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[자동차 이야기(68)] 자동차의 경량화 기술-구조 최적화와 제조공법 개선 통한 부품 경량화

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자동차의 경량화는 오랜 기간 동안 지속되어 온 화두이다. 연비에 대한 규제 강화 추세와는 반대로, 자동차 소비자들의 안전과 편의사양에 대한 요구가 높아지면서 자동차의 무게는 지속적으로 증가하여 왔으며, 내연기관인 가솔린 및 디젤엔진의 성능 개선에도 불구하고 실질적인 연비 개선으로 이어지지 못했다. 자동차의 경량화가 한층 중요해지고 있는 데, 가장 큰 요인은 유럽과 미국을 중심으로 한 선진 각국의 연비에 대한 규제와 배기가스 및 온실가스 규제가 단계적으로 강화되고 있기 때문이다. 특히 미국에서의 연비 규제는 2025년까지 리터당 23.2 km(갤런당 54.5 마일)으로까지 개선해야 하고, 기준치에 미달할 경우에는 벌금을 전체 판매차량에 부과하기로 되어 있다. 미국 환경보호국(EPA) 자료에 의하면, 미국 내의 에너지 총 소비 중에서 약 30%가 운송교통이 차지하고 있으며, 이중 80%가 승용차, 상용차 등을 포함한 자동차에 기인한다고 한다. 에너지 소비 중 높은 비중을 차지하는 자동차의 연비 개선은 중요한 과제이지만 자동차의 에너지 소비 중 실제 운행에 이용되는 비율(에너지 효율)은 약 15% 내외에 불과하다. 유감스럽게도 자동차 에너지 소비의 약 85% 정도는 열이나 마찰의 형태로 소비된다. 따라서 유럽과 미국을 중심으로 한 주요 국가는 연비, 온실가스(CO2 포함), 연료소비 등 형태만 다소 다를 뿐 자동차의 에너지 효율에 대한 규제를 강화하고 있는 상황인 것이다.


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국내 판매중인 자동차의 온실가스 배출량. 자료=산업통상자원부

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주요국 자동차 연비 규재기준. 자료=산업통상자원부

◇ 연비의 개선기술

에너지 효율 향상을 위하여 자동차 회사들이 추구하는 연비 개선기술로는 크게 4가지로 분류할 수 있다. 엔진/구동계(파워트레인) 개선, 공기저항감소(Aero dynamic) 디자인, 자동차 무게의 경량화, 대체에너지 구동 기술들이다. 첫째, 엔진과 동력전달을 위한 구동시스템의 개선은 높은 연비 개선효과에도 불구하고 상당부분 완성된 기술로 추가적인 기술 개발에 한계가 있다. 또한 많은 투자비용과 투자기간, 교체비용이 들어간다. 이에 엔진과 변속기 등을 포함하는 파워트레인(power train) 생산 주기는 투자 회수기간이 길어 일반적인 모델 생산주기(5년)의 두 배 정도인 8-10년이 소요된다. 엔진의 다운사이징, 변속기 다단화와 더블클러치변속기(DCT) 등으로 인한 기술의 진보가 있었고 개선 효과도 크지만, 빠른 규제 강화에 충분한 대응 수단으로는 한계에 도달하였다고 본다. 둘째, 공기저항감소 디자인은 차량의 디자인 단계에서부터 공기저항을 최소화해 연료의 효율성을 높이는 기술이다. 다른 연비개선기술에 비해 비용은 적게 들어가나, 획기적인 연비개선을 위해서는 유선형 형태의 일괄적인 디자인을 적용해야 한다. 따라서 수요와 기능을 고려하지 않은 일관된 디자인으로 소비자와 제품의 다양성을 충족하기에 어려움이 존재해 최근 소비 트렌드에는 적합하지 않다. 셋째, 대체에너지 구동기술을 적용한 전기자동차, 수소연료전지 전기자동차, 하이브리드자동차를 들 수 있다. 배기가스 저감에 가장 높은 개선 효과가 있는 이 기술은 단기적으로 적용 확대가 쉽지 않다는 단점이 있다. 현재 기술을 감안할 때 높은 적용 비용과 인프라 구축 비용이 필요하다. 넷째, 차량 경량화는 적용 주기가 짧고 다양한 경량화 방법을 통해 개선할 수 있다. 주기가 4년~5년인 완전 신모델 체인지(Full Model Change)나 상품성 개선을 통한 연식(Model year)의 변경을 통하여 다양한 경량화 요소기술을 반영할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 자동차 중량은 연비 효율을 결정짓는 핵심 요소로써, 경량화 기술로 연료소비 및 배기가스 배출 감소와 더불어 주행저항 감소, 제동성능, 조종 안정성 향상 등 지동차 전반적인 성능을 부가적으로 향상이 가능하다.

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1,500Kg 승용차 기준, 10% 경량화에 따른 효과. 자료=현대자동차


선진 완성차 업체는 국제 환경 규제 및 연비 규제 대응의 일환으로 고효율 자동차 산업 육성에 총력을 집중하여 왔으며, 자동차 경량화 기술과 대체에너지 구동기술이 가장 현실적 대안으로 지속적으로 발전할 것으로 본다. 특히 자동차 경량화를 실현하는 방법에는 크게 3가지 방법이 있다. ⓵ 기존 부품의 구조를 최적화하여 경량화 하는 방법 ⓶ 성형 및 가공기술과 같은 제조공법을 통한 경량화하는 방법 ⓷ 기존 소재보다 가벼운 소재로 변경하는 방법으로 구분할 수 있다.


