잔차 바퀴의 이해

[용가리]

바퀴는 자전거의 특성을 좌우하는 기준

바퀴가 없는 자전거는 상상할 수 없다. 모든 라이더들이 자전거 위에서 행동하는 동작의 최종적인 목적은 바퀴를 빨리 돌려서, 더 빠르게 자전거가 달리도록 하는 것이다. 그러므로 모든 퍼포먼스의 종착점은 바퀴라고 말해도 과언이 아니다.
자전거의 사이즈를 이야기할 때 빼놓지 않고 언급되는 것이 휠 사이즈이다. 휠이 중요한 이유는 휠 사이즈에 따라서 자전거의 주행역량이 좌우되기 때문이다. 일반적으로 큰 휠이 보다 빠르게 달리 수 있기 때문이다. 물론 자전거에 기어가 장착되면서 이런 단편적인 이론이 깨지지만 동일한 기어비를 기준으로 한다면 이런 법칙에서 벗어날 수 없다. 큰 바퀴는 한 번 회전할 때 작은 바퀴보다 더 먼 거리를 이동하기 때문이다. 하지만 큰 바퀴를 회전하기 위해서는 라이더는 더 많은 힘을 사용해만 하기 때문에 무턱대고 자전거의 바퀴사이즈를 증가시킬 수 없다.

각 종목들에 사용되는 휠 사이즈가 경기 규정에 명시되어 있는 것도 이런 기초적인 조건을 동일하게 하기 위해서이다. 몇 년 전만하더라도 산악자전거에서는 26인치 휠만 경기에 참가할 수 있었다. 하지만 최근에는 29인치, 27.5인치도 사용이 가능하게 되어 휠 사이즈의 선택이 더욱 다양해졌다. 물론 각 휠 사이즈에 따라서 라이딩 퍼포먼스가 다르기 때문에 라이더는 최고의 성적을 얻기 위해서 자신의 스타일에 맞는 휠 사이즈를 잘 선택해서 사용해야 한다.
로드바이크의 경우 산악자전거와 다르게 700C 휠을 사용하게 되는데, 산악자전거의 경우 미국에서 탄생하여 인치를 사용하지만 로드바이크의 경우 유럽에서 더 발달하였기 때문에 미터 단위를 사용하여 사이즈를 표기하고 있다. 로드바이크에도 700C보다 작은 휠들이 있지만 작은 휠은 큰 휠의 속도를 따라가지 못하게 되면서 점차 도태하여 자취를 감추었다.

철인3종 경기의 경우 초창기에는 체력 소모가 적은 650C 휠 사이즈의 로드바이크를 많이 사용하였지만 점차 기록을 단축하기 위해서 보다 속도를 빨리 낼 수 있는 700C 휠을 대부분 사용하고 있다.
그렇다고 모두가 큰 휠을 선호하고 있는 것은 아니다. 도심을 간편하게 주행하기 위한 시티바이크의 경우 바퀴 사이즈가 극도로 작은 미니벨로를 많이 이용하고 있다. 바퀴 사이즈를 줄임으로써 자전거의 전체 크기를 작게 할 수 있어서 간편하게 휴대할 수 있다는 특징이 있다. 반면 빠른 속도를 원하는 도심 라이더들은 휠 사이즈가 큰 하이브리드를선택하기도 한다. 하이브리드의 경우 26인치나 700C를 사용하는 자전거들로 나뉘어 있는데 요즘은 빠른 속도를 낼 수 있는 700C 하이브리드를 더 선호하고 있다. 하지만 신체가 작은 라이더들은 보다 편하게 탈 수 있는 26인치 하이브리드를 선택하는 경향도 높다.
이처럼 자전거의 휠 사이즈는 속도와 라이딩 느낌에 많은 영향을 주고 있기 때문에 상당히 민감한 부분이다. 요즘 산악자전거에서 불고 있는 휠 사이즈 변화를 보더라도 휠 사이즈에 따라서 자전거의 주행 특성에 많은 차이가 난다는 것을 알 수 있다. 이것은 자전거의 특성을 결정짓는 가장 중요한 잣대가 휠이라는 증거이다.

