자동차 휠은 왜 선풍기처럼 생겼을까? 가운데에서 뻗는 스포크의 역할

주차된 차들을 보면 휠 모양이 다 비슷하다. 다섯 갈래, 열 갈래, Y자로 갈라지는 모양. 디자인은 달라도 대부분 가운데에서 바깥으로 살이 뻗어나간다. 꼭 선풍기 날개 같다.

왜 굳이 이렇게 만들까? 그냥 동그란 금속판으로 막으면 더 튼튼하지 않을까?

핵심은 간단하다. 차에 연결되는 중앙과 타이어를 받치는 바깥 테두리를 튼튼하게 이어야 하는데, 그 사이를 전부 금속으로 채울 필요는 없기 때문이다. 필요한 연결부를 남기고 사이를 비운 형태가 우리가 흔히 보는 휠이다.

중앙에서 바깥 테두리로 뻗는 연결부가 ‘스포크’다. 사진: Angela2109, Wikimedia Commons, 퍼블릭 도메인. 사진 원본·이용 조건

먼저, 바퀴의 가운데와 바깥은 하는 일이 다르다

검은 고무는 타이어다. 그 안쪽 금속 휠에서 타이어가 끼워지는 바깥 테두리 부분을 림이라고 부른다. 휠 중앙의 장착부는 차의 허브에 볼트나 너트 등으로 고정된다.

그리고 중앙 장착부와 림을 이어주는 굵은 살이 스포크다. 휠 전체를 림이라고 부르기도 하지만, 여기서는 테두리와 연결부를 구분해보자.

차의 무게는 중앙 장착부를 통해 휠로 전달되고, 휠과 타이어를 거쳐 지면에 실린다. 반대로 노면에서 올라오는 힘도 타이어와 휠을 거쳐 차로 전달된다. 그러니 중앙과 테두리 사이에는 힘을 전달할 구조가 반드시 필요하다.

왜 하필 가운데에서 바깥으로 뻗을까?

원 가운데의 장착부에서 바깥 원까지 연결한다고 생각해보자. 방사형으로 뻗는 살은 둘 사이를 잇는 직접적인 길이다. 이런 연결부를 원둘레 방향으로 나눠 배치하면, 바퀴가 돌아가는 동안 달라지는 하중에도 대응하도록 설계할 수 있다.

자전거 바퀴와 겉모양은 비슷하지만 작동을 완전히 똑같이 생각하면 안 된다. 일반적인 자동차 알루미늄 휠의 굵은 스포크는 가느다란 와이어처럼 당기는 힘만 받는 부품이 아니다. 눌림과 당김, 휘어짐 등 복합적인 힘을 견딘다.

가속하거나 브레이크를 밟을 때는 중앙과 테두리 사이에 회전시키는 힘도 전달된다. 코너를 돌 때는 옆 방향 힘도 받는다. “맨 아래 살 하나가 차를 받친다”보다는 림·스포크·중앙부가 함께 힘을 나눠 받는다고 이해하는 게 정확하다.

통짜 금속판 대신 살을 남기는 이유

왼쪽은 면 전체를 금속으로 채운 개념도, 오른쪽은 중앙과 테두리를 연결하는 살을 남긴 개념도다. 실제 제품의 무게나 강도를 비교한 시험 결과는 아니다. 그림: 직접 제작.

물론 판으로 연결해도 된다. 실제로 그런 계열의 휠도 있다. 다만 같은 재료와 비슷한 두께로 면 전체를 채우면 금속이 많이 들어간다. 설계를 잘하면 필요한 강도와 강성을 확보하면서 일부 영역을 비워 무게를 줄일 수 있다.

다리 아래를 전부 콘크리트로 채우지 않고 기둥과 보를 배치하는 것과 비슷한 생각이다. 빈칸이 있다고 무조건 약한 구조인 것도 아니고, 꽉 찼다고 무조건 효율적인 구조인 것도 아니다. 재료를 어디에, 어떤 단면으로 놓느냐가 중요하다.

