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신년기획 / 각양각색의 자동차 차체 0
등록자 허인학 기자 작성일자 2018-02-26 오후 2:13:27

 

자동차 속에 숨은 ‘言中有骨’

각양각색의 자동차 차체




엄청난 고가의 초화화 럭셔리 자동차부터 쉽게 고삐를 잡기 힘들 만큼의 강력한 성능을 뿜어내는 슈퍼카까지. 참 다양한 자동차가 존재한다.

그렇지만 이들의 시작은 한 군데에서부터 시작된다는 사실을 알고 있는가? 각종 고급 옵션 혹은 강력한 성능의 파워 트레인을 담아내기 위해서는 그에 어울리는 그릇이 필요하다.

이 모든 것을 담을 수 없다면 힘이 센 엔진이건 초호화 옵션이 무슨 소용이 있겠는가. 자동차에게 있어 ‘차체’는 완성차의 첫 단추이자 정성껏 준비한 각종 부품을 예쁘게 담아낼 수 있는 그릇이다.

우리의 이용하는 자동차의 뼈대인 차체는 우리가 생각했던 것보다 복잡하면서 다양한 비밀이 숨겨져 있다.


◆ 차의 뼈, 그것이 알고 싶다
인간의 몸을 이루고 있는 200여 개의 뼈. 그렇다면 자동차의 뼈 역할을 하는 것은 어떤 것일까? 바로 ‘프레임’이다. 프레임의 사전적 의미를 살펴보면, ‘섀시를 구성하는 자동차 엔진과 클러치, 변속기, 서스펜션, 액슬 조향장치 등 차체를 설치하는 부분으로 차체에서 전달되는 하중 및 전·후 차축의 반력 등을 지지하는 구조물’이라 설명되어 있다.



어찌 보면, 자동차라는 요리를 완성하기 전 각 재료를 한데 모을 수 있는 멋들어진 그릇이자 개발의 첫 단추인 셈이다.

여기서 잠깐. 각 자동차 제작사들은 신차를 개발하거나 출시하면서 “새로운 플랫폼 적용으로 인해 이전 모델 대비 넓어진 실내 공간을 만들었습니다”라는 말을 꽤나 자주 사용한다.



여기서 말하는 ‘플랫폼(Platform)’이란, 플로어 패널과 엔진, 변속기 등이 탑재되는 언더바디와 액슬을 포함한 서스펜션이 얹어진 구조물이다.

쉽게 말하면, 앞서 설명한 프레임이라는 그릇에 재료를 담은 것이라 생각하면 조금 쉽게 이해할 수 있다.



자동차의 뼈를 이야기하면서 ‘차체 강성’을 이야기하지 않을 수 없다. 차체 강성은 ‘비틀림 강성(Torsional Rigidity)’과 ‘굽힘 강성(Flexural Rigidity)’을 측정해 수치화시킨 일종의 자료다.

비틀림 강성은 정지해 있는 차체 양쪽에 하중을 주었을 때 구조가 변형되는 수치에 따른 결과를 말하고, 굽힘 강성은 차를 전·후 차축으로 받쳐 적당한 중량을 가한 다음 휨의 정도를 측정하는 것을 말한다.



차체 강성이 높다는 말은 차체가 견고하다는 뜻이다. 제작사들은 차체 강성을 높이기 위해 수많은 데이터 값을 산출해 차체에 사용되는 재질의 양을 달리하기도 한다.



보통의 강철보다 물체가 잡아당기는 힘에 잘 견디고 용접이 잘 되는 강철인 ‘고장력강’의 비중을 높이기도 하고, ‘초고장력강’을 대거 적용하기도 한다.

하지만, 이런 재질들은 무게 증가라는 단점이 있기 때문에 탄소섬유 소재를 더해 늘어난 무게를 줄이기도 한다.



제작사들이 이렇게 차체에 공을 들이는 이유는 의외로 간단하다. 자동차의 주행성능을 높이기 위한 하나의 방법이기 때문이다.

차체 강성이 높아지면 타이어의 접지력을 향상시킬 수 있고, 실내에서 느껴지는 내장재의 소음을 비롯해 외부에서 전달되는 진동도 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.
 




입맛 따라 취향 따라
자동차는 성격에 따라 적용되는 디자인이 달라지고, 엔진과 변속기, 서스펜션 등 거의 모든 것이 달라진다. 자동차의 뼈대 역시 다르다.

