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Spotlight / 전기차를 쉽고 가볍게 알아보자 ④ 0
등록자 CARLNC 작성일자 2020-10-27 오후 12:19:19


전기차를 ‘지탱하는 다리’바퀴 파헤치기

일반차 바퀴와 전기차 바퀴는 무엇이 다를까?




전 세계적으로 자동차 시장에 친환경 바람이 불고 있다.

이에 자동차의 파워트레인은 기존 내연기관에서 전기모터로 변화했고, 연료도 기존 가솔린·디젤에서 수소연료전지나 전력 등 친환경적인 방향으로 움직이고 있다.

이에 질세라 자동차의 거동을 책임지는 주요 부품인 바퀴도 트렌드에 발맞춰 변화를 시도하고 있다.

사람이 신발을 신는 것처럼 자동차도 타이어라는 신발을 신는다.



사람이 걸을 때 뇌에서 신호를 보내 척추 신경을 거쳐 다리가 움직이듯, 자동차의 파워트레인과 첨단 기술은 타이어를 통해 그 진가를 발휘한다.

자동차와 도로의 유일한 접점인 바퀴는 많은 부품으로 이루어진 차체를 지지하고, 지면과 마찰하며 운전자가 안정적으로 차를 거동할 수 있도록 돕는다.

타이어는 크게 크기와 재질, 트레드의 형상에 따라 차량과 성능, 용도가 바뀌며 승차감과 연비 등 자동차 성능에 많은 영향을 미친다.

타이어는 트레드, 숄더, 사이드 월, 비드, 카카스, 벨트, 이너라이너 등의 요소가 유기적으로 적용돼 만들어진다.

먼저 노면에 직접 접촉하는 부분인 트레드는 타이어의 역할 중 상당 부분을 차지한다.



트레드는 타이어마다 고유의 독특한 무늬들이 음각돼 있는데, 이는 단순히 디자인적인 부분만 담당하는 것이 아니라 각각 기술적인 의미가 들어있다.

트레드를 살펴보면 세로로 3~4개의 선이 음각으로 굵직하게 새겨져 있는 것을 볼 수 있는데, 이를 메인 그루브라고 한다.

메인 그루브는 약 10mm~16mm 정도의 폭과 깊이로 새겨져 타이어 접지면에 닿는 물을 배출해준다.

가로 방향으로 새겨진 상대적으로 얕은 그루브도 배수의 역할을 일정부분 수행한다. 하지만 주 역할은 접지력 향상과 눈이 왔을 때 미끄러지지 않게 도와주는 것이다.

그루브 주변의 0.6~0.8mm 정도로 새겨진 얇은 음각들은 사이프 혹은 커프라고 불린다.



이 얇은 홈들은 메인 그루브들 사이에 있는 블록들의 강성을 분산 시켜 소음을 줄여주고 승차감을 향상시켜 준다.

눈길에서도 추가적인 그립력을 제공해준다.

재질은 무거운 차체를 지탱하고 내부의 카카스와 벨트 층을 보호할 수 있도록 내마모성이 뛰어난 두꺼운 고무 층으로 돼 있다.

트레드 가장자리 부분을 뜻하는 숄더는 코너링 시 바깥쪽으로 무게가 집중돼 타이어가 기울어질 때 사이드월이 다치지 않도록 방지한다.

한쪽으로 쏠리는 차체의 무게를 지탱할 수 있도록 고무의 두께가 가장 두꺼운 구조를 가졌고, 마찰로 일어나는 열을 쉽게 확산할 수 있도록 방열 효과가 높게 설계됐다.



사이드월은 흔히 타이어 규격 등이 적혀 있는 타이어의 옆 부분을 뜻한다.

이 부분은 굴신운동을 통해 좋은 승차감을 만들어주며 내부의 카카스를 보호하는 역할을 한다.

카카스는 높은 압력의 공기가 든 튜브를 보호하고 하중을 지탱하는 뼈대의 역할을 한다.

비드는 코드의 끝부분을 감싸 타이어를 링에 장착시키는 역할을 하며 비드와이어, 코어고무 등으로 구성돼있다.



일반적으로 림에 약간의 죄임을 줘 주행 중 타이어 공기압이 부족해져도 타이어가 림에서 빠지지 않게 설계돼있다.

