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프레임
프레임(frame)이란 섀시의 기본 골격이 되는 부분으로 자동차의 엔진과 조향장치, 액셀, 클러치, 변속기 서스펜션 등과 같은 장비가 장착되며 차체가 얹어지는 부분이다.[1]
목차
개요[편집]
프레임은 자동차의 골격을 말한다. 여기에 차체, 엔진, 동력전달장치, 서프펜션 등을 설치한다. 프레임을 사용하지 않는 구조를 프레임리스 구조라고 하며 모노코크 바디가 대표적이다. 그 밖의 역할로, 차량에 전달되는 충격과 하중을 견뎌내며 뒤틀림 등을 방지한다. 프레임의 종류로는 굽힘에 강하며 사다리처럼 생겨 래더 프레임이라고도 부르는 H형 프레임과 비틀림에 강하지만 구조상 각 장비의 설치가 어려운 단점이 있는 X형 프레임이 있으며 그 외에도 백본형(Back Bone Type)과 플랫폼형(Platform Type), 트러스형(Truss Type)이 있다. 국내 모델 중에는 테라칸, 무쏘, 코란도, 갤로퍼 등이 프레임 방식의 구조를 가지고 있다. 프레임의 장점으로는 뛰어난 강성과 강도를 갖추고 있어 충돌시 차체가 잘 찌그러지지 않으며, 따라서 차체가 실내로 유입되어 운전자의 안전을 위협하는 경우가 적다. 또한, 오프로드와 같은 험로 주행을 하더라도 차체가 쉽게 뒤틀리거나 굽지 않아 군용 차량에 많이 사용되고 있는 방식이다. 또한 노면이나 엔진으로부터 진동이나 소음이 프레임을 경유하여 바디에 전달되므로 조용하고 승차감이 좋은 자동차를 만들 수 있다. 단점으로는 충돌 사고시 차체가 잘 찌그러지지 않아 충격을 쉽게 흡수하지 못하는 점이 있다. 따라서 차체가 실내로 유입되지 않는다 하더라도 경우에 따라 오히려 운전자의 안전을 더욱 위협할 수 있다. 또한, 무거운 무게로 인하여 가속력이 낮아진다거나 연비 효율이 떨어지는 등의 단점이 있다. 한편 프레임은 종래 트럭, 버스, 승용차 등 자동차 전반에 걸쳐 사용되고 있었으나 바디 자체를 강하고 견고하게 제작하여, 독립된 프레임을 사용하지 않는 일체 구조가 주류로 자리 잡고 있다. [2][1]
분류[편집]
페러미터형 프레임[편집]
페러미터형 프레임(Perimeter frame)은 주위형 프레임이라고도 하며, 객실 바닥의 주위에 센터 프레임 레일을 설치하여 바디의 로커패널의 바로 안쪽을 통하는 모양으로 설계된 프레임이다. 객실의 바닥을 낮게 해 무게 중심을 낮추는 것이 가능하다는 장점이 있다. 사이드레일이 전차축의 뒤 및 뒤차축의 앞에서 크랭크 상으로 굽어 있기 때문에 앞면 및 후면의 충격 때 이 부분에 가해지는 충격 에너지를 흡수함으로써 객실부의 충격에 대한 영향을 감소할 수 있다. 또한 측면에서의 충돌 때에는 객실의 변형을 억제하는 구조로 되어 있으며 사이드레일이 자동차 실내를 보호하는 역할을 한다. 한편, 이 프레임은 차축 간의 굽힘 강성, 비틀림 강성이 낮으므로 바디와 일체가 되어 강성을 도와주는 구조로 할 필요가 있다. 또 그 외의 프레임에 비교하면 경량으로 제조 공수도 적다.[3][4]
H형 프레임[편집]
