자전거

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배경

자전거는 세계에서 가장 인기 있는 교통 수단 중 하나로, 약 8억 대의 자전거가 자동차를 2대 1로 압도합니다. 자전거는 또한 가장 에너지 효율적인 차량입니다. 자전거는 마일당 약 35칼로리(km당 22칼로리)를 소모하는 반면 자동차는 마일당 1,860칼로리(km당 1,156칼로리)를 소모합니다. 자전거는 교통수단뿐만 아니라 피트니스, 대회, 여행 등의 용도로도 사용됩니다. 경주용 자전거, 전지형 자전거, 고정식 자전거는 물론 외발자전거, 세발자전거, 2인용 자전거를 비롯한 다양한 모양과 스타일이 있습니다.

연혁

1490년으로 거슬러 올라가면 Leonardo da Vinci는 현대 자전거와 매우 유사한 기계를 구상했습니다. 불행히도 다빈치는 1960년대까지 자동차를 만들려고 하지 않았고 그의 스케치도 발견되지 않았습니다. 1700년대 후반에 Comte de Sivrac이라는 프랑스인은 두 개의 바퀴로 만들어지고 대들보로 연결된 조잡한 목제 취미용 말인 Celerifere를 발명했습니다. 기수는 들보 꼭대기에 앉아서 발을 땅에 밀어 넣어 장치를 추진할 것입니다.

1816년 독일 남작인 Karl von Drais는 조종 가능한 취미용 말을 고안했으며 몇 년 안에 유럽에서 취미용 승마는 유행하는 취미였습니다. 라이더는 또한 균형을 잃지 않고 발로 지면에서 장치를 탈 수 있음을 발견했습니다. 그래서 1840년에 Kirkpatrick Macmillan이라는 스코틀랜드 대장장이가 발판으로 작동되는 이륜 장치를 만들었습니다. 2년 후 그는 글래스고까지 140마일(225km)이라는 기록적인 왕복 여행을 하는 동안 단번에 40마일(64km)을 여행했습니다. 20년 후, 프랑스인 Ernest Michaux는 크랭크와 프론트 액슬에 연결된 회전 페달을 사용하는 취미용 말을 설계했습니다. 나무 바퀴와 철 로 만든 Velocipede 프레임과 타이어는 "뼈를 흔드는 사람"이라는 별명을 얻었습니다.

1860년대는 볼 베어링 허브, 금속 스포크 휠, 단단한 고무 타이어, 레버로 작동되는 4단 기어 변속 장치의 발명으로 자전거 개선에 중요한 10년임을 증명했습니다. 1866년경 James Stanley가 영국에서 Velocipede의 특이한 버전을 만들었습니다. 그것은 Ordinary 또는 Penny Farthing이라고 불리며 큰 앞바퀴와 작은 뒷바퀴가 있습니다. Ordinaries는 곧 미국으로 수출되어 회사에서도 제조하기 시작했습니다. 이 자전거의 무게는 32kg이고 가격은 300달러로 당시 상당한 금액이었습니다.

1885년에 또 다른 영국인 John Kemp Starley가 Rover Safety를 만들었습니다. 갑자기 멈출 때 큰 앞바퀴 위로 라이더를 끌고 가는 경향이 있는 Ordinary보다 더 안전했기 때문입니다. Safety는 단단한 고무로 만든 동일한 크기의 바퀴, 체인 구동 뒷바퀴 및 다이아몬드 모양의 프레임을 가지고 있습니다. 1800년대의 다른 중요한 발전에는 충격 흡수를 제공하는 공기가 채워진 내부 튜브가 있는 John Boyd Dunlop의 공압 타이어 사용이 포함되었습니다. 코스터 브레이크는 1898년에 개발되었으며, 그 후 얼마 지나지 않아 프리휠링으로 인해 바퀴가 페달을 밟지 않고도 계속 회전할 수 있어 자전거 타기가 더 쉬워졌습니다.

프레임은 전면 및 후면 삼각형으로 구성되어 있으며 전면은 실제로 4개의 튜브로 구성된 사각형에 가깝습니다. 탑, 시트, 다운, 헤드튜브. 후방 삼각형은 체인스테이, 시트스테이 및 후방 휠 드롭아웃으로 구성됩니다. 프레임 전면의 헤드 튜브에는 포크와 스티어링 튜브가 부착되어 있습니다.

