프리휠

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1. 개요
2. 구조
- 2.1. 래칫 방식
- 2.2. 롤러 방식
3. 역사
4. 장점과 단점
- 4.1. 장점
- 4.2. 단점
5. 활용 분야
참조

1. 개요

프리휠은 한 방향으로 토크를 전달하고 반대 방향으로는 헛돌도록 하는 기계 장치로, 자전거, 자동차, 농업 장비, 엔진 시동기, 헬리콥터 등 다양한 분야에서 활용된다. 자전거에서는 페달링 없이 관성 주행을 가능하게 하며, 자동차에서는 클러치 없이 기어 변속을 돕거나 엔진 브레이크 없이 연비를 개선하는 데 기여한다. 1869년 윌리엄 밴 안덴이 자전거용 프리휠을 발명한 이래, 기술 발전을 거쳐 다양한 형태로 사용되고 있다.

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프리휠
개요
명칭	프리휠
유형	자전거 부품 기계 장치
기능
주요 기능	구동축을 피동축으로부터 분리
작동 원리	한쪽 방향으로만 동력 전달, 반대 방향으로 회전 시 동력 전달 차단
용도
자전거	페달을 밟지 않아도 바퀴가 회전 가능하게 함
자동차	연비 향상 및 변속 충격 완화 (일부 구형 차량)
헬리콥터	엔진 고장 시 로터 자동 회전 기능 유지
작동 방식
작동 메커니즘	래칫 및 폴 메커니즘 또는 경사면 클러치
작동 조건	구동축의 회전 속도가 피동축보다 빠를 때 작동
관련 기술
관련 기술	클러치 원웨이 클러치 래칫
장점 및 단점
장점	페달링 없이도 주행 가능 (자전거) 연비 향상 (자동차) 안전 확보 (헬리콥터)
단점	내구성 문제 정비 필요성
기타
주의사항	프리휠과 고정 기어 허브의 차이점 숙지

2. 구조

BMX의 일부 종목에서는 '프리 코스터 허브'라는, 입력 측 회전에 반응하여 동력이 전달되는 프리 기구도 있다. 이 경우 자전거가 후진하여 출력 측이 회전해도 입력 측에 전달되지 않아, 후진 시(페이키 시)에 페달이 돌지 않는다. 페달을 반대로 돌리면 동력이 전달되는 것도 있다. 단점으로는 페달을 밟았을 때 동력이 전달되기까지 지연이 발생한다는 점이 있다.^[1]

래칫 기구를 페달과 체인링 사이에 넣는 'FF 시스템'도 있다. 장점은 페달을 밟지 않아도 자전거가 앞으로 나아가고 있다면, 외장 변속기라도 변속할 수 있다는 것이다.^[1]

자전거는 원래 페니 파딩처럼 앞바퀴와 크랭크가 직접 연결된 구조여서 실용적인 교통 수단으로는 불편했다. 세이프티 자전거와 프리휠이 발명되면서 자전거가 실용적인 용도로 사용되기 시작했다. 이후 자전거에 변속기가 탑재되었지만, 이는 바퀴의 회전이 크랭크와 직결된 상태에서는 거의 불가능했다.^[1]

1922년 당시 세계 유수의 프리휠 제조사였던 영국의 B・S・A사의 프리휠 국산화에 성공한 것은 시마노의 전신인 시마노 철공소를 창업한 시마노 쇼자부로이며, 국내외에서 '시마노의 프리'라고 불렸다.^[1]

2. 1. 래칫 방식

단순한 프리휠 기구는 용수철이 달린 원판으로, 래칫이라 부르는 서로 마주보는 톱니 2개로 되어있다. 한 쪽 방향으로 돌면 톱니가 원판과 물려 구동축과 같은 속도로 따라 돌다가, 구동축이 회전을 멈출 때에는 동력을 끊어 주어 미끄러지게 한다.^[1]

가장 단순한 프리휠 장치는 두 개의 톱니 모양의 스프링이 장착된 디스크가 톱니 면을 맞대고 서로 압착되어 래칫과 다소 유사하게 구성되어 있다. 한 방향으로 회전하면 구동 디스크의 톱니가 피구동 디스크의 톱니와 맞물려 동일한 속도로 회전하게 된다. 구동 디스크의 속도가 느려지거나 회전을 멈추면 피구동 디스크의 톱니가 구동 디스크의 톱니 위로 미끄러져 계속 회전하며, 피구동 기어의 속도 차이에 비례하여 특징적인 딸깍거리는 소리가 발생한다.^[1]

더욱 정교하고 견고한 디자인은 구동 실린더 내부에 스프링이 장착된 강철 롤러를 가지고 있다. 한 방향으로 회전하면 롤러가 실린더와 맞물려 함께 회전하게 된다. 속도가 느려지거나 다른 방향으로 회전하면 강철 롤러가 실린더 내부에서 미끄러진다.^[1]

