자동차/뼈대
1. 사다리형 프레임 (Ladder Frame / Body on Frame)
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프레임 차량이라고 하면 흔히 떠오르는 구조의 프레임. 프레임 바디 위에 차체가 조립되어 있으며 보통 프레임 위에 있는 차체는 프레임과 분리가 가능하다.
보디-온-프레임(Body on Frame) 차량중 많이 쓰이는 프레임 방식이다. 과거에는 이런 형태의 프레임을 세단, 트럭 할 것 없이 모두 적용되었지만 1930년대 들어서부터는 여러 방식의 프레임이 등장하기 시작하여 현재는 높은 하중을 버텨야 하거나 견인력이 필요한 차량에만 쓰이는 프레임이다. 다만 2차 세계대전이 한창이던 1930~40년대 유럽에서는 보디-온-프레임 방식이 많았는데, 민수용 차에 껍데기만 들어내고 군용차 차체를 씌우면 그게 곧 군용차가 되기 때문이기도 했다.
하중 지지능력은 물론이고 전면충돌에서 타의 추종을 불허하지만 측면충돌에 약하고 구조적으로 비틀림 강도가 낮다. 이 때문에 오프로더 SUV나 픽업트럭들은 이런 비틀림을 오히려 적극적으로 이용해서 차축과 서스펜션이 만들어내는 휠 트레블의 조금 모자란 부분을 보충해 주는 역할도 맡게끔 한다. 중심 뼈대의 길이가 길기 때문에 비틀림 유연도가 큰 관계로 영구변형이 잘 오지는 않지만, 그렇다고 해서 무적은 절대 아니므로 한계 이상의 차체에 가해지는 비틀림 응력에 따라 차체가 영구변형이 올 수 있다.[1] 또한 강철로 된 프레임이 추가되는 형식이라 무게가 그만큼 늘어나고 이는 연비 또는 전복사고에 악영향을 끼칠 수 있다. 그리고 프레임 위에 얹는 방식이다보니 최저지상고가 높아져 같은 차고라면 모노코크에 비해 실내공간이 상대적으로 좁아진다는 흠이 있다.
프레임은 한 번 개발하면 특별한 문제가 없는 이상 세대교체를 잘 하지 않는다. 그래서 오랜 기간 꾸준히 사용하여 장수만세인 프레임들이 꽤 많은 편이다. 또한 설계변경이 쉽기 때문에 프레임만 따로 크기를 변경하거나 상부의 캐빈만 따로 재개발해도 된다.
오래된 차체제작기술 방식으로 현재는 SUV, 트럭, 버스에서 주로 이러한 방식으로 채용하며 2010년대에 들어 포드 크라운 빅토리아, 링컨 타운카가 단종되며 승용차에서는 더 이상 쓰이지 않는 제작방식이었지만 최근 전기자동차의 등장으로 모터, 배터리 등의 모듈을 일체화한 프레임과 상부에 차체를 적용하는 경우도 등장하고 있으며, 아래에서 서술할 모노코크 바디에도 소형화된 프레임이 서브프레임으로 장착되기도 한다.
단종된 모델을 포함해서 보디 온 프레임을 채택한 차량은 다음과 같다(트럭과 버스, 군용차량까지 포함하면 밑도 끝도 없어지므로 '''트럭은 최대적재량 1.5톤 이하, 승합은 최대승차인원 15인승 미만 차량으로 한정하고 군 전용 차량은 넣지 말 것''').
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2. 스페이스 프레임 (Space Frame)
경기장의 돔에서도 볼 수 있는 형태의 프레임이며 대부분은 튜브(혹은 파이프)를 용접해 만든 형태이다
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케이터햄 세븐의 파이프 프레임
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페라리 308 프레임
구조와 튜브의 재질에 따라 무게변화나 강도 변화가 있으며, 비틀림 대응 능력이 높고 하중도 잘버틴다. 때문에 극한의 상황에서 운행되는 레이싱카에 주로 쓰이며, 수제작이 대량생산보다 용이한 점 때문에 대량생산이 어려워 스페이스 프레임이 적용된 차량은 대체로 비싸다.[2] 하지만 람보르기니나 맥라렌같은 쟁쟁한 슈퍼카 제작 업체들은 대량 생산 보다는 소수의 자동차만을 판매하는데, 자동화 시스템을 도입하는것 보다 용접공의 월급이 더 쌀 정도로 자동화는 부담스럽고. 주요 고객들도 자동 용접으로 만든 차보다 장인이 용접하고 조립된 차를 원하는지라 현재까지도 애용이 되는 프레임이다. 그리고 수제 자동차 회사들은 람보르기니보다 매출이 비교도 안돼서 거의 100% 스페이스 프레임으로 제작하고 있다.
