구조와 원리를 알면 전문가와 겨뤄도 지지 않는다

《자동차 구조 교과서》는 일반 독자를 대상으로 차의 본질을 기초부터 파고들어 해설한다. 단순히 구조를 소개하고 설명하는 데 그치지 않고, 메커니즘이 어떻게 만들어지고 왜 그렇게 작동하는지를 말한다. 타이어가 회전하면 왜 차가 앞으로 나아가는지, 양 바퀴의 저항 차이가 어떻게 디퍼렌셜 기어를 작동시키는지, 자동차의 감속 원인과 ABS 장치 사이의 상관관계는 무엇인지 등을 기본 원리부터 차근차근 알려준다.
원리를 설명하기 위해 물리학을 동원하지만, 수식을 이용한 설명은 피했다. 중학교 수준의 기초 상식만 알고 있으면 누구라도 쉽게 이해할 수 있다. 핵심을 잘 추린 간략한 설명에 상세한 그림을 첨부해서 정확한 개념 파악이 가능하도록 내용을 구성했다. 최신 기술을 많이 소개하지는 않지만 《자동차 구조 교과서》는 말 그대로 차의 본질을 기초부터 알아보기 때문에 책 내용을 잘 파악했다면 어떤 새로운 메커니즘과 마주해도 그 구조와 원리를 가늠하는 게 쉬워진다. 누군가 차에 대해 전문적인 설명을 할 때에도, 전문용어와 개념에 겁먹지 않고 차분히 자신의 논리와 의견을 당당하게 말할 수 있게 된다.

자동차의 본질을 꿰뚫는 93가지 핵심 지식

전진 · 제동 · 조향. 자동차의 본질은 이 3가지로 집약된다. 자동차는 결국 달리고, 멈추고, 방향을 바꾸는 동작을 정확하게 실행하기 위한 기계 구조의 집약체인 것이다. ‘좋은 자동차란 무엇인가’라는 질문도 이 3가지 본질의 범주 안에서 전개되는 것일 뿐이다. 모두 8개의 챕터로 구성된 《자동차 구조 교과서》의 구성도 이와 크게 다르지 않다. 챕터 1에서 5까지는 전진 메커니즘을 다루며, 챕터 6과 7은 제동과 조향 메커니즘을 설명한다. 그리고 챕터 8은 시대 요구이자 트렌드인 전기 자동차를 살펴본다.
챕터 1은 전진을 가능하게 하는 여러 원리를 다루고 열기관과 내연 기관을 알아본 후, 엔진의 기본 구조와 변속기가 존재하는 근본적인 이유를 말한다. 챕터 2부터는 본격적으로 엔진을 설명한다. 엔진을 구성하는 기본 메커니즘, 즉 크랭크 기구에서 실린더 블록과 헤드, 연소실과 주운동계, 흡배기 시스템 등을 소개한다. 흡기 장치에서 촉매 변환기, 머플러, 연료 공급 장치, 점화 장치 등의 설명이 챕터 3을 구성한다. 챕터 4 역시 엔진 설명에 집중한다. 엔진 작동에 기여하는 보조 장치들, 즉 냉각 장치, 윤활 장치, 시동 장치, 충전 장치, 과급기, 배터리 등을 다룬다. 챕터 5에서는 엔진에서 만들어진 회전을 바퀴에 전달하는 동력 전달 장치와 해당 장치에 관여하는 변속기, 유압 기구, 토크 컨버터, 유성기어, CVT, 디퍼렌셜 기어 등을 설명한다.
전진만 하는 차는 원하는 목적지로 갈 수 없다. 전진 메커니즘만큼이나 조향과 제동이 중요한 이유다. 챕터 6은 제동과 조향 메커니즘을 다루며 풋/디스크/드럼 브레이크, 배력 장치, ABS, 파워 스티어링 시스템 등을 해설한다. 자동차의 실질적인 모든 움직임이 구현되는 타이어와 타이어를 지탱하는 서스펜션 시스템의 메커니즘을 챕터 7에서 소개한다. 해당 챕터에는 서스펜션의 원리와 종류, 트레드 패턴, 편평률, 공기압, 휠, 스프링 하중량 등의 내용이 담겼다.
19세기에 이미 개발된 전기 자동차는 오랜 세월 사람들의 관심 밖에 있었다. 그러다 20세기 말부터 과도한 화석 연료 사용과 그에 따른 지구 온난화와 대기 오염 문제, 자원 고갈 등이 큰 이슈로 떠오르면서 새삼 자동차 업계의 주목을 받기 시작했다. 챕터 8은 2차 전지 전기 자동차, 연료 전지 전기 자동차, 하이브리드 등 전기 자동차의 종류와 기본 구동 원리(영구 자석형 동기 모터), 회생 제동 같은 전기 자동차만의 독득한 기술을 소개한다.
《자동차 구조 교과서》는 원리부터 설명하는 독특한 구성 방식과 복잡한 개념을 간명하게 표현한 도해 자료가 잘 결합된 기술 가이드이자 교양서다. 이 책은 자동차를 남들보다 좀 더 깊고 정확하게 이해하고 싶지만 전문용어와 복잡한 기술 설명이라는 높은 벽을 실감한 사람들에게 최고의 기회가 되어줄 것이다.