휠은 차에 실려 이동하면서 동시에 회전하는 부품이다. 가벼워지면 회전을 빠르게 하거나 늦추는 데 필요한 에너지를 줄이는 데 도움이 된다. 또 서스펜션 아래에서 노면을 따라 움직이는 질량의 일부이므로, 적절한 경량화는 노면 추종에도 유리할 수 있다. 다만 승차감은 타이어와 서스펜션 설정까지 함께 영향을 받는다.

선풍기처럼 생겼으니 바람을 만드는 걸까?

일반적인 스포크 휠의 기본 역할은 중앙과 테두리를 연결하는 것이다. 선풍기처럼 공기를 밀어내는 것이 주목적은 아니다. 다만 공기 흐름도 휠 설계에서 무시할 수 없다.

휠 안쪽에는 브레이크가 있고, 브레이크는 제동할 때 열을 낸다. 스포크 사이의 빈 공간은 브레이크 주변의 공기 흐름과 열 배출에 도움이 될 수 있다. 하지만 냉각 성능은 구멍 크기만으로 정해지지 않는다. 휠 모양, 브레이크 구조, 공기를 유도하는 덕트와 주행 조건 등이 함께 작용한다.

공기를 적극적으로 움직이도록 설계한 휠도 있지만, 휘어진 스포크를 봤다고 모두 냉각용 터빈이라고 생각하면 곤란하다. 스타일을 위한 곡선일 수도 있다.

그런데 요즘 전기차 휠은 왜 다시 막는 걸까?

구멍이 많으면 무조건 좋은 휠이라면, 면을 덮는 에어로 휠이나 휠 커버는 설명이 안 된다. 여기서는 공기저항이라는 다른 목표가 등장한다.

회전하는 바퀴 주변의 복잡한 공기 흐름을 줄여 효율을 높이려는 설계다. 테슬라도 에어로 휠이 장착된 차량의 주행거리 관리 방법으로 커버 장착을 안내한다. 겉으로는 막혀 보여도 안쪽 구조가 스포크이고 바깥에 가벼운 커버를 씌운 형태일 수 있다.

결국 무게·강도·브레이크 냉각·공기저항을 함께 조율한다. 빠르게 달리고 강하게 제동하는 차와 주행거리를 중시하는 차가 같은 답을 고를 필요는 없다.

철제 휠도 원리는 같다

검은 철제 휠을 보면 굵은 살 대신 작은 구멍이 둘러진 접시처럼 보이는 경우가 많다. 흔한 프레스 강판 휠은 판재를 입체적으로 성형한 중앙부로 림과 장착부를 연결한다. 알루미늄 스포크 휠과 생김새는 달라도, 중앙과 바깥을 이어 힘을 전달해야 한다는 과제는 같다.

철제냐 알루미늄이냐만으로 무게나 강도를 단정할 수도 없다. 치수와 형상, 재료, 제조법에 따라 결과가 달라진다.

그럼 살이 많을수록 튼튼할까?

살이 많으면 힘을 나누는 연결 경로를 늘릴 수 있다. 그렇다고 열 갈래가 다섯 갈래보다 반드시 튼튼한 것은 아니다. 스포크의 두께와 폭, 단면 모양, 림과 만나는 부분의 곡면, 재료와 제조 품질까지 봐야 한다.

휠 제조사 RONAL도 디자인을 실제 제품으로 옮길 때 강도·간섭 여유·주조 가능성 등을 검토한다고 설명한다. 겉모양만으로 성능을 판정하기 어려운 이유다. 회전 균형 역시 모양뿐 아니라 실제 질량 분포가 중요하다.

다음에 자동차 휠을 보면 빈칸부터 보자. 그 빈칸을 사이에 두고, 가운데와 테두리를 금속 살이 이어주고 있다. 우리가 선풍기처럼 생겼다고 느낀 모양은, 힘이 지나갈 연결부를 남기면서 무게와 여러 조건을 조절한 결과인 셈이다.

참고 자료

• BBS — Flow Forming 및 스포크 사이 경량화 설명
• BBS Japan — 휠 구조·제조 기술
• RONAL GROUP — 휠 디자인의 강도·강성·무게·공력 조건
• Tesla — 주행거리와 에어로 휠 커버
• Porsche — 휠의 경량화·냉각·공기역학