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2006/01/02
승용차 기어비의 이해 (2)
변속비라고도 하는 기어비는 변속기(트랜스미션)의입력축과 출력축의 회전수 비율를 말한다. 예컨대 1단 기어비가 4:1이라는것은 엔진이 4번 회전해야 타이어가 1번 회전한다는 뜻이다.
변속비가 클수록 힘은 좋아지나 속력은 떨어지고, 작을수록 그 반대다.
변속기내에서 가감된 기어비는 차동기어에 의해 최종적으로 감속돼 타이어의 회전수를 조정하는데 이를 감속비 또는 최종감속비라고 한다. 예컨대1단의 기어비가 4:1이고 차동기어비가 4:1이라면 전체 기어비는 16:1이 되고 이는 엔진이 16번 회전해야 타이어가 1번 회전한다는 것이다.
결론적으로 엔진이 16회전할때 타이어가 1회전 하는 것보다, 엔진 1회전에 타이어 1회전하는 것이 속도가 훨씬 빠르므로, 최종감속비에 의해 최고속도와 최대토크 등이 영향받는다.
일반적으로 종감속비가 클수록 힘도 좋고, 가속력이 좋은거 아니냐 오해를 하시는 분이 많으신거 같아 그게 아님을 지적하고 싶어 씁니다.
종감속비란 각단 가변기어와는 별도로 항상 고정되어있는 기어 입니다.
그럼 종감속기어는 뒤에 다루고 우선 기어가 왜 필요한지부터 쓰겠습니다.
엔진힘이 무지 좋아서 엔진출력측에 바퀴축을 바로 연결하여 쓸 수 있는 차가 있다면 가장 이상적이겠지만 이것은 현실적으로 불가능에 가까우며, 효율도 좋지 못합니다. 그래서 기어를 이용하여, 회전속도를 줄이는 대신에 토크(회전력)를 키우는방법을 사용합니다.
만약 엔진이 2000RPM(Revolutions Per Minuts)면 엔진출력측은 분당 2000회 회전을 합니다. 이 2000회 회전을 바퀴로 직빵으로 연결하여 195/60/14 타이어로 주행을 한다면 이때 속도는 어마어마하게도 222km/h가 됩니다. (이때 타이어 구름저항 및 바람저항, 마력대비 무게등은 손실이 모두
배제된 상태)
계산법은 : 바퀴 사이즈(195/60/14)의 지름을 계산하고 그 지름대비 원의 둘래값을 산출 합니다. 원둘래길이=원지름xπ 입니다.
바퀴가 한바퀴 회전했을때 이동한 거리는 원둘래길이 이고, 분당 2000번 회전 하므로 원둘래길이에 2000을 곱하면 1분에 총 주행한 거리를 산출할 수 있습니다. 이때 1분에 이동한 거리를 환산하면 속도를 계산할 수 있습니다. 물론 모든 손실은 무시한체 계산에 의한 수식에 불과합니다.
타이어 지름 : (195mm x 60 / 100 x 2) + (14 x 2.54) = 589.6mm
타이어 원둘래 길이 : 589.6 x 3.14 = 1,851 mm <-한바퀴 회전했을때 이동거리
1분에 2000회 회전했으므로 : 2000(rpm) x 1,851(mm) = 3,702,000mm/rpm <- 1분동안 주행한 총거리 규격을 환산하면 : 3,702,000mm = 3.7Km 속도(km/h)로 환산하면 : 3.7km/1min => 3.7 x 60 / 1 x 60 = 222km/h 가 됩니다.
상상해 보십시오 어떻게 2000RPM으로 222km/h란 속도가 나올 수 있는지. 하지만 디젤차(상용차나 버스류)등은 실제 이렇게 나오기도 합니다. 엄청난 토크에 비해 알펨을 높힐 수 없는 디젤 기관(1만cc가 넘는 배기량)에 연유된 것이지요. 물론 이런 실제 속도가 나오는건 아니고 대략 1000알펨에서 100km/h속도는 나오게 됩니다.)
하지만 우리내 가솔린기관은 열효율이 낮고, 또 작은 엔진이 달리기에 이런 알펨대비 속도는 불가능합니다.
우리의 가솔린 엔진 2000rpm 일때의 토크를 대충 12kg*m라 가정하면(1.5리터급) 이정도의 토크에 대한 알펨을 마력으로 환산할때 약 30마력정도 밖에 않됩니다.
