알루미늄 휠 전성시대 – 완벽한 제품을 위한 까다로운 품질검사

알루미늄 휠 전성시대 – 완벽한 제품을 위한 까다로운 품질검사

최근 자동차 제조 업체의 홍보 영상과 카피 라이트를 살펴보면 ‘내구성 XXX만 km 테스트’ 혹은 ‘가장 안전한 자동차’ 등과 같은 제품의 안전도와 완성도 그리고 제품의 무결성에 대한 내용이 담겨 있는 것을 볼 수 있다. 이는 자동차가 구매 후 소모 되는 소모성 상품이 아니라 장기적으로 사용하면서 고객의 안전에 큰 영향을 줄 수 있는 상품이기 때문이다. 그 때문에 제품의 무결성에 대한 기준은 나날이 까다로워지며 이 기준을 충족시키기 위해 많은 브랜드들이 노력을 하고 있다.

실제 IIHS(미국 고속도로 안전보험협회)가 2012년부터 시험을 실시한 스몰 오버랩 테스트가 자리를 잡은 후 전세계 자동차 브랜드들은 이 스몰 오버랩 테스트에 제대로 대응하지 못했지만 시간이 지난 지금은 상당 부분 스몰 오버랩 테스트에서 좋은 결과를 보이고 있다. 이처럼 기업들은 하나의 엄격한 기준과 평가 시험이 생기면 좋은 성적을 받기 위해 기술 개발과 자체적인 품질 관리에 노력을 쏟는다.

자동차를 구성하는 휠 역시 마찬가지다. 특히 휠은 그 특성상 무거운 차량을 지탱하고 타이어와 함께 차량에 충격을 전할 수 있는 노면과 바로 닿아 있는 곳이기 때문에 그 어떤 제품보다도 무결성에 대한 기준이 까다롭고 혹독한 검사를 거칠 수 밖에 없다. 특히 휠이 파손 되는 경우에는 정상적인 주행이 불가능하게되며 이는 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에 더욱 제조나 검사 공정에서 철저한 품질관리가 요구될 수 밖에 없다. 그래서 휠 제작 과정에서는 이런 무결성 검사를 지속적으로 진행한다.

자동차 휠 제작 과정과 제작 기술에 이어 이번에는 휠 제작 이후의 검사 방법을 취재하기 위해 인천에 자리잡은 아시아 최대 규모의 휠 제조 업체이자 세계 5위 규모의 핸즈 코퍼레이션을 찾아 휠의 무결성 시험을 어떤 방법과 어떤 과정을 통해 진행하는지 알아봤다.

시뮬레이션을 통한 내구성 높은 휠의 설계

휠의 무결성은 제조 이후의 검사도 중요하지만 그 이전에 설계 과정에서부터 무결성에 대한 고려가 필요하다. 컴퓨터와 물리 공학 기술이 발전하기 이전에는 시제품을 만든 후에야 제품의 무결성을 검사 할 수 있었지만 이제는 시뮬레이션을 통해 큰 방향성을 사전에 잡을 수 있으며 문제 발생 시 설계 변경의 민첩함과 효율성을 갖출 수 있게 되었다.

현재 핸즈 코퍼레이션은 ‘LS DYNA’라는 시뮬레이션 프로그램을 통해 제작 할 휠의 충격 내구성은 물론 시제품이 제작 된 후 실행하는 ISO, JASO 충격 시험 등을 사전에 시뮬레이션 할 수 있다. 또한 파단 지점과 충격 분산이 제대로 되지 않은 부분을 파악 할 수 있어 만약 내구성이 부족할 경우 설계 변경의 방향성 또한 파악 할 수 있다.

