2020 쉐보레 콜벳 리뷰 – 1부: 복합재 소재로 만든 걸작

2부는 「복합재 집약적 걸작: 2020 콜벳, 2부」를 읽어보세요.

2019년 7월 18일 공식 공개 이후 찬사를 받아온 제너럴 모터스(GM, 미국 미시간주 디트로이트)의 8세대 쉐보레 콜벳(C8)이 올해 초 상업 생산을 시작했습니다. 새로운 콜벳 스팅레이 컨버터블과 쿠페는 GM이 6만 달러 미만으로 비교 가능한 미드십 엔진 자동차의 1/3 가격에 고성능, 도로 주행 가능, 미드십 엔진 로켓을 생산했다는 사실뿐만 아니라, 인상적인 새로운 복합재 콘텐츠 배열을 갖추고 있어 주목받고 있습니다. 이에 대해 여기와 다음 달 2부에서 설명하겠습니다.

새 엔진 구성, 모든 것을 바꾸다

GM 엔지니어링은 미드십 차량 작업을 알면서 예비 설계에 들어갔습니다. 이는 8세대 만에 미드십 구성을 갖춘 최초의 양산 콜벳입니다. "우리는 프론트 엔진 아키텍처를 성능 측면에서 최대한 발전시켰으므로, 이미 훌륭한 차를 개선하고 세그먼트 리더가 되기 위해 미드십 설계로 전환하는 것이 다음 논리적 단계였습니다."라고 GM의 타지 주크터(Tadge Juechter) 콜벳 글로벌 수석 엔지니어는 설명합니다. Z51 퍼포먼스 패키지 장착 시 2020 콜벳 스팅레이는 0-60mph(0-97km/h) 가속 2.9초, 최고 속도 194mph(312km/h)에 도달합니다. 엔진을 차량 후방으로 이동시킨 것은 차량의 무게 중심, 탑승자 상대 위치, 변속기 위치, 언더바디 패널 및 트렁크 수납 공간 설계에 영향을 미쳤습니다. 미드십 설계는 차량의 새로운 영역에 더 높은 작동 온도와 소음을 도입했습니다.

"미드십 엔진 때문에 우리는 다르게 해야 했습니다."라고 에드 모스(Ed Moss) 콜벳 차체 구조 엔지니어링 그룹 매니저는 설명합니다. "처음부터 차체 구조를 어떻게 배치할지에 대해 많은 논의를 했습니다. 한 시점에는 모든 것이 테이블 위에 올려져 각 시스템을 설계하고 구축하는 최선의 방법을 논의했습니다. 예를 들어, 휠하우스의 금속 대 복합재를 논의했습니다. C7의 복합재 휠하우스를 유지했다면 힌지 필러[A 필러]에 접착해야 하는데, 이는 미드십 차량에서 앞바퀴와 바로 인접해 패키지 공간이 거의 없습니다. 그래서 거기로 금속을 선택했습니다. 금속 대 복합재 바디 패널도 잠시 논의했습니다. 하지만 C8의 스타일링 라인을 금속으로 만드는 것은 경제적으로 비현실적이었습니다."

"우리가 직면한 진짜 도전은 공기 흡입을 어떻게 처리할지였습니다."라고 크리스 바젤라(Chris Basela) 콜벳 차체 구조 수석 엔지니어는 회상합니다. 자연 흡기 495마력 6.2리터 V8 엔진(470 lb-ft, 637 Nm 토크 발생)에 냉각 공기를 유입하고 통과시키는 다른 방법이 필요했습니다. "우리가 원하지 않는 와류와 흐름을 만들며 공기가 정말 고문적인 경로를 따르게 하는 모든 종류의 설계를 시도했습니다. 파워트레인 팀과 많은 반복 작업을 통해 최적의 기류 경로를 개발했습니다. 차는 제한 없이 자유롭게 숨쉬어야 하기 때문입니다. 에어 박스 접근성도 필요했고 리어 트렁크 공간도 고려해야 했습니다. 또 다른 이슈는 승객실의 열과 엔진 소음이었습니다. 탑승자가 더 이상 엔진 뒤에 앉지 않고 바로 앞에 위치하기 때문입니다. 특히 유럽 등에서 C7 이후 법이 변경되어 실내 공기 질에 특히 신경을 써서 VOC(휘발성 유기 화합물)를 줄이기 위해 정말 열심히 노력했습니다."

