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모터사이클 선수 조현의

<안전한 라이딩을 위해 꼭 알아야 하는 모터사이클 타이어>



모터사이클(바이크)을 구성하는 수많은 요소 중 큰 비중을 차지하는 부품이 있다. 엔진의 동력을 속도로 구현해냄은 물론 방향전환에도 큰 역할을 하는 '타이어'가 바로 그 주인공이다. 엔진의 힘이 아무리 강하고 방향전환을 정확히 한다고 해도 타이어가 제대로 받아주지 못하면 무용지물이 되기 때문에 타이어의 역할은 실로 엄청나다고 해도 과언이 아니다. 


안전과 성능을 비롯해 바이크의 모든 면에 큰 영향을 미치는 타이어. 오늘은 타이어에 대해 알기 쉽게 풀어서 설명해보려고 한다.



▶타이어 동작 원리


▲ 접지 사진 ⓒBRIDGESTONE MC KOREA

 

우선 타이어가 노면과 접촉하여 바이크를 움직이는 원리를 간단히 알아보자.


타이어가 노면에 닿으면 타원형 모양의 ‘접지면’이 생긴다. 바이크와 탑승자의 무게로 인해 고무 재질의 타이어가 눌리면서 이러한 모양이 형성되며, 주행 중에도 ‘접지면’의 이러한 형태는 계속 유지된다. 접지면의 크기는 유동적이긴 하나 보통 트럼프 카드 1장의 면적보다 조금 더 작다. 탑승자 포함하여 약 300kg 내외의 무게를 트럼프 카드보다 작은 2곳의 ‘접지면’으로 모두 받아내고 있는 것이다.


‘접지면’이 생기면 타이어의 고무가 노면의 작은 돌기 사이로 파고들면서 노면을 단단하게 붙잡게 된다. 주행을 위해 타이어가 회전하면 노면에 닿는 타이어 부분의 돌기 파고들기가 연속적으로 이루어지게 되며, 이로 인해 타이어 그립(트랙션, 구동력. 자동차를 앞으로 진행시키는 힘)이 생성된다. 노면을 움켜쥐는 그립력 덕분에 주행 중 바이크를 기울여도 미끄러지지 않는 것이다. 


그립력을 키울수록 더 안전하고 쾌적한 라이딩이 가능하기 때문에 그립력 관리가 매우 중요하며. 타이어를 효과적으로 사용하는 궁극적인 목적이라고 볼 수 있다.



▶타이어 기본정보


우선, 자신이 사용하고 있는, 또는 사용할 타이어의 정보에 대해 정확히 아는 것이 중요하다. 타이어 특성을 잘 알아야 그에 맞는 적절한 관리가 가능하기 때문이다.


▲ 타이어 기호 ⓒBRIDGESTONE MC KOREA


타이어의 옆면(사이드 월)을 보면 사진과 같은 형태로 여러 숫자와 문자 및 기호들이 적혀있다. 이 코드가 해당 타이어의 기본적인 정보를 나타내기 때문에 이 코드 읽는 법을 최우선으로 익혀야 한다. 이것만 확실히 알아도 타이어에 대해 상당한 지식을 가진 셈이 된다. 


사진상 제일 좌측의 190은 타이어의 너비를 나타낸다. 타이어와 노면이 접할 수 있는 전체 부분의 너비를 mm 단위로 표시한 것이다. 허용오차가 5mm 정도 되기 때문에 제조사에 따라 140사이즈라고 해도 타사 150사이즈와 비슷한 경우도 가끔 있다.



▲ 타이어 설명사진 ⓒBRIDGESTONE MC KOREA


두 번째 숫자 55는 종횡비(편평률)를 나타낸다. 이는 타이어의 높이 즉, 사이드 월의 길이를 타이어의 너비로 나눈 값을 퍼센트로 나타낸 것이다. 사진의 경우 55는 190 너비에 55%라는 뜻으로 사이드 월의 길이가 약 105mm라는 것이다. 


편평률은 통상 5% 단위로 표기한다. 편평률이 낮아지면 직진 시, 접지 면적이 늘어나 안정적인 주행이 가능하지만 바이크 타이어는 캠버(뱅킹)각을 주기 위해 표면이 둥근 형태로 제작되어 있어 편평률이 낮으면 사이드로 갈수록 불안해지고 최대 뱅킹각도 적어진다.


편평률 = H(타이어의 단면 높이, 사이드 월) / W(타이어의 너비) X 100


55 뒤에 Z는 속도등급을 의미하는 것으로 설계상 타이어가 허용 가능한 최고속도가 어디까지인가를 알려준다. Z는 최고속도 270km/h를 나타내며, 여기에 W가 추가로 붙으면서 270km/h 초과속도도 허용 가능하다는 의미가 된다.



▲ 속도등급 ⓒBRIDGESTONE MC KOREA


R 문자는 ‘레디얼’ 타이어라는 뜻으로 최근 일반적인 온로드 바이크들은 대부분 ‘레디얼’ 타이어를 사용하기 때문에 크게 신경 쓰지 않아도 된다.


17이라는 숫자는 휠(림)의 직경을 나타내는 것으로 휠을 세워놓고 옆에서 보았을 때 원형의 직경이 17인치라는 것이다. 125cc 이상의 온로드 바이크들은 통상 17인치 휠을 쓰고, 스쿠터의 경우는 10 / 12 / 15인치를 쓴다.


M/C라는 표기는 모토사이클용 타이어라는 뜻으로 자동차용 타이어와 구분을 위해 기재한다.


마지막으로 75는 하중지수를 나타내는데 387kg까지 부과해도 된다는 뜻이다. 하중지수에 대한 도표는 아래와 같다.



▲ 하중 지수 ⓒBRIDGESTONE MC KOREA



▶타이어 공기압



자신의 타이어를 관리하는 기본은 공기압 체크다. 단순히 타이어의 바람을 넣고 빼는 것만으로도 바이크의 전체적인 움직임을 체감할 수 있을 정도로 변화의 폭이 크기 때문이다.


공기압은 타이어가 ‘접지면’을 만들어낼 때 얼마나 납작하게 눌리는지를 결정한다. 즉, 접지면의 크기를 정하는 요소 중 하나라고 볼 수 있다. 사실은 바이크에 추가로 짐을 싣지 않는 한 동일한 사람이 바이크에 올라탔을 때 접지 면적을 조절할 수 있는 유일한 방법이라고 할 수 있다.


