7. 히든니플, 2.5 W의 효과
지난 2편에서 히든니플 사용시 익스터널 니플에 비해 약 2.5 W의 공기저항 이득이 있다고 했다. 그렇다면 이는 얼마나 큰 차이일까? 이제는 흔히 볼 수 있는 여러 휠 풍동(윈드터널) 실험에서 감을 잡아볼 수 있다. 데이터를 살펴보면 시속 45 km기준 림높이가 10 mm 높아지면 공기저항이 약 6 W 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 히든니플이 주는 2.5 W의 공기저항 절감은 약 4 mm 높은 림을 사용하는 것과 같은 효과이며, 블레이드가 길 경우 6 mm 림높이 차이에 해당하는 정도이다.
50 mm 림에 히든니플을 사용하는 것으로 55 mm 휠과 거의 동일한 공기역학적 성능에 더 가벼운 휠을 만들 수 있다.
그렇다면 이러한 이득에도 불구하고 많은 제조사에서 익스터널 니플을 사용하는 이유는 무엇일까?
1. 히든니플은 스포크 나사산 부위의 꺾임을 쉽게 유발하기 때문에 스포크 파손 워런티를 발생시킬 가능성 존재
2. 알루미늄 히든니플은 익스터널 니플(아노다이징으로 부식이 쉽게 되지 않음)에 비해 부식되기 쉽고, 황동을 쓰자니 알루미늄 익스터널 니플에 비해 휠셋당 20~24 g의 무게증가 불가피
3. 히든니플은 타이어를 제거하지 않고 휠정렬이 불가능
4. 타이어베드에 스포크홀이 없는 휠을 만들기가 불가능(Bora Ultra와 같은 특수니플 제외), 림테이프 무게 추가
그럼에도 불구하고 히든니플의 성능 우위를 포기할 수 없기에 휠랩은 아래와 같은 방법으로 많은 경우 히든니플을 사용한다.
1. 정밀한 림 생산, 스포크 나사산 꺾임을 방지하기 위해 림 내부 표면을 특수제작한 공구로 연마
2. 알루미늄 히든니플에 산업현장에서 쓰이는 최고급 볼트부식방지제를 고열로 코팅 후 사용
3. 최대한 균일한 스포크장력 및 나사풀림방지제를 적용하여 정상주행 시 정렬이 틀어지지 않도록 하고, 휠 구조상 텐션이 낮아 휠정렬이 필요할 수도 있는 곳에 익스터널 니플 사용
4. 휠셋당 15~16 g인 전용 림테이프 사용, 타이어베드의 스포크홀 부분만큼의 카본이 없는 것을 감안하면 스포크홀이 없는 휠에 비해 휠셋당 10 g 미만의 무게 증가(업힐에서 약 0.05 W 미만의 차이)
8. 다시 두 회사의 주장으로
가장 빠른 스포크를 향해-1에서 봤던 두 회사의 스포크-니플 형상을 살펴보자. 아래에 각 회사의 스포크 단면을 실제로 관찰한 후 최대한 실물에 가깝게 그려놓았다. 또한, 1편의 사진에서 볼 수 있듯, D사는 히든니플을 사용하였고, M사는 일반 니플보다도 더 큰 익스터널 니플과 보통 사용되는 CX-ray보다도 더 긴 2.0 mm 둥근 단면 부분(즉, 짧은 블레이드)을 가지고 있다.
CX-ray 스포크와 더 넙적한 스포크를 사용한 D사와 M사. 이제 림에 가까운 쪽의 스포크와 니플이 명확히 보일 것이다.
스포크와 니플을 길이방향으로 쪼개어 각 요소들이 맞는 공기의 속력과 각 요소들의 형상, 두께, 너비등을 통해 해당 요소가 발생시키는 공기저항을 구할 수 있다. 이를 길이방향으로 적분하여 전체 휠에서 스포크와 니플이 만들어내는 공기저항을 추산*할 수 있으며, 이를 계산하기 위한 CdA(공기저항계수X단면적) 값의 상대치를 아래 그림에서 볼 수 있다.