30마력으로 200km/h속도는 상식적으로도 무리가 따르겠지요?,,
그래서 엔진의 회전속도를 줄이되 그 줄어든 회전속도를 토크배력으로 환원하는 장치가 필요하며, 그것이 기어(미션)가 담당하게 됩니다.
그럼 다시 2000rpm으로 주행을 할 수 있으려면 어떻게 해야 할까요.
토크 12kg*m로는 턱없이 부족하므로 토크를 대충 10배 증가시키면 됩니다.
토크를 10배 증가시키이 위해서 기어비는 10:1이 필요합니다.
*기어비 10:1 이란 앞의 10이란 속도를 뒤의 1로 낮추는 역할을 합니다. 이에 반대급부로 회전력(토크)는 역으로 10배 증가되는 것이지요.
그래서 엔진 회전수는 2000rpm이지만 바퀴 회전수는 200rpm으로 떨어집니다. 물론 속도로 환산한다면 20km/h가 약간 넘겠지요.
여기서 토크가 10배 증가하였다 하여 마력도 10배가 증가하는것은 아닙니다. 마력은 토크X회전수 이므로 토크가 10배 증가된 반면 회전수가 1/10으로줄어 들었으므로 마력은 동일하게 됩니다.
12kg*m 토크가 120kg*m로 토크가 증가되었으므로 1000kg정도의 차량을 이동시킬 힘이 생기는 겁니다. 물론 이때 마력은 변동없이 대충 30마력이 되겠내요.
이제 좀 현실적이 되었지요?,, 실제 1단 기어 넣고 2000알펨정도 올리면 대략 15km/h정도 됩니다. 이것은 1단기어의 실제 총 기어비는 14.8:1인 것입니다.
근데, 차량 메뉴얼에는 1단 기어비가 이렇게 높지 않지요?,,
차량마다 다른긴 하지만 대략 3.x정도로 되어 있습니다. 그럼 어느게 맞는 것일까요?,,
그것은 1단 기어를 14.8:1로 만들기 위해선 1단 기어 하나만으로도 미션 전체 크기가 어마어마하게 커집니다. 그래서 1단부터 5단까지 일종의 수학에서인수분해 하듯 적당히 쪼개서 배분하는 형태를 취하게 됩니다.
즉 1단기어가 3.5라 되어있다면 이때 종감속비는 4.22정도로 잡는것입니다.
* 실제 기어비는 : 1단 = 1단 가변기어비 x 종감속비
2단 = 2단 가변기어비 x 종감속비
3단 = 3단 가변기어비 x 종감속비
4단 = 4단 가변기어비 x 종감속비
5단 = 5단 가변기어비 x 종감속비
이런 식으로 되어 있습니다. 다시말해 종감속기어는 별도로 한번더 속도를 떨어트리는 역할을 하며, FF차량은 전륜 미션내에 모두 구성되어 있고, FR같은 후륜구동은 리어엑슬에 이 종감속기어가 들어가게 됩니다.
이 종감속비는 각단의 가변기어를 작게 만들기 위한 목적이 있는 동시에 또 하나는 엔진의 힘과 가속성을 결정짓는 역할을 하기도 합니다.
그래서 보통 2.0엔진이 달리는 차량은 3.5내외로 잡습니다. 반면 1.5엔진이 달리는 차량은 4.0내외로 잡습니다.
종감속비율을 크게 잡으면 각단의 가변기어의 최고속, 그리고 차량 최고속이 줄어들게 되므로 단지 파워가 부족한 차량은 그 부족한 파워를 회전수를 떨어 트리는 대신 토크를 증배시키기 위해 종감속비를 크게 잡는 것이라 보면 됩니다.
동일차량에 하나는 종감속비가 3.5이고 다른 하나는 4.0이다 라고 가정하면 4.0 종감속비를 가진 차량이 가속할때 알피엠 상승시간이 더 빠릅니다. 즉, 단위시간당 엔진파워를 짜내기에는 더 유리해 진다는 것이지요.
대신 두 차량의 동일 알피엠을 기준한 다면 3.5차량이 보다 더 높은 속도를 내게 됩니다. 따라서 엔진 파워에 여유가 있다면 종감속 비를 크게 잡을 이유가 없습니다.
