자동차 부품 이야기

이슬, 2020년 12월 07일

우리는 일상생활에서 너무나도 편리한 교통수단 중 하나인 자동차를 이용하고 있습니다. 이 자동차들은 어떤 부품들로 어떻게 조립이 될까요? 자동차를 만드는데 사용하는 부품의 개수는 무려 2만개가 넘는다고 합니다. 하지만, 이러한 부품들을 조립하는데 걸리는 시간은 단 1분이면 충분하다고 합니다. 정말 신기하지 않나요? 지금부터 자동차가 어떤 방식으로 조립되고, 어떤 부품들을 사용하는지에 대해 함께 알아보도록 하겠습니다.

자동차 조립 발전 과정

포드의 컨베이어벨트자동차 생산 발전 과정의 시초는 포드의 컨베이어벨트 시스템입니다. 때는 1903년, 그 시절 자동차는 모든 작업이 수작업으로 이루어져 비쌌기 때문에 일반 서민들은 자동차가 부담스럽고, 가질 수 없는 사치품이라고 생각했습니다. 이에 포드는 자동차를 여러 사람에게 보급하기 위해 대량생산을 생각했고 마침내 시카고의 한 도살장에서의 노동자들이 일하는 모습을 보고 컨베이어벨트를 고안해냈습니다. 컨베이어벨트 방식은 한 줄의 움직이는 벨트 위에 필요한 부품들을 놓고 조립하는 방식입니다. 하지만, 하나씩 조립해야 하기 때문에 효율성이 떨어져 문제점이 많았습니다. 이런 문제를 해결하기 위해 일본 토요타에서 저스트 인 타임(Just in Time)의 약자 JIT 방식을 고안해냈습니다. JIT란 고객의 주문이 들어오면 시간에 맞춰서 생산하는 방식을 말합니다. 즉, 재고가 남지 않아 재고비용을 최대한 줄일 수 있습니다. 이러한 발전 과정을 거쳐 현재에는 많은 부품들을 단 1분 만에 조립할 수 있게 되었습니다. 정말 대단하지 않을 수 없습니다.

자동차 제조 공정 과정은 프레스, 차체조립, 도장, 의장, 검수로 이루어진 다섯 단계를 거칩니다. 먼저, 자동차의 기본구조를 만드는 프레스는 철판을 변형시켜 패널을 제작하고, 패널조립 및 차체조립을 통하여 자동차의 모양을 만듭니다. 이후, 도색과 페인팅 공정을 하는 도장과 차체에 부품을 장착하는 의장을 거치게 됩니다. 마지막으로, 수밀검사와 기능검사를 통한 성능과 안전을 최종 검수하면 자동차를 출고할 수 있습니다.

내연기관 자동차 부품의 종류

자동차가 어떻게 조립되는지 살펴보았으니 이제는 자동차의 부품에 대해서도 알아보는 시간도 가져보겠습니다. 자동차 부품의 핵심은 파워트레인(powertrain)으로서, 엔진에서 발생한 에너지를 변속기와 추진축을 거쳐 최종적으로 자동차 바퀴에 전달하는 장치입니다. 부품들을 좀 더 상세하게 종류별로 크게 분류하면 서스펜션, 변속, 연료공급, 조향 등으로 구분할 수 있습니다.

파워트레인(power train)

조향장치(steering system)

1. 조향장치

조향장치는 자동차의 타이어가 굴러가는 방향을 조절할 수 있는 장치입니다. 즉 자동차의 방향을 바꾸는 것이죠. 다른 말로는 스티어링 시스템(steering system)이라고 합니다. 스티어링 휠에서 타이어까지의 모든 부품들이 포함되는데, 조향 휠, 조향 축, 조향기어, 피트먼 암, 드래그 링크, 타이 로드, 너클암 등이 포함됩니다. 운전자가 조향 휠을 조작할 때, 연결된 조향 축에 회전력이 전달되며 조향기어 또한 같이 회전하는 원리를 사용합니다. 이때 조향기어의 톱니바퀴에 의해 회전운동이 직선운동으로 전환되고, 타이 로드가 너클에 전달하면서 타이어의 방향을 바꿉니다.

연료탱크(fuel tank)

2. 연료공급장치

연료공급 계통은 엔진에 연료가 들어가도록 돕는 체계로 연료탱크와 라인, 연료공급펌프 등이 포함됩니다. 연료탱크는 연료를 보관하는 곳으로, 내부는 아연 도금으로 이루어져 있어서 부식을 방지하도록 되어 있습니다. 연료탱크 내부에는 대기압을 형성하기 위한 대기압 호스가 있습니다. 연료라인은 연료탱크에서 노즐까지 연료가 지나가는 파이프를 말합니다. 주로 스틸 파이프나 동 파이프가 사용되며 내유 또는 내화성의 고무, 합성수지 호스 등을 사용하기도 합니다.

엔진(engine)

3. 엔진

자동차의 엔진(engine)은 연료 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 장치입니다. 엔진은 자동차의 심장입니다. 엔진은 연료탱크에서 들어온 연료와 공기를 혼합하여 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 거쳐서, 운동 에너지를 발생한 후 파워트레인을 거쳐 자동차 바퀴에 전달합니다. 엔진의 피스톤이 하강하면서 흡입밸브가 열리고 공기와 연료가 주입되고, 피스톤이 상승하면서 압축이 이루어진 상태에서 점화 플러그에 불꽃이 일어나 폭발이 발생하면서 강력한 운동 에너지가 생겨납니다. 마지막 단계에서 피스톤이 다시 상승하면서 배기밸브가 열리고 배기가스를 밖으로 배출합니다. 엔진 종류에는 피스톤, 밸브, 크랭크 등으로 구성된 실린더의 개수에 따라 4기통, 6기통, 8기통, 12기통 등이 있습니다.

4. 변속장치

변속장치는 엔진에서 만든 운동 에너지를 바퀴로 전달하는 장치를 말합니다. 변속계통 중 변속기는 트랜스미션(transmission)이라 불리기도 하는데, 일반적인 자동차에서는 1단에서 5단까지의 단계로 이루어져 있습니다. 힘을 강하게 주기 위해 감속비가 크게 설정되어 있는 1단과 2단, 속도를 유지하거나 가속할 수 있도록 엔진 회전수와 비슷한 기어비로 되어 있는 3단과 4단, 오버드라이브로 빠른 속도에서 주행하기 위해 엔진 회전수보다 낮은 기어비로 이루어져 있는 5단으로 구성되어 있습니다. 하지만 이는 일반적인 자동차의 이야기이고, 자동차마다 각각 다양한 변속 단계를 구성할 수 있습니다.

수동변속기(manual transmission)변속기의 종류에는 클러치의 사용 유무에 따라 나뉘는데, 클러치를 직접 조작해야 하는 수동변속기와 클러치를 조작할 필요가 없는 자동변속기가 있습니다. 수동변속기는 스틱 트랜스미션이라고도 불리며, 속도나 엔진 회전수에 따라 변속 레버를 운전자가 손으로 바꾸는 변속기입니다. 자동변속기보다 부품이 적게 들어가 가격이 싸고 수리비가 적게 드는 장점이 있습니다. 또, 배터리가 방전되었을 때 밀어서 시동을 거는 것도 가능합니다. 하지만, 가속 및 감속 때 충격과 엔진 소음이 커서 승차감이 좋지 않고, 변속 레버를 조작하기 전에 클러치를 밟아야 하므로 운전이 미숙한 초보의 경우에는 시동을 꺼트릴 가능성이 높습니다.

자동변속기(auto transmission)자동변속기는 오토매틱 트랜스미션이라고도 하며, 속도나 엔진 회전수에 따라 변속비를 변속기가 스스로 바꾸는 기능을 갖춘 변속기입니다. 수동변속기처럼 잦은 변속과 클러치 조작이 필요 없어서 운전이 미숙한 초보에게도 아주 편리합니다. 변속 충격과 엔진 소음이 적기 때문에 승차감이 수동변속기 차량보다 안정적입니다. 하지만, 부품이 많이 들어가서 구조가 복잡하고 가격이 비싸며, 고장이 났을 때 유지 및 보수도 어려운 단점이 있습니다.

5. 서스펜션

서스펜션(suspension) (출처: 두산백과)서스펜션(suspension)은 다른 말로는 현가장치(懸架裝置)라고도 하는데, 바퀴를 차체와 연결하는 역할을 합니다. 서스펜션은 어떤 충격이 있을 시 차체나 탑승자에게 피해가 가지 않게 충격을 흡수해주는 장치입니다. 이 장치는 자동차의 승차감 및 안전성에 큰 영향을 주기 때문에 중요한 역할을 합니다. 방식은 구조에 따라 스트럿 방식, 위시본 방식, 멀티식 등 여러 가지 방식이 있습니다. 스트럿(strut) 방식은 국내 자동차에 많이 쓰는 방식이며, 엔지니어인 얼 맥퍼슨(Earl MacPherson)의 이름을 따서 맥퍼슨 스트럿이라고 말합니다. 또한 구조적으로 간결하며 정비성이 좋아 자주 사용하는 방식 중 하나입니다. 스트럿 방식은 로워암의 L자 모양의 형태에 하나의 활대가 서스펜션 스트럿을 지지해줘서 간단해 보이는 구조입니다. 위시본(wishbone) 방식은 조류의 목과 가슴 사이에 있는 뼈 모양을 본따서 V자 모양의 형태를 띠고 있습니다. 또한, 노면에 대해서 거의 수평으로 장착된 상하(어퍼 암, 로워 암) 2개의 암이 업라이트를 사이에 두고 지지하는 구조로 되어 있습니다. 구조상 강성 확보에 용이하며, 서스펜션이 범프 할 때 캠버 변화를 최소한으로 억제하는 것이 가능하여, 타이어와 노면의 사이의 마찰력 변화가 적은 것이 이점이기도 합니다. 멀티식 방식은 이런 위시본 방식을 기본으로 개발된 방법 중 하나입니다. 독립된 몇 개의 암으로 구성되어 모든 암이 물리적으로 떨어져 있으므로 배치의 자유도가 커, 보다 세세한 세팅을 할 수 있습니다. 벤츠를 포함하여 여러 자동차 브랜드에 현재까지도 사용되고 있습니다.

전기자동차 부품의 종류

지금까지는 내연기관 자동차의 부품 종류에 대해 알아보았으니 다음은 차세대 친환경 자동차인 전기자동차의 부품에 대해서 살펴보겠습니다. 전기자동차 부품의 종류는 내연기관 자동차 부품의 종류보다 더욱 간편하게 모터, 인버터, 배터리 등으로 이루어져 있습니다.

1. 모터

모터(motor)내연기관 자동차에 엔진이 있다면 전기자동차에는 모터(motor)가 있습니다. 여러분은 전기자동차 한 대에는 몇 개의 모터가 들어가는지 알고 있나요? 현재 양산되는 전기자동차들의 경우에는 전륜에 1개의 모터가 들어간 경우가 많습니다. 모터는 사용하는 전류의 종류에 따라 직류를 사용하는 DC모터와 교류를 사용하는 AC모터가 있습니다. 대부분의 전기자동차들은 AC모터를 사용합니다. AC모터는 구조적으로 브러시(brush)가 필요하지 않아 보수가 필요하지 않고, 자동차 수명을 넘어선 내구성을 갖추고 있습니다. 뿐만 아니라 DC 모터에 비해 제어방식은 복잡하지만 기술적 완성도가 높아 보다 세밀하게 속도를 조절할 수도 있습니다.

그렇다면, 자동차 브랜드마다 어떤 모터를 사용하는지도 알아야 합니다. 아이오닉(Ioniq), 코나(Kona), 니로(Niro), 쏘울(SOUL) 등 현대자동차(Hyundai Motor)와 기아자동차(KIA Motors)의 전기자동차들은 자체 개발을 진행한 모터를 사용하고 있습니다. 미국 테슬라(Tesla)의 전기자동차 또한 모터를 자체 개발 중입니다. 하지만, 쉐보레의 볼트 EV(Bolt EV)는 LG의 모터가 적용되어 있습니다. 이렇듯 모터는 전기자동차의 핵심부품이고, 핵심 경쟁력이기 때문에 점차 차체에 내재화될 것으로 예상됩니다.

2. 인버터

LG전자의 인버터(inverter)인버터(inverter)는 전기자동차의 모터만큼 중요한 비중을 차지하는 부품입니다. 인버터는 배터리의 고전압 DC전류를 고전압 AC전류로 바꾸어 모터에 공급하는 역할을 합니다. 고전압 AC의 주파수 및 전압을 보다 세밀하게 제어해서 모터의 출력을 조절합니다. 또한, 정확한 충전을 유지하는 역할을 하며 모터의 회전속도 및 토크 조절에 영향을 미칩니다. 인버터는 각종 회로와 함께 입출력을 위한 커넥터, 소자, 커패시터(capacitor) 등으로 구성되어 있습니다.

3. 배터리

배터리팩(battery pack)배터리(battery)는 전기자동차의 핵심이며, 속도와 운행거리를 결정하는 요소입니다. 배터리의 구조는 셀(cell), 모듈(module), 팩(pack)으로 이루어져 있습니다. 전기자동차가 움직이려면, 스마트폰의 수천 배에 달하는 많은 전기가 필요하여 배터리가 수십 개에서 많게는 수천 개까지 필요합니다. 전기자동차는 2차 전지인 리튬이온 배터리를 가장 많이 사용하는데, 음극재, 양극재, 분리막, 전해액, 케이스의 5대 소재로 구성되어 있습니다. 2차 전지인 리튬이온 배터리는 재사용이 가능한데, 이는 충전과 방전이 가능하기 때문입니다. 하지만, 리튬이온 배터리의 수명은 제조사 규격과 사용 조건에 따라 짧게는 5년, 길게는 10년 전후로 알려져 있습니다.

이렇게 전기자동차 부품의 세 가지 종류에 대해 알아보았습니다. 이러한 부품들을 생산하는 기업들의 미래는 전기자동차의 보급, 확산과 더불어 매우 창창하리라 생각됩니다. 내연기관 자동차 관련 기업들은 하향세인 반면, 전기자동차 관련 기업들은 엄청난 상향세를 보이고 있다고 합니다. 마지막으로, 이러한 기업들이 미래에는 어떠한 영향들을 끼치는지에 대해 살펴보겠습니다.

자동차 부품 기업의 미래

2020년 코로나19 사태로 인해 자동차 부품 기업들은 큰 위기에 처해 있습니다. 중국에서 발생한 코로나19로 중국산 부품의 수급에 문제가 발생했기 때문에 전 세계 주요 자동차 회사들이 생산을 중단하는 등의 어려움으로 인해 발생한 것입니다. 한국의 경우 산업통상자원부가 팔 걷고 지원에 나섰습니다. 자동차 부품 기업들의 경쟁력 회복을 위해 중소 및 중견 자동차 부품기업들을 대상으로 총 100억 원 규모의 지원을 했습니다. 산업통상자원부는 기업이 코로나19로 인해 생산에 차질이 발생한 경우 우대지원을 하거나 타 산업 기술의 적용을 통한 새로운 융합 제품개발을 지원하는 등 많은 관심과 지원을 아끼지 않을 예정입니다.

한국에는 여러 종류의 자동차 부품 기업들이 많습니다. 이러한 기업들은 대부분 엔진과 관련된 부품을 생산하는 곳이죠. 세계의 여러 자동차 부품 기업들은 내연기관 부품들의 수익성이 악화되자, 관련 사업들을 매각하거나 구조조정을 진행하며 사업의 크기를 줄이고 있습니다. 현재 세계의 전체적인 분위기는 친환경 자동차인 전기자동차, 자율주행 자동차에 개발과 투자를 집중하고 있는 상황입니다.

2만개의 부품이 필요한 내연기관 자동차와는 달리 전기자동차는 엔진이 필요하지 않아 6천개의 부품만을 사용합니다. 따라서 무려 70%에 달하는 엔진 관련 부품들이 사라지게 됩니다. 엔진, 변속기 등 파워트레인 관련 주요 부품과 엔진오일, 연료탱크, 동력전달 등을 생산하는 기업에게는 상당히 큰 부정적 영향이 예상됩니다. 하지만 반대로 배터리, 모터, 인버터 등 전기자동차 전용부품, 자율주행 및 충전 인프라 관련 부품기업은 시장 영역이 확대되어 긍정적 파급 효과가 커질 것으로 전망됩니다.

한편 세계의 분위기에 발맞춰 한국에서도 정부와 관련 단체들이 빠르게 움직이고 있습니다. 한국 정부는 자동차 부품기업의 혁신역량 강화와 미래차로의 사업전환을 위해 2020년 50억을 투자했습니다. 뿐만 아니라 산업통상자원부와 한국자동차연구원 또한 사업전환을 지원하기 위해 자동차 부품기업 혁신지원 사업을 공고했습니다.

이처럼 전기자동차와 자율주행 자동차는 더 이상 머나먼 미래의 이야기가 아닙니다. 주변에서도 종종 전기자동차와 자율주행 기능이 탑재된 차량을 볼 수 있습니다. 점점 발전하는 미래의 혁신 산업을 통해 앞으로 전기자동차 산업의 전망이 어떻게 이어질지 그 행보가 기대됩니다.