출처 : 바이크 매거진 

자전거 기어의 전반적인 내용을 다루었던 지난 기사에 이어 약간 더 심층적인 내용으로 자전거 기어 변속에 대한 두번째 이야기를 다루어 보려 한다.
이번에는 가장 많이 사용되는 산악자전거의 27단 기어에 대해서 알아볼 예정이다.

참고) 자전거 기어 변속의 이해

자전거를 더 유용하고 더 활용도가 높게 만든 것 중 최고를 뽑으라면 단연 기어변속을 선택하고 싶다. 다양한 지형과 빠른 속도를 모두 조절할 수 있는 기계적인 장비로 자전거에 있어서는 가장 복잡한 부분이기도 하기 때문이다.

앞 체인링 3단, 뒤 스프라켓 9단, 3X9=27단의 기어를 모두 활용하는가?

산악자전거 27단 기어가 모두 사용되는가?
기어 변속이 조금 더 극적이고 많은 변화가 생기는 산악자전거는 현재 사용되는 기어 변속 중 가장 대중적인(유사 산악자전거를 제외하고) 단수는 24와 27단이다.
지난 자전거 기어변속의 이해를 통해 자전거 기어 위치와 힘의 전달에 대해서 다루었던 적이 있었는데 간단하게 정리하면 아래와 같다.
페달링에 들어가는 힘 = 체인링 T수 / 스프라켓 T수
그렇다면 몇가지 계산을 해보자.
산악자전거 체인링의 T는 보통 44T, 32T, 22T 3개를 많이 사용한다.
뒤의 스프라켓은 시마노 XT를 볼 때 보통, 11, 13, 15, 17, 20, 23, 26, 30, 34T 9개로 되어 있다.
가장 많은 힘이 들어가는 조합은 "44T / 11T = 4"이고
가장 적은 힘이 들어가는 조합은 "22T / 34T = 0.65"이다.
 

앞 3단(44T), 7단(15T)를 사용하면 페달링 시 2.93의 힘이 든다.
앞 2단(32T), 뒤 9단(11T)을 사용하면 페달링 시 2.90이 힘이 들어서,
위의 3단X7단과 거의 비슷한 추진력을 보인다.
그 중에서 앞에 3단(44T)과 뒤 7단(15T)을 사용하면
44T / 15T = 2.93 의 힘이 들고,
앞에 2단(32T)과 뒤 9단(11T)을 사용하면
32T / 11T = 2.90 의 힘이 든다.
두가지 조합에 힘이 드는 차이가 거의 없음을 의미한다. 앞 체인링 3단을 사용하고 뒤 스프라켓 7단부터 1단까지의 힘은 앞 체인링 2단의 기어로 대부분 커버할 수 있다는 것을 의미한다.
그래서, 27개의 기어 단수는 수치적인 조합이고 사실상 절반 가까운 기어가 중복되는 힘을 발휘하고 있다는 것이다. 우리가 사용하는 기어는 거의 15단 정도라고 할까?

그렇다면 체인링 3단에서 7단 이하의 기어변속은 불필요한 작업일까?
위에서 이야기한 것처럼 앞3단 뒤7단 기어비부터는 앞2단을 사용해도 그 힘을 사용할 수 있게 되어 효용성이 떨어져 보이는 것이 사실이다.
하지만, 또 한가지 생각할 것이 있는데, 기어변속을 할 때 변화되는 힘의 양이 생각보다는 중요하다는 것이다. 앞 체인링을 44T 사용할 경우는 뒤 스프라켓이 15T에서 17T로 변화될 때 아래와 같은 힘의 양이 차이가 난다.
44T / 15T = 2.93
44T / 17T = 2.59
두 기어비 차이 = 2.93 - 2.59 = 0.34
이에 반해 앞 체인링이 32T의 경우 11T에서 13T로 변화될 때의 변화량은 다음과 같다.
32T / 11T = 2.90
32T / 13T = 2.46
두 기어비 차이 = 2.90 - 2.46 = 0.44

