차체

차체(body)는 자동차의 외관 및 내부공간을 지탱하는 구조물을 말한다. 차체는 일체형인 모노코크와 프레임형인 바디온프레임 방식이 있다.

개요

차체는 차대와 하나의 그룹으로 관리되며, 기계 부품과 승객 및 화물을 수용하고 보호하도록 설계된 자동차의 외관 구조물을 말한다. 구조적으로 독립된 프레임에 기관, 현가장치 등을 설치하여 차대를 조립한 다음, 그 위에 완성된 차체를 장착하는 방식이 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 이 방식은 무거워지는 데 비해 강도가 커지지 않기 때문에 오늘날에는 차체 자체를 충분한 강도를 가지는 상자로 만들고, 거기에 직접 기관이나 현가장치를 설치하는 단체구조 또는 일체구조를 사용하는 것이 많다. 그러나 미국에서처럼 한 차가 각종 차체를 가져야 하는 형식에서는 아직 독립 프레임을 사용하고 있다. 최근에는 안전성을 높이기 위해 차체를 더욱 견고하게 만드는 경향이며, 특히 신차에서는 차실 부분을 매우 견고하게 하고, 앞뒤는 약간 유연한 구조로 하여 충돌사고 등에서 충격이 흡수되도록 하고 있다.

종류

모노코크

모노코크는 비행기에서 시작된 골격인데 처음에는 프레임 차체를 사용했다. 비행기의 공간을 넓히고 뼈대를 튼튼하게 하며 가볍게 하기 위해 개발하였다. 모노코크는 자동차의 대량생산이 가능해짐에 따라 함께 발전해 왔다. 차체와 차대가 일체화된 구조로 인해, 생산 공정이 크게 줄어, 생산성도 높이고 제조원가도 크게 절감할 수 있었기 때문이다. 모노코크의 하부구조를 공유하는 것을 두고, ‘플랫폼을 공유한다’고 말한다. 플랫폼을 공유하게 되면, 하나의 생산 라인에서 다종의 차량을 동시에 생산할 수 있기 때문에 생산성 향상에 크게 일조한다. 모노코크는 일체화 구조의 특성상, 외력과 하중을 차체와 차대 전체가 부담하기 때문에 차체와 프레임을 별도로 사용하는 구조에 비해 중량을 크게 절감할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 충돌 에너지를 흡수하는 설계가 용이하여 안전 측면에서도 유리하다. 그뿐만 아니라, 구조상 비틀림 강성이 높아서, 코너링 성능을 높이기에도 유리하다. 아울러, 공간을 차지하는 별도의 프레임이 존재하지 않기 때문에 실내 공간 확보에도 유리하다. 바디온프레임 방식에 비해 수직 하중을 버티는 능력이 현저히 부족한 것이 모노코크의 단점이다. 차체 전체에 가해지는 하중을 감당하기에 좋지만, 차체 한 방향에 집중적으로 하중이 걸리는 경우에 약하다. 이 때문에 차체에 외력이 가해질 경우 상대적으로 변형되기 쉽다. 차대와 차체가 합쳐져 있는 구조인 만큼, 차대의 변형이 차체의 변형으로 이어지는 경우도 많다. 이런 경우에는 작은 수준의 변형으로도 차체 전체에 영향을 끼칠 수 있으며, 안전한 주행이 불가능한 상태에 빠질 수 있다.

바디온프레임

바디온프레임은 사다리 모양의 프레임에 엔진, 미션, 운전석 등의 무거움 부품을 얹고 위쪽의 차체를 결합하는 구조이다. 대부분의 하중은 프레임이 담당한다. 든든한 뼈대가 있기 때문에 비틀림 강성이 강하고 변형이 잘 일어나지 않는다. 강성이 좋기 때문에 내구성도 좋다. 그래서 무거운 화물을 싣는 트럭 같은 차량은 모두 바디온프레임을 쓴다. 바디온프레임의 경우, 차량의 외관만 변경하여 차량 전체를 새로 설계하지 않아도, 마음만 먹으면 하나의 프레임으로 완전히 다른 모양의 신차를 개발할 수 있다. 바디온프레임의 단점은 커다란 프레임이 밑에 있으므로, 최저 지상고가 낮아야 하는 승용차의 경우에는 실내를 넓게 만들기가 힘들다. 그리고 프레임은 대부분 두꺼운 강철 재질로 만들기 때문에 모노코크보다 무겁고, 연비가 나쁘다.

