자전거 기어변속의 이해
2008-10-11   박창민 기자
바이크매거진 기사 중 가장 큰 인기를 얻고 있는 기사 중에 '자전거 기어변속의 이해'가 있다. 이것은 2008년에 작성한 기사임에도 전체 노출이 10만건을 넘기고 거의 매일 또 다른 독자들에 의해 읽혀지고 있다.
그래서, 최근 변화에 맞는 기사로 업그레이드가 필요했고, 2011년 1차 업데이트 이후 2014 버전을 (2014년 9월 15일) 업데이트 하여 추가하기로 했다.

전동 변속 시스템 등 자전거 변속에 관한 기술은 계속 발전하고 있다.


자전거 변속의 목적

자동차의 변속 시스템은 수동에서 자동으로 자연스럽게 변화되었고, 현재는 자동변속 만으로 면허를 딸 수 있을 뿐 아니라 거의 불편함 없이 자동차를 생활에 이용하고 있다.
하지만, 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.
그래도, 자전거 변속이 필요한 이유는 언덕을 더 쉽게 오르고, 평지에서 더 빠르게 달릴 수 있기 위한 목적을 두었기 때문에 점점 더 발달되고, 복잡한 듯 단순해지는 변화를 이어오고 있다.

어떠한 지형에서도 페달링을 효율적으로 가능하도록 하는 것이 기어 변속의 목적이다.


앞 기어 변속과 뒤 기어 변속에 대한 이해

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 조합되는 변속 시스템과 1장으로 이루어져 변속을 하지 않는 형태로 나뉜다. 가장 작은 체인링에 체인을 맞추면 1단, 그 다음은 2단, 3단 순으로 높은 단수는 큰 체인링의 사용을 의미하고 있다.

뒷기어는 9개에서 많게는 11개의 스프라켓으로 구성된 경우가 일반적이다. 앞기어와 달리 가장 큰 스프라켓이 1단, 크기가 작아질 수록 단수가 올라가며 11개의 스프라켓일 경우 11단까지 올릴 수 있으며, 가장 작은 스프라켓이 가장 높은 단수를 의미하고 있다.

앞뒤 톱니의 이름은 체인링과 카세트 스프라켓으로 불린다.


3장의 체인링

최근에는 산악자전거에 29인치 또는 27.5인치 등의 빅휠이 늘어나며, 2장의 체인링이 일반화되고 있다.

또한, 11-42T까지 확장된 카세트 스프라켓 덕분에 1장의 체인링도 산악자전거 활용에 크게 늘어나는 추세다.

여전히 로드바이크는 2장의 체인링이 일반적이다.
2장의 경우는 바깥의 큰 체인링을 '아웃터', 안쪽의 작은 체인링을 '이너'라고 부른다.

하나의 피스로 되어 있는 카세트 스프라켓도 있지만, 일반적으로는 여러 장의 스프라켓과 락링 스페이서 등이 합쳐져 카세트 스프라켓을 이룬다.

카세트 스프라켓은 가장 작은 것이 높은 단수, 가장 큰 것이 낮은 단수를 의미한다.


기어 단수 계산하기

기어 단수는 앞 체인링의 갯수와 뒤 스프라켓의 갯수를 곱하여 계산한다.
산악자전거의 경우는 보통 앞 체인링의 갯수가 3개부터 2개 또는 1개 짜리까지 다양하게 활용되고 있고, 로드바이크의 경우는 체인링의 개수를 2개 또는 3개를 주로 사용한다.
뒤 스프라켓은 최근 10~11개를 사용하는 것이 고급 자전거에서 일반적이 되었다.

기어 단수 = 앞 체인링의 수 X 뒤 스프라켓의 수

그래서 기어 단수를 계산할 때 앞 체인링이 2개, 뒤 스프라켓이 11개라면,
기어 단수 = 앞 체인링의 수(2) X 뒤 스프라켓의 수(11) = 22단
과 같이 계산할 수 있다.

