자동차 차체설계 - 3

3) 경량화

 

 차량의 경량화는 가속성능, 최고 속도, 연비 차원에서 주목되고 있으며 현재는 환경문제와 연비를 관계지어 해석하여 경량화도 의무화되는 추세이다. 1966년 미국 의회에서 자동차 안전에 대한 법률이 제정되고 대응책으로 차체를 보강하고 부품을 추가하였다. 이후 1970년대에 배출가스와 소음 규제가 추가되어 관련 기기의 추가로 중량이 증가되는 추세를 보였다. 1973년 석유 위기 이래 에너지 절약 이슈가 경량화에 주목하게 만들었다. 75년, 에너지 정책과 보존법이 제정되고, 연비 향상과 자원절약이라는 목적을 달성하기 위해 경량화가 대두되었다. 실제 전통차량 중량에서 차체의 중량은 50%정도이며, 차체의 경량화가 차량의 중량 절감에 직접적으로 영향을 미치고, PT 등 샤시에 미치는 영향도 커졌다.

 

1. 계획단계에서의 경량화

 차량뿐만 아니라 모든 운송수단을 설계하는 데 있어 계획단계의 경량화는 중요하다. 계획단계는 말그대로 차량의 형상, 장비배치, 구조 배치 등의 개략적인 선행 설계의 성격이 강하며 그 과정에서의 경량화도 의미있게 다루어져야할 것이다.

 

- 형상에 의한 경량화

차량의 디자인은 상품성과 감성 즉, 차량의 매력을 담당하지만 마냥 디자인을 아름답고 독특하게 할 수 없는 것이 외판이 차체 중량의 약 20%를 차지하고 있기 때문이다. 형상을 개선하는 것은 판 두께, 재질을 개선하는 것이 일반적인 프로세스이다.(한국어로는 형상이라 번역되어 외관으로 받아들일 수 있으나, dimension 즉 외판의 두께, 재질, 모양 등을 결정하는 것임.) 일반적으로는 인장강성, 내덴트(dent)성 내식성 등으로 형상이 결정되며, 인장강도가 주요한 결정 인자이다.

 

- 레이아웃에 의한 경량화

차량 레이아웃은 차량의 목적, 산업 분위기, 고객 요구사항 등에 따라 결정되기 때문에 불가항한 요소이기도하다. 현재 프레임리스 구조가 일반적으로 사용되기 때문에, 엔진/배터리 등 PT의 배치, 서스펜션, 견인, 트레일링 후크 등 하중이 큰 부품의 장착 위치와 방법에 따라 해석에 사용되는 하중이 다르며 결정되는 차체 구조 형상이 변화될 수 있다. 

 

- 구조해석에 의한 경량화

 차체의 특성은 기본 골격구조의 정적, 동적인 강도분포와 하중분포에 따라 결정된다. 차체의 강도, 강성, 진동, 소음성능의 해석은 컴퓨터 기술의 진보에 따라 유한요소 해석법으로 차량 개발 초기 단계에 구조 최적화가 가능해졌다. 추가로 후륜 들어올림에 의한 쿼터판넬의 버클링, 프론트 휠에 의한 카 쉐이크, 고속 공명음 등의 진동소음문제도 유한요소해석으로 중량 최적화가 가능하다.

 

 

2. 재료에 의한 경량화

 차량 전체 라이프 사이클을 고려하여 재료는 디자인되는 차량에서 사용되는 것 뿐 아니라 재사용까지 고려되어 채택되고 있다. 통상 고장력 강판, 알루미늄, 수지, 일반강 등이 사용된다.

 

- 고장력 강판

고장력판 HT(high-tensile steel)은 약 340~790정도의 인장강도를 가지며, 일반강의 1.5배정도의 강도를 가지고 있다. 즉, 큰 소성강도와 변형에너지를 필요로하는 부품에 사용하면 박판화하여 중량 절감이 가능하다. 충격강도가 필요한 범퍼, 충돌 시 변형 에너지 (인성) 흡수가 중요한 도어 가드 바 등에 사용되고 있다. 일반강에 비해 인장강도는 높으나 연신률이 절반정도로 가공성이 떨어져 단순한 프레스 가공밖에 할수 없고 용접성도 일반강에 비해 떨어진다.

 

- 알루미늄

 알루미늄은 비중이 2.7(일반강의 1/3)으로 저중량, 내식성, 열전도성 등이 우수하고, 탄성계수가 작기 때문에 스크랩(scrap : 강재 절단 후 남는 부속)의 재사용이 용이하여 자원, 에너지 절약 차원에서도 주목을 받고 있는 재료이다. 다만, 탄성계수가 일반 강의 1/3정도로 강성 면에서 주의를 해야한다. 동시에 드로 성형성이 나쁘고 스크래치가 생기기 쉬우며, 조립 간 스폿 용접이 까다로워 용접 조건 관리가 필요하다. 차체를 위한 알루미늄 합금판에 다양한 종류가 있고, 물성을 검토하여 적절한 재료로 경량화를 해야할 것이다.

 

- 수지

 경량, 내식성, 형상의 자유도, 제조 용이 등의 장점을 가지며 각 차체에 맞는 재료들이 개발되고 있어 점차 주목받고 있는 재료이다. 

 

 

 

 

 

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