이번 글에서는 수동 변속기를 가진 탈것의 기어 변속에 대해 알아보고자 한다. 엔진을 가진 탈 것의 가장 기초적인 부분이기에 알아두면 좋은 점이 있다.
1.RPM
RPM은 분당 회전수를 말한다. 우리가 얘기하는 탈 것의 경우엔 엔진의 회전수를 뜻한다. 6000 rpm은 1분에 엔진이 6000바퀴 돈다는 말이고 이는 1초에 100바퀴 돈다는 것과 같다. 이 엔진을 바로 구동축(바퀴)에 연결하면 어떻게 될까? 차나 오토바이 등 엔진이 달린 탈 것을 가지신 분들은 자신의 탈 것의 바퀴가 1초에 100바퀴 도는지 확인해보라. 그렇지 않을 것이다. 이는 감당할 수 없는 수이기 때문에 우린 기어를 거쳐 이를 조정해서 구동축에 전달한다.
2. 기어
탈것이 가진 엔진은 하나다. 이 엔진의 RPM 범위는 늘 같다. 그럼 속력이나 힘을 어떻게 조절할까? 바로 기어를 통해서다. 1단, 2단, 3단... 전부 기어비가 다르다. 그래서 기어를 올릴 때마다 같은 RPM에서 낼 수 있는 힘은 줄어들지만 속력은 올라간다.
3.속력
위에 속력을 이야기했는데 rpm과 기어에 따라 속력이 정해지는 이유를 설명하겠다. 공중에 원둘레 1m의 바퀴가 있다고 상상해보자. 이 바퀴 위에는 엔진과 미션이 올라가 있다. 현재 스로틀을 주지 않은 상태를 측정해보니 엔진은 600rpm 이고 기어는 1단이고, 바퀴가 1초에 1바퀴 움직인다. 우린 여기서 원둘레가 1m였기에 바퀴가 1초에 한바퀴라면 속도가 1m/s 임을 알 수 있다.
4.업시프트의 특성
잠시 공중에 떠있는 간이 탈것의 특성을 알아보자.
600rpm에, 1단이 물려있자, 1바퀴였다.
1단이 물린 상태에서, 스로틀을 열어 rpm을 1200까지 올리자, 그러자 바퀴가 1초에 2바퀴 돌아갔다.
스로틀을 닫아 다시 600rpm으로 내리고, 2단을 물리니, 바퀴가 1초에 2바퀴 돌아갔다.
이제 이 녀석이 1단이 물린채 600rpm으로 바닥을 달리고 있다고 보자. 600rpm, 1단일 때, 바퀴가 1초에 한바퀴 움직이니 1m/s로 움직인다. 이제 1초에 2바퀴 돌 때까지 악셀을 준다. 1단 1200rpm에서 바퀴가 1초에 2바퀴가 돌게 되었다. 여기서 2단을 넣어준다. 2단, x rpm, 1초에 두바퀴가 되었다. 여기서 x rpm은 몇일까? 위에 공중에서 측정해봤듯이 2단, 1초에 두바퀴라면 600rpm이다. 업시프트를 하니 1200rpm에서 600rpm으로 엔진의 rpm이 떨어졌다.
5.정지 상태에서 출발 시 시동이 꺼지는 이유
탈 것이 정지해있다. 속도가 0이다. 바퀴가 움직이지 않는다는 말이다. 하지만 중립이나 클러치를 준 상태라면 엔진은 돌고 있다. 기본적인 rpm이 뜨고 있는 것이다. 위의 간이 탈것의 경우 600rpm이다. 이러한 상황에서 갑자기 1단 기어를 넣어 줄 경우 엔진의 600rpm과 바퀴의 0바퀴라는 괴리가 생긴다. 더 강한쪽으로 당겨질텐데 안타깝게도 차체의 무게와 관성, 구름저항 등이 더 강하다. 다르게 얘기하면 업시프트를 할 경우 RPM이 떨어지는데 0으로 떨어져버리니 시동이 꺼진다고 봐도 좋다. 그럼 누군가는 엔진 rpm 그거 잠깐 0으로 멈췄다가 다시 올라가면 되는거 아니냐 생각할 수 있다. 흡입, 압축, 폭발, 배기를 하고 있는 4행정 실린더 내에서 피스톤이 안 움직이고 있다고 생각해보라. 생각하는 것만으로도 엔진에 무리가 가는게 느껴진다. 그래서 엔진을 보호하기 위한 시스템으로 시동을 끄는 것이다.
