자전거 프레임
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1. 개요
자전거 프레임은 자전거의 기본 구조를 이루는 핵심 부품으로, 다양한 종류와 재료, 기하 구조를 가진다. 다이아몬드 프레임은 가장 보편적인 형태로, 뛰어난 강성과 효율성을 제공하며, 스텝스루, 리컴번트, 접이식, 외팔보 등 다양한 형태의 프레임이 존재한다. 프레임은 강철, 알루미늄 합금, 티타늄, 탄소 섬유 등 다양한 재료로 제작되며, 각 재료는 무게, 강성, 내구성 등에서 서로 다른 장단점을 가진다. 프레임의 기하 구조는 튜브의 길이와 각도로 결정되며, 탑 튜브 길이, 시트 튜브 길이, 헤드 각도, 휠베이스 등 여러 요소가 자전거의 성능과 승차감에 영향을 미친다.
자전거 '''프레임 기하구조'''(frame geometry영어)는 각 프레임 튜브의 길이와 각도로 결정되며, 이는 자전거의 주행 특성과 라이더의 착용감에 직접적인 영향을 미친다. 주요 기하구조 요소로는 안장 높이, 도달 거리(리치), 스택, 각종 튜브의 길이와 각도 등이 있다. 프레임 구조가 결정되면 안장이나 발판, 손잡이 등으로 상대적 위치를 미세하게 조정할 수 있다.
2. 종류
가장 보편적으로 사용되는 다이아몬드 프레임 외에도,[1] 자전거의 용도나 디자인 목표에 따라 다양한 형태의 프레임이 개발되었으며, 여러 종류가 오늘날에도 널리 사용되고 있다.
주요 프레임 종류는 다음과 같다.
이 외에도 다양한 특수 목적이나 디자인을 가진 프레임들이 존재한다.
이 외에도 기존 프레임의 다양한 변형이나 특정 목적을 위한 프레임들이 개발되었다. 예를 들어, 산악 자전거의 서스펜션 적용이나 이동 편의를 위한 프레임 분리 기능 등이 있다.
2. 1. 다이아몬드 형
가장 일반적인 자전거 뼈대 형태로, 안전형 자전거의 등장 이후 여러 시행착오를 거쳐 현재까지 가장 보편적으로 사용되는 디자인이다.[1] 두 개의 삼각형(앞 삼각, 뒤 삼각)이 맞닿아 마름모(다이아몬드) 형태를 이루며, 삼각형을 기본으로 하는 트러스 구조와 유사하여 강성이 뛰어나고 힘 전달 효율이 좋다. 또한, 일반적인 강관을 조합하여 비교적 쉽게 제작할 수 있어 생산성이 높고, 라이더의 체격에 맞춘 다양한 크기 조절 및 주문 제작이 용이하다는 장점이 있다.
다이아몬드 프레임은 로드 바이크, 산악 자전거, 하이브리드 자전거 등 다양한 종류의 자전거에 널리 쓰인다. 한국에서도 전문가용 경기용 자전거는 물론 일상생활용 자전거에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다. 다만, 탑 튜브가 수평 또는 약간 기울어져 있어 자전거를 탈 때 다리를 높이 들어 안장 뒤로 넘겨야 하므로, 치마를 입은 상태에서는 승하차가 다소 불편할 수 있다. 이 때문에 현대 일본의 많은 경쾌차는 남녀 공용 디자인으로 다이아몬드형이 아닌, 탑 튜브를 낮추거나 없애 승하차 편의성을 높인 스텝 스루 프레임(step-through frame) 형태가 주로 사용된다. 스텝 스루 프레임은 다이아몬드 프레임의 파생형으로 볼 수 있다.
국제 사이클 연맹(UCI) 규정에 따라 공식 로드 레이스에서는 다이아몬드 프레임 형태의 자전거만 사용할 수 있다. 과거 타임 트라이얼 경기나 트랙 경기에서 공기 저항을 줄이기 위해 다이아몬드 형태가 아닌 특수한 프레임이 사용되기도 했으나, 현재는 UCI 규정으로 인해 사용이 제한된다. 다만 UCI 규정의 영향을 받지 않는 트라이애슬론 등에서는 공기역학적 성능을 극대화한 다양한 형태의 프레임이 사용되기도 한다.
최근에는 산악 자전거 분야에서 서스펜션 기술이 발달하면서, 충격 흡수를 위해 뒤 삼각 구조가 변형된 풀 서스펜션 프레임이 많이 사용되고 있다. 로드 바이크 분야에서도 탄소 섬유와 같은 신소재가 도입되면서 다양한 형태의 프레임 디자인이 시도되고 있다. 다이아몬드 프레임의 기본적인 구조는 유지하되, 소재와 세부 디자인의 변화를 통해 성능을 향상시키려는 노력이 계속되고 있다.
2. 1. 1. 구조
자전거에서 가장 흔하게 사용되는 다이아몬드 프레임은 크게 앞 삼각(main triangle)과 뒤 삼각(rear triangle) 두 부분으로 나눌 수 있다. 이름과 달리 앞 삼각은 실제로는 헤드 튜브, 탑 튜브, 다운 튜브, 시트 튜브의 네 부분으로 이루어져 있다. 뒤 삼각은 시트 튜브와 한 쌍의 시트 스테이, 체인 스테이로 구성된다.
