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2018년 1월 2일 화요일

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
실험1실험2
11.90501.7780
21.80341.7526
31.77801.7272
41.77801.7018
51.75261.7018
61.72721.7018
71.72721.7018
81.75261.7272
92.00662.1590
103.30203.9878
 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 인장강도항복점탄성율, 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


2017년 10월 12일 목요일

파스포츠 튜블러 열변형

카본휠을 사용한지 4년만에 처음으로 열변형이 발생했다.  지금까지 파스포츠림을 짜서 사용한 휠만 3벌  지인들 짜준것까지합치면 8벌은 되는데 열변형은 처음이라 조금 당황스러웠다. 남들 짜준 휠이 아니라  내휠에서 문제가 생긴것이라 다행스럽기도 했다.  또한 엿가락처럼 녹은 것이 아니라서  눈으로 확인하기도 쉽지 않을 뿐만 아니라 손으로 만져야 간신히 느껴질 정도 였다.(사진찍어도 안보임)  다만 저속에서 브레이크를 잡을때 꿀렁임으로  열변형임을 알 수 있었다.  그냥 타고다녀도 상관없을 정도지만 열변형은 맞다.(열변형임을 알고도 한참 잘타고 다녔다.)

열변형이 난 휠은 최근에 조립한 50mm 뒷 휠이고  몇번 사용하지 않았던 것이라서 조금은 의외였다. 딱히  높은 곳에서 내려오지도 않았다. (힘들다 싶은 클라이밍 코스는 38mm미들림을 끼고 갔었다.)
아마도 남산/북악 마실이나,  남한산성(정상-성남)다운힐에서  열변형이 났던것 같다.  이런 짧은 다운힐은 속도를 낼 필요도 없고 별생각없이 브레이킹을 했던 코스이다.   아마도 브레이크 끊어잡기를 하지 않고  약하고 길게 잡으면서 내려왔던 것 같다.

나의 경험 및 주변의 이야기를 들어본 결과  열변형이 발생하는 원인이 몇가지 있다.

1. 나쁜 브레이킹 습관
    열변형은 심한 내리막 구간에서 발생한다. 빠른 속도로 내려오기 때문에 바람에 의한 냉각이 되기 좋은 조건임에도 지속 적인 브레이크 사용으로 열이 쌓이는 경우이다.
프로 선수들은 빠르게 내려오기 위해서  코너 입구에서 강한 브레이킹으로 급감속을 하고 코너를 돈다. 그리고 다시 페달링으로 가속을 해서 속도를 올린다.  이런식으로 브레이킹을 하게되면 순간적으로 열이 많이 발생하지만 브레이크를 놓고 있는 동안  냉각이 되기 때문에 열변형이 발생할 가능성이 적다.
반대로 브레이크를 가볍게 잡은 상태로 계속해서 내려온다면  열이 계속에서 누적되고 중간중간 강하게 브레이크를 잡는 구간에서  더 많은 열이 발생하면서 열변형으로 이어질 수 있다.



2. 더운날씨(아스팔트의 복사열)
 뜨겁게 달구어진 아스팔트는 타이어의 접지력을 올려주기에는 좋지만 림을 식히는데는 좋지 않다.  열변형이 발생한 휠의 AS를 위해서 확실하게 녹려버리기로 마음을 먹고  다운힐에서 풀브레이킹으로 내려왔으나 더이상 변형이 진행되지 않았다. 열변형은 8월에 발생한 것이 었고 9월 중순이 지난 날씨에서는 휠이 녹지 않았다.  8월과 9월의 기온은 비슷 할지 몰라도 태양이 한여름만큼  땅을 달구지는 못했기 때문이다.

3. 체중 
 무거운 사람이 가벼운 사람보다 열변형에 불리한것은  따로 설명이 필요 없을 것이다.

4. 림에 묻은 이물질
 주로 튜블러에 해당한다. 튜블러 본딩시 깔끔하게 작업을 한다고 노력해도 림에 조금씩 본드가 뭍게 된다. 또한  브레이킹으로 림과 타이어가 열을 받게 되면  튜브를 붙일때 사용한 본드가 녹으면서 바깥으로 스물스물 나오기도한다.  테이핑의 경우도  림의 열로 인해 끈적거리는 것이 옆으로 삐져나오는 것을 볼수 있다. 이 본드들이 브레이킹을 하면서 패드와 림에  펴발라지고  열발생에 일조하게 된다.  브레이크 패드에  검게 타서 달라 붙어 있는 것을 볼 수 있는데 사포로 갈아서 제거해주는 것도 하나의 방법이다.
끈끈이들이  나오는 것은 막을 수없다. 본드가 림에 코팅되는 것을 막기위헤서 브레이크패드를 림의 안쪽으로 최대한 붙여서 세팅하는 것도 도움이 된다.

5.브레이크의 센터정렬
센터가 틀어지면  브레이크를 잡을 때 양쪽림에  같은 힘이 가해지지 않기 때문에  더 많은 힘이 가해지는 쪽에 열변형이 발생할 수 있다. 이러한 상태에서 1번과 같은 상황이 발생하면 열변형이 발생하기 좋은 조건이 된다. 다이렉트 마운트 브레이크의 경우에는 반드시 칼 같이 센터 정렬을 하는 것이 좋다.  정지상태에서 브레이크를 꽉잡았을때  휠이 한쪽으로 치우친다면 정렬이 필요한 것이다.  브레이크를 잡아도 휠이 좌우로 치우치지 않아야한다.
다이렉트 마운트 > 듀얼피봇> 싱글피봇> 브이브레이크(센터정렬 필요없음)
 센터정렬이 중요한 순서이다.

열변형 발생은 단순히 휠을 못쓰게 되는 문제 뿐만 아니라 사고로 이어질 수 있다.   이론적으로 열변형 사고시 위험순위를 보면  튜브리스 >클린쳐 >튜블러이다.  실제 상황에서는 달라질 수있겠지만 구조적인 차이로 이렇게 예상할 수 있다.   이유는 다음 포스트에서  써야할 것같다.

어쨋거나 열변형 발생에도 무사함을 감사하고 어서 far sports에 컨택해서 교체 받아야겠다.



담당 셀러와  워런티에 대하여 이메일을 주고 받았다.  사진으로  열변형을  증명하기 쉽지 않아서 브레이크가 걸리는 동영상을 찍어서 보내주니   워런티를 확정받았다.   그래  겨울에는 휠빌딩이지


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워런티로 림이 왔다 시즌오프한상태에서  서두를 필요도 없고 천천히 휠이나 완성해야 겠다.
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