자동차는 엔진의 힘을 통해 앞으로 나아가는 현대 기계공학의 결정판이라 할 수 있다.

특히 이 엔진의 힘을 효율적으로 사용할 수 있게 해주는 부문이 바로 변속기 부분인데, 많은 사람들이 조작을 통해 변경하거나 시시각각 변하는 엔진의 소리를 통해 변속이 되고 있음을 알고 있다.

하지만 이 변속기가 어떤 원리로 작동되는지 알고 있는 사람은 그리 많지 않을 것으로 생각한다.

20세기 초 자동차의 역사가 지금의 절반이 채 되지 않았던 시절, 위와 같은 궁금증을 쉽게 풀어줄 영상이 제작되었는데 21세기를 살아가는 우리들이 보더라도 충분히 도움이 될 수준이다.

지금부터 변속기의 원리를 어떻게 설명하고 있는지 함께 살펴보도록 하자.


변속기의 기본은 지렛대?

기원전 고대 그리스의 수학자이자 물리학자였던 아르키메데스의 “지렛대를 다오 그러면 내가 세상을 움직여보지.”라고 언급한 일화는 수많은 책에서도 인용될 정도다.

아르키메데스는 지렛대의 힘은 실질적으로 무한하다는 의미로 위와 같이 언급한 것이다.

오늘날 사용하는 도구들에도 지렛대의 원리가 숨어있는데, ‘빠루’로 불리기도 하는 ‘노루발’과 캔 따개, 시소 등이 가장 대표적인 예다.

무게 균형을 이용한 가장 단순한 지렛대를 만들어보면 삼각 지지대의 위치에 따라 평형이 되는 위치가 달라지게 된다.

또한 가장 기초적인 원리를 보면 고정된 지지대 위에 막대기를 놓아 서로 다른 무게임에도 물구하고 평형을 유지하게 만드는 평형저울도 이와 같은 원리다.

크랭크
더블크랭크

여기서 평형저울을 약간 변형하면 흔히 알고 있는 크랭크가 되며 이것을 두 개 만들어 연결해 놓으면 더블 크랭크가 된다.

이를 응용하면 짧은 길이로도 무거운 물체를 들어 올릴 힘을 낼 수 있게 된다.

한 걸음 더 나아가 무거운 물체를 연속적인 동작으로 들어 올리려면 이 지렛대를 계속 추가하게 되는데, 결과적으로 보면 톱니바퀴와 같은 모양이 만들어지며 큰 톱니바퀴는 작은 톱니바퀴보다 큰 힘을 낼 수 있지만 속력은 떨어지는, 우리가 잘 알고 있는 ‘기어’가 만들어진다.

이것을 가공하여 마찰력을 줄이고 부드럽게 힘을 전달할 수 있도록 만들어 자동차와 각종 기계에 장착된다.


변속기의 작동 원리

위의 사진을 보면 왼쪽 축은 엔진으로부터 오는 ‘동력 축’이고 오른쪽 축은 자동차 뒷바퀴로 동력을 전달하는 ‘구동 축’이다. 그리고 두 개의 축을 연결하는 또 다른 축인 ‘카운터 축’이 존재한다.

즉 자동차의 ‘힘’이 전달되는 방향은 동력 축을 따라 카운터 축에 전달되고, 카운터 축에서 동력 축으로 전달되는 원리로 작동한다.

특히 카운터 축의 경우 동력 축과 항상 연결되어있으며 구동 축과는 기어 변속을 통해 연결되는 방식으로 구성되어있다.

이러한 이유로 카운터 축과 구동 축이 서로 떨어져 있는 상태가 바로 중립 기어(N) 상태다.

만일 차량이 출발하려는 경우 1단 기어부터 출발을 하게 되는데, 카운터 축의 기어 와 구동 축의 1단 기어 와 맞물리면서 동력이 전달된다.

사진의 경우 엔진 회전 수는 90RPM이며 1단 기어가 들어간 구동 축의 경우 30 RPM으로 회전 속력은 1/3이지만, 낼 수 있는 힘은 3배 가량 증가하게 된다.

그리고 속력을 높이기 위해 구동 축의 기어를 2단으로 바꾸게 될 경우 앞뒤로 이동하는 ‘클러치 슬리브’를 통해 변속하게 된다.

즉 변속은 구동 축의 클러치 슬리브의 이동을 통해 기어를 변경하고 카운터 축과 설정된 단수의 기어 와 맞물리는 과정을 의미한다.

2단 기어의 경우 구동 축의 회전 수가 60RPM으로 변하게 되며 영상 속 변속기의 최대 단수인 3단으로 변경할 경우 특별한 기어 없이 동력 축과 구동 축이 직접 연결되어 엔진과 구동 축의 회전수가 90RPM으로 같아지게 된다.

즉 빠른 속력을 낼 수 있게 된다는 의미다. 하지만 변속 과정에서 기어끼리 마찰이 발생하면서 마모가 발생하게 되는데, 숙련된 운전자의 경우 변속 타이밍을 잘 맞추어 그 마찰을 최소화할 실력을 갖추고 있을 가능성이 높지만, 초보 또는 일반 운전자들의 경우 변속하는데 어려움을 겪을 가능성이 높다.

이는 쉽게 이야기하자면 동력 축의 기어가 돌아가는 회전 속력과 구동 축의 기어가 돌아가는 회전 속력이 달라 생기는 문제점이다. 이를 해결하기 위해 ‘싱크로나이저’라는 장치를 변속기에 추가하게 된다.

‘싱크로나이저’는 코르크 마개를 병 입구에 꽉 낄 때까지 밀어 넣게 되면 코르크 마개를 통해서도 온전한 힘을 병에 전달할 수 있다는 원리와 비슷한 방법으로 작동되는데, 기어끼리 맞물리기 전에 두 기어의 회전 속력을 동일하게 만들어 변속할 때 마찰이 최소화되도록 만들고 변속 시 소음을 줄이는 효과를 볼 수 있다.

지금까지 언급된 변속기의 원리를 정리하자면, 변속기는 지렛대의 원리에서 출발하는 기계 장치다. 자동차가 움직이기 위해서는 기본적으로 동력 축에서 카운터 축을 따라 구동 축으로 동력이 전달된다.

그리고 자동차가 처음 출발하게 될 때 무거운 차체를 움직이기 위해 1단 기어로 시작하게 되며 가속을 위해 ‘클러치 슬리브’를 통해 2단 기어로 변속하고 ‘싱크로나이저’를 통해 기어끼리 생기는 마모율을 최소화시킨다. 이어서 더 높은 속력을 내기 위해 동력 축과 구동 축을 직접 연결하는 3단 기어를 통해 엔진의 힘을 그대로 전달하여 최고 속력까지 낼 수 있게 된다.


에디터 한마디

자동차는 겉보기에 단순한 기계장치로 생각하기 쉽지만, 자동차를 움직이는 구동 계통만 하더라도 이렇게 복잡한 과정을 거친다.

자동차 역사는 100여 년의 매우 짧은 역사를 가지고 있지만 현대 과학의 집합체라 생각해도 좋을 정도로 과학문명의 산물이라 볼 수 있지 않을까?

이번 변속기의 원리를 통해 수많은 운전자들이 자신의 차량이 어떻게 변속되는지 확실히 배우고 자동차에 대한 애정이 더욱 깊어졌으면 한다.


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