[알기쉬운 자동차] 자동차 소재 part 1

안녕하세요.
오늘은 자동차에 적용되는 소재의 변화에 대해 이야기해보려고 합니다.
초안을 적었다가, 양이 너무 많아서 2번에 나눠 올리도록 하겠습니다.

대부분의 사람들이 자동차는 철로 만들어졌다고 생각하지만 과거부터 현재에 이르기까지 자동차에 사용되는 소재는 많은 변화가 있었습니다.

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스틸

먼저 가장 많이 쓰이는 철입니다.

스틸의 변화는 크게 두가지로 나눌수 있습니다.
구조적인 변화와 부품별 적용 소재의 변화로 나눠서 설명해볼게요.

우선 <구조의 변화> 입니다.
차체는 프레임 바디와 모노코크 바디가 있습니다.
자세하게는 몰라도 프레임 바디는 단단하다, 요즘 완성차들은 원가절감때문에 모노코크바디를 적용한다 등등 간접적으로 많이 들어보셨을거예요.
어느정도 맞으면서 틀린말입니다.
엔지니어로서 개발하면서 느끼는점이 "완벽한 기술은 없다" 입니다. 모든 기술이 장단점이 있고, 현 시점에서 가장 완벽해도 1~2년만 지나면 단점이 있는 과거 기술이 되어 버리는거죠.

프레임 바디와 모노코크 바디에 대해 설명해보면 사람의 몸, 건축물이 기본 뼈대가 있듯이 자동차도 바디라는 뼈대가 있습니다. 이 바디 위에 엔진, 변속기, 내장부품 등등 온갖 부품들이 얹어져서 완성된 자동차가 되는거죠. 이 바디를 생산하는 공법이 프레임바디와 모노코크바디로 나누어지게 됩니다.
프레임 바디는 사다리꼴 골격에 엔진, 변속기, 타이어를 얹고 그 위에 차체(외형)을 올리는 방식입니다. 쉽게 말해서 마차의 바닥을 만들고 그 위에 사람들이 타는 공간을 얹어놓는 거죠
모노코크 바디는 차체와 바디가 하나로 되어있는 구조 입니다. 마차로 설명하면 사람이 타는곳과 바닥부(바퀴 구동부)의 구분없이 한덩어리로 되어있는거죠. (자세한건 아래 사진을 참고하세요)

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<프레임 바디와 모노코크 바디의 장단점 비교>

<프레임 바디>

장점

• 견고함과 높은 강성
• 외부 충격 및 노면의 진동에 대해 내구성이 우수함
• 트럭, SUV에 많이 적용됨
• 사고시 프레임의 높은 강성으로 인해 데미지가 적다(차대차 충돌시!!)

단점

• 차량무게가 무거워져 연비 불리함
• 제조 비용의 상승 → 차량 가격 상승

<모노코크 바디>

장점

• 프레임과 차체가 하나로 되어 있어서 제조라인 축소 → 차량 가격 감소
• 제조 용이함 → 대량 생산 가능
• 경량화로 인해 연비 우수 (연비에 영향인자중 중량절감이 가장 효과적)

단점

• 사고시 차량 전체에서 충격을 흡수하므로 차체 전체가 변형 발생
• 전체 강성 확보 어려움
• 강한 노면으로 부터 전해지는 충격으로 서스펜션이나 차체 하부가 찌그러지기도 함
• 미묘한 차체의 변형으로 인해 레이더, 카메라, 센서등의 오작동도 발생함.

이러한 장단점중에 현재 자동차시장이 직면한 연비경쟁으로 인해 모노코크 구조를 많이 적용하고 있고 대부분의 차량들이 모노코크 바디로 생산하고 있습니다.

다음으로 설명 드릴 내용은 차체의 영역마다 다르게 적용되는 스틸에 대해 설명하려고 합니다.
20년전의 자동차와 현재의 자동차 광고를 비교해보면 차이점이 하나 있습니다.
과거에는 제로백, 마력, 토크등을 주된 퍼포먼스로 강조했다면
현재에는 안전성능, 에어백, 센서, 자율주행모드를 강조하고 있습니다. 그만큼 안전에 대해 강조하고 있죠.

그래서 제조사들은 충돌성능 향상을 위해 부품별 소재를 다르게 적용하고 있습니다.
자동차의 구조는 크럼프존과 세이프존으로 나눌수 있습니다. 크럼프존은 충돌시 변형을 통해 에너지를 흡수하는 구간이고, 세이프존은 승객이 거주하는 공간으로 사고후에도 최소한의 변형만 허요하는 구간 입니다.
하나의 철판으로 만들어진 차체를 어떤부분은 잘 찌그러지고, 어떤 부분은 안찌그러지게 하는건 사실상 설계적으로 어려운과제입니다. 그래서 구간별로 소재의 성분비를 다르게 하거나, 아예 다른 소재를 사용하여 대응하고 있죠.

