1. 개요
매뉴얼을 읽다보면 흔히 5Nm, 8Nm 등으로 써진 규정토크를 접하게 됩니다. 그러나 "토크(Torque)"라는 것이 다소 생소한 용어라서 이해하기가 어려운 측면이 있습니다.
토크는 말하자면 나사를 얼마나 강하게 조이는지에 대한 척도입니다. 나사를 너무 약하게 조이면 금새 풀어질 것이고, 너무 강하게 조이면 부품이 망가지기 쉽습니다.
자전거의 대부분의 부품이 나사로 연결되고, 이 나사의 성능에 있어서 조임강도는 필수적인 요소이므로 토크를 이해하고 규정값을 지키는 것은 중요합니다.
2. 토크란 무엇인가
토크는 흔히 "회전력"이라는 말로 표현됩니다만, "힘"과는 별개의 단위입니다. 또, 토크의 단위는 Nm로 에너지의 단위와 같지만 에너지와도 별개의 단위입니다. 토크는 어떤물체를 얼마나 강하게 회전시키는가에 대한 척도입니다.
미닫이문을 열때 문 손잡이를 잡고 여는데, 손잡이는 대부분 경첩의 반대편에 붙어있습니다. 만약 문 손잡이가 경첩이 있는 쪽에 붙어있다면 문을 열기가 매우 힘들어질 것입니다. 이와같이 물체를 잘 회전시키려면 가하는 힘도 커야하지만 회전축으로 부터 거리도 멀어야 합니다.
따라서 토크는 아래와 같이 정의됩니다.
3. 토크 적용하기
예를 들어서 싯포스트 클램프 볼트의 규정토크가 7Nm 라고 해봅니다. 이때 아래와 같이 실제 필요한 힘을 계산할 수 있습니다.
7 N m = 7N × 1m
= 7 × (0.1kg중) × (100 Cm)
= 7 (kg중) × (10 Cm)
즉 10cm의 축거리에서 7kg의 무게로 나사를 조이는 것과 같습니다. 마찬가지로 8Nm라면 10Cm의 거리에서 8kg의 무게로 나사를 조이는 것입니다.
(사진은 나사를 푸는 방향이네요. 양해바랍니다.)
또 BB셸은 일반적으로 40 ~ 50Nm 의 토크를 권장하는데 이는 10cm 의 거리에서 40 ~ 50kg의 무게로 조이는 것입니다. 이는 매우 큰 힘이므로 수월하게 조일 수 있도록 BB공구는 길이가 길게 되어있습니다. 즉 회전축으로부터 20cm의 거리에서라면 힘은 절반 값인 20 ~ 25Kg의 무게로 조이면 되는 것입니다.
토크랜치를 사용하면 간편히 조임토크를 확인할 수 있습니다.
4. 나사가 받는 힘
나사는 두가지의 지렛대의 작용을 받게 됩니다. 한가지는 렌치의 사용으로 작용팔을 길게 하는 것이고 또 하나는 나사산의 경사짐으로 인한 지렛대 작용입니다. 따라서 렌치에 작용하는 힘이 작더라도 나사가 직접 받게 되는 힘은 매우 큽니다.
나사가 길이 방향으로 받는 힘에 대해 아래와 같은 식을 유도할 수 있습니다.
이와같이 작은 싯포스트 나사 하나에 작용하는 힘은 어른 6.5명의 무게와 같습니다.
5. 나사산의 방향
일반적인 나사는 모두 오른나사로서, 나사를 시계방향으로 회전하면 조여지게 됩니다. 그러나 사이클에는 왼나사가 두 개 있는데 바로 오른쪽 BB셸과 왼쪽페달고정 나사가 되겠습니다.
이렇게 왼나사가 사용되는 이유는 주행중 나사가 저절로 풀리는 현상을 방지하기 위함입니다.
회전부위의 나사가 저절로 풀리거나 조여지는 이유에 대해 시마노 홈페이지에서는 아래 그림처럼 볼베어링의 반작용 때문이라고 하였습니다.
사진 : 시마노기술자료
그러나 저의 생각은 이와는 전혀 다른데 자세한 내용은 아래 글을 참고하세요. 핵심은 회전축의 세차(Precession)때문이라는 것입니다.
力道CLUB-회전부위의 나사산 방향에 대해
어쨌든 BB나 페달의 나사산 방향에 대하여는 아래와 같이 숙지하시면 도움이 될 것입니다.
왼쪽, 오른쪽에 관계없이
* BB를 풀때는 앞바퀴쪽으로 돌리고, 조일때는 뒷바퀴쪽으로 돌립니다.
* 페달을 풀때는 뒷바퀴쪽으로 돌리고, 조일때는 앞바퀴쪽으로 돌립니다.
또는 BB나 페달에 관계없이
* 풀때는 주행시 회전되는 방향으로 돌리고, 조일때는 주행시 회전되는 반대방향으로 돌립니다.
6. 나사사용에 관한 조언
(1) 나사가 받는 힘을 적절하게 유지하도록 규정토크를 지켜주어야 합니다.