모노코크 보디 형식의 차량을 레이싱카로 사용할 경우 롤케이지를 설치하는데 빠른 클래스일수록 외장부분만 이용하고 속은 스페이스 프레임인 경우도 많다.
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이 사진은 로터스 엘리스의 프레임인데, 그렇게 보이진 않지만 이것도 스페이스 프레임으로 취급한다. 이쪽은 모노코크 보디와 유사한 공정이라 튜브형 프레임 보다는 좀 더 대량생산에 유리한 편.
3. 본형 프레임 (Bone Frame)
중앙 골격구조물을 두고 하중을 지지하는 골격 구조물이 퍼져있는 형태를 전부 Bone Frame 이라고 한다.
대체로 컨버터블이나 로드스터 형식의 차량에서 많이 볼수 있으며 기아 엘란은 백본(Back Bone) 형식이며, 그 밖에도 X-Bone Frame 같은 파생형들이 있다.
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사진은 기아 엘란의 백본 프레임이다. 로터스가 F1에 출전하며 얻은 기술력으로 만든 백본 프레임이기에 전륜구동임에도 코너링은 준수한 편이었다.
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번외로 몇몇 로드스터에서는 이런 형태의 프레임을 볼수 있는데[3] 메인프레임의 성격은 아니고 모노코크형태의 보디에 Bone형 보강 프레임을 넣은 형태라고 보면 된다. 마쓰다 RX-7 같은 일부 스포츠카에서도 볼 수 있다. 쇼크 업쇼버의 마운트 위치가 프레임이 아닌 차체이기 때문에 중간의 철체구조물은 서브 프레임이 되는 것.
체코 타트라에서도 즐겨 사용하는 방식이다. 현재는 상용차만 생산중임에도 여전히 사용하는 중. 대표적인 모델로 피닉스가 있다.
4. 모노코크 보디 (Monocoque Body / Unibody)
요즘의 도심형 SUV나 세단에서 많이 볼 수 있는 형식이며 간단하게 말하면 하중을 견디는 구조물과 차체 역할을 하는 부분이 일체화된 형태를 말한다. 모노코크라고 하면 흔히 '프레임이 없다'라고 착각하기 쉬우나 엄밀히 따지면 프레임이 없는 것이 아니라 바디 부분과 프레임 부분이 별개 부품이 아니라 하나로 붙어 있는 것이다. 쉽게 말해 가재나 새우의 껍데기같은 뼈대라고 생각하면 된다.[4][5] 최근의 모노코크 구조는 초기의 모노코크 구조에 비해 프레임의 존재가 더 눈에 띄기도 한다.
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대량생산이 가능함에 따라 단가가 낮아지는 효과도 있고 경량화가 가능하는 등의 여러 이점이 많기 때문에 요즘 차량에서 대부분 볼 수 있는 형태라고 할 수 있다. 모노코크 말고 다른 말로는 셀프 서포팅 보디/프레임리스 보디/유니보디 등으로도 불린다. 재질은 보통 철을 사용하며 여기에 내부식성을 위해 아연도금을 한 경우가 많다. 요즘은 경량화를 위해 고가의 차량 등에선 알루미늄 합금을 많이 쓰며 대중차들은 고장력강으로 보강하고 나머지를 가벼운 강으로 만들고 고성능 차량에는 카본파이버나 두랄루민을 사용하기도 한다.
한국에서는 하중능력이 시궁창이라서 카라반을 끌면 보디가 찢어진다는 편견을 많이 가지고 있는데, 이는 어느정도는 사실이다. 짐을 운반하는 자동차들은 프레임의 강성도 중요하지만, 서스펜션의 구조 역시도 하중에 강한 물건을 사용해야 하기 때문이다. 트럭이나 버스에 독립식 서스펜션이 매우 제한적으로 적용되거나 아예 없는 경우를 생각해 보면 되겠다. 트럭이나 버스는 아직까지도 리지드 같은 일체식 차축이 많이 사용된다. 그러나 모노코크 바디 자동차들은 대량 생산과 독립식 서스펜션을 적용하는 설계방식에 유리하지, 승용차에 비하면 비할 바 없이 수요가 적고 제한적이어서 개발비를 비롯한 투자비용이 뽑힐 정도로 생산도 안 되는 데다, 일체식 차축을 주로 사용하는 자동차들의 구조에는 모노코크를 적용하기에는 실상 제품의 개발과 생산시설 투자에 돈이 더 많이 들어갈 뿐 이득볼 수 있는 부분이 어디에도 없으므로 개발비와 초기 생산 투자비용이 저렴한데다 현장에서의 특장개조 및 사고시 수리에도 유리한 프레임 방식을 주로 사용하는것이다. 즉, 제작이 가능한 기술력은 있긴 있었으나, 구태여 적재능력이 불량하고 초기투자비용이 높디높은 모노코크를 사용할 이유가 무엇을 감안해도 어디에도 없으므로 그간 사용치 않았던 것이다. 앞전 서술한바와 같이 프레임이 일체형이냐, 독립형이냐의 차이가 결정적이므로, 중량을 고려해 설계된 모노코크 보디도 하중을 잘 견뎌낸다. 다만 그런 자동차가 지금까지는 정말로 수가 적었고, 최근에서야 늘고 있다는 것일 뿐. 때문에 대부분의 모노코크 보디는 보디온 프레임 방식보다 다소 낮았던 건 사실이다.[6] 실제 탑기어 UK에서 도심형 SUV들을 비교한 적이 있는데 이때 테스트가 카라반을 끄는 것. 알다시피 도심형 SUV는 전부 모노코크 보디 방식이다.