앞 삼각
뒤 삼각
'''바텀 브라켓 쉘''' (Bottom bracket shell): 다운 튜브, 시트 튜브, 체인 스테이가 만나는 지점에 위치하는 짧고 굵은 튜브이다. 크랭크축이 회전하는 바텀 브라켓을 내부에 고정하는 역할을 한다. 다양한 규격(나사산 유무, 쉘 너비 등)이 존재한다.[29]
2. 2. 스텝스루 형
스텝스루 프레임(step-through frame영어) 또는 로스텝 프레임(low-step frame영어)은 다이아몬드 프레임과 달리 탑 튜브(윗대)가 없거나 매우 낮게 위치한 형태의 자전거 프레임이다. 이 구조 덕분에 자전거를 타고 내릴 때 다리를 높이 들어 올릴 필요가 없어 편리하다.
역사적으로는 치마나 드레스를 입은 여성들이 쉽게 자전거를 이용할 수 있도록 고안되었다.[4] 탑 튜브가 없어 구조적으로 약해질 수 있는 부분을 보강하기 위해 다운 튜브(아랫대)를 더 굵게 만드는 경우가 많다.
타고 내리기 쉽다는 장점 때문에 오늘날에는 남녀 공용의 생활용 자전거로 널리 사용되며, 특히 여성이나 노약자가 이용하기 편리한 형태로 제작된다. 이러한 형태는 오픈 프레임(open frame영어)이라고도 불린다.[4] 해외에서는 탑 튜브의 위치를 낮춘 스태거드형(staggered frame) 등을 포함하여 넓은 의미로 스텝스루 프레임이라고 부르기도 한다. 믹스테 프레임 역시 스텝스루 프레임과 유사하게 타고 내리기 편하게 디자인된 형태 중 하나이다.
2. 3. 리컴번트
리컴번트 자전거는 일반적인 다이아몬드 프레임 자전거와 달리 라이더가 누운 자세에 가깝게 탑승하는 형태이다. 페달이 라이더의 앞쪽에 위치하여 발이 아래로 향하지 않으며, 허리를 날카롭게 굽히지 않아도 된다. 이러한 구조는 라이더 주변의 공기 흐름을 개선하여 공기 저항을 줄이는 데 유리하다.[1]
역사적으로 리컴번트 자전거는 뛰어난 공기역학적 성능 때문에 주목받았으나, 1934년 프랑스에서는 기존 다이아몬드 프레임 자전거의 경쟁력을 보호하기 위해 UCI 주관 자전거 경주에서 사용이 금지되었다.[6] 이 결정 이후 리컴번트 자전거의 생산과 개발은 약 50년간 침체기를 겪었지만, 2000년대 들어 다양한 제조업체에서 여러 모델을 선보이며 다시 활기를 띠기 시작했다.
현재 UCI 규정상 로드 레이스에서는 "다이아몬드 프레임일 것", "앞뒤 바퀴의 크기가 같을 것" 등의 장비 규정 때문에 리컴번트 자전거를 사용할 수 없다. 과거에는 로드 레이스의 타임 트라이얼 경기에서 사용되기도 했으나, 지금은 금지되었다. 다만, UCI의 규제를 받지 않는 트라이애슬론과 같은 종목에서는 여전히 리컴번트를 포함한 비(非) 다이아몬드 프레임 자전거가 사용되기도 한다.
2. 4. 접이식
접이식 자전거 프레임은 운송 또는 보관을 위해 접어서 작게 만들 수 있는 특징을 가지고 있다.[1] 스트라이다나 미니벨로, 브롬톤 등이 대표적인 예시이다. 이러한 자전거는 휴대와 보관이 편리하여 대중교통 연계나 좁은 공간에서의 보관에 유리하다.
2. 5. 기타
보편적인 다이아몬드 프레임 외에도,[1] 자전거를 위해 다양한 다른 프레임 유형이 개발되었으며, 그중 여러 유형이 오늘날에도 사용되고 있다.
다이아몬드 프레임 디자인에도 여러 변형이 존재한다.
페데르센형 프레임은 현수교와 유사한 역학적 구조에 기반한 독특한 형태이다. 개발자인 미카엘 페데르센의 사업 실패와 다이아몬드형에 비해 제작 공정이 복잡하고 가격이 비싸 한때 잊혔으나, 특유의 디자인 덕분에 다시 소수 생산되고 있다.
일본에서는 일본공업규격 JIS D 9401(자전거 - 프레임)에 따라 프레임을 분류하기도 한다. 방범 등록 등 식별 목적이나 제조사, 판매점 분류에 따라 약간의 차이가 있을 수 있다. 주요 형태는 다음과 같다.
제조 과정이나 개조를 통해 커플러를 추가하여 프레임을 더 작은 조각으로 분해할 수도 있다. 이는 포장 및 이동을 용이하게 한다.
3. 기하구조
주요 기하구조 요소는 다음과 같다:[30][31][32][33][34][35][36][37][38]
프레임 크기는 보통 시트 튜브 길이를 기준으로 표시하며, 인치나 센티미터(cm) 단위를 사용한다. 일반적인 중간 크기는 유럽 남성용 로드 자전거의 경우 54 또는 56 cm (약 21.2 또는 22 인치), 남성용 산악 자전거의 경우 46 cm (약 18.5 인치) 정도이다.[39] 제조사에 따라 측정 기준(C-C 또는 C-T)이 다를 수 있으므로 확인이 필요하다. 최근에는 탑 튜브가 기울어진 '''슬로핑''' 또는 '''컴팩트''' 디자인이 많아, 단순히 시트 튜브 길이만으로는 정확한 크기를 가늠하기 어려울 수 있어 탑 튜브 길이나 스택, 리치 등을 함께 고려하는 것이 좋다.
