시티 카에 대응하는 제조업체의 도우미
생고뱅 PTFE 복합 베어링과 톨러런스 링으로 시작

도시형 자동차 모델을 제공하는 브랜드는 더욱 치열해지는 자동차시장에서 제품 차별화를 위해 연비와 성능을 향상시키는 디자인과 기술 채택을 강화하고 있다. PTFE 복합 베어링 및 톨러런스 링과 같은 혁신적 부품은 수많은 시스템에 사용돼 무게 감소 노력과 성능 극대화에 기여할 수 있다. 디자인의 작은 변화가 바로 자동차 제조업체에 있어 다음 혁신의 주역이 될 것이다.


크리스 니데스 (Chris Needes) 매니저, 생고뱅(Saint-Gobain Performance Plastics)

최근 몇 년간 자동차 업계의 화두는 도시형 자동차의 증가에 관한 것이었다. 유럽과 미국은 물론, 브라질, 러시아, 인도, 중국으로 구성된 신흥 경제국 BRICs에서도 이러한 경차에 대한 소비자 수요 증가가 보고돼 왔다. 그 결과, 전 세계 자동차 제조업체는 급성장하는 시장에 진입하기 위해 저마다 특색 있는 도시형 자동차 모델을 개발 중이다.
도시형 자동차(어번카 또는 시티카)는 주로 건물이 밀집된 지역에서 사용하도록 제작된 작은 경차를 말한다. 유럽에서는 이러한 도시형 자동차를 보통 ‘A세그먼트(A-segment)’ 차량이라고 하며, 미국에서는 ‘서브 콤팩트 카(sub-compact car)’라고 부른다. 일본의 경우엔 ‘게이 카(kei car)’라는 명칭으로 1950년대부터 인기를 끌어왔다.
도시형 자동차라는 용어는 차량의 크기, 좌석 수, 엔진 크기에 따라 나라마다 의미하는 바가 조금씩 다르다. 유럽에서는 A세그먼트 자동차의 크기에 대한 공식적인 기준이 없고 비슷한 크기의 다른 모델과 비교한 분류만 존재한다. 그러나 미국과 일본에서는 좌석 수, 내부 공간 및 엔진 크기와 관련해 정부에서 지정한 사양을 엄격히 준수해야만 도시형 자동차라는 명칭을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일본의 게이 카는 길이가 3,400 mm, 최대 엔진 배기량이 660 cc를 초과할 수 없다.
도시형 자동차를 포함한 전 세계 경차 수요는 지난해 5% 증가했고 올해엔 6% 더 증가할 전망으로 자동차 산업 애널리스트에 따르면 당분간 이러한 트렌드가 이어질 것으로 예상된다.
전 세계 자동차 판매량에서 도시형 자동차가 차지하는 비중이 증가하는 데에는 몇 가지 주요 요인이 있다. 유럽의 경우 A세그먼트 차량은 도시나 번화가의 교통체증과 주차공간 부족에 대한 해법으로 여러 해 동안 인기를 끌어왔다. 북미와 개발도상국에서도 증가하는 도시 집중화 현상으로 해당 지역 소비자들이 이러한 트렌드를 따르게 됐다. 또 미국과 유럽에서 지속되고 있는 2008년의 경기침체 영향과 BRICs 국가의 성장은 연료비 상승으로 이어졌고, 이로 인해 더 작고 가벼우며 연비가 좋은 차를 찾는 소비자가 점점 더 증가하고 있다.
미국의 경제적 어려움은 ‘적정 규모화(right-sizing)’이라는 새로운 트렌드를 만들어내기도 했다. 미국에서 가처분소득이 감소한다는 것은 단순히 가장 크고 고급스러운 모델을 선택하는 것이 아니라, 출퇴근, 자녀 등하교 및 주말 장보기와 같은 자신의 필요에 적합한 크기의 차량을 선택하는 소비자가 증가한다는 것을 의미한다. 자동차 구매 결정에 있어 더 이상 자부심을 주된 요인으로 생각하지 않는 미국인이 증가하고 있는 것이다.
게다가, 전 세계 자동차 제조업체는 탄소 배출 감소를 요구하는 정부 규제를 준수해야만 한다. 예를 들어, 2012년 발효된 유럽연합 집행위원회(European Commission) 법규에 따르면 자동차 제조업체에게는 전 차량에 대해 차당 CO2 배출이 130 g/km를 초과할 경우 1 g 당 최소 20유로의 벌금이 부과된다. 2015년에는 벌금이 g 당 무려 95유로에 이를 것으로 예상된다. 차량 무게 감소는 이러한 엄격한 요건을 충족하기 위해 연비를 개선하는 데 있어 중요한 단계이다.
 


제조업체의 대응 방법

도시형 자동차의 트렌드를 따른다는 것은 단순히 가장 작은 차를 생산하는 것을 의미하지는 않는다. 선진국과 개발도상국 모두의 소비자는 여전히 자신이 구입하는 차량에서 넉넉한 공간과 안락한 승차감을 얻고 싶어 한다. 자동차 제조업체는 이제 차체와 엔진 및 내부 부품에 혁신적인 합성 소재를 사용하는 것은 물론 기존에 사용하던 스틸 제품보다 가벼우면서도 동일한 수준의 견고함을 제공하는 플라스틱과 알루미늄 소재를 사용함으로써 적극적으로 차량 무게를 줄이고 이를 통해 원하는 연비를 달성하고 있다. 또, 조향장치에 사용하는 작은 EPS(Electric Power Steering) 모터와 함께 연료 소비가 적은 신형 하이브리드 엔진도 개발 중이다.
그러나 경차의 부품은 혁신 소재와 기술을 사용하지 않으면 수명과 탑승자 안전, 그리고 차량이 효율적으로 작동하는 능력에 악영향을 줄 수 있는 잠재 위험을 지니고 있다. 따라서 제조업체는 반드시 올바른 부품을 선택해 자동차 내 각 메커니즘의 성능을 극대화해야 한다.

벨트 텐셔너와 EPS 품질 보장
경량 소재로 제작된 새로운 디자인과 메커니즘이 종래의 디자인처럼 장치에서 제대로 작동하도록 하려면 소재의 장점을 강화하면서 잠재적인 성능 문제를 보상하도록 설계된 부품을 사용해야 한다. 매우 작은 부품이라도 메커니즘과 전체 자동차가 작동하는 데 큰 차이를 가져올 수 있다.
예를 들어, 자동차 제조업체는 벨트 텐셔너와 같은 장치에 경량 복합 베어링을 자체 윤활 PTFE(polytetrafluroethylene) 라이너와 함께 사용하면 무거운 롤러 베어링과 동일한 일정 수준의 마찰력과 내구성을 얻을 수 있다. PTFE 복합 베어링은 롤러베어링에 비해 얼마 안 되는 무게로 성능에는 영향을 주지 않고 차량 무게를 줄이는 데 도움을 준다.
복합 베어링 제조업체는 자동차 제조업체의 요구에 따라 PTFE 라이너에 다양한 필러 혼합물을 추가함으로써 베어링 내부의 마찰력과 마모도를 바꾸거나 조절할 수 있다. 이러한 방식으로 PTFE 복합 베어링은 벨트 텐셔너에 필요한 낮은 마찰력을 제공하거나 차량 문이 마음대로 흔들리면서 닫히는 것을 방지하는 한편 부드러운 움직임을 제공하도록 도어 힌지에 요구되는 좀 더 높은 마찰력을 제공할 수 있다.
스티어링 랙 및 기어에 PTFE 복합 베어링을 사용할 경우 마찰력을 제어할 수 있어 디자이너로 하여금 파워 스티어링 시스템의 무게를 감소시키는 한편, 운전자의 주행 환경을 향상시킬 수 있게 해준다.
지난 몇 년간 스티어링 펌프, 호스 및 유압액으로 구성된 기존의 무거운 유압식 파워 스티어링 시스템을 포기하고 가벼운 EPS 모터를 채택하는 제조업체가 증가해왔다. 기존 유압 장치는 무거울 뿐만 아니라 드라이브 벨트와 도르래가 지속적으로 엔진 동력을 소모하기 때문에 연료 및 작동 효율에 부정적인 영향을 준다.
스티어링 랙과 피니언 기어 사이의 요크(yoke)에 사용되는 PTFE 복합 베어링은 기존에 사용되었던 베어링보다 수명 동안 결합 부품간의 마찰 수치를 일정하게 낮춰준다. 이를 통해 제조업체는 훨씬 더 작은 EPS 모터를 사용할 수 있어 무게를 줄이고 연비를 향상시킬 수 있다. CO2 배출도 감소시킬 수 있다.
 
NVH, 톨러런스 링
탑승자에게 제공되는 공간을 최대화해 안락함을 향상하기 위해 도시형 자동차의 엔진은 차체에서 되도록 적은 공간을 차지하도록 설계되는 추세다. 이러한 소형 엔진 설계에서는 개별 메커니즘이 더 가까이 위치하게 되므로 소음, 진동 및 딱딱함(Noise, Vibration and Harshness, NVH)을 증폭시키고 운전자의 승차감에 영향을 주는 조향축에 전달될 수 있다. PTFE 복합 베어링을 DMF(Dual Mass Flywheel)와 같은 파워트레인 메커니즘에 사용하면 완충 역할을 해 엔진의 NVH를 흡수해 NVH가 탑승자 공간에 전달되는 것을 최소화할 수 있다. 이를 통해 자동차 제조업체는 소음 또는 진동이 증가하는 위험 없이 탑승자에게 차체 공간을 더 할당할 수 있어 운전자와 탑승자 모두에게 더욱 조용하고 쾌적한 주행 환경을 제공할 수 있다.
제조업체는 중량 감소 및 CO2 감소 규정을 충족하기 위해 파워트레인과 조향 장치에 경량 대체 소재를 대거 사용하고 있다. 그러나 이러한 소재는 열팽창률이 서로 달라 결합 부품에 문제를 유발할 수 있으며, 이로 인해 마찰 증가, 성능 저하 및 마모도 증가로 이어질 수 있다. 톨러런스 링을 사용하면 이러한 문제를 피할 수 있다. 톨러런스 링은 하우징과 샤프트 사이에 스프링 역할을 해 서로 팽창률이 다르더라도 항상 결합되는 부품이 꼭 맞게 해준다. 이를 통해 자동차 제조업체는 사용된 소재의 팽창률이 서로 달라도 NVH를 감소시킬 수 있으며 동일한 부품에 여러 경량 소재를 사용해도 차량의 수명이나 성능에 악영향을 주지 않고 전체 무게를 최소화할 수 있다.

높은 신소재 접합성
PTFE 복합 베어링은 제조업체에서 다양한 소재로 구성된 메커니즘을 설계할 수 있게 해준다. 베어링 뒤판에 사용할 수 있는 내식재료와 결합되는 PTFE의 비활성 속성은 제조업체로 하여금 스틸 부품을 차체에 사용되는 마그네슘과 같은 더 가벼운 소재로 만들어진 부품과 결합할 수 있게 해준다. 이를 통해 차량 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있는 이종금속접촉부식(galvanic corrosion)의 위험을 최소화할 수 있다.
톨러런스 링과 PTFE 복합 베어링을 사용해 자동차 장치에 사용되는 다양한 소재를 연결하면 차량 무게 감소는 물론 CO2 배출 감소 목표를 달성하고 핵심 부품의 부식 위험을 최소화할 수 있다. 이는 결과적으로 차량의 수명을 연장하고 소비자의 브랜드 충성도를 형성하는 데 기여한다.
 


작은 디자인 변경서 혁신 시작

세계 자동차시장은 더욱 확장될 것이다. 유럽과 북미에서의 지속적인 약세에도 불구하고 자동차시장은 2008년 경기침체 이후 급속히 회복했다. 아시아와 남미의 수요, 특히 도시형 자동차에 대한 수요가 전 세계 판매량 증가를 견인하고 있다.
모든 주요 선진국과 개발도상국에서 비용을 중요시하고, 환경을 생각하면서 점점 더 도시화되는 소비자를 위한 자동차 설계의 당면 과제를 해결할 수 있는 소형차만의 장점으로 인해 소형차 시장 점유율이 당분간 더 증가할 것으로 예상된다. 더 많은 자동차 제조업체가 이러한 새 성장 분야에 진입하기 위해 자체 도시형 자동차를 출시하고 있다. 이미 도시형 자동차 모델을 제공하고 있는 브랜드는 더욱 치열해지는 자동차시장에서 제품 차별화를 위해 연비와 성능을 향상시키는 디자인과 기술을 채택했다.
PTFE 복합 베어링 및 톨러런스 링과 같은 혁신적인 부품은 수많은 컴포넌트에 사용돼 승용차의 무게 감소 노력과 성능 극대화에 기여할 수 있다. 디자인에서의 작은 변화가 바로 자동차 제조업체에 있어 다음 혁신의 주역이 될 것이다.  AE

AEM_Automotive Electronics Magazine