결국 부족한 엔진파워를 어느 정도 보완하기위한 다른 방법으로 종감속비를 크게 잡는다 보시면 되며, 엔진파워에 여유가 있는 차량도 별도의 목적으로 종감속비를 크게 잡는 경우도 있습니다.
바로 스포츠드라이빙을 염두한 차량이 그러하지요. 대표적으로 티뷰론이나 투스카니를 볼 수 있는데, 티뷰론의 경우 1.8엔진은 4.x의 종감속비를 가지고 있고 2.0차량은 3.x 종감속비를 가지고 있습니다. 결국 이 둘도 엔진파워에 따른 종감속비 셋팅은 유효한 것입니다.
단지 빠른 가속성을 위해서 일반의 승용보다는 다소 높은 종감속비를 가지고 있는것일 뿐입니다. 빠른 가속성이라 하여 그 기어비 자체가 빠른 속도를 보장 하는게 아니라 단위시간당 엔진파워 좀더 많이 쓸 수 있으므로 보다 빠른 가속 이 유리해 지는 것입니다.
이렇게 종감속비가 큰 차량은 엔진파워를 빨리 뽑아쓰기에 유리해지지만 반대 급부로 최고속이 줄어듭니다.
그 줄어든 최고속을 보상하기 위해 보통은 오버드라이브 기어(5단 기어)를길게 잡게 됩니다. 즉, 4단까지는 가속이 빨리되지만 5단으로 넘어가면서 가속감이 현저히 줄어들게 됩니다. 기어비가 급작스럽게 낮아지기에 엔진파워를 충분히 쓸 수 없는 것입니다.
티뷰론과 에쿠스가 초반 가속을 하면 티뷰론의 압승이 되겠지만 120km/h가 넘어서는 시점에서 고속가속은 에쿠스같은 대 배기량 차량이 압승하게 되는 이유가 여기에 있는 것입니다. (순정기준)
이런 것은 빠른 가속을 요하는 차량에는 5단 기어로는 부족하게 되고 그래서 최근 투스카니 2.7 엘리사는 6단 기어가 달리게 됩니다. 즉 4단과 5단 사이에 하나의 기어를 더 셋팅하여 가속감이 현저히 줄어드는것을 보완하는 것입니다.
마무리를 하자면 종감속비의 결정은 제조사가 차량 바디(무게)와 엔진파워 (배기량)를 감안하여 그 차량의 목적에 맞는 적절한 비율로 셋팅하는 것입니다.
이것을 임의로 비율조정하는 튜닝도 하게 되는데, 이것은 오로지 한가지 목적만을 위해서라 보면 됩니다. 드레그 머신처럼 최고속에 의미를 두지않는 0km/h -> 100km/h 가속 시간 싸움이나, 0m -> 200m (혹은 400m) 가속시간을 최대한 빠르게 하는 튜닝차량이지요.
이런 종감속비 셋팅은 당연하게도 연비에도 영향을 미치게 됩니다. 가능한 빠른 시간에 최고속을 도달하도록(이런 종감속비를 크게 셋팅한 차량의 최고속은 170km/h이하 정도에 머무르게 됩니다) 셋팅하는 것이므로 알피엠 기준하게 되면 속도는 더 낮게 되기에 그렇습니다.
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Subject 승용차 기어비의 이해
Tracked from Cynical hyeon - 살짝 미치면 인생이 즐겁다. 2006/01/02 18:12
기어비란.. 변속비라고도 하는 기어비는 변속기(트랜스미션)의입력축과 출력축의 회전수 비율를 말한다. 예컨대 1단 기어비가 4:1이라는것은 엔진이 4번 회전해야 타이어가 1번 회전한다는 뜻..
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Subject 변속기 기어비에 대해서 깨우치다.
Tracked from 바닷가에서 놀자!! 2010/02/04 22:39
기어비, 종감속비.... 예전부터 궁금은 했는데... 최근 구매한 쿠페가 국산이지만 지금까자 경험하지 못한 힘을 가지고 있어서 수동이지만 거의 자동이라는 생각이 가끔 듭니다. 낮은 알피엠에서도 충분히 덩치를 끌고 나가니까 편하게 달릴때는 변속을 자주 하지 않아도 되니 편하기도하고 엔진의 힘과 그것을 배분하는 원리가 어떤지 문득 궁금해 졌거든요. 예전에 기어비에 대한 토막 글을 읽다보면 대게 튜닝하는 친구들이 종감속비를 건드리길래 튜닝할 생각은 없어서..
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