자전거는 사이클리스트가 페달을 밟지 않고 관성 주행을 할 수 있도록 프리휠을 사용한다. 휠 또는 카세트를 딸깍거리는 소리가 나는 방향으로 회전시키면 폴이 톱니의 완만하게 경사진 가장자리 위로 쉽게 미끄러진다. 이 과정은 때때로 비공식적으로 "슬립"이라고 불린다. 이 시나리오에서 카세트는 뒷바퀴와 독립적으로 회전한다. 사이클리스트가 페달링을 멈추면 래칫이 미끄러지고 휠은 계속 회전하는 반면 카세트는 멈추면서 딸깍거리는 소리가 난다. 결과적으로 사이클리스트가 페달을 뒤로 밟으면 자전거는 뒤로 움직이지 않는다. 카세트 또는 휠이 반대 방향으로 회전하면 폴이 톱니의 더 가파른 경사 가장자리에 걸려 잠금 상태가 된다. 사이클리스트가 앞으로 페달을 밟으면 스프로킷의 고유한 특성으로 인해 카세트가 앞으로 회전하여 폴이 톱니의 가파른 경사에 걸리고 뒷바퀴를 앞으로 구동한다. 이것은 또한 자전거를 앞으로 밀면 페달이 앞으로 회전하는 이유를 설명한다.^[1]

대부분의 자전거 프리휠은 두 개 이상의 스프링이 장착된 경화 강철 폴이 있는 내부 톱니 드럼을 사용하여 부하를 전달한다. 더 많은 폴은 마모를 분산시키고 신뢰성을 높이지만, 장치가 일반적으로 자전거 부품에서 발견되지 않는 공차로 만들어지지 않는 한 두 개 이상의 폴이 동시에 맞물리는 경우는 거의 없다.^[1]

프리휠은 허브와 드리븐 스프로킷 사이에 래칫 기구 또는 캠 기구를 갖추고 있어, 토크를 한 방향으로만 전달하고 반대 방향의 회전은 헛돌도록 되어 있다. 페달로부터의 힘은 스프로킷에서 허브로 전달되지만, 자전거가 가진 관성에 의해 지면으로부터 받는 바퀴의 회전력에 대해서는 헛돌아 허브에서 스프로킷으로 전달되지 않고 페달도 회전하지 않는다. 이러한 작용에 의해, 관성 주행 시 페달을 멈추어 운전자의 부담이 경감된다.^[1]

2. 2. 롤러 방식

가장 단순한 프리휠 장치는 두 개의 톱니 모양의 스프링이 장착된 디스크가 톱니 면을 맞대고 서로 압착되어 래칫과 다소 유사하게 구성되어 있다. 한 방향으로 회전하면 구동 디스크의 톱니가 피구동 디스크의 톱니와 맞물려 동일한 속도로 회전하게 된다. 구동 디스크의 속도가 느려지거나 회전을 멈추면 피구동 디스크의 톱니가 구동 디스크의 톱니 위로 미끄러져 계속 회전하며, 피구동 기어의 속도 차이에 비례하여 특징적인 딸깍거리는 소리가 발생한다.

더욱 정교하고 견고한 디자인은 구동 실린더 내부에 스프링이 장착된 강철 롤러를 가지고 있다. 한 방향으로 회전하면 롤러가 실린더와 맞물려 함께 회전하게 된다. 속도가 느려지거나 다른 방향으로 회전하면 강철 롤러가 실린더 내부에서 미끄러진다.

3. 역사

1869년 윌리엄 밴 안덴이 프리휠을 처음 발명한 이후,^[3] 프리휠은 자전거 기술 발전에 큰 영향을 미쳤다. 초기에는 자전거 애호가들로부터 단순성을 해친다는 이유로 거부당했지만,^[5] 1899년 영국에서 널리 채택된 이후, 코스터 브레이크와 결합되어 발전하였다.^[8]^[9]

1924년 프랑스 회사 르 사이클로는 두 개의 스프로킷 프리휠을 사용한 기어 변속 자전거를 선보였다. 이후 르 사이클로는 변속기 기술을 발전시켜 자전거 기어 수를 획기적으로 늘렸다.^[12] 1960년대와 1970년대에는 일본 선투어 사가 경사 평행 사변형 뒷 변속기 설계를 도입하여 변속 성능을 향상시켰다.^[13]

프리휠은 허브와 스프로킷 사이에 래칫 또는 캠 기구를 사용하여 한 방향으로만 토크를 전달하고 반대 방향 회전은 헛돌게 한다. 이를 통해 페달을 밟지 않아도 자전거가 관성으로 계속 주행할 수 있게 되었다. BMX에는 '프리 코스터 허브'라는 특별한 프리휠이 사용되기도 한다.

