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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.6 pp.51-58
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.06.051

Study on Frame Stiffness based on Lamination Pattern of Carbon Bicycle Frame Materials

Ung-Jae Choi*,**, Hong-Gun Kim**,***, Lee-Ku Kwac**,***#
*Win&Win Co.,Ltd.
**Department of Carbon Convergence Engineering, Jeonju University
***Department of Automotive and Mechanical Engineering, Jeonju University
#Corresponding Author : kwac29@jj.ac.kr Tel: +82-63-220-3063, Fax: +82-63-220-3161
11/04/2021 14/04/2021 15/04/2021

Abstract


The notion of leisure has changed with industrial development and improvement in life quality. Bicycling is a healthy sport; it is an exercise performed while enjoying nature. There have been many changes in the materials that are used to manufacture the bicycle frame. Iron and aluminum have been mainly used in bicycle frames. However, carbon-based materials are lighter and stronger than metal frames. The bicycles made of carbon composite changes frame rigidity depending on the direction of the carbon sheet sacking angle. We study the direction of composite material and how they affect the stiffness of frames based on the stacking angle.



카본 자전거 프레임 소재의 적층 패턴에 따른 프레임 강성 연구

최 웅재*,**, 김 홍건**,***, 곽 이구**,***#
*(주)윈엔윈
**전주대학교 탄소융합공학과
***전주대학교 기계자동차공학과

초록


    National Research Foundation of Korea(NRF)
    No. 2016R1A6A1A03012069

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    첨단소재 기술의 발전으로 인하여 자전거 프레 임의 재료가 철과 알루미늄 등의 금속 재질에서 점차적으로 카본섬유 등의 경량화 소재로 바뀌어 가면서 다양한 형태의 혁신제품 등이 개발되어지 고 있다[1].

    일반적으로 자전거의 디자인은 공기역학적 형태 를 기반으로 진화를 거듭해 나갔으며 항공기나 F1 레이싱카 설계와 마찬가지로 풍동실험과 컴퓨 터 시뮬레이션을 통해 설계된 자전거들이 조금씩 등장하기 시작했다. 실력이 비슷한 싸이클 선수의 경우 공기저항이 적은 자전거를 탔을 때 상대적으 로 우수한 기록이 나오기 때문에 자전거 제작자들 은 심혈을 기울여 Aero 형상이 적용된 자전거를 개발하고 있다.

    그러나 UCI(국제사이클링연맹)은 이러한 지나친 Aero Dynamics 디자인이 선수들의 실력 보다는 자 전거의 성능 개선에 초점을 맞추고 있다는 문제를 제기하게 된다. 따라서, 자전거 프레임의 각각의 튜브는 80mm 사각 박스 내에서 설계가 이루어져 야 하며 BB(Bottom Bracket)의 축은 체인스테이와 싯트튜브 그리고 다운튜브의 80mm 박스 내부에 있어야 한다는 설계 규정을 정해놓았다.

    현재 싸이클 과련 종목은 스포츠 종목 중 중요 한 위치를 차지하고 있으며 하계 올림픽 정식 종 목으로서 총 18개의 메달을 확보할 수 있으며 이 는 육상과 수영 다음으로 메달수가 많은 수치이다. 다른 경기 종목과는 다르게 사이클 경기는 장비의 의존성이 상대적으로 큰 종목으로서 선수의 경기 력과 함께 장비 성능이 경기 결과에 중요한 요인 으로 작용하고 있다.

    현재 우수한 성능의 프레임과 부품을 개발하기 위하여 스포츠 강국에서는 매년 치열한 경쟁을 벌 이고 있다. 특히 자전거 성능에 가장 큰 영향은 주는 프레임은 힘 전달성, 직진성, 코너링, 가속성 등의 자전거 성능을 결정하는 핵심부품이다[2].

    선수는 기록향상을 위해 자신의 신체에 적합한 프레임 규격을 선택하고 완성차에 구성되어 있는 컴퍼넌트(스템, 핸들바, 싯트 포스트, 안장, 크랭크 암)의 크기를 선택하여 자신의 신체에 최적화 될 수 있도록 피팅 과정을 거친다.