공기압을 많이 넣으면 노면에 눌리는 정도가 적어져 ‘접지면’의 넓이가 작아진다. ‘접지면’이 작아지면 타이어가 노면을 움켜쥐는 범위가 작아지기 때문에 그립이 감소한다. 대신 주행연비와 타이어 수명이 조금 더 나아지는 장점이 있다. 


공기압을 적게 넣으면 반대의 현상이 나타난다. ‘접지면’의 넓이가 넓어지면서 그립이 증가하지만, 타이어가 많이 눌리면서 수명이 줄어들고, 타이어의 마찰력이 높아져 연비가 떨어지게 된다. 


이러한 특성들은 기본적으로 적정한 타이어 공기압에서 약간의 변화를 주었을 때 나타나는 현상이다. 통상적인 범위를 벗어나 극단적인 공기압의 변화를 주면 이러한 특성이 무시된 채 위험한 상황이 연출 될 수 있으니 주의해야 한다.


적정공기압은 타이어 제조사별, 모델별로 다르기 때문에 자신이 사용하는 제조사와 모델에 맞는 적정 공기압을 해당 업체 측에 문의하거나 업체 홈페이지를 통해 확인하도록 한다. 적정공기압을 기준으로 환경과 라이딩 수준에 맞게 공기압을 가감해서 최적의 조건으로 주행하는 것이 중요하다.


공기압 체크는 일반 샵에서 구매할 수 있는 일반적인 공기압 게이지면 충분하다. 보통 1~3만원 정도의 가격대를 형성하는데 안전을 위해 충분히 할 수 있는 투자이기 때문에 꼭 구비하도록 하자. 스포츠 주행이 많거나 레이스를 한다면 타이어 제조사에서 제작한 고급 게이지도 충분히 값어치를 하니 참고 바란다.     


▲ 게이지 사진

제조사에서 판매하는 게이지, 매우 높은 정밀도를 가지고 있다.



▶온도


타이어는 온도에 따라 그립력의 차이가 크게 변화한다. 주요 성분이 고무이기 때문에 온도가 올라갈수록 표면이 부드러워져 노면의 돌기를 더 잘 파고들게 되며 그립력이 증가하게 된다. 다만, 설계 한계치 이상으로 온도가 올라가면 그립력이 급격히 떨어지는 경우가 있다. 그러나 이는 몹시 더운 날 레이스 같은 극단적인 환경에서 일어나기 때문에 일반적인 공공도로 주행에서는 크게 개의치 않아도 된다. 


타이어 온도가 떨어지면 반대로 고무 재질이 딱딱해져 그립력이 떨어지게 된다. 타이어들은 제조사에서 정한 작동온도라는 것이 존재하는데, 이는 타이어가 낼 수 있는 최대 그립력이 가능한 온도를 말한다. 일상 및 투어 등의 일반 용도용 타이어는 이러한 작동온도가 낮은 편이다. 따라서 바이크를 주행한 지 얼마 되지 않아 작동온도까지 도달하므로 무난한 주행이 가능한 것이다. 


하지만 추운 날의 경우는 온도에 따른 그립력을 염두에 두고 타이어가 예열될 때까지 조심해서 운행해야 한다. 같은 기울기에서도 온도가 낮으면 전도할 가능성이 있기 때문이다. 보통 기온이 영상 5도 이하의 온도에서 주행할 때에는 약 5~10분 이상 충분한 워밍업을 해야 적정한 그립이 나오므로 참고하길 바란다. 


스포츠 주행용 하이그립 타이어나, 레이스용 슬릭타이어(표면이 민무늬인 타이어)는 작동온도가 높은 편이기 때문에 온도 관리에 더욱 유의해야 한다. 하이그립 타이어 일수록 온도에 따른 그립력의 변화가 심하다. 극단적으로 슬릭타이어의 경우 예열되지 않은 상태에서 그립력이 작동온도 그립보다 50%가까이 떨어지는 경우도 있다. 따라서 하이그립 타이어의 경우 초반 워밍업 등의 예열이 필수이며, 영상 5도 이하의 추운 환경에서는 될 수 있는 한 타지 않는 편이 좋다. 부득이 타야 한다면 평소보다 훨씬 부드럽고 무리하지 않는 주행이 필수적이다. 



▲ 타이어 워머 ⓒBRIDGESTONE MC KOREA

서킷이나 레이스에서는 작동온도까지 빠른 상승을 위해 타이어 워머를 사용한다.



▶수명



타이어는 생산된 직후부터 딱딱하게 굳어가기 시작한다. 태어나면서부터 죽어간다는 철학적인 의미와 비슷한 느낌으로 사용하지 않더라도 사용기한이 있다는 의미다. 타이어 사용기한에 대해서 여러 가지 의견들이 있지만, 일반적인 상온에서 관리된다고 볼 때 레이스용 타이어는 2~3년, 스포츠 타이어는 3~4년, 일상용도의 타이어는 5~6년 정도로 보는 것이 적당하다.


하지만 제조 일자가 오래되었어도 빛이 들지 않고 서늘하며 습기 없는 좋은 환경에서 보관되었다면 상태가 좋을 것이고, 생산 후 2년만 지났음에도 관리가 엉망인 상태인 경우는 사용하기 어려운 컨디션일 수도 있다. 따라서 타이어 구매 시 제조 일자는 물론 직접 만져보고 살펴보면서 경화가 진행된 정도를 확인하는 것이 중요하다. 


제조 일자는 타이어의 사이드 월에 “3217”과 같은 4자리 숫자 형태로 나타낸다. 여기서 앞의 ‘32’는 32주차에 생산되었다는 것이고 뒤의 ‘17’은 17년도에 생산되었다는 뜻이다. 즉, “3217”은 2017년 32주차에 생산된 타이어라는 의미다. 현재시점(2018년 3월)기준으로 본다면 아직 1년도 안된 신생 타이어로 신선한(?) 상태라고 할 수 있겠다.


