경량 파워트레인 설계로 EV 성능 향상: 기어박스 하우징 30% 경량화 달성

주조 알루미늄 대신 하이브리드 탄소/유리섬유 강화 열가소성 복합소재로 기어박스 하우징 재설계

중량 감축은 전기차(EV) 성능 개선과 주행거리 연장 목표로 지속됩니다. 이를 위해 설계자와 제조사들은 배터리 인클로저, 차체 패널, 섀시 구조, 서스펜션 부품에 복합소재 활용 모색 중. 하지만 한 프로젝트는 배터리 이외 파워트레인, 즉 기어박스 하우징에 초점 맞춰 주조 알루미늄을 하이브리드 탄소섬유·유리섬유 강화 열가소성 복합소재로 대체해 30% 중량 감축 달성했습니다.

이 프로젝트는 ARRK 그룹(일본 오사카) 내 여러 회사들이 엔지니어링했습니다. 1948년 설립, 15개국 20개 회사, 3,500명 이상 직원, 설계·프로토타이핑·툴링·소량 생산 등 제품 개발 서비스 다수 산업 제공. 2018년 초부터 ARRK 주식회사가 미츠이 케미칼즈 그룹(일본 도쿄) 자회사 편입, 장섬유 강화 열가소성 컴파운드와 단방향(UD) 탄소섬유/폴리프로필렌(CF/PP) 테이프 생산. ARRK는 복합소재를 14개 전문 센터 중 하나로 지정, 2012년 독일 산업 협회 카본 컴포지츠 e.V.와 MAI 카본 가입, 2015년 컴포지츠 UK 가입.

이 기어박스 하우징 프로젝트 엔지니어링은 ARRK/P+Z 엔지니어링 GmbH(독일 뮌헨) 완료, ARRK 셰이퍼스 프랑스(ARRK Shapers' France, 프랑스 라 세귀니에르와 에그르푀유쉬르메인) 생산 공정 및 스탬핑·몰딩 툴 지원, 프로토타이핑은 ARRK LCO 프로토물(ARRK LCO Protomoules, 프랑스 알비쉬에란) 주도. "목적은 전기차 엔진과 변속기 부품에 통상 쓰이는 주조 알루미늄 대비 섬유 강화 열가소성이 제공할 수 있는 경량성과 강성 입증"이라며 ARRK 엔지니어링 프로젝트 리더 라이크 라데마허(Raik Rademacher) 설명.

프로젝트 기준 기어박스는 게트락(Getrag, 독일 운터그루펜바흐)이 스마트 포투(Fortwo) 전기 시티카용 제작. 하우징만 재설계, 내부 부품 모두 재사용 변경 없이 작동. 재엔지니어링 접근법에 유한요소모델(FEM), 위상 최적화, 프리폼 스탬핑 및 사출 오버몰딩 공정 시뮬레이션 등 다양한 시뮬레이션 활용. 금속 설계를 복합소재로 전환하는 프로세스도 입증, 다양한 소재·공정·구조 전문성 가진 다수 파트너 협업.

목표, 하중, 소재 정의

이 EV 기어박스 하우징은 차량 변속기 기어와 샤프트 주위 기계적 체결로 결합된 두 반쪽으로 구성. 컨셉 단계는 설계 목표 정의로 시작. 첫 단계는 분해된 포투 기어박스 3D 스캔으로 내부 부품, 샤프트, 기어 포함 역설계 유한요소모델 생성. 최대 입출력 토크, 기어비, 입출력 샤프트 토크는 제조사 데이터에서 도출. FEM 시뮬레이션으로 차량 구동·코스팅 하중과 최대 60G 중력 하중(충돌 시뮬레이션) 하 기어박스 하우징 토크 계산.

기어박스 하우징은 허용 변형 초과 없이 이 하중들 처리해야 함. 그렇지 않으면 기어 샤프트 큰 처짐으로 기어 접촉 부정확 초래. "그런 접촉은 기어 손상, 최악 경우 고장 유발"이라며 라데마허. "부정확한 기어 정렬로 인한 변속 오차는 기어박스 원치 않는 음향 행동 유발. '윙잉(whining)'이라 부른다. EV가 워낙 조용해 이 복합소재 기어박스 정말 조용하고 정숙해야 한다." 따라서 강성이 핵심 성능 목표, 알루미늄 베이스라인 이상 충족 필수.

