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글쓴이:
카일 러스, 생체역학 책임 엔지니어
웬디 옥스, 생체역학 선임 엔지니어
폴 하더, R&D 수석 엔지니어

도마니 카본의 진화: 아이소스피드(IsoSpeed)에서 5세대까지

상징적인 트렉 도마니 플랫폼은 세대를 거듭하며 진화해 왔지만, 그 핵심적인 특징은 변함없이 이어지고 있습니다. 도마니는 장거리 고속 주행을 즐길 수 있도록, 편안하고 자신감을 제공하며 효율적인 엔듀어런스 로드 자전거입니다.

1세대 도마니는 700x25c 타이어와 좁은 림 프로필을 잡아주는 림 브레이크를 중심으로 설계되었습니다. 제동력은 차치하고라도, 그 얇은 타이어들은 매우 높은 공기압을 필요로 했기 때문에, 당시 트렉의 엔지니어와 디자이너들은 부드러운 주행감을 위해 혁신적인 컴플라이언스 기술을 고안해 냈습니다. 그들은 그 기술을 ‘아이소스피드(IsoSpeed) 디커플러’ 또는 간단하게 ‘아이소스피드(IsoSpeed)’라고 불렀습니다. 아이소스피드(IsoSpeed)는 시트 튜브와 탑 튜브 사이에 비강성 접합부를 적용하여 시트 튜브가 당시의 전통적인 프레임에 비해 훨씬 더 많이 휘어지도록 함으로써 더욱 부드럽고 편안한 주행감을 선사했습니다.

이 기술은 상당히 효과적이어서 도마니는 파비앙 칸첼라라, 리지 데이그넌, 엘리사 롱고 보르기니와 같은 선수들이 전설적인 파리-루베 레이스에서 우승하는 데 일조했습니다.

트렉은 영광스럽게도 수년간 레이스에서 좋은 기록을 세워왔지만, 2012년 이후 자전거 기술은 상당한 변화를 겪었습니다. 유압식 디스크 브레이크가 림 브레이크를 대체하면서 더 큰 타이어를 장착할 수 있는 공간이 생겼습니다. 따라서 라이더들이 더욱 부드럽고 유능한 로드 라이딩을 추구하게 되면서 타이어 용량은 점차 증가해 왔습니다. 이러한 타이어 혁명은 복잡성은 줄이고 훨씬 가벼우며, 유사한 컴플라이언스를 유지하고, 페달링 강성은 향상된 자전거를 만들 수 있는 문을 열었습니다. 이렇게 5세대 도마니가 탄생하게 된 것이죠.

그림 1: 트렉 퍼포먼스 리서치 랩에서 테스트용 자전거 사이에 계측 장비를 옮기고 있는 카일 러스와 폴 하더.

도마니 5세대 전격 해부

도마니 5세대 디자인 팀은 라이더에게 전달되는 진동 에너지1를 제한하고, 페달링 강성을 향상시키며, 자전거 무게를 줄이자는 세 가지 목표를 염두에 두고 작업에 착수했습니다. 진동 에너지는 트렉 퍼포먼스 리서치 팀에서 거친 지형을 주행할 때 라이더에게 전달되는 에너지를 측정하는 데 사용하는 지표입니다. 그렇다면 아이소스피드(IsoSpeed) 기술이 적용되지 않은 자전거가 어떻게 편안한 주행감을 보장하면서도 향상된 페달링 강성을 제공할 수 있을까요? 그 답은 바로 시트포스트, 프레임, 타이어, 이렇게 세 가지 컴포넌트에 있습니다.

시트포스트 지오메트리와 카본 섬유 레이업은 수직 컴플라이언스와 측면 강성을 최적화하도록 설계되었습니다. 이 시트포스트는 내부 단면이 타원형으로, 강한 충격에 유연하게 휘어지고 자전거를 조종할 때 안장에 하중이 가해지면 측면 강성을 유지합니다.

그림 2: 사내 트레드밀에서 실시한 수직 컴플라이언스 테스트 동안 부드러운 주행감을 선사하는 5세대 도마니 시트포스트.

프레임 측면에서 레이업은 수직 컴플라이언스와 페달링 강성을 보장하도록 최적화되었습니다. 이 새로운 자전거는 투어 매거진 페달링 강성 테스트²에서 6% 개선된 결과를 도출하며, 5세대 도마니는 4세대 도마니와 8세대 마돈 사이에 해당하는 "이상적인 위치"에 자리잡았습니다. 궁극의 레이스 자전거만큼 하단 브래킷 강성이 단단한 것은 아니지만, 이전 도마니 플랫폼에 비해 페달로 전달되는 동력이 눈에 띄게 향상되었습니다.

그림 3: 5세대 도마니에 파워를 전달하는 모습.