바퀴를 구성하고 있는 부품들

자전거 바퀴를 구성하고 있는 부품은 모두 외부로 노출되어 있어서 누구나 쉽게 인식할 수 있다. 가장 중앙에 있는 허브를 중심으로 스포크 그리고 림으로 구성되어 있다. 물론 더 세부적인 부품들이 있지만 휠을 구성하고 있는 가장 핵심적인 부품들은 3가지 정도로 보면 된다.
일반적으로 통용되는 휠의 사이즈를 결정짓는 부품은 림이다. 림의 직경에 따라서 우리가 일반적으로 사용하고 있는 휠의 크기가 결정되게 된다. 하지만 여기서 휠의 사이즈 직경과 림의 직경이 다르다는 것을 알 필요가 있다. 일반 라이더들이 가장 잘 알고 있는 26인치 휠에 사용되는 림의 직경을 측정해 보면 절대로 26인치가 아니다. 통상적으로 사용되는 휠의 사이즈는 휠에 타이어를 부착하여 공기를 주입한 후 팽창되었을 때의 외부 지름이기 때문이다.

허브는 휠의 중앙에 있기 때문에 허브라는 명칭을 사용한 것이다. 허브가 하는 가장 중요한 역할은 회전을 하는 것이다. 그래서 허브의 좋고 나쁨을 판가름하는 중요한 기준도 회전에 관련된 부분이 가장 크다. 아무리 튼튼한 허브라도 회전이 불량하면 허브로서의 기능에서 낙제점을 받게 된다.

스포크는 허브와 림을 연결하는 매개체이다. 단순히 허브와 림만을 연결하는 것이 아니다. 휠이 어떠한 충격에도 원형을 유지할 수 있도록 떠받치고 있는 기둥이다. 스포크의 탄성과 강도에 따라서 휠의 안정성에도 많은 영향을 미치게 된다. 스포크는 허브와 림에 직선 형태로 끼워지는 형태도 있지만 사선형태로 끼워지는 형태가 많다. 이런 이유는 휠에 가해지는 충격을 흡수할 수 있는 구조를 갖기 위해서이다. 일직선 형태를 갖게 되면 충격을 흡수할 수 있는 역량이 줄어들기 때문이다. 반면 일직선 형태의 스포크 조립은 주행 속도를 높여줄 수 있다. 일직선으로 스포크가 끼워진 형태를 레디얼 타입이라고 하고, 사선으로 끼워진 형태를 크로스 타입이라고 한다. 크로스 타입은 서로 엮여있는 스포크가 하나의 기준 스포크에 몇 곳에서 엮이는 가에 따라서 1크로스 2크로스, 3크로스 등으로 분류된다. 가장 일반적으로 많이 사용하는 방식은 3크로스 방식이다. 하지만 최근 스포크의 숫자를 줄이면서 크로스도 줄어들고 있다.

회전을 좌우하는 요소

바퀴의 성능을 가늠하는 잣대 중 가장 으뜸은 빠르게 회전할 수 있는 능력이다. 회전을 빠르게 하기 위해서는 단순히 어떠한 한 부분만 갖고 평가하는 것은 어렵다. 각각의 부품들이 서로의 능력에 맞게 잘 조화되어야 최상의 성능을 발휘할 수 있는 것이다.
휠의 회전을 좌우하는 부품 중 허브의 성능에 대한 오해와 편견이 많다. 허브를 분해해 보면 가장 핵심적인 요소가 베어링이다. 결국 회전을 할 때 저항을 최소하여 잘 굴러가도록 만드는 것이다. 그러므로 허브를 개발하는 브랜드들은 베어링의 정밀도에 대하여 많은 비중을 두게 된다. 좋은 베어링을 사용하더라도 베어링을 감싸고 있는 하우스의 정밀도가 떨어지면 마찰력 증가로 베어링의 성능을 발휘하지 못하게 된다. 그러므로 허브에 사용되는 베어링도 중요하지만 베어링을 감싸고있는 하우스의 정밀도도 상당히 중요한 부분을 차지하게 된다.