◇ 부품 구조 최적화를 통한 경량화

구조의 경량화는 최적화된 구조를 구현해 소재의 사용을 최소화하는 방법으로 가장 소극적인 경량화 방법이다. 기존의 소재와 공법의 변화 없이 요구 강도에 맞는 최적화된 구조를 구현하여 소재의 사용을 최소화하는 방법이기 때문이다. 따라서 기존 역량을 최대한 활용하여 경량화 효과를 낼 수 있으며, 검증된 기존 소재를 활용해 개발시간과 비용을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 반면, 기존 기술의 성숙도로 인해 혁신적인 설계 아이디어의 발굴이 제한적이고, 적용하고자 하는 범위가 한정적이라는 단점이 있다. 대부분의 선진 업체들은 경량화 및 원가절감을 목적으로 소재를 최소화하기 위한 설계 기술을 완성하였다. 세부적인 경량화 방법은 두께를 얇게 만드는 방법과 부품 구조의 내부를 비우는 방법인 중공화(中空化)이다. 소재의 강도를 높이고 부품의 두께를 얇게 만드는 방법으로는 부품 및 공정 수가 축소되어 가공 비용이 감소한다는 장점이 있고, 설계의 자유도가 높아 제작에 용이하다. 또한 중공화 방법으로는 부품 구조의 내부를 비우는 방법이다. 추진축과 구동축, 스테빌라이저와 같은 긴 막대 형태의 부품에 적용이 용이하고, 기존 부품대비 15~30%의 경량화가 가능하기도 하다.

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구조 최적화를 통한 경량화된 모노코크차체와 프레임. 자료=재규어

◇ 제조공법 개선을 통한 경량화

제조공법의 경량화는 기존 소재를 보다 정교하게 가공하여 소재 사용량을 줄일 수 있는 방법이다. 자동차에 많이 사용되는 철강재의 성형 및 가공법을 변경하는 것이다. 핵심은 용접을 최소화하면서도 설계의 다양성을 높이고 강도를 높일 수 있는 방법을 적용하는 것이다. 철은 인장강도가 1,000 MPa 이상이 되는 경우 가공성이 10% 내외로 저하되어 기존과 같은 프레스 성형법으로 가공하여 활용하기 어렵다. 차량 경량화와 관련한 성형 기술로는 먼저 하이드로포밍이 있다. 기존 프레스 부품을 용접 접합하는 방식 대신 폐단면 튜브 또는 판재에 수압을 가하여 형상을 구현하는 방식이다. 다수의 프레스 부품을 일체형 단일 부품으로 대체(부품수 60% 감소)함으로써 원가절감과 경량화 효과(10% 내외)를 기대할 수 있다. 적용 가능 부품으로는 엔진크래들, 샤시프레임, 프론트 사이드 멤버 등이다.

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경량화 제조기술인 하이드로포밍. 자료=엠에스오토텍


TWB(Tailor Welded Blanks)는 서로 다른 재질 및 두께의 판재를 재단하여 용접하여 일체화하는 방식이다. 이전에는 충분한 강도를 확보하기 위해서 하나의 부품에 들어가는 강판의 강도나 두께가 모두 일정한 것을 사용하였지만 충분한 강도가 필요하지 않은 부분에는 무겁고 값비싼 소재를 사용할 필요가 없는 기술이다. 부분적인 고강도화 및 경량화가 가능하고 생산 공정 수를 감소시키기 때문에 미국과 유럽 완성차에 적용되었던 기술이다.

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경량화 제조기술인 TWB. 자료=Tailor Welded Blanks


핫 스탬핑(Hot Stamping)은 보론을 첨가한 소재를 고온(900~950℃) 가열한 상태에서 프레스 성형을 한 후 금형 내에서 급냉시키는 방식이다. 최종 강도가 성형 전 대비 3배 가량 높은 1,500MPa에 이르러 얇은 두께로도 높은 강도를 얻을 수 있다. 따라서 차체의 기존 보강재를 최소화시켜 원가절감 효과와 10`~15% 가량의 경량화 효과를 기대할 수 있다. 핫 스탬핑은 성형 과정에서 가열을 수반하기 때문에 산화 방지를위한 Al-Si 코팅이 필요하다.

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핫 스탬핑 공정의 개요

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핫 스탬핑 적용 부품. 자료=아우디


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한상욱 신한대 교수

이상과 같이 부품 구조 최적화를 통한 경량화, 제조 공법 개선을 통한 경량화를 설명드렸지만 자동차 안전규제 강화 및 편의성에 대한 요구 증가에 따라 자동차의 무게가 오히려 증가하고 있음을 고려한다면 추가적인 경량화 방법이 뒷받침될 필요가 있다. 그 가운데 획기적인 효과를 기대할 수 있는 방법은 자동차 차체 및 부품의 소재를 변경하는 것이다. 소재를 변경하는 방법은 다른 방법들에 비해 무게 절감 효과가 가장 크지만 재료비 상승으로 인해 원가 측면에서 불리한 단점이 있다. 자동차 부품 소재를 변경하는 방법과 사례에 대해서는 다음 호에서 설명드리기로 한다.


한상욱 신한대 기계자동차융합공학과 교수

한상욱 신한대 기계자동차융합공학과 교수

멕시코