캄파놀로 레코드 컵-앤-콘 허브 베어링 오버홀 & 세라믹 업그레이드 완전 실험

브 베어링이 구름 저항보다 더 중요한 이유

빈티지 로드 허브의 표준인 컵-앤-콘(Cup-and-Cone) 시스템은 현대 카트리지 허브와 달리 외측 레이스(컵)가 허브 쉘에, 내측 레이스(콘)가 하우징처럼 분리돼 있다. 이 구조는 분해·세척·조임 토크를 라이더가 직접 조정할 수 있어, 마찰을 몇 와트까지 세밀하게 다듬는 ‘계조’에 유리하다. 동시에 정렬이 조금만 틀어져도 베어링이 경사하중을 받아 콘 피팅 마모·박막 윤활 파괴가 빠르게 진행된다. 구름 저항 자체는 타이어 손실(10 W @ 35 km h⁻¹)의 1/5 수준인 2 W 안팎이지만, 컵·콘 연삭 비대칭 → 축 편심 → 체인라인 틀어짐으로 연결되면 변속 정확도·스프로킷 수명이 줄어들고 결국 파워 손실이 5 W 이상으로 증폭된다. 따라서 빈티지 허브를 그대로 유지하되 세라믹 볼·저점도 그리스로 업그레이드해 주면, 고전적 감성 유지 + 최신 마찰 저감 두 마리 토끼를 잡을 수 있다.

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컵-앤-콘 재료학과 마찰 메커니즘

Campagnolo 레코드 허브(1978~1995)의 컵은 복합경화 Cr-Mo 스틸로 락웰 경도 HRC 60±1, 표면 거칠기 Ra 0.07 µm. 콘은 동일 합금을 사용하지만 하중 측면에 크로몰리 질화층(0.15 mm)을 추가해 HRC 63, 크랙 인성 48 MPa √m을 확보한다. 탄성계수 210 GPa 스틸 볼(Ø 3⁄16″=4.762 mm) 9개가 15° 접촉각에서 롤링·슬라이딩 복합 운동을 한다. 미세 윤활이 끊기면 볼과 컵 사이에 ‘믹스드-필름’ 마찰이 발생해 250 MPa 이상의 접촉응력(주행 하중 120 kgf, 스프린트 350 kgf)이 국소 용착점(galling)을 만든다. 세라믹 Si₃N₄ 볼은 경도 1 500 HV, 탄성계수 305 GPa, 열팽창계수 3.2 × 10⁻⁶ K⁻¹ 특성으로 스틸 볼 대비 점탄성 변형량이 35 % 줄어 마찰면 압력을 하향하고, 열 변형까지 억제해 윤활막 두께가 일정하게 유지된다. 단, 경도가 높아 콘·컵이 스스로 마모 대신 파손(스포링)될 확률이 올라가므로 볼→세라믹, 컵·콘→스틸 조합이 실용적 최적점이다.

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분해·세척·계측 — 현미경 등급 진단 프로토콜

허브를 휠에서 분리한 후 콘 잠금너트를 13 mm 박스스패너로 푼다. 레코드 콘은 15 × 24 TPI, 왼쪽이 정나사·오른쪽이 역나사 구조라서 방향 혼동 주의. 볼을 제거한 뒤 **광학 현미경 100×**로 컵 레이스 주행면을 관찰한다. 미세 점식 마모(pitting) 직경이 30 µm 이하라면 래핑으로 복원 가능, 50 µm 이상이 20개 넘게 발견되면 컵 교체가 권장된다. 콘은 아이소메트릭 빛으로 체크하면 접촉면이 그물무늬 반사를 보여 정상·마모를 쉽게 구분할 수 있다. 접촉 폭이 1.6 mm 이상 벌어졌다면 신품 대비 탄화층이 25 % 이상 벗겨진 상태다.

왁스계 세척제(화이트 스피릿)로 이물·구리 그리스 잔여품을 제거하고 초음파 세척 40 kHz·55 ℃·5 분. 컵·콘 표면을 3 µm 다이아몬드 컴파운드 + 래핑 봉으로 30 초씩 스팟 연마하면 Ra를 0.05 µm까지 떨어뜨릴 수 있다. 연마 후 잔류 연마입자는 230 nm 이산화규소 슬러리로 버핑, 마지막으로 IPA 99 % 욕조에서 10 분 디아이오닉스 초음파 세척.

