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시마노, 자전거용 무단변속기 개발 중

[머니바이크 에세이]신병철의 메커니즘

  • 머니바이크 신병철 | 입력 : 2014.02.26 09:59
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펄브룩의 '누빈치360' 허브변속기 투시도 가운데 회전원을 그리며 배치된 둥근 쇠구슬(구형조절기)이 동력전달 과정에서 변속비를 결정한다. 변속범위는 360%이다./이미지=펄브룩
펄브룩 테크놀로지(펄브룩)의 '누빈치360' 변속기는 인터넷에서 영문 리뷰를 찾아보기 어려울 정도로 흔치 않은 물건이다. 그러나 이 변속기는 여타의 허브변속기들과 차별화된 특성을 갖춤으로써 자전거인이라면 누구나 한 번쯤은 그 이름을 들어봤을 법하다.

누빈치360은 변속과정에 단수가 없다. 체인변속기(디레일러)나 전통적인 허브변속기의 변속과정을 계단 오르내리기에 비유하자면 누빈치360의 변속은 그저 평평한 비탈길을 오르내리는 것과 같다. 정해진 단수가 없으므로 사용자는 가령 '3.81단'처럼 임의의 변속비를 선택할 수 있음은 물론 그 변속과정이 걸림 없이 매끄러운 특징을 갖는다. 이런 것을 '무단변속기(CVT)'라 한다.

그런데 시마노가 최근 공개한 특허문서들 중에서 무단변속기 기술이 확인되었다. 2013년 7월에 공개된 'US20130184115 출원서(심사 중)'를 살펴보면, 구형(球形) 조절기가 사용된 누빈치360과 달리 시마노의 무단변속기에는 원추형(圓錐形, 원뿔형) 조절기가 쓰인다.

시마노 무단변속기 특허 도면 체인(20, 노란색)이 스프라켓(24, 보라색)을 끌어 돌리면 바깥쪽 실린더(78, 빨간색)의 회전력이 원추형조절기(60, 주황색)를 거쳐 안쪽 실린더(64, 연두색)에 도달한다. 이 변속기의 기본구조는 유성기어장치(epicyclic gearset)로서 바깥실린더는 링기어, 안쪽실린더는 선기어, 원추형조절기는 유성기어에 해당한다./우라베 히로유키 외 2인, US20130184115A1, Continuously variable bicycle transmission, 시마노, 2012.
시마노 무단변속기의 작동원리를 간략하게 설명하자면, 안쪽실린더(연두색)와 원추형조절기(주황색)가 서로 접촉한 부분이 조절기의 회전중심(파란색 선)으로부터 이격된 거리를 h라 할 때, 이용자가 변속레버 조작으로 안쪽실린더를 좌우로 이동시키면 h가 길거나 짧아짐으로써 변속이 이루어진다.

도면을 자세히 관찰하면 주황색으로 표시된 원추형조절기 바로 앞에 또 하나의 원추형 롤러(66)가 배치되었다. 이는 심슨기어장치(Simpson gearset)를 응용한 것인데 일반인으로선 변속기의 전체적인 작동 메커니즘을 이해하기가 매우 어려울 것이다.

그러나 이 복잡한 메커니즘은 변속기 기술영역에서 아주 오래되고 흔한 기술인 '로우테크(Low technologies)'이고, '원뿔의 빗면 지름이 높이에 따라 달라짐을 변속에 이용하는 것'이 시마노의 혁신적인 아이디어의 전부다.

다음 편 '누빈치와 시마노 무단변속기의 차이'에서는 아이디어의 핵심을 간단한 그림을 곁들여 설명해보겠다.

어쨌거나 누빈치360의 구형조절기보다 시마노 무단변속기의 원추형조절기가 제조에 훨씬 용이한 구조라는 사실에 비추어 볼 때, 시마노는 아이디어 단계에서 이미 가격경쟁력을 확보한 것으로 판단된다. 위 도면의 원추형조절기는 평범한 공업사에서 선반 하나만 가지고도 만들어낼 수 있다.

자전거인의 입장에서 무단변속기는 효율성은 떨어지지만 '조작의 편리'라는 효과성이 극대화된 부품으로 볼 수 있다. 시마노가 구체적인 도면을 곁들여 세계 각국에 특허를 출원했음은 펄브룩의 누빈치360이 자전거 시장에서 무단변속기의 가능성을 충분히 입증했다는 방증이다.

한편 이 무단변속기 기술이 초소형 전기자동차(ULEV) 영역에서는 에너지효율을 극대화하는 최고의 수단 중 하나로 손꼽힌다. 시마노의 발명이 제품으로 출시된다면 자동차 부품 시장에도 한 발 걸치는 것과 다름없다.
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