V Číně, alespoň v Shanghai, má naprostou nadvládu Volkswagen. Nevím jaký má podíl na trhu, ale kam se na ulici podíváte, tam je nějaký VW. Některé vozy se jmenují stejně, jiné jsou pro čínský trh pojmenovány jinak než v Evropě.

VW Passat

Navíc všechny taxíky jsou VW a těch je v Shanghai více než soukromých vozů.

VW Santana

Dopravní předpisy jsou v Číně trochu odlišné, než na co jsme zvyklí: chodec na přechodu nemá nikdy přednost. Navíc při projíždění křižovatkou se neustálé troubí, auta se řadí do pruhů podle hesla – kdo je silnější, má přednost. Pokud jste ale taxikář a budete mít nehodu, pak navždy ztratíte licenci – trochu drsné, ale na druhou stranu se tam i při tom zmateném ježdění moc nebourá.

Buick

Další velmi rozšířenou značkou je Buick. Tolik Buicků pohromadě jsem snad neviděl ani v USA Pak jsem tam byly nějaké Toyoty, Honda, o něco méně Hyundai a Peugeot, Citroen. Celkem málo jsem viděl nějaké čínské vozy.

Maglev

A nakonec Maglev – Magnetic Levitation. Rychlovlak, který jezdí až 431 km/hod. Docela nářez, když jsme touhle rychlostí jeli podél dálnice a nechávali auta bezpečně daleko zasebou.

Jinak je až na komunismus Čína celkem v pohodě. Než jsem prošel celnicí, tak jsem musel vyplnit pár hloupých prohlášení, pak při směně peněz si ve směnárně napsali číslo mého pasu, jinak vám peníze nevymění. No a při odletu mi zabavili jednu hračku, kterou jsem koupil pro synovce. Prý je v ní magnet a ten si do letadla nesmím vzít.

Po delší době jsem si našel trochu času na to, abych napsal další pokračování o tom, jak probíhá vývoj vozu. V dnešní části se zaměřím na simulace crash testů a crashe samotné. Vezmu to z pohledu vývojáře a tak nebudu příliš rozebírat americkou nebo evropskou normu, ani to jaké je bodování při crashích a jak moc relevantní je počet hvězdiček, který dané auto obdrží. Dále se omlouvám, pokud se dopustím nějakých nepřesností, a když budete vědět něco víc a nebo bude něco jinak, tak napište komentář a já to opravím.

Nároky na bezpečnost jsou stále vyšší a stavba prototypu a jeho následné zničení není zrovna věc levná a tak se v této oblasti hojně využívá počítačových simulací. V současné době jsou pro crashe nejpoužívanější tři kódy a to Pam-Crash, LS-Dyna a Abaqus. Záleží na dané automobilce který si vybere a využívá. Každý z těchto kódu má své mouchy a přednosti a tak nejde říct, který je nejlepší a přesnost simulací je spíše otázkou know-how lidí, kteří tyto simulace provádí.

Podle toho o jakou automobilku a jaký automobil se jedná, jsou prováděny i simulace, druh a jejich počet. Je jasné, že takové Porsche dá do vývoje vozu více peněz než např. Škoda a tak se dá i očekávat, že výsledky crashe Porsche budou lepší než výsledky Fabie.

Základní typy crashů:

Čelní náraz

Boční náraz

Náraz na kůl

Náraz zezadu

Samozřejmě se provádí cela řada dalších testů, ale jak jsem psal výše, záleží na dané automobilce a typu vozu. Mezi další testy patří například roll-over, tedy když se vůz převrátí na střechu. Ochrana chodců, kdy se měří zrychlení a posun v kolenním kloubu, popřípadě se simuluje náraz hlavy na kapotu a jestli se hlava dotkne motoru pod kapotou.

Trocha historie

První automobilová nehoda se pravděpodobně stála v roce 1869, kdy žena řídící motorové vozítko byla při nárazu vymrštěna dopředu a zemřela (tolik jsem našel na Wikipedia). V roce 1930, kdy biomechanika byla ještě v plenkách, nebylo příliš známo, jaké následky má náraz na lidské tělo a tak se začalo s výzkumem. Přišly na řadu zvířata, dobrovolníci a nakonec také mrtvoly. Poměrně dlouhou dobu trvalo, než se vytvořil matematický model, který by dostatečně popisoval chování lidského těla. V současné době se výzkum provádí převážně na mrtvolách.

