자전거 체인라인에 관하여

자전거 체인라인(Chain line)에 관하여.

자전거가 점점 규격화되고 대량양산 시스템이 일반화되어서 자전거 이론 중 체인라인에 대해 주목하는 유저는 그렇게 많은 것 같지 않다. 그러나 이 개념은 자전거 프레임 빌더(Frame builder)나 제조사의 개발자들은 반드시 고려하여야 하는 부분이고 일반적인 유저라 하더라도 다음에 기회가 있을 때 다룰지도 모르는 다른 부속과의 호환에서도 중요한 개념이다.

biketool링크   앞변속기 조정   시마노로드바이크일체형비비   시마노산악자전거일체형비비

가상의 직선과 체인라인.

자전거에 직선 정열 상태가 유지되어야 하는 것은 크게 두가지가 있다. 자전거를 위에서 내려다봤을 때를 가정하자. 그림판 실력이 허접한 점 양해 바란다.

첫째는 그림의 왼쪽처럼 위에서 봤을 때 앞바퀴의 중심, 프레임 헤드튜브의 중심, 시트튜브의 중심, 뒷바퀴의 중심이 일직선이어야 하고 두번째는 체인이 연결되는 앞쪽 톱니바퀴와 뒤쪽 톱니바퀴가 일직선이어야 한다.

비대칭 프레임이더라도 이 원칙에는 변함없다. 프레임의 특정 부위가 더 굵거나 특정 부위를 구부리거나 해서 모양이 좌우 다를 수는 있어도 가상의 중심선이 흐트러질 수는 없다. 만약 이 라인이 틀어진다면 앞바퀴 따로 뒷바퀴 따로 엉덩이는 좌로 상체는 우로가 되는 것이다.

너무 당연한 이야기지만, 프레임의 완성도와 아주 밀접한 관계가 있고, 프레임 빌더는 이 상태를 만들기 위해 재료의 절단 가공 용접등의 각 단계에서 긴장을 하고 신중히 작업하게 된다.

오늘의 주제인 체인라인은 앞뒤 톱니바퀴에 장착되어 동력을 전달하게 되는 체인의 상태를 말한다. 체인라인이 일직선이 아니라면 체인은 부속의 가운데가 아닌 측면과 마찰을 일으키게 되고 심하면 수명의 단축은 물론이고 작동조차 제대로 될 수 없다.

그림의 오른쪽처럼 가상의 중심선에서 앞쪽 톱니바퀴 체인링이 장착되는 크랭크축이 길어 체인링의 이빨이 오른쪽으로 이동했을 때를 가정해보자. 뒷쪽 톱니바퀴 스프라켓 코그는 그대로 있다면 체인라인은 비스듬한 사선의 형태가 된다. 이 상태로 페달을 밟아 회전을 시키면 소음도 소음이고 체인이 벗겨지며 프레임과 체인링 사이로 떨어지거나 아니면 뒷쪽 스프라켓 코그에서 벗어나 체인이 프레임과 허브 사이로 박히기 십상이다.

다단화와 체인라인.

체인링과 스프라켓 코그가 한장씩인 자전거의 경우 체인라인을 적절하게 하는 데에는 크게 어려움이 없다. 가상의 중심선에서 앞뒤 톱니바퀴까지의 거리를 일정하게 해주면 된다. 경륜, 픽시, 싱글기어 등이 이에 해당한다. 가상의 중심선에서 체인링의 중심까지 거리를 재고 가상의 중심선에서 스프라켓 코그의 중심까지 거리를 측정하여 일치시켜 주면 된다. 튜닝의 방법은 글의 말미에 설명하겠다.

그런데 자전거의 기어가 많아지면서 체인라인은 더 이상 직선 상태에서만 작동할 수 없는 상황이 되었다. 기어조작을 어떻게 하느냐에 따라 체인은 더 휘고 덜 휘게 될 뿐. 해서 이른바 [안쓰는 기어비]가 생겼고 제조사에서는 대부분 이 안쓰는 기어비까지 원활한 작동이 되게 제품을 설계하지 않게 되었다. 불가능에 가까우니까. 몰론 최근 스람의 11단 시스템에 쓰이는 체인에는 일정정도 혁신이 일어났지만.

