유기자의 자덕 Life

거친 노면을 거침없이 달리게 해주는
산악자전거의 핵심 서스펜션 포크가 궁금하다!

100만원은 우습고 비싸게는 200만원도 넘어가는 산악자전거의 핵심부품 서스펜션 포크. 단일 부품으로 이렇게 비싼 부품을 찾기는 쉽지 않다. 과연 이 비싼 부품은 어떤 원리로 작동하며 가격차이는 어디서 발생하는 걸까?
글 유병훈 기자  사진 유병훈 기자, 스포츠온55, HK코퍼레이션

자전거가 산길을 달릴 수 있게 되는데 가장 큰 기여를 한 부품은 무엇일까? 초기 산악자전거의 시작으로 거슬러 올라가보면 산악자전거는 그저 ‘튼튼한 자전거’일 뿐이었다. 처음으로 산악자전거를 타기 시작했다고 말 할 수 있는 미국 캘리포니아 젊은이들이 1970년대에 타던 자전거는 슈윈(Schwinn)에서 1930년대 후반에 만든 엑셀시오(Excelsior)를 손본 것이었다. 일반 짐자전거와 다른 점을 찾기 힘든 이 자전거는 단순히 튼튼했기 때문에 선택됐다. 젊은이들은 이 튼튼한 자전거에 넓은 타이어를 달아 어느 정도 충격을 흡수할 수 있도록 만들었고 산길을 달릴 수 있었다. 이때까지만 해도 서스펜션 포크는 찾아 볼 수 없었다.
서스펜션 포크가 사용되기 시작한 것은 1990년대 초반부터인데 이때부터 비로소 산악자전거가 일반 도로용 자전거와 외관상 큰 차이를 보이기 시작해 오늘날 산악자전거는 무조건 서스펜션 포크가 있어야 한다는 인식을 가지게 된 것이다.
그렇다면 최신의 서스펜션 포크는 어떠한 원리로 작동되며 가격차이는 어디서 발생하게 될까?

서스펜선의 원리

자전거에 사용되는 서스펜션은 사용되는 스프링에 따라서 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 코일 스프링과 에어 스프링 그리고 단순히 신발 밑창과 비슷하게 적당한 탄력을 가진 엘라스토머를 사용하는 방식이다. 엘라스토머 서스펜션의 경우 포장도로를 주로 달리지만 약간의 완충작용을 필요로 하는 브롬톤과 같은 자전거에 사용되고 산악자전거에는 거의 쓰이지 않는다. 때문에 여기서는 코일 스프링과 에어 스프링 두 가지 방식에 대해서만 살펴보겠다.
작동원리는 두 방식 모두 거의 같기 때문에 공통적으로 적용되는 원리부터 보자. 서스펜션에서 가장 중요한 부분은 두 가지인데 앞서 사용하는 스프링에 따라 서스펜션을 나눈 것을 보고 유추해볼 수 있듯이 하나는 ‘스프링’이고 나머지 하나는 약간 생소할 수 있는 ‘댐퍼’라는 것이다.

댐퍼 | Damper

스프링은 일상생활이나 학창시절 과학시간에도 많이 접하는 것이기 때문에 우리에게 매우 친숙한 물건이다. 압축을 시키거나 잡아당기면 그와 반대되는 방향으로 힘이 작용하고, 압축하거나 잡아당겼던 스프링을 놓게 되면 아무런 저항이 없는 경우 에너지 보존법칙에 의해 끝없는 진자운동을 한다.
그런데 한번 생각해보자. 노면으로부터 충격을 받았다고 해서 위아래로 자전거가 지속적으로 진자운동을 한다면 승차감이 좋을 수 있을까? 머릿속으로 잠깐 상상해보는 것만으로도 이는 전혀 편안하지 않다는 걸 알 수 있다. 때문에 부드러운 저항을 걸어줘 진자운동을 없애기 위해 추가되는 것이 댐퍼다(원래는 난로의 불길을 조절하는 조절판을 뜻한다).
스프링만 있는 서스펜션은 충격을 받았을 때 <그림1>과 같이 진자운동을 하는데, 댐퍼를 추가하면 <그림2>와 같이 진폭이 점차 감소하며 원래의 상태로 빨리 돌아갈 수 있게 된다. 이때 이 댐퍼를 어떻게 설계하는지, 사용자가 댐퍼를 조절해 압축 또는 복원 속도를 임의로 변경 할 수 있는지에 따라서 댐퍼의 성능이 결정된다. 서스펜션 기술의 핵심은 바로 이 댐퍼에 있다고도 할 수 있는데 자세한 건 뒷부분에서 설명하겠다.