수직 컴플라이언스 테스트는 빙산의 일각

역사적으로 프레임을 테스트 실험실 고정 장치에 고정하고, 안장에 무게추를 매달아서 프레임과 시트포스트에서 발생하는 전체적인 변형을 측정해 왔습니다. 이는 일반적인 관행이지만, 시스템에 휠과 타이어를 포함시키지는 않습니다. 또한 이 테스트는 실제 동적 하중이 아닌 정적 하중 방식을 적용합니다. 따라서 전체 시스템의 컴플라이언스를 측정하기란 특히 험준한 지형에서 페달링할 때 발생하는 역학적 특성을 반영할 때는 더욱 어려운 일이지만, 바로 여기에서 트렉 퍼포먼스 리서치 랩이 그 역할을 하게 됩니다. 트렉 퍼포먼스 연구소는 역동적인 페달링 환경에서 라이더와 자전거간 상호 작용을 연구하기 위해 설립되었습니다.

이 랩은 트렉 엔지니어들이 원하는 어떤 라이딩 표면이든 볼트로 설치할 수 있도록 맞춤형 슬랫 기반의 우드웨이 트레드밀을 중심으로 구축되었습니다. 이 기능을 통해 트렉은 자전거의 역학적 세부 사항을 파악할 수 있고, 이를 위해 트레드밀에 다양한 데이터 수집 도구를 페어링합니다. 3D 모션 캡처부터 자전거에 장착된 스트레인 게이지와 가속도계까지, 트렉 랩에서는 "충격부터 신체에 이르는 모든 것을 측정한다"고 말씀드리고 싶습니다. 이 기능을 활용하여 도마니 디자인 팀은 차세대 도마니가 퍼포먼스 목표를 달성할 수 있도록 보장할 수 있었습니다.

진동 에너지 측정

트렉 퍼포먼스 리서치 팀은 내부적으로 각 제품 개발 팀과 협력하여 편안함, 효율성 및 제어력과 관련된 연구 질문에 대한 답을 찾을 수 있도록 돕습니다. 편안함은 주관적인 인상이나 느낌이기 때문에, 트렉은 자전거를 편안하게 만드는 요소를 데이터를 토대로 분석함으로써 프로토타입을 기존 트렉 자전거는 물론 경쟁사 자전거와도 비교할 수 있도록 노력합니다.

데이터 수집 관점에서 편안함에 대한 트렉의 정의는 원칙적으로 매우 간단합니다. 바로 특정 속도, 지형 및 자전거3 조건에서 라이더에게 전달되는 진동 에너지를 줄이는 것입니다. 원칙적으로 간단하기는 하지만, 진동 에너지를 포착하는 방법은 상당히 정교합니다.

그림 4: 또 다른 테스트 주행을 위해 자전거와 라이더를 준비시키고 있는 폴 하더와 웬디 옥스.

4세대와 5세대 도마니에는 힘 감지 안장과 핸들바가 장착되었습니다. 접촉점에서 힘을 측정하고 동일한 위치의 가속도계에서 도출한 속도값을 적분함으로써 각 접촉점을 통해 라이더에게 전달되는 파워를 계산할 수 있습니다. 이 방법으로 4세대와 5세대 자전거를 지속적으로 비교하여 거친 표면에서 시속 약 12km~32km/7~20마일의 여러 속도와 다양한 타이어 공기압을 적용하여 테스트하였습니다.

32mm 및 35mm 타이어에 대한 권장 공기압은 표면 상태, 자전거 및 라이더 무게, 타이어 사이즈, 타이어 구조를 고려하는 울프 투스 공기압 계산기를 사용하여 설정되었습니다. 압력 범위는 권장 압력에서 ±20%를 적용하여 설정했습니다. 700x25c 타이어와 비교하기 위해 이전 데이터를 토대로 튜브형 타이어의 권장 공기압을 적용했습니다.



그림 5: 트레드밀의 거친 표면에서 약 90kg/200파운드의 라이더 및 자전거 시스템 무게에 대한 진동 에너지.

위 그래프는 고압 25mm 튜브형 타이어가 주를 이루던 시대에 아이소스피드(IsoSpeed)가 상당한 역할을 했음을 보여줍니다. 아이소스피드(IsoSpeed) ​​기술이 적용되었더라도 25mm 타이어를 사용할 경우 진동 에너지 전달은 아이소스피드(IsoSpeed) ​​기술이 적용되지 않은 5세대 모델보다 19% 더 높습니다. 32mm 타이어에서 35mm 타이어로 바꾸면 타이어의 내부 표면적이 약 10% 증가합니다%. If pressure is kept the same, the total outward force acting on the tire casing therefore increases by 10%. 이 점을 염두에 두고 32mm 타이어와 35mm 타이어 사이에서 타이어 케이싱에 작용하는 외력을 일정하게 유지하려면 압력을 10% 낮춰야 합니다.