1890년대에 자전거는 매우 대중적이었고 현대 자전거의 기본 요소는 이미 제자리에 있었습니다. 20세기 전반부에는 더 강한 강철 합금으로 인해 더 얇은 프레임 튜빙이 가능하여 자전거를 더 가볍고 빠르게 만들었습니다. 변속기 기어도 개발되어 보다 부드러운 승차감을 제공합니다. 제2차 세계대전 이후 자동차의 발달로 자전거의 인기는 떨어졌지만 1970년대 오일쇼크를 거치면서 다시 반등했습니다. 그 무렵, 산악 자전거는 구형 벌룬타이어 자전거의 넓은 타이어와 경주용 자전거의 경량 기술을 결합한 두 명의 캘리포니아인 Charlie Kelly와 Gary Fisher에 의해 발명되었습니다. 20년 이내에 산악 자전거가 경주용 자전거보다 더 인기를 얻었습니다. 곧 두 스타일의 하이브리드가 각각의 장점을 결합했습니다.

원료

자전거의 가장 중요한 부분은 적절한 기하학적 구성으로 구성 요소를 함께 연결하는 다이아몬드 모양의 프레임입니다. 프레임은 자전거에 강도와 강성을 제공하며 자전거 핸들링을 크게 결정합니다. 프레임은 전면 및 후면 삼각형으로 구성되어 있으며 전면은 실제로 상단, 시트, 다운 및 헤드 튜브의 4개 튜브로 구성된 사변형을 형성합니다. 후방 삼각형은 체인스테이, 시트스테이 및 후방 휠 드롭아웃으로 구성됩니다. 프레임 전면의 헤드 튜브에는 포크와 스티어링 튜브가 부착되어 있습니다.

자전거 역사의 상당 부분에서 프레임은 무겁지만 강한 강철과 합금강으로 만들어졌습니다. 프레임 소재는 강도, 강성, 가벼움 및 내구성을 높이기 위해 지속적으로 개선되었습니다. 1970년대에는 기계적으로 용접할 수 있는 보다 다양한 합금강의 차세대가 등장하여 가볍고 저렴한 프레임의 가용성이 높아졌습니다. 이후 10년 동안 경량 알루미늄 프레임이 인기 있는 선택이 되었습니다. 그러나 가장 강한 금속은 수명이 수십 년에 달하는 강철과 티타늄이며, 알루미늄은 3~5년 이내에 피로해질 수 있습니다.

1990년대까지 기술의 발전으로 탄소와 같은 구조 섬유의 합성물로 만들어진 훨씬 더 가볍고 더 강한 프레임이 사용되었습니다. 복합 재료는 금속과 달리 이방성입니다. 즉, 섬유의 축을 따라 가장 강합니다. 따라서 복합 재료는 단일 조각 프레임으로 형성되어 필요한 경우 강도를 제공할 수 있습니다.

바퀴, 변속기, 브레이크 및 체인과 같은 구성 요소는 일반적으로 스테인리스 스틸로 만들어집니다. 이러한 구성 요소는 일반적으로 다른 곳에서 만들어지고 자전거 제조업체에서 구입합니다.

제조
프로세스

이음매 없는 프레임 튜브는 여러 단계를 통해 구멍을 뚫고 튜브에 "끌어당기는" 단단한 강철 블록으로 구성됩니다. 이들은 일반적으로 평평한 강철 스트립 스톡을 끌어서 튜브로 감싼 다음 튜브의 길이를 따라 함께 용접하여 만든 이음매가 있는 튜브보다 우수합니다. 그런 다음 이음매 없는 튜브를 추가로 조작하여 강도를 높이고 무게를 줄이거나 맞댐 또는 튜브 벽의 두께를 변경할 수 있습니다. 버팅은 응력이 가장 많이 전달되는 접합부 또는 튜브 끝 부분의 벽 두께를 늘리고 상대적으로 응력이 적은 튜브 중앙의 벽을 얇게 만드는 작업입니다. 버티드 튜빙은 또한 프레임의 탄력성을 향상시킵니다. 버티드 튜브는 한쪽 끝이 더 두꺼운 단일 버티드일 수 있습니다. 양쪽 끝이 중앙보다 두껍습니다. 양쪽 끝의 두께가 다른 트리플 버티드; 그리고 쿼드 버티드, 트리플과 유사하지만 중앙이 중앙으로 갈수록 얇아집니다. 그러나 일정한 두께의 튜브는 특정 자전거에도 적합합니다.

