자전거 기어 변속의 이해 - 역사와 기본 지식 2021 에디션
에디터 : 박창민 기자

자전거 기어 변속의 이해에 대한 첫 기사가 포스팅 된 2008년 이후 10년 이상의 시간이 흘렀다.
이 기사는 2008년 첫 노출 후, 2011년 1차 업데이트, 2014년 2차 업데이트가 있었고, 2019년 3번째 업데이트가 있었다. 그리고, 12단 시스템이 보편화되기 시작한 2021년 4번째 에디션으로 업데이트 기사를 작성한다.

자전거의 발전에 있어서 가장 고마운 존재는 역시나 변속 시스템이다. 프레임셋과 휠셋 등의 발전도 큰 의미가 있는 부분이지만, 변속 및 구동계의 변화는 라이더에게 편리함과 함께 어쩌면 가장 복잡한 숙제이기도 하기 때문이다.


자전거 기어 변속의 역사


기어 변속 장치가 제대로 출시되기 시작한 시점은 1930년 이후다. 초기 제품들은 레버를 이용해 체인을 옆으로 밀고 페달을 거꾸로 돌리면 변속이 되는 방식을 채택하곤 했는데, 산악에서 대회를 해야 하는 선수들을 대상으로 빠르게 인기를 얻었다.

특히, 1937년 투르 드 프랑스에 허용된 초기 모델은 쉬페르 상피옹이란 제품으로 페달을 뒤로 돌릴 필요가 없어 편했고, 거의 모든 선수들에게 인기를 얻으며 변속 시스템의 세대교체를 시작했다.

이후, QR 레버를 개발해 인기를 얻고 있었던 캄파뇰로도 기어 변속 개발에 집중하기 시작했고, 초기에 캄비오 코르사라는 모델로 인기를 얻었다.

이탈리아에 캄파뇰로가 있었다면, 프랑스에는 셍플렉스가 기어 변속을 주도하며 발전했다. 셍플렉스는 1930년부터 스프링이 달린 현대식 변속 시스템을 선보이며 성능적으로 인기를 얻었고, 1940년대에는 캄파뇰로보다 더 큰 인기를 얻으며 각종 대회의 우승을 차지하기도 했다.

이런 경쟁 속에서 캄파뇰로는 선수들이 셍플렉스를 더 선호한다는 사실을 알게 되고 선수들의 요구에 따라 기어 변속 시스템을 발전시키는 계기를 만들었다. 그래서, 시장의 판도를 바꾼 역사적인 제품 그랑 스포르트(Gran Sport)가 개발되었고, 1951년 판매를 시작한다.

그랑 스포르트는 바로 최신 뒤 디레일러의 기본 형태인 평행사변형 구조를 가지고 있었으며, 그 후로는 이 구조를 기반으로 현재까지 기어 변속이 빠르게 발전했다. 캄파뇰로의 그랑 스포르트는 그 후 빠르고 정확한 변속을 기반으로 거의 모든 선수들이 채택하는 시스템으로 성장하여, 현재 캄파뇰로의 위상을 만든 기반이 되었다.

캄파뇰로가 시장을 장악한 이후로, 큰 경쟁 상대가 없었던 변속 시스템은 1990년 대에 들어서며 시마노의 파격적인 제품 개발로 경쟁 구도가 바뀌기 시작했다. 처음으로 브레이크 레버와 변속 레버를 하나로 통합한 시마노는 핸들을 놓지 않은 상태에서도 변속을 할 수 있게 만들었고, 최첨단 가공 기술을 자전거에 접목하며 시장의 판도를 바꾸기 시작한 것이다.

그리고, 그립시프트라는 새로운 개념으로 경쟁에 뛰어든 스램까지 가세하며, 현재는 시마노, 스램, 캄파뇰로 등 3대 변속 시스템이 전 세계를 장악하고 있다.

페달을 뒤로 돌려 변속했던 쉐페르 상피옹

스프링을 이용해 체인 텐션을 유지했던 셍플렉스가 1930년대부터 큰 인기를 얻는다.

캄파뇰로가 처음으로 평행사변형 디레일러를 출시하고 특허를 획득한 그랑 스포르트

캄파뇰로의 누오보 레코드는 앞뒤 변속 시스템이 포함된 그룻셋으로 출시되었다.

누오보 레코드의 앞 변속

캄파뇰로의 최신 수퍼레코드 EPS 12단 시스템

시마노의 최신 듀라에이스 Di2 12단 시스템

스램의 최신 RED eTAP AXS 12단 시스템
꾸준하게 발전해온 변속 시스템은 현재 전동 변속과 12단이 대세가 되었다.