사용하고 있는 타이어의 경우에는 타이어 중간 부분과 가장자리의 무늬(트레드) 안쪽에 마모 한계선이 있다. 타이어가 닳기 시작해서 그 마모선이 밖으로 드러나면 교체 시기가 되었다는 뜻이다. 


하지만 바이크 타이어의 경우 타이어 부분별로 닳은 속도가 확연히 다를 수 있기 때문에 마모 한계선만 믿기보다는 전반적인 타이어 마모 상태를 보고 판단하는 것이 조금 더 정확하다. 타이어는 안전과 직결되는 부품이기 때문에 절약하기 위해 끝까지 쓰는 것보다는 어느 정도 여유가 있을 때 교환하여 만약의 사고에 대비하는 것이 좋다. 




타이어는 간단하면서도 매우 많은 정보를 가지고 있는 부품이다. 특히 바이크 타이어는 자동차보다 바이크 차체의 의존도가 더 높기 때문에 더욱 중요하다. 타이어는 가성비나 절약을 목적으로 교체시기를 최대한 늦추는 것을 지양해야 하며, 안전과 직결되는 부품이기 때문에 교환 시기나 관리를 최대한 정석으로 하는 것이 바이크와 자신의 몸을 보호하는 최선의 방법이다. 




※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 







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나윤석 칼럼니스트의 자동차 칼럼

<전기차를 향한 현실적 발걸음, 하이브리드>



요즘 전기차에 대한 관심이 심상치 않습니다. 현대자동차의 새로운 전기차 모델인 코나 일렉트릭(Kona Electric)은 사전 예약한 지 닷새 만에 무려 10,000명의 예약자가 몰렸고, 쉐보레 볼트 EV(Bolt EV)도 올해 생산량을 늘렸지만 단숨에 동이 났다고 합니다. 


하지만 천오백만 원이 넘는 전기차 보조금이 없었다면 이렇게 잘 팔렸을까요? 두 모델 모두 소형차치고는 매우 비싼 소비자 가격인 4500만 원 전후로 출시되었지만, 생산비용이 많이 들기 때문에 자동차 회사에 돌아가는 중간이윤은 의외로 크지 않습니다. 높은 출고가와 낮은 생산 중간이윤 탓에 전기차는 소비자들이나 자동차 회사 모두에게 아직은 ‘대세’라 하기엔 부족해 보입니다. 


이러한 고민의 해결사를 자처하며 자동차 시장에 등장한 하이브리드 자동차는 내연 기관 자동차와 순수 전기차 사이에 틈새를 메우는 절충안으로 인정 받고 있습니다.



▶하이브리드 자동차의 역사


▲세계 최초의 하이브리드 자동차 Lohner-Porsche의 ‘Mixte’


전기차가 내연기관 자동차보다 더 오랜 역사를 갖고 있다는 사실이 우리를 놀라게 했던 것처럼 하이브리드 자동차 또한 매우 긴 역사를 갖고 있습니다. 



전기차의 한계점인 배터리를 보완하기 위해 엔진으로 발전기를 작동시켜서 연료를 해결하는, 이른바 직렬형 하이브리드 방식으로 첫발을 내디뎠습니다. 1889년, 미국의 ‘윌리엄 패튼(William H. Patton)’은 최초로 하이브리드 자동차에 대한 특허를 등록하여 시가전차와 기차에 적용했고, 그 명맥은 1900년 ‘페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)’ 박사가 제작한 ‘믹스테(Mixte)’라는 하이브리드 사륜구동 자동차로 이어집니다. 


이후 잠시 전기차의 명맥이 끊기고 엔진이 자동차의 심장을 독점했던 것처럼 하이브리드 자동차도 거의 자취를 감췄습니다. 그러나 1970년대 중동발 석유 파동이 터지며 더욱 효율적인 동력 기관이 요구되었고, 그 가운데 하나가 하이브리드 시스템의 재발견이었습니다. 여러 브랜드의 실험적 모델들을 거친 뒤 1997년 일본 시장에 ‘토요타 프리우스(TOYOTA Prius)’가 등장하며 현대적 개념의 하이브리드 자동차가 본격적으로 출발하게 됩니다. 


오랜 세월과 기술적 발전만큼이나 하이브리드 시스템의 종류는 다양합니다. 그 종류를 구분하는 기준은 여러 가지가 있을 수 있겠지만 가장 대표적으로 인정되는 기준은 ①전기가 자동차의 구동 장치에서 얼마나 많은 부분을 차지하는지, ②구동 방식은 무엇인지, ③배터리를 어떻게 충전하는지에 따라 나눌 수 있습니다.



▶주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 마이크로 하이브리드!


▲BMW의 ISG 버튼. 이 버튼이 있는 차는 마이크로 하이브리드 자동차일 확률이 매우 높다


‘마이크로 하이브리드(Micro Hybrid)’는 전기의 힘이 직접 바퀴를 움직이지 않기 때문에 하이브리드 종류 중 전기가 담당하는 일이 가장 낮습니다. 따라서 제조사에서 부담하는 원가도 약 50만 원 미만에 불과해 기존 내연 기관 자동차 모델에 적용하기 쉽습니다. 그만큼 다양한 모델을 선택할 수 있다는 의미입니다.  


차량의 속도를 줄일 때 발전기를 움직이는 부담을 줄이는 ‘회생 제동(Regenerative Braking)’은 내연 기관 엔진의 힘 일부를 전기에서 나오는 힘으로 대체하는 방식으로 움직입니다. 마이크로 자동차의 핵심 기술인 이 기능은 차량이 일시 정지하면 엔진을 끄는 ‘스타트 스톱’이나 ‘ISG(Idling Stop & Go)’ 등 자동차 제조사에 따라 다양한 이름으로 불립니다.



▶본격적인 하이브리드 시스템, 마일드 하이브리드


▲메르세데스 벤츠 M256 엔진. 출처 – 메르세데스 벤츠


‘마일드 하이브리드(Mild Hybrid)’는 바퀴를 움직이는 데 전기 모터가 본격적으로 참여하는 하이브리드 시스템입니다. 대표적인 마일드 하이브리드 시스템인 48V 시스템은 지금까지 엔진을 통해 작동하던 거의 모든 장치, 즉 냉각수 펌프, 오일펌프, 에어컨 컴프레서, 그리고 ‘슈퍼차저(Supercharger)’ 등을 모두 전기로 구동합니다. 즉, 엔진이 부수적인 부담에서 벗어나 바퀴를 굴리는 일에 더욱 집중할 수 있게 된 것입니다. 