Crash test

Čelní náraz se pro provádí v rychlosti 35 mph (56 km/hod) a nebo 64km/hod (záleží na normě) a vůz jednoduše narazí do bariéry. Boční náraz se provede tak, že vůz stojí a zleva do něj narazí bariéra rychlostí 62 km/hod. Náraz na kůl se provádí rychlostí 29 km/hod a v této rychlosti zleva do vozu pronikne tyč o průměru 25,4 cm (10 palců).

Na voze a na figurínách je umístěna spousta akcelerometrů, které měří zrychlení (to může přesáhnout až 30G), dále senzory pohybu a senzory zatížení. Celý test se natáčí vysokorychlostními kamerami, které zachytí až 1000 snímků za vteřinu. Pro takovou rychlost natáčení je potřeba dobrého osvětlení a tak můžete vidět, že v místnosti, kde se crash provádí je spousta světel (z těch je pořádné vedro) a auto musí mít navíc speciální matný nátěr, aby se světla neodrážela od laku.

Simulace crash-testů

Jak už jsme si psali v předchozím díle, simulace se provádí metodou konečných prvků (pro znalé – jde o explicitní kód). Je tedy potřeba vytvořit síť konečných prvků a na ni zadat okrajové podmínky. Jinými slovy to znamená vymodelovat auto a bariéru, určit kontaktní plochy, namodelovat palivo v nádrži, figuríny, atd…

Fyzikální stránka problému

Vůz se pohybuje rychlostí 56km/hod proti bariéře do které narazí, zdeformuje se a odrazí se od ní zpět. Od doby kdy vůz narazí do bariéry a odrazí se zpět, uplyne asi 0,1 vteřiny. Jde tedy o děj opravdu rychlý. Celý náraz je o energii, přesněji kinetické energii. Jen připomenu, že kinetická energie je dána hmotností (m-mass) a rychlostí (v-velocity). Přesněji takto E=1/2m*v^2. Jde tedy o polovinu hmotnosti a rychlost je na druhou. To znamená, že rozdíl kinetických energií při nárazu 50km/hod a 100km/hod není dvojnásobný, ale čtyřnásobný. Tedy kinetická energie je čtyřikrát vyšší.

Během nárazu dojde k tomu, že se vůz velmi rychle zastaví a vaše tělo setrvačně pokračuje dále v pohybu (má kinetickou energii). Po skončení nárazu bude mít vaše tělo nulovou energii. Např. pro 80kg těžkého člověka pohybujícího se rychlostí 56km/hod je kinetická energie 1625,7 kJ (kilo joulů) a po nárazu bude kinetická energie nulová. Je potřeba aby kinetická energie byla snížena pokud možno co nejpomaleji a nejrovnoměrněji jak to jen jde. Z toho důvodu jsou ve voze nejdůležitější bezpečnostní pásy a airbag. Pásy mají kontrolu síly, která na vaše tělo působí a z počátku vás pás zadrží, ale během několika milisekund by byly síly, které na vás působí z bezpečnostního pásu, příliš vysoké a mohly tak rozdrtit váš hrudník. Proto se začnou pásy pomaličku uvolňovat a snaží se o to, aby působící síla nebyla příliš vysoká. Další věcí, která absorbuje energií je airbag. Ten se nejdříve musí rozbalit a pokud nemáte bezpečnostní pás, tak vás jednoduše praští do tváře (navíc je horký, tak vás může popálit). Jakmile je airbag rozbalen, absorbuje velkou část kinetické energie a zároveň vás ochrání před nárazem do tvrdé palubní desky (nebo volantu).

zrychlení hlavy

síly ve stehenní kosti

deformace hrudníku

Otázka crashů je velmi problematická a neustálá snaha o zvýšení bezpečnosti žene vývoj v této oblasti kupředu. V budoucnosti se počítá s takzvanýmí chytrými airbagy, které budou reagovat podle toho, jak velký a těžký člověk sedí na sedačce. Dále se počítá s inteligentními bezpečnostními pásy, které budou brát v potaz velikost a polohu člověka a podle toho budou přizpůsobovat sílu v pásu.
Dále neustálá snaha o zvýšení bezpečnosti chodců má za následek změnu designu vozů, umístění airbagů pod kapotu. Měkké části nárazníků a chladiče, aby nedošlo k poškození nohou hodce, atd…

1. statické a dynamické výpočty
2. rychlé dynamické děje – crash testy
3. simulace proudění CFD – aerodynamika

Statické a dynamické výpočty.