무거운 추를 떨어뜨리는 ISO & JASO 충격 시험

휠의 무결성 검사에서 가장 쉽게 생각 할 수 있는 것이 바로 ‘휠의 충격 저항 한계’를 확인 하는 방법이다. 간단하게 휠에 일정 이상의 충격을 가했을 때 ‘어느 정도의 충격까지 버틸 수 있는가?’라는 질문을 하는 방법이다. 대부분의 휠 제조업체에서는 ISO 기준인 13도 충격 시험과 일본 내 규격이라 할 수 있는 JIS의 30도 충격 시험 방식 두 가지를 채택하고 있다. 핸즈 코퍼레이션은 이를 ISO 충격 시험과 JASO 충격 시험으로 명명하여 사용하고 있다. 두 테스트 모두 휠에 추를 떨어 뜨려 충격을 주는 방식이다.

ISO의 규정에 따르는 휠 충격 시험은 간단한 구성을 갖추고 있다. 우선 휠을 지면에서 약 13도 기울여진 지그에 타이어를 장착 한 휠을 고정한 후 추를 휠에서 230mm의 간격을 두고 낙하시킨다. 상위 모델일수록 낙하거리를 늘리지 않고 무게추의 중량을 늘려 충격량을 키우는 방법이다. 가장 보편적으로 사용하고 있는 충격 시험 방법이다. 휠 제조 기술의 발전으로 현재 국내에 통용 되고 있는 정품 주조 알루미늄 휠의 충격 한계는 500~650kg 수준이며 경량 휠 일 수록 충격 한계가 낮을 수 밖에 없다.

한편 일본 규격 협회 JIS에서는 ISO 규격과는 조금 다른 시험 방식을 혼용하고 있어 핸즈 코퍼레이션은 JIS에 정의 되어 있는 일본 자동차 기술 협회 JASO가 제시하는 규정을 충족시키는 JASO 충격 시험 또한 자체적으로 진행한다. JASO 충격 시험은 13도만을 기울이는 ISO 규격보다 지그의 각도를 키우는데 각도는 30도인 지그와 지면과 수직을 이루고 있는 90도의 지그를 사용한다. 13도 충격 시험과 달리 충격을 가하는 무게추의 무게가 고정 되어 있으며 낙하 거리를 조절해 충격량을 조절한다.

이런 충격 시험에서는 단순히 디스크과 림 안쪽의 파손을 파악하는 것이 아니라 휠 너트 부분의 체결이 풀리는 정도 또한 파악하여 파손 이후의 휠이 차량에서 떨어져 나갈 위험성에 대해서도 파악하게 된다. 이를 통해 휠의 정확한 스펙이 정해지는데 세계적으로 통용 되는 ISO 충격 시험은 같은 무게추로 같은 스펙의 휠 세 개를 테스트 해 파단이나 미세 크랙이 발생하지 않는 최대 무게추 중량이 바로 휠의 한계 충격 중량이 된다. 단 한번이라도 크랙이 발생한다면 통과 될 수 없다. 만약 한계 충격 중량이 책정 되면 이를 VIA 550kg과 같은 형태로 휠 안쪽에 표기한다.

실제 환경의 내구를 시험하는 주행 시험과 코너링 시험

휠은 타이어와 함께 늘 굴러야 한다. 이를 위해 단순히 충격에 대한 내구성이 아닌 주행 상황의 내구성을 파악할 필요가 있다. 또한 원하는 방향으로 움직이기 위해서 직선으로 움직이고 있는 휠을 좌우로 강제로 조향을 해야한다. 조향 상황의 휠은 무거운 하중을 지탱하고 있는 상태에서 허브 부분에 힘이 가해지기 때문에 이에 따른 허브 부분의 내구성을 검토하고 설계 시 예상한 내구성을 충족시키는지 확인해야 한다. 그렇기에 휠은 주행 내구 시험과 코너링 시 허브 부분의 굽힘 내구 시험을 거쳐야 한다.

주행 시험기는 우선 거대한 원통에 타이어를 장착한 휠을 밀착시킨다. 차량의 하중을 감안하여 원통 방향으로 압력을 더해 일상 주행에서 휠과 타이어에 전해지는 무게를 구현한다. 이후 약 200만 회를 회전시킨다. 하중을 가하기 때문에 타이어의 마찰이 생기기 때문에 200만 회 회전을 하는 도중 타이어의 내구성이 다해 교체를 하는 경우도 있다. 이 시험을 통해 장시간 회전에 발행하는 충격과 열로 인해 변형이나 크랙 등이 발생하는지 검사한다.

