[논문]자전거 프레임의 소재 및 종류에 따른 피로특성

권경배; 정성균

doi:10.14346/jkosos.2017.32.5.8

Abstract ▼ AI-Helper

Bicycles are very popular sporting goods in these days. Thus, the durability of bicycles is very important for the safety of bicyclists. It is well known that a bicycle frame is a major component which is essential to the safety and performance of a complete bicycle. In this study, the durability of...

Bicycles are very popular sporting goods in these days. Thus, the durability of bicycles is very important for the safety of bicyclists. It is well known that a bicycle frame is a major component which is essential to the safety and performance of a complete bicycle. In this study, the durability of bicycle frames were experimentally investigated under the fatigue load. Eighty bicycle frames with different types and materials were prepared and tested according to EN standards. Three kinds of fatigue loads, that is, pedalling, vertical and horizontal fatigue load, which occur constantly during riding a bicycle, were applied to the bicycle frames. The experimental results show that the horizontal fatigue load was the severest mode to pass EN standard. The pass ratio of horizontal fatigue load test was 45.2%, while the pass ratio of vertical fatigue load test was 100%. Most of cracks were found at the right side of bottom bracket shell and at the intersection area between head tube and down tube. It seems that the experimental results can be applied to improve the safety and performance of a bicycle frame.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수직하중, 수평하중, 페달링 하중에 대한 자전거 프레임에 대하여 내구 시험을 수행하고, 프레임의 재질별, 종류별 특성을 분석하고자 한다. 본 연구의 결과를 토대로 피로하중에 취약한 부위를 파악하여 프레임의 구조해석과 설계에 활용한다면 자전거의 내구성을 높이고 파손을 방지하여 안전이 확보된 자전거 개발에 기여할 수 있을 것으로 본다.
본 연구에서는 완성자전거 성능과 안전을 결정하는 가장 중요한 부품인 프레임에 대한 내구성을 시험하였다. 도로용, 산악용, 생활용 프레임 80개에 대하여 페달링하중, 수평하중, 수직하중에 대한 내구성을 각각 시험하고 결과를 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 완성자전거 성능과 안전을 결정하는 가장 중요한 부품인 프레임에 대한 내구성을 시험하였다. 도로용, 산악용, 생활용 프레임 80개에 대하여 페달링하중, 수평하중, 수직하중에 대한 내구성을 각각 시험하고 결과를 분석하였다. 분석결과는 자전거 프레임 설계와 제작을 위한 재질선정, 구조해석, 취약부위 보강을 위한 자료로 활용할 수 있을 것이다.
1과 같이 고정하였다. 또한 체인 장력에 의한 영향을 고려해서 오른쪽 크랭크 암을 리어엔드와 연결하여 페달링 하중이 리어엔드로 전달되도록 유도하였다. 페달링 하중을 전달하는 크랭크 암은 페달링 하중이 가장 크게 걸리는 각도인 45도를 유지하도록 조정하였다^8,9,10).

대상 데이터

본 연구에 사용한 프레임 내구성 시험장비는 독일 자전거 시험연구소 EFBe사에서 제작한 프레임 내구성 시험장비인 DYNFG/DYNA/DYNS를 사용하였다. 현재 자전거 프레임 내구성을 시험하는 방법은 EN 규격에서 규정하고 있다.
생활용 23개, 산악용 41개, 도로용 16개 모두 80개 자전거 프레임에 대하여 EN 규격^8,9,10)기준으로 프레임 내구성을 시험하였다. 시편은 개발단계에서 제작된 시제품 30개, 시중에서 판매되는 대중적인 제품 가운데 자전거 전문판매점과 자전거 동호회 운영자 추천으로 선정된 국내 브랜드 제품 34개와 국외 브랜드 제품 16개를 선정하였다. 또한 재질별로 선호도가 높은 제품을 위주로 선정하였으나, 티타늄합금과 카본 복합재와 같은 고급 레저용 프레임의 경우 판매가격이 높아 시편 수를 충분히 확보하기 어려운 단점이 있다.
시험에 사용된 프레임은 Table 1과 같이 자전거 용도에 따라 생활용(CITY), 산악용(MTB) 그리고 도로용(ROAD)으로 구분하였고, 재질별로는 알루미늄합금, 카본복합재, 마그네슘합금, 스틸과 티타늄합금으로 구분하였다. 생활용 23개, 산악용 41개, 도로용 16개 모두 80개 자전거 프레임에 대하여 EN 규격^8,9,10)기준으로 프레임 내구성을 시험하였다.