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.

기어 변속의 목적은 언덕에서 더 쉽게 오르고, 평지에서 더 빠르게 달리기 위해서다.


앞 기어와 뒤 기어 변속의 이해


자전거의 변속은 자동차와 달리 '앞 기어 변속'과 '뒤 기어 변속'에 대해 이야기 하는 것이 일반적이다.
앞 기어는 체인링(chainring)이라고 불리우는 톱니와, 뒤 기어는 카세트 스프라켓(casset sprocket)이라 불리우는 톱니들로 구성되어 있다.

앞 기어의 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.
하지만, 로드바이크처럼 2장의 체인링이 일반적인 경우에는, 바깥쪽 체인링(2단)을 아웃터(outer), 안쪽 체인링(1단)을 이너(inner)라고 명칭하여 구분하기도 한다.

뒤 기어는 9개에서 많게는 12개의 스프라켓으로 구성된 경우가 일반적이다. 앞 기어와 달리 가장 큰 스프라켓이 1단이고, 크기가 작아질 수록 단수가 올라간다.
이렇게 여러개의 스프라켓을 하나로 묶은 것을 카세트 스프라켓이라고 명칭하며, 보통 '카세트'라고 간단하게 말하기도 한다.

앞의 톱니를 체인링, 뒤의 톱니 세트를 카세트 스프라켓이라고 부른다.

최근 산악 구동계는 체인링 1장을 사용하는 1x 시스템이 보편화되고 있다.

로드는 2장의 체인링을 사용하며, 안쪽(1단) 체인링을 이너, 바깥쪽(2단) 체인링을 아웃터라고 부른다.

일반적으로 여러 장의 스프라켓과 스페이서로 이루어진 카세트 스프라켓

카세트 스프라켓은 가장 작은 것이 고단, 크기가 커질 수록 저단이 된다.


기어 단수 계산하기


기어 단수는 앞 체인링의 개수와 뒤 스프라켓의 개수를 곱하여 계산한다.
산악자전거의 경우는 보통 앞 체인링의 갯수가 3개부터 2개 또는 1개 짜리까지 다양하게 활용되고 있고, 로드바이크의 경우는 체인링 2개를 주로 사용한다.
뒤 스프라켓은 최근 11~12개를 사용하는 것이 고급 자전거에서 일반적인 선택이 되었다.

뒤 스프라켓의 수와 앞 체인링의 수를 곱한 것이 기어단수가 된다.


톱니의 수를 의미하는 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 체인링의 T수가 많은 편이다.

산악용 체인링은 최근 1장을 이용하는 경우가 대부분이 되어 가고 있다. 이는 12단 카세트 스프라켓의 적용과 함께 1장의 체인링으로도 충분한 기어변속 구간을 만들 수 있기 때문이다. 대신, 코스에 따라서 평지가 많으면 T가 많은 체인링, 언덕이 많은 구간은 T가 적은 체인링 등으로 미리 교체해서 사용하는 경우가 많아졌다.

로드용은 50-34T(컴팩트 사이즈) 또는 53(54)-39T(스탠다드 사이즈), 그리고 중간인 52-36(미드 컴팩트) 등 세가지의 체인링을 사용하는 경우가 많다. 하지만, 12단 카세트 출시에 따라서, 스램(SRAM)의 경우는 50-37(스탠다드), 48-35(미드 컴팩트), 46-33(컴팩트) 등으로 체인링의 T수를 줄였다. 가장 작은 카세트 스프라켓의 T가 10T로 줄어들면서 더 작은 체인링을 적용해 전체적인 무게를 줄이는 이점을 가져간 것이다.

카세트 스프라켓의 경우는, 최근 12단이 보편화 되기 시작하면서 광범위한 변속을 선호하는 편이다.
산악의 경우는 10-50T, 10-52T 등의 500% 이상의 변속 비율을 보여주고 있고, 로드의 경우는 10-36T, 11-34T 등으로 컴팩트 체인링과 조합하여 1:1 비율보다 낮은 기어비까지도 가능해졌다.

기어의 톱니를 하나의 T로 계산하여, 전체 개수를 T수로 표시한다.

최근 산악 구동계는 대부분 1장의 체인링을 사용하는 1x 구동계를 적용하고 있다.

산악용 카세트는 12단 10-51T~10-52T까지 500%가 넘는 변속 비율의 제품까지 출시된다.

