스크랩 오토바이의 소재

[에쓰[서을/김현진]]

'작을수록 비싸다'라는 말이 있죠, 오토바이소재의 중량대비 비용으로보면 맞는 말 입니다.

단순히 강도와 내구성을 고려해 봐도 가벼운 소재일수록 더 비싸집니다.

소비자들은 저렴한 가격표를 원하지만, 오토바이 엔지니어나 열렬애호가들은 투자를 아끼지 않는데 왜냐면 질량이 작을수록 고성능이 되기 때문이죠.

경량의 차량은 더 빨리 가속하고 조정도 쉬우며 또한 더 잘 섭니다.  결과적으로, 오토바이소재는 더 가볍고 강한 머신을 만들기 위해 수십년간 진화를 거듭해왔습니다.

양산 스포츠바이크의 정점에 있는것은 Aprilia RSV4 Factory, BMW HP4, Ducati Panigale R 과 같은 최신 리터급 모델들인데, 무거운 철제부품은 거의 찾아 볼 수 없고, 대신 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 카본화이버 등, 무거운 소재들보다 코스트가 높은 재료들을 사용합니다.

<사진의 유럽산 모델과 같은 첨단 스포츠바이크에 경량소재가 대폭 적용되는데, 모두 가볍고 고성능 입니다>

예를들어 듀카티 1198 Panigale R의 경우 연료탱크를 비웠을때 180kg도 안나가는데, 이는 놀랍게도 듀카티의 절반에 불과한 현행 600급의 스포츠바이크와 동등한 중량 입니다.

이는 3만불 이라는 가격의 방정식을 보면 여느 600모델보다 두배 이상 비싸다는 결과로 나옵니다.

위 세모델을 보면 경량 오토바이제작의 첨단을 보게되는데, 해를 거듭할수록 바이크의 제작기술이 어떻게 진화해 왔는지를 대변해 줍니다.

그럼 여기서 오토바이를 구성하는 주요 소재의 역사에 대해서 알고자 합니다.

철:

19세기말의 야금술은 좀 유치했는데, 태동기의 오토바이에서는 특히 엔진부품에 있어서 상대적으로 많은 비율의 철이 부품의 금속으로 사용되었습니다.

튼튼하고 비교적 주조가 쉬운 철은 야금술이 개선됨에 따라 경량 강철제의 엔진블럭과 헤드로 대체되게 됩니다.

강철:

20세기에 들어서자, 합금강이 오토바이 섀시의 소재로 선택되기 시작합니다.  그렇게 비싸지도 않고 다양한 형태로 만들기도 쉬워 강철은 오늘날에 있어서도 대부분의 오토바이에 채용이 되고 있습니다.

알루미늄:

가벼운 금속으로 알려진 알미늄은 다른 금속과 합금될 수 있기전 까지는 희귀한 존재 였습니다.  알미늄 주조공정이 매우 까다로웠는데, 금속이 냉각될때 구멍이 형성되지 않도록 하는 주물작업이 어려웠기 때문입니다.

엔진의 소재는 결국 강철에서 알미늄으로 오늘날 널리 사용되게 되었고, 1980년대 들어서야 고성능 오토바이의 프레임으로 알미늄이 선택되기 시작합니다.

자유자재의 형태로 제작이 쉽지 않은 강철제 튜브 대신, 알미늄은 가벼우면서도 견고한 섀시를 제작하기 위한 소재였는데 다양하면서도 복잡한 형태로 주조가 가능합니다.

현행의 모든 정상급 스포츠바이크들은 기본차대골격의 가장 중요한 소재로서 알미늄을 사용하고 있고, 심지어 일부 크루져모델(Star Roadliner, Victorys, Indian Chiefs)들이 알로이 프레임을 사용 하기도 합니다.

<알미늄 프레임이 더이상 스포츠모델만의 전유물이 아닙니다.  사진은 2014 Indian Chief의 골격>

그러나 다이캐스팅 방식 알미늄은 많은 위험이 도사리고 있었습니다.  알미늄용액이 몰드에 부어질 때 가스 및 산화물질이 제거되야 하는데, 이런 기포들은 가열시 소재의 구조를 약화시키게 됩니다.  따라서, 넉넉한 퍼지팩터 공차를두고 알미늄주조를 하게되는데 이는 주조물을 무겁게 하는 결과가 됩니다.

소수의 엔지니어들만이 주물이 부어질 때 발생하는 가스를 제거하는 방법을 알고 있었는데, 이 수수께끼는 최근의 진공 다이캐스팅 방식으로 대부분 해결 되었으며 알미늄이 부어질 때 압력펌프에 의해 가스가 제거되는 방식입니다.

이 방식은 최종 알미늄의 가스 및 산화물질 함유물을 감소시켜 가벼우면서도 같은강도의 결과물을 가져오고 용접 및 열처리도 용이하게 됩니다.