한국인은 평균적으로 다리 길이에 비해 상체가 긴 편으로 알려져 있어[77], 시트 튜브 길이뿐만 아니라 탑 튜브 수평 길이(리치)가 몸에 잘 맞는 자전거를 선택하는 것이 편안한 라이딩 자세를 위해 중요할 수 있다.
자전거의 용도에 따라 프레임 기하구조는 달라진다. 예를 들어, 경주용 로드 자전거는 공기 저항을 줄이고 힘 전달 효율을 높이기 위해 핸들바가 안장보다 낮고 멀리 위치하는 공격적인 자세를 유도하는 가파른 각도와 짧은 휠베이스를 가지는 경향이 있다. 반면, 여행용 자전거는 안정성과 편안함을 중시하여 휠베이스가 길고 각도가 더 누워 있으며[78], 생활 자전거나 로드스터는 타고 내리기 쉽고 편안한 직립 자세를 위해 핸들바가 높고 각도가 완만하게 설계된다. 산악 자전거는 험지 주행 능력과 안정성을 위해 더 누운 헤드 각도와 긴 휠베이스, 높은 BB 높이를 가지는 경우가 많으며, 서스펜션 유무(풀 서스펜션 또는 하드테일)에 따라서도 지오메트리가 달라진다. 트라이애슬론이나 타임 트라이얼 자전거는 극단적인 공기역학적 자세를 위해 시트 각도가 매우 가파르고 핸들바가 낮은 독특한 지오메트리를 가진다. 트랙 자전거는 벨로드롬에서의 주행에 특화되어 BB 높이가 높으며 (일반적으로 50mm ~ 60mm 드롭), 휠베이스가 짧고, 체인 장력 조절을 위한 수평 드롭아웃(후방 포크 엔드)을 가진다.[40][41] 뒷 허브 간격은 로드 프레임의 130mm 이상이 아닌 120mm이다.
4. 재료
자전거 프레임에 사용되는 재료는 자전거의 무게, 강성, 승차감, 가격 등 전반적인 성능과 특성에 큰 영향을 미친다. 초기 자전거 뼈대는 주로 쇠로 만들어졌으나, 기술 발전에 따라 가볍고 성능이 우수한 다양한 소재들이 개발되어 사용되고 있다. 근래에는 가벼운 알루미늄 합금이 널리 쓰이며, 전문가용이나 고급 자전거에는 탄소 섬유나 티타늄 같은 첨단 소재도 사용된다. 심지어 대나무나 골판지와 같은 독특한 재료로 프레임을 만들기도 한다.
자전거 프레임 재료는 다음과 같은 조건을 만족하는 것이 좋다.
- 힘을 효과적으로 전달하기 위한 높은 강성과 인장강도
- 외부 충격이나 반복적인 하중에도 균열이나 변형 없이 견딜 수 있는 연성
- 자전거의 전체 무게를 줄여 주행 성능을 향상시키는 가벼운 무게
- 거친 주행 환경에서도 쉽게 부러지지 않는 높은 피로 한계
프레임 재료를 선택하고 설계할 때는 다음과 같은 재료의 고유한 특성들을 고려한다.
- '''밀도'''(비중): 단위 부피당 재료의 무게를 나타내며, 프레임의 경량화와 직접적인 관련이 있다.
- '''강성'''(탄성 계수): 재료가 외부 힘에 대해 변형되지 않으려는 성질이다. 이론적으로는 승차감과 동력 전달 효율에 영향을 줄 수 있지만, 실제 자전거에서는 프레임 자체의 강성보다는 타이어, 안장, 프레임 지오메트리, 자전거 피팅 등이 승차감에 더 큰 영향을 미친다. 다만, 프레임의 측면 강성이 부족하면 페달링 시 힘 손실이 발생하거나 변속 및 제동 성능에 문제가 생길 수 있다.
- '''항복 강도''': 재료가 영구적인 변형 없이 견딜 수 있는 최대 응력을 의미하며, 충돌 시 프레임의 내구성과 관련된다.
- '''연신율''': 재료가 파괴되기 전까지 늘어날 수 있는 정도를 나타내며, 충돌 시 프레임이 갑자기 부서지지 않고 변형되는 능력과 관련된다.
- '''피로 한계''' 및 '''내구 한계''': 페달링이나 노면 충격과 같이 반복적인 하중을 받았을 때 재료가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 능력을 의미하며, 프레임의 수명과 내구성에 중요하다.
프레임의 성능은 단순히 재료의 특성만으로 결정되지 않는다. 튜브 가공 기술(버티드 튜빙 등)이나 프레임 구조 설계(자전거 지오메트리)를 통해 재료의 단점을 보완하고 장점을 극대화할 수 있다.
4. 1. 철재
철재 프레임은 흔히 스틸 프레임이라고도 부른다. 강철을 주재료로 사용하며, 크로몰리나 몰리브덴 강 합금 등 다양한 종류의 강철 합금으로 제작된다.
철재는 강도가 높고 내구성이 뛰어나며, 가공하기 쉽고 가격이 비교적 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 다른 재료에 비해 밀도가 높아 무게가 더 많이 나가는 단점이 있으며, 녹이 슬기 쉬워 관리가 필요하다. (물론, 도색이나 방청제 처리를 통해 녹 발생을 효과적으로 막을 수 있다.)[42] 또한, 철재는 진동을 잘 흡수하는 특성(진동 감쇠)이 있어, 프레임의 다른 부분이 다른 재료로 만들어진 경우에도 포크에는 철재를 사용하는 경우가 많다.[23]
프레임 제작 방식은 크게 러그 방식과 용접 방식으로 나뉜다.