초기부터 48V 시스템에 맞춰 개발한 ‘메르세데스 벤츠(Mercedes-Benz)’의 직렬 6기통 M256 엔진은 전기 모터가 작동시키기 때문에 엔진의 효율이 비약적으로 높습니다. 일반 엔진에서 쉽게 발견할 수 있는 벨트 구동부가 아예 없다는 특징도 있습니다. 여기에 적용된 마일드 하이브리드 시스템은 바퀴를 굴리기 위한 별도의 전기 모터를 사용하는 대신, 회생 제동 시에 발전기로 사용하는 발전기를 반대로 구동력을 보조하는 목적으로 사용하는 일명 ‘모터-제너레이터’로 활용됩니다. 풀 하이브리드 시스템 대비 30%의 에너지로 70% 효율을 낼 수 있다는 것이 증명되면서 최근 유럽을 중심으로 주목받는 시스템입니다.



▶하이브리드 그 자체, 풀 하이브리드!

▲풀 하이브리드 자동차의 대명사, ‘토요타 프리우스(TOYOTA Prius)’


우리가 보통 하이브리드 자동차라고 말하는 종류는 전기 모터가 바퀴를 움직이는 데 가장 중요한 역할을 하는 ‘풀 하이브리드(Full Hybrid)’입니다. 풀 하이브리드 자동차는 엔진을 끄고 전기 모터만으로 차량을 운행할 수 있는데다 주행 속도가 낮고 출발과 정지가 잦은 시내에서는 저속 토크가 큰 모터를 사용하며 순수 전기차처럼 달릴 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 약 2kWh 전후의 작은 배터리를 사용하기 때문에 전기 모드로만 주행할 때의 속력과 거리는 장거리 운전 상황에서는 만족스럽지 못합니다. 


이러한 단점을 보완하기 위해서 대용량 배터리와 고출력 모터를 장착하면 되지 않느냐고 생각할 수 있지만, 이 경우에 회생 제동만으로는 배터리를 넉넉하게 충전하기가 어렵습니다. 모터의 출력과 배터리의 용량을 늘리고 전기차처럼 외부에서 충전할 수 있는 고성능 하이브리드 모델인 ‘플러그인 하이브리드(PHEV)’의 등장은 이러한 갈증을 해소하는 단비로 다가왔습니다.


엔진과 모터가 모두 바퀴를 굴리는 데에 직접 관여하는 방식은 대부분 병렬형 하이브리드입니다. 이와 대조되는 방식은 엔진은 전기를 만들고 모터가 구동을 책임지는 직렬형입니다. 이 두 가지 방식을 혼합된 직병렬 방식도 존재하는데, 토요타의 하이브리드 방식이 대표적입니다. 


풀 하이브리드와 플러그인 하이브리드는 동력장치의 효율과 주행의 질감이 향상되고 전기 모드에서는 진동과 소음이 획기적으로 줄어들며 승차감이 우수해진다는 장점이 있습니다. 하지만 설계 시스템의 복잡함과 높은 원가 덕에 보급률이 상당히 떨어집니다. 엔진과 전기 모터가 각자 또는 함께 차량을 구동할 수 있게 하기 위해서는 여러 개의 기어와 클러치로 구성되는 복잡한 변속기를 사용할 수밖에 없습니다. 따라서 기술 개발로 배터리의 가격이 내려가더라도 풀 하이브리드 방식의 가격 인하에는 한계가 있습니다. 물론 현재로서는 이러한 방식이 가장 현실적이겠지만요.



▶궁극의 하이브리드, ‘EREV’


▲ 대표적인 EREV, 닛산 노트 e-파워


순수 전기차로 가기 전에 한 단계의 하이브리드 방식이 더 있습니다. ‘주행 거리 연장형 전기차’ 혹은 ‘시리얼 하이브리드’라고 이름 붙은 ‘EREV(Extended Range Electric Vehicle)’입니다. 구조적으로 바퀴를 굴리는 것은 전기 모터가 담당하고 엔진은 배터리를 충전하는 발전기 역할을 맡는 형태의 순수 전기차라고 볼 수 있지만, 가격 경쟁력이 없기 때문에 이 방식을 사용하는 차들은 별로 없었습니다. 


하지만 앞으로 이 방식을 채용하는 차들이 늘어날 것으로 전망됩니다. 이미 ‘닛산(Nissan)’ 노트 e-파워 모델과 같이 풀 하이브리드 수준의 작은 배터리를 사용하여 가격 경쟁력이 우수한 실용적인 모델들이 속속 출시되고 있기 때문입니다. 원가 대부분을 차지하는 배터리의 가격이 낮아지면 도로를 달리는 주행 거리 연장형 전기차의 수는 더욱 늘어날 것입니다.


전기차로 가는 가교로 자리 잡은 하이브리드! 향후 모든 차량의 기본 옵션으로 될 가능성이 높은 마이크로 하이브리드부터 전기차의 제한을 넘어서는 EREV까지, 하이브리드 자동차의 영역은 매우 넓습니다. 차량 구매를 계획한 분이라면 꼭 한 번 고민해볼 것을 추천합니다. 




※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 



 


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나윤석 칼럼니스트의 자동차 칼럼

<힘과 속도의 연금술사, 변속기>



아마도 운전 면허증은 우리나라 사람들이 가장 많이 가진 자격증일 겁니다. 총인구 5천만 명, 성인 인구 4천만 명 가운데 3천만 명이 가진 자격증이기 때문입니다. 이 운전 면허증에는 종류가 참 많습니다. 가장 중요한 기준은 운전할 수 있는 차량의 범위와 차량의 크기입니다. 그런데 이것 말고도 중요한 기준이 하나 더 있습니다. 2종 보통 면허증에만 적용되는 기준인 ‘오토매틱’ 또는 ‘수동’ 면허증입니다. 그 기준은 바로 변속기의 종류입니다.