초기 자전거는 페니 파딩처럼 앞바퀴와 크랭크가 직결되어 불편했지만, 세이프티 자전거와 프리휠 발명으로 실용적인 교통수단이 되었다. 이후 변속기가 탑재되었는데, 이는 프리휠 없이는 불가능한 기술이었다.

1922년 시마노 철공소(현 주식회사 시마노)의 창업자 시마노 쇼자부로는 영국 B・S・A사의 프리휠 국산화에 성공하여 '시마노의 프리'로 불리며 명성을 얻었다.

3. 1. 초기 역사

1869년 3월 23일, 뉴욕 파우킵시의 윌리엄 밴 안덴이 “개선된 빌라서피드”로 첫 프리휠 자전거를 특허 받았다.^[3] 그의 설계는 앞바퀴(벨로시페드 디자인의 구동 바퀴)의 허브에 래칫 장치를 배치하여, 라이더가 끊임없이 페달을 밟지 않고도 앞으로 나아갈 수 있게 했다.^[4] 하지만 처음에는 자전거 애호가들이 프리휠이 자전거의 기계적 기능을 복잡하게 만들 것이라고 믿었기 때문에 이 아이디어를 거부했다.^[5] 그들은 자전거가 프리휠과 같은 추가 메커니즘 없이 최대한 단순하게 유지되어야 한다고 생각했다.^[6]

1881년 영국에서는 코번트 머시니스트 사의 J. 화이트와 G. 데이비스가 롤러 프리휠에 대한 특허를 받았고,^[7] 첼시모어 세발자전거에 장착되었다. 1894년 여름부터는 린리 앤 빅스 사(휘핏 사이클 신디케이트로 영업)가 2단 '프로테안' 기어 작동을 돕기 위해 프리휠을 세이프티 자전거에 장착했다.

1899년까지 영국 자전거 제조업체에서 프리휠이 널리 채택되었으며, 보통 백 페달 브레이크와 결합되었고, 기존 자전거에 대한 개조도 제공되었다.^[8]^[9] 같은 해 미국에서는 동일한 시스템을 "코스터 브레이크"라고 불렀으며, 라이더가 페달을 뒤로 밟아 제동할 수 있게 해주고 프리휠 메커니즘을 포함했다.^[10] 세기 전환기에 유럽과 미국의 자전거 제조업체들은 대부분의 자전거에 프리휠 메커니즘을 포함시켰지만, 이제 프리휠은 밴 안덴의 초기 설계와 달리 자전거의 뒷 스프로킷에 통합되었다.^[11]

페니 파딩과 같이 앞바퀴와 크랭크가 직결된 구조는 발명 당시 자전거를 실용적인 교통 수단으로 사용하기 어렵게 만들었다. 세이프티 자전거와 프리휠이 발명되면서 자전거가 실용적인 용도로 이용되게 되었다.

1922년, 당시 세계 유수의 프리휠 제조사였던 영국의 B・S・A사의 프리휠 국산화에 성공한 것은 주식회사 시마노의 전신인 시마노 철공소를 창업한 시마노 쇼자부로이며, 국내외에서 '시마노의 프리'라고 불리게 되었다.

3. 2. 대중화

1869년 미국의 윌리엄 밴 안덴이 자전거용 프리휠을 발명했다.^[3] 밴 안덴의 설계는 앞바퀴(벨로시페드 디자인의 구동 바퀴)의 허브에 래칫 장치를 배치하여, 라이더가 끊임없이 페달을 밟지 않고도 앞으로 나아갈 수 있게 했다.^[4] 그러나 초기에는 자전거 애호가들이 프리휠이 자전거의 기계적 기능을 복잡하게 만들 것이라고 믿었기 때문에 이 아이디어를 거부했다.^[5]

1881년 영국의 J. 화이트와 G. 데이비스가 롤러 프리휠에 대한 특허를 받았다.^[7] 1899년까지 영국 자전거 제조업체들은 프리휠을 널리 채택했으며, 보통 백 페달 브레이크와 결합되었고, 기존 자전거에 대한 개조도 제공되었다.^[8]^[9] 같은 해 미국에서는 동일한 시스템을 "코스터 브레이크"라고 불렀으며, 라이더가 페달을 뒤로 밟아 제동할 수 있게 해주고 프리휠 메커니즘을 포함했다.^[10] 세기 전환기에 유럽과 미국의 자전거 제조업체들은 대부분의 자전거에 프리휠 메커니즘을 포함시켰지만, 밴 안덴의 초기 설계와 달리 자전거의 뒷 스프로킷에 통합되었다.^[11]