Asi tohle rozdělení není úplně správné, ale zvolil jsem jej proto, že pokrývá celkem velkou oblast výpočtů, které se na voze provádějí. Statické výpočty jsou takové, kdy se zatížení s časem nemění, zůstává konstantní. Dynamické výpočty jsou naopak takové, kdy je pro různé časy zatížení různé.

K počítačovým simulacím se převážně využívá Metoda konečných prvků (anglicky FEM – Finite Element Method nebo FEA – Finite Element Analysis). Jedná se o numerickou metodu, kdy se objekt, který chceme analyzovat, rozdělí na spoustu částí (elementů), na které se pak zadá zatížení a pomocí různých matematických metod se vše spočítá – viz. obrázek.

vůz rozdělený na elementy – model pro CFD (proudění)

konečnosprvková síť a crash analýza

Statických výpočtů se na voze provádí spousta a asi by nemělo smysl všechny je vypisovat. Mezi ty nejčastější patří např. tuhost karosérie, výpočet závěsů dveří a tuhost dveří, nosnost držáku tašky, upevnění retraktoru (navíječ bezpečnostních pásů) atd…

Tuhost karosérie:

Na voze se počítá statická a dynamická tuhost karosérie. Statický výpočet se provede tak, že se karosérie uchytí na zadní nápravě a na přední nápravu se zadají síly tak, aby vytvořily torzní moment. Výsledkem je pak torzní tuhost, která se udává jako kroutící moment/úhel. Samozřejmě cílem je dosáhnout co nejvyšší tuhost karosérie, tedy pokud možno co nejnižší úhel zkroucení.

NVH (Noise, Vibration & Harshness)

Je to poměrně náročná oblast, jejíž cílem je analyzovat vibrace a hluk. V podstatě jde o to, udělat vibrační a akustickou analýzu karosérie. Nejdříve se provádí analýza holé karosérie. Tedy karosérie bez sedaček, dveří, nádrže s palivem, atd…

Dynamická tuhost holé karosérie – prvním, nejjednodušším, výpočtem je nalezení rezonančních frekvencí. K tomu se používá Modální analýza. Možná budete něco podobného znát z elektrotechniky – první harmonická, druhá harmonická, atd… U automobilu může jedna z rezonančních frekvencí vypadat např. takhle.

Na dalším obrázku je NVH analýza holé karosérie (anglicky se tomu říká BIW – Body In White) Jaguáru S-Type. Jak můžete vidět na pravé straně, tak torzní tuhost je 35kNm/°. Na levé straně jsou vidět grafy, které zobrazují velikost amplitudy v závislosti na frekvenci. Jedná se o odezvu systému na buzení karosérie – např. od motoru. Čísla jsou bohužel rozmazaná. Faktem ale je, že je potřeba dosáhnout co nejvyšší frekvence a nejnižší amplitudy. Na prvním grafu je odezva torzního zkroucení, na druhém a třetím grafu jsou odezvy na ohyb karosérie.

NVH analýza vozu Jaguar S-Type provedena firmou Altair Engineering

Důležitou částí NVH je akustika. Např. kmitání čelního skla vybudí kmity vzduchu uvnitř vozu, což pak působí nepříjemně. NVH je oblast velmi náročná a mohl bych o ní psát dlouho a stejně bych všechno nepopsal. Na voze je spousta dílů, které mohou vibrovat a tím vytvářet nepříjemné zvuky a je velmi obtížné všechny tyto díly zahrnout do výpočtových modelů. Např. simulace vibrací nádrže s palivem není vůbec jednoduchá.

Poslední dobou se do popředí zájmu pro výpočty NVH dostává nová metoda – SEA. Jedná se o statistickou metodu, která má oproti FEM tu výhodu, že je přesnější ve vysokých frekvencích.