스페이스프레임

스페이스 프레임은 경기장의 돔에서도 볼 수 있는 형태의 프레임이며 대부분 튜브를 용접해 만든 형태이다. 구조와 튜브의 재질에 따라 무게 변화나 강도 변화가 있으며, 비틀림 대응 능력이 높고 하중도 잘 버틴다. 그 때문에 극한의 상황에서 운행되는 레이싱카에 주로 쓰이며, 수제작이 대량생산보다 용이한 점 때문에 대량생산이 어려워 스페이스프레임이 적용된 차량은 대체로 비싸다. 하지만 람보르기니(Lamborghini)나 맥라렌(McLaren) 같은 슈퍼카 제작 업체들은 대량생산보다는 소수의 자동차만 판매하는데, 자동화 시스템을 도입하는 것 보다 용접공의 월급이 더 쌀 정도로 자동화는 부담스럽고, 주요 고객들도 자동 용접으로 만드는 차보다 장인이 용접하고 조립된 차를 원해 현재까지도 애용되는 프레임이다.

소재

강철

강철은 강도, 연성, 낮은 가격으로 인해 자동차 차체를 위한 기본 선택 소재로 자리매김했다. 철강 산업은 반세기 이상 가벼운 대체 소재와의 경쟁에서 확실히 우위를 점해 왔다. 그러나 강철은 자동차 무게의 70%를 차지하는 주요 소재에 해당하는데 자동차 제조사들이 이산화탄소 배출량을 줄일 목적으로 가벼운 차체 구조를 추구함에 따라 강철의 입지가 위협받고 있다. 자동차 제조사들은 경량화를 위해 높은 자본 비용에도 불구하고 알루미늄과 플라스틱의 사용을 늘리고 있다. 강화되는 연비 규제와 안전에 대한 수요가 다른 소재로부터 도전받게 되는 계기가 됐지만, 철강 업계가 고강도 강철 타입과 그레이드를 개발하는 동기를 제공한 것도 사실이다. 이러한 변화는 고급 강철을 사용해 설계 및 엔지니어링을 세련되고 높은 수준으로 개발하려는 자동차 산업과 조화를 이뤄왔다. 오늘날 철강 업체는 시장에서 다른 가벼운 소재와의 경쟁력을 유지하기 위해 AHSS(Advanced High Strength Steel)의 새로운 세대가 필요하다는 결론을 내렸다. 이와 관련 국제철강협회 산하 자동차분과 위원회인 월드오토스틸(WorldAutoSteel)은 최근 지난 3년간의 개발 끝에 기존보다 35% 가벼운 차체 개발에 성공했다. 개발된 미래강철차체(FutureSteelVehicle, FSV)는 전기차를 위한 차체로 무게가 188kg이며, 이는 2020년 기준 안전 규제를 만족하는 내연기관 차체 무게의 65%에 불과하다. 미래강철차체는 롤러 사이에 강재를 넣고 성형하는 롤포밍, 고열간 성형 후 냉각시키는 HPF, 맞춤식 재단용접공법인 TWB 등 최신 철강제조공법을 적용했으며, 1제곱미터당 1,000t의 압력을 견딜 수 있는 1GPa급의 초고강도 강종을 50% 이상 사용한 초경량 초고강도 차체다. 이에 따라 FSV는 국제 충돌 안전 규제와 내구 성능 목표를 만족시킬 뿐 아니라, 사용되는 강재량이 적어 비용도 줄일 수 있다. 미래강철차체의 개발은 차량의 안전성과 성능을 높이면서 적정 생산비용을 유지하고, 연비 향상과 온실가스 배출 감소가 요구되는 미래형 자동차에 해결책을 제시했다는 데 큰 의미가 있다. 철강재로된 미래강철차체 개발을 통해 자동차 전 수명주기 동안 70%의 온실가스를 줄일 수 있게 됨에 따라 철강재가 온실가스 배출 감소를 달성할 수 있는 경쟁력 있는 소재임을 입증했다.