1924년 프랑스 회사 르 사이클로는 라이더가 더 쉽게 오르막길을 오를 수 있도록 두 개의 스프로킷 프리휠이 있는 기어 변속 자전거를 선보였다. 1920년대 후반, 르 사이클로는 이중 체인링과 함께 앞, 뒤 변속기를 모두 사용하여 자전거의 기어 수를 두 배로 늘렸다. 1930년대 초, 르 사이클로는 4개의 스프로킷 프리휠을 발명했고, 몇 년 후 이 회사는 4개의 스프로킷 프리휠과 삼중 체인링을 결합하여 자전거에 12개의 기어를 제공했다.^[12]

1960년대와 1970년대에 일본 제조업체들은 자체 변속기 버전을 도입했다. 선투어는 특히 1964년에 경사 평행 사변형 뒷 변속기 설계를 도입했는데, 이 설계는 변속 시 풀리가 프리휠의 각 톱니에 더 가깝게 유지되도록 기울어져 유럽 제품보다 더 부드럽고 더 나은 변속을 제공했다. 이 변속기 버전은 1980년대에 선투어의 특허가 만료되면서 표준이 되었으며, 현재 디자인의 모델이기도 하다.^[13]

1922년 당시 세계 유수의 프리휠 메이커였던 영국의 B・S・A사의 프리휠 국산화에 성공한 것은 주식회사 시마노의 전신인 시마노 철공소를 창업한 시마노 쇼자부로이며 국내외에서 '시마노의 프리'라고 칭해지게 되었다.

3. 3. 변속기와의 결합

1899년 미국에서는 코스터 브레이크라고 불리는 시스템이 등장했는데, 이는 라이더가 페달을 뒤로 밟아 제동할 수 있게 해주고 프리휠 메커니즘을 포함했다.^[10] 세기 전환기에 유럽과 미국의 자전거 제조업체들은 대부분의 자전거에 프리휠 메커니즘을 포함시켰지만, 밴 안덴의 초기 설계와 달리 자전거의 뒷 스프로킷에 통합되었다.^[11]

1924년 프랑스 회사 르 사이클로는 라이더가 더 쉽게 오르막길을 오를 수 있도록 두 개의 스프로킷 프리휠이 있는 기어 변속 자전거를 선보였다. 1920년대 후반, 르 사이클로는 이중 체인링과 함께 앞, 뒤 변속기를 모두 사용하여 자전거의 기어 수를 두 배로 늘렸다. 1930년대 초, 르 사이클로는 4개의 스프로킷 프리휠을 발명했고, 몇 년 후 이 회사는 4개의 스프로킷 프리휠과 삼중 체인링을 결합하여 자전거에 12개의 기어를 제공했다.^[12]

1960년대와 1970년대에 일본 제조업체들은 자체 변속기 버전을 도입했다. 선투어는 특히 1964년에 경사 평행 사변형 뒷 변속기 설계를 도입했는데, 이 설계는 변속 시 풀리가 프리휠의 각 톱니에 더 가깝게 유지되도록 기울어져 유럽 제품보다 더 부드럽고 더 나은 변속을 제공했다. 이 변속기 버전은 1980년대에 선투어의 특허가 만료되면서 표준이 되었으며, 현재 디자인의 모델이기도 하다.^[13]

프리휠은 허브와 드리븐 스프로킷 사이에 래칫 기구 또는 캠 기구를 갖추고 있어, 토크를 한 방향으로만 전달하고 반대 방향의 회전은 헛돌도록 되어 있다. 페달로부터의 힘은 스프로킷에서 허브로 전달되지만, 자전거가 가진 관성에 의해 지면으로부터 받는 바퀴의 회전력에 대해서는 헛돌아 허브에서 스프로킷으로 전달되지 않고 페달도 회전하지 않는다. 이러한 작용에 의해, 관성 주행 시 페달을 멈추어 운전자의 부담이 경감된다.

BMX의 일부 종목에서는 '프리 코스터 허브'라고 불리는 입력 측의 회전에 반응하여 동력이 전달되는 프리 기구도 있다. 이 경우 자전거가 후진하여 출력 측이 회전해도 입력 측에 전달되지 않는다. 이 때문에, 후진 시(페이키 시)에 페달이 돌지 않는다. 페달을 역회전시키면 동력이 전달되는 것도 있다. 단점으로는 페달을 밟았을 경우 동력이 전달되기까지 지연이 발생한다.

래칫 기구를 페달과 체인링 사이에 넣는 'FF 시스템'이라는 것도 있다. 장점으로는 페달링을 하지 않아도 자전거가 앞으로 나아가고 있다면, 외장 변속기라도 변속할 수 있다는 것이다.

