자전거 기어 변속의 이해 - 역사와 기본 지식
2008-10-11   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, 이번 2019년을 맞아 3번째 업데이트 기사를 작성한다.
자전거를 타면서 가장 고맙게 느껴지는 변화 중에 하나가 바로 기어 변속의 발전이다. 그 역사와 변화를 한번 살펴보자.


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 선수들이 사용하기도 했다.
이후, QR 레버를 개발해 인기를 얻고 있었던 캄파뇰로도 기어 변속 개발에 집중하기 시작했고, 초기에 캄비오 코르사라는 모델로 인기를 얻었다. 하지만, 시장의 판도를 바꾼 것은 1949년 개발된 그랑 스포르트(Gran Sport)였는데, 스프링을 이용해 업/다운 시프트를 할 수 있도록 한 것으로, 1951년 판매가 시작되었다.
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. 그리고, 이렇게 개발된 것이 바로 '그랑 스포르트'였다.
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.

쉐페르 상피옹 변속 시스템이 적용된 자전거

스프링을 이용해 변속과 기어 텐션을 유지했던 셍플렉스

캄파뇰로가 처음으로 평행사변형 디레일러를 출시하고 특허를 획득한 그랑 스포르트

캄파뇰로의 누오보 레코드는 앞뒤 변속과 그룹셋으로 출시되었다.

누오보 레코드의 앞 디레일러

현재는 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.

도로의 경사가 바뀔 때마다 적당한 기어의 선택은 스피드와 페이스 유지에 매우 중요하다.


앞 기어 변속과 뒤 기어 변속에 대한 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.

뒤 기어는 9개에서 많게는 12개의 스프라켓으로 구성된 경우가 일반적이다. 앞기어와 달리 가장 큰 스프라켓이 1단, 크기가 작아질 수록 단수가 올라가며 12개의 스프라켓일 경우 12단까지 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, 10-50T까지 확장된 카세트 스프라켓 덕분에 1장의 체인링도 산악자전거 활용에 크게 늘어나는 추세다.

여전히 로드바이크는 2장의 체인링이 일반적이다.
2장의 경우는 바깥의 큰 체인링을 '아웃터(outter)', 안쪽의 작은 체인링을 '이너(inner)'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 체인링 2개를 주로 사용한다.
뒤 스프라켓은 최근 11~12개를 사용하는 것이 고급 자전거에서 일반적인 선택이 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.


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), 그리고 중간인 52-36(미드 컴팩트) 등 세가지의 체인링을 사용하는 경우가 많은데, 로드바이크의 경우 최근에는 언덕길 난이도가 높아지며 컴팩트 사이즈에 대한 선택이 많아지고 있다.

카세트 스프라켓의 경우는, 최근 여러장이 사용되며 광범위한 변속을 선호하는 편이다. 산악용에서 11T부터 42T, 또는 10~50T까지 광범위하게 사용되어 코스에 따른 활용성을 높이고, 로드는 코스에 따라 단수의 변화가 적은 카세트 스프라켓부터 언덕을 오르기 위해 T수가 큰 스프라켓(34T)까지 두루 사용되고 있다.

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



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.


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 EPS는 변속에 맞춰 앞 변속기가 자동으로 트리밍된다.

왼쪽은 작은 체인링과 큰 스프라켓에 체인이 걸려 있는 상태이고, 오른쪽은 큰 체인링과 큰 스프라켓에 체인이 걸려 있다. 오른쪽처럼 변속하면 체인이 대각선으로 걸리고 체인이 앞 변속기의 체인 가이드에 닿게 된다.

왼쪽은 큰 체인링과 작은 스프라켓에 체인이 걸린 상태이고, 오른쪽은 작은 체인링과 작은 스프라켓에 체인이 걸린 상태이다. 오른쪽 사진을 살펴보면 체인링 부근에서 체인이 꺾어지는 모습이 보인다.

캄파뇰로의 트리밍에 따른 앞 변속기 위치 변화.


변속은 조용하게

기어 변속을 할 때 '투두둑'하는 소리가 나면서 변속을 하는 경우를 많이 볼 수 있다. 이 소리는 변속 시 강한 토크가 전달되어 시스템에 무리가 갈 경우 발생하게 된다.
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, 빠르면서도 정확한 변속으로 인기를 얻고 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.

시마노의 Di2 전동 변속 시스템은 3세대의 모델이 출시되며 전동 시스템을 리드하고 있다.

시마노는 로드에 이어 최근 산악용 XTR Di2를 선보였다.

캄파뇰로의 전동 시스템 EPS

스램의 eTAP 무선 전동 시스템은 디레일러와 레버가 무선으로 통신하여 설치 및 관리가 수월하다.

전동 변속이 발전되며, FSA 등 부품 업체들의 변속 시스템 출시도 이어지고 있다.


이제는 12장의 카세트 스프라켓 시대

전동 변속 시스템과 더불어 불꽃튀는 경쟁이 펼쳐지는 곳이 바로 카세트 스프라켓의 숫자이다. 기술이 발달하면서 카세트 스프라켓의 수는 12장까지 늘어났다. 로터(Roter)는 전용 허브를 사용하면 13단이 가능한 1X13단 구동계를 최근 발표하기도 했다.
메이저 구동계 브랜드인 시마노, 스램, 캄파뇰로는 XTR 12단, 이글 12단, 수퍼레코드와 레코드 12단을 출시한 상태이다.
시마노 XTR 12단은 1장 또는 2장의 체인링 조합이 가능하고, 스램 이글은 체인링 1장 짜리인 1X 전용이다. 수퍼레코드와 레코드는 로드바이크 구동계로 2장의 체인링을 사용하고, 12단이지만 11단 프리휠바디와 호환되는 점이 특징이다.
아직 12단 변속과 전동이 결합된 제품이 아직 발표되지 않아 어떤 구동계 브랜드가 먼저 발표할 지에 대한 관심이 집중되는 가운데, 이번 시즌(2019년) 주요 3사가 모두 발표하게 될 것이라는 예상을 하고 있다.

시마노는 1장 또는 2장의 체인링을 사용할 수 있는 12단 XTR 그룹셋을 발표했다.
새로운 프리휠바디를 함께 발표하며 호환성보다 폭넓은 기어비를 우선시 했다.

스램 이글은 12단 구성의 1X 구동계이며, XX1부터 NX까지 4개의 그룹셋이 있다. 
스램의 12단 이글은 XD 드라이브라는 새로운 프리휠바디를 기본으로 하지만, 기존 11단 호환 카세트도 함께 출시했다.

캄파뇰로는 수퍼레코드와 레코드 12단 그룹셋을 발표하며, 로드바이크로는 가장 먼저 12단 시스템을 완성했다.
또, 기존 11단 구동계와 호환되는 시스템으로 높은 휠 호환성을 가진다는 점도 장점이다.


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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