코일 스프링과 에어 스프링 

이번엔 우리에게 좀 더 친숙한 스프링에 대해 알아보자. 앞에서 설명했듯이 우리는 코일 스프링과 에어 스프링 두 가지에 대해서만 알아볼 것이다.

먼저 에어 스프링은 공기를 이용한 스프링이다. 밀폐된 공간에 갇혀있는 기체의 부피가 줄어들면 압력이 높아진다는, 정확히 말하면 ‘기체의 압력과 부피의 곱은 항상 일정하다’는 보일의 법칙을 이용한 스프링으로 나이키의 운동화에 들어간 에어쿠션도 동일한 원리다. 에어 스프링의 장점은 공기를 이용하기 때문에 매우 가벼우며 단지 공기를 더 넣거나 빼는 것만으로도 서스펜션을 라이더의 체중에 맞출 수 있다는 것이다. 하지만 단점으로는 포크가 들어가는 깊이에 따라서 반발력이 점점 더 가파르게 상승하기 때문에 큰 충격을 받을 때 부드러운 느낌이 덜하다.
코일 스프링은 금속 코일을 감아서 만든, 우리가 흔히 스프링이라고 하면 상상하는 모습의 스프링이다. 작동원리는 원통형으로 감긴 스프링이 압축될 때의 반발력을 이용하는데 이때 스프링이 가진 고유 탄성계수에 따라서 일정한 비율로 반발력이 증가한다. 때문에 강한 충격에 포크가 깊숙이 들어가도 끝까지 부드럽게 작동한다. 또다른 장점으로는 유지 관리가 매우 편리하다. 하지만 라이더의 체중에 따라서 적절한 탄성계수의 스프링으로 교체해줘야 한다는 단점이 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 에어 스프링과 코일 스프링은 작동시의 느낌에 차이가 발생하게 된다. 그 이유는 코일 스프링의 경우 훅의 법칙을 따르고 에어 스프링은 보일의 법칙을 따르기 때문이다. 훅의 법칙은 코일 스프링이 늘어나는, 또는 압축되는 길이와 힘이 비례한다는 법칙이고 보일의 법칙은 부피와 압력의 곱이 언제나 일정하다는 법칙이다.
이 두 법칙에 의해 스프링이 다른 느낌을 주는 이유는 그래프를 보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있다. <그림3>은 훅의 법칙을 보여주는 그래프이고 <그림4>는 보일의 법칙을 보여주는 그래프다. 그런데 우리는 포크가 들어가는 깊이에 따라 부피가 줄어드는 상황에서의 압력 변화가 알고 싶으므로 가로축을 포크가 들어가는 깊이로 놓고 그래프를 다시 그리면 <그림5>와 같다.

이제 <그림3>과 <그림5>를 비교해보면 두 스프링의 느낌이 왜 다른지 알 수 있을 것이다. 때문에 에어 스프링은 큰 충격을 받았을 때 좀 더 강하게 튕겨내고, 코일 스프링은 처음부터 끝까지 일정한 비율로 부드럽게 수축했다가 제자리로 돌아오게 된다. 이러한 차이 때문에 에어 스프링의 가벼운 무게에도 불구하고 코일 스프링 서스펜션을 선호하는 라이더들이 아직까지 존재하는 것이다. 하지만 최근에는 에어 스프링의 성능 향상과 댐퍼의 발전으로 대부분의 고급 서스펜션 포크는 에어 스프링을 사용한다.