에이펙스는 휠과 비드 사이로 공기가 들어오거나 빠지는 것을 방지하기 위해 비드에 부착하는 고무를 말한다.

벨트는 카카스를 보호하기 위해 트레드와 카카스 사이에 삽입된 코드 층으로 외부 충격을 완화하고, 트레드 갈라짐과 외상이 카카스에 도달하지 않도록 방지한다.

이너라이너는 타이어 안쪽의 공기가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 밀폐성이 우수한 특수 고무층을 사용한 부분을 말한다.

보통 합성고무인 부탈 고무나 폴리이소프렌 계열의 고무로 구성됐다.



◆ 내연기관차와 전기차 바퀴 차이점

초기의 전기차들은 엔진과 연료 파트를 제외한 부분에 내연기관차의 플랫폼을 사용했다. 타이어도 물론 마찬가지다.

하지만 전기차와 내연기관차의 특성이 분명하게 드러나고 전기차 전용 플랫폼이 만들어지기 시작하면서 전기차 전용 타이어의 필요성도 높아지고 있다.

전기차는 내연기관차와 다른 몇 가지 특징을 가진다. 먼저 전기차는 내연기관차와 달리 모터로 달리기 때문에 소음이 없다.

그래서 노면에서 올라오는 소음이 내연기관차보다 크게 들린다.



이에 타이어 제조사들은 전기차 타이어가 회전할 때 공기저항을 줄여주는 트레드 패턴을 개발·적용하고 접지면 마찰계수가 줄어들도록 타이어 폭을 줄여 소음 문제를 해결했다.

또한, 전기차는 리튬이온 배터리가 장착돼 동급 내연기관차보다 중량이 약 300kg 더 무겁다.

때문에 운행 시 받게 되는 압력과 마찰계수가 내연기관차보다 높아 일반 타이어를 장착하면 마모가 심해지고 제동능력도 떨어진다.



전기차의 초반 가속 성능도 타이어에 부담을 가중시키는 요인이다.

전기차는 가속 페달을 밟아 서서히 최대 토크에 도달하는 내연기관차와 달리 처음부터 최대 토크에 도달해 급격히 가속된다.

때문에 타이어 미끄러짐이나 마모가 발생할 가능성이 높다.

이에 전기차 타이어는 실리카, 고성능 합성고무, 부타디엔 등을 사용해 내구성을 높이고 제동능력을 보강했다.

그렇다고 해서 전기차에 내연기관차 타이어를 장착할 수 없는 것은 아니다.

최근 출시되는 전기차에 일반 타이어를 장착해도 운행에는 큰 지장이 없다.



아직 전기차 전용 타이어는 필수 제품이 아닌 전기차만의 특성을 반영한 기능성 제품이다.

전기차 바퀴의 미래

현재 타이어 제조사들은 미래 자동차 시장에서 전기차 타이어가 선택이 아닌 필수가 될 수 있도록 연구·개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

제조사들은 미래 전기차 타이어 시장 선점을 위해 신기술을 적용한 기능성 타이어를 출시하고 있다.

또한, 미래 전기차 타이어 시장 선점을 위해 앞 다퉈 다양한 기능성 타이어를 출시하고 있다.

또한, 글로벌 자동차 제조사가 모터쇼에서 콘셉트카를 선보이는 것처럼 신기술과 새 디자인을 접목한 콘셉트 타이어를 개발하며 미래 시장에 대비하고 있다.

그중 상용화 가능성이 가장 높은 기술은 공기를 채우지 않고 사용할 수 있는 에어리스 타입의 타이어 기술이다.



에어리스 타이어는 이름처럼 공기를 넣을 필요가 없기 때문에 바람이 새거나 외부의 충격 등으로 파손될 가능성이 적다.

정기적으로 공기압을 유지해 줄 필요도 없다는 장점이 있다.

실제로 미쉐린은 2019년 최초로 ‘업티스’라는 프로토 타입 타이어를 공개하며 에어리스 타이어의 상용화가 머지않았음을 시사했다.

기존의 에어리스 타이어는 산악용 ATV나 군용으로 개발돼 수요가 한정적이라는 단점이 있었다.

하지만 미쉐린은 GM과 파트너쉽을 체결하고 일반 승용차에 에어리스 타이어를 적용하기 위해 투자를 아끼지 않았다.