튜브는 수동 브레이징 또는 기계 용접에 의해 프레임으로 조립되며, 전자는 더 노동 집약적인 프로세스이므로 더 비쌉니다. 복합 재료는 강력한 접착제 또는 플라스틱 바인더로 결합될 수 있습니다. 구성 요소는 일반적으로 기계로 제조되며 손이나 기계로 프레임에 부착될 수 있습니다. 최종 조정은 숙련된 자전거 제작자가 수행합니다.

프레임 조립

튜브 재봉

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1 금속을 열처리하거나 가열하여 연화하고 속을 비워 "중공" 또는 "블룸"을 형성합니다. 다시 가열하고 산에 절여 스케일을 제거하고 윤활합니다.

2 중공이 측정되고 절단되고 적절한 치수로 정밀 연귀됩니다. 성인용 자전거의 프레임 크기는 일반적으로 안장 기둥 상단에서 크랭크 행거 중앙까지 19-25인치(48-63cm)입니다.

3 다음으로 드로우 벤치에 부착된 맨드릴 또는 로드 위에 중공을 끼웁니다. 올바른 게이지를 얻기 위해 중공은 다이를 통과하여 더 얇고 더 긴 튜브로 늘어나는데 이것을 냉간 드로잉이라고 합니다.

4 튜브는 다양한 디자인과 길이로 모양과 가늘어질 수 있습니다. 테이퍼 게이지 포크 블레이드는 올바른 강도, 무게 및 탄력성을 얻기 위해 12개 이상의 작업을 거쳐야 할 수 있습니다.

납땜, 용접 및 접착

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5개의 튜브는 손이나 기계로 프레임에 결합할 수 있습니다. 프레임은 접합부에서 둘 이상의 튜브를 연결하는 금속 슬리브인 러그가 있거나 없는 땜질, 용접 또는 접착될 수 있습니다. 브레이징은 기본적으로 약 1600°F(871°C) 이하의 온도에서 용접됩니다. 가스 버너는 가열된 러그 주위에 고르게 배열되어 표면을 녹이고 청소하는 흰색 플럭스를 형성하여 납땜을 준비합니다. 브레이징 필러는 일반적으로 황동(구리-아연 합금) 또는 은이며, 접합되는 튜브보다 낮은 온도에서 녹습니다. 필러를 바르고 녹으면서 관절 주위를 흐르면서 밀봉합니다.

정렬 및 청소

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6 조립된 프레임을 지그에 넣고 적절한 정렬을 확인합니다. 프레임이 여전히 뜨겁고 가단성이 있는 동안 조정이 이루어집니다.

7 과잉 플럭스와 납땜 금속은 산성 용액에 산세척하고 납땜이 부드러워질 때까지 세척 및 연마하여 제거합니다.

8 금속이 냉각된 후 더 정밀한 정렬이 이루어집니다.

마무리

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9 프레임을 도색하여 완성도를 높일 뿐만 아니라 프레임을 보호합니다. 프레임은 먼저 언더코트로 프라이밍된 다음 유색 에나멜로 칠해집니다. 페인트는 손으로 분무하거나 자동 정전기 분무실을 통해 프레임을 통과시켜 적용할 수 있습니다. 음전하를 띤 프레임은 프레임이 전체를 덮을 때 회전할 때 양전하를 띤 페인트 스프레이를 끌어당깁니다. 마지막으로 프레임에 전사 및 래커가 적용됩니다. 포크 블레이드와 같은 구성 요소에 페인트 대신 크롬 도금을 사용할 수도 있습니다.

구성 요소 조립

변속기 및 기어 변속 레버

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10 자전거의 스타일에 따라 기어 변속 레버는 경주용 자전거에서 많이 사용되는 다운 튜브의 스템이나 핸들바 끝단에 장착됩니다. 케이블이 연결되어 앞 변속기와 뒷 변속기까지 이어집니다. 체인을 한 드라이브 스프로킷에서 다른 드라이브 스프로킷으로 이동시키는 앞 변속기는 시트 튜브에 고정되거나 납땜될 수 있습니다. 뒷 변속기는 볼트 온 행거 또는 일체형 행거로 장착할 수 있습니다.