- 러그 방식: 과거에는 주로 '''러그'''(lug)라는 연결 부품을 사용하여 강철 튜브를 이어 붙이는 방식으로 프레임을 만들었다. 러그는 튜브 끝을 감싸는 형태로, 여기에 튜브를 끼우고 납땜(주로 은납땜)하여 고정했다. 당시에는 고온 용접보다 낮은 온도에서 작업하는 납땜 방식이 튜브의 강도 저하를 막을 수 있어 가벼운 튜브를 사용하는 데 유리했다. 최근에는 야금학의 발달로 고온 용접에도 강도가 유지되거나 오히려 향상되는 공기 경화 강철 같은 소재가 개발되면서, TIG나 MIG 용접 방식이 고급 자전거 일부를 제외하고는 러그 방식을 대체하게 되었다. 더 비싼 러그 프레임은 장인이 직접 러그를 섬세하게 다듬어 미관을 살리고 무게를 줄이기도 한다. 러그 방식 프레임은 구조가 단순하여 수리가 용이하고, 녹이 슬었을 때 해당 튜브만 교체하기 쉽다는 장점이 있다.[42] [43]
- 필렛 브레이징: 러그 없이 튜브를 직접 연결하는 또 다른 방식이다. 튜브 끝을 정밀하게 맞춰 자른 뒤[44][45], 그 접합부에 황동을 녹여 덧대는 방식으로, 용접 방식보다 더 부드럽고 매끈한 외관을 만들 수 있지만 제작 과정이 복잡하여 대량 생산에는 잘 쓰이지 않는다.
- 용접 방식: 오늘날 더 보편적인 방식은 TIG 용접이다. 이 방식은 러그 없이 튜브를 직접 용접하여 연결하므로 제작 비용을 낮출 수 있다. 용접 시에는 틀(지그)에 튜브를 정확히 맞춰 고정한 후 작업한다.
프레임 무게를 줄이기 위해 버티드 튜빙(butted tubing) 기술이 사용되기도 한다. 이는 튜브의 양 끝부분(강도가 중요한 부분)은 두껍게, 중앙 부분(무게를 줄일 수 있는 부분)은 얇게 가공하는 기술이다. 버티드 튜빙을 사용하면 무게는 줄지만 제작 비용은 증가한다.
저렴한 철재 자전거 프레임은 자동차 또는 기타 일반 품목을 제조하는 데 사용될 수 있는 탄소강(연강)으로 만들어진다. 그러나 더 고품질의 자전거 프레임은 고강도 강철 합금(일반적으로 크롬-몰리브덴, 또는 "크로몰리" 강철 합금)으로 만들어지며 매우 얇은 벽 게이지의 경량 튜빙으로 만들 수 있다. 가장 성공적인 이전 강철 중 하나는 레이놀즈 "531"이었으며, 이는 망간-몰리브덴 합금강이었다. 현재 더 일반적인 것은 4130 크로몰리 또는 유사한 합금이다. 레이놀즈와 콜럼버스는 자전거 튜빙의 가장 유명한 제조업체 중 두 곳이다. 몇몇 중간 품질의 자전거는 이러한 강철 합금을 프레임 튜브의 일부에만 사용했다. 그 예는 슈윈 ''르 투어''(적어도 특정 모델)로, 상단 및 하단 튜브에는 크로몰리 강철을 사용했지만 프레임의 나머지 부분에는 저품질 강철을 사용했다.
고품질 강철 프레임은 일반적으로 일반 강철 프레임보다 가볍다. 다른 모든 조건이 동일하다면 이러한 무게 감소는 자전거의 가속 및 등반 성능을 향상시킬 수 있다.
튜빙 라벨이 분실된 경우 고품질(크로몰리 또는 망간 합금) 강철 프레임은 손톱으로 날카롭게 톡톡 쳐서 알아볼 수 있다. 고품질 프레임은 일반 품질 강철 프레임이 둔탁한 소리를 내는 반면 종 모양의 링 소리를 낸다. 또한 무게(프레임 및 포크의 경우 약 2.5kg)와 사용된 러그 및 포크 엔드의 유형으로 식별할 수 있다.
4. 2. 알루미늄 합금
알루미늄은 철재에 비해 가볍지만 초기에는 부러지기 쉬운 단점이 있었다. 그러나 1970년대 이후 효율적인 합금 기술과 용접 기술이 개발되면서 자전거 프레임 재료로 널리 사용되기 시작했다. 알루미늄 합금은 재료역학적으로 강철 합금에 비해 밀도와 강도는 낮지만, 더 우수한 강도 대 중량비를 가지고 있어 강철보다 훨씬 가벼운 프레임을 만들 수 있다는 장점이 있다.
초기 알루미늄 프레임은 합금 기술이나 용접 기술이 부족하여 피로 파괴에 취약하다는 문제가 있었다. 이는 명확한 피로 한계를 가지며 용접이나 브레이징이 더 쉬운 일부 강철 및 티타늄 합금과는 대조적인 특성이었다. 하지만 시간이 지나면서 숙련된 용접 기술자 확보, 자동화 공정 도입, 현대적인 알루미늄 합금 개발 등이 이루어지면서 이러한 단점들은 상당 부분 개선되었다. 결과적으로 알루미늄은 매력적인 강도 대 중량비와 기계적 특성 덕분에 오늘날 가장 선호되는 프레임 재료 중 하나로 자리 잡았다.