발명된 당초, 자전거의 구조는 페니 퍼딩과 같이 앞바퀴와 크랭크가 직결되어 있는 구조였으며, 실용적인 교통 수단으로는 불편한 탈 것이었다. 세이프티 자전거가 발명되고, 프리휠이 발명되면서 자전거가 실용적인 용도로 이용되게 되었다. 이후 자전거에는 변속기가 탑재되었지만, 이것은 바퀴의 회전이 크랭크와 직결되어 있는 상태에서는 거의 불가능했다.

1922년 당시 세계 유수의 프리휠 메이커였던 영국의 B・S・A사의 프리휠의 국산화에 성공한 것은 주식회사 시마노의 전신인 시마노 철공소를 창업한 시마노 쇼자부로이며 국내외에서 '시마노의 프리'라고 칭해지게 되었다.

4. 장점과 단점

프리휠은 자동 클러치 역할을 하여 클러치 페달 조작 없이 기어 변속을 가능하게 하고, 특정 엔진에서 연비를 향상시키며, 관성 주행 시 운전자 부담을 줄여주는 등의 장점이 있다. 반면, 엔진 브레이크 사용이 불가능하여 브레이크 마모가 심해지고, 산악 지형에서 브레이크 과열 위험을 높이며, 일부 프리 코스터 허브는 동력 전달 지연을 일으키는 단점도 존재한다.^[1]^[2]^[3]^[5]

4. 1. 장점

프리휠 메커니즘은 자동 클러치 역할을 하여, 클러치 페달을 밟지 않고도 수동 기어 변속기에서 기어를 올리거나 내릴 수 있게 한다. 따라서 수동 클러치는 출발하거나 정지할 때만 사용하게 된다.^[1] Saab 프리휠은 운전자가 레버를 조작하여 프리휠 허브와 메인 샤프트를 잠그거나 잠금 해제할 수 있다.^[1]

프리휠은 기화기 엔진(엔진 브레이크에서 연료 차단 없음)에서 자동차 연비를 약간 더 좋게 하고 수동 클러치의 마모를 줄여준다.^[1] 허브와 스프로킷 사이에 래칫 기구나 캠 기구가 있어, 한 방향으로만 힘을 전달하고 반대 방향의 회전은 헛돌게 한다.^[3] 페달에서 오는 힘은 스프로킷에서 허브로 전달되지만, 자전거가 관성에 의해 지면에서 받는 바퀴의 회전력은 헛돌아 허브에서 스프로킷으로 전달되지 않고 페달도 회전하지 않는다.^[3] 이러한 작동으로 관성 주행 시 페달을 멈추어 운전자의 부담이 줄어든다.^[3]

래칫 기구를 페달과 체인링 사이에 넣는 'FF 시스템'도 있는데, 이는 페달링을 하지 않아도 자전거가 앞으로 나아가고 있다면 외장 변속기라도 변속할 수 있다는 장점이 있다.^[5]

4. 2. 단점

프리휠은 기화기 엔진(엔진 브레이크에서 연료 차단 없음)에서 자동차 연비를 약간 더 좋게 하고 수동 클러치의 마모를 줄이지만, 엔진 브레이크를 수행할 수 없으므로 브레이크의 마모가 더 심해진다.^[1] 이로 인해 프리휠 변속기는 트럭과 자동차가 산악 지역에서 운전하는 데 위험할 수 있으며, 차량 속도를 제한하기 위해 브레이크를 지속적으로 장기간 사용하면 브레이크 시스템이 과열되어 곧 완전히 고장날 수 있다.^[1]

BMX의 일부 종목에서 사용되는 '프리 코스터 허브'는 페달을 밟았을 경우 동력이 전달되기까지 지연이 발생한다는 단점이 있다.^[2]

5. 활용 분야

프리휠은 다양한 분야에서 활용된다.

농업 장비: 높은 관성 부하를 가진 건초 묶는 기계 등에서 사용되며, 특히 라이브 PTO(동력 인출 장치)가 없는 트랙터와 함께 사용할 때 안전성을 높인다. 오버러닝 클러치는 PTO에서 부하를 분리하여 트랙터가 계속 움직이는 것을 방지한다. 동력이 없는 '밀대식' 실린더형 잔디 깎는 기계에서도 프리휠이 칼날 구동에 사용되어, 기계 정지 시 드라이브를 통해 반대 방향으로 각운동량이 전달되는 것을 막는다.

엔진 시동기: 스타터 모터에 사용되는 프리휠 어셈블리는 일종의 보호 장치이다. 엔진 시동 후 스타터가 플라이휠 속도를 따라가지 못할 때 발생하는 과도한 회전을 방지한다. 프리휠 클러치는 플라이휠에서 스타터를 분리하여 엔진 작동 중 기어가 다시 맞물리는 것을 막는다. 이는 스타터 솔레노이드를 대체하여 시동 시스템의 전기적 요구 사항을 줄여준다.