로드용 카세트도 12단 적용과 함께 10-36T, 11-34T 등 넓은 변속 비율의 제품이 인기를 얻는다.


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 34T에 놓고, 스프라켓을 34T 놓으면 페달링을 한번 회전할 때 자전거 바퀴는 한 바퀴 회전하게 된다. 이것의 힘을 "34T / 34T = 1"이라고 하자.

체인링을 46T에 놓고, 스프라켓을 10T에 놓고 페달링을 하면 페달링 1바퀴에 뒤 바퀴는 4.6바퀴 회전하게 된다. 그러면, 위의 변속비에 비해 4.6배의 거리를 움직이게 되어 "46T / 10T = 4.6"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.
그리고, 저단에서 힘이 적게 들지만 느리고, 고단에서는 힘이 많이 들지만 더 빠른 스피드를 낼 수 있다.

언덕을 오를 때는 작은 체인링 X 큰 스프라켓의 조합이 더 페달링이 쉽다.

큰 체인링 X 작은 스프라켓 조합으로 더 빠른 스피드를 구현할 수 있다.

결과적으로, 라이더는 자신이 발휘할 수 있는 힘과 기어 비율을 적절하게 맞추는 것이 자전거를 더 잘 타는 방법이 될 수 있다. 언덕을 오를 때는 가볍게 끝까지 페이스를 유지하고, 평지에서 기어비를 높이면 관성의 힘과 함께 탄력을 받아 더 빠르게 달릴 수 있기 때문이다.


앞 변속 트리밍


산악자전거와 달리 로드바이크는 체인스테이의 길이가 짧기 때문에 뒤 스프라켓의 위치에 따라 체인이 휘어지며, 앞 디레일러와 간섭을 만드는 경우가 발생한다. 이럴 때 앞 디레일러의 위치를 조금씩 바꿔주는 것을 트리밍이라고 한다.

아래 사진에서 보는 것 처럼, 변속 상태에 따라 체인 각도가 직선에서 대각선으로 바뀌면서 앞 디레일러의 체인 가이드에 체인이 닿게 되어 소음이 발생할 수 있다. 이는 트리밍 조작을 통해 소음을 해결할 수 있다.

앞 변속이 이뤄지는 과정을 살펴보면, 변속 전에 한번 또는 두번의 조작이 가능한데 이를 트리밍이라고 한다. 시마노와 캄파뇰로는 앞 변속이 이뤄지는 중간에 변속기의 위치를 옮길 수 있는 트리밍(trimming) 조작이 가능하지만 스램은 YAW라는 기술로 트리밍 조작이 필요없다.
또, 전동 변속시스템인 시마노 Di2와 캄파뇰로 EPS, 스램 eTAP 등은 변속에 맞춰 앞 변속기가 자동으로 트리밍되어, 트리밍에 대한 스트레스를 없애준다.

가장 큰 스프라켓에 체인을 걸고 체인링의 이너(왼쪽)에 체인이 걸렸을 때와 달리, 아우터(오른쪽)에 체인이 걸린 경우는 체인이 대각선으로 위치하며 앞 디레일러 가이드 안쪽에 체인이 닿는 경우가 발생할 수 있다.

가장 작은 스프라켓에 체인을 걸고 체인링 이너(오른쪽)로 변속을 하면 앞 디레일러 체인 가이드 바깥쪽에 체인이 닿는 경우가 발생할 수 있다.
이처럼, 앞 디레일러 가이드에 체인이 닿는 경우, 트리밍 조작이 필요하다.

캄파뇰로 앞 디레일러의 트리밍 조작에 따른 위치 변화
트리밍 조작은 변속 레버를 반 정도 이동했을 때 발생한다.


변속을 조용하게 하는 방법


최근 변속 시스템들은 강한 토크가 걸렸을 때도 부드럽게 변속이 될 수 있도록 개발되고 있지만, 최신 최상급 제품이 아니라면 업힐처럼 강한 페달링 토크가 들어간 상황에서 변속을 할 때는 '투두둑' 하는 소리와 함께 거친 변속음을 내는 경우도 많다.
이런 소음은 체인과 변속 시스템에 큰 부담을 주며, 체인이 끊어지는 등의 큰 트러블로 이어지기도 한다.