자전거 프레임 제작에는 주로 6061 알루미늄과 7005 알루미늄 합금이 사용된다. 현재 가장 널리 쓰이는 제작 방식은 알루미늄 합금 튜브를 텅스텐 불활성 가스 용접으로 연결하는 것이다. 이러한 용접 방식은 1970년대에 경제성이 확보되면서 용접된 알루미늄 프레임이 시장에 본격적으로 등장하기 시작했다.
알루미늄은 강철과 비교했을 때 튜브 직경 대비 최적의 벽 두께가 다르다. 알루미늄은 직경 대 벽 두께 비율이 약 200:1일 때 가장 강하지만, 이 경우 벽이 너무 얇아져 외부 충격에 취약해진다. 따라서 실제 알루미늄 자전거 튜빙은 강도와 내구성 사이에서 타협하여, 직경이 큰 '''오버사이즈''' 튜빙을 사용하는 경우가 많다. 이는 최고의 효율성은 아니지만, 적절한 공기역학적 성능과 충격 저항성을 제공한다. 이러한 구조적 특징 때문에 알루미늄 프레임은 강철 프레임보다 더 뻣뻣하게(강성이 높게) 만들어진다.
많은 라이더들은 알루미늄 프레임이 더 뻣뻣하게 설계되었기 때문에 강철 프레임이 더 부드러운 승차감을 제공한다고 주장하기도 하지만, 이러한 주장은 논란의 여지가 있다. 자전거 프레임 자체는 삼각형 구조로 인해 수직 방향으로는 매우 뻣뻣하기 때문이다. 오히려 알루미늄 프레임의 높은 측면 및 비틀림 강성은 특정 상황에서 가속력과 핸들링 성능을 향상시키는 장점이 될 수 있다.[46]
일반적으로 알루미늄 프레임은 강철 프레임보다 가볍다고 알려져 있지만, 항상 그런 것은 아니다. 저품질 알루미늄 프레임은 고품질 강철 프레임보다 무거울 수도 있다. 무게를 줄이기 위해 일부 제조업체에서는 튜브 중간 부분은 얇게, 양 끝단은 두껍게 가공하는 버티드(butted) 알루미늄 튜브를 사용하기도 한다. 또한 강성 향상, 공기역학적 이점, 또는 디자인 차별화를 위해 원형이 아닌 다양한 단면 모양의 튜브가 사용되기도 한다.
4. 3. 티타늄
티타늄은 가격은 비싸지만, 잘 녹슬지 않고 무게 대비 강성이 높아 튜브 지름을 작게 만들 수 있다. 자전거 프레임에 사용되는 비교적 특수한 소재로, 높은 비강도, 높은 피로 한계, 뛰어난 내식성 등 많은 장점을 가지고 있다.[47] 탄소 섬유만큼 가볍지는 않지만, 티타늄은 더 편안한 승차감을 제공할 수 있어 성능보다 편안함을 중요하게 생각하는 자전거 이용자들에게 인기가 있다.[48][49] 하지만 티타늄은 재료 비용이 높고 강철이나 알루미늄보다 가공하기 어려워, 강철, 알루미늄, 탄소 섬유 프레임에 비해 가격이 비싸다.[48][49]
티타늄 프레임은 주로 항공우주 공학 산업을 위해 개발된 티타늄 합금과 튜브를 사용한다. 티타늄 자전거 프레임에 가장 흔하게 사용되는 합금은 3AL-2.5V(알루미늄 3.5%, 바나듐 2.5%)이며, 6AL-4V(알루미늄 6%, 바나듐 4%)도 사용된다. 일부 제조사는 자전거용으로 특별히 설계된 다른 합금을 시험하기도 한다.[47][49] 튜브는 냉간 인발이나 수압 성형을 통해 다양한 모양으로 만들 수 있으며, 내부 케이블링도 가능하다.[50] 용접은 일반적으로 용접 부위의 산화를 막기 위해 차폐 가스 환경에서 이루어진다.[48][50]
4. 4. 탄소섬유
탄소 섬유 복합재는 자전거 프레임 제작에 널리 사용되는 비금속 재료이다.[51][52][53][54] 가격이 비싸지만, 가볍고 부식에 강하며 강도가 높고, 원하는 거의 모든 형태로 성형할 수 있다. 그 결과 특정 강도가 필요한 곳(페달링 힘을 견디기 위해)에 맞춰 미세 조정할 수 있는 프레임이 만들어지는 반면, 다른 프레임 부분(편안함을 위해)에서는 유연성을 허용한다. 맞춤형 탄소 섬유 자전거 프레임은 심지어 한 방향(예: 측면)에서는 강하고 다른 방향(예: 수직)에서는 유연한 개별 튜브로 설계될 수도 있다. 방향에 따라 특성이 달라지는 개별 복합 튜브를 설계하는 능력은 현재 생산되는 금속 프레임 구조로는 달성할 수 없다.[55]
일부 탄소 섬유 프레임은 접착제와 러그를 사용하여 원통형 튜브를 사용하는데, 이는 러그 강철 프레임과 다소 유사한 방식이다. 다른 유형의 탄소 섬유 프레임은 모노코크 구조라고 하는 단일 조각으로 제조된다.
