*주의* 본 글은 일단 림 브레이크를 기준으로 작성이 되어 있음


0. 텐션 밸런스와 측면강성

림 브레이크의 경우 앞허브는 대칭적인 형상이지만

디스크 브레이크 앞허브나 거의 모든 다단 뒷허브는 다스크 장착부나 프리허브 때문에 형상이 대칭적일 수가 없음.

그렇기때문에 아래 사진처럼 중심축(검은 점선)을 기준으로 양쪽 스포크가 다른 각도로 결합하게 됨.

1ebec223e0dc2bae61abe9e74683706d29a24d83d2d6cbb3b7c9c41446088c8b9748f1f790bdbba3ea5ffd02ddd6f9b2cf9735d18a3889

허브 중심축으로부터 논드라이브사이드 (기어가 없는 부분, 진행방향에서 왼쪽) 플랜지(스포크가 허브에 물리는 원) 까지의 거리를 Lnds, 드라이브사이드(기어가 있는 부분) 플랜지 까지의 거리를 Lds라고 두면

스포크가 허브에서부터 맨 위 림에 결합할 거 아님? 근데 림에서 허브까지 스포크는 수직으로 내려오는게 아니라 약간 옆으로 각도를 두고 내려오게 됨.
(당연히 중심축으로부터 양쪽 플랜지가 떨어져 있으니까)

이렇게 만들어지는 각도를 'Bracing Angle' 이라고 함.

위 그림에서는 각도 알파가 논드라이브사이드(NDS 라고 부르겠음)의 브레이싱 각도고

각도 베타가 드라이브사이드(DS)의 브레이싱 각도임.


그리고 양쪽 스포크에는 당연히 텐션이 걸리겠지?

그 크기도 각각 Tnds Tds 라고 해두겠음.


그런데 이 두 텐션의 비율은 서로 연관되어있을수밖에 없음.
왜냐면 양쪽 스포크는 림을 허브가 있는 중앙 쪽으로 수직으로도 당기지만, 앞에서 스포크 자체가 각도를 두고 내려온다고 했으니 수평적으로도 당기는 힘이 있게 됨.

그런데 때문에 양쪽 스포크에서 수평적으로 당기는 힘이 평형을 이뤄야 림이 가만히 있겠지?

여기서 힘의 방향을 수평과 수직으로 나눠서 생각해주면

Tnds×sin(알파)=Tds×sin(베타)

여야 됨.

여기서 자전거 휠은 림 둘레가 허브 폭에 비해 매우 크기 때문에

계산하기 쉽도록 sin(알파)=tan(알파)=알파(rad) 으로 근사를 해줄수가 있음

여기서 양쪽 플랜지의 지름이 엇비슷하다고 가정해주면
(이건 나중에 또 볼것임)

tan(알파)=Lnds/(림부터 허브까지 거리)
tan(베타)=Lds/(림부터 허브까지 거리)
라고 해줄수가 있고 그렇다면

Tnds×Lnds=Tds×Lds
즉
Tnds=Tds×(Lds/Lnds)

라는 식이 (대충) 성립하게 됨.

여기서 Lds가 Lnds보다 일반적으로 크기 때문에 Tds가 Tnds보다 크게 되고

Tnds가 Tds에 비해 몇퍼센트인지를 표시하는게 '텐션 비율' 임


(물론 이 계산방식은 근사가 많고, 양쪽 스포크의 크로스 패턴을 고려하지 않았기 때문에 부정확한 부분은 있으나, 그래도 700c 로우~미들림을 가정하면 얼추 맞을거임)


그러면 이 텐션 비율은 왜 중요한가?


텐션비율이 낮으면 NDS 텐션이 DS 텐션보다 많이 낮다는 얘기임. 그런데 스포크의 텐션이 낮으면 극한 하중이 걸리거나 했을때 순간적으로 스포크의 텐션이 없어지게 되고, 이렇게 되면 스포크의 트루잉이 풀리게 될 확률이 높음.

또한 휠은 돌아가면서 하중을 받으니 스포크들에 인장력과 압축력이 반복적으로 가해지게 되는데,

텐션이 과하게 낮으면 이런 과정에서 스포크의 피로파괴에 더욱 취약하다고 함.