H형 프레임(H type frame)은 프레임이 사다리 형태로 되어 있어 사다리형 프레임이라고도 한다. 사이드 멤버의 단면은 ㄴ형, ㄷ형, ㅁ 형으로 되어 있고 이들을 연결하는 횡재 즉, 크로스 멤버도 동일한 단면이나 파이프 등을 사용하는 경우도 있다.[4] 제조가 비교적 쉽고 견고하며, 역사적으로 마차 시대부터 사용되고 있어 신뢰성이 높은 구조이다. 그러나 H형 프레임을 모노코크 방식에 비교하면, 전체적으로 더 무겁고 실내 공간의 넓이나 승차감 면에서 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 또한 충돌 사고가 발생할 경우, 충격 흡수에 뛰어난 모노코크 타입과 비교하면 구조상 차체 후부까지 충격이 전달되기 쉽고, 탑승자의 안전성에 문제가 되는 단점도 가지고 있다. H형 프레임의 자동차는 엔진이나 서스펜션 등 자동차가 달리는 데 필요한 최소한의 요소를 튼튼한 프레임 부분에 탑재하고 있기 때문에, 차체가 어느 정도 망가져도 프레임만 무사하다면 문제 없이 달릴 수 있다. 그래서 산길 등 험로를 주행하는 오프로드 차량은 H형 프레임과 궁합이 좋으며, 많은 오프로드 차량이 H형 프레임을 사용하고 있다. 또한 세계 각국의 군대에서 사용하는 군용 차량도 험난한 전장을 달릴 필요가 있기 때문에 대부분의 차종이 튼튼한 H형 프레임을 채용하고 있다.[5]
X형 프레임[편집]
X형 프레임(X type Frame)은 2매의 사이드 멤버 간극을 좁혀 X자형으로 한 것이다. 프레임이 비틀림을 받을 경우 X형의 강재가 굽힘을 받음으로써 강성을 높이는 구조로 되어 있다. H형 프레임에 비해 비틀림 강성이 높고, 주요 멤버가 플로어 터널부에 배치되어 있음에 따라 바닥면을 낮게 할 수 있으므로 일시적으로 많은 자동차에 사용되었다. 그러나 정면 충돌 시에 에너지 흡수 특성에 어려운 점이 있고, 프로펠러 샤프트의 배치 및 섀시의 각 부품이나 바디의 부착에 어려움이 있는 등 문제점이 많기 때문에 현재는 사용되지 않고 있다.[3]
백본 프레임[편집]
백본 프레임(Backbone Frame)은 강성이 높은 상자 모양 또는 관 모양의 단면 프레임을 등뼈로 하며, 엔진 및 현가장치를 부착하는 크로스 멤버는 좌우에 돌출된 구조로 되어 있다. 중앙의 등뼈처럼 굵은 중공 단면의 프레임에 의해 굽힘과 비틀림을 받는 구조이다. 강성이 높은 특징이 있으며, 일반적으로 등뼈에는 파이프 또는 백본 프레임에 가까운 것을 사용해 서스펜션 부착을 위해 전후부에 브라켓을 설치한다. 이 프레임을 사용하면 차의 중앙부에 큰 터널이 생기지만 이 속으로 구동축이나 배기관을 통과시킴에 따라 일반 바닥면을 내리고 차고 및 중심을 낮출 수 있다. 그러므로 생산성은 떨어지지만 로터스 에스프리(Lotus Esprit) 등 일부 스포츠 타이프차에 사용되고 있다.[3]
플랫폼형 프레임[편집]
플랫폼형 프레임(Platform Frame)은 바디의 바닥 부분이 일체로 용접되어 있고 그 위에 상부 바디가 올려져 있다.[4] 바디의 바닥판과 프레임을 일체화한 구조의 프레임으로, 그 위에 바디를 짜 맞춘다. 바디와 맞추어진 상태에서 큰 상자형 구조를 구성하면 전체적으로 강성이 높은 바디가 된다. 플로어가 평탄하기 때문에 마루바닥의 공기의 흐름이 양호하고 노면과의 간섭도 완화된다. 프레임리스 구조와 중간적인 프레임으로 생각되며 폭스바겐(Volkswagen), 르노(Renault) 등 여러 자동차 기업에서 사용하고 있다.[3]
스패이스형 프레임[편집]
스패이스형 프레임(Space frame)은 스강관을 용접하여 초기의 항공기 같은 골격을 구성한 프레임으로 공간 프레임으로도 불린다. 경량으로 강성은 높지만 대량 생산에 맞지 않기 때문에 일부 고급 소량 생산의 스포츠카에 사용되고 있다.