초기 후보 소재로 텐케이트(TenCate, 네덜란드 네이베르달) 직물 유리섬유와 탄소섬유 강화 폴리아마이드 6(PA6) 오가노시트 기계적 물성 테스트. 유리섬유 복합소재 강성이 탄소섬유 오가노시트 50% 수준이라 탄소섬유 오가노시트 선택. "소재는 텐케이트 CETEX TC912, 12K 섬유 2×2 트윌 직물. 9플라이 준등방 적층 시퀀스(0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)로 맞춤 오가노시트 지정"이라고 라데마허.

컨셉 및 설계 단계

기어박스 하우징 컨셉 5개 개발, 중량·비용 절감 잠재력과 낮은 사이클 타임 갖춘 2개만 적합. 실현성 검토 결과 금속 베어링 시트 사용으로 충분한 강성 확보한 1개 컨셉만 통과. "시트는 기어샤프트 베어링과 기어박스 하우징 간 직접 연결"이라며 라데마허. "단순 사출 성형 고려했으나 오버몰딩 알루미늄 인서트로 강성 증가 선택." 이 컨셉 개발 확정.

후속 설계 단계에서 변형 에너지 최소화 위상 최적화 수행. 이 분석으로 기어박스 하우징 형상 개선, 성형 곡률 최소 반경 포함. 이 지오메트리 상세 설계용 시뮬레이션 모델 구축. 오가노시트 라미네이트 추가 최적화로 +45°/-45° 레이어가 가장 두꺼워야 함 밝혀짐. 이는 하우징 비틀림이 저항해야 할 주요 변형 원천이란 사실과 잘 부합.

하우징 강성 여전히 부족해 교차 UD 테이프와 오버몰딩 리브를 하우징 지오메트리에 도입. 오버몰딩용으로 EMS-그리보리(EMS-Grivory, 스위스 도마트/엠스) 40% 유리섬유/PA6(GF/PA6) 컴파운드 선택.

상세 단계 및 제조

세 번째 재설계 단계에서 두 기어박스 하우징 반쪽 기능적 고정점과 연결부 상세화. 기계적 체결 방식이므로 알루미늄 인서트 설계 추가로 패스너로부터 베어링 하중 전달. 기타 피처 상세화: 이 인서트 포함한 오버몰딩 플랜지, 하우징 외부에 오버몰딩된 리브와 기타 기능 지오메트리.

오버몰딩 전 오가노시트 프리폼용 스탬핑 공정 선택. 파트너 ESI 그룹(ESI Group, 프랑스 파리) PAM-FORM 소프트웨어로 스탬핑 시뮬레이션 완료(그림 1)해 프리폼 중 예상 문제 예측 및 원재료 오가노시트 초기 컷 도출.

"시뮬레이션서 오가노시트 고두께와 하우징 지오메트리 타이트한 반경으로 굽힘 변형 발생, 프리폼 주름 생김"이라며 라데마허. "설계 반경 수정하고 오가노시트 두께 4mm로 줄임. 이때 45° 플라이 두껍게 써야 함 확인, 하지만 공급사로부터 그런 오가노시트 못 구함. 준등방 적층 유지하면서 45° UD 테이프 위에 얹어 두께 줄이면서 강성 유지 결정."

팀은 25.4mm 폭, 0.16mm 두께 CETEX TC910 탄소섬유/PA6 테이프 12플라이 사용해 스탬핑 시뮬레이션 재실행. 교차 UD 테이프가 스탬핑 중 제자리서 밀려남 확인. 대응 위해 스탬핑 툴에 슬롯 설계해 UD 테이프 위치 고정.

오버몰딩 공정도 시뮬레이션, 셰이퍼스가 오토데스크(Autodesk, 미국 캘리포니아 주 산라파엘) 몰드플로(MoldFlow) 소프트웨어와 코어테크 시스템(CoreTech System Co. Ltd., 대만 주페이 시티) 몰덱스3D(Moldex3D)로 수행. 오버몰딩 이점 중 하나 갈바닉 부식 방지. 단섬유 강화 몰딩 컴파운드가 알루미늄 패스너와 오가노시트 탄소섬유 사이 절연 제공. 추가 접착제, 실란트, 코팅 불필요.