가령 앞쪽은 큰 체인링에 걸어두고 뒤쪽은 변속을 제일 큰 스프라켓 코그로 했다면 체인이 심하게 휘며 앞뒤 구동계열과의 마찰음이 상대적으로 늘어나게 된다. 해서 자전거 사용자 매뉴얼에는 이런 극단적인 기어조작 상태를 그림으로 그려놓고 엑스 표시를 해둔다. 되도록 체인이 직선에 가깝게 기어를 작동하라고 설명이 되어 있다. 

평지에서 속도를 내기 위해 앞쪽은 큰 체인링에 뒷쪽은 작은쪽으로 변속하여 달리다가 오르막이 나오면 뒷변속을 3단 정도만 사용한다. 더 가벼운 기어비를 원할 때는 계속 뒷변속을 하는 것이 아니라 앞변속기를 작동시켜 작은 체인링쪽으로 옮긴 다음 오르막의 진행상황과 라이더의 체력에 따라 나머지 남은 뒷쪽 큰 스프라켓 코그를 이용하는 것이다.

자전거 라이딩의 경험이 많은 사람일수록 앞변속기를 적절히 잘 사용한다. 

앞쪽 체인라인과 뒷쪽 체인라인.

구동계열의 다단화는 체인라인을 결정하기 위해서 어떤 지점을 기준으로 할 것인가? 라는 문제가 생겼다. 다단화된 자전거의 경우 체인라인의 기준과 측정법은 아래와 같다. 모든 기어비에서 체인이 일직선 상태일 수가 없으므로 많이 사용하는 기어비에서 되도록 체인이 직선에 가깝게 하기 위해서 타협을 한 것이다. 

먼저 B는 체인링이 한장짜리일 때 체인라인 값이다. 이미 설명을 했다. 체인링이 두장일 때는 가상의 중심선 A에서 첫번째와 두번째 체인링 가운데 지점까지의 거리가 체인라인 값이 된다. 로드바이크는 이 경우가 많다. 체인링이 세장일 경우에는 A와 두번째 체인링의 안쪽까지 거리가 값이 된다.

실제 측정은 개인이 가지고 있는 측정도구에 따라 조금씩 다를 수 있지만 대체로 아래와 같이 하면 된다. 먼저 시트튜브의 외경을 측정한다. 시트튜브의 바깥 지름을 SD라고 했을 때.

그 다음 시트튜브 바깥에서 중간 체인링 안쪽의 길이를 잰다. 이를 SC라고 하고, 세장짜리 체인링의 경우 체인라인 값은  D= (SD÷2)＋SC가 된다.

필자가 설명하는 방법 이외에 다른 이론가는 다운튜브두께를 측정한 후 다운튜브 바깥에서 두번째 체인링의 이빨 중심까지 거리를 측정하고 체인링의 두께를 잰 다음 그 값을 이용해 공식화하는 경우도 있다.

(다운튜브 두께÷2)＋(다운튜브 바깥에서 두번째 체인링의 이빨 중심까지 거리)－(체인링 두께÷2)= 체인라인 값

그러나 이 공식은 해보면 알겠지만, 요즘은 많은 경우 자전거의 다운튜브가 다양하게 성형이 되는 관계로 측정하기가 까다로워서 선택하지 않았다. 그러나 두 측정법의 값은 대동소이하다.

이렇게 기준을 삼는 이유는 부품 제조사가 체인라인이 완벽한 일직선이 되게 제조를 하지 않고 뒤쪽에 비해 체인링을 바깥쪽으로 살짝 멀게 생산하기 때문이다. 자전거 이론가들도 이유를 설명하고 있지는 않는데, 필자 개인적인 생각은 체인이 부속과 마찰한다거나 이탈하게 되는 현상을 조금이라도 줄여줄 수 있기 때문인 것으로 판단한다.