이렇듯 변속기는 우리나라 성인 75%가 보유한 운전 면허증에도 등장할 만큼 우리에게 이미 매우 친숙하고 중요한 요소였습니다. 하지만 그 중요성에 비교하여 우리는 변속기를 잘 이해하고 있다고는 할 수 없습니다. 거기에는 우리나라의 신차 판매의 98% 이상이 이미 자동 변속기로 채워지고 있기 때문에 굳이 수동 변속기를 알아야 할 필요성을 느끼지 못하고 있으며 내부 구조는 어떻든 간에 운전자가 신경 쓸 필요 없이 D를 선택하면 전진하고 R을 선택하면 후진하며 주차할 때는 P를 선택하면 된다고만 알면 충분하다고 생각하기 때문입니다.


그런데 우리가 미처 이해할 기회도 주지 않고 변속기가 사라질지도 모릅니다. 전기 자동차는 우리가 아는 이른바 ‘6단 수동’이나 ‘8단 오토매틱’과 같은 변속기가 굳이 없어도 되기 때문입니다. 즉 엔진과 함께 동고동락하며 한 세기 이상을 발전해오던 변속기가 중요한 전환점을 맞이하고 있는 것입니다. 그래서 아직 늦지 않은 지금 변속기에 대하여 알아보려고 합니다.



변속기는 자동차의 동력 계통에서 매우 중요한 장치입니다. 이유는 변속기가 없으면 엔진을 사용하는 자동차는 출발할 수가 없기 때문입니다. 내연 기관, 즉 엔진을 큰 힘을 낼 수 있다는 것이 장점이지만 힘을 발휘하는 회전 영역이 좁다는 단점이 있습니다. 즉 엔진에 직접 바퀴에 연결하면 저회전 영역에서 토크가 부족한 엔진은 차를 출발시킬 수 없습니다. 따라서 출발할 때는 큰 감속비로 속도를 희생하는 대신 토크를 몇 배로 증가시키는 1단 기어를 사용해야 합니다. 그리고 차의 속도가 빨라지면 이번에는 반대로 엔진이 너무 빨리 돌아서 힘을 쓰지 못하게 됩니다. 이때는 고단 기어로 변속하면서 토크를 얻기 위한 기어에서, 속도를 얻기 위한 기어로 바꾸게 됩니다.  이는 속도를 유지하는 데에는 큰 토크가 필요하지 않기 때문입니다.


변속기의 역사는 자동차의 역사와 똑같습니다. 현대적 자동차의 조상인 벤츠의 파텐트모토바겐 Der Patent-Motowagen은 벨트 방식의 고정식 1단 변속기를 사용했습니다. 2/3마력 엔진으로 출발하려면 큰 감속비로 토크를 늘려야 했지만 속도가 사람이 걷는 정도로 느렸기 때문에 굳이 여러 단수를 가진 변속기는 필요하지 않았기 때문이었습니다. 하지만 차량의 속도가 빨라질수록 변속기의 단수는 늘어나기 시작했습니다. 그리고 50년이 지난 1939년 자동 변속기가 태어납니다. 제너럴 모터스가 개발한 하이드라매틱(Hydramatic) 변속기입니다. 최신형 자동 변속기들이 다양한 기능과 높은 효율을 발휘하지만 기본적인 원리는 하이드라매틱 변속기가 거의 완성했다는 점이 놀랍습니다. 


요즘 변속기의 두드러진 한 가지 추세는 다단화, 즉 기어의 단수가 많아지는 것입니다. 불과 10년 전에는 4단 자동 변속기가 주종이었던 것에 비교하여 요즘은 소형차도 6단 이상, 중형차는 8단 자동 변속기를 주로 사용하고 있으며 이미 9단 변속기가 상용화되고 있습니다. 최근 포드가 10단 자동 변속기를 머스탱에 탑재하였고 혼다는 11단 듀얼 클러치 변속기의 특허 출원하기도 했습니다. 



▲포드 머스탱에 적용된 10단 자동 변속기 (출처 : 포드)


이렇게 기어 단수가 늘어나는 것은 효율과 승차감을 높이기 위한 것입니다. 앞서 이야기했듯이 내연 기관 엔진은 좁은 회전 영역에서 높은 토크를 발휘하며 엔진이 가장 높은 효율을 보일 때가 바로 최대 토크를 내는 회전수입니다. 따라서 기어를 변경할 때마다 엔진 회전수가 큰 폭으로 변하는 4단 변속기보다 엔진 회전수가 최대 토크 시점의 상하로 작은 폭으로 오르내리는 8단 변속기를 사용하는 차가 높은 효율을 낼 수 있습니다. 또한, 엔진 회전수가 덜 오르내린다는 것은 변속기 이루어질 때 차에 전달되는 충격이 작다는 뜻입니다. 즉 승차감이 좋아지는 것입니다.


그러나 변속기의 단수를 무턱대고 계속 늘리기는 어렵습니다. 변속기의 구조가 복잡해지므로 가격도 올라가고 내구성에도 위협이 됩니다. 따라서 발상의 전환을 한 변속기가 바로 무단 변속기입니다. 무단 변속기는 이론적으로는 일반 자동 변속기가 기어 단수를 무한대까지 촘촘하게 늘린 것입니다. 따라서 변속의 충격이 전혀 없으며, 엔진 회전수를 최대 효율점에 고정하고 속도만 변화시킬 수 있으므로 효율이 매우 높습니다. 기어비의 폭도 매우 넓습니다. 그러나 기어의 이빨이 맞물려서 동력을 전달하는 일반 변속기보다 벨트의 마찰력에 의존하여 동력을 전달하는 무단 변속기는 전달하는 힘의 한계가 낮습니다. 


그래서 무단 변속기는 운전자가 가속 페달을 갑자기 깊게 밟더라도 엔진 회전수만 올라가고 차의 속도는 늘어나지 않는 특이한 성격을 보여줍니다. 벨트가 미끄러지지 않도록 토크를 순간적으로 기어비를 조절하여 흡수하기 때문입니다. 마치 힘을 가하면 늘어나는 고무줄 같다고 하여 이를 ‘고무줄 효과’라고 부릅니다. 효율은 높지만 운전자에게는 차량과의 일체감이 떨어지는 어색함이 무단 변속기의 가장 큰 단점입니다. 그래서 현재 무단 변속기는 연비와 효율성이 가장 중요한 시장인 하이브리드 자동차와 경차 등에서 주로 사용되고 있습니다. 