앞 체인링을 큰 것으로 사용하면 뒤의 변속에 따라 변화량이
적어 적당한 기어비를 만들기 쉽다.
이해하기에 조금 어려운 숫자들이 나열되었지만 앞 체인링이 32T를 사용할 때보다 44T를 사용할 때 기어변속에 대한 힘의 변화가 0.34로 0.44보다 적다는 것을 알 수 있다.
이것이 의미하는 것은 앞 체인링의 크기가 클 수록 뒤 스프라켓을 변속할 때 변화량이 적어 더 세밀하게 기어비를 조절할 수 있다는 것을 의미한다.
일반적으로 기어변속 단수가 많다고 해서 더 적은 힘으로 언덕을 오를 수 있는 기어비가 있는 것이 아니라 기어변속의 변화량을 더 세밀하게 할 수 있는 기어가 있다는 것을 의미한다.
그것은 한번에 변화되는 변화량이 클 수록 라이더는 자신이 정확히 원하는 기어를 맞출 수 없어 곤란해지고 기어단수가 많으면 변속에 따른 변화량이 적어 자신이 원하는 기어를 정확히 맞추기 쉽다는 뜻이다.
어려운 이야기들을 많이 했다. 하지만 마지막으로 기억할 것은 앞 체인링의 T수가 크다면 내가 원하는 기어변속비를 맞추기 쉽다는 의미로 해석하면 된다. 그래서 많은 선수들이 앞 체인링을 가능한 큰 것으로 사용하여 변속을 하고 싶어하는 이유이기도 하다.

앞 디레일러는 두개의 판 사이에 체인이 끼워져 있어서 판이 좌우로 움직이며
강제로 체인의 위치를 교체한다.

체인링의 이빨은 각기 다른 모양을 가지고 있어 변속을 부드럽고 빠르게 만드는데
도움을 준다.

체인링 뒤면도 체인이 움직이는 길에 따라 덧니같은 것이 나와 있어 변속에 도움을 준다.

앞 디레일러의 작동 방법은?
자전거 세팅 중에 가장 어려운 부분을 꼽으라고 하면 아마 앞 디레일러 세팅이 최고가 될 듯 하다. 그만큼 복잡한 것이 아니라 너무 단순하게 움직여서 세밀한 작동을 사람이 정확하게 맞추지 않으면 원하는 세팅이 잘 되지 않기 때문이다.
앞 디레일러는 가이드 형태의 두개의 판이 하나로 연결되어 그 사이에 체인이 지나가는 형태로 되어 있다. 작동 방법은 아주 단순하게 가이드 판이 좌우로 움직이면서 체인을 강제적으로 밀어서 다른 체인링으로 이동하도록 하는 방식이다.
이런 식의 체인 이동은 체인링과 체인에 상당한 무리를 줄 수도 있고, 변속이 부드럽게 되지 않는 원인 중에 하나인데, 그런 것을 방지하기 위해 체인링의 이빨은 정말 다양하게 생겼다.
체인링의 이빨을 그냥 멀리서 보면 단순하고 일정한 톱니처럼 생겼지만 가까이에서 자세히 보면 하나 하나의 크기가 다를 뿐 아니라 모양도 제각기다. 그리고 체인링의 안쪽을 보면 덧니처럼 군데 군데 튀어나온 부분을 볼 수 있다. 이런 것들이 앞 디레일러에 의해 강제적으로 이동되는 체인을 조금 더 부드럽고 빠르게 움직이도록 도와준다.
하지만, 이런 다양한 체인링의 형태에도 불구하고 체인링의 변속은 뒤 스프라켓의 변속보다 부드럽지 않아서 페달에 강한 힘이 걸렸을 때 변속을 하게 되면 잘 되지 않거나 심각하면 체인이 끊어지기도 한다. 그래서 경사가 급한 언덕을 만났을 경우는 언덕을 오르기 전에 미리 앞 체인링을 적당한 위치로 옮기는 것이 중요하다.