"자동차를 어떻게 조립할지 해결하는 것도 도전이었습니다."라고 모스는 덧붙입니다. "프론트 엔진 설계에서는 긴 후드와 큰 엔진룸이 있어 프론트 범퍼 빔이 이미 용접된 상태에서도 운영자가 엔진룸 내부에서 차를 조립할 충분한 공간이 있었습니다. 미드십 콜벳은 매우 짧은 프론트 클립을 가지고 있어 차의 앞부분을 차가 조립되는 동안 열어둔 채, 나중에 프론트 범퍼를 볼트로 체결합니다."

"적절한 형상을 얻으면서 공급업체가 부품을 생산하고 볼링 그린[GM의 켄터키주 콜벳 조립 공장] 우리 팀이 조립할 수 있게 하는 것은 상당한 균형 잡기였습니다."라고 바젤라는 계속합니다. "결국 C7 차체에서 C8로 이어진 복합재는 단 하나뿐이었습니다." 이는 2016년 콜벳을 위해 개발된 터프 Class A, 1.2 비중(SG) 시트 몰딩 컴파운드(SMC)로, 신차의 다양한 외부 클로저에 사용되었습니다.

차량 아키텍처

4세대(C5-C8) 동안 콜벳은 3층 다중 소재 차체 구조를 특징으로 합니다: 프레임, 보통 알루미늄이나 강철 혼합 — 이번에는 탄소섬유 강화 복합재(CFRP) 부품 포함; 차체 구조, 주로 접착된 복합재로 설계 및 제조 유연성 활용; 볼트온 클로저(바디 패널), 콜벳의 1953년 6월 데뷔 이래 복합재. 이 계층형 하이브리드 구조는 특히 이 성능급 자동차에서 양산 시 합리적인 경량화를 제공할 뿐만 아니라, 낮은 툴링 투자로 여러 차량 변형을 생산할 수 있게 합니다. 실제로 현재 C8의 경우, GM은 베이스 모델 쿠페와 컨버터블 모두에서 모든 Class A 복합재 바디 패널(접착된 이너와 아우터)을 단 20개의 툴로 생산했습니다.

또한, 콜벳은 실제로 컨버터블이든 고정 또는 탈착식 루프 패널이 있는 쿠페든 상관없이 항상 오픈 루프 아키텍처로 설계되었습니다. 오픈 루프 차량은 일반적으로 고정 루프 차량보다 덜 강하기 때문에, 각 콜벳 엔지니어링의 중요한 초점은 항상 서스펜션과 조향을 개선하기 위해 가능한 가장 강성 있는 기초를 만드는 것입니다. 역사적으로 터널 (프론트 엔진 차량에서 변속기와 드라이브샤프트 하우징)은 콜벳 차체 구조를 지배했으며 높은 비틀림 강성 달성의 핵심 인에이블러였습니다. 새로운 콜벳의 경우, GM은 더 높은 강성을 달성했습니다. 루프 제거 시 C8 차체는 벤치마크 고성능 미드십 경쟁차보다 53.78%, 두 번째 고성능 미드십 경쟁차보다 29.27%, C7보다 13.79% 더 강합니다. 두 복합재 부품이 차량 강성에 중요한 기여를 했습니다. 하나는 프레임 구조에 직접 부착된(리어 범퍼 빔) 것이고, 다른 하나는 언더바디에 부착된(로어 터널 클로저) 것입니다.

프레임 구조

C8의 프레임은 주로 알루미늄 합금이며 GM의 엄격한 kg당 달러 목표를 충족하기 위해 개발된 CFRP 부품 하나가 있습니다. 대조적으로 C7 프레임은 전량 알루미늄이었고 C6는 주로 강철이었습니다.

차체 백색(BIW)과 함께 전착 방청 공정(GM은 ELPO라 부름)을 통과하는 프레임에 직접 장착된 유일한 복합재 부품은 독특한 CFRP 리어 범퍼 빔입니다. 이 부품은 프레임 강성을 높이고 후방 충돌 성능에 기여합니다. 토마스 GmbH + Co. 테크닉 + 이노베이션 KG(TTI, 독일 브레머뵈르데)가 개발한 새로운 공정인 반경 펄트루전(radius pultrusion) 덕분에 가능한 곡선 형상으로, 리어 스타일링 큐와 매치되고 제한된 패키지 공간에 맞으면서 엔진룸 열 근처에서도 치수 무결성을 유지합니다. 자동차 업계 최초의 곡선 펄트루전 부품(이 부품에 대한 전체 특집은 CW 2020년 5월호 참조)으로, 속이 빈 투 챔버 빔은 셰이프 코퍼레이션(Shape Corp., 미국 미시간주 그랜드 헤이븐)이 TTI가 개발하고 제작한 장비로 생산했습니다. 빔 무게는 불과 1.3kg이며, 25킬로뉴턴 인발력을 견디는 접착/볼트 결합 토우 훅 아이(tow-hook eye)가 특징입니다.