▲유성 기어 세트가 추가된 닛산 x트로닉 무단 변속기 (출처 : 닛산)


다단화 이외에도 변속기의 발전에 주역이 하나 더 있는데 바로 클러치입니다. 클러치는 엔진과 바퀴 사이에서 동력을 전달하거나 끊어주는 기능을 담당합니다. 또한, 무단 변속기를 제외한 모든 변속기는 기어를 변경할 때도 클러치가 동력을 끊어주어야 합니다. 그래서 변속할 때마다 충격이 느껴지고 동력의 손실이 발생할 수밖에 없는 것입니다. 이 문제점을 해결하면서 동시에 수동 변속기의 효율과 직결감을 이룩한 것이 듀얼 클러치 변속기입니다. 듀얼 클러치 변속기는 홀수 단과 짝수 단을 두 개의 축으로 분리하여 별도의 클러치로 제어합니다. 즉 홀수 축에서 1단 기어가 체결되어 있을 때 변속기는 이미 짝수 축에서 2단 기어를 선택해 놓고 아직 클러치만 연결하지 않고 기다립니다. 2단 기어로 변속할 때는 홀수 축의 클러치를 끊고 짝수 축의 클러치를 이어주기만 하면 되므로 단절이 없는 변속기 이루어지는 원리입니다. 듀얼 클러치 변속기가 최근 주목받고 있는 이유는 바로 효율과 감성을 모두 만족시킨다는 점입니다. 



▲현대 7단 듀얼 클러치 변속기 (출처 : 위키피디아)


하지만 글 첫머리에 이야기했듯이 전기차는 변속기를 사용하지 않습니다. 정확하게 말하면 고정 감속비를 사용하는 감속기 하나만을 사용하는 경우는 있지만 기어 단수를 사용하는 경우가 거의 없다는 뜻입니다. 그 이유는 전기 모터는 돌기 시작하는 순간부터 최대 토크를 발휘하기 때문이고 엔진 보다 상당히 높은 속도까지 회전할 수 있기 때문에 고성능 스포츠카의 속도 영역까지도 굳이 기어 단수를 바꾸는 변속기를 사용할 필요가 없기 때문입니다.


그러나 아이러니하게도 순수 전기차로 가는 과도기적인 단계인 하이브리드 자동차의 변속기는 매우 복잡합니다. 내연 기관과 전기 모터라는 특성이 전혀 다른 두 개의 동력 기관을 효율적으로 조합해야 하기 때문입니다. 저속에는 저회전 토크가 좋고 응답성이 우수한 모터에, 중속 이상에서는 큰 힘을 내는 엔진을 주로 사용하지만, 상황에 따라 모터와 엔진을 동시에 사용해야 하고 제동 시에는 버려지는 에너지를 전기 에너지로 다시 회수하는 등 그 구조는 물론 기능상으로도 매우 복잡합니다. 따라서 똑똑한 변속기와 변속기 제어 프로그램이 필수적인 것입니다.



▲토요타의 멀티 스테이지 하이브리드 트랜스미션 (출처 : 토요타)


이렇듯 변속기는 매칭되는 동력 기관과 차량의 성격에 따라서 다양한 방식으로 사용됩니다. 그러나 속도와 힘을 주무르면서 높은 효율과 부드러운 승차감을 추구한다는 본질에는 차이가 없습니다. 변속기는 속도와 힘의 연금술사인 것입니다.





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나윤석 칼럼니스트의 자동차 칼럼

<자동차의 심장, 엔진의 발자취>



요즘 전기차가 화제입니다. 이제는 한 번 충전으로 300km를 넘게 달릴 수 있는 모델도 있고 정부 보조금을 받으면 가격도 나쁘지 않다고 합니다. 유지비는 다른 자동차들보다 훨씬 적게 드는데 그래서인지 예산이 한정되어 있는 일부 지방자치단체의 경우는 보조금을 받기 위하여 밤새도록 줄을 서는 진풍경이 연출되기도 했답니다.


전기차가 이전에 비해 가까워진 것은 사실이지만 아직 본격적이라고는 할 수 없습니다. 앞서 말씀 드렸듯이 보조금이 없으면 비싼 가격과 번거로운 충전으로 일반 자동차에 비해 큰 메리트가 느껴지지 않기 때문이죠. 플러그 인 하이브리드 모델을 포함하여 배터리를 미리 충전할 수 있는 전기차의 작년 세계 판매량은 77만5천대로 전체 자동차 판매량의 1%가 채 되지 않습니다. 우리 나라는 이보다 점유율이 더 낮아서 0.3% 수준입니다. 


그렇습니다. 아직은 아닙니다. 우리는 아직 – 그리고 앞으로도 최소한 십 년 이상은 – 내연 기관이 이끄는 자동차의 세상을 살 것이라는 뜻입니다. 그만큼 내연 기관은 매력적이고 효율적이며 실용적이기 때문입니다. 하지만 당연히 내연 기관이 처음부터 지금처럼 좋았을 리는 만무합니다. 지난 20세기 내내 자동차와 함께 내연 기관은 꾸준히, 그리고 동시에 빠르게 발전해왔습니다. 그래서 우리는 20세기를 자동차의 세기라고 부르기도 합니다. 그리고 IT의 시대라고 하는 21세기에도 내연 기관의 지위는 여전히 굳건합니다.

 

▲ 내연 기관의 원리


내연 기관이란 내연(內燃)이라는 말에서 알 수 있듯이 이 엔진은 엔진 안에서 연료를 태워서 힘을 얻는 방식입니다. 내연이 있으면 외연(外燃) 도 있겠지요? 외연 기관은 엔진 바깥에서 연료를 태우고 그 열기를 이용하여 엔진을 굴리는 방식을 말하며, 대표적인 외연 기관으로는 증기 기관과 증기 터번 등이 있습니다. 증기 기관은 보일러에서 석탄을 태워서 얻은 열로 물을 끓여서 증기를 만든 다음 그 증기로 피스톤을 밀어내면서 힘을 얻습니다. 원자력 발전소의 증기 터빈도 외연 기관입니다. 이에 비하여 가솔린 엔진과 디젤 엔진 같은 내연 기관은 연소실에서 직접 연료를 태울 때 발생하는 에너지로 직접 피스톤을 아래로 밀어내면서 힘을 얻습니다. 


