바퀴살

3. 종류

바퀴살은 인장 또는 압축 상태에 따라 나무, 금속 또는 합성 섬유로 만들 수 있다.

차륜에 가해지는 하중을 압축력으로 받는 형식인 솔리드 스포크(solid spoke)와, 장력으로 받는 형식인 와이어 스포크(wire spoke)가 있다. 각각 재질과 형태가 다른 것이 있다.^[9]

: 양자의 중간적인 형식도 있지만, 현재 널리 사용되지 않으므로 생략한다.

== 솔리드 스포크 ==

솔리드 스포크는 주로 나무, 금속, 플라스틱, 섬유 강화 플라스틱 등으로 만들어진다. 고대부터 존재했던 목제 스포크 휠에서는 차축의 아래쪽에 위치한 스포크가 차체의 무게를 주로 압축력으로 지탱한다. 이후 철도 차량·자동차·오토바이 등을 위해 개발된, 다른 부분과 견고하게 일체 성형된 것 및 각 부재가 어떤 수단으로 견고하게 접합되어 구성된 것에서는 굽힘 모멘트나 장력도 복합적으로 작용한다.

원래 형태의 나무 바퀴살이 있는 바퀴는 말이 끄는 마차와 마차에 사용되었다. 초기 자동차에서는 일반적으로 포차형 나무 바퀴살이 있는 바퀴가 사용되었다.

단순한 나무 바퀴에서 허브에 가해지는 하중은 바퀴살이 줄어들고 압축되면서 바퀴 테두리가 지면과 닿는 부분이 약간 평평해지게 한다. 다른 나무 바퀴살은 유의미한 변화를 보이지 않는다.

나무 바퀴살은 방사형으로 장착된다. 또한 흔들림을 방지하기 위해 일반적으로 차량 바깥쪽으로 딤플 처리가 되어 있다. 또한, 딤플 처리는 바퀴살이 수분을 흡수하여 팽창하는 것을 보상할 수 있도록 한다.

== 와이어 스포크 ==

자전거에 사용하기 위해 무거운 나무살 바퀴는 팽팽하게 조절 가능한 금속 와이어로 만들어진 더 가벼운 바퀴, 즉 와이어 휠로 대체되었다.^[9] 이들은 또한 휠체어, 오토바이, 자동차, 그리고 초기 항공기에도 사용된다.^[9]

바퀴살의 일부 유형은 부러지거나 구부러질 경우 개별적으로 교체할 수 있는 탈착식 바퀴살을 가지고 있다. 여기에는 자전거 및 휠체어 바퀴가 포함된다. 일반적인 바퀴가 장착된 고품질 자전거는 스테인리스강 바퀴살을 사용하고, 더 저렴한 자전거는 아연 도금 (녹슬지 않는) 또는 크롬 도금 바퀴살을 사용할 수 있다. 양질의 바퀴살은 약 225 kgf (약 2,200 뉴턴)의 장력을 견딜 수 있지만, 피로 파괴를 방지하기 위해 이 하중의 일부만 사용된다.^[9] 자전거 및 휠체어 바퀴살은 인장력만 받기 때문에 합성 섬유와 같은 유연하고 강한 재료도 가끔 사용된다.^[9] 금속 바퀴살은 공기역학적 저항을 줄이기 위해 타원형 또는 블레이드형으로 만들 수 있으며, 강도를 유지하면서 무게를 줄이기 위해 버티드(이중 또는 삼중) 처리할 수도 있다.^[9]

와이어 바퀴살의 변형 중 하나는 Tioga의 "텐션 디스크"였다. 이것은 겉으로는 단단한 디스크처럼 보였지만, 실제로는 일반적인 텐션 바퀴살과 동일한 원리를 사용하여 제작되었다. 개별 와이어 바퀴살 대신, 고강도 아라미드인 케블라의 연속적인 실을 사용하여 허브를 림에 고장력으로 묶었다. 이 실은 보호와 약간의 공기역학적 이점을 위해 반투명 디스크로 감쌌지만, 이는 구조적 구성 요소는 아니었다.

차축 상단에 위치한 스포크가 차체의 무게를 주로 인장력으로 지탱한다. 이 때문에 "텐션 스포크"라고 표현하기도 한다. 강철을 가늘게 늘여서 만들어진 와이어(와이어)가 비교적 작은 질량으로 큰 인장 강도를 발휘하는 것에 착안하여 자전거 바퀴의 무게를 줄이는 수단으로 개발되었으며, 1870년대 무렵부터 활발하게 사용되었다. 약간의 탄력성을 가지고 있어 진동·충격 완화에도 효과가 있다. 자동차나 오토바이에도 널리 사용되었던 시대가 있었지만, 차량의 고속화 및 대형화에 대응하기에 불리하여 현재 4륜차에서는 예외적인 경우에만 사용되며, 오토바이에서는 소형 모델이나, 충격 흡수성을 요구하는 오프로드 차량, 클래식한 디자인을 추구하는 제품 등에 한정되어 사용되고 있다. 그러나 자전거에서는 현재에도 압도적으로 다수를 차지하고 있다.

