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BMW 경량화 기술의 진보

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2015-12-01 16:04:26

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다운사이징이 구호가 될 만큼 차체 경량화는 이 시대의 중요한 과제다. 단 몇 %만이라도 중량을 줄이면 훨씬 어려운 엔진 기술 개량을 통해 얻는 이익을 상회할 수 있다. BMW 는 최근 카본 파이버 강화 플라스틱의 사용폭을 넓히는데 힘을 쏟고 있다.


BMW는 전동화 브랜드인 i시리즈의 개발을 전후 해 Intelligent Lightweight Design이라는 컨셉을 소개한 바 있다. 카본 파이버를 차체 패널에 사용한다는 것이 골자였다.

 

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카본 파이버는 1970년대에는 우주선에 사용되었고 1980년에는 스포츠 장비 부문에, 21세기 들어서는 비행기에 사용되었다. 그것이 자동차에 사용되기 시작한 것은 2010년부터이며 2020년 경에는 산업 전체로 사용폭이 확대될 것이라는 전망을 하고 있다.


BMW는 이미 카본 파이버 강화 플라스틱을 i 브랜드에 사용하고 있다. 당장에는 고가의 부품이지만 프리미엄성을 위해 반드시 사용한다는 전략을 실행에 옮기고 있는 것이다. 그렇게 해서 i3는 1,195kg, i8는 1,485kg으로 차체 중량을 억제하는 성과를 이루었다. 배터리와 하이브리드 시스템 등을 탑재하고도 이 정도의 중량 저감을 이룩한 것은 혁명적이라고 해도 과언이 아니다.


경량화는 카본 차체 부품부터 샌드위치 구성, 신재료 개발, 앞 후드와 루프, 도어, 트렁크 리드 등 알루미늄 부품 사용, 알루미늄 휠 캐리어, 알루미늄 앞 범퍼, 고장력 강판, 경량 최적화 등 끝이 없다. 그렇게 해서 BMW는 5~10%의 중량 저감을 이루어 냈다. 물론 그러면서 안전 기중과 환경 규제, 하이브리드 기술과의 효과적인 통합도 이루어 내야 한다.

 

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경량화로 인한 효과도 지대 하다. 연료 소모를 줄이고 이산화탄소 배출량을 저감하며 제동성 향상, 가속성 증대, 드라이빙 다이나믹스 증대, 도로 보호, 안락성 증대, 안전성 강화, 회복성 강화, 주행거리 증대, 자원 재활용, 공장 환경개선 등 많은 도전 과제를 해결할 수 있다.


BMW는 2014년 기술 워크샵을 통해 소개한 것들로는 휠 캐리어와 계기판 지지대, 에어컨 패널, 에어로 라이트 알로이 휠 등으로 모두 카본 파이버를 활용해 경량화를 추구한 것들이었다. 계기판 지지대는 마그네슘 합금으로 했을 때보다 30%, 에어컨 패널은 60%, 알로이 휠은 30%씩의 중량 저감을 이룰 수 있다고 한다.


이들은 효과 면에서는 마그네슘 합금제와 같고 친환경적인 측면에서 우수하며 재활용이 가능하다는 장점등이 있다. 또한 강도와 내구성에서도 비슷하거나 앞선 성능을 보여 준다. 차체 적용했을 때 진동을 흡수하는 효과도 뛰어나다고 한다. 물론 카본만으로는 안될 수도 있어 수지와 같이 녹여서 제품을 생산하기도 한다.

 

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카본 스티어링 휠과 카본 프로펠러 샤프트 등도 눈길을 끌었다. 카본 스티어링 휠은 이제 시작 단계의 것으로 경량화 효과, 차체 부품과의 연결 용이, 시각적인 효과 등에서 우수하다는 실험결과를 제시했지만 아직은 연구단계라는 단서를 달았다. 다시 말해 앞으로 기능적인 측면 등에 대해 더 많은 연구개발이 필요하다는 것이다.


또한 휠의 경량화 과정도 눈길을 끌었다. 가장 먼저 시도되었던 것이 알루미늄 다이캐스트제였고 그 다음이 알루미늄 강화 휠로 앞의 것에 비해 15~20%의 경량화를 이루었다. 그 다음 단계에 등장한 것이 알루미늄과 카본 파이버의 하이브리드 휠로 고성능 차에 사용가능한 단계까지 발전해 있다. 이는 디자인 자유도가 높아 앞으로도 더 많은 실용화가 예상된다.


그리고 완전 카본 파이버 휠이 고려되고 있다. 디자인 변경이 불가해 자유도가 낮다는 단점이 있지만 에어로 다이나믹과 경량화 등의 효과가 있다. 하이브리드 휠에 비해 15% 가량의 경량화가 가능하다고 한다.


참고로 현행 3세대 X5의 경우 360도 경량화라는 컨셉으로 각 부분에서 줄인 중량이 엔진 캐리어와 스프링 브라켓 알루미늄에서 8kg을 저감한 것을 시작으로 타이어 디자인에서 -8kg, 휠에서 -4kg 등 모두 40.7kg을 경량화 했다.

 


카본 코어(Carbon Core)에 의한 Efficient Light Weight


6세대 7시리즈의 경량화에 대한 연구는 한 단계 더 진보했다.  신형 7시리즈는 CFRP(카본 파이버 강화 플라스틱), 알루미늄 합금, 강판 등을 채용해 새로운 경량 구조를 적용하고 있다. 다양한 종류의 재료를 적재적소에 사용함으로써 차체의 경량화를 추구하는 복합재질 구조는 강판이 주를 이루었던 기존 차체 골격을 대폭 가볍게 하기 때문에 이전부터 주목을 끌어왔다.

 

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유럽 자동차회사들은 이 흐름에 따라 골격에 강판과 알루미늄 합금을 조합시킨 구조를 늘려가고 있다. CFRP의 적용에 있어서는 일부 고급차 메이커들을 제외하고는 아직까지 본격화되지는 않고 있다.


6세대 7시리즈는 강판와 알루미늄 합금만이 아니라 CFRP를 골격의 보강재로 적극적으로 사용한다고 하는 구조를 새로 개발했다. 기본 골격은 강재(Steel)이지만 A필러 내부 등에 CFRP제 부품을 사용해 강성과 강도를 높이고 차체를 가볍게 했다. 기존 모노코크 차체를 사용하면서 CFRP도 포함한 복합재질 구조를 실현한 예는 극히 드물다.

 

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BMW는 이번 CFRP를 채용한 차체 설계 기술을 카본 코어(Carbon Core)라고 명명하고 있다. 강판으로 만든 폐단면의 안쪽에 CFRP제 심재를 넣었다는 점 때문에 부여한 이름이라고 한다.


7시리즈가 생산되는 독일 딩골핑 공장에서는 롤스로이스의 알루미늄 차체가 생산되고 있다. CFRP제품도 생산하고 있다.

 

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BMW 6세대 7시리즈의 기술 테마는 Efficient Light Weight. 7시리즈는 안전장비 등의 충실을 추구하는 한편 5세대 모델보다 차량 전체에서 130kg, 차체 골격에서 약 40kg의 경량화를 실현했다. CFRP제 부품의 채용에 의해 경량화 함과 동시에 캐빈 부품을 중심으로 구부러짐, 비틀림 강성의 강화를 꾀했다.

 
BMW는 원재료의 생산부터 폐차시의 리사이클까지를 포함한 라이프사이클 전체의 CO2 배출량을 선대에 비해 약 25% 억제했다.  

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