뒤 디레일러(셰도우형)의 경우 4개의 붉은 점 부분이 움직이며 변속을 시킨다.

4개의 붉은 점 부분이 움직이며 변속에 따라 변하는 체인의 텐션을 유지한다.

뒤 디레일러 몸통 부분은 평행사변형으로 되어 있어 움직임에 따라
적당한 체인의 위치를 만들어낸다.
뒤 디레일러의 톱니의 가이드를 받아 스프라켓으로 체인이 부드럽게 넘어간다.

스프라켓 이빨의 모양도 각기 다른 모습을 하고 있어 변속에 도움을 준다.

뒤 디레일러의 작동 방법은?
뒤 디레일러는 앞 디레일러에 비해 매우 복잡한 기계 형태를 갖추었다. 아마 자전거 부품 중에 가장 복잡한 부속인지도 모른다. 지금의 뒤 디레일러는 평행사변형의 모양으로 좌우로 균형감있게 움직이는 형태인데 그 원형은 선투어社에서 처음 개발한 것이다.
뒤 디레일러는 크게 세가지 움직임으로 나뉘게 된다. 첫번째는 디레일의 몸통이 고정된 볼트를 피봇으로 앞뒤로 움직이는 것이고, 두번째는 평행사변형의 몸통이 좌우로 찌그러지면서 움직이게 된다. 마지막으로는 아래쪽으로 길게 늘어져 있는 두개의 풀리를 잡고 있는 판이 몸통을 기준으로 앞뒤로 움직이게 된다.
이렇게 복잡한 움직임이 필요한 이유는 기어가 변속될 때마다 체인의 길이가 달라져야 하기 때문에 스프링의 장력으로 체인을 'S'로 잡아 항상 팽팽하게 유지하기 위해서이다.
이런 복잡한 움직임과 두개의 '풀리'라고 불리우는 둥근 톱니로 뒤 스프라켓은 조금 더 부드럽게 변속이 진행되는데, 그렇다고 스프라켓의 모양이 대충 만들어지지는 않는다.
스프라켓의 모양도 제각기 다른 모양과 크기가 있는 것을 자세히 보면 알 수 있고, 이런 모든 것들이 부드럽고 조용한 변속을 만드는데 일조를 하고 있다.

앞 체인링 2단, 뒤 스프라켓 5단(가운데) 위치했을 때 체인이
자전거와 수평을 이루는 라인이 체인라인이다.
이 라인과 체인이 일치하였을 때 변속 관련 문제가 가장 적다.

체인라인, 이건 또 뭐지?
27단이라는 어마어마하게 많은 기어단수를 부드럽게 변속하기 위해 필요한 또 하나의 조건이 있는데, 그것이 바로 체인라인이다.
이것은 앞 체인링을 2단에 놓고, 뒤 스프라켓을 중간인 5단에 놓았을 때 체인이 꺾이지 않고 직선으로 정확하게 위치하는 할 때 그 직선 라인을 의미한다.
이론적으로는 체인라인에 정확하게 맞도록 앞 체인링과 뒤 스프라켓이 위치해야 변속이 원활하지만 사실 모든 자전거가 그렇지는 않다.
보통 BB 폭의 두께와 프레임 간섭 때문에 체인링이 약간 바깥쪽으로 빠져 있는 경우가 많은데, 산악자전거의 경우는 충분한 체인스테이의 길이 때문에 체인라인이 정확하게 맞지 않아도 변속에 큰 문제가 발생하는 경우는 적다. 하지만 BB나 크랭크의 교체처럼 체인라인이 변화되는 경우는 꼭 체인라인을 체크해서 가능한 정확하게 맞추어 세팅하는 것이 좋다. 