=== 와이어 스포크의 배치 ===

와이어 스포크는 굽힘이나 압축에 대한 저항력이 거의 없기 때문에, 바퀴에 가해지는 모든 방향의 힘을 장력으로 변환하여 받을 수 있도록 배치된다.

; 오초코

일반적인 와이어 스포크 휠에서는 림 내주의 스포크를 좌우로 나누어, 허브 양쪽의 플랜지에 연결한다. 좌우 스포크는 림을 꼭짓점으로 하고, 허브의 좌우 플랜지를 잇는 선을 밑변으로 하는 삼각형 트러스를 구성한다. 좌우 스포크가 이루는 모양이 술잔과 비슷하여 "오초코"라고 부르며, 바퀴 중심면에서 각 플랜지까지의 오프셋 크기를 "오초코량"이라고 부른다.

; 래디얼 조립과 탄젠트 조립

허브에 방사상으로 스포크를 연결하는 방식을 '''래디얼 조립'''이라고 한다. 스포크 길이가 짧아 가볍지만, 토크를 받았을 때 부담이 커져 구동륜이나 허브 브레이크가 있는 바퀴에는 사용되지 않는다. 림 브레이크를 사용하거나 브레이크가 없는 경기용 자전거 앞바퀴, 유모차 바퀴 등에 쓰인다.

허브에 접선 방향으로 스포크를 연결하는 방식을 '''탄젠트 조립'''이라고 한다. 토크 전달에 유리하고 하중 분산, 내구성, 충격 흡수성이 뛰어나 널리 사용된다.

캄파놀로의 G3 스포크처럼 두 방식을 조합한 제품도 있다.

=== 와이어 스포크의 구성 ===

와이어 스포크의 한쪽 끝에는 나사산이 있으며, 여기에 스포크 니플이라고 불리는 특수한 형태의 너트를 조여 넣는다. 이 조임 정도에 따라 스포크의 유효 길이를 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 스포크에 미리 적절한 장력을 가함으로써 바퀴의 휨을 방지하고, 각 스포크의 길이를 미세 조정하여 휠의 진원도를 얻는다. 이 작업을 "휠 정렬"이라고 부른다. 니플을 조이고 푸는 도구를 니플 렌치 또는 니플 돌리개라고 부르며, 영어로는 spoke key 또는 spoke wrench라고 부른다.

최근, 미국 자본의 자전거용 공구 제조사가 일본 내에서 스포크 렌치라는 명칭을 사용하고 있지만, 일본에서는 예전부터 니플 렌치라고 불려왔다. 특히 오토바이 업계에서는 니플 렌치가 다수이다.

3. 1. 솔리드 스포크

3. 2. 와이어 스포크

3. 2. 1. 와이어 스포크의 배치

3. 2. 2. 와이어 스포크의 구성

4. 재료 및 규격

바퀴살은 압축력과 장력에 따라 나무, 금속, 합성 수지 등으로 만든다.

일반적인 용도로 사용되는 범용 자전거용 스포크 및 스포크 니플에는 일본 공업 규격(JIS) 내의 JIS D9420 "자전거용 스포크"에서 재질, 치수^[11], 품질 규격이 정해져 있으며, 호환성, 강도, 내구성의 기준이 된다.

자전거용 스포크 및 니플의 나사에 대해서는 JIS B 0225 "자전거 나사"에서 규정하고 있다.
금속제 스포크금속제 스포크는 주로 경강선재에 아연 도금 또는 크롬 도금을 한 것이 사용된다.^[9] 스포츠용 자전거에는 스테인리스강 스포크가 많이 사용되며, 경량화를 위해 티타늄 합금이나 고강도 알루미늄 합금으로 만든 제품도 있다.^[12]