로드바이크일 경우에 흔한 체인링이 두장일 때는 C=(SC÷2)＋(시트튜브 바깥에서 체인링과 체인링 중간지점까지의 거리)가 된다. 

중간지점까지의 거리가 애매한데 이때는 시트튜브 바깥에서 두번째 체인링 중심까지 거리를 잰다음 그 값을 SC2라고 하고 기록해둔다. 그 다음 작은 체인링과 큰 체인링 사이의 바깥과 바깥 지점의 간격 재어서(CC) 이를 2로 나눈 값을  빼주면 체인링 둘 사이의 중간 지점을 공식에 반영할 수 있다. 

C=(SC÷2) ＋(SC2)-(CC÷2)

두 공식 중에 측정하기 편한 것을 택하면 된다. 

자, 다음은 뒷 스프라켓 코그 쪽의 체인라인이다. 이 값의 핵심은 가상의 중심선에서 스프라켓 코그의 중심까지 거리를 측정하는 것이다. 시트튜브 중심 A에서 가상의 선을 B까지 연장한 다음 B에서 스프라켓 코그의 중심 E까지 거리가 체인라인 값이 된다.

그러나 이는 실제 측정시에는 휠셋이 스포크와 림으로 조립되어 있는 경우가 대부분이므로 쉽지 않다. 그리고 스프라켓 코그 갯수가 홀수일 때는 그나마 체인링의 중간을 파악하기 쉬우나 10장처럼 짝수일 때는 5장과 6장 사이의 중간지점이라는 애매한 포인트가 생긴다. 해서 또 공식이다.

먼저 허브와 프레임이 밀착하는 지점 C와 D간의 간격을 측정한다. 로드바이크일 경우 대부분 130에서 오차 몇미리, 산악자전거의 경우 135에서 오차 몇미리 정도일 것이다.

공식은 스프라켓 코그 체인라인 = (C에서 D까지 거리÷2)-(H에서 G 카세트 너비÷2)-(제일 작은 코그 바깥면과 프레임까지의 거리F)

단수가 올라갈수록 H-G의 너비는 커지고 F는 줄어들 것이다. 측정은 스프라켓 코그를 빼서 실시할 수도 있다. 방법은 여러가지이다. 아래 표는 많이 사용하는 제품의 스프라켓 넓이이다.

단위:밀리미터	7단	8단	9단	10단
시마노	31.9	35.4	36.3	37.2
스람	프리휠31.8	카세트35.4  프리휠36.8	36.5
캄파놀로		36.9	38.2	38.8

이렇게 알아낸 앞뒤 체인라인의 값이 일치해야 단수가 많은 자전거의 경우 구동계열의 작동이 가장 좋은 상태가 된다. 가령 측정하여 계산한 체인라인 값이 앞 57mm 뒤 45mm가 나왔다고 가정해보자. 물론 이럴 경우는 독자 대부분의 자전거에서는 발생할 가능성이 낮다는 것을 미리 말해둔다.

어쨌든 앞쪽이 뒤에 비해 11mm나 체인링의 위치가 바깥쪽에 위치해 있다는 의미다. 이 상태면 작은 체인링에서는 어느정도 변속을 해서 사용할 수 있을지 모르겠으나 큰체인링으로 변속을 한 뒤 뒷변속기를 약간이라도 큰 스프라켓 코그쪽으로 이동을 시켜도 체인이 급격하게 휘는것과 동시에 변속기 풀리가 위아래로 흔들리는 오작동을 일으킬 수 있다.

변속기 세팅을 아무리 잘해도 특정 기어비에서 앞변속기 플레이트와 체인이 닿는 일도 발생한다.

체인라인의 조절.

잘못된 체인라인을 교정하기 위해서는 뒤보다 앞쪽이 조금 용이하다. 물론 몇가지 소개하는 방법으로 튜닝을 하는 일은 본격 로드바이크나 산악자전거에서는 거의 발생하지 않을 것이다. 이유는 그만큼 체인라인에 대한 계산과 그에 맞는 부속을 적절하게 조합하여 출시되기 때문이다.