Santa Cruz Bicycles가 실시한 일련의 테스트에서 동일한 모양과 거의 유사한 무게의 프레임 디자인의 경우, 탄소 프레임이 전체 힘 하중(프레임에 인장 및 압축 모두 가함) 및 충격 강도에 노출될 때 알루미늄보다 훨씬 더 강하다는 것이 입증되었다.[56] 탄소 프레임은 가볍고 강할 수 있지만, 다른 재료에 비해 충격 저항성이 낮을 수 있으며 충돌하거나 부주의하게 취급하면 손상될 수 있다. 충돌로 인해 균열과 파손이 발생할 수 있지만, 부품을 너무 조이거나 부적절하게 설치해도 발생할 수 있다.[57] 이러한 재료는 장기간 사용으로 발생하는 공정인 피로 파괴에 취약할 수 있다는 제안이 있었지만,[58] 이는 종종 층간 균열 또는 접합부의 접착제 균열로 제한되며, 여기서 응력은 우수한 설계 관행으로 잘 제어될 수 있다. 파손된 탄소 프레임을 수리하는 것이 가능하지만, 안전 문제로 인해 최대한 높은 표준을 갖춘 전문 회사에서만 수행해야 한다.[59]
개인 타임 트라이얼 레이스 및 철인 3종 경기를 위해 제작된 많은 레이싱 자전거는 복합 구조를 사용하는데, 프레임을 원통형 튜브로는 불가능하거나 다른 재료로는 과도하게 무거울 공기역학적 프로파일로 성형할 수 있기 때문이다. 이러한 유형의 프레임은 실제로 다른 프레임보다 무거울 수 있지만, 공기역학적 효율성은 사이클리스트가 더 높은 전체 속도를 달성하는 데 도움이 될 수 있다.
탄소 섬유 외에도 금속 붕소와 같은 다른 재료를 매트릭스에 추가하여 강성을 더욱 향상시킬 수 있다. 일부 최신 고급 프레임은 진동 감쇠 및 충격 강도를 개선하기 위해, 특히 다운튜브, 시트 스테이 및 체인 스테이에 케블라 섬유를 탄소 직조에 통합하고 있다.
4. 5. 기타
마그네슘은 알루미늄 밀도의 약 64% 수준으로 가벼우며, 탄성계수가 낮아 충격 흡수 능력이 뛰어나다. 하지만 화학 반응에 의한 부식에 취약하다는 단점이 있다. 1980년대 엔지니어 프랭크 커크는 튜브 대신 I-빔 구조를 사용하고 한 조각으로 다이캐스팅하는 새로운 방식의 마그네슘 프레임을 고안했다. 영국에 설립된 커크 정밀 유한 회사(Kirk Precision Ltd)는 이 기술로 로드 자전거와 산악 자전거 프레임을 생산했으나, 신뢰성 문제로 1992년에 생산을 중단했다.[60] 현재는 소수의 제조업체에서 전통적인 튜브 방식으로 마그네슘 프레임을 제작하고 있다.[61]스칸듐(Sc)은 주로 알루미늄 합금에 첨가하여 사용된다. 스칸듐 함량은 0.5% 미만이지만, 마케팅 목적으로 종종 '스칸듐 프레임'이라고 불린다. 스칸듐을 첨가하면 알루미늄 합금의 용접성이 향상되고 피로 저항성이 높아져 더 작은 직경의 튜빙을 사용할 수 있게 된다. 이는 프레임 설계의 유연성을 높이는 장점이 있다.
아메리칸 자전거 제조사(American Bicycle Manufacturing, ABC)는 한때 베릴륨 튜브를 알루미늄 러그에 접합하여 만든 프레임 세트를 2.6만달러에 판매하기도 했다. 이 프레임은 승차감이 매우 거칠고 측면 유연성이 높다는 평가를 받았다.[62]
대나무 역시 자전거 프레임의 재료로 사용된다. 금속이나 복합 재료로 만든 조인트를 이용해 대나무 튜브를 연결하여 제작한다. 대나무 프레임은 기계적 특성뿐만 아니라 독특한 미적 매력 때문에 선택되기도 한다.[63][64]
나무도 프레임 재료로 사용되는데, 통나무나 적층 목재 형태로 제작된다. 나무 프레임으로 파리-루베 레이스의 265km 코스를 완주한 사례도 있었지만,[65] 미적인 이유 외에도 동아프리카 등지에서는 실용적인 목적으로 나무 자전거를 제작하기도 한다.[66] 골판지를 이용해 프레임을 만든 경우도 있다.[67]
서로 다른 재료를 결합하여 만드는 복합재료 프레임도 있다. 이는 단일 재료로는 얻기 힘든 강성, 유연성, 충격 흡수 등의 특성을 특정 부위에 맞게 구현하기 위함이다. 주로 탄소 섬유와 강철, 알루미늄, 티타늄 같은 금속을 조합한다. 예를 들어, 금속으로 다운 튜브와 체인 스테이를 만들고, 나머지 탑 튜브, 시트 튜브, 시트 스테이는 탄소 섬유로 만드는 방식이 있다.[68] 다른 방식으로는 금속으로 메인 트라이앵글과 체인 스테이를 만들고 시트 스테이만 탄소 섬유로 제작하는 경우도 있다.[69]
특히, 카본 포크는 프레임 재질과 관계없이 많은 레이싱 자전거에서 흔히 사용된다.[70]
5. 관내부 깍기
관 내부의 필요 없는 단면을 깎아내 무게를 가볍게 만드는 것을 '''버티드(butted) 공법'''이라고 한다. 이 공법은 튜브의 접합부 근처 두께는 늘려 강도를 높이는 동시에, 다른 부분의 재료는 얇게 만들어 무게를 줄이는 방식이다. 깎는 횟수에 따라 더블 버티드(double butted), 트리플 버티드(triple butted) 등으로 부른다. 예를 들어, 트리플 버티드는 세 종류의 두께를 가지는데, 보통 용접되는 끝 부분이 가장 두껍고 중간 부분은 얇게 만들어진다. 이러한 방식은 주로 알루미늄 합금으로 만들어지는 프레임 튜빙이나 핸들바 등에 적용될 수 있다.