Tepelné výpočty

Určitě všichni znáte princip benzínového nebo dieselového motoru a tak vám je jasné, že jsou v motoru vysoké teploty. Jednak se s teplotou velmi významně mění materiálové vlastnosti a také díky tomu, že dochází k tepelné roztažnosti, tak vznikají napětí od teplot. Např. u turba je potřeba počítat také creep (tečení), neboť turbína uvnitř turba se může otáčet rychlostí až 240 tisíc otáček za minutu a teploty mohou dosahovat 1000°C. Tepelným výpočtům se budu věnovat podrobněji v kapitole o CFD (simulace proudění).

Analýza napětí

V každé konstrukci vznikají napětí, ať už od zatížení silou nebo tepelnou roztažností. Analýza těchto napětí je velmi důležitá, neboť umožní navrhnout součást tak, aby , jednoduše řečeno, vydržela více. Pokud napětí překročí dovolenou mez, dochází k plastické deformaci. Tento jev je opět běžný u turb.

analýza klikové hřídele – červeně označená místa s výskytem vysokých napětí

analýza bloku motoru (obrázek jsem musel kvůli velikosti ořezat a smazat pár snímků)

Životnost

Na životnost má vliv velikost napětí a počet cyklů. Čím větší napětí, tím méně cyklů součást vydrží. Máme dva druhy únavy – vysokocyklovou a nízkocyklovou. Na životnost se počítají např. svary, samozřejmě motor, turbo, atd…

tady jsou odkazy na Porsche, Ferrari nebo skvělý popis Škodovky

a ještě jeden odkaz, sice nemá s vozy nic společného, ale je to legrace – popis České Republiky.

P.S: Berte to s rezervou, je to satira

Určitě zde není nikdo, kdo by neznal benzínový nebo dieselový motor. Nicméně pokrok jde kupředu, ceny ropy rostou, a tak se do popředí zájmu dostávají i jiné, alternativní, pohony. V tomhle povídání se pokusím představit jeden z nich. Není to zrovna převratná novinka, nicméně i tak o ní mnoho lidí neví. Na první pohled vám to bude připomínat modifikovaný Wankelův motor. Anglický název pro tento motor je Quasiturbine, bohužel nevím, jak to správně přeložit do češtiny, tak tomu budu říkaz Kvaziiturbína.

Kvaziturbína byla patentována v roce 1996 týmem Saint-Hilaire a to pouze jako vylepšení stávajícího Wankelova motoru. Saint-Hilaire udělali podrobnou analýzu různých řešení a dospěli k závěru, že nejlepším řešením bude, když budou vycházet z nějakého rotačního motoru nebo Wankela. Jako ostatní rotační motory I kvaziturbína se skládá z rotoru a statoru.

návrh Kvaziturbíny – skládá se z rotoru, statoru a čtyř komor

Vývoj vozu se dělí do několika částí. Nejdříve jde o studii, pak předkoncept a koncept, a když je vše v pořádku, tak dojde na stavební řady.

Stavba prototypů – Volvo

Modeláři u Corvette

Většina vozů má dvě stavební řady, modely vyšší třídy mohou mít stavební řady tři. Pokud má vůz více než tři stavební řady, tak byly s jeho vývojem pravděpodobně nějaké problémy a konstrukce byla změněna natolik výrazně, že musel být návrh prohlášen za další stavební řadu. Je-li vůz ve stádiu druhé stavební řady, je poměrně obtížné na něm něco měnit. Zvláště pak po designové stránce. Ne že by to nebylo vůbec možné, ale změny už nejsou tak výrazné a tak se druhá stavební řada, od konečného produktu, příliš neliší.

Konstruktéři – jsou strojního nebo elektrotechnického vzdělání a to podle toho, kterou část vozu navrhují. Dneska již není vyjímkou mít vůz „prošpikován“ elektronikou a tak se samozřejmě uplatní i programátoři. My se budeme věnovat stojním konstruktérům, kteří navrženou studii podrobně rozpracují. Musí navrhnout kudy povede elektrická kabeláž a kvůli tomu udělat výřezy ve dveřích a dalších částech vozu. Musí navrhnout umístění zámků dveří, kličky nebo tlačítka na otevírání okýnek, reproduktory ve dveřích, upevnění nádrže s palivem a nebo uchycení stěračů. Práce je bezpochyby hodně a ve vývoji existuje spousta větších či menších oddělení a každé z nich se specializuje na určitou část vozu. A tak najdete oddělení, které dělá nárazníky, další podvozek a jiné třeba ony stěrače. Všechno se musí dobře navrhnout a spočítat, aby se např. nestalo, že až si pověsíte na držák tašky nákup, tak se vám onen držák utrhne.