그러함에도 소개하는 이유는 체인라인에 대한 개념을 이해하는 데에 도움이 되기 때문이다.

먼저 부속의 교체다.

요즘은 비중이 크지 않는 사각비비(Square taper bottom bracket)를 분리한 모습이다. 크랭크암과 연결되는 부위가 사각형이어서 그렇게 부른다. 부속의 중심을 자세히 보면 좌우 나사산의 규격 아래로 좌우 표시와 68×120이라는 수치가 있다. 

이 의미는 부속이 장착될 프레임 비비쉘(BB shell)의 폭이 68미리용이고 중심축(Spindle)의 좌우 길이가 120미리라는 뜻이다. 프레임 비비셀의 폭에 따라 앞의 수치를 일치시켜 주어야 한다.

체인라인에 있어서는 스핀들 축의 길이를 어떤 사이즈로 선택하느냐에 따라 체인라인을 변경할 수 있다.

아래는 옥타링크 방식의 비비이다. 수치의 표기법은 약간 다르지만 프레임 비비쉘의 폭이 68미리용임과 좌우 스핀들 길이가 118미리임을 확인할 수 있다.

만약 앞 체인라인이 뒤 체인라인에 비해 기존 부속이 짧다면 더 긴 부속으로 교체해주고 반대인 상황이라면 더 짧은 부속으로 교체해서 앞뒤 체인라인의 수치를 최대한 근접시켜주면 된다.

이른바 오픈형 방식의 사각비비도 방법은 같다. 여기서 한가지 짚고 넘어갈 것이 있다. 사각비비는 가공이 바깥에서 안쪽으로 갈수록 두껍게 되어 있다. 그래서 테이퍼라는 명칭이 붙는 것이다. 때문에 제조사마다 좌우 폭이 같더라도 실제 크랭크가 고정되는 지점은 다를 수 있다.

심지어 필자의 경우 고정 볼트를 조이는 정도에 따라서도 살짝 더 들어가고 덜 들어가기도 했다. 때문에 사각비비의 경우 크랭크 고정볼트가 풀린 상태로 오래 타면 사각의 주변부가 뭉개질 수 있다. 이렇게 되면 아무리 고정볼트를 세게 조여도 계속 반복적으로 크랭크에 유격이 생기게 된다.

사각비비의 경우 장착이 이뤄지기 전에는 정확한 체인라인을 알 수 없는 경우도 있다.

워셔를 사용한 조절.

체인라인의 조절은 워셔를 사용해서도 일부 가능하다. 체인링이 고정되는 볼트와 부품 사이에 워셔를 끼우거나 워셔의 위치를 조절하면 조금이지만 체인링의 위치를 변경할 수 있다.

오픈형이나 카트리지 형태의 사각비비의 경우 프래임과 만나는 지점에 사이즈가 맞은 원형의 워셔 혹은 스페이서를 끼우면 전체적으로 체인링이 오른쪽으로 이동이 된다. 당연히 체인라인은 변경이 될 것이다.

그렇다면 뒷쪽 체인라인은 변경이 불가능할까? 일부 가능하기도 하다. 시마노계열 허브의 축을 분해하면 아래와 같다. 많이는 아니지만 허브의 볼 베어링이 만나는 지점을 이동시키기 위해 오른쪽의 워셔를 왼쪽으로 이동시키거나 반대의 방법을 동원하면 된다.

그러나 이 방법은 미캐닉을 위한 미캐닉이라고 생각한다. 현실에서 적용하기가 좀……

이렇게 변형된 허브축은 허브바디의 이동이 동시에 발생하므로 역시 림도 한쪽으로 치우치게 된다. 림 교정을 다시해 주어야 하고.

체인라인의 조절을 시작하기에 앞서 어느정도 완성도 있는 로드바이크나 산악자전거를 타는 유저들은 크게 의미가 없다고 한 이유는 규격화된 일체형 크랭크셋의 등장에 있다.

일체형이라는 의미는 스핀들과 체인링 그리고 크랭크암이 하나가 되었다는 것을 뜻한다.