허브에 장착되어 있는 베어링에는 그리스가 도포되어 있다. 많은 사람들은 허브에 있어 그리스의 역할이 잘 미끄러지게 하기 위한 용도로 오해하고 있다. 하지만 이것은 큰 오해이다. 그리스가 미끄러운 윤활역할은 하는 것은 맞다. 윤활 역할의 목적은 베어링이 베어링 하우스에서 회전할 때 베어링과 하우스가 손상되지 않도록 보호하는 역할을 하는 것이다. 그렇다면 윤활 그리스가 없다고 가정할 때 허브에 어떠한 변화가 있을 수 있을까? 우선 휠의 회전은 그리스가 없을 때 더 잘 돌아간다. 그리스는 베어링이 돌아갈 때 오히려 저항을 주는 저항 물질의 역할을 하게 된다. 그래서 그리스가 없으면 베어링은 더 잘 회전하게 된다. 그렇다면 더 잘 회전할 수 있는 조건을 만들지 않는 이유는 무엇일까? 그리스가 없는 상태에서 계속해서 베어링이 회전하게 되면 하우스와의 마찰 때문에 하우스와 베어링이 손상된다. 손상된 베어링과 하우스는 시간이 지나면서 회전력이 급격하게 떨어지게 된다.

결론적으로 그리스가 없는 허브는 수명이 짧아지게 되는 것이다.
허브에 윤활유로 오일을 사용하지 않고 점도가 있는 그리스를 사용하는 이유는 더 장시간 사용이 가능하기 때문이다. 오일의 경우 쉽게 증발되기 때문에 오랜 시간 동안 허브 베어링을 보호할 수 없다.
정기적으로 허브를 관리하는 가장 중요한 부분도 허브 안쪽에 오염된 그리스를 제거하고 깨끗한 그리스를 다시 주입하는 목적이 가장 크다. 그러므로 허브마다 주행거리에 따라서 정기적으로 베어링을 청소해 주고 신선한 그리스를 주입해야 한다. 이런 정비가 미흡하면 장비의 수명을 단축하게 된다.
허브에 사용되는 베어링을 보면 밀폐된 케이스 안에 베어링 볼이 들어가 있는 카트리지 방식과 베어링 볼이 베어링 하우스에 직접 접촉하는 오픈된 방식이 있다. 일반적인 허브에는 오픈된 방식의 베어링이 대부분이다. 고가의 휠에서는 카트리지 방식을 선호하고 있다. 하지만 어떤 방식이 더 우월하다고 보기에는 서로 장단점이 있다. 카트리지 방식의 경우 카트리지가 베어링의 삽입이 잘못 될 경우 회전력이 떨어질 수 있는 요소가 많으므로 베어링 교체 시 정확한 도구를 사용하여 정교하게 베어링을 삽입해 주어야 한다.

반면 오픈 방식의 베어링은 하우스의 결합 압력을 최적화하지 못하면 간격이 발생하거나 과도한 압력 때문에 회전력이 떨어질 수 있다. 결국 베어링의 볼이 잘 굴러가기 위한 구조와 조건을 만드는 것이 허브의 가장 큰 기술이다. DT SWISS의 경우 허브의 바디와 스포크가 끼워지는 프렌지 부분이 분리된 구조를 만들었다. 이런 구조를 통해서 바퀴가 회전할 때 베어링을 감싸고 있는 바디가 변형되어 베어링의 회전력을 떨어뜨리는 부분을 구조적으로 막아주고 있다.

자전거의 최대 천적은 공기저항

자전거를 타면서 부딪치는 공기는 상쾌한 기분을 느낄 수 있게 하는 청량제와 같은 존재이다. 하지만 기록에 생명을 거는 레이서들에게는 달갑지 않은 존재이기도 하다. 자전거로 달리는 것 자체가 공기로부터 발생하는 저항과의 싸움이다. 그러므로 공기와 마찰을 줄이기 위해서 부단한 노력을 하게 된다.
공기저항을 줄일 수 있는 방법은 공기와의 마찰 면적을 줄이거나 공기가 부드럽게 흘러갈 수 있도록 만들어 주는 방법이 있다. 기본적으로 면적을 줄일 수 있는 방법에는 한계가 있다. 그러므로 자전거에서는 공기의 흐름을 부드럽고 원활하게 하여 공기저항을 줄이려는 노력을 끊임 없이 하고 있다. 휠에서 이러한 노력들이 지속되고 있다.