재질[편집]
고장력 강판[편집]
프레임은 섀시를 구성하는 각 장치와 바디를 부착하는 골격으로써, 부착된 부품과 바디로부터 전달하는 하중, 전후의 액셀로부터의 반력을 지탱해 주는 중요한 부분이다. 그래서 프레임은 자동차가 주행 중에 노면으로부터 받는 충격과 하중에 의해서 생기는 휨 현상, 비틀림, 인장, 진동 등에 충분하게 견뎌낼 수 있는 강도와 강성을 갖춤과 동시에 경량일 필요가 있다. 재질은 일반적으로 열간압연 강판이 사용되고 있으나, 최근에는 경량이며 강도 및 강성이 큰 고장력 강판도 사용하고 있다.[3] 고장력 강판은 제조사들 사이에 떠오르고 있는 소재이다. 기존 스틸을 고온 고압에서 한 번 더 가공을 한 철판이다. 하지만 초고장력 강판에 대한 명확한 규격은 아직 없다. 세계자동차철강협회에서는 고장력과 초고장력 강판에 대해 정의만 하고 있다. 현대자동차(Hyundai Motor Company)에서 말하는 초고장력 강판은 60kg 토요타(Toyota Motor Company)는 99kg 이상의 강판부터 초고장력으로 표기하고 있다. 현대자동차에서는 아이오닉 하이브리드 모델에 53% 초고장력 강판 적용, 토요타는 19%, 에쿠스(Equus)는 51%, 7시리즈는 27% 등 제조사마다 적용 비율 및 초고장력 강판에 대한 기준은 다른 걸 알 수 있다. 이러한 초고장력 강판의 적용으로 자동차 외판의 두께가 채 1mm도 안 되지만 충분한 강성을 확보할 수 있게 되었다. 그래서 제조사들은 충돌에 대한 법규 만족, 연비 효과, 주행 성능 향상을 이해 적용하고 있다.[6]
마그네슘[편집]
마그네슘 합금은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3 철강의 1/5 수준으로 현재까지 개발된 합금 중 가장 낮은 밀도를 가지고 있다. 강성 충격 흡수 등 여러 가지 장점에도 불구하고 가공이 어려운 이유로 자동차 분야에서는 잘 사용하지 않는다. 자동차의 차체는 여러 개의 판을 만들어 용접을 통해 하나의 덩어리를 만들게 되는데, 마그네슘 합금의 특성으로 인해 용접이 어렵다. 마그네슘 용접의 경우, 대부분의 마그네슘 합금은 낮은 입열량과 빠른 속도로 용접될 수 있다. 그러나 낮은 기화점으로 인해 용접 시 다량의 스패터가 발생할 뿐만 아니라 용접 후 변형이 심하며 열영향부 연화로 인해 강도의 급격한 저하 현상이 나타난다. 또한 낮은 기화점 및 산소와의 빠른 친화력, 금속 간 화합물 생성 등과 같이 용접에 제약을 주는 인자들이 많기 때문에 경량화 재료로 주목받는 소재임에도 불구 용접 문제로 인해 적용이 매우 어렵다.[6]
탄소섬유강화수지[편집]
탄소섬유강화수지(CFRP)는 경량화 및 우수한 인장강도로 인해 선박, 항공기에 많이 사용되고 있는 소재이다. 차량이나 인테리어 부품에서 탄소섬유라고 하는 직물 패턴이 있는데 탄소섬유강화수지는 상도가 스틸의 4배로 비중은 철의 1/4이며 이미 포뮬러원(Formula One) 등의 레이싱카 모노코크 차체 및 브레이크 등에 차용되고 있다. 비엠더블유(BMW)의 소형 전기차의 차체는 성인 2명이 들어 올릴 만큼 가볍게 되어 있는데, 전기차의 높은 연비를 위해 탄소섬유강화수지를 이용하여 경량화를 진행하고 있다. 그러나 탄소섬유강화수지가 우수한 소재임에도 불구 높은 제조 비용 때문에 고부가가치 차량이나 콘셉트카에만 한정적으로 적용되고 있으며, 탄소섬유강화수지로 제작된 부품은 용융 접합이 아닌 구조용 접착제응용기술에 대한 시스템 개발 사례는 없는 것으로 나타났다. 