    제조사별 프레임의 규격은 XXS size, XS size, S size, M size 그리고 L size로 크게 구분하고 사 이즈별 신장에 따른 권장 규격을 제시하고 있으 며, 더욱 세분화된 프레임의 지오메트리 즉 탑 튜 브길이, 싯트 튜브길이, 체인 스테이길이, 헤드각 도와 길이, 싯트 튜브의 각도, BB Drop, Reach, Stack 그리고 휠베이스와 같이 구체적인 수치를 제공하여 선택할 수 있도록 도움을 주고 있다.

    그러나 자전거 프레임은 외형적인 규격에 대해 서 매우 세분화하여 정보를 제공하고 있지만 프레 임의 강성에 대해서는 정보를 제공하고 있는 제조 사는 전무한 상태이다. 이와 다르게 골프의 경우 드라이브 샤프트의 강성에 따른 비거리 및 방향성 에 대한 분석을 통하여 사용자의 남성과 여성 그 리고 사용자의 신체적인 힘에 따라 세분화하여 사 용자의 힘과 기술에 따라 샤프트를 선택할 수 있 도록 많은 연구가 진행되고 있다[3,4].

    현재 카본 자전거 프레임은 일방향 탄소섬유 및 유리섬유 등을 150 ~ 250장 정도를 제단하고 이를 적층하여 하나의 프레임을 완성하고 있는 형태이며 섬유의 적층패턴을 달리하여 자전거 프레임의 부위 별 강성과 강도를 보완하고 있지만 이에 대한 정확 한 데이터를 제공하고 있지 못하고 있는 실정이다.

    따라서, 본 연구에서는 프레임을 구성하는 탄소 소재의 적층 방향에 따른 복합재 시험편의 강도 측정을 진행하고 이를 바탕으로 탄소 프레임의 제 작하여 자전거 프레임의 가장 중요 인자인 Bicycle Torsional Stiffness와 B.B(Bottom Brake) Stiffness의 측정을 진행하여 적층 형태에 따른 강도 및 강성 을 수치화하고자 한다.

    2. 시험편 제조 및 시험방법

    2.1 탄소소재 및 프레임 구성

    자전거 프레임에 사용된 탄소섬유 프리프레그는 Toray社의 T800SC-2400 Carbon Fiber를 사용하여 제 조된 UD(Uni-Direction) Prepreg(WMCP100NS)를 사용 하였으며, UD Carbon Prepreg에 대한 물성은 ASTM D3529 규격을 바탕으로 하여 측정된 단위면적당 섬 유중량 FAW(Fiber Content/Areal Weight), 수지함량 R/C(Resin Content) 그리고 섬유부피분율 VF(Volume of Fiber)으로서 데이터는 Table 1과 같다.

    또한, 본 연구에서 적용하고자 하는 자전거 프레 임은 용접이 되지 않는 탄소섬유 특성상 연결부품 에 끼워 고정시키는 Lug 형태이며 프레임 중 Top tube, Seat Tube, Down Tube에 대하여 소재 적용을 하고자 한다. 관련 프레임의 구성은 Fig. 1과 같고 설계 규격은 Table 2와 같다.

    2.2 시험편 제조 및 시험방법

    탄소복합재 판넬의 경우 Auto-Clave 방법을 통해 120℃에서 90min의 경화시간과 Auto-Clave 압력 5bar(진공압 0.2MPa)의 조건으로 성형을 진행하였으 며 성형 싸이클은 Fig. 2와 같고 적층 패턴의 경우 Table 3에 나타냈다[5-9].

    기계적 강도 시험항목에 따라 인장시험편, 압축 시험편, 굴곡시험편은 각각 ASTM D 3039, ASTM D 6641, ASTM D 790 규격에 의거하여 Diamond Saw를 사용하여 가공하였으며 시험에 사용된 재료 만능시험기는 Shimadzu 의 AG-X Plus 모델을 사 KSMPE-20-6-51_img1.gif용하였고 120Ω, Gage Length 5mm의 스트레인 게 이지를 부착하여 진행하였다.

    2.3 프레임 제조 및 시험방법

    본 연구에서 주안점으로 보고 있은 자전거 프레 임의 Top Tube, Seat Tube, Down Tube의 경우 탄소 복합재 시험편에 사용된 탄소 프리프레그를 동일하 게 사용하였으며 프리프레그를 맨드릴 몰드 위에 롤링하는 방식인 맨드릴 롤링 공법으로 제작하였으 며 각 부위의 위치와 파이프 내경, 외경 그리고 파 이프 벽 두께는 Fig. 4와 Table 4에 나타냈다.