코너링 시험은 말 그대로 주행 중 조향을 위해 휠의 방향을 트는 경우에 휠 허브에 전해지는 충격에 대한 내구성을 시험하는 과정이다. 휠을 고정한 상태에서 허브 부분에 샤프트를 고정하고 조향 시 허브에 전해지는 힘을 가한다. 이를 통해 허브 부분의 내구성을 검증한다. 예전에는 물리적으로 샤프트를 조절하는 방식을 채택했으나 최근에는 허브 부분에 진동을 가해 조향 상황을 구현하는 신형 시험기를 사용하고 있다.

저 편평비 휠의 등장과 대두 되는 림 강성 시험

최근에는 저 편평비 타이어가 많아지고 휠의 사이즈가 점점 커지고 있는 추세다. 편평비가 작은 타이어는 우수한 주행 성능을 갖추고 있지만 노면 충격을 흡수하지 못하고 그대로 휠에 전달한다. 이에 점점 림 강성의 강화가 필요하다. 이전에는 충격 시험, 주행 시험 그리고 코너링 시험 수준에서 그쳤지만 이제는 점점 림 강성 내구 시험이 중요성이 대두되고 있다.

이에 따라 최근 휠 제조업체에서는 림과 이너 림 내구 시험을 진행하고 있다. 림을 지그에 고정하고 상부에서 압력을 가해 림 부분의 변형 정도와 버틸 수 있는 하중을 검사하고 설계 기준과 납품 및 판매 기준에 충족하는지 확인한다. 이외에도 타이어를 장착한 상태의 휠의 상부에서 무게추를 떨어뜨려 림의 변형과 파단, 그리고 미세 크랙을 확인하여 제품의 내구성을 검증하는 과정을 거치는 것이다.

시험 후 PT 용액을 통한 미세 크랙 추적

충격 시험에서 휠이 견딜 수 있는 이상의 충격이 가해지면 휠은 큰 소리를 내며 손상을 입는다. 휠의 림 끝 부분에 충격을 가하기 때문에 주로 휠의 디스크 부분과 림 안쪽에 파단 되는데 육안으로 보이지 않고 내부의 미세한 크랙이 갈 수 있다. 이 외에도 휠에 대한 다양한 시험에서 육안으로 보이지 않은 파손과 크랙 등이 발생하기 때문에 위와 같은 시험을 마친 후에는 휠을 세척하고 붉은색 PT 용액을 도포한 후 용액이 충분히 미세 크랙에 스며들 수 있는 시간을 보낸 후 세척을 하고 현상액을 뿌려 미세 크랙의 유무를 확인한다.

글로벌 트렌드를 따르기 위한 투자, 바이-액슬 시험

바이-액슬 시험기는 현재 유럽과 미국 일부 자동차 제조사에서나 마주 할 수 있는 차세대 자동차 휠 전용 복합 시험기다. 핸즈 코퍼레이션은 국내는 물론 아시아 권역에서 최초로 이 바이-액슬 시험기를 보유하고 있는데 이를 통해 가장 수준 높고 복합적인 내구 테스트를 진행 할 수 있다. 바이-액슬 시험기는 주행 시험과 코너링 시험, 복합적인 하중에 대한 내구성 테스트까지 동시에 진행 할 수 있다.

특히 주행 속도와 주행 상황 등 다양한 주행 환경을 구현해 바이-액슬 시험기의 주행 시뮬레이션 기능을 통해 실제 주행 상황에서의 휠을 검증 할 수 있다. 실제로 바이-액슬 시험기를 통해 일반 시내 도로는 물론 스포츠 드라이빙과 차량의 한계에 도전하는 뉘르부르크링 노스슐라이페는 물론 전라남도 영암의 코리아 인터네셔널 서킷과 같은 실제 주행 코스를 시뮬레이션 할 수 있다.