그럼 '둘 사이의 비율인데 NDS텐션을 높이고 그만큼 DS텐션도 높이면 안되냐?' 라 할수 있는데
당연히 텐션이 너무 높으면 림이 그 힘을 견디지 못하고 균열이 생기게 됨.

그렇기 때문에 텐션밸런스는 가능하면 너무 낮지 않고 어느정도 높은게 좋음.

일반적으로는 NDS에 65kgf 이상의 텐션이 걸리는 것이 '좋다' 라고 여겨지고(일단 더 낮아도 되긴 하고, 낮아야만 하는 경우에는 그렇게 해야 함)

반대로 림의 텐션 허용치는 130kgf를 넘지 않는 경우가 많음.

이런 경우에 양쪽 텐션밸런스는 50% 이상인게 좋겠지?


물론 130kgf보다 낮은 최대 텐션을 가진 림도 많기 때문에 NDS 텐션을 65kgf로 유지한다고 가정하면 텐션밸런스가 높은 편이 DS 텐션을 낮출수 있어서 림에 부하를 덜 줄수 있겠고

반대로 텐션밸런스가 안나오는데 림의 최대치 이상으로 텐션을 주려하면 그것도 문제가 되겠지.

하여튼, 50%를 기준으로 그것보다 낮으면 부족한 편이고

70% 이상이 되면 별 상관 없으며

그 사이에서는 높을수록 좋다 라고 두면 어느정도의 기준점이 될듯 함.


1ebec223e0dc2bae61abe9e74683706d29a24d83d2d0cbb0b7c4c41446088c8bcc559480b630a01e94b645a0c783a54f05939caef1f6a2

그리고 이 장의 이름에 '측면 강성' 이라는게 있는데

사실 휠의 강성이라는건 스포크 구조 뿐만 아니라 림의 강성, 스포크의 강성(두꺼운 스포크가 강성이 큼) 등도 연관이 있는 부분이기 때문에 단정하기 힘드나


일단 위에서 말한 '브레이싱 각'이라는게 큰 영향을 주는 요소 중 하나임.

브레이싱 각이 크면 림을 양쪽에서 튼튼하게 당겨주는 모양이니까 힘이 세게 가해져도 림이 좌우로 잘 움직이지 않겠지?

반대로 브레이싱 각이 작으면 림을 양쪽으로 당기는 힘은 약하니까 힘이 세게 가해지면 림이 좌우로 잘 움직일거임.

이를 통해 브레이싱 각이 크면 클수록 휠의 측면 강성은 높아진다는걸 대략적으로 알수 있음.


(정확히 얼마나 비례하느냐? 까지는 잘 모르겠음. 내가 생각해 보기로는 거의 브레이싱 각의 제곱까지에 비례할 수도 있을 것 같은데, 찾아볼수 있는 다른 자료에서는 크면 좋다 까지만 나와있지 정확히 어떤 영향을 따르는지 까지는 잘 안나와있는 것 같음)


그런데 브레이싱 각이 크려면 어떻게 해야될까?

플랜지가 커지거나, 센터에서 플랜지까지의 거리가 길어지면 (Lds, Lnds), 혹은 림의 내부 외경(ERD)가 작으면 브레이싱 각이 커지게 됨.

그런데 우리는 일단 허브를 보고 있고, 앞에서도 말했지만 플랜지 크기에 대해서는 넘어가기로 했기 때문에

플랜지 까지의 거리(Lds, Lnds)를 중점으로 해서 허브들의 지오메트리를 보려고 함.

그리고 앞에서 말했듯이 Lds, Lnds와 브레이싱 각도는 비례하게 됨.



1. 10단 허브 vs 11~단 허브

7fed8272b5816bf651ed86e143857c739874727d7f8f340c5d0f9b338a

7fed8272b5816bf651ed86e1408076733e16c06daec59ef94fd9b36200


10단 시절에서 11~단 시절로 오면서 허브바디 폭이 늘어난건 대부분 알 것임.

예를들어 11단 휠에 10단 이하 스프라켓을 쓰려면 1.85mm 스페이서를 넣어야 된다던가...