    맨드릴 공법을 적용한 파이프제작 순서는 재단-롤 링-탭핑-경화-맨드릴 탈심-샌딩 공정으로 진행되었 으며 파이프 경화 조건은 오븐에서 130℃, 50min 경화조건으로 진행되었다.

    Fig. 5의 경우 파이프의 제작과정을 나타내며 Table 5, Table 6의 경우 각 파이프의 적층패턴에 대한 정보를 나타냈다. 제작된 파이프는 Geometry 에 맞게 길이를 컷팅 하였으며 각각의 파이프에 대 한 중량을 측정하여 이를 Table 7에 나타냈다.

    사용된 탄소섬유 프리프레그 소재의 편차, 성형 과정에서 수지 빠짐, 샌딩 과정 등에 따라 중량이 다소 차이가 발생되었지만 이는 최대 9g으로 결과 반영에 미비한 수준으로 판단하였다.

    BB Stiffness와 Torsional Stiffness를 측정하기 위 하여 Fig. 6와 같이 후삼각 부분이 결합된 부품에 Top Tube, Seat Tube, Down Tube를 Lug 형태로 조 립하였다.

    실험 측정은 파이프의 적층 패턴별 강성을 측정 하고 기록하였으며 독일 EFBe社의 BB Stiffness Measurement, Torsional Stiffness Measurement를 적용 하였다. BB Stiffness 측정기준은 Fig. 7(a)와 같이 Rear hanger부분과 Head Tube부분을 고정한 상태에 서 Fig. 7(b)와 같이 BB 중심에서 150mm 떨어진 위 치에 80kg의 추를 올렸을 때의 프레임 변위량을 측 정하는 방식으로 프레임의 기울기는 67도이다.

    Torsional Stiffness 측정방식의 경우 Fig. 8(a)와 같이 BB와 Seat Tube 부분을 고정한 상태에서 Fig. 8(b)와 같이 Head Tube 중심에 지지대를 고정하고 지지대 중 심에서 250mm 떨어진 지점에 30kg의 추를 올려놓은 상태에서 변위량을 측정하는 방식으로 진행하였으며 각각의 측정은 프레임별 5회 실시하였다.

    3. 시험결과 및 고찰

    3.1 탄소복합재 시험편 결과

    탄소복합재의 기계 물성 시험결과 강도와 Modulus 값이 0도로 제조된 시험편에서 현저히 높은 값을 나타냈으며 인장의 경우 Fig. 9, 10, 압 축의 경우 Fig. 11, 굴곡의 경우 Fig. 12에 나타냈 다. 이러한 결과는 향후 유한요소해석을 위한 자 전거 프레임의 ISO 4210규격에 의한 BB Pedaing loading Fatigue Test(내구성특성평가)를 위한 Law 데이터로 활용 가능할 것으로 판단하였다.

    3.2 파이프 패턴별 프레임 강성측정 결과

    프레임을 구성하는 주요 부위 Top Tube, Seat Tube 그리고 Down Tube의 소재적층 각도에 따른 프레임 BB Stiffness와 Torsional Stiffness의 결과는 각각 아래의 식(1), (2)를 적용하여 도출하였다.

    K B = 79.49 × 9.81 δ B
    (1)

    • δB Measured load displacement

    • KB Stiffness coefficient

    K T = 4.88 × 9.81 δ T
    (2)

    • δT Measured load displacement

    • KT Torsion rigidity coefficient

    위 식(1)은 BB 페달링 강성 계산식이며, 식(2)는 비틀림 강성을 측정하는 식이다[10]. Table 9 ~ Table 12는 각각 앞서 측정한 적층 패턴별 변위 데이터 결과값이며 Table 13, Table 14는 식 (1), (2)를 적용 한 각각의 강성값을 나타내고 있다.

    시험 결과, BB Stiffness는 ±45/0/±45/0/±45〈 0/0/0/0/0 〈 ±30/0/±30/0/±30 〈 90/0/90/0/90 의 순 서로 BB 강성이 강하게 측정되었으며, 가장 낮은 수치를 나태내는 ±45도 패턴을 기준으로 각각 12.13%, 26.13%, 37.14%씩 증가되었다.

