THE LEVERAGE EFFECT
자동차 엔진에서 생산하는 힘은 어떻게 바퀴까지 전달되는 걸까? 운전하는 사람이라면 변속기가 이 역할을 한다고 주저 없이 답할 수 있을 것이다. 허나 변속기의 동력 전달 원리를 아는 사람은 많지 않다. 궁금한 당신을 위해 차가 결과적으로 노면 위를 달릴 수 있도록 허락한 현대 기계공학의 결정체, 변속기를 소개한다.
글 | 박지웅
HOW IT WORKS
엔진 회전음을 자세히 들어보면 차가 변속기어 단수를 바꿔가며 달리고 있다는 것을 짐작할 수 있다. 변속기는 한자 뜻 그대로 속도를 변화시켜주는 기계다. 엔진에서 오는 힘은 변속기를 통과하면서 바퀴로 전달된다. 이때 저단 기어를 물리면 회전력은 크지만 회전속도는 작아 속도는 많이 못 낸다.
반대로 기어 단수를 올릴수록 회전력은 작아지고 이번에는 회전속도가 커져 고속 주행이 가능한 것이다. 다시 말해 운전자는 원하는 목표 속도에 따라 기어를 달리해 속도를 높이는 것뿐 아니라 줄일 수도 있는 셈이다.
변속기는 지렛대의 원리를 기본으로 가졌다고 생각하면 이해가 쉽다. 무거운 물체를 들어 올리려고 할 때 쓰는 도구인 지레가 길면 길수록 훨씬 무거운 물체도 들어 올릴 수 있다. 고대 그리스 수학자 아르키메데스는 긴 지렛대만 있으면 지구도 움직일 수 있다고 호언장담했다.
이 원리로 고대 이집트 피라미드를 쌓았고, 지금도 삽이니 병따개 같은 실생활에도 널리 쓰이는 굉장히 유용한 물리 원리다.
지레를 이용해 무거운 물체를 반복적으로 들어야 한다면 어떨까? 원통에 필요한 지렛대 여러 개를 연결해 돌리는 것을 상상할 수 있는데, 이것이 발전해 지금의 효과적인 톱니바퀴가 됐다. 예상하겠지만, 직경이 큰 톱니바퀴는 회전속도가 느린 대신 회전력이 세다.
반대로 직경이 작은 톱니바퀴는 회전력이 약한 대신 회전속도가 빠르다. 주행 조건에 따라 선택적으로 이런 톱니바퀴와 톱니바퀴를 물리는 일, 이것이 기어다.
정리하면 자동차가 정지상태에서 출발할 때는 속도가 느리고 무거운 차체를 움직여야 하므로 회전하는 힘은 강하고, 빠른 회전속도가 필요 없는 톱니바퀴를 물려야 한다. 이것이 1단 기어다. 일단 출발하고 속도를 높여가기 위해서는 순차적으로 회전속도가 빠른 작은 톱니바퀴로 옮겨가야 한다. 속도가 붙으면 차를 움직이기 위한 힘은 덜 필요하기 때문에 기어 단수가 위로 올라갈수록 톱니바퀴 직경은 작다.
TYPES OF TRANSMISSION
# MANUAL
운전자가 직접 기어를 조작하는 방식이다. 이 때문에 선택기어식 변속기라고도 불린다. 요즘 수동변속기는 5단에서 6단의 전진 기어와 후진 기어 하나를 가진다. 수동변속기의 특징 중 하나는 클러치(Clutch)다. 자동변속기와는 달리 클러치 페달이 브레이크 페달 왼쪽에 추가로 있다.
기어 단수를 바꿀 때는 반드시 이 클러치 페달을 밟아 엔진과의 동력 차단을 선행해야 한다. 조작이 까다롭지만, 운전의 재미를 아는 자동차 마니아 사이에서는 아직도 수동변속기를 선호하는 마니아 층이 두텁다.