댐퍼의 기능  컴프레션과 리바운드

스프링은 위에서 살펴본 바와 같이 ‘눌리는 방향의 반대방향으로 힘이 작용해 튕겨낸다’는 매우 간단한 원리로 작동한다. 안에 들어가는 스프링의 종류나 공기의 양을 변화시켜 그 강도를 변화시키는 정도가 조절의 전부라고 할 수 있다. 하지만 댐퍼는 조금 더 복잡한 기능을 한다. 충격을 받았을 때 포크가 얼마나 빠르게 들어가도록 할 것인지, 한 번 들어간 포크가 어느 정도의 빠르기로 튀어나오게 할 것인지를 조절 노브를 이용해 변화시킬 수 있는데, 이를 흔히 ‘컴프레션’과 ‘리바운드’를 조절한다고 말한다.
우리말로 풀면 컴프레션(Compression)은 ‘압축’을, 리바운드(Rebound)는 ‘다시 튀어나옴’을 의미한다. 한글로 표기하면 더 좋겠지만 통상적으로 컴프레션과 리바운드라는 단어를 쓰기 때문에 여기서도 그대로 사용한다.
컴프레션과 리바운드라는 기능은 왜 생겨난 것일까? 서스펜션 포크를 사용하기 시작하면서 충격을 흡수해주는 포크 자체는 매우 만족스러웠지만 인간의 욕심은 끝이 없어서 산악자전거를 즐기는 사람들은 상황에 따라서 서스펜션의 반응이 너무 빠르거나 너무 느린 것에 불만이 생기기 시작했다. 예를 들어 연속되는 작은 요철에는 반응이 빠른 서스펜션이 좋지만 큰 충격을 받는 상황에서는 자칫 라이더가 튕겨나갈 수도 있었다. 물론 저항이 강한 댐퍼와 저항이 약간 댐퍼를 교체하며 사용할 수도 있지만 댐퍼를 교체하지 않고도 단순한 조작으로 댐퍼의 특성을 변화시키고 싶었던 것이다. 그렇게 컴프레션과 리바운드라는 기능이 댐퍼에 추가되게 된다.

컴프레션과 리바운드의 작동원리 

그렇다면 컴프레션과 리바운드는 어떠한 원리로 조절이 될까? 포크가 들어가야 나올 수 있듯이 우리도 순서대로 포크가 들어갈 때 적용되는 컴프레션의 작동방식부터 알아보자.
댐퍼의 작동방식을 알기 위해서는 역시나 댐퍼의 내부를 보는 것이 가장 좋다. 그렇기에 기자가 언제나처럼 댐퍼를 분해했을 거라고 생각했다면 이번엔 틀렸다. 실제로 기자가 댐퍼를 분해한 적이 있는데 여러 개의 쇳조각과 플라스틱, 원판 등이 좁은 공간에 오밀조밀 모여 있어서 실제로 오일이 흐르는 모습을 보지 않고는 사진만으로 제대로 된 정보 전달이 힘들어 보였다. 이번에는 폭스에서 제공하는 구조도를 이용해 설명해보겠다.
앞서 스프링의 진자운동을 멈추게 하는 것이 댐퍼의 기본적인 역할이라고 설명했다. 움직임의 반대방향으로 저항을 걸어줌으로써 진자운동을 멈추도록 하는 것이다. 쉽게 생각할 수 있는 방법이 바로 액체를 작은 구멍으로 통과시키거나 복잡한 경로를 통과하게 함으로써 유체저항을 발생시키는 것이다. 실제로 포크에 사용되는 댐퍼도 오일을 여러 개의 작은 구멍으로 통과시킴으로서 저항을 발생시킨다. 그렇다면 그 속도는 어떻게 조절할 수 있을까? 좀 더 점성이 강하거나 약한 오일로 교환해 속도를 변화시킬 수 있겠지만 이미 독자들도 어느 정도 눈치챘다 시피 바로 댐퍼에 들어있는 오일이 흐르는 구멍의 개수와 넓이를 조절하는 방식으로 유속을 변화시킨다.
이제 폭스에서 제공하는 그림을  보면서 자세한 설명을 이어가보자. 그림에 사용된 컴프레션 시스템은 폭스의 FIT4 댐퍼다. FIT4 댐퍼에는 총 3개의 모드가 있는데 오픈(Open), 미디엄( Medium) 그리고 펌(Firm)이다. 우선 오픈 모드부터 살펴보자.

오픈 | Open

FIT4 댐퍼는 저속 순환경로와 고속 순환경로라는 두 개의 순환경로로 이뤄져있다. 오픈 모드는 이 두 개의 순환경로가 모두 열려있는 상태로 가장 빠른 유속으로 오일이 지나갈 수 있게 된다. 여기에 추가적으로 저속 순환경로에서 오일이 흐르는 경로의 넓이를 22단계로 조절할 수 있어 오픈 모드에서도 다시 강도를 세밀하게 조절할 수 있다.

펌 | Firm

펌 모드에서는 저속 순환경로와 고속 순환경로가 모두 닫힌 상태가 된다. 때문에 포크는 매우 큰 저항을 가지게 되고 웬만한 충격에는 오일이 흐르지 못해 작동하지 않는다. 하지만 완전히 닫혀있으면 강한 충격을 받았을 때 댐퍼 내부의 부품이 파손될 수 있어서 아주 큰 충격을 받으면 오일이 흐를 수 있도록 열리는 구멍이 마련되어 있다.

