기어비와 최대 구동력

요즘은 오토가 대세라서 생소한 이야기 같지만 동력전달장치에 변화를 주면 차량의 특성이 완전히 달라지게 됩니다. 드레그 등 레이싱용 목적뿐만아니라 가파른 경사길이나 눈이 많은 지역 등에 적합하게 튜닝하려는 특수한 목적이 있다면 가장 적합한 분야가 아닌가 합니다.

 

자동차의 동력전달장치(power train)는 엔진에서 발생된 동력을 구동바퀴에 전달하는 장치인데 클러치(clutch), 변속기(transmission), 추진축(propeller shaft), 종감속기어(final reduction), 차동장치(differential), 액슬축(axle shaft) 등으로 구성되어 있습니다. 

 

우리가 흔히 밋션이라고 부르는 것은 이 변속기 즉 영어로 트랜스미션을 줄여서 말하는 것입니다. 이때 변속되는 배율을 변속비라고 하며 주로 감속이 되므로 감속비라고도 합니다. 또한 이 변속기는 기어의 물림방식에 의하여 속도를 변화시키므로 변속되는 비율을 보통 기어비라고도 부릅니다.

 

기어비는 엔진의 회전수를 감속시키는 배율을 말합니다. 대개의 자동차는 주행할 때 아무리 높은 속도로 달린다 하더라도 엔진회전수(rpm) 만큼 바퀴가 굴러갈 수는 없습니다. 그 이유는 작은 엔진의 힘(마력이 아니고 토크임)으로는 무거운 차체를 떠받치고 있는 자동차의 바퀴를 돌릴 수가 없기 때문입니다. 그리하여 엔진의 회전수 보다 작게는 2.5배에서 많게는 20배에 가까이 속도를 대폭 줄이는 것입니다. 속도를 줄이면 줄일수록 그 배수만큼 구동바퀴의 토크(torque)는 증가하게 되는 것입니다.

 

우선 자동차의 감속은 두 차례에 걸쳐서 합니다. 처음에 변속기(밋션)에서 기어비의 배율만큼 줄이는 것이고 그 다음 종감속 기어에서 다시 한번 줄이는 것입니다. 예를 들면 수동 5단 변속 자동차의 제원표에 3.98/ 2.14/ 1.37/ 1.00/ 0.86/ 3.58 그리고 감속비 4.63 이란 수치가 있다면 앞에서부터 순서대로 기어 변속비를 말합니다. 3.98은 1단기어일 때 엔진 회전수를 3.98 배로 감속한다는 뜻입니다. 즉 엔진회전수 다시 말하면 rpm의 수치를 3.98로 나눈 수치가 1단 기어일 때의 변속기에서 나오는 추진축(propeller shaft)의 회전수입니다. 당연히 변속기에 들어가는 쪽은 엔진의 크랭크축에 연결되어 변속기의 클러치와 연결되는 플라이 휠이 됩니다.

 

여기에 구동바퀴(FF차량의 경우는 앞바퀴)에 연결되기 전에 다시 종감속 기어를 거치게 되는데 이때 종감속 기어비만큼 속도가 다시 줄어듭니다. 그 배율이 위의 예시에 의하면 4.63배가 됩니다. 즉 rpm을 1단 기어비 3.98로 나눈 다음 다시 4.63으로 나누어야만 실제로 구동바퀴가 1분당 회전하는 수치가 됩니다.

 

 

좀더 구체적으로 계산을 해보면 1단 기어에서 1,000 rpm을 유지하고 주행을 한다면 변속기를 통과하면서 1,000 ÷ 3.98 = 251.25 로 분당 회전수가 줄어듭니다. 여기서 다시 종감속기어를 통과하면서 251.25 ÷ 4.63 = 54.26 회가 되는 것입니다.

 

즉 1분에 구동바퀴가 54회 회전하는 속도가 되는 것입니다. 여기서 1분을 말하는 것은 잘 아시겠지만 rpm 자체가 분당 엔진 회전수를 말하기 때문입니다.