사진을 보면 영역별로 다른 소재를 사용한걸 확인 할 수 있습니다.

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마그네슘

다음으로 소개드릴 소재는 <마그네슘>입니다.
마그네슘 합금은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3, 철강의 1/5 수준으로 현재까지 개발된 합금 중 가장 낮은 밀도를 가지고 있고 강성, 충격흡수 등 여러가지 장점에도 불구하고 자동차분야에서는 잘 사용하지 않습니다.
왜냐하면 마그네슘은 가공이 어렵기 때문입니다. 자동차의 자체는 여러개의 판을 만들어 용접을 통해 하나의 덩어리를 만들게 됩니다. 하지만 마그네슘합금의 특성으로 인해 용접이 어려운데요.
좀 더 자세히 설명하면 마그네슘 용접의 경우 대부분의 마그네슘 합금은 낮은 입열량과 빠른 속도로 용접되어질 수 있습니다. 그러나 낮은 기화점(약 1,100℃)으로 인해 용접 시 다량의 스패터 발생할 뿐만 아니라, 용접 후 변형이 심하며, 열영향부 연화로 인해 강도의 급격한 저하되는 현상이 나타납니다. 또한 낮은 기화점 및 산소와의 빠른 친화력, 금속간 화합물 생성 등과 같이 용접에 제약을 주는 인자들이 많기 때문에 경량화 재료로 각광 받는 소재임에도 불구하고 용접 문제로 인해 적용이 매우 어려움에 있다.
과거에도 마그네슘을 적용한 차량이 있는데 잠깐 언급하고 가겠습니다.

1935년 파리 살롱에 출품된 부가티 타입 57SC 애틀랜틱은 경량화를 위해 마그네슘 합금을 사용했습니다. 근데 지금도 용접이 안되는데, 저땐 어떻게 했을까요?
정답은 자동차 가운데 볼록 튀어나온 지느러미같은 형상에 있습니다.
엔지니어들은 마그네슘합금이 열에 약하다는걸 알고 있었고 용접이 아닌 리벳으로 결합하는 방식을 적용하게 된거죠. 오른쪽은 차체를 왼쪽의 차체에걸어서 조립을 한거죠.
초기 디자인은 알수 없지만, 소재로 인해 디자인이 바뀐 사례라고 볼 수 있겠네요.

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고장력 강판(AHSS)

최근 몇년 전부터 제조사들이 많이 부각하는 소재 입니다. 기존스틸을 고온 고압에서 한번 더 가공을 한 철판이라고 생각하면 됩니다. 하지만 <초고장력 강판>에 대한 명확한 규격은 아직 없습니다. 세계자동차철강협회에서는 고장력 강판을 HSS, 초고장력강판을 AHSS라고 정의만 하고 있습니다.

현대자동차에서 말하는 초고장력 강판은 60kg/㎟, 도요타는 99kg/㎟이상의 강판부터 초고장력강판으로 표기하고 있습니다. 현대차에서는 아이오닉 하이브리드 모델에 53% 초고장력 강판적용, 도요타는 19% 적용했다고 발표하고 있고 EQ900는 51%, BMW 7시리즈는 27%등 제조사마다 적용비율 및 초고장력강판에 대한 기준은 다른걸 알 수 있습니다. 이러한 초고장력 강판의 적용으로 자동차 외판의 두께가 채 1mm도 안되지만 충분한 강성을 확보할 수 있게되었죠. 그래서 제조사들은 충돌에 대한 법규 만족, 연비 효과, 주행성능(Roll, Pitch, Yaw)향상을 위해 적용하고 있습니다.

그래프를 보시면 미국내 초고장력 강판 시장의 볼륨이 점점 커지는걸 알 수있습니다. 국가별 연비규제로 인해 제조사들은 어쩔수 없이 초고장력강판의 적용율을 높이는 걸 알수 있습니다.

하지만 너무 얇은 강판의 두께로 인해 디자인 제약도 발생하게 됩니다. 형상의 변형량이 너무 크거나, 벤딩 각도가 커지게 되면 강판이 찢어지는 문제도 발생하며, 또한 가공경화, 시효경화, 내부응력등 형상에 따른 예상치 못한 문제도 발생하게 됩니다.

그리고 차체의 가격도 상승하여 차량별 공용화를 통해 원가 절감을 하고 있지만, 공용화가 말처럼 쉽게 되는건 아닌것 같습니다.

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오늘은 여기까지 설명하겠습니다.

다음 포스팅때, 플라스틱, CFRP, 알루미늄 및 이러한 소재의 변화가 가속화 되는 이유가 대해 설명하도록 하겠습니다.

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