미디엄 | Medium

미디엄 모드에서는 저속 순환경로와 고속 순환경로 중 저속 순환경로가 닫히고 고속 순환경로만이 열린다. 때문에 오일이 통과할 수 있는 구 멍이 줄어들어 유속이 느려지고 더 큰 저항이 걸리게 된다.

리바운드도 컴프레션과 동일한 원리로 유속을 조절한다. 다만 충격을 받아 압축됐던 포크가 다시 튀어나오는 것은 꼭 이뤄져야 하는 기능이기 때문에 컴프레션에서의 펌 모드와 같은 잠금 모드는 없다. 속도의 조절은 중심에 위치한 저속 리바운드 순환경로의 구멍 크기를 조절해서 원하는 리바운드 속도를 맞추게 된다.

서스팬션 포크의 가격차이

서스펜션이 작동되는 원리에 대해 알아봤으니 이제 어디서 가격차이가 나는지 살펴보자. 앞서 가장 강조한 부품을 떠올리면 가격차이가 어디서 나는지 추측하기 쉬울 것이다. 바로 댐퍼의 차이다.

사진을 보면 총 세 가지 댐퍼를 볼 수 있는데 이 댐퍼에 따라 포크의 가격차이가 발생하게 된다. 세 댐퍼는 무게, 컴프레션과 리바운드의 조절 정도, 안정성에서 차이가 있는데 우선 무게의 경우 당연히 비쌀수록 가볍다. 안정성이란 갑작스런 충격을 받았을 때 댐퍼가 더 잘 견딜 수 있는가를 의미하며, 상급의 두 제품은 중간에 고무주머니가 있어서 갑작스런 오일의 유입에도 더 유연하게 대처할 수 있어 파손으로부터 더 안전하다.
컴프레션과 리바운드 조절부위를 보면 리바운드는 눈으로 명확하게 차이를 보기 힘들지만 컴프레션은 가장 저렴한 모델의 경우 두 가지 모드만 제공한다. 중간급 모델은 세 가지, 가장 고급 모델은 세 가지 모드에 추가적으로 오픈 모드에서의 미세조정이 가능한 추가 조절기가 달려있다.

하지만 가격차이가 댐퍼에서만 나는 건 아니다. 댐퍼는 직접적으로 눈에 보이는 부품이 아니지만 직접 눈에 보이는 부품에서도 가격차이가 발생한다. 우선 어퍼 레그의 코팅처리 방식에서 등급이 나뉜다.
폭스 샥의 경우 펙토리 등급은 레그 표면에 카시마 코팅을 함으로써 매우 부드럽게 포크가 움직일 수 있도록 해준다. 아래 등급은 일반적인 아노다이징 표면이다. 추가적으로 로워 레그가 더 가벼운 소재로 만들어지는 경우도 가격이 상승한다.

이렇게 다양한 경우의 조합에 의해 포크의 성능이 결정되기 때문에 원하는 경우 어퍼 레그만 더 상급으로 교체하거나 댐퍼를 더 좋은 것으로 교체하는 업그레이드도 가능하다.
기자는 우연히 폭스를 수입하는 스포츠온55에서 댐퍼를 상급으로 교체하는 작업을 볼 수 있었다. 이제는 단종된 일체형 댐퍼를 신형 댐퍼로 업그레이드하는 작업이었는데 이를 통해서 더 좋은 성능의 서스펜션 포크로 재탄생했다.

서스펜션 포크는 그 비싼 가격만큼이나 정밀하고 복잡한 구조를 가지고 있는 부품이다. 때문에 대부분의 일반 샵에서는 직접 정비를 하지 않고 수입사에서 정비하는 경우가 많다. 실제로 리어 서스펜션 하나를 분해 정비하는데도 상당한 양의 실링이 교체되는 것을 확인할 수 있었다. 비싼 만큼 비싼 이유가 있고 그만큼 유지 관리에도 비용이 많이 발생하는 부품인 것이다.
간단하게 서스펜션 포크의 작동원리와 구조 그리고 가격차이가 나는 부분들에 대해 알아보았다. 이외에도 더 세세한 부분에서 가격차이가 발생하고 브랜드나 모델에 따라서 구조가 약간씩 다르겠지만 전반적인 원리와 작동방식은 대동소이하다. 서스펜션 포크를 어느 정도 이해하고 사용하는 데 도움이 됐기를 바란다.