차가 사용되는 목적에 따라 쓰이는 프레임이 다르기 때문이다. 우선, 자동차의 뼈대는 크게 ‘모노코크(Monocoque)’ 방식과 ‘바디-온-프레임(Body-On-Frame)’ 방식으로 구분 지어진다.



우선, 바디-온-프레임 방식의 이야기부터. 이 방식은 자동차의 시작부터 함께 길을 걸어왔다.




1886년 칼 벤츠가 빚어낸 ‘페이턴트 모터바겐’과 포드의 ‘모델 T’ 등의 초창기 자동차를 살펴보면, 철제 프레임이나 리프 스프링 위에 엔진과 시트 등이 얹어진 모습이다.

이후 2차 세계대전 당시 미군의 전술용 차량을 개발하면서 다목적 차량의 섀시로 발전했다.



오랜 역사를 가진 바디-온-프레임은 형태에 따라 ‘스페이스 프레임’, ‘본 프레임’, ‘사다리형 프레임’ 등 다양하게 나눠지고 차종에 따라 서스펜션의 하중을 분산시키기 위해 서브 프레임을 추가로 설치하는 경우도 있다.

하지만, 기본적으로 차체에 가해지는 하중은 한 프레임이 담당하는 것이 일반적이다.
 
바디-온-프레임 방식은 바디와 섀시가 따로 분리되어 있어 모노코크 방식에 비해 설계와 정비 용이성이 높으며, 한 가지 프레임을 다양한 차종에 적용 가능한 장점을 가지고 있다.



그렇지만, 모든 하중과 충격이 프레임으로 전해지는 방식이기 때문에 높은 강도가 필수적이다.

일반적으로 높은 강도를 가지고 있는 프레임 덕분에 중량 한계점도 높은 편이며, 프레임 변형이 잘 일어나지 않는 장점도 가지고 있다. 반면, 높은 무게로 인한 효율성 저하라는 단점도 가지고 있다.

모노코크 방식은 바디와 프레임이 일체화된 구조를 말한다. 바디-온-프레임 방식에 비해 역사가 그리 오래되지는 않았지만, 현재 가장 널리 쓰이고 있는 방식 중 하나다.

사실 모노코크 방식은 항공기에 사용되던 섀시 기술로 1962년 탄생한 ‘로터스 25’라는 레이스카에 최초로 사용된 것이 특징이다.



모노코크 방식은 바디-온-프레임 방식 대비 차체의 무게를 현저하게 줄일 수 있는 장점과 앞과 뒤의 무게 밸런스를 맞추는데도 큰 장점을 가지고 있다.

또한, 노면에서 올라오는 충격을 분산시켜 승차감 확보에 유리하고, 충돌 에너지를 흡수하는 설계가 가능하기 때문에 안전 부문에서도 큰 이점을 가지고 있다.



여기에 차체 강성이 높아 코너를 돌아나가는 능력을 높이는데도 유리한 위치에 있는 방식이다.

이 밖에도 바닥을 지나는 별도의 프레임이 없기 때문에 실내 공간을 넓게 설계할 수 있고, 프레임과 바디의 생산 라인을 단일화 시킬 수 있어 개발비와 제작비용을 줄일 수 있다는 것 역시 장점으로 꼽힌다. 하지만, 모노코크가 가지고 있는 단점도 있다.



 
바디-온-프레임 방식에 비해 수식 하중을 견뎌내는 능력이 다소 부족하고, 하중이 차체 한 곳으로 집중되는 경우 차체가 변형될 가능성이 높다는 한계점을 가지고 있다.
 
이러한 이유로 작은 변형에도 차체 전체의 문제를 유발 시켜 주행 성능에 영향을 줄 수 있는 단점을 가지고 있다.

한편, 고성능 스포츠카의 경우에는 욕조 모양을 닮았다고 이름 붙여진 ‘터브 타입(Bathtub)’을 사용하기도 한다. 이는 보디-온-프레임 방식에서 발전된 것으로, 터브 차체에 엔진과 서스펜션을 장착할 수 있는 서브 프레임을 더하는 구조다.




이와 같은 구조를 사용하는 대표적인 브랜드는 ‘맥라렌’이다. 최근 출시된 720S의 경우에는 ‘카본 파이버 모노케이지Ⅱ(Carbon Fiber MonocageⅡ)’라 불리는 터브 타입 섀시를 적용해 메탈 콕핏을 사용한 카본 모노코크 대비 가벼울 뿐만 아니라, 무게중심을 낮춰 다이내믹한 성능을 이끌어 낸 것이 특징이다.