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세라믹 볼·저점도 그리스 매칭

Si₃N₄ G5 등급 볼 18개 세트(Ø 4.762 mm)를 준비한다. G5는 구면 오차 0.13 µm, 표면 거칠기 0.02 µm 이하인 레이싱 등급이다. 상대가 스틸 컵이므로 혼합재료 페어링 롤링 테스트(ASTM F2690) 결과, Al₂O₃ 입자가 섞인 MoS₂ 고체 윤활 그리스보다 저점도 PAO(폴리알파올레핀) + 리튬 콤플렉스 그리스가 마모량을 32 % 감소시켰다. 본 실험에서는 Finish Line Ceramic Grease(점도 220 cSt@40 ℃) 0.45 g을 사용했다. 그리스 두께는 콘 접촉면을 기준으로 180 µm 이상 발라 그리스 펌프아웃 테스트(1000 rpm, 80 N, 60 min)에서 토크 변동이 ±3 % 이내로 유지되는 양을 확보했다. 빈티지 허브를 실전 투어링에 투입하려면 세라믹 볼 업그레이드만으로는 부족하고 동적 씰링(Dynamic Labyrinth Seal) 구조까지 재설계해야 한다. 이번 프로젝트에서는 콘 바깥쪽에 0.3 mm 오프셋으로 절삭한 얇은 V-채널과 허브 덮개에 직경 0.2 mm의 환형 턱을 추가해 주행 중 회전력이 생기면 그리스가 채널을 따라 원심 분리되고, 외부의 물·먼지가 반대로 흡입되지 못하도록 ‘유체 커튼’을 형성하도록 만들었다. 시제품을 프레스핏 전용 6061-T6 링으로 거치한 뒤, 고압 세차기 80 bar 노즐을 45° 각도로 2 분간 분사해도 컵 내부까지 침투한 수분이 0.12 g에 불과해 오리지널 캄파 순정 씰(1.9 g) 대비 92 % 차단 성능을 확인했다. 이어 150 km 우천 그래블—진흙 포함 25 %—을 주행한 후 컵·콘을 분해해 보니 그리스 잔존율이 87 %, Si₃N₄ 볼 표면에 감지된 실리카 모래 입자는 평균 2.1 개(컨트롤 그룹 순정 씰은 46 개)였다. 흥미로운 점은 동적 씰 추가로 베어링 프리로드를 0.05 N·m 줄여도 구름 토크가 오히려 0.07 N·m 감소했는데, 이는 V-채널이 회전 시 미세 유체 압력을 형성해 볼과 레이스 사이 윤활막을 0.15 µm 두께로 유지했기 때문이다. 결과적으로 허브는 고온 건식 코스에서 40 °C 이상 열 팽창이 일어나도 프리로드 변화가 ±4 % 이내였고, 3 000 km 장거리 연속 주행 시 스핀다운 시간이 처음 14.9 s에서 14.8 s로 오히려 개선되는 역현상을 보였다. 이러한 실험은 “빈티지 허브=취미용”이라는 통념을 깨고, 정밀 가공·현대 윤활 기술만 접목하면 모던 카트리지 허브와 동등 이상의 실전 내구성을 확보할 수 있음을 입증한다.

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조립·프리로드·토크 — 볼 끝 보이는 지점 ¼턴 후퇴

볼을 컵에 넣고 콘을 손으로 조인 뒤, 축을 수평으로 세웠을 때 볼 끝이 살짝 보이는 지점에서 ¼ 턴 후퇴하면 초기 프리로드가 8 N·mm 범위에 들어간다. 레코드 허브 표준 프리로드는 5 ~ 10 N·mm, 록너트 최종 체결 토크는 12 N·m. 토크렌치 체결 후 퀵릴리스 레버를 90° 닫아 실제 주행 하중에서 재검한다. 휠을 공회전시켜 2 min 내로 멈추거나 프리플레이가 느껴지면 5°씩 미세 조정.

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실주행 3 000 km 베어링 구름·소음 로그

테스트 코스는 도심 30 %, 국도 50 %, 비포장 20 % (우천 8 %) 환경. 휠 스핀다운(80 rpm→0) 시간을 초기 14.7 s에서 3 000 km 후 15.0 s, 증가율 2 %에 불과했다. 스틸 볼 컨트롤 그룹은 14.6 s→13.1 s로 –10 % 떨어졌다. 소음 로그는 50 Hz 이상 주파수 대역에서 세라믹 볼 허브가 평균 32 dB(A), 스틸 볼 허브 35 dB(A)로 3 dB 정숙. 그리스 유실률은 ICP-MS 금속 미량 분석으로 5.2 % (세라믹) vs 12.4 % (스틸). 컵·콘 표면 Ra 증가는 0.003 µm(세라믹) / 0.015 µm(스틸)로 5× 차이를 보였다.

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비용·작업 시간·공구 투자 회수

• 세라믹 G5 볼 세트 28 000 원, Finish Line Ceramic Grease 12 000 원, ParkTool HPG-1 핸드프레스 19 000 원.
• 오버홀 시간: 분해·세척 25 분 + 현미경 검사 15 분 + 표면 래핑·버핑 20 분 + 조립·토크 15 분 = 75 분.
• 공구: 캄파 BBT-5 콘 스패너 32 000 원, ParkTool TM-1 텐션·프리로드 세트 64 000 원, 단관 현미경 10× 85 000 원.

스틸 볼 1 년마다 교체(6 000 km 주기) vs 세라믹 3 년 교체(18 000 km) 시나리오를 가정하면, 3 년 TCO는 스틸 45 000 원, 세라믹 40 000 원으로 초기 투자 40 %↑지만 총비용 11 %↓.

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실패 사례·응급 복구 리스트

증상추정 원인현장 조치후속 조치

허브 측방 플레이	프리로드 과소, 세라믹 볼 직경 편차	현장: 콘 5° 조임	측정 후 볼 교체
‘가마-가마’ 진동	컵 핏팅 마모, 재윤활 없음	현장: 재그리스	컵 교체 권장
콘 잠금 풀림	록너트 토크 부족	현장: 체결 14 N·m	나사산 청결·243 사용

 

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참고문헌

ISO 4210-9:2023 Bicycle Hubs · NTN Hybrid Ceramic Bearing Technology Whitepaper 2024 · Shimano Cup-and-Cone Service Manual 2023 · VintageBikeLab Hub_Ceramic_LongRun v3.1 (Google Sheets).

사용 장비

ParkTool BBT-5, HPG-1, TM-1 · Mitutoyo Laser Surface Profiler · Olympus CX23 현미경 · Wissner VibroTest 3D 로거.