Konstruktéři pro svou práci používají CAD programy. CAD je zkratka od Computer Aided Design, což volně přeloženo znamená Počítačová podpora v konstruování. CAD programů je spousta a různé automobilky používají různé programy. Mezi ty nejznámější patří Catia, Unigraphics, ProEngineer a nebo třeba I-DEAS. Díky těmto CAD programům se vývoj vozu zjednodušil a zrychlil. Je potřeba si uvědomit, že na voze pracuje spousta lidí a situace je taková, že když něco navrhujete, tak to musíte navrhnout tak, aby vámi navržený díl nezasahoval do místa, kde je díl, který navrhuje váš kolega. Díky CAD programům se tohle zpřehlednilo a tak víte kam až můžete se svým dílem jít. Dále je potřeba mít zvolený souřadný systém a v něm pracovat. Většinou to znamená, že osa x je podél vozu, osa z je nahoru a kladná osa y je na stranu řidiče. Souřadný systém je v dané automobilce normalizovaný a všichni musí používat stejný souřadný systém. V takovém případě pak není problém nahrát jednotlivé díly do sestavy tak, aby do sebe pasovaly.

Souřadný systém používaný ve většině automobilek

Ještě než se rozhodne o vývoji nějakého vozu, tak se musí udělat průzkum trhu, aby se vědělo, jestli o takový vůz bude zájem a také, zda-li se jeho výroba vyplatí. Předlohou může být buď nějaká studie, ať už vlastní nebo se můžete inspirovat studií konkurenční automobilky, nebo se vychází z již vyráběných modelů. Např. pokud se rozhoduje o nástupci nějakého vozu, třeba Octavia II, tak se vychází z již vyráběného modelu a pokud byl vůz prodejně úspěšný, pak není problém vyrábět jeho nástupce. Horší to ale je, když se chystáte pustit do segmentu, který jste nikdy nedělali – příkladem Škoda Yeti. V takovém případě je velmi těžké vyčíslení nákladů na vývoj a výrobu, protože zohlednit problémy, jaké můžou nastat při vývoji vozu, není vůbec jednoduché.

Vraťme se ale zpět k samotnému vývoji vozu. Jako první potřebujeme nějakou designovou studii. Tu nedělá nikdo jiný než designéři. V dnešní době je snaha, aby se vše dělalo pomocí počítače, ale i tak se stále najde množství designéru, kteří kreslí na papír.

Nicméně trend je jasný a tak se přechází k designu na počítači. Díky počítačům dohází ke zkrácení doby vývoje a také zvýšení kvality vozů. Designér si tak může odzkoušet, jestli je jeho design ergonomický a to jednoduše tak, že si do počítače nahraje figurínu člověka a uvidí, zda-li pohodlně dosáhne na všechna tlačítka, kolik má místa pro nohy, kam umístit různé odkládací schránky a podobně.

Řekněme tedy, že máme hotovou studii nějakého vozu. Aby bylo možné si tuto studii pořádně prohlédnout, vytvoří se model vozu. Ten se samozřejmě může vytvářet ručně a nebo strojně. Díky počítačovému designu není až takový problém exportovat data do nějakého stroje, který je schopný pak takový model „vyřezat“. K prohlížení vozu je také možné využít virtuální realitu, každá moderní automobilka jí má, včetně Škoda – Auto. Virtuální realita je vlastně takový IMAX, kde sedíte v tmavé místnosti, na očích máte 3D brýle a sledujete velké plátno. Oproti IMAXu je rozdíl v tom, že si můžete sami určovat to, co uvidíte. A tak si můžete vůz libovolně zvětšovat, podívat se dovnitř vozu, prohlédnout si detail světel a nebo se podívat na vůz v řezu.

Ruční výroba

Automatizovaná výroba

Virtuální realita