최근들어 모노코크 바디의 설계 기술과 고장력강과 알루미늄 같은 재료도 발전하면서 더 이상 프레임 바디보다 약하다는 인식이 점차 희미해지고 있다.[7] SUV가 대세로 떠오르게 됨에 따라 더이상 특수목적용의 수요가 적은 자동차가 아닌, 각 자동차 회사들의 주력 상품으로 떠오른 관계로 개발비나 설비투자에도 충분히 돈을 쓸 수 있는 환경이 조성됨에 따라 그 동안 승용차 플랫폼을 공유하던 도심형 SUV와는 별개로 정통 오프로더들인 랜드로버, 포드, 지프와 같은 오프로드 SUV를 설계하는 브랜드들도 점차 프레임 바디를 접고 SUV·오프로더 전용으로 설계된 '''초강력 모노코크 바디'''로 바꾸는 추세다.[8] 일례로 모노코크 바디로 만들어진 SUV 중에서 지프 체로키(KL)와 랜드로버 뉴 디펜더 등의 최신 오프로더 SUV들이 오프로드용이나 캠핑트레일러를 끄는 목적으로도 애용되는 것을 보면 모노코크 바디라고 해서 오프로드를 못한다거나 캬라반을 못 끄는 것은 이제는 고정관념이 되었다.[9]
단, 여전히 픽업트럭 등에는 사용하기 어렵다. 픽업은 SUV와 다르게 여러 산업 현장에서 사용되기 때문에 특장개조가 용이해야 하는데 프레임바디는 프레임이 섀시 아래에 분리되어 깔려 있기 때문에 작업기구 장착을 위한 고정 홀에 사람의 접근이 용이한데다 작업기구의 부피에 크게 영향을 받을 일이 없기 때문이다. 일체형인 모노코크의 특성을 생각해본다면, 작업홀을 프레임 방식처럼 밖에서도 보이게 만들어내는 것도 큰 문제지만, 그 작업홀에 무언가를 장착하려면 또다시 차에 구멍을 뚫거나 일부를 절단해야 하는 결론이 나온다. 실제로 북미의 유일무이한 모노코크 픽업트럭인 혼다 릿지라인은 오프로드 성능이 매우 떨어지는 데다, 특장작업 자체가 거의 불가능한 관계로 소수의 일반인들만 구입할 뿐, 어떠한 산업현장에서도 사용되는 일이 없는 자동차다. 또한 섀시 자체가 곧 프레임이기 때문에 한번 설계하면 설계변경하기가 프레임바디보다 더 힘들어진다.[10]
참고로 모노코크 SUV로 오프로드를 가면 바디가 휜다는 속설이 있으나, 실상은 안습하게도 대다수의 모노코크 SUV의 99%는 승용차와 플랫폼을 공유하는 도심형인 관계로, 범퍼가 낮고 길어서 지상고가 턱없이 낮은 데다 오버행이 길어서 접근각이 승용차와 별 다를 바가 없고 [11] 주파력이 턱없이 떨어지는 로우기어가 없는 AWD 채용으로 바디가 휠만큼의 험한 오프로드는 애시당초 입구에서부터 범퍼로 들이받고 좌초되거나 밑바닥만 싹다 긁힐 뿐 진입 자체가 안 된다. 그런 험지를 가보려고 해도 성능이 떨어져 처음부터 갈 수가 없다는 이야기다.
이런 인식을 얻게 된 이유도 80~90년대에는 설계능력이 좋지 않았고,[12] 견인대응 보강을 하지 않았던 면도 있었다. 더욱이 모노코크 보디에서 견인차로 쓰기에 선호하는 차종이 해치백이나 왜건형인데[13] 알다시피 한국에서는 해치백이나 왜건형 승용차량의 시장이 없다시피 한다. i30나 i40의 판매량을 생각해보자...