6. 프레임 설계 (일본어판)
일본공업규격(JIS) D9301 일반 자전거 규정에는 토 클리어런스(페달 앞쪽 끝과 앞 타이어 또는 흙받이 사이의 최단 거리)를 "89mm 이상이어야 한다. 단, 토클립 등 발 고정 장치가 있는 것은 적용하지 않는다."라고 명시하고 있다. 이 규정 때문에 앞바퀴 축과 BB 사이 거리인 '프론트 센터'를 무작정 짧게 만들기 어렵다. 또한 뒷바퀴 축과 BB 사이 거리인 '리어 센터' 역시 JIS의 조종 안정성 규정에 영향을 받는다. 결과적으로 휠베이스는 일정 수준 이상의 길이가 필요하게 된다.
'''BB 하강 / BB 높이'''
자전거 무게 중심 높이를 결정하는 중요한 수치이다. 'BB 하강'은 앞뒤 바퀴 축을 잇는 선보다 바텀 브라켓(BB) 중심이 얼마나 아래에 있는지를 나타내며, '''BB 드롭'''이라고도 한다. 'BB 높이'는 지면에서 BB 중심까지의 높이를 의미하며, '''BB 높이'''라고도 한다. BB 하강과 BB 높이는 서로 연관되어 있다.
BB 위치가 낮으면 무게 중심이 낮아져 안정성이 높아지지만, 너무 낮으면 코너링 시 페달이 땅에 닿을 위험이 있다. 반대로 BB 위치가 높으면 장애물 통과 등 오프로드 주행에는 유리하지만, 좌우로 불안정해질 수 있다. BB 하강 값은 절대적인 것이 아니라 바퀴 지름에 따라 상대적으로 달라진다. 700C 휠 기준으로는 대략 65~75mm 정도로 설정되며, 바퀴 지름이 작아질수록 이 값은 줄어들고, 경우에 따라서는 BB가 바퀴 축보다 높아지는 마이너스 값을 갖기도 한다.
JIS D9301 일반용 자전거 규격에는 자전거를 기울였을 때 페달이 지면에 닿지 않는 각도인 '''페달 접지 각도'''를 "25°(어린이용 자전거는 20°) 이상이어야 한다."고 규정하고 있다. 이 규정을 만족시키기 위한 BB 높이는 계산식을 통해 구할 수 있으며, 이 때문에 BB 높이는 바퀴 지름과 관계없이 대략 260mm 이상이 필요하게 된다.
'''체인스테이 길이'''
BB 중심에서 뒷바퀴 축까지의 거리로, 가속 성능에 영향을 미친다. 체인스테이가 짧을수록 가속 반응성이 좋아지지만, 너무 짧으면 주행 안정성이 떨어질 수 있다. 또한 뒷 타이어 선택의 폭이 좁아지거나, 페달링 시 발뒤꿈치가 변속기나 뒷바퀴 축에 닿을 수도 있어 무한정 짧게 만들 수는 없다. 700C 휠을 사용하는 타임 트라이얼 자전거 중에는 시트 튜브를 휘게 만들어 체인스테이 길이를 최대한 줄인 경우도 있지만(서벨로, 스페셜라이즈드 트랜지션 등), 650C 이하의 작은 휠을 사용하는 프레임에서 체인스테이를 너무 짧게 만들면 무게 중심이 지나치게 뒤로 쏠려 불안정해질 수 있다.
JIS D9301 일반 자전거 규격의 '''조종 안정성''' 규정은 "안장을 가장 뒤로 위치시키고, 적응 탑승자 체중의 ±5kg의 탑승자가 그 가장 뒤쪽 부분에 앉아, 양손으로 핸들 그립부를 잡았을 때, 자전거 및 탑승자의 총 질량의 25% 이상이 앞바퀴에 실려야 한다."가 있다. 자전거 탑승 자세와도 관련이 있지만, 체인스테이 길이를 짧게 하면 이 규정에 위배될 수 있으며, 이것이 체인스테이 길이를 함부로 줄일 수 없는 이유이기도 하다.
'''오프셋 (포크 레이크)'''
헤드 튜브 각도의 연장선에서 앞바퀴 축 중심이 얼마나 앞으로 나와 있는지를 나타내는 수치이다. 흔히 '''포크 레이크'''라고도 불린다. 오프셋이 클수록 진동 흡수에 유리하다고 알려져 있다. 자주 오해하는 부분인데, 오프셋이 크면 직진 안정성이 증가하고, 작으면 기민한 핸들링이 된다는 것은 잘못된 정보이다. 휠의 직경과 헤드 각도 설정에 따라 오프셋으로 인해 조종 안정성에 영향을 미치는 트레일 값은 커질 수도, 작아질 수도 있다. 시판되는 카본 프론트 포크에도 기존 자전거에서 교체하기 위한 기준으로 이 수치가 반드시 표기되어 있으며, 대략 40~50mm 정도로 설정되어 있다. 과거 도미폰 경기용 스테이어 바이크에서는 페이서 바이크에 바짝 붙어 달리기 위해 앞바퀴에 작은 지름의 휠을 사용하면서 오프셋이 마이너스 값(역방향 꺾임)인 프론트 포크를 사용하기도 했다. 이 경우에도 헤드 각도 조정을 통해 적절한 캐스터 트레일이 설정되어 있다.