헬리콥터: 회전익기에서 프리휠은 블레이드가 구동 엔진보다 빠르게 회전할 수 있도록 한다. 특히 엔진 고장 시 주 로터 및 테일 로터 시스템이 구동 시스템과 독립적으로 회전하여 자동 회전 착륙을 가능하게 한다.

자전거와 자동차에서의 활용에 대해서는 각각 '자전거'와 '자동차' 하위 섹션에 상세히 설명되어 있으므로 여기서는 생략한다.

5. 1. 자전거

가장 단순한 프리휠 장치는 두 개의 톱니 모양의 스프링이 장착된 디스크가 톱니 면을 맞대고 서로 압착되어 래칫과 다소 유사하게 구성되어 있다. 한 방향으로 회전하면 구동 디스크의 톱니가 피구동 디스크의 톱니와 맞물려 동일한 속도로 회전하게 된다. 구동 디스크의 속도가 느려지거나 회전을 멈추면 피구동 디스크의 톱니가 구동 디스크의 톱니 위로 미끄러져 계속 회전하며, 피구동 기어의 속도 차이에 비례하여 특징적인 딸깍거리는 소리가 발생한다.

자전거는 사이클리스트가 페달을 밟지 않고 관성 주행을 할 수 있도록 프리휠을 사용한다. 휠 또는 카세트를 딸깍거리는 소리가 나는 방향으로 회전시키면 폴이 톱니의 완만하게 경사진 가장자리 위로 쉽게 미끄러진다. 이 과정은 때때로 비공식적으로 "슬립"이라고 불린다. 이 시나리오에서 카세트는 뒷바퀴와 독립적으로 회전한다. 사이클리스트가 페달링을 멈추면 래칫이 미끄러지고 휠은 계속 회전하는 반면 카세트는 멈추면서 딸깍거리는 소리가 난다. 결과적으로 사이클리스트가 페달을 뒤로 밟으면 자전거는 뒤로 움직이지 않는다.

프리휠은 허브와 스프로킷 사이에 래칫 기구 또는 캠 기구를 갖추고 있어, 토크를 한 방향으로만 전달하고 반대 방향의 회전은 헛돌도록 되어 있다. 페달로부터의 힘은 스프로킷에서 허브로 전달되지만, 자전거가 가진 관성에 의해 지면으로부터 받는 바퀴의 회전력에 대해서는 헛돌아 허브에서 스프로킷으로 전달되지 않고 페달도 회전하지 않는다. 이러한 작용에 의해, 관성 주행 시 페달을 멈추어 운전자의 부담이 경감된다.

BMX의 일부 종목에서는 '프리 코스터 허브'라고 불리는 입력 측의 회전에 반응하여 동력이 전달되는 프리 기구도 있다. 이 경우 자전거가 후진하여 출력 측이 회전해도 입력 측에 전달되지 않는다. 이 때문에, 후진 시(페이키 시)에 페달이 돌지 않는다. 페달을 역회전시키면 동력이 전달되는 것도 있다. 단점으로는 페달을 밟았을 경우 동력이 전달되기까지 지연이 발생한다.

래칫 기구를 페달과 체인링 사이에 넣는 'FF 시스템'이라는 것도 있다. 장점으로는 페달링을 하지 않아도 자전거가 앞으로 나아가고 있다면, 외장 변속기라도 변속할 수 있다는 것이다.

발명된 당초, 자전거의 구조는 페니 퍼딩과 같이 앞바퀴와 크랭크가 직결되어 있는 구조였으며, 실용적인 교통 수단으로는 불편한 탈 것이었다. 세이프티 자전거가 발명되고, 프리휠이 발명되면서 자전거가 실용적인 용도로 이용되게 되었다.

1922년 당시 세계 유수의 프리휠 메이커였던 영국의 B・S・A사의 프리휠의 국산화에 성공한 것은 주식회사 시마노의 전신인 시마노 철공소를 창업한 시마노 쇼자부로이며 국내외에서 '시마노의 프리'라고 칭해지게 되었다.

5. 2. 자동차

프리휠 메커니즘은 기본적으로 자동 클러치 역할을 하며, 클러치 페달을 밟지 않고도 수동 기어 변속기에서 기어를 올리거나 내리는 것을 가능하게 한다. 따라서 수동 클러치는 출발하거나 정지할 때만 사용하게 된다. 사브 프리휠은 운전자가 레버를 밀거나 당겨서 작동하거나 해제할 수 있는데, 이는 프리휠 허브와 메인 샤프트를 잠그거나 잠금 해제하는 방식이다.

