자전거 기어 변속의 이해(출처:바이크매거진)-2

[미호천]

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.


약간 머리 아플 만한 이야기들이 많이 있었으니, 두번째 이야기에서는 이정도만 다루기로 하자. 다운힐이나 로드바이크, 또 생활용 자동변속 기어와 내장 기어는 또 복잡한 이야기들로 가득차 있어서 다음에 차근 차근 다룰 예정이다.