BENEFIT
* 내구성이 강해 토크 허용 수치가 높다
* 간단한 구조라 정비가 쉽고 수리비가 저렴하다
* 연료 효율이 좋다
DISBENEFIT
* 자동변속기에 익숙한 사람은 운전하기 힘들다
* 교통 체증 속에서는 자주 변속 조작을 해야 해 불편하다
* 자동변속기에 비해 상대적으로 진동과 소음이 크다
# TOQUE CONVERTER
주위에 보이는 자동변속기 자동차가 모두 토크컨버터 방식이라고 봐도 무리는 아니다. 토크컨버터는 펌프, 터빈, 그리고 스테이터로 구성하는데, 원리를 이해하기 위해서는 선풍기가 필요하다. 선풍기 2대를 마주 보게 한 다음 하나를 켜면 날개가 돌아가면서 켜지지 않은 다른 선풍기 날개를 돌아가게 한다.
이런 원리를 이용한 것이 토크컨버터다. 대신 오일을 사용한다는 차이가 있다. 사용하는 오일은 차가 움직이면 마찰로 인해 열이 상당히 올라가므로 토크컨버터는 오일쿨러와 꼭 함께한다.
BENEFIT
* 사용하기 쉽다
* 부드러워 편안한 주행질감을 준다
* 연료 효율이 좋다
DISBENEFIT
* 구조가 복잡해 고장 나기 쉽다
* 수동변속기와 비교해 수리비가 싸지 않다
* 오일 관리에 소홀하면 가속과 연비 모두를 잃는다
# DUAL CLUTCH
이름에 이미 답이 있다. 클러치가 두 개인 자동변속기를 뜻한다. 언뜻 감이 오지 않겠지만, 쉽게 말해 수동변속기를 자동화한 것이다. 클러치가 두 개이기 때문에 부드러운 변속이 최대 장점이다. 클러치 하나는 홀수 기어를 맡고, 다른 하나는 짝수 기어를 맡는다.
2단으로 변속을 하게 되는 경우를 가정해보면 기어가 2단으로 들어가겠지만 1단과 3단도 동시에 대기하기 때문에 빠른 변속이 가능하다. 아무래도 수동기반 자동변속기이다보니 수동변속기 느낌이 강해 수동변속기에 익숙한 유럽 자동차시장에서 많이 볼 수 있는 변속기 형태다.
BENEFIT
* 변속이 매끄러워 변속 충격이 적다
* 빠른 변속이 가능하다
* 변속기를 병렬 배치하여 엔진룸 공간에 여유가 생긴다
DISBENEFIT
* 익숙하지 않으면 저속에서 울컥거려 출발이 어렵다
* 기어를 D에 놓아도 차가 앞으로 나가지 않는다
* 고장 나면 수리비가 비싸다
# CVT(Continuously Variable Transmission)
일반자동차에 쓰였던 옛 자동변속기는 구조가 복잡하고 크기가 커 출력 손실 또한 상당했다. 소형차에는 적합하지 않다는 평이 지배적이어서 소형차에 적합한 자동변속기를 따로 개발했는데, 이것이 CVT다. 기존 자동변속기와 달리 CVT는 기어를 사용하지 않는다.
기어 대신 풀리(Pulley) 위로 고무나 금속 벨트가 돌면서 변속을 돕는다. 부드럽고 연속적으로 변속이 이루어져 오히려 이질감을 느끼는 사람도 적지 않다. 기어 톱니바퀴가 물리면서 기어 단수를 올리는 방식이 아니기 때문에 무단변속기라고도 부른다.
BENEFIT
* 연료 효율이 좋다
* 변속 충격이 없어 편안한 주행질감을 선사한다
* 토크컨버터를 달아 동력 손실을 줄였다
DISBENEFIT
* 가속력이 약하고 이질감이 크다
* 토크 허용 수치가 낮아 오프로드같이 가혹한 환경에서는 쥐약이다
* 엔진 브레이크를 쓸 수 없다