공기저항을 줄이는 디자인을 ‘에어로 다이내믹’ 디자인이라고 한다. 휠에서도 공기저항을 줄이기 위해서 만든 제품의 경우 에어로라는 명칭을 많이 사용하고 있다. 에어로 디자인은 단순히 어떤 한 부분만을 해결한다고 되는 것은 아니다. 바퀴는 계속 회전을 하고 있기 때문에 프레임이나 기타 부품과 다른 개념을 갖고 디자인해야 한다.
에어로 다이내믹 디자인의 가장 기본은 유선형이다. 유선형이란 물고기 모양과 같은 형태를 말한다. 이런 유선형은 공기나 유체의 저항을 가장 최소화할 수 있는 구조로 알려져 있다. 바퀴에서 이런 형태를 구현하는 것은 쉽지 않다.

유선형 구조를 갖기 위해서 가장 많이 신경을 쓰는 부분이 림이다. 림에서 타이어가 부착되는 바깥 부분은 타이어를 부착해야 하기 때문에 넓게 만들고 스포크가 끼워지는 안쪽으로 갈수록 좁게 만들어준다. 이런 림에 타이어를 부착하면 유선형과 비슷한 형태가 되기 때문이다. 이런 림을 만들려면 림의 높이가 필연적으로 높아질 수밖에 없다. 알루미늄으로 유선형 림을 만들 경우 림의 높이가 높아질수록 림의 무게가 기하급수적으로 늘어나게 된다. 공기저항을 줄이기 위해서 무게가 무거워져야만 하는 황당한 상황이 발생하게 되는 것이다. 그래서 알루미늄 에어로 림의 경우 림의 높이가 그다지 높지 않다. 최근 카본 기술이 좋아지면서 이런 문제를 단숨에 해결할 수 있게 되었다.

카본은 무게가 가볍고 강도가 우수하기 때문에 높은 높이를 갖는 하이림을 만들어도 림의 무게가 크게 증가하지 않게 된 것이다. 림의 높이가 높을수록 공기의 흐름을 더욱 부드럽게 하여 공기저항을 줄여주기 때문이다.
공기저항을 줄이기 위해서 림의 높이를 최대한 높이게 되면 바퀴가 원반처럼 막혀있는 디스크 바퀴가 되는 것이다. 그러면 왜 모든 선수들이 이런 하이림을 사용하지 않고 높이가 낮은 림도 많이 사용하고 있을까? 그 이유는 림의 높이가 높아지게 되면 정면으로 오는 공기저항은 줄일 수 있지만 옆에서 오는 바람에 많은 영향을 받기 때문이다. 높이가 낮은 림을 사용한 휠의 경우 스포크만 노출되는 부분이 많기 때문에 옆에서 바람이 불어도 크게 영향을 주지 않는다.

 반면 하이림의 경우 옆에서 바람이 불게 되면 넓은 림에 공기가 부딪치고 자전거가 좌우로 흔들리거나 밀리게 된다. 이런 경우 자전거의 조정성이 떨어져 문제를 야기할 수 있다. 그래서 장거리 투어 경기의 경우 이런 하이림의 휠 보다는 보편적인 높이의 휠들을 사용하게 된다. 그 이유는 무리를 지어서 주행하는 ‘펠로톤’ 때문에 공기저항에 민감하지 않기 때문
이다. 특히 업힐 구간이 많은 코스의 경우 공기저항이 큰 비중을 차지하지 않기 때문에 하이림보다는 표준적인 높이의 휠을 선호하게 된다.