실제 핸즈 코퍼레이션은 최근 폭스바겐에 휠 납품을 준비하고 있는 과정에 있는데 이 바이-액슬 시험기의 보유 자체로 높은 평가를 받았으며 폭스바겐에 대한 납품이 곧 이뤄지는 것으로 전망했다. 특히 제조사들이 아직 요구하지 않은 수준의 기준 규격을 보유 관리하고 있다는 점에서 유럽과 미국의 수많은 자동차 제조 업체의 관심을 받고 있다.

휠 설계자에게 휠을 내리치는 건 눈으로 볼 수 없는 광경

한편 이번 취재를 진행하며 13도 충격 시험을 참관하게 되었는데, 그 동안 휠 제작과 관련 기술을 설명하며 안내를 담당했던 핸즈 코퍼레이션의 김영식 부장은 자신은 차마 충격 시험을 보지 못하겠다며 자리를 떴다. 충격 시험 이후 김영식 부장은 ‘물론 대량 생산을 하는 제품이라고는 하지만 자식 같은 휠이다.’며 시험을 참관하지 않은 이유를 밝혔다.

재미있는 것은 이번 검사에서 사용 된 휠은 설계 당시 제원에 따르면 ISO 충격 시험 기준으로 514kg까지만 버틸 수 있는 제품이었는데 막상 ISO 충격 시험에서는 514kg의 무게추는 물론, 580kg 무게추를 떨어뜨린 충격 시험에서도 충격부가 눌리고 표면 도장 부위가 까지긴 했어도 디스크 파단과 림 내 미세 크랙이 발견되지 않았다. 현재 제품에 표기 되어 있는 수치 제원보다도 더 우수한 강도를 갖췄다는 것이다. 이는 준중형 전용 휠로 제작 된 이 제품에게는 과도한 수준의 강성이라는 평이다.

이에 핸즈 코퍼레이션의 관계자는 ‘우선 설계 규격은 100% 완벽한 제품이 아닌 상태에서 충격 시험을 하기 때문에 양산 제품과 스펙 차이가 있을 수 있다. 보통 이런 식으로 성능이 향상 되고 반대로 성능이 떨어지는 경우는 없다.’며 그 이유를 설명했다.

나날이 중요해지는 휠의 안전성

최근 양산 차량의 휠 사이즈가 커지고 타이어 또한 저 편평비 타이어가 대세처럼 번지고 있다. 이러한 상황에서 휠의 안전성은 더욱 중요해지고 있다. 이렇기 때문에 세계 각국의 휠 제조 업체들은 화려하고 큰 휠은 물론 안전한 휠을 만들기 위해 노력하고 있다. 그러나 저렴한 가격으로 시장에 풀리고 있는 중국, 대만 산 저가 카피 휠은 이러한 부분에서 안전을 보증할 수 없다. 특히 휠에 표기 된 제품의 내구성과 실제 내구성이 다를 수 있으며 제품의 안전성을 보증 할 수 없기 때문이다.

핸즈 코퍼레이션의 김영식 부장은 ‘저 편평비 타이어 사용의 확대로 휠의 림 부분 강성이 무척 중요한데 기존 휠 제조 업체들은 OEM 납품 및 시장 판매를 위해 스스로 안전에 대한 검증을 지속 해왔다. 핸즈 코퍼레이션의 경우에도 현대자동차, 기아자동차는 물론 GM에 대한 글로벌 단위의 납품을 진행해왔고 폭스바겐 등의 납품을 위해 꾸준히 엄격한 품질 관리를 이어왔다.’며 안전에 대한 자신감을 드러냈다.

그리고 이어 ‘그러나 속칭 ‘묻지마’ 저가 카피 휠은 이를 보증하거나 안전을 담보 할 수 없는 위험성이 있다. 이러한 정황 상 앞으로 휠 시장에서 저가 카피 휠이 위험성이 알려지게 될 것으로 전망하며 그로 인해 휠 시장에서의 입지가 점차 줄어들 것으로 전망한다.’고 견해를 밝혔다.