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자동차 이야기
자동차 다이어트의 비법, 경량화 소재
작성일 : 2019-04-15 조회수 962
안녕하세요. (차)에 대한 (차)이를 만드는 (차)차차 차기자입니다.

친환경이 자동차 시장의 화두로 떠오르면서 제조사 고민도 커지고 있습니다. 과거와 다른 점은 유가가 낮게 유지되는 상황에서 대기 환경 오염과 이산화탄소 감축에 대한 사회적 필요성이 높아졌다는 점이죠.앞으로는 각국 정부규제에 따라 오염물질 배출이 많고 연비 성능이 부족한 차를 만드는 기업은 막대한 페널티를 물을 수도 있습니다.



알루미늄 코일

이 때문에 모든 자동차 제조사는 새로운 파워트레인 개발에 매진하고 있습니다. 연료에서 얻은 에너지가 손실되는 일없이 운동에너지로 최대한 활용하려는 것이죠.하이브리드, 전기차 등이 대표적이며, 내연기관 역시 효율을 높이기 위한 노력이 꾸준합니다
 

연료 효율 개선 위해 다이어트하는 자동차



그러나 파워트레인 개선만으로는 한계가 있는 것도 사실입니다. 즉 효율 향상을 위한 다른 방법을 찾아야 한다는 이야기입니다. 이에 대한 대안으로 떠오르는 게 바로 경량화입니다. 가벼운 차는 연
료를 훨씬 적게 소모하기 때문 입니다. 경량화는 차체, 엔진 등 여러 분야에 걸쳐 이뤄지는데요. 가장 무거운 구성품인 차체를 경량화했을 때 가장 효과적입니다. 차체는 그동안 구하기 쉽고 값도 저렴하며 성형하기에도 용이한 철을 주재료로 사용해 왔는데요. 최근에는 철보다 가벼운 알루미늄이 경량화 소재로 각광 받고 있습니다. 철의 경우 밀도가 ㎤당 7.874g이지만 알루미늄은 ㎤당 2.7g 에 불과합니다. 덕분에 같은 부피일 때 훨씬 가볍습니다. 산소와 쉽게 반응하지만 산화 피막을 만들어 줄 경우에는 부식의 염려가 없습니다.


알루미늄 섀시로 만든 아우디 A8(1993) [출처: 아우디]

단 외부 응력에 버티는 강도가 철보다 훨씬 낮은 단점을 갖고 있는데요. 그래서 이런 단점을 보완하기 위해 다른 금속과 알루미늄을 섞은 합금을 만들어 사용합니다. 알루미늄 합금은 알루미늄-구리-마그네슘계, 알루미늄-아연-마그네슘계와 알루미늄-망가니즈계, 알루미늄-마그네슘계, 알루미늄-마그네슘-규소계 등이 있습니다. 그중 1906년에 처음 합성된 두랄루민(Duralumin) 합금은 강도가 철과 맞먹지만 무게가 가볍습니다. 두랄루민을 500~510℃로 가열하고 물속에서 급랭시켜 연한 상태로 만든 뒤, 상온에 방치하면 시간이 흐를수록 단단해지는 특성을 이용해 만든 것입니다.
 
알루미늄 합금으로 만든 차체

더욱 단단한 수퍼 두랄루민(Super Duralumin) 알루미늄 합금도 여러 종류가 개발됐습니다. 강도가 높은 알루미늄 합금이 등장하면서 자동차에도 적용되기 시작합니다. 가장 먼저 알루미늄 합금 차체를 만든 제조사는 아우디입니다. 1994 플래그십 세단 A8에 ASF(아우디 스페이스 프레임)라는 알루미늄 합금 차체를 자동차에 처음으로 적용했죠. 현재 ASF를 사용하는 아우디는 A8, S8, R8 세 개 차
종인데요. 섀시는 물론 보닛, 도어, 트렁크리드 등 100% 알루미늄 합금으로 구성했으며, 철로 만들었을 때보다 40%나 가볍습니다.

 



아우디 A8 [출처: 아우디]

최신형 A8의 경우 비틀림 강성이 이전대비 25%나 높아졌죠. 한편 아랫급 모델(A4, A6, A7 등)에는 외장 패널과 서스펜션, 서브 프레임 등 일부 구성에만 알루미늄 합금을 사용합니다.아직 알루미늄 합금의 가격이 비싸기 때문에 저렴한 차까지 폭넓게 적용하기 어렵기 때문입니다.


경량화 거친 섀시와 오프로드 성능 강조하는 레인지로버 [출처: 랜드로버]

재규어-랜드로버도 알루미늄 합금을 적극 사용하고 있습니다. 플래그십 제품인 레인지로버는 SUV 최초로 차체 전부를 알루미늄 합금으로 만들었습니다. 이를 통해 무게를 기존보다 300㎏ 감량하게 되었죠. 다이어트 효과는 극적입니다. 운동 성능뿐만 아니라 효율도 개선됐습니다. 최고출력 510마력의 V8 5.0L 슈퍼차저는 정지상태에서 시속 100km 가속 시간이 기존 5.9초에서 5.1로 단축됐고, V8 4.4L 디젤은 기존 9.6km/L(구연비)에서 10.7km/L(신연비)로 좋아졌습니다. 이런 장점 덕분에 앞으로 알루미늄 합금은 다양한 차종으로 확대 적용될 전망입니다.



탄소섬유 활용해 더욱 가벼워지는 자동차


BMW i3의 CFRP 섀시 [출처: BMW]

최근에는 알루미늄 합금에 이어 복합플라스틱이 경량화 소재로 주목받고 있습니다. 이른바 탄소섬유복합플라스틱 CFRP입니다. 예전에는 페라리, 람보르기니 등 일부 수퍼카에나 쓰였던 재질이죠. 이를 일반 양산차에 처음으로 사용한 회사는 BMW입니다. BMW i3는 차체를 탄소섬유로 빚었으며 7시리즈는 차체와 CFRP를 결합한 복합 섀시를 사용합니다. '탄소섬유(carbon fiber)'는 0.005-0.010㎜ 굵기의 탄소 실로 구성되어있는데요. 독특한 분자 배열 구조를 갖춘 까닭에 강성이 뛰어납니다. 아직 비싼 가격이 흠이지만, 생산이 더 늘수록 가격 부담은 줄어들 것으로 전망됩니다.


 

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