왜 필요한가
엔진은 어느 회전수 범위에서만 힘을 잘 낸다. 너무 느리게 돌면 꺼지고, 내는 힘도 회전수에 따라 달라진다. 그런데 차는 멈춘 상태에서 출발해 빠르게 달리기까지 바퀴의 속도가 크게 바뀐다. 변속기는 엔진을 알맞은 회전수로 돌게 둔 채, 바퀴로 가는 회전을 몇 단계로 바꾼다. 출발할 때는 회전을 크게 줄여 큰 힘을 내고, 빨리 달릴 때는 덜 줄인다.
변속기는 엔진과 클러치 뒤에 있다. 변속기에서 나온 전동축은 차동 장치를 거쳐 바퀴를 돌린다.
어떻게 움직이나
클러치축 기어는 엔진의 회전을 받는다. 이 기어는 아래 중간축의 기어와 늘 맞물려 있어서, 엔진이 돌면 중간축도 돈다. 그래서 이 한 쌍을 항상 맞물린 기어라 부른다. 중간축에는 크기가 다른 기어들이 한 덩어리로 붙어 있고, 이 기어들은 위쪽 전동축의 1단·2단·3단 기어와 늘 맞물려 있다.
전동축의 기어들은 축에 고정되어 있지 않고, 축 위에 얹혀 헛돈다. 그래서 모든 기어가 저마다 다른 속도로 돌아도 전동축은 따로 논다. 이것이 중립이다.
기어를 넣으면 칼라가 그중 한 기어를 전동축에 묶는다. 칼라는 전동축과 함께 돌면서 축을 따라 미끄러질 수 있다. 칼라가 기어 옆의 송곳니 꼴 돌기에 끼워지면 그 기어와 전동축이 한 몸이 된다. 이제 회전은 클러치축 기어에서 중간축으로, 고른 기어 한 쌍을 거쳐 전동축으로 간다. 그림에서 색이 칠해진 길이다. 다른 기어들은 맞물린 채 계속 헛돈다.
4단에서는 칼라가 클러치축 기어 자체를 전동축에 묶는다. 중간축을 거치지 않으니 엔진과 전동축이 같은 속도로 돈다. 이것을 직접 전달이라 한다. 기어 쌍을 거치지 않아 힘을 덜 잃고 소리도 작다.
기어비가 속도와 힘을 바꾼다
작은 기어가 큰 기어를 돌리면, 큰 기어는 톱니 수의 비만큼 느리게 돌고 그만큼 큰 힘(토크)으로 돈다. 기어는 에너지를 만들지 않는다. 속도를 내준 만큼 힘을 얻을 뿐이다. 지렛대가 하는 거래와 같다.
변속기에서 회전은 기어 두 쌍을 거친다. 그림의 1단에서는 톱니 16개짜리 클러치축 기어가 26개짜리 중간축 기어를 돌리고, 중간축의 13개짜리 기어가 전동축의 29개짜리 1단 기어를 돌린다. 26/16 × 29/13 ≈ 3.6이므로 전동축은 엔진보다 3.6배쯤 느리게, 3.6배쯤 큰 힘으로 돈다. 2단은 2.4배, 3단은 1.5배, 4단은 1배다.
기어를 고르는 법
변속 레버를 움직이면 선택 막대 셋 가운데 하나가 밀리거나 당겨진다. 막대에 붙은 선택 포크가 막대와 함께 움직여 칼라를 기어 쪽으로 민다. 레버는 받침점을 축으로 도는 지렛대다. 받침점 아래의 끝은 선택 막대 끝에 달린 블록의 홈에 끼워져 있다. 손잡이를 옆으로 밀면 아래 끝이 다른 막대의 홈으로 옮겨 가고, 앞으로 밀면 아래 끝은 뒤로 가며 그 막대를 민다. 그림의 레버는 받침점 위가 아래보다 조금 길어서, 손잡이를 8 mm 움직이면 막대는 7 mm 움직인다.
기어를 바꾸는 동안에는 클러치 페달을 밟는다. 클러치가 떨어지면 클러치축은 엔진과 끊긴다. 기어를 바꾸고 페달을 떼면 클러치가 다시 맞물려 회전이 전해진다.
칼라와 기어가 서로 다른 속도로 돌고 있으면 돌기끼리 부딪친다. 싱크로메시(동기 장치)는 둘이 물리기 전에 마찰로 두 속도를 맞춘다.
후진
중간축의 후진 기어와 전동축의 후진 기어는 서로 닿지 않는다. 후진에 넣으면 선택 포크가 유동 기어를 밀어 둘 사이에 끼운다. 기어가 하나 더 끼면 회전 방향이 바뀌어 전동축이 거꾸로 돈다. 유동 기어의 크기는 속도에 영향을 주지 않는다.
이 그림에 대하여
케이스를 벗기고 받침대 위에 세웠다. 톱니 수는 모형값이고, 판독값의 출력 회전수는 엔진 3000 rpm 기준이다. 회전은 눈으로 따라갈 수 있게 느리게 그렸다. 탑의 앞면을 잘라 레버 아래 끝과 선택 막대 끝의 블록을 보였다. 후진 선택 막대는 유동 기어 아래 앞쪽에 따로 두었고, 탑 안의 짧은 후진 막대와 그것을 잇는 연결은 그리지 않았다. 싱크로메시는 그리지 않고, 칼라가 미끄러지는 동안 전동축의 속도가 맞춰지는 것으로 나타냈다. 후진은 멈춘 뒤 넣는다.