스포크 블레이드의 두께가 얇아지고 폭이 넓어지며 D사의 것은 CX-ray보다 40% 이상의 CdA 감소, M사도 CdA 감소가 있었으나, 큰 익스터널 니플과 이어지는 긴 둥근 단면의 논에어로한 스포크 부분 때문에 예상되는 공기저항 감소는 CX-ray+익스터널 니플에 비해 크지 않다.
*실제 유체의 흐름, 층류-난류 분포, 위치에 따른 평균익현(Mean Aerodynamic Chord)의 길이 증가, 림 주변에서의 no-slip condition 등 수많은 변수가 존재하기 때문에 이런 단순한 해석으로 정확한 값을 계산하는 데에는 한계가 있으며, 경향성을 파악하기 위한 어림짐작이라 볼 수 있다. CFD(전산유체역학)으로도, 윈드터널로도 정확한 값을 구하는 데에는 한계가 있으며, 오직 필드에서의 수많은 비교 테스트를 통계적으로 본 것만이 믿을 수 있는 값이라고 할 수 있다.
위 추산에서 알 수 있듯 스포크의 형상을 에어로하게 만든다고 해도 익스터널 니플이 존재하거나 림 주변으로 에어로하지 않은 모양의 스포크가 길게 이어져있다면 일반적으로 쓰이는 에어로 스틸스포크에 히든니플을 사용한 것보다 에어로성능이 떨어질 수도 있다.
9. 우후죽순, 카본스포크
2020년경부터 휠랩의 답(DAAP)휠과 윈스페이스의 Hyper 휠을 시작으로 하나둘 사용되기 시작한 스포크 회사(H사)의 스포크가 이제 여러 회사의 중저가 휠에도 사용되고 있다. 해당 스포크는 나사산이 있는 카본 스포크 중에 가장 강한 강성과 강도, 높은 수준의 신뢰성을 가지며, CX-ray 수준의 스틸스포크를 사용하는 것보다 휠셋당 60~70 g의 무게를 스포크에서 줄일 수 있다(허브에서 10~50 g의 증량 필요).
이 스포크의 에어로성능은 어떨까? 아래의 그림과 실제 촬영된 사진에서 해당 스포크의 각 부분의 단면형상을 알 수 있다. 가장 오른쪽의 니플과 같이 생긴 부분은 사실 니플이 아니라 휠빌딩 시 스포크가 돌아가지 않도록 잡는 스포크홀더이기 때문에 림 안쪽으로 숨길 수 없는 부분이다. 또한 2.2 mm 지름인 논에어로 스포크 부분이 꽤 길게(약 23 mm) 이어져 있다. 이 부분을 줄이면 좋겠지만, 스포크의 제작 공정상 이 부분을 줄이는 데에는 한계**가 있다.
**신형 답(DAAP)을 개발하며 이 부분을 15 mm까지 줄였으며, 이 이상 줄이는 것은 현재로서는 불가능함
여러 휠 회사에서 사용 중인 H사 카본스포크의 단면. 오른쪽의 둥근 단면과 팔각형 단면 부분은 해당 스포크에서 필수적인 요소이며,
휠의 바깥쪽 부분에 존재하며 줄이거나 없앨 수 없어 공기저항을 발생시킨다.
여담으로 휠랩에서 해당 스포크를 사용하는 모델은 답(2021년식)과 답시그마이며, 두 모델 모두 앞 18개 뒤 18개의 적은 스포크 개수(보통 각 20~24개), 3개씩 그룹화된 스포크 배열을 통해 해당 논에어로 부분의 공기저항을 최소화했다. 36개 중 공기를 가장 먼저 맞는 스포크 12개를 제외한 24개의 스포크는 일반적인 스포크 배열에 비해 낮은 공기저항을 받음을 몇몇 논문들에서도 찾아볼 수 있다.
신형 답(DAAP)의 그룹화된 스포크 배열과 이와 거의 동일한 상황을 시뮬레이션한 논문.
해당 논문에서는 특히 가운데 스포크가 받는 공기저항이 많이 줄어들고, 마지막 스포크에서도 유의미한 공기저항 감소가 있었다.