  


증기 기관은 18세기 말과 19세기에 증기 기관차와 공장 등지에 사용되면서 이미 상당히 발전했습니다. 최초의 자동차가 증기 기관을 사용했던 것은 어쩌면 자연스러운 결과일지도 모르겠습니다. 


도로에서의 자유롭게 움직여야 할 자동차는 기차보다 훨씬 작아야 하지만 증기 기관은 보일러와 물탱크, 석탄 저장고 등이 필요했기 때문에 자동차에 비하여 부피가 너무 크고 컸습니다. 하지만 증기 기관 이외에는 마땅한 동력 기관이 없었기 때문에 증기 기관을 자동차에 사용하려는 노력은 계속되었고 19세기에는 증기 자동차가 버스 크기의 자동차에서는 꽤 실용적인 수준까지 발전합니다. 놀라운 사실은 내연 기관이 이미 실용적인 수준으로 발달한 1920년대에 소형화된 증기 기관을 사용하여 당시의 내연 기관 승용차와 겉모습에서는 거의 구분하기 힘들 정도로 발달한 증기 기관 승용차가 있었다는 점입니다. 



▲ 1924년식 Doble Model E 증기 자동차


내연 기관의 이론적인 기틀도 18세기 말부터 서서히 갖추어집니다. 하지만 내연 기관이 자동차에 적용되는 데에는 거의 100년의 시간이 필요했습니다. 가장 큰 걸림돌은 바로 연료였습니다. 내연 기관은 엔진 안에서 연료를 태웁니다. 따라서 증기 기관처럼 석탄을 태우고 재를 걷어내는 방식은 불가능합니다. 즉 타고 남은 다음에 기체가 되어 사라지고 아무런 찌꺼기를 남기지 않는 연료가 필요했습니다. 하지만 당시에는 지금처럼 원유를 정제해서 휘발유나 경유와 같은 연료를 만드는 기술이 없었습니다. 


그래서 초기의 내연 기관들은 수소와 같은 기체 연료를 사용했습니다. 하지만 기체를 액체 상태로 압축하여 저장하는 기술이 없었던 당시에는 한 번에 싣고 다닐 수 있는 기체 연료의 양은 아주 적을 수 밖에 없었고 주행할 수 있는 거리도 제한적이었습니다. 1860년 벨기에의 에띠엔 르누아르(Etienne Lenoir)가 고안한 가스 엔진이 세계 최초로 제품화된 내연 기관으로 알려지고 있습니다.

 


▲ 에띠엔 르누아르(Etienne Lenoir)의 가스 엔진


내연 기관의 역사에도 자동차의 아버지인 벤츠는 역시 빠지지 않습니다. 바로 오늘날 우리가 타는 자동차처럼 액체 연료를 사용하는 내연 기관을 최초로 사용한 자동차가 벤츠가 만든 공식적으로 세계 최초의 자동차인 파텐트모터바겐(Der Patentmotorwagen, 특허자동차)이기 때문이죠. 1886년에 특허를 획득한 이 차에 실린 엔진은 4행정 휘발유 엔진이었습니다. 이 탄생하기까지 칼 벤츠는 휘발유 엔진의 원리를 발명한 니콜라스 오토 Nikolaus Otto, 동업자였던 고트리프 다임러 Gottlieb Daimler, 그리고 빌헬름 마이바흐 Wilhelm Maybach 등과 함께 약 20여 년에 걸쳐 가솔린 엔진의 이론적 배경과 특허, 시제품들을 개발해왔습니다. 

 


▲ 벤츠의 파텐트 모터바겐


이외에도 디젤 엔진, 슈퍼 챠저, 터보 챠저 연료 공급용 캬부레터, 점화 장치 등 내연 기관과 관련된 핵심 기술들은 20세기의 여명기 이전에 이론적 바탕이 거의 완성됩니다. 심지어는 요즘 하이브리드 자동차와 함께 각광을 받는 고효율 가솔린 엔진의 원리인 앳킨슨 사이클도 이미 1882년에 확립된 것입니다. 자동차 기술의 공룡인 로버트 보쉬도 1897년 자석 유도식 점화 장치를 개발하는 것으로 지금의 역사가 시작되었습니다. 

 



이렇듯 내연 기관은 19세기 후반에 정립되어 20세기에서 꽃을 피웁니다. 내연 기관의 비약적 발전에는 크게 세 가지의 동기가 있었습니다. 첫 번째는 자동차 레이스입니다. 1920년대부터 본격적으로 시작된 자동차 레이스는 지금까지도 자동차 성능 향상의 가장 큰 역할을 합니다. 승리를 위해서는 고성능 엔진이 꼭 필요하기 때문이죠. 또한 레이스 전체를 견디어야 하는 내구성, 연료 보급을 최소화하여 시간과 무게를 줄여야 승리할 수 있다는 효율성 등 자동차 엔진의 발전과 레이스는 동반 성장할 수 밖에 없는 숙명의 존재입니다.


두 번째는 전쟁입니다. 세계 대전은 추위에도 얼어 죽지 않는 철마의 수송 능력과 무거운 장갑을 덮고 전장을 누비는 육중한 전차, 하늘을 지배하는 비행기 등 내연 기관의 전천후 성능과 고성능에 집중하였습니다. 전쟁이 역사적으로 기술 발전의 강력한 동기였듯이 내연 기관에게도 이것은 마찬가지였습니다. 비용보다는 성능이 중요한 군사용으로 개발된 기술이 향후 상품성을 갖추면서 일반 대중에게 전파된 예는 무수하듯이 말입니다.


 


세 번째는 1970년대 이후의 오일 쇼크와 환경 오염 문제입니다. 기름값이 폭등하면서 연료 소모율이 중요해졌고, 이산화탄소 온실효과와 대도시의 광학스모그, 미세먼지 등의 오염 문제가 대두되면서 엔진의 배출가스에 관심을 갖게 되었습니다. 20세기 말부터 지구 온난화, 그리고 재작년의 디젤 게이트 등으로 내연 기관들은 이전에 없던 강력한 기준으로 관리 대상이 되었습니다.