그렇기 때문에 10단에서 11단으로 넘어감에 따라 넓어진 허브바디 때문에 DS 플랜지는 더 중심으로 붙어야 됨.

위 두 도면을 보면 10단 울테그라 6700 허브에 비해
11단 울테그라 6800 허브의 NDS 플랜지가 허브바디 폭이 늘어난 2mm만큼 더 안쪽으로 들어온걸 볼수가 있음.

그렇다면 이게 휠의 텐션밸런스에 얼마나 영향이 갈까?


6700 허브의 Lnds=19mm
6700 허브의 Lds=36.5mm

텐션밸런스=19/36.5×100%=52.0%

6800 허브의 Lnds=17mm
6800 허브의 Lds=36.5mm

텐션밸런스=17/36.5×100%=46.5%


보다시피 허브바디가 넓어졌다고 52%의 나쁘지 않은 텐션 밸런스에서 46.5%의 살짝 부족한 텐션 밸런스로 떨어지게 됨.


그런데 다단화를 하려면 허브바디가 넓어지는건 필수잖아?

그렇기 때문에 이 텐션밸런스를 끌어올릴 여러가지 방법이 있는데 대충 사례를 들면서 소개해 볼까 함.



2. 오프셋 림 사용하기

1ab5c933f6d739b577b2dbb002c32d3e433029eda6f80a037e18e370e471cb2dac8e387d621c

오프셋 림은 양쪽 텐션 균형을 맞추기 위해 나온 림임.

위 사진의 왼쪽에서  72/120kgf로 60% 텐션 밸런스를 보여주고 있는걸, 같은 허브에서 오른쪽은 72% 텐션 밸런스를 보여주고 있는걸 볼수 있음.

그리고 오른쪽(오프셋) 림을 썼을때, 림에 스포크가 붙는 지점이 왼쪽으로 이동한걸 볼수 있을거임.


이는 맨 위의 Lnds를 오프셋만큼 감소시키고, Lds를 오프셋만큼 늘리는 효과를 가져다 준다고 생각할수 있음.

1ebec223e0dc2bae61abe9e74683706d29a24d83d2d0cfb7b6c7c41446088c8b18796dded38dc848de81b78bb33d42136c8a77eb1eb294

...대충 이 사진처럼.


하여튼 그래서 위 울테그라 6800 허브에 3mm 오프셋이 적용된 림을 장착하면 얼마정도의 텐션 밸런스 변화가 있는지 알아보자.


오프셋 0
Lnds=17mm
Lds=36.5mm

텐션밸런스=17/36.5×100%=46.5%


오프셋 3mm
Lnds'=20mm
Lds'=33.5mm

텐션밸런스=20/33.5×100%=59.7%


보다시피 텐션 밸런스가 46.5프로에서 거의 60프로까지 올라온걸 볼수 있음.

즉 오프셋 림을 사용하면 별다른 손해 없이 텐션 밸런스를 확실하게 끌어올릴수 있게 됨.
요즘 번들휠인 RS100 같은거에도 리어휠 림은 오프셋으로 나오는 이유기도 하고.


3. 더 넓은 허브바디

MTB에서 뒷휠 강성을 확보한다고 일반 휠보다 더 넓은 폭의 부스트, 더 나아가 슈퍼부스트 허브를 사용하고 있는것과 마찬가지로

허브가 넓어지면 그것으로 이점을 볼수가 있음.


7fed8272b5816bf651ed86e4428575736b82fae2e1e0a8e4637d236033

7fed8272b5816bf651ee8fe14784777314ca4bca170a78883d0fcdae5ae5d4

위 그림은 내가 사용중이기도 한 바이텍스사의 RAR 12 라는 허브인데

이 허브는 NDS쪽의 엔드캡을 5mm 더 긴 것으로 바꿔 끼워서 허브 전체적으로 오른쪽으로 2.5mm 이동시킨 듯한 지오메트리를 가지게 135mm 폭에 맞게 변형시킬 수 있음.