그럼 어떻게 해야 시동이 안꺼질까? 기어를 물릴 때 쓰로틀을 열어 rpm이 떨어지지 않게 하면 그만이다. 이를 얼마나 빨리 수행할줄 아느냐에 따라 스타트가 갈린다.
이제 그냥 rpm 끝까지 높여놓고 기어를 넣으면 되지 않을까 생각하는 사람들도 있을거다. 안타깝게도 이 경우 초당 바퀴가 돌아가는 수와 정지해있는 차체 사이의 너무 큰 괴리가 발생하면서 구동축의 바퀴가 헛도는 현상이 발생한다. 흔히 오토바이나 후륜구동 차에서 뒷바퀴가 털린다고 말하는 그 현상이다. 레이싱의 경우 미끄러지지 않는 선에서 이를 잘 조절하는게 드라이버가 할 일이다. 하지만 일반인들이 빠른 스타트를 위해 이러한 위험을 감수할 이유는 없다. 꼭하고 싶다면 요즘 전자장비가 사람보다 정확하고 빠른지라 런치컨트롤 기능이 있는 차를 구입해 이용하면 된다.
6.다운시프트
업시프트를 이해한 사람들은 설명 안 해도 알것이다. 반대라는걸.
2단, 1200rpm, 1초에 4바퀴에서
단수를 내리면
1단, 1초에 4바퀴이니, 엔진의 rpm은 2400이 되겠다.
결론, 다운시프트를 할때 엔진의 rpm이 올라간다.
7.엔진브레이크와 rpm보정의 이유
다운시프트를 할때는 엔진의 rpm이 올라가는건 알았을거다. 하지만 위에 5 시동이 꺼지는 이유에서 설명했듯이 여기에서도 괴리가 생긴다는 것을 알 수 있다. 이번에는 나의 스로틀 양과 실제 rpm사이의 차이다. 나는 스로틀을 1200rpm 수준으로만 주고 있거나 혹은 스로틀을 완전히 닫아 600rpm이어야하는데 기어를 바꾸면서 엔진의 rpm만 2400까지 올라간 것이다. 이 경우 실제 흡입, 압축, 폭발 없이 피스톤이 내려간다. 이러면 실린더 내의 압력이 내려가면서 움직이고 있는 피스톤에게 압력을 가한다. 그럼 rpm의 수가 급격히 줄어들면서 속도가 준다. 이때 우리는 엔진브레이크가 걸렸다고 한다.
근데 스피드 레이싱을 즐기는 분들에겐 이게 문제다. 감속을 하고, 저단 기어를 넣고, 코너를 들어갔다가, 빠져나올 때 가속을 해야하는데 엔진 브레이크가 걸려버리면 속도에 손해를 본다. 그래서 클러치를 주었을때 rpm보정을 해야한다.
2단, 1200rpm, 1초에 4바퀴 상황에서
클러치를 넣어 구동축과 엔진이 떨어졌을 때 쓰로틀을 연다. 그렇게 rpm을 2400으로 맞춘 다음에 단수를 내린다.
그럼 1단, 1초에 4바퀴, 2400rpm에 안착한다.
이렇게 실제 쓰로틀과 rpm사이의 괴리를 해결해 엔진브레이크가 걸리기 않게 한다. 그 유명한 힐앤토가 제동, 다운시프트, rpm보정을 동시에 하기 위함이다. 물론 이를 위해선 내 속도와 기어에 맞는 정확한 rpm을 알고 있어야하고 그 짧은 순간에 이를 정확하게 넣는 흠좀무한 능력이 필요하다.
사실 이제 이러한 원리를 알 필요가 많이 없어졌다. 자동변속기가 대세고, 기어가 없는(있어봐야 1단, 2단이 끝인) 전기차가 미래다. 그래도 완전히 없어지기 전까지는 쓸모가 있지 않을까?하는 생각으로 올려본다.