이렇게 함으로써 5세대 도마니는 아이소스피드(IsoSpeed)가 적용된 4세대 자전거의 진동 에너지와 5% 이내의 차이를 보이게 됩니다. 유지보수가 필요한 아이소스피드(IsoSpeed)를 제거하고도 292g이나 더 가벼워진 자전거치고는 나쁘지 않습니다. 물론 도마니는 연구소에서만 테스트를 거친 것은 아닙니다. 이 글을 쓰는 시점에, 사전 생산된 5세대 모델은 테스트 라이더들이 400시간 이상, 9,656km/6,000마일 이상을 주행하며 테스트를 완료한 것입니다.

라이더와 자전거의 움직임 측정


자전거가 큰 힘과 작은 힘, 가속도, 결과적으로 진동 에너지를 발생시키는 험준한 지형에 어떻게 반응하는지 조사하기 위해, 3차원 동작 캡처 기술, 즉 “모캡”을 사용합니다. 12대의 OptiTrack PrimeX 22 3차원 적외선 카메라를 사용하여 라이더와 자전거의 움직임을 포착하면서 4세대 및 5세대 도마니가 트레드밀에서 어떻게 반응하는지 살펴보았습니다.

그림 6: 3차원 움직임을 포착하고 있는 웬디 옥스.

자전거의 각 부분에 반사성 마커를 부착하여 자전거의 다양한 부분들이 3차원 공간에서 지형의 자극에 어떻게 반응하는지 확인할 수 있도록 하였습니다. 섀시의 부드러움(즉, 자전거가 얼마나 부드럽게 주행하는지) 측면에서, 하단 브래킷 주변의 마커를 살펴봅니다. 라이더의 안장 감각을 이해하기 위해 골반과 안장의 움직임을 살펴봅니다. 간단히 말해서, 승차감이 부드러울수록 골반과 안장이 더 잘 "밀착"되어 있는 것입니다. 달리 말하면, 거친 지형에서 라이딩할 때 안장이 라이더를 튕겨 올리면서 골반과 안장이 서로 떨어지는 현상이 발생할 수 있습니다. 아니면 대안으로 라이더가 안장에서 몸을 살짝 들어 올려 주행감을 부드럽게 할 수 있지만, 이는 상당히 큰 체력 소모가 동반됩니다.

아래 그래프는 32mm 타이어를 장착한 4세대 도마니와 35mm 타이어를 장착한 5세대 도마니의 시속 32km/20마일 속도에서의 랩 앙상블 평균(즉, 트레드밀 랩당 평균 변위)을 보여줍니다. 랩 간 표준 편차는 곡선 주변에 살짝 음영으로 처리되어 표시됩니다. 곡선 아래의 음영 영역은 투명한 파란색과 노란색으로 채워져 있으며, 녹색은 겹치는 영역을 나타냅니다. 이러한 경향은 모든 속도에서 동일하게 나타나지만, 여기서는 지형에서 자전거의 최대 수직 변위를 볼 수 있는 시속 32km/20마일에 초점을 맞추어 살펴보겠습니다. 보시다시피, "섀시의 부드러움" 또는 수직 하단 브래킷 변위의 차이는 0.08mm인 반면, 안장-천골 사이의 변위, 즉 "밀착도"는 0.11mm밖에 차이가 나지 않습니다. 즉, 5세대 자전거와 4세대 자전거의 반응 차이는 거의 구별할 수 없는 수준입니다.



그림 7: 하단 브래킷 및 안장-천골 변위의 3D 모션 캡처 랩 앙상블 평균

결론


5세대 도마니는 더 가볍고 심플한 카본 로드 자전거로, 시트포스트와 프레임의 지오메트리 및 카본 섬유 레이업, 35mm 타이어 사양* 덕분에 부드럽고 효율적인 주행감을 제공하겠다는 약속을 충실히 지킵니다. 5세대 도마니는 기존에 사랑받아 온 엔듀어런스 로드 자전거 지오메트리와 핏을 그대로 유지함으로써, 라이더에게 처음부터 도마니를 정의해 온 편안함, 자신감, 효율성을 선사합니다.

*SLR 9 AXS 1x를 제외한 모든 모델에 35mm 타이어 클리어런스가 기본 사양으로 제공됩니다.

인용:
1. Drouet J-M, Covill D, Leroux M, Richard S(2022). On metrics to assess road bicycle dynamic comfort during impacts(충격 시 로드 자전거의 동적 승차감을
평가하기 위한 지표에 관하여). Sports Eng 25:1. https://doi.org/10.1007/s12283-021-00366-x
2. Tour Magazine Pedaling Stiffness Test(투어 매거진 페달링 강성 테스트): https://www.tour-magazin.de/en/buying-advice/components/how-tour-tests/how-tour-tests-the-tour-road-bike-test-in-detail/
3. 트렉 체크아웃 백서: https://www.trikbikes.mom/us/en_US/checkout-full-suspension-science/