제원표를 볼때 토크/출력을 중요하게 보게 되지만
이것이 무엇을 의미하는지를 아는 사람은 몇 안될것이다
토크와 출력에 대해서 정확히 알아보도록 하자.
[토크]
우선 토크는 축을 회전시키는 힘을 말한다.
이 힘의단위를 kg-m 혹은 kg.m 으로 표기하는데
이 단위에서 대충 짐작할수 있듯이 kg 과 m 와 관계가 있다
토크(Tourque) 는 1m 의 회전축을 중심으로한 막대기 끝에
회전방향으로 1kg 의 힘을 가한것이다.
50cm 의 회전축을 중심으로한 막대기에 2kg 의 힘을 가해도 같다.
위의 그림과 같이 회전하는 축에 축의방향으로 힘을 가하는것이다.
이를 엔진에 적용시켜보자
회전하는 축은 크랭크샤프트가 될것이다.
그리고 회전하는 축을 중심으로 한 막대기는
커넥팅로드가 연결되는 부위이며, 크랭크샤프트의 중심으로 부터
얼마나 떨어져있냐가 중요하겠다
배기량이 클수록 이 거리는 더 늘어날수 있고,
피스톤의 스트로크가 길수록 이 거리는 더 늘어난다.
위의 그림과 같이, 피스톤이 내려오면서 크랭크축이 회전하게 되는데
피스톤과 크랭크축을 연결하는 커넥팅로드가
크랭크샤프트에서 어느정도 떨어져 있는데, 이는 상/하 왕복운동을
회전운동으로 바꾸기 위함이며, 이것이 앞서 말한 막대기끝에서 힘을 가하는것이다. 피스톤이 내려오면서 커넥팅로드가 내려오고,
이 힘이 크랭크축을 돌리는것이다.
하지만, 토크는 항상 일정한게 아니라 계속 변한다.
rpm 이 같다고 해서 같은 토크를 내는게 아니라
쓰로틀 밸브가 열린 정도에 따라서 토크가 다르다
같은 rpm 이라도 풀 쓰로틀일때가 더 큰 토크를 발휘한다.
쓰로틀을 열때마다 토크가 변하는데, 쓰로틀 조작에 대해서
토크가 얼마의 시간차를 두고 변하는가, 즉 엔진의 응답성을
쓰로틀 리스펀스라고 얘기한다.
이는 레플리카들이 빠른 엔진 응답성을, 어메리칸 크루져 타입이
어느정도 시간차를 두고 반응한다.
[출력]
흔히들 마력이라고들 얘기하는데, 마력은 출력의 한 단위일 뿐이다.
바이크의 제원을 살펴볼때 토크와 같이 가장 중요한부분중 하나일탠데
이 출력이란 바이크의 성능을 어느정도 대표하는 것이다.
위에서 말한 토크란 단순한 '힘' 일 뿐이다.
피스톤안에서 혼합기가 폭팔하면서 커넥팅로드가 크랭크에 회전력을 전달하며
이때 발생되는 힘을 수치로서 옮긴것 뿐이다.
즉 1kg 의 물건을 1m 들어올리면 1kg-m 이다.
이는 시간이 고려되지 않은 단순한 힘의 수치이지, 이 힘으로 할수 있는 일의 능률이 아니다.
즉 1kg 의 물건을 1m 들어올리는데 1초가 걸리던 1시간이 걸리던 일의 양은 같다.
바이크의 경우 토크만으로 얘기한다면
100m 를 10초에 가던 1000초에 가던 상관없다는 얘기이다.
이해가 가지 않는다면 이를 생각해보라
혼합기의 폭팔로 피스톤이 빠르게 내려오며, 크랭크축을 돌린다고 보자
이때 크랭크축이 얼마나 빠르게 회전하는가가 중요한것이다.
즉 토크가 1kg-m 이던 10kg-m 이던지 회전수에 따라서 속도가 좌우되는것이다.
만약 100kg 의 바이크가 있다고 가정하고
기어비(Gear ratio) 는 동일하다고 가정하자.
이 바이크를 움직이는데 5kg-m의 토크를 10,000rpm 에서 내는 엔진과
50kg-m 의 토크를 1,000rpm 에서 내는 엔진을 사용해보자
힘 자체는 50kg-m 이 훨씬 우수하다.
하지만 기어비가 같을때 이동거리는
10배나 차이가 난다는 것이다
대배기량 어메리칸 크루져들이 토크는 높지만
저배기량 레플리카보다 느린이유는 바로 rpm 이란 것 때문이기도 하다.
어느정도 생각이 있는 사람은 여기서 출력이란걸 어느정도 짐작했을것이다.
흔히들 얘기하는 마력이란 영국의 와트라는 사람이 처음 고안해낸것으로
1초에 550파운드의 물건을 1피트 들어올리는 것이다. (이를 HP 라 한다)
즉 단순한 '힘' 말고도 1초라는 시간이라는 단위가 포함되어 있다.
요즘에 와서 흔히 사용하는 PS 란 단위는
1ps = 75kg-m/second 라고 정의할수 있다.
즉 1ps 는 1초에 75kg-m 의 일을 한다는 것이다.
ps 란 토크(kg-m) * 회전수(rpm) ÷716 으로 구할수 있다.
이 공식에서 왠 716 이라고 의문을 가질수 있으니
공식을 유도해보자
토크 = T 로 가정하고
T = 회전축에 직각으로 설치한 길이 r m 의 막대기 끝에
회전방향으로 f kg 의 힘을 발생하는 회전력이다.
