차량 경량화 기술

차량의 경량화는 차량 산업에서 요구하는 환경규제에 대응하고 연비를 확보하고 주행 성능을 개선한다는 측면 등에서 자동차 산업에서 꾸준히 추진해 나가야 할 과제 중 하나이다. 차량의 경량화 기술은 크게 구조 설계, 신공법의 적용, 신소개 개발의 세 가지 방향으로 발전하고 있다.

 

 

 

구조설계를 통한 경량화

구조설계를 통한 경량화는 기존 기술을 최대한 활용하고 개선하면서 차량의 무게를 줄이는 방법이다.

- 튜브 구조 : 차체의 일부를 튜브형태로 설계하여 강도는 유지하며 무게를 줄임

- 최적 용접 설계 : 용접 부위를 최적화하여 불필요한 중량 증가를 방지

- Space Frames : 차체를 프레임 구조로 설계하여 강성을 유지하며 무게를 줄임

 

구조설계를 통한 경량화는 설계단계에서의 경량화가 가능하므로 개발 시간과 원가 상승을 최소화할 수 있으나, 혁신적인 설계 변경에는 한계가 있다.

 

 

 

신공법을 통한 경량화

신공법을 통한 경량화는 기존 소재를 보다 정교하게 가공하고 제작하여 소재의 사용량을 줄여 경량화를 하는 방식이다.

- 핫 스탬핑 (Hot Stamping) : 금속의 소재를 고온 (900 ~ 950'C)에서 프레스 성형한 후 급랭시켜 가볍고 강한 부품을 제조하는 방식

- 하이드로포밍 (Hydroforming) : 유체의 압력을 이용해 금속을 성형하는 기술

- 맞춤형 블랭킹 (TWB, Tailor Welded Blank) : 두께나 강도가 다른 판재를 용접하여 한 장의 블랭크로 만드는 기술

 

신공법을 통해 재료를 가공하면 기 소재보다 우수한 강도와 강성을 확보할 수 있고, 용접과 같은 제조 과정에서 소요되는 공수도 절감할 수 있다.

 

 

 

신소재 개발을 통한 경량화

신소재 개발은 경량화 기술의 핵심으로 금속과 비금속 소재 모두에서 활발히 연구되고 있다. 동일 강도, 강성을 갖는 소재인데 작은 질량을 가진다면 가격적인 측면을 제외하고는 가벼운 중량의 소재를 사용할 것이다.

 

금속 소재

- 알루미늄 : steel 대비 35%의 비중으로 40% 수준의 경량화가 가능. 트랜스미션, 열 교환기, 실린더 헤드/블록 등에 활용됨

- 마그네슘 : 알루미늄대비 33% 가벼운 금속으로, 헤드 커버, 스티어링 컬럼, 휠 등에 적용됨

- 고강도강/초고강도강 : High Tensile Steel로 업계에서 하이-텐이라고 부르며 기존 강에서 기계적 성질을 향상해 높은 강도를 갖게 한 소재

 

비금속 소재

- 탐소섬유강화플라스틱 (CFRP) : 철보다 10배 높은 인장강도와 1/2 수준의 무게로 경량화에 매우 유리, 고가차량의 후드, 스포일러 등에 적용

- 엔지니어링 플라스틱 : 실린더 헤드 커버, 흡기 매니폴드, 범퍼 등에 적용되며 가볍고 부식되지 않는 특징이 있음

 

 

 

경량화 기술의 효과

차량마다 상이하긴 하지만 통상 차량의 무게를 10% 줄일 경우 다음과 같은 효과가 있다고 한다.

- 연비 3.8% 향상

- 가속 성능 8% 증가

- 제동 거리 5% 감소

- 배기가스 배출량 2.5 ~ 8.8% 감소

- 차체 내구 수명 1.7배 증가

 

 

위와 같이 경량화 기술은 내연기관차 뿐 아니라 전기, 수소차 등 모든 차량 분야에서 필수적으로 연구되고 개발되어야 하는 요소로 자리 잡았으며 앞으로도 지속적인 연구와 개발이 이루어질 것으로 예상된다.