그렇다면 위의 일반적인 구성과 아래의 135mm 구성에서, 또한 오프셋림을 적용하지 않았을때와 적용했을때 각각 텐션밸런스가 어떻게 차이나게 되는지 보자

130mm 오프셋 0

Lnds=37
Lds=16
텐션 밸런스=43.2%

135mm 오프셋 0

Lnds=34.5
Lds=18.5
텐션 밸런스=53.6%


130mm 오프셋 3mm

Lnds=34
Lds=19
텐션 밸런스=55.9%

135mm 오프셋 3mm

Lnds=31.5
Lds=21.5
텐션 밸런스=68.3%


보다시피, 130mm에서 135mm로 허브 폭이 바뀌고 거기에다 오프셋 림까지 적용하면 텐션밸런스가 훨씬 높아지는걸 볼수가 있음.


4. 2:1 패턴

7aec8820f2f929ff7d96fafb1cc1231d80abd8384d640c8a0747fb

2:1 패턴은 NDS 스포크를 DS 스포크에 비해 절반 갯수만 쓰는걸 말함.

캄파놀로의 G3패턴이 제일 유명할거고, 그 밖에도 펄크럼 휠 같은게 2:1 패턴으로도 유명함. 최근에 저렴해서 인기를 끌고있는 꾸져 rs 같은 휠도 마찬가지로 2:1 패턴을 채용하고 있고.

그렇다면 이게 어떤 이점을 가질까?

위에서 계산한것을 봤듯이, 일반적인 130mm 허브는 텐션밸런스가 대충 50%나 그 이하로 나오게 됨.

그 말인 즉슨, NDS 스포크 갯수를 절반으로 줄이면 각각의 스포크에 걸리는 텐션은 두배가 될거니 텐션밸런스가 두배가 되서 100%에 가깝게 되는거잖음??

바이텍스 rar12 허브는 실제로 2:1 패턴으로 사용 가능하게 NDS 8홀, DS 16홀 구성으로도 판매를 함.

각각의 경우에 텐션 밸런스가 어떻게 되는지 한번 살펴보자고


130mm 오프셋 0

Lnds=37
Lds=16
텐션 밸런스=43.2%

130mm 오프셋 3mm

Lnds=34
Lds=19
텐션 밸런스=55.9%

130mm 오프셋 0, 2:1

Lnds=37
Lds=16
텐션 밸런스=86.4%



(물론 실제 2:1 패턴 구성시 NDS는 래디얼로, DS는 '3.17' 크로스로 빌딩을 하게 되는데 그렇게 되면 텐션 밸런스는 약간 떨어지긴 함. 근데 어차피 100%에 가깝기 때문에 문제는 안됨)

보다시피 2:1로 휠을 짜면 스포크 텐션이 거의 양쪽 동일하게 나오는것을 볼수가 있음.


그런데..... 이런 구성에는 한가지 맹점이 있다.

바로 브레이싱 각도가, 정확히는 브레이싱 각도가 큰 NDS 스포크의 갯수가 현저하게 줄어든다는 것임.


일반적인 지오메트리의 DS 스포크의 경우, NDS 스포크에 비해 브레이싱 각이 절반정도고

따라서 측면강성에 절반 이하의 기여를 하게 됨.

근데 만약 같은 24홀이라도 1:1 패턴 대비 2:1 패턴을 보면

1:1 패턴은 DS 스포크 12개, NDS 스포크 12개가 사용된 반면
2:1 패턴은 DS 스포크 16개, NDS 스포크 8개를 사용하게 됨.

즉 단순히 생각해서 측면강성에 영향이 큰 NDS스포크 4개를 DS로 옮겼기 때문에 그만큼 측면강성이 줄어들게 된다고 할수 있음.


그렇다면 어떻게 해야될까?

2fb2c221dada2da451add3b4049f34338a9b983228a74d34f35e49d0

28bbd671b4d739a36bbd98a213d3341deb1600728c4b9abac1a2

1a8ff477b7846cff519bf28a46821b6e54b67c59f92f099ca121a1a5a0c8da0f56f906e1edc011a6

위 사진들은 2:1 전용으로 설계된 허브들의 사진임.

NDS 플랜지가 거의 휠 끝쪽에 붙어있는걸 볼수가 있지?


