[신병철의 메커니즘] 자전거 완충장치①-스프링부터 '샥'까지

 
 
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자전거에서 가장 효과적이고 경제적인 완충장치는 '바퀴'이다.

과거, 노면상태가 매우 불량했던 점도 영향을 미쳤겠으나 공기타이어가 등장하기 전에 자전거 개발자들은 완충장치 발명에 많은 공을 들였다. 1860년대 본쉐이커는 안장이 판스프링으로 지지되고 있었고, 현대와 매우 유사한 풀 서스펜션 메커니즘도 1891년 세이프티 자전거가 막 인기를 얻는 와중에 등장했다.

▲ 최초의 풀 서스펜션 자전거 특허(1891년)
두 바퀴는 물론 안장까지 완충기능을 갖추었다. 당시 대부분의 자전거는 통고무 타이어(solid-rubber tire)를 장착하고 있었다. 언뜻 보기엔 그럴싸하지만 바텀브래킷(BB)에 페달링과 완충 진동이 한꺼번에 몰리는(상호 간섭과 응력집중) 잘못된 디자인이다. / 출처: Charles E. McGlinchey, US465599.
▲ 최초의 풀 서스펜션 자전거 특허(1891년) 두 바퀴는 물론 안장까지 완충기능을 갖추었다. 당시 대부분의 자전거는 통고무 타이어(solid-rubber tire)를 장착하고 있었다. 언뜻 보기엔 그럴싸하지만 바텀브래킷(BB)에 페달링과 완충 진동이 한꺼번에 몰리는(상호 간섭과 응력집중) 잘못된 디자인이다. / 출처: Charles E. McGlinchey, US465599.
1889년 던롭이 대량생산에 성공한 공기타이어가 빠르게 확산되면서(모든 세이프티가 공기를 밟고 주행하게 됨으로써) 사실상 모든 자전거가 만족스런 수준의 완충 기능을 지니게 되었고, 이어서 포장도로의 증설은 스프링 완충장치의 필요성을 급격히 떨어뜨렸다. 이로써 20세기 초 서구 국가에서 완충장치의 수요는 군용자전거에 국한되었다. 완충장치를 달면 구조가 복잡해지고 무게가 증가하는데, 일반적인 생활용자전거에서는 그만큼의 효과를 기대하기 어려웠던 것이다.

<b>미니벨로의 완충</b>

작은 바퀴를 달아 상대적으로 구름저항이 큰 미니벨로는 주행 중 완충장치를 필요로 하는 상황이 빈번할 수밖에 없다. 1930년대 경주용 리컴번트와 접이식 미니벨로가 등장했을 때, 완충장치는 이들의 주행에 많은 도움이 되었을 것이다. 그러나 '무게의 증가'가 문제였다. 부피와 무게를 감소시키기 위해 탄생한 '작은 바퀴 자전거 디자인'에 완충장치를 달면 무게를 다시 제자리로 되돌려놓는 꼴이었다.

이에 착안하여 개발된 콤팩트하고 가벼운 완충장치는 1962년 출시된 몰튼 미니벨로에서 발견된다. 차량용 고무스프링(rubber spring)을 연구하던 알렉산더 몰튼(Alexander Moulton)은 1959년 자신의 지식을 미니벨로의 완충에 적용하여, 3년간 개선을 거듭한 끝에 역사상 가장 유명한 자전거 디자인 중 하나를 완성했다.

▲ 몰튼의 첫 자전거 특허(1959년)
앞바퀴와 뒷바퀴 모두에 동일한 메커니즘의 고무스프링 완충장치를 적용했다. 여러 해 개선을 거쳐 출시될 때는 앞바퀴 고무스프링을 길게 늘려 핸들기둥 안으로 넣은 구조였다. / 출처: Alexander Eric Moulton, US3083039, 'Pedal Cycles'.
▲ 몰튼의 첫 자전거 특허(1959년) 앞바퀴와 뒷바퀴 모두에 동일한 메커니즘의 고무스프링 완충장치를 적용했다. 여러 해 개선을 거쳐 출시될 때는 앞바퀴 고무스프링을 길게 늘려 핸들기둥 안으로 넣은 구조였다. / 출처: Alexander Eric Moulton, US3083039, 'Pedal Cycles'.
굳이 몰튼 미니벨로가 아니더라도 현대에 완충장치가 없는 스트라이다와 에이바이크 또는 각종 미니스프린터들이 인기를 얻을 수 있었던 배경엔 '포장상태가 매우 좋은 도로'의 공이 컸으며, 특히 발전된 아시아 국가들의 도로는 세계에서 가장 포장상태가 좋다.

<b>산악자전거(MTB)의 완충</b>

미국의 자전거붐이 끝난 1970년대 말에는 통이 큰 바퀴를 단 오프로드용 자전거를 전문으로 제작하는 자전거 공방이 등장하기 시작했다. 그중에 개리 피셔(Gary Fisher)와 찰리 캘리(Charlie Kelly)가 세운 공방이 '마운튼 바이크(Mountain Bikes)'였다.

산악자전거(이하 'MTB')의 인기가 계속되면서 완충장치의 필요성이 다시 대두된다. 비탈길을 내려올 때는 중력이 동력원이므로 차체가 다소 무거워도 좋을 것이며, 내달리고자 하는 길이 험하기까지 하다면 주행 안정성을 높이기 위해 오토바이용 완충기인 '샥(shock absorber)'의 사용을 떠올려 볼 수 있다. 이런 아이디어를 최초로 현실화한 이는 1989년 미국의 폴 터너(Paul Turner)이다.

폴 터너가 오토바이 완충기를 개량하여 만든 자전거용 전방 완충기(앞샥)과 그 이전의 스프링 완충장치 사이의 차이점은 댐퍼(damper)의 유무다. 댐퍼는 스프링과 달리 흡수한 진동을 내부에서 소모한다. 터너의 발명은 '락샥(RockShox)' 브랜드를 탄생시켰다.

▲ 최초의 자전거 전방 완충기(앞샥) 특허(1989년)
양쪽의 포크 안에 스프링을 내장하고, 유체의 흐름을 제한함으로써 댐퍼 기능을 제공한다. / 출처: Paul H. Turner, US4971344, 'Bicycle with a front fork wheel suspension'.
▲ 최초의 자전거 전방 완충기(앞샥) 특허(1989년) 양쪽의 포크 안에 스프링을 내장하고, 유체의 흐름을 제한함으로써 댐퍼 기능을 제공한다. / 출처: Paul H. Turner, US4971344, 'Bicycle with a front fork wheel suspension'.
전방 완충기(앞샥)의 최초 특허, 그러니까 초창기 락샥 모델은 출원 후 23년이 지난 현재 공지된 기술로서 누구나 어디서든 복제 및 유통이 가능하다. 그러나 뒷바퀴 완충 영역의 주요 특허기술은 2000년대 들어서 나타나기 시작했기 때문에 구식 기술의 특허권이라도 만료되려면 10년을 기다려야 한다. 다음 편에서는 이 탐나는 아이디어들을 소개한다.


※ 본 연재물은 한국생산기술연구원 자전거종합연구센터(윤덕재 센터장)가 수행한 '자전거 특허기술 분석' 결과를 바탕으로 작성되었습니다.


신병철 객원기자: 기술 분석 전문가, (주)다이나필 대표

 

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