[자동차 상식]자동차의 뼈대를 알아보자

기사입력 2017.06.14 16:32
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사람에게는 뼈대가 있다면, 자동차에는 섀시(Chassis, 차대, 車臺)가 있다. 사람이 뼈대 없이는 생명활동을 할 수 없듯이, 자동차도 섀시가 없으면 달리고, 돌고, 서는 자동차 본연의 기능을 할 수 없다. 자동차를 이루는 기반이자 골격인 ‘섀시’의 기본적인 내용에 대하여 알아 보자.


바디와 섀시란?

자동차의 구조는 ‘바디(Body, 차체, 車體)’와 섀시로 이루어진다. 바디는 자동차의 승객과 화물을 수용하고, 이를 외적인 요소로부터 보호하는 구조물이다. 또한, 사람이 자동차를 사용하기 위해 필요한 모든 의장품(좌석, 내외장재, 에어백 등)이 탑재되는 부분이다. 섀시는 자동차를 구성하는 가장 기본이 되는 토대로, 자동차의 주행과 자동차에 가해지는 모든 하중을 감당하는 역할을 하는 구조물이다.


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섀시는 골격에 해당하는 프레임과 심장에 해당하는 파워트레인, 그리고 구동축, 조향장치, 제동장치, 현가장치 등으로 이루어진다. 자동차의 주행에 필요한 모든 구성요소들을 갖춘 섀시는 최소한의 의장품만 갖추면 주행이 가능하다. 신차 개발 과정의 테스트에서 끊임 없이 활용되는 롤링 섀시(Rolling Chassis)가 그것이다.


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자동차 역사의 초창기에는 자동차 제조사란 곧 자동차의 ‘섀시’를 제작하는 곳이었다. 바디를 포함한 그 나머지를 만드는 역할은 다른 곳의 몫이었다. 오늘날 영국이나 이탈리아 등지에 아직도 남아 있는 ‘코치빌더(Coachbuilder)’와 ‘카로체리아(Carrozzeria)’ 등이 바로 이러한 일을 맡았던 이들이었다. 당시에 자동차를 구매하려는 사람은 먼저 자동차 제조사에 파워트레인과 섀시의 제작을 의뢰하고, 그것이 완성되면 이를 코치빌더(혹은 카로체리아)에 맡겨 바디를 비롯한 각종 의장품을 제작 및 설치해야 비로소 완성된 자동차를 가질 수 있었다.


모노코크와 바디-온-프레임

자동차의 뼈대를 이루는 바디와 섀시의 구조는 크게 모노코크(Monocoque) 방식과 바디-온 프레임(Body-On-Frame) 방식으로 나뉜다.


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모노코크는 바디와 섀시가 일체형으로 구성된 섀시로, 일체형 차체, 유니바디(Unibody) 등으로도 불린다. 이탈리아의 란치아(Lancia)가 1922년에 선보인 람다(Lambda)를 통해 처음으로 상용화한 차체구조로 오늘날에는 대부분의 승용자동차들은 물론, SUV들조차 이 구조를 따르고 있다.


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모노코크는 자동차의 대량생산이 가능해짐에 따라 함께 발전해 왔다. 바디와 섀시(정확히는 골격에 해당하는 프레임)가 일체화된 구조로 인해, 생산 공정이 크게 줄어, 생산성도 높이고 제조원가도 크게 절감할 수 있었기 때문이다. 이 모노코크 바디의 하부구조를 공유하는 것을 두고, ‘플랫폼을 공유한다’고 말한다. 플랫폼을 공유하게 되면, 하나의 생산 라인에서 다종(多種)의 차량을 동시에 생산할 수 있기 때문에 생산성 향상에 크게 일조한다.


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모노코크는 일체화 구조의 특성 상, 외력과 하중을 바디와 섀시 전체가 부담하기 때문에 바디와 프레임을 별도로 사용하는 구조에 비해 중량을 크게 절감할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 충돌 에너지를 흡수하는 설계가 용이하여 안전 측면에서도 유리하다. 뿐만 아니라, 구조 상 비틀림 강성이 높아서, 코너링 성능을 높이기에도 유리하다. 아울러, 공간을 차지하는 별도의 프레임이 존재하지 않기 때문에 실내 공간 확보에도 유리하다.


오늘날 전세계의 승용차 업계에서 상식으로 굳어진 모노코크 구조에도 단점이 있다. 보디-온-프레임 방식에 비해 수직 하중을 버티는 능력이 현저히 부족한 것이 그 첫번째다. 차체 전체에 가해지는 하중을 감당하기에 좋지만, 차체 한 방향에 집중적으로 하중이 걸리는 경우(특히 수직 하중)에 약하다. 이 때문에 차체에 외력이 가해질 경우 상대적으로 변형되기 쉬우며, 바디와 섀시가 합쳐져 있는 구조인 만큼, 바디의 변형이 섀시의 변형으로 이어지는 경우도 많다. 이런 경우에는 작은 수준의 변형으로도 차체 전체에 영향을 끼칠 수 있으며, 안전한 주행이 불가능한 상태에 빠질 수 있다.