알루미늄은 적용을 통해 중량 절감을 할 수 있고 강화된 연비 기준 충족 및 더 작은 엔진의 적용을 가능하게 된다. 최근 미국 정부가 시행한 신연비규정의 연비 기준 강화와 미국 포드(ford)가 픽업트럭에 알루미늄을 사용하기 시작하면서 연비 개선을 위한 자동차 업계들은 앞다퉈 알루미늄을 적용하게 되었다. 알루미늄의 가격이 철강의 4배에 달하며 경량화 효과를 고려해도 자동차 1대당 소재의 원가가 2배 이상 차이가 나지만 소형 엔진 적용, 내장재 원가 절감을 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 엔진을 탑재할 수 있고 조립 부품을 줄일 수 있어 차량 전체적으로 볼 때 총 원가 절감을 촉진하게 되다. 현 단계에서 알루미늄은 최선의 선택이다. 원가를 상대적으로 낮추면서도 우수한 경량화 성능을 기대할 수 있다. 게다가 알루미늄은 거의 모든 부품에 사용할 수 있다. 알루미늄은 본래의 성질을 잃지 않으면서도 몇 번이고 재활용이 가능하다는 점에서 독특한 지속 가능성을 지닌 소재이고 알루미늄은 다른 소재와 비교해 재활용이 용이하다. 알루미늄 재활용 공정은 1차 제련 공정보다 투입되는 에너지를 95% 절약할 수 있다. 이산화탄소 배출량을 95% 감축할 수 있고 보크사이트나 공업 용수 같은 천연자원도 보전할 수 있다.[6]
차체 프레임 명칭[편집]
- A필러(A Pillar) : 필러는 앞쪽 기둥, 즉 앞유리와 운전석/조수석 옆유리 사이의 기둥이다.
- B필러(B Pillar) : B필러는 앞문짝과 뒷문짝 사이의 기둥이다.
- C필러(C Pillar) : C필러는 뒷자리 옆유리와 뒷유리 사이의 기둥이다.
- 로커패널(rocker panel) : 로커패널은 문짝 아래쪽, 앞바퀴와 뒷바퀴 사이의 길다란 철판의 이름이다.
- 휠하우스(wheel house) : 휠하우스란 말 그대로 휠을 둘러싼, 부분이다. 펜더와는 조금 다르다.
- 펜더(fender) : 휠하우스 위쪽, 헤드램프와 앞문짝 사이 철판 부분을 펜더(Fender)라고 한다.[7]
모노코크와 바디온프레임[편집]
모노코크 바디는 항공기 제작에 사용된 방식으로서 아랍어 모노와 프랑스어 코크가 합쳐진 말로, 모노는 '하나', 코크는 '껍질'을 의미한다고 한다. 그 의미대로 모노코크는 내부 프레임이 없이 외피만으로 만들어지는 구조이다. 이 모노코크 방식을 자동차에 도입하여 만들어진 방식을 유니바디라고 하며 유니바디 방식은 바디온프레임 이후로 나온 방식이다. 처음엔 세단 제작시 많이 사용되던 유니바디는 이제 SUV 제작에도 활용되고 있다. 모노코크의 장점을 살펴보면 내부 프레임이 없어서 공간확보에 유리하고 바디온프레임보다 가벼워 경량화에 유리하며 경량화로 인해 연비가 향상되고 정방향 충격이 아닌 위나 옆으로 가해지는 충격에는 오히려 유니바디가 안정적이고 프레임 없이 차체가 하나로 되어있어 벨런스가 좋고 도로의 충격을 차체로 분산 시켜 승차감이 좋고 제작단가가 저렴하며 제조 시간이 바디온프레임보다 절약된다는 특징을 가지고 있다. 반면 모노코크의 단점으로는 프레임 바디에 비해 강성이 약하고 사고 발생 시 차체가 쉽게 변형될 수 있으며 프레임 바디에 비해 정비성이 떨어지고 바 디온 프레임보다 오프로드 주행에 약하다는 특징을 가지고 있다. 이런 단점을 보완하기 위해 차체 바닥과 필러 등에 프레임 구조를 적용하고 외부 충격을 흡수하는 부분은 강도가 낮은 소재를 사용하여 충격을 흡수하고 차량 내부 탑승공간은 강성이 높은 소재를 사용하는 등 단점을 보완한 유니바디로 출시하고 있다.