시뮬레이션 완료 후 제조 공정 확정(그림 2 참조):

1. 오가노시트 절단 및 준등방 레이업 적층
2. 라미네이트 스택과 UD 테이프, 테이프 위치 유지 프레임에 배치
3. 적외선 히터로 열가소성 매트릭스 240-260°C 용융
4. 프리폼 소재 든 프레임 스탬핑 프레스와 툴로 이송(90-110°C 예열)
5. 프리폼 스탬핑(5초 사이클 타임)
6. 통합 프리폼 워터젯 커팅 시스템으로 최종 형상 트리밍
7. 샤프트 베어링과 스크류 인서트 오버몰딩 툴에 배치하며 트리밍된 프리폼 재예열
8. 프리폼과 인서트 오버몰딩(수동 배치·제거 포함 2분 사이클 타임)
9. 최종 부품 플랜지와 베어링 시트 요구 공차로 밀링

프로토타입 및 공정 성공

프로토타입 복합소재 기어박스 하우징 첫 반쪽 생산돼 JEC World 2017 전시. FEM 시뮬레이션 검증 위해 테스트. 프로토타입 양호한 기계적 물성 보이며 알루미늄 베이스라인 5.8kg에서 4kg으로 중량 감축, 약 30% 절감. 첫 반쪽 커버 비용 약 €50-80 추정, 오가노시트가 최고가 구성품.

이 프로젝트는 이 회사 그룹이 협업해 복합소재 재설계 제공하는 프로토타이핑에도 성공. "ARKR 엔지니어링 배경은 소형 복합소재 부품 시뮬레이션이었지 오가노시트 활용은 아니었다" 회상 라데마허. 셰이퍼스는 사출 성형과 몰딩 툴 개발 풍부 경험 있으나 오가노시트 배경 없음. ARRK 오가노시트 시뮬레이션 팀은 복합소재 시뮬레이션 전문이나 이전 작업 항공우주 분야. "매주 팀과 논의"라며 "나는 파워트레인 부서 출신이라 금속 쪽 더 가깝지만 프로젝트 리더로 금속과 복합소재 세계 결합해야 했다. 금속 쪽은 '왜 복합소재로 하지?' 생각하고 복합소재 쪽은 '복합소재로 쉽지' 생각. 우린 너무 회의적이고 그들은 너무 낙관적, 함께 일하며 많이 배우고 매우 효율적인 설계 프로세스 개발." ARRK 프로세스를 덜 시뮬레이션으로 한 설계 개발 후 반복 프로토타입으로 최적화 시도하는 일반적 방법과 비교. "초기에 다중 설계로 시작해 시뮬레이션으로 다운셀렉트하고 프로토타이핑 전 추가 최적화하는 게 더 효율적. 초기에 모델링 시간 들지만 프로토타이핑 시간 단축돼 비용 절감." 신규 툴링 제작 시간·비용 감안 시 "열 번 프로토타입 부품 만드는 게 열 번 시뮬레이션 모델 만드는 것보다 항상 더 비싸다."

과제 및 다음 단계

팀은 상당한 제조 과제도 극복. "UD 테이프와 9플라이 오가노시트 라미네이트 결합 부위에서 미통합 영역 발생" 라데마허 지적. "테이프와 오가노시트 사이 공기와 몰딩 후 부착 영향도 일부. 다른 요인은 오가노시트 전체 비균질 온도 분포. 측정상 양호했으나 외곽 가장자리가 약간 차가워 외부 구조물 미세 영역 매트릭스 실패 유발. 오가노시트 부품 모델링과 실제 성형 모두 많이 배웠다."

다음 단계는 기어박스 하우징 두 번째 반쪽 프로토타입 제작하고 완전 조립체 강성 검증. 워터젯 커팅 단계 제거해 스탬핑 후 프리폼 스택 즉시 오버몰딩 가능하도록 공정 개선 중. "공정 변경해 아직 두 번째 커버 작업 중"이라며 "현재 최대 과제는 고객 수용 가능 가격 도달. 유리섬유와 폴리페닐렌 아마이드(PPA) 매트릭스 검토 중, 후자 고온 고성능 가능하며 오가노시트 두께 추가 감축. 직물 안 쓰고 적층 테이프로 필요 강성 충족 시도."