성능/효과

스포츠 용품 산업은 그 특성상 제품 수명주기가 비교적 짧으며, 첨단소재를 이용한 끊임없는 제품개발이 요구되고 있는 기술집약적 산업이다.¹⁾ 특히 높은 수준의 성능이 요구되는 레저용 자전거 제품의 경우에는 브랜드 인지도보다는 제품이 가지는 성능과 가격이 구매를 결정하는 가장 중요한 요소로 작용하고 있다. 연구결과에 의하면 자전거를 구입할 때 고려하는 사항 가운데 품질이 58.
1. 수평하중 내구성시험에 대한 합격률이 가장 낮으며, 특히 수평하중 내구성이 가장 중요한 산악용 프레임의 합격률이 41.2%에 불과했다. 또한 티타늄합금과 마그네슙합금 재질의 프레임은 합격한 시편이 없을 정도로 수평 내구성에 취약한 특성을 보이고 있다.
2. 모든 형태의 프레임에 적용되는 페달링하중 내구성시험은 비교적 높은 합격률을 보이고 있으나, 바텀브라켓쉘 오른쪽에 집중적으로 크랙이 발생하는 형태를 보였다. 페달링 하중에 의한 응력이 좌우 비대칭적으로 가해져 발생되는 현상이므로, 프레임 연결구조 변경, 용접 비드를 최소화하는 용접설계 또는 비대칭형 바텀브라켓쉘 적용을 고려한 설계 및 제작을 고려할 필요가 있다.
3. 프레임 재질별 합격률의 경우 카본복합재 프레임과 알루미늄 합금 프레임의 합격률이 각각 100%, 75%로 가장 높았다. 반면 티타늄합금과 마그네슘합금 재질의 경우에는 합격률이 각각 10% 미만으로 큰 대조를 보이고 있다.