머리말

Chapter 0 자동차의 3대 요소
차의 본질은 달리고, 멈추고, 방향을 바꾸는 것

Chapter 1 자동차가 달리는 메커니즘
마찰력과 구동력 : 마찰이 발생하면 차는 전진한다
마찰력의 한계 : 한계를 넘어서면 전진하지 못한다
힘과 가속도 : 구동력이 발생하면 속도가 높아진다
관성과 주행저항 : 자동차는 주행저항과 싸운다
운동 에너지 : 자동차는 운동 에너지가 필요하다
위치 에너지 : 비탈길에서는 위치 에너지의 영향을 받는다
경사와 마찰력 : 노면에 경사가 있으면 구동력이 작아진다
주행저항 : 주행저항이 달리는 자동차를 방해한다
열기관과 내연 기관 : 엔진이 2단계로 에너지를 변환시킨다
엔진의 기본 구조 : 피스톤과 실린더가 연소 공간을 만들어낸다
가솔린 엔진의 4사이클 : 가솔린 엔진은 4행정으로 작동한다
디젤 엔진의 4사이클 : 디젤 엔진은 4행정으로 작동한다
열효율 : 연료의 에너지를 전부 이용할 수는 없다
엔진의 성능 : 변속기 없는 자동차는 주행할 수 없다
토막 상식 1 로터리 엔진

Chapter 2 엔진의 기본 메커니즘
크랭크 기구 : 피스톤은 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다
다기통화와 플라이휠 : 연소ㆍ팽창 행정에서 운동 에너지가 발생한다
실린더 블록과 실린더 헤드 : 금속으로 실린더를 만들고 피스톤을 넣는다
연소실과 배기량 : 연소실에서 힘을 만들어낸다
기통 수와 실린더 배열 : 기통 수가 많을수록 출력이 높아진다
주운동계 : 힘을 발생시킬 때 주운동계가 작동한다
흡배기 밸브 : 4행정에 맞춰 흡기와 배기를 조절한다
밸브 시스템 : 크랭크축의 회전을 이용해 캠을 여닫는다
밸브 타이밍 : 흡배기 밸브를 여닫는 타이밍에는 미묘한 오차가 있다
엔진 본체와 보조 기구 : 엔진이 작동하려면 여러 가지 시스템이 필요하다
토막 상식 2 직렬 6기통 엔진

Chapter 3 엔진을 작동시키는 메커니즘
흡기 장치 : 엔진은 깨끗한 공기가 필요하다
스로틀 밸브 : 가속 페달의 조작에 맞춰 흡기의 양을 조절한다
배기 장치 : 원활한 배기가 정상적인 연소를 보장한다
촉매 변환기 : 유해 물질을 무해한 물질로 바꾼다
머플러 : 배기가스의 압력과 온도를 낮춘다
연료 장치 : 최적량의 연료를 최적의 타이밍에 분사한다
포트 분사와 연소실 내 분사 : 연료는 미세한 무화 상태로 분사된다
점화 장치 : 고압 전류의 방전으로 점화를 일으킨다
직접 점화 장치 : 전류를 단속해 고압 전류를 만들어낸다
점화 플러그 : 전극을 가늘고 뾰족한 모양으로 만든다
엔진 컨트롤 유닛 : 여러 정보로 엔진 상태를 제어하다
토막 상식 3 초희박 연소

Chapter 4 엔진을 보조하는 메커니즘
냉각 장치 : 엔진이 너무 뜨거우면 정상적으로 작동하지 못한다
가압 냉각 : 냉각액은 섭씨 100도가 넘어도 끓지 않는다
서모스탯 : 엔진이 너무 식어도 안 좋은 점이 많다
윤활 장치 : 엔진 내부의 부품이 원활히 움직일 수 있게 한다
엔진 오일 : 엔진 오일의 역할은 윤활만이 아니다
시동 장치 : 크랭크축을 회전시켜 시동을 건다
충전 장치 : 시동과 전력 부족에 대비한다
배터리 : 전기를 저장하거나 방출한다
과급기 : 압축한 공기를 엔진에 보내서 성능을 올린다
토막 상식 4 오일과 플루이드