출처: https://www.researchgate.net/publication/333257408_On_the_Interaction_of_Side-By-Side_Circular_Cylinders_in_Viscoplastic_Fluids
천소산 Ph. D. Cheon, Sosan
공학자, 사이클리스트, 휠 개발자, CEO
7. 히든니플, 2.5 W의 효과
지난 2편에서 히든니플 사용시 익스터널 니플에 비해 약 2.5 W의 공기저항 이득이 있다고 했다. 그렇다면 이는 얼마나 큰 차이일까? 이제는 흔히 볼 수 있는 여러 휠 풍동(윈드터널) 실험에서 감을 잡아볼 수 있다. 데이터를 살펴보면 시속 45 km기준 림높이가 10 mm 높아지면 공기저항이 약 6 W 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 히든니플이 주는 2.5 W의 공기저항 절감은 약 4 mm 높은 림을 사용하는 것과 같은 효과이며, 블레이드가 길 경우 6 mm 림높이 차이에 해당하는 정도이다.
50 mm 림에 히든니플을 사용하는 것으로 55 mm 휠과 거의 동일한 공기역학적 성능에 더 가벼운 휠을 만들 수 있다.
그렇다면 이러한 이득에도 불구하고 많은 제조사에서 익스터널 니플을 사용하는 이유는 무엇일까?
1. 히든니플은 스포크 나사산 부위의 꺾임을 쉽게 유발하기 때문에 스포크 파손 워런티를 발생시킬 가능성 존재
2. 알루미늄 히든니플은 익스터널 니플(아노다이징으로 부식이 쉽게 되지 않음)에 비해 부식되기 쉽고, 황동을 쓰자니 알루미늄 익스터널 니플에 비해 휠셋당 20~24 g의 무게증가 불가피
3. 히든니플은 타이어를 제거하지 않고 휠정렬이 불가능
4. 타이어베드에 스포크홀이 없는 휠을 만들기가 불가능(Bora Ultra와 같은 특수니플 제외), 림테이프 무게 추가
그럼에도 불구하고 히든니플의 성능 우위를 포기할 수 없기에 휠랩은 아래와 같은 방법으로 많은 경우 히든니플을 사용한다.
1. 정밀한 림 생산, 스포크 나사산 꺾임을 방지하기 위해 림 내부 표면을 특수제작한 공구로 연마
2. 알루미늄 히든니플에 산업현장에서 쓰이는 최고급 볼트부식방지제를 고열로 코팅 후 사용
3. 최대한 균일한 스포크장력 및 나사풀림방지제를 적용하여 정상주행 시 정렬이 틀어지지 않도록 하고, 휠 구조상 텐션이 낮아 휠정렬이 필요할 수도 있는 곳에 익스터널 니플 사용
4. 휠셋당 15~16 g인 전용 림테이프 사용, 타이어베드의 스포크홀 부분만큼의 카본이 없는 것을 감안하면 스포크홀이 없는 휠에 비해 휠셋당 10 g 미만의 무게 증가(업힐에서 약 0.05 W 미만의 차이)
8. 다시 두 회사의 주장으로
가장 빠른 스포크를 향해-1에서 봤던 두 회사의 스포크-니플 형상을 살펴보자. 아래에 각 회사의 스포크 단면을 실제로 관찰한 후 최대한 실물에 가깝게 그려놓았다. 또한, 1편의 사진에서 볼 수 있듯, D사는 히든니플을 사용하였고, M사는 일반 니플보다도 더 큰 익스터널 니플과 보통 사용되는 CX-ray보다도 더 긴 2.0 mm 둥근 단면 부분(즉, 짧은 블레이드)을 가지고 있다.
CX-ray 스포크와 더 넙적한 스포크를 사용한 D사와 M사. 이제 림에 가까운 쪽의 스포크와 니플이 명확히 보일 것이다.
스포크와 니플을 길이방향으로 쪼개어 각 요소들이 맞는 공기의 속력과 각 요소들의 형상, 두께, 너비등을 통해 해당 요소가 발생시키는 공기저항을 구할 수 있다. 이를 길이방향으로 적분하여 전체 휠에서 스포크와 니플이 만들어내는 공기저항을 추산*할 수 있으며, 이를 계산하기 위한 CdA(공기저항계수X단면적) 값의 상대치를 아래 그림에서 볼 수 있다.