투어 경기 중에도 특정 스테이지에 이루어지는 타임트라이얼 경기는 평지에서 선수가 혼자서 달려야 하기 때문에 공기저항 문제가 아주 민감한 사항이 된다. 그래서 타임트라이얼 로드바이크는 프레임뿐만 아니라 모든 부품에 에어로 다이내믹 부품들을 사용한다.
마빅의 경우 림뿐만 아니라 타이어도 설계자체를 함께하여 공기저항을 줄이도록 만든 제품도 생산하고 있다. 림과 타이어가 접합되는 부분도 밀착되게 제작하고, 타이어도 공기저항을 줄일 수 있는 기술을 적용하여 만들었다.
스포크의 경우 기존에 원형 형태의 모양에서 벗어나 납작한 형태로 제작하여 공기저항을 줄이도록 디자인한 제품들도 있다. 실제로 바퀴가 회전하면서 스포크 하나하나에 지속적으로 공기저항이 걸리기 때문이다. 스포크를 납작하게 만들면 바퀴회전 시 원형보다 더 작은 면적이 부딪치기 때문이다. 물론 측면 면적이 넓어지기 때문에 측면에서 부는 바람에는 더 많은 영향을 받게 된다.

무게를 줄이기 위한 전쟁

자전거의 감량은 지속적인 전투와 같다. 더욱 가벼우면서 견고한 부품들을 만들기 위해서 첨단의 소재들을 과감하게 사용하고 있다. 바퀴가 자전거에서 차지하는 비중이 크기 때문에 바퀴의 무게를 줄이기 위한 꾸준한 노력들이 지속되고 있다. 특히 소재의 선택은 여러 가지 면에서 중요한 부분을 차지하게 된다.
요즘 자전거에서도 카본의 사용범위가 점점 넓어지고 있고 휠에서도 차지하는 비중이 높아지고 있다. 카본을 사용한 림은 오래 전부터 사용되어 왔고 스포크, 허브 쪽으로 그 범주를 넓혀가고 있다.

로드바이크에서는 림 브레이크를 사용하고 있기 때문에 카본 림을 사용하는 경우 브레이크슈도 카본 전용을 사용해야 한다. 만일 알루미늄림에 사용하는 브레이크슈를 사용하면 카본 림을 손상시키게 된다.
스포크의 경우 무게와 공기저항을 줄이기 위해서 스포크의 숫자를 줄이고 있다. 물론 휠의 강도를 유지하기 위해서는 적당한 숫자의 스포크는 존재해야 한다. 그러므로 험한 라이딩을 많이 하는 라이더라면 과도하게 스포크가 줄어든 휠 사용을 피하는 것이 좋다.
DT SWISS의 버티드 스포크는 허브와 림에 결합되는 부분의 지름이 크고 스포크의 중간 지름이 작다. 이런 구조를 통해서 스포크의 무게는 줄고 탄성이 증가한다.

브랜드별 휠 시스템

시마노(SHIMANO)
시마노는 전통적인 방법을 고수하면서 지속적으로 개량을 거듭하여 휠을 업그레이드하고 있다. 시마노 허브는 고급 모델에서도 오픈 베어링 타입을 고집하고 있다. 이런 이유는 허브에 받는 하중은 수직하중이 아니기 때문에 카트리지 타입보다는 오픈타입이 더 좋은 시스템으로 여겨지고 있다. 이는 림에서 허브로 연결되는 스포크가 수직으로 내려오는 것이 아니라 사선으로 내려오기 때문이다. 베어링 하우스와 베어링 볼이 접촉되는 부분을 스포크와 일직선 상에 놓이도록 만들어주는 것이다.
휠의 테크놀로지를 살펴보면 기존보다 더 폭이 넓어진 초광폭 플랜지의 사용을 통해서 휠의 안정성을 높였다. 기존보다 더 폭이 넓은 플렌지는 스포크로 만들어진 삼각형의 밑변 길이가 길어지기 때문에 림을 더욱 강력하게 잡아주어 림이 좌우로 흔들리는 것을 줄여준다.
또한 뒤 휠에 사용된 옵트발 스포크 시스템은 스프라켓이 있는 드라이브 사이드에는 14개의 스포크를 사용하고 반대편 논 드라이브 사이드에는 7개의 스포크를 사용하는 것이다. 이런 시스템을 사용하면 힘을 많이 받는 드라이브 사이드에 더 많은 스포크를 배치함으로써 라이더가 페달을 돌려서 구동을 할 때 논 드라이브 사이드보다 2배로 많은 스포크가 잡아 줌으로써 좌우 균형을 맞추어 주게 된다. 즉 실제 주행할 때 힘을 많이 받는 곳에 더 많은 스포크를 배치하여 휠이 틀어지는 것을 막아주어 휠의 안정성을 높여주고 있다.