일반적인 자전거용 스포크와 니플은 일본 공업 규격(JIS)에 따라 재질, 치수, 품질 규격이 정해져 있다. (JIS D9420 "자전거용 스포크")^[11] 자전거 및 휠체어 바퀴살은 인장력만 받기 때문에 합성 섬유와 같은 유연하고 강한 재료도 가끔 사용된다.^[9] 금속 바퀴살은 공기역학적 저항을 줄이기 위해 타원형 또는 블레이드형으로 만들 수 있으며, 강도를 유지하면서 무게를 줄이기 위해 버티드(이중 또는 삼중) 처리할 수도 있다. 와이어 바퀴살의 변형 중 하나는 Tioga의 "텐션 디스크"였는데, 이것은 겉으로는 단단한 디스크처럼 보였지만, 실제로는 일반적인 텐션 바퀴살과 동일한 원리를 사용하여 제작되었다. 개별 와이어 바퀴살 대신, 고강도 아라미드인 케블라의 연속적인 실을 사용하여 허브를 림에 고장력으로 묶었다.^[9]

일반적인 바퀴살 직경은 다음과 같다.^[10]

섬유제 스포크섬유제 스포크는 자전거 경주용 첨단 제품에 주로 사용되며, 무게를 줄이고 진동 흡수성을 높이는 데 기여한다.^[9] 사용되는 섬유로는 케블라(아라미드 섬유), 자이론, 탄소 섬유 등이 있으며, 대부분 수지로 묶어 막대 형태로 만든다.^[9] 섬유제 스포크는 금속제 스포크보다 단면적이 큰 경우가 많아 공기 저항을 줄이기 위해 에어로 형태로 제작된다. 각 휠 제조사가 독자적인 설계를 수행하여 공통 규격은 없다.

과거에는 Tioga에서 "텐션 디스크"라는 와이어 바퀴살의 변형 제품을 생산했다. 이 제품은 고강도 아라미드인 케블라의 연속적인 실을 사용하여 허브를 림에 고장력으로 묶는 방식이었다.

일반 스포크가 파손되었을 때 응급 처치용으로 사용할 수 있는 휴대용 섬유제 예비 스포크도 있다.

4. 1. 금속제 스포크

4. 2. 섬유제 스포크

5. 바퀴살의 형태

플레인 스포크는 단면이 원형이며 전 길이에 걸쳐 굵기가 균일한 것을 말한다. JIS에서는 자전거용으로 No.15(15번, 지름 1.8mm)부터 No.12(12번, 지름 2.6mm)까지 4가지 굵기가 규정되어 있으며, No.13(13번, 지름 2.3mm)만 나사부 굵기가 2종류 설정되어 있다.

버티드 스포크는 굵기가 도중에 변화하는 것을 말하며, 단차 스포크라고도 한다. 양쪽 끝 부분을 일반적인 굵기로 하고 중간 부분을 가늘게 조인 더블 버티드 스포크는 경량화를 목적으로 하며, 주로 경기 용도로 사용된다. JIS에서는 No.15/16(양쪽 끝 부분 지름 1.8mm, 중간 부분 지름 1.6mm)과 No.14/15(양쪽 끝 부분 지름 2.0mm, 중간 부분 지름 1.8mm)가 규정되어 있다. 머리 부분, 중간, 나사부의 굵기가 각각 다른 트리플 버티드 스포크와 머리 부분 근처만 굵게 하고 다른 부분은 균일한 굵기로 한 싱글 버티드 스포크도 있다.

에어로 스포크는 중간 부분을 납작하게 띠 모양으로 한 것으로, 공기 저항 감소를 목적으로 경기용 자전거에 사용되는 경우가 있다. JIS에는 규정이 없다.

스트레이트 스포크는 목 부분의 굽힘이 없이 곧은 스포크로, 특수한 설계의 허브와 조합된다. 영어에서는 플레인 스포크를 straight gauge spoke라고 부르는 경우가 있어, 혼동을 방지하기 위해 straight pull spoke라고 부르기도 한다.

6. 휠 빌딩 (Wheel Building)

휠 빌딩은 텐션 스포크 휠을 구성 부품으로 조립하는 것을 말하며, 튼튼하고 오래 지속되는 최종 제품을 만들기 위해서는 올바른 조립 절차가 필요하다. 텐션 스포크는 일반적으로 스포크 니플을 사용하여 림 또는 때로는 허브에 부착된다. 다른 쪽 끝은 일반적으로 디스크에 고정되거나 드물게는 "Z" 자 모양으로 구부러져 허브의 구멍에서 빠져나오는 것을 방지한다. 구부러진 버전은 뒷 기어를 제거하지 않고도 자전거 뒷바퀴의 부러진 스포크를 교체할 수 있다는 장점이 있다.

와이어 휠은 뛰어난 무게 대비 강성비로 인해 곧 경량 차량에 인기를 얻었다. 일반 자동차의 경우 와이어 휠은 곧 더 저렴한 금속 디스크 휠로 대체되었지만, 와이어 휠은 1960년대까지 스포츠카에 인기가 있었다. 스포크 휠은 여전히 오토바이와 자전거에 인기가 있다.