'''스탠드오버 높이'''
지면에서 탑 튜브 중심부까지의 높이이다. 영어로는 '''S.O.'''로 표기되기도 한다. 양산형 로드바이크에는 표기되는 경우가 많지만, 프레임만 별도로 판매하는 경우에는 표기되지 않기도 한다. 산악 자전거는 탑 튜브의 기울기가 큰 경우가 많아, 측정 위치에 따라 스탠드오버 높이가 크게 달라질 수 있으므로 주의해야 한다.
6. 1. 호리존탈 프레임
호리존탈 프레임은 탑 튜브가 지면과 평행을 이루는 형태의 자전거 프레임이다. 이는 전통적인 다이아몬드 프레임의 원래 형태로, 초기의 로드바이크나 산악 자전거에서 주로 볼 수 있었다.구조적으로는 슬로핑 프레임에 비해 프레임 크기가 크고 무게 면에서 불리한 점이 있다. 하지만 정돈된 외관 때문에 이 형태를 선호하는 사람들도 많다. 특히, 자전거를 어깨에 메는 경우가 잦은 사이클로크로스 경기에서는 수평 형태의 탑 튜브가 유리하여 호리존탈 프레임을 애용하는 선수들이 적지 않다.
2014년 기준으로 대량 생산되는 로드바이크 중에서는 호리존탈 프레임이 줄어드는 추세이다. 그러나 주로 주문 제작 방식으로 만들어지는 크로몰리강 소재의 프레임(로드바이크, 랜드너, 스포르티프 등)에서는 여전히 많이 채택되고 있다.
엄밀히 말해 완전한 수평 프레임은 수평으로 환산한 탑 튜브 길이와 프레임 사이즈(시트 튜브 길이로 측정하는 경우가 많음)가 동일하다. 하지만 같은 모델이라도 프레임 사이즈에 따라서는 탑 튜브에 약간의 경사(슬로핑)가 들어간 경우도 많다. 일반적으로는 특정 모델 라인업에서 수평 환산 탑 튜브 길이와 프레임 사이즈 길이가 동일하게 나오는 제품군을 호리존탈 프레임이라고 부른다.
6. 2. 슬로핑 프레임
슬로핑 프레임(Sloping frame)이란, 탑 튜브(Top tube)가 헤드 튜브 쪽에서 시트 튜브 쪽으로 갈수록 아래로 기울어지게 장착된 프레임을 말한다. 이러한 형태는 프론트 서스펜션의 작동 범위(스트로크) 확보를 위해 헤드 튜브가 높아지는 경향이 있는 산악 자전거 프레임에서 처음 도입되었으며, 이후 로드 바이크에서도 널리 사용되어 주류 방식으로 자리 잡았다.슬로핑 프레임은 전통적인 수평 탑 튜브 방식에 비해 구조적으로 프레임 삼각형의 크기가 작아지는 효과가 있다. 이는 프레임의 강성을 높이고 무게를 줄이며, 자전거 전체의 무게 중심을 낮추는 데 유리하게 작용한다. 사용자 입장에서는 탑 튜브가 낮아져 자전거에 타고 내릴 때 다리 사이의 공간(스탠드오버 클리어런스)을 확보하기 용이하며, 특히 신장이 작은 라이더도 비교적 편안하게 자전거를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 제조사 입장에서는 수평 탑 튜브 프레임보다 적은 수의 사이즈로 더 넓은 범위의 신장을 가진 라이더들에게 맞는 자전거를 생산할 수 있어 효율적이다.
탑 튜브의 기울기 정도에 따라 다양한 종류가 있으며, 경사가 비교적 완만하여 수평에 가까운 형태를 '세미 슬로핑(Semi-sloping)'이라고 부르기도 한다. 2014년을 기준으로 대량 생산되는 로드 바이크의 상당수가 슬로핑 방식을 채택하고 있으며, 주문 제작 방식으로 프레임을 만드는 공방에서도 낮은 무게 중심과 발을 딛기 쉬운 장점 때문에 슬로핑 디자인을 선호하는 경우가 있다. 대만의 자이언트 매뉴팩처링(Giant Manufacturing)은 슬로핑 프레임을 적극적으로 도입하고 대중화시킨 대표적인 제조사로 알려져 있다.
탑 튜브가 뒤로 기울어진다는 점에서는 스태거드 프레임(Staggered frame)과 유사해 보일 수 있으나, 슬로핑 프레임은 시트 스테이(Seat stay)와 탑 튜브 모두 시트 포스트(Seat post)에 연결되는 위치가 낮아 전체적으로 더 기울어진 인상을 준다는 점에서 차이가 있다. 2020년을 기준으로 스포츠 자전거의 인기가 높아짐에 따라, 비교적 저렴한 시티 사이클 중에서도 슬로핑 프레임 또는 이와 유사한 디자인을 채택하는 경우가 늘어나고 있다.
한편, 일반적인 슬로핑 프레임과 반대로, 고속 주행 성능을 극대화하기 위해 극단적인 전경 자세(앞으로 숙인 자세)를 취하는 일부 로드 바이크에서는 탑 튜브의 뒤쪽 끝이 오히려 앞쪽보다 높게 설계된 '역 슬로핑(Reverse sloping)' 형태의 프레임도 존재한다.
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