후속연구

본 연구에서는 수직하중, 수평하중, 페달링 하중에 대한 자전거 프레임에 대하여 내구 시험을 수행하고, 프레임의 재질별, 종류별 특성을 분석하고자 한다. 본 연구의 결과를 토대로 피로하중에 취약한 부위를 파악하여 프레임의 구조해석과 설계에 활용한다면 자전거의 내구성을 높이고 파손을 방지하여 안전이 확보된 자전거 개발에 기여할 수 있을 것으로 본다.
도로용, 산악용, 생활용 프레임 80개에 대하여 페달링하중, 수평하중, 수직하중에 대한 내구성을 각각 시험하고 결과를 분석하였다. 분석결과는 자전거 프레임 설계와 제작을 위한 재질선정, 구조해석, 취약부위 보강을 위한 자료로 활용할 수 있을 것이다. 자전거 프레임 내구성 시험결과는 다음과 같다.
도로용 자전거는 지면과 충돌하는 경우가 제한적이므로 전후방 수평하중을 모두 600 N으로 가한다^9,10). 시험 규격에서는 생활용 자전거의 경우에는 수평하중 내구성 시험을 생략하도록 규정하고 있는데, 이 부분은 추가적인 연구를 통해 규격 개정이 필요하다고 판단된다.
또한 재질별로 선호도가 높은 제품을 위주로 선정하였으나, 티타늄합금과 카본 복합재와 같은 고급 레저용 프레임의 경우 판매가격이 높아 시편 수를 충분히 확보하기 어려운 단점이 있다. 이는 연구의 제한점으로 향후 지속적인 후속 연구를 통하여 발전시켜야 할 부분이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페달링 내구성 시험결과로 크랙이 발생한 위치는 모두 오른쪽 바텀브라켓쉘인 이유는 무엇인가?	크랙이 발생한 위치는 모두 오른쪽 바텀브라켓쉘이다. 이는 자전거 크랭크(crank) 기어 위치가 오른쪽에 위치하므로, 페달링 하중에 의한 체인장력이 오른쪽 비비쉘에 작용하기 때문이다. Fig 4에서 보듯이 시트튜브와 만나는 지점에서 발생된 크랙이 앞쪽 다운튜브 방향으로 진행되는 형태를 보이고 있다.
	스포츠 용품 산업은 어떠한 산업인가?	골프와 함께 스포츠 용품시장에서 큰 비중을 차지하는 자전거 산업은 부품소재, 용품, 의류 및 신발 산업, 관광업 등 여러 산업과 관련이 깊으며 파급효과 또한 크다. 스포츠 용품 산업은 그 특성상 제품 수명주기가 비교적 짧으며, 첨단소재를 이용한 끊임없는 제품개발이 요구되고 있는 기술집약적 산업이다.1) 특히 높은 수준의 성능이 요구되는 레저용 자전거 제품의 경우에는 브랜드 인지도보다는 제품이 가지는 성능과 가격이 구매를 결정하는 가장 중요한 요소로 작용하고 있다.
	연구결과에 의하면 자전거를 구입할 때 고려하는 사항으로 무엇이 있는가?	1) 특히 높은 수준의 성능이 요구되는 레저용 자전거 제품의 경우에는 브랜드 인지도보다는 제품이 가지는 성능과 가격이 구매를 결정하는 가장 중요한 요소로 작용하고 있다. 연구결과에 의하면 자전거를 구입할 때 고려하는 사항 가운데 품질이 58.7%, 가격이 33.3%로 전체의 92.0%를 차지하고 있으며, 브랜드가 가장 중요하다는 응답은6.7%에 불과했다2).

참고문헌 (10)

K. B. Kwon, B. W. Ahn, G. W. Kang and S. K. Cheong, "The Establishment of Bicycle Frame Standard," Korea Institute of Sport Science, pp. 2-3, 2006.
B. W, Ahn, G. W. Kang, and K. B. Kwon, "The Research of Bicycle Industry," Korea Institute of Sport Science, pp. 22, 2006.
T. Y. Kim, M. S. Lee, W. Lim and H. K. Kim, "Evaluation of Fatigue Endurance for an MTB Frame", J. Korean Soc. Saf., Vol. 28, No. 3, pp. 1-7, 2013.
S. Y. Lee and N. J. Lee, ""A Study on Detection of a Critical Spot and the Securing Safety Method of CFRP Bicycle Forks by Finite Element Method", J. Korean Soc. Saf., Vol. 31, No. 6, pp. 1-5, 2016.
D. G. Wilson, "Bicycling Science," The MIT Press, pp. 357, 2004.
J. I. Lee, "A Study on the Design of Bicycle Safety System Equipment," J. of Korean Soc. of Mechanical Technology, Vol. 14, No. 4, pp. 97-98, 2012.
K. B. Kwon and H. Y. Kim, "The Structural Analysis of a Bicycle Frame for Optimum Design," Korea Institute of Sport Science, pp. 15-16, 49, 2008.
EN 14764, City and Trekking Bicycles - Safety Requirements and Test Methods, CEN, pp. 49-50, 2005.
EN 14766, Mountain-Bicycles - Safety Require- ments and Test Methods, CEN, pp. 48-51, 2005.
EN 14781, Racing Bicycles - Safety Requirements and Test Methods, CEN, pp. 47-48, 2005.

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