버큠캐스팅 방식으로 만들어진 부품은 야마하 r1 과 r6의 프레임으로 처음 화제를 몰고 왔습니다.  각 오토바이 메이커들은 이 방식을 Controlled Fill 이라 명명하고 이론상으론 포집가스를 80% 까지 감소시킨다고 합니다.

이 공정은 주물을 더 크게하는것이 가능하게 했으며(결과적으론 더 컴팩트하게) 수많은 캐스팅을 각각 용접할 필요가 없게됩니다.

<야마하의 Controlled Fill 알미늄 주조방식은 복잡한 형상을 상대적으로 크고 간결하면서도 매끈하게 되도록하고, 이러한 저압방식의 공정은 구조물에 대한 주물회수를 줄여 용접 및 조립시간을 단축시키게 됩니다>

여러메이커들이 이 방식을 따라했는데 단지 프레임에만 국한시키지 않았습니다.  저압주물방식은 또한 엔진의 크랭크케이스를 만드는데에 사용되고 있으며 Panigale모델을 포함한 최신 듀카티모델의 엔진이 이 진공캐스팅공정으로 만들어집니다.

마그네슘:

이 독특한 금속은 경주차량용 휠로 채택되었을때 처음으로 돌품을 일으켰는데, 나중에 사외품 자동차휠들이 경량 마그네슘으로 만들어지지 않음에도 매그휠로 명명 되거나 또는 매그로 불려지기도 했습니다.

실제의 마그네슘휠은 그랑프리 오토바이경주에서 오랫동안 사용되었는데 무게가 알미늄휠 대비 30~35%가량 덜 나가기 때문이죠.

그러나 마그네슘 주조시 다량의 기포가 발생하는 특성때문에 공도용 바이크휠로 사용되기에는 제약이 따랐습니다, 왜냐하면 타이어 공기압이 빠지기 쉽고 부식도 잘되고 요철과 같은 충격에도 약하기 때문입니다.

그래서 주조방식에서 탈피, 단조공정을 시작하면서 주물방식으로 만들어진 휠의 타고난 문제점들을 극복하면서 한편으론 새로운 코팅방식이 부식의 문제도 개선하게 됩니다.

마그네슘의 경량특성은 엔지니어들에게 있어선 끊임없이 선망의 대상이고 따라서 스포츠바이크의 가혹한 경량화를 위해 밸브나 엔진커버와 같은 비구조물 부품에도 마그네슘을 적용하는게 과거 십년간 일반화 되었습니다.

<듀카티의 Panigale는 상부 페어링과 헤드라이트, 계기반을 지탱하는 구조물인 페어링 브라켓에 590g에 불과한 마그네슘을 적용합니다.>

마그네슘은 주조시 타고난 문제가 있는데, 열손실이 빨라 불순물질에 취약하게 되므로 내식성이 떨어지게 됩니다.

r6의 마그네슘제 서브프레임을 만들기 위한 야마하의 대책이 언급한 Controlled Fill 방식을 사용하는 것인데, 금형의 온도를 제어하고 용해금속을 신속히 사출해서 알미늄 부품보다 더 가볍고 깔끔하고 얇은 Wall의 결과를 가져오는것 입니다.

티타늄:

철만큼 강하면서도 무려 75%나 가벼운 티타늄은 모든 금속중 최강의 중량대비 강도를 자랑합니다.

50년대 전투기에 처음 적용되었고 티타늄의 고밀도구조(알미늄 대비 60% 고밀도)는 기존 알미늄합금의 강도보다 배 이상 강합니다.

그러나 티타늄은 성형과 공정이 매우 어렵고 비용이 많이 드는데, 알미늄대비 자그마치 6배이상 고비용 입니다.

이런 고가의 티타늄은 경량부품을 사용하는 고회전형 오토바이엔진에 있어서 결정적인 소재임에 불구하고 오토바이에 적용이 제한돼왔습니다.

최초의 적용사례는 1988년의 혼다 rc30의 커넥팅로드에 처음으로 적용되었고, 듀카티 또한 수년간 경주용 호멀러게이션 모델에 티타늄제 커넥팅로드를 채용했으며 최신모델인 Panigale R도 포함됩니다.

<듀가티 Panigale R모델의 티타늄 커넥팅로드는 동사의 표준형 Panigale 모델들의 알미늄제 커넥팅로드 대비 610g의 무게를 더 깍아냅니다>

최근에는 600급 스포츠바이크와 모터크로스 기종의 엔진 밸브에도 적당한 가격으로 티타늄이 사용되기도 합니다.

듀카티 Panigale 와 아프릴리아 RSV4가 흡기밸브에 티타늄이 쓰이고 bmw는 S1000RR/HP4에 흡배기밸브 모두 티타늄을 씁니다.

가볍고 독특한 이 소재는 몇몇 최상위 스포츠바이크의 배기시스템에도 사용됩니다.

