Z virtuality do reality – historie a současnost vývoje experimentálního vozidla

Tags: AutoCAD | CAD | Cosmos/M | SolidWorks

Trocha polemiky na úvod

Úspora paliva dopravních prostředků je stálou výzvou pro vývojáře a konstruktéry automobilek. A poprat se s tímto problémem má možnost i odborná veřejnost formou účastí svých „vynálezů" v soutěžích vozidel o nejnižší spotřebu paliva. Asi nejznámější z takových soutěží je Shell Eco-marathon. Vize budoucnosti dává kromě benzínu, motorové nafty a plynu šance i alternativním palivům, jako jsou vodík a biopaliva, respektive solárním a elektrickým systémům pohonů. Přestože jsme technici, a tím pádem i trochu pragmatici, můžete nám dát za pravdu, že ne všechno, co na první pohled vypadá bez emisí a jiných nežádoucích vlivů na přírodu, ve skutečnosti bez emisí není a nežádoucí emise mnohokrát neprodukuje výfuk auta, ale komín elektrárny. Člověk se dobře pobaví, když vidí reklamu na hybridní automobil nebo na elektromobil, a je mu prezentováno, že auto je ekologicky čisté. O tom by mohli říct své lidé bydlící v blízkosti tepelných elektráren. Velké naděje se vkládaly do jádra, z něhož se dá vyrobit elektřina poměrně „čistým" způsobem. Ale dvě katastrofy jaderných elektráren a následná prohlášení politiků udělaly své, a tak to vypadá, že „zcela čisté" elektromobily se mohou tohoto času cítit ohroženy. Fosilní paliva mají určitá omezení (vyčerpatelnost zdrojů a emise) a obnovitelné alternativní zdroje jsme se navzdory všemu ještě nenaučili „zkrotit tak", aby vyrobily dostatek elektrické energie pro naše běžné potřeby. Možná že tato úvodní slova navozují dojem, že příspěvek je o fanaticích, jejichž montérky musí páchnout olejem a benzínem a ekologie jim je lhostejná. Ale není tomu zcela tak. Věříme, že následujícími řádky takto získaný dojem z úvodu příspěvku vyvrátíme.

Jak to všechno začalo

Shell Eco-marathon jsou mezinárodní závody vozidel s minimální spotřebou paliva. Každoročně je pořádá od roku 1985 firma Shell v měsících květen až červen v různých částech světa.

Soutěž Shell Eco-marathon není samoúčelná – v Evropě se vyhlašuje již přes 20 let a slouží k tomu, aby inspirovala novou generaci konstruktérů a inženýrů na středních a vysokých školách k tvorbě nových konstrukcí vozidel, k používání nových technologií a materiálů. Právě oni budou v budoucnu zodpovědní za vývoj trvale udržitelných a efektivních řešení dopravních prostředků a dopravy jako takové. Již podruhé se proto Evropská komise rozhodla prostřednictvím evropského komisaře pro energii ocenit Shell Eco-marathon jako výjimečnou aktivitu v oblasti mobility a podpory technických inovací. Závodů se mohou zúčastnit všichni, kdo mají rádi motoristické závody, od malých dětí až po lidi v důchodovém věku. To znamená, že soutěžícími jsou studenti odborných a středních škol, vysokých škol, univerzit a nezávislí závodníci. Kolektiv z Technické univerzity v Košicích se účastní těchto závodů od roku 1994.

Vzhledem na čas, který uběhl od naší první účasti na závodech, budeme také svědky toho, jak jsme pokročili ve vývoji experimentálních vozidel.

Vozidla BaS

Je samozřejmé, že aerodynamické tvary automobilů snižují dopad odporu vzduchu, který by měl automobil obtékat a být tlačen před nimi. Tomu byly uzpůsobeny tvary prvních „kapkovitých" tříkolových vozidel. Také snaha eliminace valivého odporu vedla k použití co nejvhodnějších pneumatik. Soutěžní vozidla v počátečních letech této soutěže byla nízká, ve tvaru kapky a navzájem se velmi podobala. V počátcích, když jsme se začali účastnit soutěží, se dalo těžko hovořit o počítačové podpoře projektu. Pouze pokud bychom k tomu započítali pár výkresů nakreslených a okótovaný v AutoCADu. Ale snaha po dokonalosti a co nejnižší spotřebě nás přivedla k použití 3D softwarů na úrovni doby. Následující roky a použití CA technologií, s nimiž byla úzce spojena i NC výroba namodelovaných tvarů, přispěly k individualitě i na tomto poli. Tvary začaly vznikat ve virtuálních prostředích CAD systémů, čímž se otevřely dveře optimalizaci aerodynamiky i individualizaci samotných tvarů. Vozidla měla lehký ocelový rám a laminátovou karosérii.