이러면 갯수가 줄어버린 만큼 브레이싱 각을 늘려서 휠 측면 강성을 기존과 같게 유지하거나, 오히려 더 늘려버릴수가 있게 됨.

즉 NDS 스포크 갯수가 줄어든 만큼 각도를 늘려버린다고 생각하면 됨.

맨위 사진인 borg 2:1 허브의 텐션 밸런스는

2:1 0mm 오프셋
Lnds=50
Lds=17
텐션밸런스=68%

2:1 3mm 오프셋
Lnds'=47mm
Lds'=20mm
텐션밸런스=85%



즉, NDS 플랜지를 밖으로 빼는 2:1 패턴으로 양쪽 텐션밸런스도 잡으면서, 측면강성도 오히려 비슷하거나 증가했다고 볼수 있음

(측면 강성에 대한 내용도 수치적으로 보여주고 싶은데, 이건 계산을 어떻게 해서 보여줘야될지 모르겠음)

하지만, 정석적인 2:1용 허브는 생각보다 희귀함.

1ebec223e0dc2bae61abe9e74683706d29a24d83d3decbb0b7c0c4064b0cba860670418899bb2b33dda556a37123015024f170c205

1ebec223e0dc2bae61abe9e74683706d29a24d83d3decbb7b2c2c4064b0cba864af37fcf7d71d0770ac8fa651f69f58d368b168165

예를 들어 알리에서 2:1 허브로 검색하면 이런 허브들이 뜨는데, Lnds가 일반적인 1:1 허브랑은 별 차이가 없는게 보이지?

이런 허브를 쓰면 좌우 텐션은 균일하게 맞출순 있으나, 측면강성이 많이 낮아져서 차라리 일반적인 1:1 패턴으로 짜는게 낫다고 함.

Koozer rs1400/1500 휠셋도 제대로 된 지오메트리의 펄크럼/캄파놀로 랑은 다르게 일반적인 허브랑 비슷한 지오메트리에 2:1 패턴을 쓰는데, 그거로 인해서 약간 손해보는 면이 있지 않을까 하는 생각도 듦.



5. 플랜지 직경(PCD)

0cb1c429a8f121a562b6d8b25bc32b3caf43d2dbacedec2a390716804bbb28d36127d78f25e670e799070d2598f63f20b0f4d749e0cfe805

마지막으로는 앞에서 대충 넘어간 플랜지 직경임

플랜지 직경은 클수록 미세하게 브레이싱 각도가 늘어남.

또한 플랜지 직경이 크면 허브에 가해지는 토크(페달링 토크, 디스크 브레이킹 토크)를 림에 전달할때 스포크에 가해지는 부담이 덜함.

그러나 반대급부로 플랜지가 커질수록 당연하게 허브는 무거워짐

그렇기 때문에, 요즘에는 대부분의 허브 플랜지의 크기가 딱히 크지는 않으나

일부 경우에 DS의 브레이싱 각도, 또한 구동력 전달을 최대화하기 위해서 저 허브처럼 유별나게 높은 플랜지를 사용하는 경우가 있음.



6. 그래서 어쩌라고??

사실 완성휠들이 99% 팔리는 요즘 시대에 허브는 휠이랑 딸려오는게 대부분이고

또 가령 빌딩을 한다고 쳐도 이런 허브 지오메트리들의 미세한 차이 보다는 그냥 얼마나 좋은 물건들로 어떻게 잘 완성했느냐가 실 사용에 더 큰 영향을 주는 부분인건 맞음.

그치만(나만 그런거 같긴 한데) 이런거 따져보는건 재밌잖아요....




요약

1. 좌우 텐션밸런스는 양쪽 브레이싱 각의 비율에 비례하며, 너무 낮으면 곤란함. 스포크의 브레이싱 각이 큰 휠은 다른 조건이 동일하면 측면 강성이 강함.

2. 오프셋 림을 사용하거나(중요), 더 넓은 허브를 쓰면 좌우텐션을 더 균일하게 할수 있음.

3. 2:1은 제대로 설계된 허브를 사용하면 매우 효과적이나, 일부 경우에는 득보다 실이 큰 경우가 있음.




글 쓰면서 읽었던, 읽어보면 좋을수도 있는 자료들(참고자료)