자전거 바퀴를 조립할 때, 바퀴살은 정확한 길이를 가져야 한다. 그렇지 않으면 나사산이 충분히 맞물리지 않아 바퀴가 약해지거나, 바퀴살이 림을 뚫고 나와 튜브에 구멍을 낼 수 있다.

와이어 스포크의 한쪽 끝에는 나사산이 있으며, 여기에 스포크 니플이라고 불리는 특수한 형태의 너트를 조여 넣는다. 이 조임 정도에 따라 스포크의 유효 길이를 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 스포크에 미리 적절한 장력을 가함으로써 바퀴의 휨을 방지하고, 각 스포크의 길이를 미세 조정하여 휠의 진원도를 얻는다. 이 작업을 "휠 정렬"이라고 부른다. 니플을 조이고 푸는 도구를 니플 렌치 또는 니플 돌리개라고 부르며, 영어로는 spoke key 또는 spoke wrench라고 부른다.

: 최근, 미국 자본의 자전거용 공구 제조사가 일본 내에서 스포크 렌치라는 명칭을 사용하고 있지만, 일본에서는 예전부터 니플 렌치라고 불려왔다. 특히 오토바이 업계에서는 니플 렌치가 다수이다.

6. 1. 바퀴살 길이 계산

'''''d'''''는 디스크 브레이크 유무, 변속기 유무에 따라 값이 달라질수 있다. '''''a'''''는 림의 니플 구멍까지의 반지름과 플랜지 구멍까지의 반지름 사이의 각도를 의미한다.

방사형으로 바퀴살이 있는 휠(교차 횟수 0)의 경우, 공식은 피타고라스 정리로 단순화된다.

:$l\; =\; \backslash sqrt\{d^2\; +\; (r\_2\; -\; r\_1)^2\}\; -\; r\_3.$

7. 바퀴살의 의의

바퀴살은 다음과 같은 중요한 역할을 한다.

• 소재의 기계적 성질에 방향성이 있는 경우, 힘이 가해지는 방향과 재료의 강도가 높은 방향을 맞춤으로써 바퀴의 강도, 내구성을 높일 수 있다.
• 불필요한 부재를 줄여 무게를 감소시킨다.
• 틈새로 통풍을 얻을 수 있어, 자동차에서는 브레이크 장치 냉각성 향상을 기대할 수 있으며, 자전거나 오토바이에서는 측풍에 의한 주행 안정성에 대한 악영향이 감소한다. 특히, 무게가 가볍고 차량 크기에 비해 바퀴 지름이 큰 자전거에서 영향이 크다.
• 틈새로 시야를 확보하여 보수 점검 등이 용이하다.
• 배치나 형상에 디자인을 더해 부가 가치를 높일 수 있다. 승용차용 휠에서 두드러진다.

참조

_[1] 간행물 Chariots in the Eurasian Steppe: a Bayesian approach to the emergence of horse-drawn transport in the earlysecond millennium BC https://www.cambridg[...] Lindner, Stephan 2020-04
_[2] 웹사이트 Chariots in the Chalcolithic Rock Art of Indian https://www.harappa.[...]
_[3] 웹사이트 Chariots in the Chalcolithic Rock Art of India https://www.harappa.[...]
_[4] 뉴스 Voices from the past: Researcher explores a mystery across 40 centuries https://www.horsetal[...] Celeste Paxton 2016
_[5] 서적 Prehistoric Rock Art of India 2013-03-28
_[6] 웹사이트 The Chariot in Indian Rock Art https://www.harappa.[...]
_[7] 서적 Bicycle: the History https://archive.org/[...] Yale University Press 2009-09-29
_[8] 웹사이트 Hansen Wheel and Wagon Shop http://www.hansenwhe[...] 2006-08-22
_[9] 웹사이트 PBO Spoke Technology https://web.archive.[...] 2011-10-21
_[10] 웹사이트 Basic spokes https://www.sapim.be[...] Sapim N.V.
_[11] 문서 太さが要求される強度に応じて数種類規定されており、長さはリムとハブの寸法によって様々となるため、規定されているのは長さ計測の基準のみ
_[12] 문서 日本工業規格 JIS D9420「自転車用スポーク」では、ステンレス鋼製スポークは同サイズの硬鋼製スポークに対して1割程度低い破断強度を許容している。
_[13] 저널 Chariots in the Eurasian Steppe: a Bayesian approach to the emergence of horse-drawn transport in the early second millennium BC 2020-04
_[14] 웹인용 광차바퀴 http://www.emuseum.g[...] e뮤지엄