Obr. 1 Vozidlo BaS 1 (1995), motor Babetta s el. startérem

První vyrobené vozidlo BaS 1 z roku 1995 (označené podle tvůrců Bugár, Svoboda) používalo motor Babetta 50 ccm, upravený pro minimální spotřebu paliva, obr. 1. Tříkolové vozidlo mělo rozchod kol 840 mm, rozvor 1620 mm, výšku 920 mm a hmotnost 57 kg. Dosažený dojezd byl 235 km na 1 l benzínu, čímž jsme se umístili na 71. místě z 118 soutěžících, kteří dojeli do cíle.

Druhé tříkolové vozidlo BaS 2, obr. 2, se pohybovalo s upraveným motorem Babetta 50 ccm a jeho parametry byly následující: rozchod kol 600 mm, rozvor 1650 mm, výška 680 mm, hmotnost 50 kg. Dosažený dojezd byl 450,2 km/l. Toto vozidlo bylo zapůjčeno na FEI VŠB v Ostravě, kde do vozidla v r. 2005 byl namontován palivový článek a vozidlo se zúčastnilo soutěže Shell Eco-marathon v roce 2010 na rychlodráze EuroSpeedway Lausitz v Německu, obr. 3. Vozidlo pod označením HydrogenIX v roce 2005 dosáhlo dojezdu 946 km na ekvivalent 1 litru benzínu.

Obr. 2 Vozidlo BaS 2 (1997) a s palivovým článkem (2010)

Třetí vozidlo BaS 3, obr. 3, 4, používalo motor vyrobený v podmínkách TU – čtyřventilový, později tříventilový, stojatý jednoválec DOHC, výkon 0,62 kW, objem 25 cm3, vrtání 34 mm, zdvih 28 mm. Parametry podvozku byly následující: rozchod kol 520 mm, rozvor 1650 mm, výška 680 mm, hmotnost 46 kg. Dosažený maximální dojezd byl 783,1 km na 1 l benzínu, což znamenalo 47. místo z 263 vozidel, která dojela do cíle. V daném soutěžním roce bylo zúčastněných 21 zemí světa. Řídicí jednotka motoru pro toto vozidlo byla vyrobena na FEI VŠB v Ostravě.

Obr. 3 Vozidlo BaS 3 z roku 2003 a roku 2004

Obr. 4 Poslední úprava vozidla BaS 3 (2009), rozvody a tříventilový motor

Projekt „Udělej si svůj vůz"

Tak zní název projektu KEGA č. 3/7103/09, určeného pro vysoké a střední školy. Tento projekt slouží pro aplikaci teoretických znalostí při výstavbě prototypu experimentálního vozidla s minimální spotřebou paliva za účelem zvýšení zájmu studentů v oblasti strojírenství.

Koncepce poslední verze tříkolového vozidla BaS 4 je řešena jako její předchůdci s pohonem na zadní kolo. Pohon zajišťuje čtyřtaktní spalovací motor typu Honda GX 22, resp. 25, od kterého je točivý moment přenášen prostřednictvím řetězu. Součástí motoru je i odstředivá spojka zabezpečující plynulý rozběh vozidla. Prostorový rám vozidla, obr. 5, je tvořen z profilové oceli 10x20x1 mm a uspořádání prutů je přizpůsobeno předpokládanému tvaru vozidla v souladu s požadavky a předpisy organizátorů. Karosérii tvoří laminátový skelet aerodynamického tvaru. Samotná karosérie bude ke konstrukci rámu připevněna zalitím konstrukce do laminátu. Řízení vozidla zajišťuje natáčení předních kol na svislých, nakloněných čepech řízení, přičemž zadní kolo není řízeno. Zavěšení kol zajišťuje dostatečnou stabilitu vozidla během přímé jízdy a také při průjezdu zatáčkou. Zastavení, případně zpomalení vozidla zajišťují dva nezávisle brzdové systémy, přičemž znefunkčnění jednoho systému nepůsobí na funkčnost druhého. Přední brzdy jsou hydraulické, zadní mechanická.

Základní rozměry konstrukce byly určeny podle rozměrů a parametrů skeletu v souladu s pokyny a předpisy organizátorů soutěže Shell Eco-marathon. Návrh byl realizován ve virtuálním prostředí s využitím CAD systému SolidWorks navržením několika variant řešení konstrukce s ohledem na požadované rozměry. Naskicovaných bylo několik variant takzvaných drátěných modelů, které byly dále řešeny a analyzovány. Pevnostní výpočty byly provedeny metodou konečných prvků v programu Cosmos/M. Byly realizovány různé varianty analýz zatížení, např.: statická analýza – nástupu řidiče, statická analýza vozidla připraveného k jízdě, analýza vozidla při přímé jízdě – brzdění, analýza průjezdu zatáčkou za současného brzdění. Rám i samotné vozidlo musí respektovat přísné požadavky bezpečnosti, které určuje organizátor závodů. Jedná se hlavně o výhled z vozu, brzdy, bezpečnostní oblouky, umístění zrcadel, houkačky, bezpečnostní pásy, ovládání vozu – volant-řídítka, brzdy, poloměr otáčení, hasicí zařízení apod.