프리휠은 기화기 엔진(엔진 브레이크에서 연료 차단 없음)에서 자동차 연비를 약간 더 좋게 하고 수동 클러치의 마모를 줄이지만, 엔진 브레이크를 사용할 수 없으므로 브레이크 마모가 더 심해진다. 이 때문에 프리휠 변속기는 트럭이나 자동차가 산악 지역에서 운전할 때 위험할 수 있다. 차량 속도를 줄이기 위해 브레이크를 계속해서 오래 사용하면 브레이크 시스템이 과열되어 완전히 고장날 수 있기 때문이다.

자동차에 사용된 예로는 2행정 엔진 차량 및 초기 4행정 사브 차량 외에도, 1930년대부터 1960년대까지 일부 고급 또는 고급형 일반 차량(예: 팩커드, 로버, 코드)에 사용되었다. 또한 이 시대의 일부 엔진은 스로틀이 닫히고 엔진 속도가 높을 때 피스톤 링을 통해 오일을 통과시키는 경향이 있었다. 이때 연소실의 약간의 진공이 높은 오일 압력 및 빠르게 회전하는 크랭크축의 높은 정도의 스플래시 윤활과 결합되어 오일이 연소실로 유입되었다.

프리휠은 오버런 시 엔진이 아이들 속도로 돌아가 엔진과 기어박스의 소음을 크게 줄이고 오일 소비를 줄이는 것을 의미했다. 이 메커니즘은 필요한 경우 엔진 브레이크를 제공하기 위해 일반적으로 잠글 수 있었다. 프리휠은 1948년부터 1951년까지 최초의 랜드로버 차량에도 사용되었다. 프리휠은 기어박스에서 전면 차축으로의 구동을 제어하여 오버런 시 분리되었다. 이를 통해 차량은 변속기에서 '와인드 업' 힘을 피함으로써 영구적인 4륜 구동 시스템을 가질 수 있었다. 이 시스템은 작동했지만, 특히 미끄러운 조건이나 견인 시 예측할 수 없는 핸들링을 유발하여 일반적인 선택 가능한 4WD 시스템으로 대체되었다.

제2차 세계 대전 동안 KdF(''퀴벨바겐'', ''슈빔바겐'')에서 생산된 군용 폭스바겐 차량에는 두 개의 프리휠로 구성된 ZF 리미티드 슬립 디퍼렌셜 시스템이 장착되어 엔진 동력 전체를 두 바퀴 중 더 느리게 회전하는 바퀴로 보냈다.^[1]

다른 자동차 제조업체들은 엔진과 기어박스 사이에 자동 클러치의 형태로 프리휠을 장착했다. 운전자가 스로틀에서 발을 떼고 차량이 오버런 상태가 되면 프리휠이 해제되어 운전자는 클러치 페달을 사용하지 않고 기어를 변경할 수 있었다. 이 기능은 무거운 클러치와 싱크로메시가 없는 기어박스를 갖춘 주로 대형 고급차에 나타났는데, 프리휠이 더 부드럽고 조용한 변속을 가능하게 했기 때문이다. 시트로엥은 프리휠과 원심 클러치를 결합하여 'TraffiClutch'라고 불리는 시스템을 만들었는데, 이를 통해 운전자는 클러치를 사용하지 않고 시동을 걸고, 정지하고, 낮은 기어를 변경할 수 있었다. 이것은 시트로엥 2CV와 그 파생형의 옵션이었으며, 이름에서 알 수 있듯이 혼잡한 도시 지역에서 운전하는 데 도움이 된다고 홍보되었다. 마찬가지로, 사브 93은 선택 사양인 삭소매트 클러치를 사용할 수 있었다.

프리휠링 메커니즘의 일반적인 사용은 자동 변속기이다. 예를 들어, 터보-하이드라매틱 400과 같은 전통적인 유압식 제너럴 모터스 변속기는 선택된 기어보다 낮은 모든 기어에서 프리휠링을 제공한다. 예를 들어, 3단 변속기의 기어 선택기가 '드라이브'(3)-'슈퍼'(2)-'로'(1)로 표시되어 있고 운전자가 '슈퍼'를 선택한 경우 변속기는 1단 기어가 연결될 때는 프리휠링하지만 2단 또는 3단 기어에서는 그렇지 않다. '드라이브' 상태에서는 1단 또는 2단에서 프리휠링하고, '로' 상태에서는 어떤 기어에서도 프리휠링하지 않는다. 이를 통해 운전자는 다양한 속도에서 엔진 브레이크를 제공하기 위해 더 낮은 범위를 선택할 수 있다(예: 가파른 언덕을 내려갈 때).