단조품:

용해금속에 잔존하는 미세공기와 기포들이 금형조직을 약화시키기 때문에 금형의 소재는 굳이 기포가 무서워서가 아니라 필요충분조건 이상으로 튼튼하게 만들어져야 합니다.   

강한 힘으로 대상물을 형틀에 압착시키는 단조는 주조품보다 더 강한 조직을 만드는데, 금속의 내부입자를 더 균일하게 배치시키기 때문입니다, 쉬운 예로, 식빵을 여러번 힘껏 꾹꾹 누르게 되면 작지만 더 단단하고 밀도 높은 빵이 되는거죠.

피스톤, 커넥팅로드, 크랭크샤프트 등의 주요 엔진부속이 단조강을 적용시키는게 일반화 되었고, 최근에는 많은 메이커에서 각사의 상위 모델에 단조휠을 채택하고 있습니다.

같은 바이크에서 알미늄주조 휠에서 단조휠로 교체하게 되면 조정성이 두드러지게 좋아지고 그로인해 감소된 비탄력중량은 500g 이상 감소되어 서스펜션의 제어를 용이하게 합니다.

따라서 Panigale R, HP4 및 RSV4 Factory 모두 단조제 알미늄휠을 채택하고 있고, S1000RR 에서 HP4로 그리고 RSV4 R 에서 Factory로 업그레이드 하게되면 가장 두드러진 특징을 알 수 있습니다. 

그래서 이런 바이크들이 2만불 이상 상회하는 이유중 하나가 그런 고가의 휠을 장비하기 때문입니다.  

<모든 상위 스포츠모델들은 단조제 알미늄휠의 특성을 십분 발휘하고 있고 주조제 알미늄휠에서 감량된 무게로 현저하게 가벼워진 조정성을 가져옵니다>

일체형 부속:

아직도 더 경량화 시킬수 있는 방법이 있는데, 볼팅으로 조립된 구성품을 일체형으로 만드는 것 입니다.

볼트로 체결된 두개 이상의 부품보다 일체형이 얼마나 견고한지는 쉽게 상상할수 있습니다.

그래서 등장한게 “monobloc” 일체식 전륜 브레이크 캘리퍼인데, 알미늄블럭에서 가공된 것이고 최상위급 스포츠바이크 모델에서 볼 수 있습니다.

예를들어, BMW HP4의 일체식 캘리퍼는 동사의 S1000RR의 투피스로 된 캘리퍼보다 우수한 제어와 필링을 전달합니다.

<듀카티 Panigale의 일체식 Brembo M50 캘리퍼는 믿을수 없을정도로 작으면서도 엄청난 제동력과 반응을 전달합니다>

카본화이버:

전투기의 진화가 다시한번 오토바이의 진화에 도움을 줍니다.

카본화이바의 마술과 같은 경량성은 역시 고성능을 추구함에서 유래되었는데, 포뮬라1 의 경주머신에서 시작되어 1990년대의 수퍼바이크로 거슬러 올라갑니다.

카본기술이 처음으로 오토바이에 적용된 것은 머플러덮개나 휀다, 카울과 같은 단순 부품에서 부터였습니다.

양산바이크에는 90년대의 가장 비싼 스포츠바이크에 처음으로 제한적으로 쓰였는데, 혼다의 타원형 피스톤엔진으로 알려진 NR (또는 NR750) 이 경량 카본화이버로 만들어진 페어링을 내 놓았고 듀카티의 888 SP4S 도 카본 연료탱크를 채용했습니다. 

<마치 얼리어답터처럼, 1992년 혼다 NR750은 당시로서는 너무 획기적이었고 지금기준으로도 앞선기술 이었습니다.  민수용으로 팔린 NR750은 카울등을 카본화이버로 만들었고, 가장 두드러진건 타원형피스톤의 v형 4기통 엔진인데 마치 v8기통 을 연상케 하는 32개의 밸브와 8개의 커넥팅로드를 채용했습니다.  전무후무한 것 이였으며 아마 이후에도 다시 채택되진 않을것 입니다>

생산공정과 소재의 발달은 비록 본격적인 채용이 아주 제한되어 있지만, 주요부품에도 카본기술의 채용을 가져왔습니다.

단명하긴 했지만, 듀카티의 D16RR Desmosedici 모델이 후방 서브프레임에 카본화이버를 사용했고 무려 $72,000 이었습니다.

<듀카티의 전설적인 모터지피 레플리카 2008 Desmosedici D16RR 이 양산 오토바이중에서는 가장 광범위하게 경량소재를 채택했는데, 티타늄제 밸브 및 커넥팅로드, 마그네슘 엔진커버, 단조 마그네슘 휠, 알미늄 연료탱크, 서브프레임과 다수의 구성품에 카본화이버를 사용했습니다>

인용: http://www.motorcycle.com/features/exploring-lightweight-materials-motorcycles.html

[나레[서울/성태석]]

잘봤습니다