휠의 측면강성 : 스포크의 장력을 올려도 휠은 단단해지지 않는다.

  강한 스프린트를 치거나  댄싱으로 언덕을 올라갈때  휠이 브레이크에 닳는 소리가 들리면 정말  짜증이 안날 수가 없다. 휠이 낭창 거린다고 표현하어기도 하고  측면강성이 약하다고도 말하는데  사실 이러한 문제는 휠  프레임이나 포크에서 복합적으로 발생하기 때문에 휠을 희생양으로 삼는 것은 부적절하다고 생각한다. 따라서 다각적인 시각에서 문제에 접근해야 하는 것이 옳겠다.  하지만 휠빌더로서  휠의 죄를 물으면서 휠의 측면 강성을 올리기위에서는 해야할 고민들에 대하여 이야기 해보자 한다.

많은 사람들이 오해하고 있는 것 중의 하나가 스포크의 장력을 올리면 휠이 단단해진다고 믿는 것이다. 스포크의 장력과 이로인해  만들어지는  구조를 어느 정도 이해하고 있지만 재료의 성질을 이해하지 못했기 때문에 발생하는 오해라고 생각한다.


1.실험에 의한 증명

Damon Rinard 이라는 프레임 빌더 아저씨가  스포크의 장력변화에 따른 측면강성에 관한 실험을 하였다.  림의 측면에서 일정한 부하(11.7kg)를 가하고 휠의니쁠들을 조금씩 (90도씩) 풀어나갈때 (스포크의 장력이약해짐에따라)    휠이  얼마나  변형되는 지를 측정한것이다.  12kg에 달하는  부하는 휠을 망가트릴 만큼은 강하지는 않고   실제 라이딩에서 휠의 측면에 가해질수 있는  힘보다는 충분히 강하다고 한다.          

	휠의 변형mm
니쁠 N/4바퀴 풀림	실험1	실험2
1	1.9050	1.7780
2	1.8034	1.7526
3	1.7780	1.7272
4	1.7780	1.7018
5	1.7526	1.7018
6	1.7272	1.7018
7	1.7272	1.7018
8	1.7526	1.7272
9	2.0066	2.1590
10	3.3020	3.9878

 MA2 32-spoked front wheel




실험의 결과를 보면 1-8회(2바퀴)까지는 니쁠이 풀려도 휠의 변형이 일정하게 나타난다. 오히려  변형이 조금씩 줄어들어 측면강성이 좋아지는 것처럼 보인다.     (의미없는  수준의 미세한 강성의 증가이지만...)

-보통  앞휠을  스포크의 장력이  110-120kgf정도인것을 감안 했을때  그것보다 장력이 낮아도 휠의 측면강성은  약해지지 않음을  이실험에서 보여주고 있다.

Damon Rinard아저씨가  니쁠을 풀면서 스포크의 장력도 측정을 했으면 좀더  다각적인 분석이 가능했을 것 같은데  아쉬움이 남는다.  

2.스포크의  인장시험을 통한 추론

일단  인장시험이 어떤것인지에 대해서 간단하게 알아보겠다.

인장시험 금속용어사전

재료에다 인장하중을 가하여(보통은 파단하기까지), 하중과 변형과의 관계를 알아보는 시험으로 인장강도, 항복점, 탄성율, 연신율, 단면 수축 등 그 재료의 기본적인 기계적 성질을 측정하는 것. 항장력 시험이라고도 한다.

외국어 표기 tensile test(영어)

[네이버 지식백과] 인장시험 (용어해설)

재료의 특성을  알기위해여 하는 시험이지만 몇몇 스포크 제조사들(대만)은  스포크의 특성, 품질을 보여주기 위해서  인장시험결과를  보여주기도한다.

우리가 한가지 알아야할 것은  휠을 짤 때 스포크의 장력은 탄성영역안에서  다루어진다. 금속의 경우 탄성한계와 비례한계 그리고 항복점이 매우 근사하게 위지한다.   따라서 탄성영역 이상으로 장력을 주게되면  항복점에 다달아 늘어나버리고(소성변형)  끊어지질 것이다. 사실 그전에 니쁠이나 림이 먼저 파괴된다. 니쁠이나 림은 최대 120-140kgf정도의 힘을 견딜수 있게 만들어 져있기 때문이다.

pillar  aero x-tra 스포크의  인장시험결과

표의 스포크들의 항복점은  300 kgf 정도에서 나타나고 이는 휠빌딩의 영역인 50-130kgf에 한참 웃도는 수준이다.  따라서  휠빌딩의 영역은  탄성변형구간에서 이루어진다는 사실을 확인할 수 있다.  이론적으로 탄성구간에서는 직선으로 표현되야 하지만  위의 시험결과에서는  약간의 곡선이 그려진다. 다시 말해서  이론적으로는 탄성계수가 일정해야하지만 실제 측정에서는 장력이 커질 수 록 탄성계수가 작아지고 있다.