이에 미쉐린 업계 관계자는 “현재 GM의 순수 전기차 모델인 BOLT EV에 미쉐린 에어리스 타이어인 Uptis 프로토 타입을 장착하고 테스트 중에 있다”며, “2024년까지 업티스 타이어를 상용화할 계획이다”라고 밝혔다.

금호타이어도 자연의 뼈 구조에서 모티브를 얻어 디자인한 에어리스 타입 콘셉트 타이어 ‘본’을 선보였다.



기존에 선보였던 콘셉트 에어리스 타이어는 단방향 구조 형태로 설계돼 회전 시 가해지는 하중에 취약하다는 단점이 있었다.

이에 본은 벌집, 나뭇잎의 세포 모양 등과 같은 자연의 비정형적 패턴 구조를 뜻하는 보로노이 구조를 적용해 이를 개선했다.

또한, 전 방향이 얽히는 구조로 만들어져 어떠한 주행 조건에서도 하중과 충격을 견딜 수 있도록 설계돼 구조적 안정성도 확보했다.

금호타이어 관계자는 “본은 에어리스 타이어이기 때문에 수시로 공기압을 확인해야 하는 부담이 없고, 타이어로 발생할 수 있는 주행 중 사고 피해를 방지할 수 있다”라고 설명했다.

타이어에 관련된 첨단 기술도 빠르게 발전하고 있다.

타이어 제조사인 브리지스톤은 타이어 마모와 트레드 깊이를 실시간으로 측정해주는 센서 기술을 개발하고 2019년에 이 기술을 적용한 타이어를 세간에 선보였다.



타이어 안쪽에 탑재된 스마트 변형 센서는 도로를 주행하는 중 타이어에 발생하는 변형을 측정해 휠에 걸리는 부하와 타이어 마모도를 예측한다.

이 정보는 타이어에 문제가 생기기 전에 운전자가 알 수 있도록 조치해 타이어로 인한 사고를 예방할 수 있다.

한국타이어도 2012년부터 디자인 이노베이션 프로젝트를 통해 다양한 콘셉트 타이어를 개발하며 미래형 타이어 연구에 힘 쏟고 있다.

2013년 에어리스 콘셉트 타이어인 에어로 스타일 타이어 개발 이후 트레드에 변화를 준 콘셉트 타이어를 중점적으로 선보이고 있다.

실례로 2014년에는 가변형 프로파일 구조로 입체적 접지력을 구현한 ‘부스트랙’ 타이어와 원주 확장형 구조를 통해 험로 주파 능력을 향상시킨 ‘알파이크’ 타이어를 선보였다.



수중에서 자유자재로 조향할 수 있도록 트레드에 스크류를 적용한 ‘하이블레이드’ 타이어도 인기를 끌었다.

2018년에는 완전 자율주행 공유차량을 대상으로 구현된 가변형 콘셉트 타이어인 헥소닉을 소개했다.

이 바퀴는 내장된 스마트 센서에서 노면 정보를 습득해 자가충전과 자가진단을 할 수 있도록 설계됐다.

또한, 노면 정보에 따라 트레드의 블록과 그루브를 상황에 맞게 형성해 배수와 접지력을 향상시킨 것이 특징이다.

타이어 휠도 친환경에 맞춰 변화하는 중

자동차 휠도 타이어 못지않게 자동차에서 중요한 역할을 담당하는 부품이다.



대부분 디자인적인 기능이 주가 된다고 생각할 수 있지만, 타이어 못지않게 자동차에서 중요한 역할을 담당한다.

물론 디자인 요소도 담당하지만, 휠의 주 역할은 타이어가 차체 무게에 변형되지 않도록 지지하는 기능이다.

과거의 휠은 무거운 스틸 재질로 이루어진 가공 휠이 주로 쓰였다.

하지만 최근 자동차 무게 경량화가 중요해지면서 경합금 알루미늄 재질의 휠이 일반화되고 있다.

현재 대중적으로 쓰이는 휠 스타일은 스포크 타입이다. 이 형태는 굵은 무늬나 얇은 바 형태의 바퀴살이 보통 7개를 넘지 않는다.