Obr. 5 Návrh řešení prostorového rámu analýzou pomocí MKP a skutečný svařenec rámu

Na následujících obrázcích už je znázorněno uchycení prvků řízení ke konstrukci rámu vozidla, obr. 6. Natáčení kol bylo navrženo pomocí pákového mechanismu. Jeho uchycení bylo realizováno tak, aby byl řídicí čep nakloněný pod potřebným úhlem z pohledu jeho pohodlného ovládání s tím, že volant je sklopný pro potřeby vystupování a nastupování do vozidla (obr. 11). Natáčející části jsou uloženy v kluzných ložiscích. Přenos pohybu od volantu k řídicímu čepu je realizován nastavitelným táhlem, na jehož konci jsou kulové čepy. Otáčení řízených pojezdových kol je zajištěno pomocí kuličkových ložisek, brzdění pomocí hydraulických jízdních válců Shimano, obr. 7.

Obr. 6 Zavěšení kol a řízení

Obr. 7 Náboj kola v řezu a skutečné uložení

Vozidlo je poháněno motorem Honda GX 22, resp. 25, obr. 8. Motor tohoto typu se upevňuje k rámu pomocí dvou nebo čtyř šroubů a matic. Podle této možnosti upevnění byla přizpůsobena konstrukce rámu vozidla a zohledněn při návrhu byl i požadavek na snadnou montáž, demontáž a také dostatečný prostor pro manipulaci s motorem v oblasti jeho uložení.

Obr. 8 Návrh uložení motoru a finální uložení motoru v rámu

Karosérie

Materiálem karosérie je především laminát (může být i kevlar apod.), který je po dodržení určitého technologického postupu velmi dobře tvarovatelný. Přední sklo, které je součástí karosérie, je z polymetylmetakrylátu, známého také jako plexisklo. Samotná karosérie je ke konstrukci rámu připevněna podobně jako u předchozích vozidel, a to zalitím ocelové konstrukce do laminátu.

Obr. 9 Průřez kapotovaným vozidlem BaS 4 s uložením řidiče

Obr. 10 Vozidlo BaS 4 bez kapotáže

Obr. 11 Přední a zadní náprava, systém ovládání a sklopný mechanismus řízení vozu BaS 4

Obr. 12 Vozidlo vyrobené na SPŠS v Košicích a práce studentů na vozidle ze SPŠS ve Spišské Nové Vsi

Zhodnocení na závěr

Konstrukce experimentálních vozidel na TU v Košicích začala v roce 1993 a pokračuje až dodnes. Poslední vozidlo, které je ve výstavbě s označením BaS 5 – Jeep Willys, bude pro pohon využívat vodíkové technologie. Skutečnost, že námi vyrobená vozidla splňují všechny bezpečnostní, provozní, konstrukční a funkční požadavky, se projevila v tom, že s malými úpravami jsme prošli náročnými technickými kontrolami pracovníků firmy Shell a zúčastnili se 16 ročníků mezinárodních závodů Shell Eco-marathon. Na závodech (podle jednotlivých ročníků) se prezentovalo 150÷200 vozidel z 18÷25 zemí světa. Umístění vozidel BaS bylo obvykle v první čtvrtině výsledkové listiny vozidel absolvujících celý závod. Tato umístění při konkurenci „rivalů" z celé Evropy považujeme za úspěšné.

Příspěvek byl zpracován v rámci řešení projektů KEGA č. 3/7103/09 a VEGA 1/0022/10.

Literatura:

[1] LABOŠ, J., BUGÁR, T., SLOBODA, A.: Teoretické určenie výkonu spaľovacieho motora, Acta Mechanica Slovaca, č. 4, SjF TU Košice, 1999, ISSN 1335–2393.

[2] SLOBODA, A., BUGÁR, T.: Development of an engines with capacity 1000 W max. and with the fuel injection. In: IPS – 99 Power source and transfer, Podgorica – Bečiči, Crna Hora, 1999.

[3] SLOBODA, A., BUGÁR, T., TOMKOVÁ, M., SLOBODA, A. ml., PIĽA, J.: Konštrukcia automobilov (motory) – Teória, konštrukcia, bezpečnosť. Vienala, Košice, 2004, ISBN 80-88922-83-6 .

[4] KBaKP SjF TUKE, Shell Eco-marathon, dostupné na: