환경과 조립 기술자를 동시에 만족시키는 하이브리드 캠샤프트 모듈

프라운호퍼 ICT 연구원들과 Mahle 엔지니어가 섬유강화 플라스틱으로 경량 구조 캠샤프트 모듈을 만들었다. 이 캠샤프트 모듈은 쉽게 조립할 수 있을 뿐만 아니라 제조 단계부터 친환경적이다.

페터 쾨니히스로이터(Peter Königsreuther)

핵심 내용

금속 또는 플라스틱 경량 구조는 화석 에너지를 절감하여 EU가 세운 기후 변화 목표를 달성하는 데에 기여한다.

섬유 강화 플라스틱과 경량 금속 또는 하이브리드 구조는 대부분 차체 부품이나 트림에 국한되어 사용된다.

프라운호퍼 ICT 연구원들과 Mahle 전문가들이 경량 구조와 관련하여 내연 기관의 내부 작업을 성공적으로 해결하였다.

경량 캠샤프트 모듈은 다중 소재 경량 구조가 얼마나 긍정적인 효과를 수반하는지 잘 보여준다. 내연 기관을 섬유 강화 듀로머로 제작하면 변경된 구조로 인해 조립 비용이 낮아지고 무게를 줄일 수 있으며, 제조 단계에서 환경을 보호할 수 있다. Mahle 엔지니어들이 프라운호퍼 화학 기술 연구소(ICT) 및 다른 파트너들과 함께 경량 부품 개발에 성공하였으며, 이를 지난 7월 바덴-뷔템베르크주 경량 구조 기구의 “Thinking”에서 발표하였다.

섬유 강화 듀로머는 견고하고 가볍다

프라운호퍼 ICT 과학자들에 따르면 새로 고안된 플라스틱 소재 캠샤프트 모듈은 경량 금속 재질의 캠샤프트 모듈에 비해 쉽게 제작할 수 있으며, 종래의 부품에 비해 약 0.6kg 가볍다고 한다. 섬유 강화 듀로머는 서 모 플라스트에 비해 잘 녹지 않고, 고온과 합성 엔진 오일 및 냉각수 등에 의해 초래되는 기계, 화학적 부하에도 잘 견딘다고 한다.

이 섬유 강화 듀로머 소재 부품으로, 엔진의 전체 무게를 줄일 수 있다.

자원을 아끼고 기후를 보호하며 드라이빙의 즐거움을 배가시킨다.

알루미늄 인서트가 적용된 섬유 강화 듀로머 소재의 캠샤프트 모듈은 경량 구조 소재가 내연 기관 파워 트레인 장착 공간의 상부에 위치하기 때문에 긍정적 효과를 배가시킨다. 무게가 가벼워 에너지 소비와 CO2 배출을 줄이고, 차량의 무게 중심을 낮춰 다이나믹한 주행 감각을 즐길 수 있다.

듀로머 소재의 캠샤프트 모듈은 제조 단계에서부터 기후 보호에 이바지한다. 섬유 비율이 높은 이 플라스틱은 일반적인 알루미늄에 비해 탄소 발자국(직간접적으로 발생하는 온실가스 총량)이 적기 때문이다. 전문가들은 알루미늄 소재를 전혀 사용하지 않고 캠샤프트 모듈을 제작할 수 없다고 강조한다. 따라서 듀로머 소재의 이 캠샤프트는 다중 소재 경량 구조의 소재 믹스의 사례에서 성공적인 것으로 평가받고 있다. 사용한 듀로머의 강도는 알루미늄 재종의 1/4에 불과하기 때문에 캠샤프트에 대한 베어링 블록을 강력하게 설계할 수 있다. 추가로 강철제의 캠샤프트는 바로 베어링 블록 안에서 작동하는 것이 아니며, 언급한 바와 같이 알루미늄 소재의 인서트 안에서 작동한다. 이 알루미늄 인서트는 캠샤프트 베어링 중 부하가 가장 높은 지점에 직접 작용하는 힘을 흡수한다고 프로젝트 관련자들은 설명한다.

광학 측정을 위해 밝은 점 패턴을 덮어 씌웠으며, 캠샤프트 모듈을 600시간 연속적으로 견인되는 엔진에서 테스트하였다.

작동 정숙성으로 인한 경쟁 우위

플라스틱은 대체적으로 대부분의 금속 재료에 비해 흡음 효과가 탁월하다. 따라서 이 캠샤프트 모듈도 소음 거동을 최적화할 수 있어 자동차 제조사들에게는 큰 장점으로 작용하고 있다. 이처럼 NVH 특성(소음, 진동, 불쾌감)은 경쟁 우위 요소 가운데 하나이다.

여기에서 듀로머 소재 캠샤프트 모듈의 특성을 한 번 살펴보자.

경량구조: 알루미늄을 채용한 종래의 구조에 비해 0.6kg 무게를 절감하며, 이는 전체 무게의 약 20%에 해당한다.

기후보호: 제조 단계에서 전 단계에 이르기까지 여러 측면에서 긍정적 효과가 있다.

저렴하다: 기능 통합적인 모놀리식 구조와 개선된 제조 프로세스를 수반한다.

조용하다: 플라스틱의 흡음 특성이 우수하다.

테스트 결과가 사용 적합성을 증명한다

시연 제품의 기능은 최첨단 가솔린 내연 기관의 엔진 테스트 벤치에서 견인 테스트를 통해 600시간 테스트 후 입증되었다. 대기 중인 연료 공급 조건에서의 테스트를 이용하여, 즉 연료로 엔진이 작동하는 실제 조건에서의 테스트를 이용하여, 기능과 NVH 거동을 연소 프로세스의 가스 파워를 고려하여 조사하였다. 이번 프로젝트는 BMWi가 자금을 지원하였으며, Mahle와 관련 프로젝트 파트너사인 Daimler AG, SBHPP/ Vyncolit N.V. Georges Pernoud는 지금까지의 결과에 매우 만족하였다. 또 다른 테스트들을 성공한 후에 시리즈 생산으로 넘어갈 계획이다.