차체구조특론 (강도 / 강성 설계 방법, 경량화 방법)

1. 차체(BIW) 방법

강도란 일반적인 사용조건하에서 자동차의 각 부분에 대한 파손(소성변형 포함)이 발생치 않고, 외력을 제거하면 원래 상태로 복원되는 것을 의미한다.
차체에서 강도 설계란 재료의 선택을 의미한다.
자동차 차체가 보다 다양한 기능과 구조를 갖추기 위해서는 새로운 소재 도입에 대한 연구가 많이 필요로 한다. 이를 통해 차체의 강도를 확보할 수 있다.

이에 따라 초고장력 강판 사용이 늘어나고 있고 이를 성형하기 위한 핫스탬핑(Hot Stamping) 공법도 관심을 받고 있다.
기업 전략에 따라 중점을 두는 소재가 초고장력 강판,알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등으로 구분되는 상황이다.

다만 이러한 재료 선정에 있어서 성형이 어렵고 가격이 비싸다는 단점이 있다.

(출처 폭스바겐이 공개한 차체, 붉은 부분이 고장력강을 사용한 곳이고, 보라색 부분이 초고장력강을 사용한 부분이라고 한다.)

예) MSD 4차 산업혁명 뉴스 포탈,차체 강도’ http://www.msdkr.com/news/articleView.html?idxno=10586 2020.05.01
예) 핫스탬핑 공법을 대표 업체 ㈜화신 https://www.hwashin.co.kr/kr/main.do

 

2. 차체(BIW) 방법
운전자에게 상해를 입히지 않도록 하기 위해 법적으로도 규제가 존재할 만큼 차체에서의 강성 설계가 중요하다. 각각의 많은 판넬의 조합으로 구성된 차체는 적정한 탄성, 상호적인 외부 하중에 대한 굽힘/비틀림 저항을 갖추어야 한다.

(변형 à Bending, Torsion, 진동 à NVH(Noise, Vibration, Harshness), 충돌 Front/Side/off-set/Back/Roof Clash(Safety), Durability(Fatigue))

차체 도심점을 중심으로 각 세션에 대해 단면 2차 모멘트를 어떻게 하느냐가 전체 강성을 좌우하고 그 값에 의해서 형상을 결정한다.

강성의 차이로 차량의 비틀림 현상의 차이를 볼 수 있다.

예) OptimumG ‘Torsional Stiffness’ https://optimumg.com/torsional-stiffness-2/

이러한 차체의 강성은 CAE(Computer Aided Engineering)라는 도구를 사용하여 신속하고 정확하게 설계안을 도출해 낼 수 있다.

예) [기업 활용사례] 현대자동차 / 車설계 CAE로 더 정밀 해졌다.

https://www.mk.co.kr/news/home/view/2003/02/45042/

최근에는 CAE와 3D 프린팅 기술의 발달로 최적화된 형상의 구조를 가질 수 있는 방법도 활발히 연구가 진행되고 있다.  

 

예) ‘generative design automotive’ https://blogs.sw.siemens.com/nx-design/hackrod-challenges-traditional-manufacturing-with-nx/

예) ‘generative design automotive’ https://www.digitalengineering247.com/article/paramatters-upgrades-its-generative-autonomous-design-and-lightweighting-software/Generative-Design

  

3. 차체(BIW)경량화 방법
세계 각국의 환경규제 동향 및 전망(지구온난화와 기후변화, 오존층 파괴)에 따라 자동차 경량화 소재를 가져 감에 의해 위의 문제를 해결하고자 한다.

최근 자동차 기술개발은 안전성을 넘어 편의성을 추구하고 있다. 편의 부품에 추가에 따라 차량 중량 또한 증가하고 있는 추세이며 이는 동력 성능과 연비를 저하를 초래할 수 있다. 위와 현시대의 문제점의 대안으로 차량 경량화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

. 또한 세계 각국의 연비규제 강화에 대응하기 위해서도 차량 경량화는 선제적으로 해결해야 할 과제이다. 최근에는 구조 및 공법의 경량화 등 기존 경량화 기술의 한계와 효율성 체감으로 인해 소재의 경량화에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 특히, 엔지니어링 플라스틱 및 탄소섬유 강화 플라스틱과 같은 복합소재 개발이 각광받고 있으며, 신소재 개발을 위한 완성차 업체와 소재 업체 간의 전략적 제휴가 더욱 중요해지고 있다. 선제적인 시장 우위를 점하기 위해 기업들은 신소재 개발을 위한 자체 연구개발과 더불어 사업 다각화 및 선진 기술 습득을 위한 M&A도 적극적으로 고려할 필요가 있다.

예) 자동차 경량화 트렌드의 중심이동, 소재의 경량화 https://assets.kpmg/content/dam/kpmg/kr/pdf/2018/kr_im_automotive_lightweight_materials_market_20181214.pdf

 

 차량 제조사에서는 기존 대비 성능은 유지하면서 차량을 경량화하는 것에 목표를 두고 있기 때문에 소재에 대한 깊은 이해가 필요하다.

최근 많이 사용되고 있는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)이란 탄소섬유(Carbon)를 강화재로 하는 플라스틱계의 복합재료로 고강도, 고탄성의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 소재이다.

 

탄소는 같은 부피의 철에 비해 1/4의 무게밖에 나가지 않는 데다 인장강도는 10배나 되기 때문에 탄소섬유를 이용하면 차체 구조도 단순히 할 수 있을뿐더러 경량화에 엄청나 도움을 줄 수 있다.

하지만 가격이 비싸다는 단점과 전도성이 높다는 장단점을 모두 가지고 있기도 하다.

예) [기자수첩] BMW는 왜 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 쓰는가 https://www.motorgraph.com/news/articleView.html?idxno=2672

 

경량화 공정 적용을 통해

TWB(Tailor Welded Blank) 성형 기술은 강도가 요구되는 구간에 이종 소재 및 두께가 다른 소재를 맞춤재단 후 용접하여 고도화 및 경량화가 가능할 뿐 아니라 생산공정 수 저감, 구조적 강성 향상 등의 장점으로 국내에서는 1990년대 후반부터 개발 및 도입되어 현재는 범퍼, 센터필러, 테일 게이트 등 많은 차체 부품에 적용되고 있다.

 

용접 기술 개발을 통한 경량화도 가능하다.

레이저 용접을 통한 점용 접시 필요한 플랜지 면적의 최소화를 통해 경량화와 접합강도 향상을 할 수 있다.

 

한편 TRB(Tailor Rolled Blank)는 TWB 공정의 상위 기술로, 압연 시 롤러의 유격에 변화를 주어 두께가 다른 소재를 생산하는 기술이다. 이를 통해 구조를 단순화와 경량화가 가능하다.

예) ‘차체 경량화를 위한 용접기술’ http://www.e-jwj.org/upload/PDF/1/76/82/1768204.pdf