 
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출처 : 바이크매거진  


바이크매거진 기사 중 가장 큰 인기를 얻고 있는 기사 중에 '자전거 기어변속의 이해'가 있다. 이것은 2008년에 작성한 기사임에도 전체 노출이 10만건에 가까운 기사로 거의 매일 또 다른 독자들에 의해 읽혀지고 있다.
그래서, 2011년 어울리는 내용으로 수정이 필요했고, '버전 2011'을 작성하기로 했다.

시마노 넥서스 Di2는 자동 변속을 실현시킨 모델이기는 하지만 가격이 문제다.

자전거에 있어서 기어변속은 '무게와 편의성, 그리고 가격'이라는 문제를 두고 항상 고민해 왔다. 특히 일반 라이더를 위한 '자동 변속 시스템'은 가격이라는 만만치 않은 벽에 부딪히며 해결할 답을 내 놓지 못한 것이 사실이다.

어쨌든 현존하는 자전거의 대부분은 '수동 변속 시스템'을 사용하고 있으며, 정확한 이해가 떨어질 경우 효율적인 라이딩이 어려운 것은 당연하고, 고장으로 이어질 수도 있다.

2장의 체인링과 10장의 스프라켓을 가진 변속 시스템

앞(프론트)과 뒤(리어) 변속 시스템
자전거의 변속은 자동차와 달리 '앞기어 변속'과 '뒷기어 변속'에 대해 이야기 하는 것이 일반적이다.
앞기어는 체인링(chainring)이라고 불리우는 톱니와, 뒷기어는 카세트 스프라켓(casset sprocket)이라 불리우는 톱니들로 구성되어 있다.
앞기어의 체인링은 보통 2장 또는 3장이 한쌍으로 조합되어 있는데, 가장 작은 체인링에 체인을 맞추면 1단, 그 다음은 2단, 3단 순으로 숫자가 높을 수록 큰 체인링의 사용을 뜻한다.
뒷기어는 9개에서 많게는 11개의 스프라켓으로 구성된 경우가 일반적이다. 앞기어와 달리 가장 큰 스프라켓이 1단, 크기가 작아질 수록 단수가 올라가며 10개의 스프라켓일 경우 10단까지 올릴 수 있다.

3장의 체인링

2장의 체인링을 가진 경우는
안쪽에 작은 것을 이너(inner), 바깥은 큰 것을 아웃터(outer)라고 부르기도 한다.
작은 것이 1단, 큰 것이 2단이다.

일반적인 카세트 스프라켓은 여러개의 스프라켓과 스페이서, 락링이 합쳐져서 만들어진다.

10장의 카세트 스프라켓, 큰 것이 1단, 가장 작은 것이 10단이다.

기어 단수의 계산
기어 단수는 앞 체인링의 개수와 뒤 스프라켓의 개수를 곱하여 계산한다.
산악자전거의 경우는 보통 앞 체인링의 개수가 3개를 사용하고 있고, 최근에는 XC 전용 크랭크로 2장의 체인을 사용하는 경우도 많다.
로드바이크의 경우는 체인링의 개수를 2개 또는 3개 사용한다.
뒤 스프라켓은 산악자전거의 경우 보통 9~10개를 사용하는 것이 많고, 로드바이크의 경우는 10~11개를 주로 사용한다.

기어 단수 = 앞 체인링의 수 X 뒤 스프라켓의 수

그래서 우리나라에 많이 사용되는 기어단수는
산악자전거 : 앞 체인링의 수(3) X 뒤 스프라켓의 수(10) = 30단
로드바이크 : 앞 체인링의 수(2) X 뒤 스프라켓의 수(10) = 20단

과 같이 계산할 수 있다.

'T'수는 톱니의 개수를 의미한다.