그래서, 기어 변속을 하기 전에는 페달링 케이던스(회전수)를 높여 페달링을 가볍게 만든 후 조작하면 훨씬 부드럽고 조용하게 변속이 이루어진다.
이런 변속 습관은 체인 뿐 아니라 전체적인 구동계의 내구성을 높이는 데 도움을 주며, 라이딩 시 구동계 트러블을 줄이는 방법이 될 것이다.

최근 하이엔드 구동계는 강한 토크에도 부드러운 변속이 되지만, 변속 시 페달링의 힘을 낮추어 부드럽게 변속하는 습관은 구동계의 내구성을 높이는 데 큰 도움을 준다.


이제 전동 변속의 시대!


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.

세계 최대의 구동계 브랜드인 시마노(SHIMANO)는 Di2라는 전동 변속 시스템을 출시 후 꾸준하게 업데이트를 이어왔고, 현재는 산악 구동계인 XTR와 XT, 로드 구동계인 듀라에이스와 울테그라에 Di2 시스템을 적용하고 있다.
특히, 2021년 시즌에 발표한 듀라에이스와 울테그라 Di2 시스템은 기존보다 거의 2배 빠르고 부드러운 변속으로, 라이딩 중 변속 트러블에 대한 걱정없이 라이딩에 집중할 수 있도록 도와준다.

캄파뇰로(Campagnolo) 또한 전동 변속 시스템인 EPS를 출시하며, 수퍼레코드와 레코드 그룹셋에 EPS를 적용하였다. 그리고, 2019년 발표한 12단 시스템은 기존 캄파뇰로의 디레일러와 달리 더 넓은 변속 구간을 커버하면서 매우 정확한 변속으로 주목을 받고 있다.

스램(SRAM)은 최초로 무선 전동 변속 장비인 eTAP을 선보였다. 전선으로 연결하지 않고, 디레일러와 컨트롤레버를 모두 무선으로 처리한 것이 특징이며, 쉬운 설치와 정비가 장점이다. 그리고, 2019년 AXS(액세스)라는 통합 무선 시스템을 발표하며, 12단 카세트와 함께 큰 인기를 얻었다.

시마노는 듀라에이스와 울테그라, XTR, XT 등에 Di2 전동 변속을 적용하고 있다.
특히, 최근 발표한 로드용 Di2는 유무선 통합 설계와 빠르고 정확한 변속으로 주목을 받았다.

새로운 설계로 정확하고 넓은 변속 비율을 만든 캄파뇰로 EPS 12단 전동 시스템

스램은 최상급부터 보급형까지 무선 전동 시스템 AXS 구동계를 적용해
전동 변속에 있어서는 업계의 리더 역할을 수행하고 있다.


12단 시스템의 보급


얼마 전까지만 하더라도 시마노의 로드바이크 구동계가 11단 시스템을 고수하며, 여전히 11과 12단 시스템의 과도기라는 느낌을 지울 수 없었지만, 올해(2021년) 시마노가 듀라에이스와 울테그라의 12단 카세트 시스템을 발표하여 그 과도기의 마침표를 찍었다.

특히, 로드바이크 12단 구동계는 캄파뇰로를 제외하고는 시마노와 스램이 전동 변속 시스템으로 출시하며, 12단과 전동 변속의 시대로 세대교체가 이루어지는 원년이 되고 있다.

이미 산악자전거에서는 12단 구동계가 익숙한 상황이기는 하지만, 로드바이크에 있어서는 지난 2018년 캄파뇰로의 발표와 2019년 스램의 발표로 인해 인지도가 높아지기 시작했다. 그리고, 2021년 시마노의 발표까지 이어지면서 12단 카세트 시스템은 오는 2022년부터 보급화 시기로 넘어서게 될 것이다.

특히, 캄파뇰로는 그래블 그룹셋인 에카(EKAR)에서 1x13단 시스템을 발표해, 13단 시스템까지 가장 앞선 발걸음을 내딛었다.

2016년 12단 산악 구동계 이글을 발표한 스램은, 500% 기어비라는 강력한 변속비율을 선보였다.

2018년 XTR 산악 구동계의 12단 시스템을 발표한 시마노

2018년 로드 구동계의 12단 카세트를 발표한 캄파뇰로는 가장 먼저 로드 12단 시스템을 출시했다.

스램은 로드용 12단 카세트를 2019년 출시하며, 로드에도 10T 스프라켓을 적용했다.

126466.jpg2020년 그래블 구동계로 출시된 캄파뇰로 에카는 13단 카세트로 주목을 받았다.

2021년 시마노가 로드용 12단 카세트를 출시해, 12단으로의 본격적인 세대교체가 시작된다.

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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