대중적인 내연기관차의 휠과 달리 전기차 휠은 전반적으로 디자인이 밋밋해 보이거나 바퀴살이 두꺼운 경우가 많다.

그 이유는 공기의 저항을 줄여 휠 내부로 공기가 유입돼 난기류가 형성되는 것을 방지하기 위함이다.

그래서 제조사는 대체로 휠을 디자인할 때 스포크 사이의 공간을 좁게 설계한다. 휠의 크기도 마찬가지다.



보통 휠을 선택할 때 디자인을 보고 고르는 경우가 많다.

하지만 타이어 사이드월에 하중지수, 사이즈, 폭 등이 표기돼 있는 것처럼 휠에도 하중지수, 림 폭, 오프 셋 등의 정보가 표시돼있다.

물론 디자인도 중요하지만, 구매하려는 휠이 차에 맞는 휠인지 확인한 뒤 구매하는 것이 좋다.

만약 승용차에 장착되는 경량 휠을 중량이 무거운 SUV에 장착할 경우 파손이나 변형될 가능성이 있다.

바퀴에 엔진을 장착했다

이런 바퀴의 지속적인 발전은 타이어와 휠의 변화에서 끝나지 않았다.

4개의 바퀴에 엔진을 각각 장착한 인휠 모터는 이미 상용화 단계에 진입했다.

이 구동 방식은 구동장치가 바퀴에 내장돼 있기 때문에 드라이브 샤프트나 디퍼런셜 기어 등의 차동장치가 필요 없다.



줄어든 부품의 수만큼 차체 내부 공간도 확보할 수 있고 차체의 중량도 획기적으로 줄일 수 있다. 관리할 부품이 줄어드니 유지보수도 편리해진다.

또 모터의 동력이 손실되는 에너지 없이 직접 바퀴를 굴리기 때문에 차체 제어 효과도 뛰어나다.

차체가 회전하면 각 바퀴에서 토크가 독립적으로 발생해 차체 안정성에도 도움을 준다. 단일엔진으로 차체를 구동하는 자동차의 평균적인 에너지 손실률은 19~20%인데 인휠모터는 90%에 달해 효율성도 월등하다.

이런 장점을 의식한 현대차는 지난 2010년부터 현대 모비스와 함께 인휠모터 개발에 열을 올렸다.

산업통상자원부 국책과제로 개발을 시작한 현대는 현재 자사 전기버스인 일렉시티에 인휠모터 구동 시스템을 탑재해 상용화를 준비하고 있다.

현재 일렉시티에 탑재되는 모터는 바퀴 한 축에 120kW 출력을 낸다. 이 모터는 뒷바퀴에 장착돼 최대 240kW, 내연기관 출력 기준 322마력에 달하는 힘을 발휘한다.

현대차 차세대 이동 사업부 스콧 나갈은 2019년에 개최된 제로 에미션 운송회의에서 "현대차는 드라이브 샤프트가 있는 전기차에서 인휠 모터 시스템으로 전환할 것"이라며,

“인휠모터 시스템이 활성화되면 주차가 더 쉬워지고 조정 안정성이 향상될 것”이라고 밝혔다.



향후 휠 바퀴 관련 정비시장 비전

전기차 시장이 빠르게 성장하는 것과 반대로 정비시장은 그만큼 침체되고 있는 상황이다.

부품 수가 상대적으로 적고 오일류 교체가 없는 전기차가 늘어남에 따라 정비할 거리가 줄어든 것이다.

물론 전기차들의 기본 플랫폼 자체는 아직 내연기관차와 다르지 않다. 때문에 브레이크 시스템, 휠 바퀴 관련 교체는 계속 이루어질 전망이다.

하지만 이 경우에도 제동 시 모터가 회생 제동하면 패드 수명이 2배 이상 증가해 교체 시기가 늦춰져 정비 시장에 영향을 주는 것은 분명하다.

우리나라보다 전기차 보급과 인프라 구축에 적극적인 미국도 상황은 마찬가지다.

미국 경영 자문 회사인 프로스트앤설리번이 공개한 ‘2025년까지 전기차가 북미 애프터마켓에 끼칠 영향’ 보고서에 따르면 2025년까지 미국시장의 하이브리드, 전기차 판매 비중이 올라감에 따라 정비 관련 애프터마켓 수익은 약 2%가 떨어질 것으로 예상했다.