또 산지가 많다보니 유럽이나 미국보다 토크가 높은 차량을 위주로 찾아야 하는데, 배기량별 세금과 가솔린 가격이 높은 관계로 디젤 엔진만을 찾게되고 2000년대 전까진 모노코크 보디에 디젤 엔진이 장착된 적이 없어서[14] 이게 잘못된 인식으로 발전된 것도 적지 않아 있다.
[1] 과적을 많이 하는 트럭, 주로 4.5~5톤 트럭 프레임이 휘어져있는 경우를 종종 볼 수 있다. 직진 주행이 제대로 안 되거나 캡이 하늘을 바라보고 뒤로 누워있는 모습을 볼 수 있다.[2] 페라리가 348을 모노코크로 전환한 이유가 운동성능도 있겠지만 사실 기존 스페이스 프레임으로는 주문소화가 불가능했다.[3] 사진은 마쓰다 MX-5.[4] 극단적으로 말하면 옛날 프레임 구조의 차에 바디를 따로 얹는 것이 아니라 용접하여 붙이면 그냥 모노코크가 된다고 해도 과언은 아니다. 물론 그렇게 설계하는 것은 굳이 모노코크로 만드는 의미가 없으므로 실제로 그렇게 만드는 차는 없지만.[5] 프레임이라고 하면 SUV나 트럭의 두툼한 프레임을 연상하기 쉬우나 옛날에도 승용차의 프레임은 그렇게 두툼하고 튼튼한 것은 아니었다. 예상보다도 훨씬 더 가늘고 약해 보이는 프레임이 사용되었으며, 모양도 트럭의 프레임과는 많이 달랐다. 승용차에서 프레임 방식이 모노코크 방식보다 유리한 점은 강성이나 안전성도 있지만, 가장 큰 것은 승차감이었다. 프레임과 바디 사이는 충격흡수재로 연결되기 때문이다. 반면 모노코크 방식의 장점은 일체형 부품을 이용해 무게를 줄일 수 있다는 것이었다. 바로 이 '승차감'이라는 이유로 도요타 크라운은 오랫동안 모노코크를 채택하지 않고 프레임 바디 구조를 유지하기도 했다.[6] 정확하게는 수직 하중을 따져야 한다. 모노코크는 수직하중이 평균 100kg 대이다.(100kg+-30kg 의 범위)[7] 물론 어디까지나 승용 한정이다. 상용에서는 당연히 프레임바디보다 약하다.[8] 랜드로버에서 최근 뉴 디펜더에 도입한 특제 모노코크 보디는 일반 프레임 구조에 대비해 비틀림 강성을 2배로 높이는 등의 수많은 보강을 하여 모노코크 보디의 허점에 대비하였다고 한다.[9] 물론 뒤집어 말하자면 그 정도로 무지막지한 보강을 떡칠해야 겨우 프레임바디급 강성이 나온다는 얘기라서 이런 것도 규모의 경제를 제대로 실현하지 못하면 프레임바디를 유지한 채 캐빈을 보강하는 것보다 비용상승이 무지막지해질 수밖에 없다.[10] 주요 자동차 제작사들이 어떻게든 플랫폼의 활용범위를 최대한 늘리려고 기를 쓰는 이유가 바로 이것이다.[11] 도심형 SUV는 승용차 중에서도 오버행이 짧은 미니나 피아트 500 같은것과 비교하면 오히려 접근각이나 이탈각이 이런 승용차 보다도 못한 경우가 대부분이다.[12] 80년대 컴퓨터와 2000년대 컴퓨터의 성능차이를 생각해보면 간단하다. 80년대 개인용 컴퓨터는 물리계산은 커녕, 3D 구현하기도 힘들었었다. 결국 사람의 경험과 노하우, 그리고 수많은 테스트에 많은 부분을 의지해야 했었다. 하지만 컴퓨터의 발전으로 이제는 3D 모델링은 물론이고 물리계산까지 할 수 있다보니 설계능력 또한 비약적으로 발전하게 된다.[13] 후방의 루프강성이 약해 보강을 해야 하기 때문이다. 세단은 트렁크에서 1차적으로 충격이 어느 정도 감소하나 해치백은 구조상 트렁크와 탑승공간이 가까워 충격이 덜 흡수된다. 이 때문에 동일 차종이더라도 세단보다 해치백이 약간 더 무거워지거나 동등한 중량이 되는 것이다.[14] 딱 두 모델이 있기는 했다. 콩코드 디젤과 로얄 XQ.