유럽에서 제조된 레이콕 드 노르만빌에서 제조한 오버드라이브 유닛은 일반적인 클러치 페달을 사용하지 않고 잠금 모드(1:1)와 오버드라이브 모드 간의 부드러운 기어 변속을 용이하게 하기 위해 프리휠을 사용했다. 프리휠은 잠금 모드를 위한 원추형 클러치가 해제되고 오버드라이브 모드를 위한 클러치가 작동하는 짧은 전환 기간 동안 나가는 차축을 나가는 차축에 잠갔다.^[2]

5. 3. 농업 장비

농업 장비에서 '''오버러닝 클러치'''는 일반적으로 높은 관성 부하를 가진 건초 묶는 기계 및 기타 장비에 사용되며, 특히 라이브 PTO(동력 인출 장치)가 없는 트랙터와 함께 사용할 때 사용된다. 라이브 PTO가 없으면 높은 관성 부하로 인해 발 클러치를 밟아도 트랙터가 계속 앞으로 움직일 수 있어 안전하지 않은 상황이 발생한다. 이러한 조건에서 PTO에서 부하를 분리함으로써 오버러닝 클러치는 안전성을 향상시킨다. 이와 유사하게, 동력이 없는 '밀대식' 실린더형 잔디 깎는 기계는 프리휠을 사용하여 칼날을 구동한다. 이것들은 고속으로 회전하도록 기어 또는 체인으로 구동되며, 프리휠은 기계가 멈출 때 드라이브를 통해 반대 방향으로 각운동량이 전달되는 것을 방지한다.

5. 4. 엔진 시동기

스타터 모터는 보통 엔진을 회전시키기 위해 3,000 RPM으로 회전해야 한다. 엔진이 시동된 후 시동 위치에 키를 일정 시간 동안 유지하면 스타터는 플라이휠의 속도를 따라갈 만큼 충분히 빠르게 회전할 수 없다. 스타터 기어와 플라이휠 사이의 기어비(약 15:1 또는 20:1) 때문에 스타터 전기자 코일은 위험할 정도로 높은 속도로 회전하게 되며, 전기자에 감긴 구리 코일에 작용하는 구심력이 코일에 작용하는 원심력을 더 이상 견딜 수 없을 때 폭발을 일으킨다. 프리휠 또는 오버런 클러치가 없는 스타터의 경우, 아이들 상태에서 플라이휠이 약 1,000 RPM으로 회전할 때, 스타터가 플라이휠과 맞물리면 15,000에서 20,000 RPM 사이로 강제로 회전하게 되므로 이는 심각한 문제가 된다. 엔진이 회전하여 작동되면 오버런 클러치는 플라이휠에서 스타터를 분리하여 엔진이 작동하는 동안 기어가 다시 맞물리는 것을 방지한다(예: 점화 키를 실수로 돌리는 경우). 프리휠 클러치는 현재 전기 시동 모터가 장착된 많은 오토바이에 사용된다. 이는 대부분의 자동차 스타터에 사용되는 스타터 솔레노이드를 대체하여 시동 시스템의 전기적 요구 사항을 줄여준다.

5. 5. 헬리콥터

프리휠은 회전익기에도 사용된다. 자전거 바퀴가 페달보다 빠르게 회전할 수 있어야 하는 것처럼, 회전익기의 블레이드는 구동 엔진보다 빠르게 회전할 수 있어야 한다. 이는 특히 엔진 고장 시에 주 변속기의 프리휠이 주 로터 및 테일 로터 시스템이 구동 시스템과 독립적으로 계속 회전할 수 있도록 해주어 중요한데, 지속적인 비행 제어와 자동 회전 착륙을 가능하게 하기 때문이다.

참조

_[1] 간행물 "''ZF-Axial-Selbstsperrdifferential Typ B70 Beschreibung und Wartung''" Zahnradfabrik Friedrichshafen AG 1941-07
_[2] 웹사이트 How it Works: The Laycock Overdrive System http://www.uniquecar[...] 2016-01-02
_[3] 특허 Improvement in velocipedes http://pdfpiw.uspto.[...] 1869-03-23
_[4] 웹사이트 Van Anden Dexter Velocipede http://amhistory.si.[...] National Museum of American History 2013-04-08
_[5] 서적 Bicycle: The History Yale University Press
_[6] 서적 Bicycle: The History Yale University Press
_[7] 특허 Roller Clutch as Fitted to Cheylesmore Tricycle https://collection.s[...] UK Patent 1881
_[8] 뉴스 The Free Wheel Cycling 1899-08-26
_[9] 뉴스 "Fortune and Bantham are fitting the cheapest and most effective back-pedalling brake to any machine on the market" Bradford Daily Telegraph 1899-08-12
_[10] 서적 Bicycle: The History Yale University Press
_[11] 서적 Bicycle: The History Yale University Press
_[12] 서적 Bicycle: The History Yale University Press
_[13] 서적 Bicycle: The History Yale University Press

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