 

그 의미는 엔진이 구체적으로 말하면 크랭크축과 플라이 휠이 약18.4 (3.98 x 4.63)번 회전하여야만 구동바퀴가 1회전한다는 것입니다. 다시 바꿔 말하면 205/45/16 사이즈의 휠 타이어를 장착한 차량이라면 엔진이 한번 회전할 때 바퀴는 겨우 10센티 정도 회전한다는 이야기입니다.

 

그러면 그 다음 수치인 2.14는 2단 기어일 때의 감속비가 되며 1.37은 3단 감속비가 됩니다. 4단 1.00은 아무런 속도의 변화가 없다는 이야기입니다. 변속기로 입력되는 회전수가 그대로 출력이 되는 것입니다. 그 다음 0.86은 5단일 경우의 변속비가 되는데 이때는 감속이 아니라 일단 증속이 됩니다.

 

그 뒤의 3.58 은 후진기어일 경우의 감속비가 됩니다. 이 차는 후진 기어비가 1단과 2단의 사이이지만 1단 변속비와 비슷하다는 것을 알 수 있습니다.

 

그리고 종(終)감속 기어는 전륜구동일 경우는 앞에 있고 후륜구동일 경우는 뒤 바퀴의 중간쯤에 위치하며 대개 차동장치와 맞물리기 때문에 일반적으로 영어의 differential을 우리가 [데후]라고 옛날부터 부르고 있는 것입니다. 그럼 여기서 감속비가 높은 경우와 낮은 경우의 차이점을 살펴보기로 합시다.

 

감속비 즉 변속비가 높으면 같은 거리를 주행하기 위하여 엔진의 회전을 그만큼 더 많이 시키는 것이므로 연비는 나쁘게 되나 힘 즉 구동력이 좋아지게 됩니다. 우리가 언덕길을 올라가기 위해서는 저단 기어를 사용하는 이유가 여기에 있습니다. 그리고 가속력을 얻기가 쉬워서 레이싱 차량에는 일반 차량보다 더 높은 변속비를 사용하는 것입니다.

 

엔진의 힘의 좋으면 좋을수록 낮은 감속비를 사용할 수가 있습니다. 그리고 대형차보다는 소형차량들이 차체가 그만큼 가벼우므로 낮은 감속비를 사용합니다. 소형차의 연비가 좋은 것은 바로 이것 때문입니다.

 

보다 이론적으로 설명한다면

총감속비 = 변속기의 변속비 x 종감속비

구동토크 = 엔진의 축 토크 x 총감속비 x 전달효율

구동토크는 구동바퀴에 생기는 회전력을 말합니다.

전달효율을 좋게하기 위하여 동판 클러치나 고장력 클러치커버를 사용하는 것입니다.

 

여기서 실제로 구동바퀴가 자동차를 추진하는 힘인 구동력은 다음 식으로 산출이 됩니다.

구동력(kg) = 구동토크 (kg.m)/ 구동바퀴의 유효반지름(m)

 

결론적으로 자동차의 구동력은

1. 엔진의 토크가 클수록

2. 변속비가 높을수록

3. 전달효율이 좋을수록

4. 휠타이어의 반지름이 작을수록 커지게 되는 것입니다.

 

따라서 드래그 레이싱은 물론 온로드 레이싱 뿐만아니라 4x4 차량의 급경사 오프로드 튜닝을 위해서도 아주 중요한 구동력을 높이기 위해서는

1. 엔진 튜닝으로 토크를 올린다

2. 변속비가 높은 밋션으로 교체한다

3. 전달효율이 좋은 튜닝용 클러치와 카바(압력판)를 장착한다

4. 휠은 가볍고 작은 것으로 타이어도 너무 넓지 않는 것으로 장착하는 것이 중요하겠습니다.

 

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