    Torsional Stiffness의 시험결과는 90/0/90/0/90〈 ±30/0/±30/0/±30 〈0/0/0/0/0〈±45/0/±45/0/±45의 순 서로 Head 비틀림 강성이 강하게 측정되었으며, 가장 낮은 수치를 나타내는 90도 패턴을 기준으로 각각 6.29%, 17.98%, 126.5%씩 각각 증가되었다.

    4. 결 론

    본 연구는 일방향 탄소 프리프레그를 사용하여 제 작되어지는 자전거 프레임의 적층순서와 적층각도에 따른 프레임의 BB stiffness와 Torsional Stiffness의 변 화에 대한 연구를 진행하였다. 프레임 제작 시 효율 적으로 강성을 높이기 위한 방향을 제시하기 위한 연구로서 자전거 프레임의 BB stiffness와 Torsional stiffness는 프레임의 안전성과 선수의 경기력에 영향 을 중요한 물성값이다.

    본 연구는 프레임 파이프에 사용되어지는 소재의 중량을 동일하게 사용하고 적층순서를 0/0/0/0/0, ±30/0/±30/0/±30,±45/0/±45/0/±450, 90/0/90/0/90 4가지 종류로 구분하여 각각의 파이프를 제작하여 프레 임을 구성하고 있는 부품인 Head Lug, BB Lug, Seat Lug에 Top Tube, Seat Tube 그리고 Down Tube를 결 합하여 프레임을 제작하여 동일 조건으로 결과값을 측정하였다.

    BB stiffness 측정 결과 ±45/0/±45/0/±45 구성된 파 이프의 프레임 가장 약하게 측정되었으며, 강성이 가장 강하게 측정된 프레임은 90/0/90/0/90로 패턴 의 파이프로 제작된 프레임이며, ±45도 대비 약 37.14% 향상된 강성을 나타내었다.

    Torsional Stiffness 측정결과는 90/0/90/0/90 패턴 으로 제작된 파이프의 프레임이 약하게 측정되었 으며 ±45/0/±45/0/±45 패턴으로 제작된 파이프의 프 레임에서 가장 강하게 측정되었으며, 90도 방향대 배 약 126.5% 향상된 강성을 보여주었다.

    이러한 패턴에 따른 자전거 프레임의 정확한 강 도 및 강성의 수치화를 통해 향후 프레임 제작 및 실용화에 대한 데이터베이스로 활용 가능할 것으로 판단된다.

    후 기

    “본 연구는 정부의 재원으로 2016년도 한국연구재 단(No. 2016R1A6A1A03012069의 지원을 받아 수행된 결과임.”

    Figure

    KSMPE-20-6-51_F1.gif
    Bicycle geometry position
    KSMPE-20-6-51_F2.gif
    Curing cycle and specimen
    KSMPE-20-6-51_F3.gif
    Test item and specification of specimen
    KSMPE-20-6-51_F4.gif
    Location information of each pipe
    KSMPE-20-6-51_F5.gif
    Frame pipe manufacturing process
    KSMPE-20-6-51_F6.gif
    Assembled frame
    KSMPE-20-6-51_F7.gif
    Method of BB stiffness measurement
    KSMPE-20-6-51_F8.gif
    Method of torsional stiffness measurement
    KSMPE-20-6-51_F9.gif
    Tensile strength curve of 0° specimen
    KSMPE-20-6-51_F10.gif
    Tensile strength curve of 90° specimen
    KSMPE-20-6-51_F11.gif
    Compressive strength curve of 0°
    KSMPE-20-6-51_F12.gif
    Flexural strength curve of 0°

    Table

    Properties of UD carbon prepreg
    Geometry of bicycle frame
    Laminated pattern of specimen
    Numerical information each pipe
    Stacking sequence of top tube, seat tube
    Stacking sequence of down tube
    Pipe length and weight
    Results of mechanical strength test
    BB stiffness and torsional stiffness for 0° pipe
    BB stiffness and torsional stiffness for 30° pipe
    BB stiffness and torsional stiffness for 45° pipe
    BB stiffness and torsional stiffness for 90° pipe
    BB stiffness to pipe stacking sequence
    Torsional stiffness to pipe stacking sequence

    Reference

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