Chapter 5 바퀴에 회전을 전달하는 메커니즘
동력 전달 장치 : 앞바퀴 또는 뒷바퀴로 구동하는 방식이 있다
기어와 풀리와 변속 : 변속으로 회전수와 토크를 바꾼다
변속기 : 수동 조작의 유무와 변속 단계에 따라 분류된다
수동 변속기 : 변속비가 다른 기어의 조합 중에서 필요한 것을 선택한다
클러치 : 마찰을 이용해 회전하는 축과 축을 매끄럽게 연결한다
토크 컨버터 1 : 회전을 전달하고 토크를 증폭시킨다
토크 컨버터 2 : 클리핑으로 초저속 주행을 한다
유압 기구 : 액체의 압력을 이용해 기계를 작동시킨다
유성기어 : 자동 변속기에서 변속을 담당한다
자동 변속기 : TCU의 지시로 주행 상황에 맞춰 변속한다
CVT : 풀리의 폭을 변화시켜 변속한다
디퍼렌셜 기어 : 커브를 돌 때는 좌우 바퀴의 회전 속도가 달라진다
디퍼렌셜 기어와 파이널 기어 : 좌우 저항의 크기에 맞춰 회전을 분배한다
차동 제한 장치 : 디퍼렌셜 기어의 약점을 해결한다
축과 조인트 : 위치 관계가 변해도 축으로 회전을 전달할 수 있다
사륜구동 : 4WD의 매력은 험로 주파만이 아니다
풀타임 4WD : 앞바퀴와 뒷바퀴의 회전 속도 차이를 흡수한다
스탠바이 4WD : 자동으로 2WD에서 4WD로 전환된다
토막 상식 5 트로이달 CVT

Chapter 6 자동차를 멈추거나 방향을 바꾸는 메커니즘
제동력과 마찰력 : 마찰력의 반력으로 자동차를 감속시키다
풋 브레이크 : 페달에 실린 힘을 브레이크 본체에 전달한다
디스크 브레이크 : 원판이 마찰열을 발생시켜 속도를 줄인다
드럼 브레이크 : 원통의 안쪽을 마찰재로 눌러 속도를 줄인다
배력 장치 : 브레이크 페달을 밟는 힘을 보조한다
ABS : 마찰력의 한계를 넘지 않도록 제어한다
파킹 브레이크 : 갈고리를 걸어 브레이크의 작동 상태를 유지한다
원심력과 구심력 : 커브를 돌기 위해서는 원심력에 대응해야 한다
코너링 포스와 마찰력 : 타이어의 마찰과 변형이 구심력을 만들어낸다
조향 장치 : 타이어가 향하려 하는 방향을 바꾼다
파워 스티어링 시스템 : 유압이나 모터의 힘으로 핸들 조작을 보조한다
토막 상식 6 엔진 브레이크

Chapter 7 바퀴와 바퀴를 지탱하는 메커니즘
서스펜션 시스템 : 타이어의 접지를 확보해서 안정한 주행을 하다
자동차의 움직임 : 관성력이나 원심력이 자동차를 기울이는 힘으로 작용한다
스프링 : 동작 제어를 통해 서스펜션으로 활용하다
쇼크 업소버 : 오일이 작은 구멍을 통과할 때의 저항으로 진동을 흡수한다
차축 현가식 서스펜션 : 어떤 부분을 지탱하느냐에 따라 바퀴의 움직임이 달라진다
독립 현가식 서스펜션 : 사용하는 암의 수에 따라 서스펜션이 성능이 달라진다
타이어 : 부분별로 다른 성질의 고무를 사용한다
트레드 패턴 : 타이어와 노면 사이에 들어간 물을 홈을 이용해 원활히 배출한다
편평률 : 높이와 폭의 비율에 따라 타이어의 성격이 변한다
공기압 : 내부 공기의 압력이 변하면 타이어의 성능이 달라진다
휠 : 타이어에 확실히 회전을 전달한다
스프링 하중량 : 휠이나 타이어가 가벼울수록 주행이 경쾌해진다
토막 상식 7 펌핑 브레이크

Chapter 8 전기 자동차와 하이브리드 자동차
전기 자동차 : 엔진이 아닌 모터의 힘으로 주행한다
영구 자석형 동기 모터 : 교류가 만들어낸 자기장 안에서 영구 자석이 회전한다
회생 제동 : 버린 에너지를 회수해 낭비를 줄인다
2차 전지 전기 자동차 : 전지의 용량을 키울수록 항속 거리를 늘릴 수 있다
연료 전지 전기 자동차 : 수소와 산소로 전기를 만들어 주행한다
하이브리드 자동차 : 두 종류의 동력원을 이용해 주행한다
병렬식 하이브리드 : 회생 제동의 에너지를 이용해 모터로 엔진을 보조한다
동력 분기식 하이브리드 : 양쪽 동력원을 효율적으로 사용해 주행한다

참고 문헌
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