핸들바, 스템 및 헤드셋

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11 핸들바가 올라가거나 평평하거나 떨어질 수 있습니다. 그들은 자전거 스템에 볼트로 고정되어 헤드 튜브에 장착됩니다. 베어링, 컵 및 잠금 너트를 포함한 헤드셋 구성 요소는 헤드 튜브에 부착됩니다. 헤드셋을 사용하면 포크가 헤드 튜브 내부에서 회전할 수 있으므로 조향이 더 쉬워집니다.

브레이크

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12 브레이크 레버는 핸들바에 장착됩니다. 케이블은 브레이크까지 연장되어 캘리퍼에 고정됩니다. 그런 다음 플라스틱이나 천으로 만든 테이프를 핸들바에 부착하고 끝을 막습니다.

안장 및 안장 기둥

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13 시트 포스트는 일반적으로 강철 또는 알루미늄 합금이며 볼트로 조이거나 고정됩니다. 안장은 일반적으로 성형 패딩으로 만들어지며 나일론 또는 플라스틱 재료로 덮여 있습니다. 가죽은 오랫동안 안장의 표준이었지만 오늘날에는 덜 일반적으로 사용됩니다.

크랭크셋

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14 크랭크셋은 페달을 지지하고 페달에서 체인과 뒷바퀴로 동력을 전달합니다. 크랭크셋은 강철 또는 알루미늄 합금 크랭크 암, 체인 링, 액슬, 컵 및 베어링의 버텀 브래킷 어셈블리로 구성됩니다. 볼트와 캡으로 자전거 프레임의 바텀 브래킷에 부착됩니다. 그런 다음 페달을 크랭크 암 끝에 나사로 고정합니다.

바퀴, 타이어 및 허브

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15 휠 제조업체는 휠 직경 및 타이어 크기에 대해 A J ISO(International Standards Organization) 시스템을 준수합니다. 바퀴는 림에 용접된 후프로 강철 스트립을 굴리는 기계로 만들 수 있습니다. 림은 림과 허브 플랜지 사이에 한 번에 한 바퀴씩 묶인 스포크를 수용하도록 드릴로 뚫려 있습니다.

16 휠은 균일한 장력을 얻기 위해 반경 방향 및 측면 방향으로 트루 처리되거나 곧게 펴져야 합니다. 다음으로 림 라이너, 타이어, 이너 튜브를 부착합니다. 체인을 자전거에 장착할 수도 있습니다.

17 뒷바퀴에는 여러 개의 톱니와 스페이서로 구성된 프리/휠이 장착되어 있어 라이더가 페달링을 멈출 때 크랭크 메커니즘에서 뒷바퀴를 분리합니다.

18 바퀴는 바퀴의 허브를 통과하는 차축을 통해 자전거 프레임에 부착됩니다. 액슬은 끝 ​​부분의 볼트나 퀵 릴리스 꼬챙이로 조일 수 있습니다.

미래

20세기에 접어들면서 자전거의 미래는 밝습니다. 1990년대 자전거 기술의 발전은 HPV(인간 동력 차량) 설계의 발전으로 이어졌습니다. 대부분의 HPV는 기존 자전거보다 공기역학적이어서 항력을 줄이고 속도를 높이는 로우-슬렁 리컴번트입니다. 리컴번트는 또한 더 안전하며 많은 경우 화물실과 날씨 보호 기능을 제공합니다. 에코카(Ecocar)라고 불리는 자전거와 자동차의 하이브리드는 1990년대에 유럽 거리에 등장하기 시작했습니다. 네덜란드 외과 의사인 Wim Van Wijnen이 설계한 이 장비는 날씨 보호, 안전, 수하물 보관소, 쉬운 유지 관리, 편안함 및 속도를 제공했습니다.

컴퓨터 기술의 사용은 제조업체와 설계자의 설계 능력을 크게 향상시켰습니다. 설계자는 페달링 및 도로 충격과 같이 자전거에 작용하는 다양한 힘을 시뮬레이션할 수 있습니다. 컴퓨터 생성 프로그램은 테스트를 더 간단하게 만들고 디자인의 변형을 더 쉽고 빠르게 수정합니다.