또한, 2023년경 전기차가 신차 판매의 5%인 100만 대에 근접할 것이라며 이때부터 유지보수 관련 시장이 큰 이슈로 다가오게 될 것이라고 밝혔다.

내연기관 정비 시장의 위축도 예상했다. 미국은 전기차 보급의 영향으로 오일 시장은 2025년에 6억 7,200만 달러의 손실을 일으킬 것이라고 밝혔다.

점화 장치와 브레이크 패드 관련 시장도 2025년에 각각 2억 2,200만 달러, 1억 2,200만 달러의 손실을 내게 될 것으로 전망했다.



하지만 타이어와 배터리 시장은 확대될 것으로 보인다.

배터리가 무거운 전기차는 일반 내연기관 차량이 1번 타이어를 교체할 때 평균적으로 세 번 정도 교환이 이뤄진다.

배터리도 소모품에 해당하기 때문에 2025년에는 현재보다 최대 10배까지 시장이 확대될 것으로 분석된다.

때문에 2017년 타이어 시장은 전기차, 플러그인 하이브리드의 영향으로 매출 손익이 0.1% 증가했다.

향후 2025년에는 규모가 더 증가해 6억 4,700만 달러 규모가 될 전망이다.

배터리 산업은 2017년에 미미했던 영향력이 2025년 8억 달러 규모까지 성장할 것으로 예상된다.

현재 자동차 산업이 내연기관에서 전기차와 자율주행차로 발전하면서 배터리 탑재로 무거워진 중량을 줄이기 위해 플라스틱, 알루미늄 등 경량화 소재의 사용이 늘어나는 추세다.

미국 타이어 관련 산업도 이 흐름에 발맞춰 신소재 개발과 경량화 타이어 개발에 집중하고 있다.

실제로 미국 내 환경 규제가 강화됨에 따라 고연비, 친환경 타이어로 교체하는 사례가 늘고 있다.

미국 타이어 유통구조는 타 산업들이 전자상거래 활성화로 판매 기반이 오프라인에서 온라인으로 변화하는 데 반해 현재도 오프라인 시장이 주를 이루고 있다.

이는 타이어 교체를 할 때 정비소와 타이어 매장을 찾아야하기 때문으로 판단된다.

현재 미국은 소프트웨어는 제조사들이 직접 무선 인터넷으로 유지보수와 서비스를 제공하고 있다.

테슬라는 소프트웨어의 오류나 장애 문제를 OTA(무선 업데이트)로 정비할 수 있게 조치했다.

전기차를 전문적으로 수리하는 독립 서비스 업체들도 늘어나고 있다.

미국은 시에라 네바다 하이브리드, 하이브리드 헤이븐 제조사 산하가 아닌 독립 업체들을 통해 전기차, 하이브리드 자동차의 수리 서비스를 제공하고 있다.

현재 우리나라의 타이어 유통 구조도 미국과 마찬가지로 대부분 오프라인으로 이루어지고 있다.

타이어 관련 서비스가 향후 정비업계의 새로운 먹거리가 될 수 있는 만큼 예의주시해야 한다.

하지만 2010년 이후 타이어 교체를 전문으로 하는 대형 매장들이 우후죽순 생겨난 가운데 타이어의 관련된 정비인들의 먹거리는 갈수록 줄어들고 있는 실정이다.

카포스 연합회는 이 사안의 중요성을 파악하고 지난 2016년 이미 넥센 타이어와 상생할 수 있도록 MOU를 체결한 바 있다.



하지만 그럼에도 국내 타이어 정비 관련 대처는 미흡한 상황이다.

전국을 돌아다니며 정비인들을 인터뷰한 결과 타이어로 혜택을 보는 정비인보다 불이익을 보는 업주들이 많았다.

타이어 관련 정비를 포기한 업주도 있었다. 최근 코로나19의 영향으로 비대면 서비스 등의 온라인 상품이 출시되고 있어 타이어에 관한 정비업계의 고민은 더 깊어지고 있다.

2020년이 얼마 남지 않았다.

현재 침체되고 있는 정비 시장에서 휠·타이어 관련 산업이 정비인들의 다음 먹거리가 될 수도 있는 만큼 연합회의 적극적인 움직임이 필요하다.

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