플라스틱

철을 대신할만한 다양한 소재들이 오랜 시간을 거쳐 많이 개발되어 왔는데, 최근에는 새로운 소재인 플라스틱에 눈길을 돌리고 있다. 여기서 말하는 플라스틱은 우리가 일반적으로 사용하는 플라스틱이 아닌 다른 소재와 결합하여 강화한 복합 플라스틱을 말한다. 가장 흔히 볼 수 있는 복합 플라스틱은 유리섬유 강화 플라스틱이다. 가느다란 유리 섬유에 열경화성 수지를 뿌려서 만드는 플라스틱으로 일반 플라스틱보다 훨씬 더 높은 강도를 가지고 있다. 카본 컴포지트 역시 이러한 플라스틱 중 하나이다. 정식 명칭은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)으로 합성섬유나 수지를 탄화시킨 후 탄소를 추출해 섬유 조직으로 만든 것이다. 그리고 이렇게 만들어진 카본 파이버를 강화물질로 사용해 플라스틱 수지로 굳힌 것이 카본 컴포지트이다. 카본 컴포지트는 철이나 알루미늄보다 가벼우면서 그보다 훨씬 더 우수한 강도를 지니고 있다고 하여 40년 전부터 포뮬러1과 같은 모터스포츠 분야에서 사용하기 시작했고, 그전에는 우주 왕복선의 동체 등에 사용되었던 첨단 소재였다. 이렇게 이점이 많지만, 카본 컴포지트를 일반적인 자동차에서 보기란 쉽지 않다. 최근에는 이를 활용해 차체나 자동차의 외장 패널을 만들기도 하지만, 그런데도 여전히 보편적인 소재는 아니다. 이유는 바로 소재 자체의 가격이 비싸고 가공 과정 역시 일반 금속 소재에 비해 복잡하고 대량생산화 되어 있지 않기 때문이다.

알루미늄

알루미늄을 차체에 적용하면 중량 절감을 할 수 있고 강화된 연비 기준 충족 및 더 작은 엔진의 적용이 가능하게 된다. 포드(Ford)의 트럭 F-150은 알루미늄 차체를 적용한 사례이다. 미국 정부가 시행한 신연비 규정의 연비 기준 강화와 미국 포드가 픽업트럭인 F-150에 알루미늄을 사용하기 시작하면서 연비 개선을 위한 자동차 업계들은 알루미늄을 적용하게 되었다. 알루미늄의 가격이 철강의 4배에 달하며 경량화 효과를 고려해도 자동차 한 대당 소재의 원가가 2배 이상 차이가 나지만 소형 엔진 적용, 내장재 원가절감 등을 통해 대응하고 있다. 특히 랜드로버(Land Rover)는 100% 알루미늄 차체 차량을 생산하고 있다. 알루미늄을 사용하면 안전성과 연비를 개선하는 한편, 고급스럽고 매력적인 디자인을 구현할 수 있다. 자동차 제조업체들은 비용이 효율적이고 친환경적이며 안전한 차량을 생산하기 위해 총체적인 접근 방식을 취하고 있다. 알루미늄을 더 많이 적용할수록 소형 엔진에 탑재할 수 있고, 조립 부품을 줄일 수 있어 차량 전체적으로 볼 때 총 원가 절감을 촉진하게 된다. 현 단계에서 알루미늄은 최선의 선택이다. 원가를 상대적으로 낮추면서도 우수한 경량화 성능을 기대할 수 있다. 게다가 알루미늄은 거의 모든 부품에 사용이 가능하다. 알루미늄의 또 다른 장점은 재활용이 가능하다는 점이다. 알루미늄은 본래의 성질을 잃지 않으면서도 몇 번이고 재활용이 가능하다는 점에서 독특한 지속 가능성을 가진 소재이다.

참고자료

• 〈자동차/뼈대〉, 《나무위키》
• 〈자동차의 차체〉, 《네이버 지식백과》
• 〈알아두면 쓸데 있는 신기한 자동차 차체 이야기〉, 《쌍용자동차 공식 블로그》, 2017-06-22
• 참창 참창, 〈자동차 샤시(CHASSIS)의 뜻과 차체(BODY)에 대한 설명〉, 《티스토리》, 2021-08-25
• 수원양반, 〈자동차 차체의 스토리〉, 《티스토리》, 2017-08-16
• 박병하 기자, 〈(자동차 상식)자동차의 뼈대를 알아보자〉, 《모토야》, 2017-06-14
• 윤범진 기자, 〈자동차의 생존전략… “더 가벼워야 산다”〉, 《AEM》, 2014-11
• 자동차 전문 교육 자동차 역사가, 〈14. 자동차 차체의 구성과 제조〉, 《티스토리》, 2016-05-04
• 티노♪, 〈(알기쉬운 자동차 이야기) 자동차 소재의 변화〉, 《티스토리》, 2018-09-09

같이 보기

• 모노코크
• 바디온프레임

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