체인링(체인휠이라고도 함)의 T수
T수라 함은 체인링 또는 스프라켓의 톱니(tooth) 개수를 말한다.
산악용 자전거와 로드용 자전거는 기본적으로 기어 T수가 차이가 난다. 산악용은 험한 언덕길을 달리기 쉽도록 체인링의 T수가 적은 편이며, 로드용은 도로에서 빠른 주행을 위해 T수가 많은 편이다.
산악용은 3개의 T수가 44-32-22T를 사용하는 경우와 최근 시마노의 다이나시스처럼 42-32-24T를 사용하는 경우가 가장 일반적이다.
로드용은 50-34T(컴팩트 사이즈) 또는 53(54)-39T(스탠다드 사이즈) 두 가지의 체인링을 사용하는 경우가 많다. 로드바이크의 경우는 최근에는 언덕길 난이도가 높아지며 컴팩트 사이즈에 대한 선택이 많아지고 있다.

스프라켓의 T수
산악용은 로드용에 비해 T수가 더 많은 스프라켓을 사용하여 갑작스런 길의 변화에 대응하도록 만들어졌다. 산악용 스프라켓의 T수는 보통 가장 작은 것이 11T, 가장 큰 것이 36T 정도로 되어 있다. 로드용은 가장 작은 것이 11T, 가장 큰 것이 28T 정도로 되어 있어 도로에서 고속 주행 시 편리하도록 되어 있다.
체인링과 스프라켓의 조합으로 만들어지는 기어비에 대해서는 아래의 글을 통해 더 자세히 알아보자.


기어변속에 따른 힘과 이동 거리의 차이
체인링은 다리의 회전과 동일하게 회전하며, 그 힘은 체인을 통해 스프라켓으로 전달된다. 그리고 스프라켓의 회전 수는 뒤 바퀴의 회전수와 동일하다.
먼저 체인링을 가장 작은 22T에 놓고, 스프라켓을 22T 놓으면 페달링을 한 바퀴할 때 자전거 바퀴는 한 바퀴 회전하게 된다. 이것의 힘을 "22T / 22T = 1"이라고 하자.
체인링을 44T에 놓고, 스프라켓을 11T에 놓고 페달링을 하면 페달링 1바퀴에 뒤 바퀴는 4바퀴 회전하게 된다. 그러면 4배의 거리를 움직이게 되어 "44T / 11T = 4"의 힘이 들어가게 된다.
체인링을 22T에 놓고, 스프라켓을 34T에 놓으면 "22T / 34T = 0.65"의 힘이 들어가게 된다.
같은 환경에서 힘과 이동거리는 서로 비례하게 되어 같은 회전력에 이동거리가 짧아지면 힘이 덜 들어가게 되는 것이다.
위의 계산과 같이 "기어비 = 체인링T / 스프라켓T"로 구할 수 있는데, 이 값이 높을 수록 고단, 낮을 수록 저단 기어가 되는 것이다.

저단 기어와 고단 기어의 차이
자동차와 마찮가지로 자전거에 있어서 저단 기어는 '출발할 때'과 '언덕길을 오를 때' 사용하는 것이 좋다. 마치 수동 기어 자동차에서 1단을 놓고 출발하는 것과 같은 것이다.
그에 반해 고단 기어는 한번 페달링으로 많은 거리를 이동할 수 있어 이미 속도가 오른 상태에서 그 속도를 유지하거나 가속할 때 사용할 수 있다.

큰 체인링과 작은 스프라켓을 사용할 수록 힘은 더 많이 들지만
한번 페달링으로 더 많이 갈 수 있다.

언덕을 오를 때 적절한 기어의 선택이 가장 중요하다.