복잡한 계산을 할 필요없이 베어링을 품고 있는 아답터 좌우에 끼우는 스페이서(Spacer) 갯수의 조절로 간단하게 문제를 해결할 수 있다.

이 갯수와 관련해서 시마노의 경우 이미 이전 포스팅에서 로드바이크와 산악자전거의 경우 설명을 했다. 이전 글을 참고하기 바란다. 

스람과 캄파놀로에 관해서는 다음에 기회가 있으면 설명하기로 하고.

즉, 스패이서를 어느 방향에 몇개 넣어주고 조립하느냐에 따라 체인라인이 변동되는데, 부품 제조사에서 비비쉘의 폭과 적정체인라인까지 미리 고려를 해서 제품을 설계하고 공급하고 있기 때문에 고민의 정도가 많이 줄어들었다.

문제들.

체인라인의 개념이 부품에 적용되는 것은 변속기,크랭크셋,프레임이다. 앞변속기 사양표를 보면 이 변속기는 어떤 체인라인 값에 가장 적절히 작동된다고 명시되어 있다. 앞변속기는 좌우로 작동하는 범위가 한정적일 수밖에 없다. 그런데 크랭크가 멀찍이 바깥으로 돌출되어 있다면 변속도 불안정하고 특정 기어비에서 체인과 변속기 부속이 마찰이 일어날 수밖에 없다.

크랭크도 마찬가지다. 이 부속이 정확하게 장착되었을 때 자전거의 가상 중심선에서 체인라인값이 얼마인지 명시되어 있다. 이유는 변속기의 선택에 중요한 정보이기 때문이다.

비중은 높지 않지만 카본이나 특이한 형상의 프레임일 경우 프레임 설명서에도 이 프레임은 어떤 체인라인에서 정상적으로 작동한다고 안내가 되어 있는 것도 있다. 그에 준해서 부품을 선택해야 변속 및 구동계열이 정상적으로 작동한다.

특별한 목적으로 프레임의 모양이 기존 원형과 차이가 있다거나 뒷쪽 휠셋이 장착되는 쪽의 폭이 많이 사용하는 사이즈가 아니게 설계되었거나.

필자는 방금 전에 이 글을 작성하다가 말고 필자 소유의 산악자전거를 전 구간 변속해 보았다. 앞 제일 큰 체인링, 뒤 제일 큰 스프라켓 코그 등등 이른바 안쓰는 기어조합까지 모두 변속하여 크랭크를 돌려보았다.

체인이 과격하게 휘어 절그럭거리기는 해도 체인과 변속기의 플레이트와 만나서 발생하는 소음은 없다. 왜 이 이야기를 꺼냈냐면 가끔 이른바 안쓰는 기어비에서의 부속간 마찰을 당연시하는 유저들이 있어서 필자의 경우를 소개하기 위해서이다.

그동안 많이 접했던 지인들 자전거를 포함해 체인라인이 지켜진 자전거들은 변속기 세팅을 정확히 하면 부속간 마찰로 인한 소음은 없었음을 밝힌다. 동영상으로 찍을까 하다가 관뒀다.

근래엔 삼만리나 알통 그리고 몇몇 중소브랜드의 비교적 저가형 자전거, 특히 미니벨로에 21단이나 하이브리드 또는 로드바이크인데 체인링을 세장으로 구성한 자전거를 제외하고는 체인라인이 문제였던 자전거는 크게 못봤다.

이런 경우 대부분 원칙없이 단가를 맞추기 위해 구성되는 부품들이므로 제대로 튜닝하기가 까다로운 경우가 많다. 제일 먼저 변속기를 교체해보고 다음으로 크랭크 부속을 교체하는 순으로 문제를 해결해나가는 것이 비용이 적게 드는데, 그 마저 배보다 배꼽이 큰 경우가 많아서 권하기도 좀 그렇다.

글이 너무 길어져서 못다한 부분은 다음에 혹시 기회가 되고 생각이 나면 그때 이어가기로 하고 오늘은 이만./공작소