제품 보호를 위해 규정토크보다 약하게 조이는 경우도 있고 강한 고정을 위해 규정토크보다 강하게 조이는 경우도 있습니다. 한가지 중요한 사실은 대부분의 경우 규정토크 이상으로 조이더라도 더 강하게 고정되는 것은 아니라는 사실입니다.
예를 들면 핸들바가 자꾸 고개를 숙인다는 이유로 규정토크보다 강하게 조이는 경우가 있습니다. 규정토크를 넘기게 되면 핸들바의 스템연결부분이 구조적인 변형을 겪게 되고 심하면 찌그러지게 됩니다.
이렇게 과한 힘으로 조이더라도 마찰력은 증가하지 않기때문에 라이더는 습관적으로 강하게 조이게 되고 결국 핸들바를 망가뜨릴 수 있습니다.
또 특히 헤드셋 캡 나사의 경우 규정토크가 1~3Nm로 매우 작은 값입니다. 그러나 다른나사와 동일하게 취급하여 강하게 조이는 경우가 있습니다. 이 나사를 조이면 헤드셋 베어링에 직접적인 압력을 가하므로 해드셋의 성능과 수명에 큰 영향을 미칩니다.
예를들어 규정토크가 2Nm 인 해드셋 캡 나사를 5Nm의 토크로 조였다면 나사와 베어링은 추가 1.5배의 힘을 더 받는 것으로 이는 마치 쌀 한가마니를 들 수 있는 사람에게 쌀 2.5가마니를 얹은 형상이 되는 것입니다.
최근 출시되는 헤드셋중에는 캡의 나사규격을 3mm등 작은 것을 사용하여 이러한 문제를 원천적으로 해결하려는 시도가 보입니다.
(2) 나사산은 항상 깨끗하게 유지하고 그리스 등으로 윤활하여야 합니다.
윤활하는 것은 나사산의 마찰계수를 크게 줄입니다. 매뉴얼상의 규정토크는 잘 윤활되어있는 경우에 해당하는 값입니다. 즉 윤활되지 않은 나사를 규정토크대로 조이는 것은 필요한 강도보다 약하게 조여지는 것을 의미합니다.
그렇다고 필요한 강도가 되도록 더 강하게 조인다면 윤활되지 않은 나사산 표면은 무리한 힘을 받게 됩니다. 예를 들면 싯포스트 나사산은 뒷바퀴에서 떨어져 나온 흙으로 쉽게 오염됩니다. 이렇게 오염된 나사는 같은 힘으로 조여도 마찰로 인해 약하게 조여지기 때문에 싯포스트가 주행중 조금씩 내려갈 수 있습니다. 따라서 라이더는 이것을 방지하기 위해 싯포스트 볼트를 습관적으로 더 강하게 조이게 되고 심할경우 나사가 끊어지기도 하는 것입니다.
(3) 제조사에서 제공된 원래의 나사를 사용하여야 합니다.
경량화를 위해 나사를 알루미늄 등으로 바꾸는 경우가 종종 있습니다만 이것은 제품에 치명적인 결함이 될 수 있습니다.
나사마다 무게와 재질의 강도, 기타 특성, 제원등이 다릅니다. 강도의 특성은 무게의 특성보다 더욱 중요한 요소입니다. 알루미늄이나 티타늄 나사는 강철에 비해 가볍기는 하지만 그 강도가 약하여 나사의 재료로는 잘 쓰이지 않습니다.
예를들면 시마노, 캄파뇰로등의 최상급부품들은 깎아낼 수 있는 모든 부분을 깎아내고, 가벼운 재료를 적극적으로 사용하는등 경량화를 위해 최선을 다 합니다. 이렇게 단 몇그람을 줄이기 위해 노력하는 제품에도 알루미늄이나 티타늄 나사는 제한적으로만 사용됩니다. 이는, 강도는 무게를 위해 희생할 수 없는 요소이기 때문입니다.
또한 티타늄의 경우 cold welding (냉간용접 : 접촉된 금속끼리 들러붙는 현상) 이 잘 일어나는 금속으로 가능한 전용 그리스를 사용하여야 합니다.
이러한 나사를 단지 경량화를 위해 교체하는 것은 내구성에 좋지 않으며 위험하기까지 합니다.
(4) 랜치는 손으로만 사용하도록 합니다.
렌치를 다른 공구 등으로 길이를 연장하여 사용하는 것은 좋지 않습니다.
랜치의 길이는 사람이 가하는 힘에 비추어 공구나 나사에 적절한 힘이 가해지도록 계산된 것입니다. 예를 들면 굵은 렌치일수록 길이가 길고 가는 렌치일수록 길이가 짧습니다. 이는 큰 힘이 필요한 곳에는 굵은 나사를 사용하기 때문입니다.
따라서 임의로 길이를 연장한다면 나사와 부품에 필요이상의 힘을 가하게 될 가능성이 큰 것입니다.
출처: DOSSA (www.corearoadbike.com), 작성자: 임정민(역도부)