차체 구조: 파트 A

C8의 차체 구조 구성요소 거의 모두가 복합재이며, 후자가 ELPO를 거친 후 프레임에 접착 및/또는 볼트 체결됩니다. 이 수준의 주목할 만한 복합재 부품에는 구조적 언더바디 클로저와 플로어(이번 호에서 다룸), 프론트 및 리어 트렁크, 흡기 덕트, 리어 서라운드와 벌크헤드(다음 달 바디 패널과 트림과 함께 다룸)가 있습니다.

C8의 탈착식 로어 터널 구조 클로저는 접근 도어 역할을 하며 차량 비틀림 강성의 10% 이상을 기여하고 충돌 시 주요 하중 경로로 작용합니다. 이 하이브리드 복합재 패널은 유리섬유 프리폼 3층으로 구성됩니다. 이들은 연속/직조 및 절단/랜덤 섬유로 38% 섬유 부피 분율(FVF), 각 스택의 상하 페이스 레이어에 베일을 추가해 표면 마감을 개선했습니다. 유리 프리폼은 토레이(Toray, 일본 도쿄) T700 12K 표준 탄성률 탄소섬유 형태의 NCF 바이액시얼 패브릭 21% FVF와 비닐 에스테르(VE) 매트릭스 2층 프리폼과 교차 적층되었습니다. 클로저는 몰디드 파이버 글라스(MFG, 미국 오하이오주 애슈타뷸라)가 독자적인 PRiME(제조 우수성을 보장하는 사전 배치 보강) 공정, 일종의 액체 압축 성형(LCM)으로 생산합니다.

리어 휠 근처의 단일 알루미늄 클로저(엔진 크래들 부분)를 제외하고, 나머지 언더바디 패널은 압축 성형 SMC 또는 사출 성형 열가소성 수지로 구성됩니다. 이 패널들은 언더바디 난기류와 항력을 줄이고 연비를 개선하며 차량 엔진과 드라이브라인으로 습기, 먼지, 돌이 들어가는 것을 방지합니다. 또한 여러 외부 및 내부 인터페이스의 치수 기초를 제공합니다.

낮은 밀도지만 구조적인 SMC 패널은 MFG가 개발한 새로운 배합(이 경우 40% FVF 절단 유리섬유/불포화 폴리에스터(UP) 수지)을 특징으로 합니다. 이 소재는 각 패널의 밀도가 1.0 미만(평균 SG=0.97)으로 물에 뜰 수 있어 '플로트(Float)' SMC라고 불립니다. MFG는 차의 모든 구조적 SMC와 LCM 처리 부품을 생산했습니다.

차량은 비틀림 굽힘과 측면 폴 충돌 보호(로커 패널과 터널 연결)에 최적화된 하이브리드 플로어도 갖추고 있습니다. 플로어 패널은 실내 쪽 스탬핑 알루미늄이 도로 쪽 1.5-SG 복합재(중량 기준 60% 연속 및 직조 유리섬유/VE) 시트에 PRiME 공정으로 생산돼 접착됩니다. 양쪽 레이어를 애쉬랜드 글로벌 홀딩스(Ashland Global Holdings Inc., 미국 델라웨어주 윌밍턴)의 플라이오그립 9100 폴리우레탄 구조 접착제로 열접착하기 전, MFG는 소재를 세정하고 준비합니다.

C8 프레임에 직접 접착된 모든 복합재 부품은 먼저 레이저 에이블레이션을 거칩니다. 이는 2016년 콜벳을 위해 GM, MFG, 어댑트 레이저 시스템즈(Adapt Laser Systems LLC, 미국 미주리주 캔자스시티)가 개발한 공정으로, 금형 세정을 위한 복합재 산업 방법에서 개조되었습니다. 레이저 에이블레이션은 핸드 샌딩을 대체해 노동력, 시간, 비용을 줄이고 분진을 없애며 반복성을 개선합니다. 레이저 경로, 공격 각도, 에너지 레벨은 각 부품의 소재와 형상에 맞게 커스터마이즈 가능합니다. 제조 유연성을 극대화하기 위해 플로어를 포함한 전체 언더바디가 프레임 및 자체와 접착 및 나사로 연결됩니다.

CW 8월호에서 새로운 콜벳의 복합재 혁신을 계속 다루며, 차체 구조 수준의 추가 구성요소부터 외부 클로저(바디 패널), 추가 트림과 업그레이드까지 마무리하겠습니다. 2부를 참조하세요.