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바디-온-프레임은 흔히 ‘프레임 섀시’라고 이르는 그것으로, 글자 그대로 프레임(섀시) 위에 바디를 올린 구조이다. 이 방식은 자동차 역사의 초창기부터 이어져 내려오고 있는 방식으로, 주행에 필요한 모든 것이 갖춰진 섀시에 바디를 결합하여 차체 구조를 이룬다. 차종에 따라서 서스펜션의 하중을 분산시키기 위해 별도의 서브프레임을 설치하는 경우도 있으나, 기본적으로는 차체에 가해지는 모든 외력과 하중을 프레임 하나로 감당한다. 따라서 프레임의 설계가 무엇보다도 중요하다. 프레임의 설계에 따라 특성이 크게 바뀌기 때문이다.


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바디-온-프레임 방식은 형태에 따라 사다리형 프레임, 스페이스 프레임, 본 프레임 등으로 그 종류가 세분화 된다. 초고성능 스포츠카 등에서는 욕조 형태로 설계된 프레임을 사용하는 경우도 있다. 본 기사에서는 주로 상용차와 픽업트럭, 그리고 일부 SUV 모델들에서 사용하는 사다리형 프레임을 중심으로 설명한다.


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바디-온-프레임 방식은 바디와 섀시가 서로 분리되어 있다. 이 덕분에 모노코크에 비해 설계가 유연하여 하나의 프레임으로 서로 다양한 차종을 생산할 수 있다. 또한, 프레임이 차에 가해지는 모든 하중을 감당해야 하므로, 튼튼한 구조강도가 필수적으로 뒷받침되어야 한다. 이 덕분에 프레임은 모노코크에 비해 변형이 잘 일어나지 않으며, 감당할 수 있는 중량 한계도 훨씬 높다. V를tlrque rrk, hicle 또한, 하중을 감당하는 부위가 프레임으로 한정되어 있기 때문에, 바디가 손상을 입어도 프레임이 무사하다면 운행이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 모노코크에 비해 대체로 정비성도 우수하다.


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승용차 업계의 상식이 모노코크라면, 상용차 업계와 오프로더의 상식은 바디-온-프레임이다. 특히, 크기가 크고 감당해야 할 하중이 높아야 하면서도 설계 상 버스, 화물차 등은 모두 강력한 하중 지지 능력을 지닌 바디-온-프레임 방식으로 만들어진다. 상용차에 널리 사용되는 사다리형 프레임의 경우, 화물 적재와 견인을 위해 상하 방향으로 작용하는 하중과 전후방향으로 작용하는 하중에 강하게 설계된다. 또한, 험로 주파 및 견인 성능을 강조하는 픽업트럭이나 정통파 SUV들 역시 수직하중과 견인에 강한 바디-온-프레임 방식을 채용한다. 이 방식을 사용하는 SUV로는 최근 쌍용자동차에서 출시된 G4 렉스턴과 지프의 랭글러 모델군이 대표적이다.


자동차 역사의 초창기부터 함께 해 온 바디-온-프레임 방식에도 단점은 존재한다. 무거우면서 공간을 많이 차지한다는 점이다. 무겁다는 것은 승용차의 상품성을 이루는 중요한 요소인 연비의 하락과 성능의 저하를, 공간을 많이 차지한다는 점은 실내공간 설계에서 필연적으로 불리해진다는 것을 의미한다. 이는 우수한 연비와 여유로운 공간 설계가 상품성에 큰 영향을 끼치는 오늘날의 일반 승용차 시장에서 불리하게 작용한다. 차량의 개발단계부터 공간과 중량에서 패널티를 안고 시작하는 셈이기 때문이다.


뿐만 아니라, 바디-온-프레임 방식은 충돌안전 측면에서도 모노코크에 비해 효율적인 안전 구조를 설계하기가 까다롭다. 오늘날 자동차의 충돌 안전 개념은 차량의 전후면을 일종의 충격 흡수를 위한 완충 공간(Crumple Zone, 크럼플 존)으로 사용하고 객실 공간의 구조재를 강화(Safety Zone 세이프티 존)하여 승객의 안전을 지키는 방법론을 취하고 있다. 바디-온-프레임 방식은 모노코크에 비해 이러한 충돌안전 개념을 구현하기가 더 까다로운 편이다. 물론, 포드의 신 세대(13세대) F-150 픽업트럭과 같이, 바디-온-프레임 방식을 사용하면서도 최고 수준의 충돌안전성을 구현한 사례도 없지는 않다. 

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