바디온프레임, 즉 흔히 말하는 프레임 바디는 자동차의 초창기부터 시작되어 온 방식이다. 강철 재질의 H형 프레임 위에 파워트레인과 외피를 입히는 형태를 가지고 있다. 바디온프레임의 대표적인 차종으로는 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)의 G클래스(Mercedes-Benz G-Class), 기아자동차㈜(KIA Motors Corporation)의 모하비(Mohave), 쌍용자동차㈜(Ssangyong Motor)의 렉스턴(Rexton) 등이 있다. 바디온프레임의 장점은 바디온프레임 차량 내부의 강력한 프레임으로 인해 내구성이 우수하고 타 차량과 충돌 시 충격에 강하며 사고 발생 시 프레임과 바디를 분리할 수 있기 때문에 정비성이 좋고 오프로드 주행에 강하며 무거운 하중에 강하고 견인 능력이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다. 반면 단점으로는 무거운 프레임으로 인해 연료 효율이 떨어지고 무거운 프레임으로 인해 운동 성능이 떨어지며 내부 공간과 프레임이 직결되어 승차감이 떨어지고 제작 단가가 높으며 제조 시간이 오래 걸리는 등의 문제가 있다. 단점들을 개선하기 위해 프레임을 경량 소재를 사용하여 무게를 줄이는 방식으로 단점을 개선하고 있지만 요즘 도심형 SUV가 주류를 이루고 있는 만큼 바디온프레임 구조는 점차 줄고 있다. 제조사들 입장에서도 제작 기간이 오래 걸리고 단가가 비싼 데다 승차감도 떨어지고 날로 높아지는 환경규제에 맞추려면 바디온프레임 제조 방식을 선호하지는 않을 것으로 보인다.[8]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 skdpszk, 〈모노코크와 프레임 이란...〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-27
- ↑ 관리자, 〈자동차용어〉, 《카모두》, 2013-06-15
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 우숙, 〈자동차의 FRAME〉, 《네이버 블로그》, 2005-08-09
- ↑ 4.0 4.1 4.2 자동차 전문 교육 자동차 역사가, 〈11.자동차 프레임의 구조에 의한 분류〉, 《티스토리》, 2016-04-08
- ↑ 카앤조이 reze2010, 〈래더 프레임이란? 래더 프레임의 구조와 특징을 알아봅니다!〉, 《티스토리》, 2017-01-17
- ↑ 6.0 6.1 6.2 티노, 〈자동차 소재의 변화〉, 《티스토리》, 2018-09-09
- ↑ 바닥기어, 〈차량 외부명칭, 몸으로 말해요〉, 《쉐보레 공식 블로그》, 2012-01-27
- ↑ pst8627, 〈모노코크(유니바디) VS 바디 온 프레임(프레임바디) 장단점 비교분석〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-23
참고자료[편집]
- skdpszk, 〈모노코크와 프레임 이란...〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-27
- 관리자, 〈자동차용어〉, 《카모두》, 2013-06-15
- 바닥기어, 〈차량 외부명칭, 몸으로 말해요〉, 《쉐보레 공식 블로그》, 2012-01-27
- 자동차 전문 교육 자동차 역사가, 〈11.자동차 프레임의 구조에 의한 분류〉, 《티스토리》, 2016-04-08
- pst8627, 〈모노코크(유니바디) VS 바디 온 프레임(프레임바디) 장단점 비교분석〉, 《네이버 블로그》, 2019-09-23
- 티노, 〈자동차 소재의 변화〉, 《티스토리》, 2018-09-09
- 카앤조이 reze2010, 〈래더 프레임이란? 래더 프레임의 구조와 특징을 알아봅니다!〉, 《티스토리》, 2017-01-17
같이 보기[편집]
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