(여기서 왜 r 을 썼는지는 대부분의 사람이 짐작할것이다.
회전축을 중심으로한 r m 의 막대기이기 때문에
이 회전축이 회전하면서 막대기도 회전하게 된다.
즉 회전하게 되면 원이 되고, 막대기의 길이는 원의 반지름, 즉 r 이 된다)
토크T = r * f 가 되는것이다.
회전축이 회전함에 따라서 1회전당 2 * 3.14(파이) * r 이 되며
이 공식은 원의둘레 = 2파이r 이란것에서, 파이 = 3.14 로 놓았을때
이 공식이 나오게된다.
이 2 * 3.14 * r 이란 공식에 초당회전수 (rpm=분당회전, rpm을 대입하면안됨) 를 곱하면 '일의능률' 이 되며, 거기서 나온 수를 75 로 나누면 ps 가 된다.
흔히들 사용하는 rpm 이란 분당회전수(Revolution per Minute) 이니
이를 60 으로 나눠서 초당회전수로 환산하여서 계산해야 한다.
즉 ps = (2 * 3.14 * r * f ÷ 75) * (rpm ÷60) 이 된다.
rpm ÷60 은 계산하기 쉽게 N 으로 치환하여서 사용하자
여기서 r * f 는 토크 T 임으로
ps = (2 * 3.14 * T * N) ÷(75 * 60) 이 되며
이를 계산해서 간단하게 고쳐보면
ps = (T * rpm) ÷716 이 되는것이다
물론 이는 정확한 수치는 아니며
제원표를 보고 바이크의 성능을 어느정도 짐작할수 있는 수준밖에 되지 않는다
엔진의 구성부품들의 설계등에 따라서 큰 차이가 남으로
출력을 계산해낸다는 생각보다는
출력이란게 무엇인지를 정확히 안다고만 생각하도록 하자
[최대토크? 최고출력?]
쓰로틀밸브를 100% 연 상태에서부터 나오는 토크수치중 가장 큰 수치를
최대토크지점이라 하며, 출력도 쓰로틀을 100% 연상태에서 최고로 높은 수치를 최고출력이라고 한다.
[최대토크가 높은것과 최고출력이 높은것은 뭐가 좋은가?]
힘이 좋으니 말 그대로 잘 달려나가고
일의 능률이 높으니, 잘 달려나간다고 생각하면 된다.
하지만 같은 배기량이라도 엔진의 구조에따라서 출력/토크가 틀리다.
같은 1,100cc 라도 GSX-R1100 은 155마력을 발휘하지만
쉐도우 1100 은 48마력밖에 발휘하지 못한다.
하지만 만약 정지상태이고, 아이들링 상태에서
쓰로틀 개도만으로 출발한다고 가정해보자.
어느정도 속도가 붙을때까지는 쉐도우 1100 이 이길것이다.
(물론 처음부터 풀가속을 한다면 당연 GSX-R1100 이 이긴다)
이유는?
쉐도우 1100 의 최대토크 지점은 2,500rpm , 최고출력지점은 4,500rpm
GSX-R1100 의 경우는 각각 9,000rpm / 10,000rpm 이다.
최대토크는 쉐도우가 8.7kg-m, GSX-R 이 11.7kg-m 이다
무게는 쉐도우가 261kg (Shadow ACE 모델) 으로, GSX-R 의 221kg 보다 무겁다
모든면에서 GSX-R 의 승리인데, 왜 아이들 상태에서 출발인
쉐도우가 빠르다고 할까?
이는 엔진을 고속으로 쥐어짜야지 힘이 나오느냐, 저속에서도 힘을 내느냐의
차이이다.
흔히들 어메리칸은 토크감으로 탄다고들 얘기한다.
여기서 토크감이란 저 회전부터 뿜어나오는 힘을 얘기한다.
이해가 가지 않는 분을 위해서, 쉽게쉽게 얘기해보자
저 rpm 에서 최대토크가 발생한다는 것은 엔진이 저 회전 중시라는 것이다.
즉 저 회전에서 힘이 풍부하다.
쉐도우 1100 의 경우는 2,000rpm 정도만 유지해도 충분한 힘을 발휘하는대 반해서,
GSX-R1100 의 경우는 아직 힘을 발휘하지 못하는 구역이다.
위의 그래프는 한 지점에 점을 찍어놓고
왼쪽 맨 아랫부분 끝 지점부터 그 점까지 같은 선을 그은후
그 선을 끌어당겨서 만든 곡선그래프이다.
오른쪽에 선의 끝을 보자, 하나는 높고 하나는 낮은 점이다.
가로선을 'rpm' 이라고 두고, 새로선을 힘이라고 두자
그리고 이 그래프의 선이 올라가는 모양을 유심히 보라
이 선이 이루는 곡선의 모양이 힘이라고 가정해보자
(-- 참고로 얘기해서 이 그래프는 쉐도1100, GSX-R 의 것이 아님!! --
설명을 쉽게 하기 위해서 임의로 그린것임)
더 낮은 부분에서 끝나는 그래프의 경우 초기 지점에서는 더 큰 힘을 발휘한다.
반면에 높은 지점에서 끝나는 그래프의 경우 초기지점에서 낮은 힘을 낸다.
즉 이 초기지점 근처를 저 rpm 이라고 생각해보라
저 회전형 엔진은 저 rpm 에서 더 큰 힘을 내는것이다.
하지만 고속으로 올라가면 상황은 바뀌게 된다.
이정도라면 왜 저속중시형 엔진이 출발에서 더 빠른지 이해가 갈것이다