기어변속의 필요성
왜 기어 변속같은 복잡하고, 고장나기 쉬운 시스템을 자전거에 넣은 것일까?
위에서 힘의 차이를 이야기한 것 같이 언덕을 올라가고자 할 때는 힘이 많이 들어가는 기어비율을 사용하면 올라가기 어려워진다. 페달링 한번에 0.65의 힘을 써도 될 것을 4의 힘을 사용하여 올라간다면 쉽게 피로해지고, 때로는 내 몸에 4라는 힘을 쓸 기운이 없을 때도 있다.
힘이 적게 들어가는 기어비율을 사용하면 같은 페달링으로 속도는 느리지만, 힘도 적게 들게 되므로 언덕을 타고 오를 수 있게 된다.
그리고, 언덕을 내려가거나 평지에서 이미 속도가 붙어있는 상황이라면 4라는 힘을 관성의 힘과 중력의 힘이 도와주어 쉽게 전달할 수 있게 된다. 그러므로 같은 페달링에 빠른 속도를 낼 수 있게 되는 것이다.

3개의 체인링을 사용할 때는 위의 사항을 주의해야 한다.
그렇지 않으면, 체인이 끊어지거나 디레일러가 고장날 수 있다.

기어 변속 시 주의할 것들
체인링이 2개인 로드용의 경우는 아래 주의 사항을 많이 무시해도 되도록 설계되어 있지만, 3개의 체인링을 사용하는 산악용은 주의해서 사용할 필요가 있다.
앞기어의 변속은 왼쪽의 변속레버에 있고, 뒷기어의 변속은 오른쪽 변속레버에 위치하고 있다. 각자 따로 위치하고 있어 마음대로 변속이 가능한데, 몇가지 주의해서 사용할 기어변속 비율이 있다.
간단하게 이야기하면, "가장 큰 것들끼리 사용하지 말고, 가장 작은 것들끼리 사용하지 말자."이다.
가장 큰 체인링과 가장 큰 스프라켓을 사용하게 되면 체인 길이의 한계에 오게 되고, 또한 뒤 디레일러가 완전히 펴지면서 체인과 디레일러의 수명을 단축시키게 된다. 체인의 길이가 조금 짧은 경우 억지로 변속이 진행되면서 체인이 끊어지거나, 디레일러가 고장나게 된다.
가장 작은 체인링과 가장 작은 스프라켓을 사용하게 되면 체인에 걸리는 텐션이 너무 약하게 되어 체인이 엉키거나 빠지게 된다. 또한 강한 힘을 주었을 경우 정확한 힘 전달이 되지 않아 효율이 많이 떨어질 수 있다.
물론, 선수들의 경우는 자전거의 수명보다 성적이 중요하다 보니 이와 같은 주의사항을 무시할 때도 많다. 그들은 기어 변속의 소리와 페달링의 텐션만으로도 자전거의 상태를 확인할 수 있을 정도니 일반 동호인들과 비교하는 것은 맞지 않을 수 있다.

다양하고 급격하게 변하는 산악 지형에서는 특히 변속이 중요하다.

변속은 조용하게
기어 변속을 할 때 '투두둑'하는 소리가 나면서 변속을 하는 경우를 많이 볼 수 있다. 이 소리가 좋다는 분들도 계시지만 체인과 기어 이빨의 수명을 단축하는 가장 쉬운 방법이다.
기어 변속을 하기 전에 미리 케이던스(페달링 회전수)를 높혀 살짝 헛발 짓는 듯한 기분이 들게 하고 변속을 할 때 페달링 속도를 조금 늦추어 주면 아마 거의 소리없이 변속이 될 것이다. 평상 시 라이딩에서 이런 습관을 만들어 놓으면 변속 시스템의 노화를 막아주고, 체인이 끊어지는 극한의 상황이 잘 발생하지 않는다.


여러가지 지형을 다닐 수 있는 자전거가 나오면서 기어의 변속은 많은 편리함을 주었지만, 나름대로 사용자에게 어려운 숙제를 준 것이기도 하다. 정확한 변속 시스템을 이해하여 더욱 빠르게 더욱 쉽게 자전거를 탈 수 있도록 하자. 

Posted by Golmong
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