펄크럼(FULCRUM)
펄크럼도 좌우 다른 개수의 스포크를 사용하는 2:1 Two-to-One 시스템을 사용하고 있다. 뒤 휠의 드라이브 사이드가 논 드라이브 사이드 스포크보다 2배로 많은 스포크를 사용하여 주행 중 힘 전달력을 높이고 좌우 밸런스를 유지할 수 있도록 하는 기술이다. 극도로 표면처리를 매끄럽게 만든 세라믹 볼을 베어링에 사용하여 고속회전 시 안정성과 보다 빠른 스피드를 구현할 수 있도록 만들었다. 세라믹 볼은 무게도 가볍고 금속 볼보다 열에 강하다.
림을 니플 구멍은 스포크와 연결되는 아래쪽에만 구멍을 만들고 위쪽에는 구멍을 내지 않았다. 림의 위 쪽에 구멍을 뚫지 않음으로써 림의 수명을 연장하고 강성도 강해진다. 단지 니플 장착할 때 니플를 넣는 구멍으로 니플를 넣고 자석으로 스포크와 연결될 구멍까지 이동시키는 작업이 어려운 것이 단점이다. 하지만 휠의 안정성 면에서 상당히 좋은 기술로 평가된다.

DT SWISS
스위스의 DT SWISS는 최근 휠에 새로운 시스템들을 대거 개발하였다. 트리콘 시스템은 스포크가 연결되는 허브의 프렌지 부분을 대폭 개량하였다. 가장 기본이 되는 변화는 3개의 스포크가 하나의 세트를 구성하여 프렌지에 결합되어 스포크의 숫자를 줄이면서 강도를 높여주었다. 또한 허브 바디와 프렌지가 붙어 있지 않는 구조를 만들었다. 이런 방법을 통해 바퀴가 회전할 때 프렌지가 변형되어 허브 베어링에 영향을 주게 문제점을 해소하여 허브의 구름성을 더 높여준 것이다.
스프라인 시스템은 기존의 스포크의 헤드 부분이 굽어져 있는 부분을 일직선으로 펴주어 허브 프렌지에 연결하는 방식이다. 이런 방식을 사용하게 되면 스포크가 굽어져 있는 것이 없어지게 되고 더 많은 텐션에서도 스포크가 안정적으로 버틸 수 있다. 이런 시스템을 사용함으로써 더욱 강한 휠 제작이 가능하다. 다만 프렌지의 높이가 낮아지고 스포크의 길이가 증가하여 휠의 좌우 움직임이 증가할 수 있다.

마빅(MAVIC)
마빅은 많은 풍동실험을 통해서 얻어진 데이터를 통하여 공기저항을 최소화한 시스템을 개발하였다. 로드바이크에서 사용하는 카본하이림을 유체역학적으로 디자인하여 최적의 구조를 만들어냈다. 또한 타이어와 림을 일체화시켜서 개발하여 아주 미세한 부분까지 공기의 흐름을 부드럽게 해주었다.
카본 클린처 림에 가장 큰 약점인 열 변형과 튜브에 공기를 넣으면서 타이어가 벌어지는 경우가 많다. 그래서 고압으로 공기압을 유지하는데 많은 어려움이 있다. 마빅은 이런 약점들을 보완하기 위해서 안쪽에 알루미늄 인서트를 넣어주었다. 알루미늄 인서트를 기본 골격으로 하여 카본을 시트를 붙여주어 표면은 카본 휠의 느낌과 성능을 유지하고 안쪽 알루미늄 인서트는 타이어가 공기압에 의해서 림이 벌어지는 것을 강하게 잡아준다. 카본 림을 사용하면서 안정적인 클린처 휠을 만들 수 있는 것이다.
또한 이런 알루미늄 인서트를 사용함으로써 브레이크를 잡을 때 발생하는 고열에 의해 림이 변형되는 막아주는 역할도 하고 있다. 열 변형 문제를 해결하기 위해서 마빅은 열에서 더 강한 레진기술도 개발하였다.

[Scott]

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