스포크 블레이드의 두께가 얇아지고 폭이 넓어지며 D사의 것은 CX-ray보다 40% 이상의 CdA 감소, M사도 CdA 감소가 있었으나, 큰 익스터널 니플과 이어지는 긴 둥근 단면의 논에어로한 스포크 부분 때문에 예상되는 공기저항 감소는 CX-ray+익스터널 니플에 비해 크지 않다.
*실제 유체의 흐름, 층류-난류 분포, 위치에 따른 평균익현(Mean Aerodynamic Chord)의 길이 증가, 림 주변에서의 no-slip condition 등 수많은 변수가 존재하기 때문에 이런 단순한 해석으로 정확한 값을 계산하는 데에는 한계가 있으며, 경향성을 파악하기 위한 어림짐작이라 볼 수 있다. CFD(전산유체역학)으로도, 윈드터널로도 정확한 값을 구하는 데에는 한계가 있으며, 오직 필드에서의 수많은 비교 테스트를 통계적으로 본 것만이 믿을 수 있는 값이라고 할 수 있다.
위 추산에서 알 수 있듯 스포크의 형상을 에어로하게 만든다고 해도 익스터널 니플이 존재하거나 림 주변으로 에어로하지 않은 모양의 스포크가 길게 이어져있다면 일반적으로 쓰이는 에어로 스틸스포크에 히든니플을 사용한 것보다 에어로성능이 떨어질 수도 있다.
9. 우후죽순, 카본스포크
2020년경부터 휠랩의 답(DAAP)휠과 윈스페이스의 Hyper 휠을 시작으로 하나둘 사용되기 시작한 스포크 회사(H사)의 스포크가 이제 여러 회사의 중저가 휠에도 사용되고 있다. 해당 스포크는 나사산이 있는 카본 스포크 중에 가장 강한 강성과 강도, 높은 수준의 신뢰성을 가지며, CX-ray 수준의 스틸스포크를 사용하는 것보다 휠셋당 60~70 g의 무게를 스포크에서 줄일 수 있다(허브에서 10~50 g의 증량 필요).
이 스포크의 에어로성능은 어떨까? 아래의 그림과 실제 촬영된 사진에서 해당 스포크의 각 부분의 단면형상을 알 수 있다. 가장 오른쪽의 니플과 같이 생긴 부분은 사실 니플이 아니라 휠빌딩 시 스포크가 돌아가지 않도록 잡는 스포크홀더이기 때문에 림 안쪽으로 숨길 수 없는 부분이다. 또한 2.2 mm 지름인 논에어로 스포크 부분이 꽤 길게(약 23 mm) 이어져 있다. 이 부분을 줄이면 좋겠지만, 스포크의 제작 공정상 이 부분을 줄이는 데에는 한계**가 있다.
**신형 답(DAAP)을 개발하며 이 부분을 15 mm까지 줄였으며, 이 이상 줄이는 것은 현재로서는 불가능함
여러 휠 회사에서 사용 중인 H사 카본스포크의 단면. 오른쪽의 둥근 단면과 팔각형 단면 부분은 해당 스포크에서 필수적인 요소이며,
휠의 바깥쪽 부분에 존재하며 줄이거나 없앨 수 없어 공기저항을 발생시킨다.
여담으로 휠랩에서 해당 스포크를 사용하는 모델은 답(2021년식)과 답시그마이며, 두 모델 모두 앞 18개 뒤 18개의 적은 스포크 개수(보통 각 20~24개), 3개씩 그룹화된 스포크 배열을 통해 해당 논에어로 부분의 공기저항을 최소화했다. 36개 중 공기를 가장 먼저 맞는 스포크 12개를 제외한 24개의 스포크는 일반적인 스포크 배열에 비해 낮은 공기저항을 받음을 몇몇 논문들에서도 찾아볼 수 있다.
신형 답(DAAP)의 그룹화된 스포크 배열과 이와 거의 동일한 상황을 시뮬레이션한 논문.
해당 논문에서는 특히 가운데 스포크가 받는 공기저항이 많이 줄어들고, 마지막 스포크에서도 유의미한 공기저항 감소가 있었다.
출처: https://www.researchgate.net/publication/333257408_On_the_Interaction_of_Side-By-Side_Circular_Cylinders_in_Viscoplastic_Fluids
천소산 Ph. D. Cheon, Sosan