처럼 이 각도를 크게 만드는 모든 변화는 좌굴에 대한 저항력을 증가시킨다.[56]

6. 정비

자전거 바퀴를 정비하고 정렬하는 과정은 바퀴의 성능과 수명을 유지하는 데 중요하다. 주요 정비 요소는 휠 정렬, 스포크 장력 조절, 스포크 꼬임 관리이다.

휠 정렬은 바퀴 기하학의 세 가지 측면을 조정하는 작업이다.


  • 좌우 정렬: 림이 중심에서 좌우로 벗어나는 국소적인 편차를 바로잡는 것이다.
  • 수직 정렬: 림과 허브 중심 사이의 거리, 즉 반지름의 국소적인 편차(흔히 '홉'이라고 불림)를 조정하는 것이다.
  • 디싱: 차축 양 끝의 록 너트 사이에서 림의 평면이 좌우로 정확히 중심에 오도록 맞추는 것이다. 이 평면은 좌우 정렬 편차들의 평균값으로 결정된다.[25]


대부분의 림 브레이크 자전거 앞바퀴는 디싱이 대칭적이다. 하지만 뒷바퀴는 뒤쪽 스프라켓(기어 뭉치)을 장착할 공간이 필요하기 때문에 비대칭적인 경우가 많다. 즉, 구동계가 없는 쪽(논드라이브 사이드)이 더 깊은 각도로 디싱된다.

스포크의 전체 장력은 바퀴의 피로 내구성, 강성, 충격 흡수 능력에 큰 영향을 미친다.

  • 장력이 너무 낮으면 거친 지형에서 충격을 받을 때 림이 쉽게 변형될 수 있다.
  • 장력이 너무 높으면 림 자체가 변형되어 정렬이 어려워지고 스포크의 수명이 단축될 수 있다.


스포크 장력은 스포크 텐시오미터라는 도구를 사용하여 측정할 수 있다. 또한, 스포크를 튕겨서 나는 소리의 높낮이(가청 톤)를 통해 장력을 대략적으로 추정하기도 한다. 최적의 장력은 스포크의 길이와 굵기(게이지)에 따라 다르며, 각 스포크 길이에 맞는 장력 값이나 해당 음높이를 나타내는 표를 참고할 수 있다. 하지만 실제로는 바퀴를 구성하는 부품들의 미세한 차이 때문에 완벽하게 정렬된 바퀴라도 모든 스포크의 장력이 완전히 균일하지는 않다.

스포크 꼬임은 니플을 돌릴 때 스포크 자체가 비틀리는 현상이다. 니플을 돌리면 처음에는 스포크가 함께 돌아가다가, 나사산의 마찰력을 이길 만큼 비틀림 응력이 쌓이면 니플만 돌아가게 된다. 이 꼬임 현상은 납작하거나 타원형인 블레이드 스포크에서 눈으로 확인하기 쉽지만, 일반적인 둥근 스포크에서도 발생한다.

스포크에 비틀림 응력이 남은 상태로 자전거를 타면, 이 응력이 풀리면서 휠의 정렬이 틀어질 수 있다. 따라서 스포크 꼬임을 최소화하는 것이 중요하다. 블레이드 스포크나 타원형 스포크는 니플을 돌릴 때 전용 도구로 스포크를 잡아주어 꼬임을 방지할 수 있다. 둥근 스포크의 경우, 니플을 목표 지점보다 약 1/4 바퀴 더 돌렸다가 다시 반대 방향으로 1/4 바퀴 되돌리는 방식으로 꼬임을 줄이는 것이 일반적이다.[26]

휠 정렬은 위에서 언급한 좌우 정렬, 수직 정렬, 디싱, 스포크 장력 등의 요소들을 서로 점진적으로 균형 맞춰나가는 과정이다. 일반적으로 휠에서 가장 정렬 상태가 좋지 않은 부분을 먼저 찾아 조금씩 수정하고, 다음으로 상태가 나쁜 부분으로 넘어가는 방식으로 진행한다.

휠 정렬 작업에는 보통 정렬 스탠드라는 전용 기구를 사용한다. 정렬 스탠드는 휠을 안정적으로 고정하고 정밀하게 측정하며 작업할 수 있게 해준다. 자전거에 휠을 장착한 상태에서도 브레이크 패드 등을 기준으로 삼아 정렬을 시도할 수 있지만, 정밀도는 정렬 스탠드를 사용하는 것보다 떨어진다.

참조

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