요즈음의 전기 모터는 내연 기관을 대체할 만큼 큰 힘을 낼 수 있습니다. 하지만 문제는 연료에 있습니다. 내연 기관은 연료 탱크 하나로 수백 킬로미터를 달리고 단 몇 분만에 재보급이 가능하지만 전기 모터의 연료 탱크인 배터리는 아직은 훨씬 무겁고 비싸며 충전하는 데에 시간이 오래 걸리기 때문에 실용적이지 못하지요. 이 문제를 해결하려는 시도가 교환식 배터리나 수소 연료 전지입니다. 우리는 어쩌면 역사적 전환기에 살고 있는지도 모릅니다. 짧게는 몇 세기, 길게는 수천 년마다 일어나는 동력 기관의 전환기가 우리 인생에 다가올 수도 있기 때문입니다. 하지만 여전히 전기차는 미래이고 현실은 내연 기관입니다.





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푹푹 찌는 더위와 긴 장마가 교차하는 여름엔 체력 관리를 철저히 해야 합니다. 그런데 신경 써야 할 건 우리 몸뿐만이 아닙니다. 우리가 타는 자동차 역시 여름철에 맞는 관리를 하지 않았다간 사고와 화재 등 다양한 위험에 노출될 수 있으니까요.

여름철 자동차 점검 팁, 더 늦기 전에 지금 바로 살펴볼까요?



1. 엔진을 식혀주는 냉각장치를 점검하세요!

 


살인적인 여름 햇볕에 오랫동안 노출되다 보면 엔진 과열이 일어나기 쉽습니다. 국민안전처에 따르면 엔진과열이 자동차 화재 원인 중 18.5%를 차지했다고 하니, 본격적인 폭염이 찾아오기 전 냉각장치 점검을 꼭 해둬야겠습니다. 


여름철 엔진 과열을 방지하려면 라디에이터의 냉각수부터 살펴봐야 합니다. 엔진이 달궈진 상태에서 라디에이터 캡을 열면 화상 위험이 있으므로, 반드시 차량 시동을 끄고 엔진이 완전히 식은 후에 열어야 합니다. 보조 탱크에 냉각수 양이 2/3 정도가 되도록 냉각수를 보충하면 점검 완료!



2. 배터리, 타이어 점검은 필수!

 


여름철에 자주 고장나는 자동차 배터리를 점검할 땐? 우선 배터리 단자를 수시로 확인하여 항상 청결한 상태를 유지해야 합니다. 배터리 단자와 터미널 연결 부위의 부식을 방지하기 위해 구리스를 엷게 발라주고, 배선에 벗겨진 부위가 있으면 테이프로 잘 감아주세요. 폭염에 장시간 운전했다면 차량 시동을 끄고 전기장치를 쉬게 해주는 것도 좋습니다.


아지랑이가 피어오르는 뜨거운 도로 위를 종일 달리다 보면 자동차 타이어가 쉽게 마모됩니다. 타이어 마모가 심할 경우 장마철 빗길에 쉽게 미끄러지거나 제동력이 급격히 떨어질 수 있으므로 평소에 타이어 공기압과 마모도를 체크해야 합니다. 또 여름철 타이어의 공기압은 28~40psi 선을 유지하고, 고속도로 주행 시 10~15% 더 주입하는 것이 좋습니다. 장시간 운행할 때는 중간중간 휴식함으로써 타이어의 열을 식혀주는 것도 안전한 습관이지요.



3. 장마철을 대비해 와이퍼를 점검하세요!

 


엄청난 양의 비가 내리는 장마철, 강풍이 몰아치는 태풍은 모두 여름철 운전을 불안하게 만드는 요인입니다. 궂은 날에도 안전하게 운전하려면 미리 와이퍼를 점검해봐야 합니다. 빗길에 시야 확보가 제대로 되지 않는다면 사고가 일어날 가능성이 커지겠지요. 유리면에 닿는 와이퍼의 고무 날이 비뚤어져 있거나 워셔액을 뿌렸는데도 깨끗하게 닦이지 않는다면 와이퍼를 교체해야 합니다. 와이퍼는 소모품이란 사실을 명심하며, 비가 오기 전 꼭 와이퍼의 상태를 확인해보세요!



4. 폭발 위험이 있는 물건이 있는지 확인하세요!


여름철 바깥 온도가 30℃라면 차량 내부의 온도는 50℃에서 심할 경우 90℃까지 올라간다고 해요. 직사광선에 뜨겁게 달궈진 차량 내부에 휴대전화 배터리, 라이터, 부탄가스, 탈취제, 캔 음료, 물병 등을 오래 두면 손상되거나 폭발할 위험이 있습니다. 이러한 사고를 막으려면 실내 주차장을 주로 이용하고, 야외 주차 시 폭발 위험이 있는 물건을 가지고 내리는 것이 좋습니다. 부득이하게 물건을 놓고 내려야 한다면 수건이나 담요 등으로 덮어 열을 차단해주세요.



5. 차량 내부의 온도를 낮춰주세요!

 


작열하는 태양 아래 뜨거워진 자동차, 상상만 해도 짜증 나시죠? 생활 속에서 조금만 주의를 기울이면 차량 온도도 낮추고 쾌적한 상태를 유지할 수 있다고 해요.


주차할 땐 되도록 실내 주차장을 이용하고, 야외에서는 그늘에 세워두는 것이 좋습니다. 해가 지는 방향과 주차 시간을 고려하여 가장 오랫동안 그늘이 유지되는 곳에 주차하면 더욱 좋겠지요. 그늘도 없는 야외주차의 경우, 양쪽 창문을 1cm 정도 열어두면 공기가 순환되어 온도를 낮추는 데 큰 도움이 된답니다. 차량에 가리개를 덮어두거나 대시보드에 커버를 깔아두어 복사열을 막는 것도 좋은 방법입니다. 마지막으로, 차량에 탑승하기 전에 창문과 운전석 문을 여러 번 열고 닫으며 공기를 순환시켜주면 차량 내부 온도를 빠르게 낮출 수 있습니다.


여름철에 적합한 자동차 관리로 사람도, 자동차도 ‘열 받지’ 않는 여름을 맞이하시길 바랍니다 :)


참고 : 국토교통부, 교통안전공단, 삼성교통안전문화연구소



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