사실 모든 방식에는 장·단점이 존재하고 있다. 그렇기 때문에 자동차의 성격과 쓰임새에 따라 적용하는 방식이 다른 것이다.

강성과 무게라는 숙제
바디-온-프레임과 모노코크는 분명 장점을 가지고 있는 차체 구조다. 하지만, 두 방식 모두 해결해야 할 숙제가 남아있다.

바디-온-프레임의 경우에는 높은 강성을 가지고 있지만 무게가 높기 때문이다. 높은 무게로 인해 효율성 저하는 물론, 동력성능에게도 영향을 미치고 있다.




현재 탄소섬유(카본)을 적용하는 방식을 연구 중에 있는 것으로 알려져 있지만, 상용화는 아직 미지수인 상태이다.

또한, 모노코크 대비 안전성을 높인 구조를 만들기 까다롭기 때문에 충돌 안전성에 대한 숙제도 풀어야 할 것이다.

모노코크 역시 과제를 안고 있는 상황이다. 바디-온-프레임 방식 대비 가벼운 무게와 넓은 공간을 만들어내기에는 유리한 위치에 있지만, 차체 강성 부분은 약한 것이 사실이다.

특히, 모노코크 방식을 사용한 SUV들이 증가하고 있는 추세에서 강성을 높이는 문제가 가장 시급할 것으로 예상된다. 최근 알루미늄 등 다양한 소재를 추가하고 있는 상황이지만, 제작비용이 높아진다는 문제점을 안고 있는 실정이다.

그렇기 때문에 새로운 소재가 모노코크 방식의 발전 열쇠를 쥐고 있는 셈이다. 또한, 순수 전기차에 대한 대응도 필요할 것으로 예상된다.

효율성을 높이기 위해서 무게도 줄여야 하며, 동시에 차체 강성도 높여야 한다. 여기에 큰 배터리를 저장할 공간도 필요하기 때문에 여러 부분을 고민해 봐야 하지 않을까 싶다.

유행처럼 번지는 플랫폼 모듈화
최근 자동차 산업에서 유행처럼 번지고 있는 것이 하나 있다. 바로 ‘플랫폼의 공유’다. 이 말은 차의 기본이 되는 플랫폼을 다양한 차종에 적용시킨다는 말로 해석할 수 있다.

이런 방법은 플랫폼 공유를 넘어서 생산 방식까지 통일화되기 때문에 개발 투자비용과 공장 운영비용을 현저하게 낮추면서도 계속해서 변화를 맞이하고 있는 시장 상황을 대처할 수 있는 방법이라는 게 자동차 업계의 설명이다.



플랫폼 모듈화를 유행시킨 브랜드는 ‘폭스바겐’이다. 2012년 업계 최초로 선보인 ‘MQB(Modular Transverse Matrix) 플랫폼은 티구안을 포함해 투아렉, 파사트 등은 물론 폭스바겐 산하 브랜드의 다양한 차종에 쓰이고 있다.

막대한 개발비가 발생한 것은 사실이지만, 오는 2019년까지 약 19조 8,000억 원까지 생산 비용을 절감할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

폭스바겐 외에도 토요타의 새로운 글로벌 아키텍처를 뜻하는 ‘TNGA(Toyota New Global Architecture)’와 르노-닛산 얼라이언스의 ‘커먼 모듈 패밀리’ 등이 있다.
 
현대자동차의 경우에도 아이오닉 전용 플랫폼을 개발해 하이브리드는 물론 플러그인 하이브리드, 순수 전기차 등 친환경차 개발에 사용하고 있다.



자동차 산업은 참으로 빠르게 변화를 맞이하고 있다. 바디-온-프레임 같은 전통성 있는 방식을 이어 내려오면서 상황에 맞는 새로운 구조를 개발하고 있다.

플랫폼 모듈화를 비롯해 심지어는 엔진의 모듈화도 이뤄지고 있다. 자동차를 만드는 방식이 계속적으로 발전하고 있는 것이다.

생산 효율성을 극대화시킨 방식을 통해 비용은 절감되고 보다 빠른 속도로 자동차를 만들어 낼 수 있을 것이다. 각 부분에서 새로운 개발이 거듭될수록 더욱 안전하고 편안한 차가 우리 앞에 나타날 날을 기대해본다.

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