만약 80kgf에서 160kgf로 스포크의 장력을 올렸을 때 휠이 짱짱해지고 단단해졌다면 표에서 직선의 기울기(탄성계수)가 커져야한다. 하지만 실제 측정 결과에서는 오히려 기울기가 미세하게 낮아진다.  Damon Rinard 아저씨의 실험에서  장력을 낮출 수록 아주 조금 측면강성이 좋아 졌던것은 위표의 미세한 기울기(탄성계수) 변화와도 일치한다. 

-이론적으로  휠의 장력을  변화 시켜도  휠이더 단단해지거나 물러지지 않아야한다. (탄성계수는 일정해야함) 
 -실험 결과에서는 오히려  장력을 낮추었을때 미세하게 강성이 좋아졌다. 그리고 이것은 스포크의 인장시험 결과(장력이 낮아질 수록 탄성계수가 커짐)통해 유추가 가능하다. 
-또한 알수 있는 것은  스포크의 탄성계수가 커질수록 휠의 변형이 작아진다.  다시말해 스포크가 두꺼워질 수 록 휠은 단단해진다고 봐도 된다.




스포크의 인장시험 결과를  활용하면 Damon Rinard아저씨의 실험에서 스포크의 장력이 얼마나  줄어들었는 지  예상이 가능 할 것같다.
실험에 사용한 휠은 MA2 32-spoked front wheel이고  DT 2.0 -1.6  스포크를 사용했다는 것으로 봐서는   DT competition race  스포크로 추즉된다.    아쉽게도  이 스포크의  인장시험결과가 없으니 비슷하게 생긴 스포크를 찾아 보았는데 Pillar 社의 PDB1416이 2.0-1.6-2.0으로 비슷한 제원을 가지고 있다.

Pillar PDB spoke

통상적으로 스포크 나사산의 리드가 0.45mm이므로  니쁠 2바퀴가 풀렸을 경우 0.9mm만큼 스포크가 줄어들었다고 볼수 있다.    120kgf로 조립된 휠에서  니쁠을 푸는 실험을 시작했다면 거의 2바퀴 째에서는  30-40kgf 까지 장력이 내려간 것이고    2 1/2바퀴를 넘어가서는 휠이 장력을 잃고 무너질 것을 표를 통하여 예상할 수 있다. 그리고 이 예측은 Damon Rinard 아저씨의 실험 결과와 일치한다. 


결론
그렇다면 스포크의 장력이 낮은 휠이 답인가??
답은 "아니오." 라고  말 할 수 있다.   위의 결과에서 알 수 있듯이 수치적으로는 측면강성이 향상되지만  그 수치가 작기 때문에 유의미한 향상은 아니다. 다시 말해 휠의 장력을 올려도 측면강성이 약해지지만 유의미한 약해짐은 아니라는 것이다.    실제로 스포크의 장력을 낮게 하여 휠을 짜면 그로인해 잃는 것이 더 크다.  그 휠은 더 틀어지기 쉽고 내구성도 떨어지게 된다. 어떤 휠빌더도 일부러 낮은 장력으로 휠을 짜지 않을 것이다.  이 글의 제목 그대로  "스포크의 장력을 올린다고 휠은 단단해지지 않는다." 로만 이해하고 다른 확대 해석은 없어야 한다.

 그리고 이 실험을 통한 발견이 있다면  스포크의 탄성(계수)와  휠의 측면강성의 관계라고 할 수 있다. 스포크의 탄성이 작아짐에 따라 휠의 측면강성도 증가 하였다. 휠 빌더가  휠의 측면강성을 고려한 스포크 선택을 할 수 있음을 의미한다.  어느정도 데이터 혹은 노하우가 축적되면  측면강성을 컨트롤 할 수 있을 것이다. 


http://www.sheldonbrown.com/rinard/wheel_index.html
http://www.pillarspoke.com/Pillar-2017.pdf