T 수는 톱니의 갯수를 의미하며, 보통 체인링과 스프라켓의 T 수가 적혀있다.


톱니의 갯수인 T 확인하기

체인링과 스프라켓 모두 이빨 수를 표시할 때 'T'를 사용한다. 이는 톱니(tooth)의 첫 글자인 'T'를 의미하며, 한장의 체인링 또는 스프라켓에 포함된 이빨수를 표시하는데 사용하고 있다.

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.
산악용 체인링은 3개의 T수가 44-32-22T 또는 42-32-24T를 사용하거나, 최근 29인치와 27.5인치 휠처럼 빅휠을 사용하는 경우는 38-26T, 36-22T 등 T수가 적은 2장의 체인링을 사용하는 경우가 많다.
로드용은 50-34T(컴팩트 사이즈) 또는 53(54)-39T(스탠다드 사이즈) 두 가지의 체인링을 사용하는 경우가 많은데, 로드바이크의 경우 최근에는 언덕길 난이도가 높아지며 컴팩트 사이즈에 대한 선택이 많아지고 있다.

스프라켓의 경우는, 산악용에서 11T부터 42T까지 광범위하게 사용되어 코스에 따른 활용성을 높이고, 로드는 코스에 따라 단수의 변화가 적은 카세트 스프라켓부터 언덕을 오르기 위해 T수가 큰 스프라켓(28T)까지 두루 사용되고 있다.


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 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 마찬가지로 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 강한 힘으로 가속할 때 사용할 수 있다.

언덕을 오를 때면, 앞 체인링을 작은 것에 뒤 스프라켓을 큰 것에 두어 '낮은' 기어 단수를 만드는 것이 편하다.


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 되는 것이다.
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.

기어 변속은 언덕을 오르기 위한 '업힐'때문에 만들어지기 시작했지만, 효율적인 페달링을 위해 필수적인 요소가 되었다.


기어 변속 시 주의할 것들

체인링이 2개인 경우는 아래 주의 사항을 많이 무시해도 되도록 설계되어 있지만, 3개의 체인링을 사용하는 자전거의 경우는 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.

3장의 체인링을 사용할 때는 위의 사항을 주의할 필요가 있다.
그렇지 않다면, 고장 또는 체인 이탈 등의 문제 발생이 가능하다.


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.

전동 변속 시스템의 활성화

최근 기어 변속에 있어서 가장 큰 화두는 '전동식' 변속 시스템에 있다고 볼 수 있다. 전동식은 기존의 스프링과 케이블 텐션으로 변속되었던 것을, 전동식 모터의 힘으로 대신하여 더 부드럽고 편하며, 변속 트러블도 줄인 방식이다.
전동 변속의 가장 선두에 있는 기업은 시마노(Shimano)로, Di2라는 변속 시스템을 출시하며 로드바이크에 이어 최근 산악자전거 시스템도 출시를 앞두고 있다.
캄파뇰로(Campagnolo)는 전동식 변속 장비로 EPS를 출시하였고, 스램(SRAM) 또한 최근 프로 선수들을 통해 전동식 시스템을 테스트하며 출시가 임박한 상황이다.

전동 모터를 통해 변속을 하는 전동 변속 시스템이 점점 활성화되고 있다.

시마노는 로드에 이어 최근 산악용 XTR Di2를 선보였다.

캄파뇰로의 EPS 전동 시스템

시마노는 생활용에 자동 변속이 가능한 넥서스 Di2를 출시하기도 했다.


여러가지 지형을 다닐 수 있는 자전거가 나오면서 기어의 변속은 많은 편리함을 주었지만, 나름대로 사용자에게 어려운 숙제를 준 것이기도 하다. 정확한 변속 시스템을 이해하면 더욱 빠르게 더욱 쉽게 자전거를 타는데 도움을 받을 수 있을 것이다.



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