5 Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval zcela samostatně. Veškeré knižní i elektronické podklady, ze kterých jsem čerpal informace, uvádím v seznamu použité literatury.
Tomáš Říha
6
7 Poděkování Chtěl bych na tomto místě zmínit kantory, kteří mne vedli v průběhu delého studia a poděkovat jim za jejich cenné rady. Jedná se o celý kantorský sbor odboru Průmyslový design, který spadá pod Ústav konstruování. Zvláštní poděkování patří vedoucímu této diplomové práce, panu akademickému sochaři Miroslavu Zvonkovi, Art.D za jeho přístup a věcné připomínky. Dále bych chtěl poděkovat svým rodičům a sourozencům za neupadající zájem a veškerou podporu během celého studia. Děkuji také své přítelkyni, svým spolužákům a známým za psychickou podporu, jejich postřehy a připomínky k práci.
8
9 Anotace Cílem mé práce byl návrh tříkolového vozidla do městského prostředí. Primárně jsem se zabýval propojením technické stránky návrhu s vizuální formou trojkolky. Práce dále obsahuje ergonomické aspekty provozu a jejich alternativní řešení. Koncept jsem navrhoval tak, aby byl svými rozměry a provozními možnostmi vhodný pro pohyb v husté městské dopravě. Provoz není limitován vlivy ročních období ani počasím. Jde o dopravní prostředek typizovaný pro dvě osoby, přičemž místo pro spolujezdce není plnohodnotné a lze jej variací interiéru přeměnit na nákladový prostor. Vůz je poháněn palivovými vodíkovými články s elektromotory. Díky snadnému ovládání, stavbě a provozním vlastnostem zvyšuje pohodlí řidiče při častém přepravování na kratší vzdálenosti.
Annotation The purpose of my work is to design a threewheeler which is suitable for cities. Primary obligation was to put together technical requirements and visual form of the threevheeler. This work also includes ergonomical aspects of running and their solution. The concept is designed to make an advantage of small proportions and running possibilities. Using of this three wheel city car has got no limits by weather or season limits. This car is designed for two persons. The seat of the second passenger can be put aside in order to have more space for luggage. The source of power there is a fuel cell with electromotors. Easy handling, construction and other properties make better comfort of the ride.
10
11 Obsah 1.
Úvod
15
2.
Cíl práce
17
2.1 Provoz
17
3.
Historická část
19
4.
Technická část
21
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11
Inspirace Základní popis Podvozek Pohon Elektromotory Stabilita vozu Velikosti kol Zavěšení kol Hydropneumatický systém Karoserie Skla
21 21 21 22 23 24 25 26 27 28 29
5.
Designérská část
31
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10
Ergonomické požadavky Filosofické aspekty Interiér Nástupy Područka Skici Vývoj návrhu Hodní část karoserie Dolní díly karoserie Kyvná vidlice
31 33 33 35 37 38 38 42 42 42
12 5.11 5.12 5.13 5.14
Světlomety Větrací otvory Disky kol Zrcátka
43 44 44 44
6.
Závěr
47
6.1
Dodatek
47
7.
Literatura
49
8.
Seznam příloh
50
9.
Náhledy plakátů
51
13
14
15 1. Úvod V této práci se věnuji návrhu koncepce tříkolového vozidla určeného pro provoz v městském prostředí. Navazuji tím na předdiplomní projekt a seminární práci, kterou jsem řešil v zimním semestru akademického roku 2006/2007. Práce navazuje také na silnou historii výroby tříkolových vozidel, zejména ve Velké Británii, ale i jinde ve světě. Využívá ale moderních technologií a výrobních postupů, které přisuzují práci jistou míru nadčasovosti. Není v silách jediného člověka vyprodukovat kompletní návrh dopravního prostředku. V praxi na návrhu spolupracuje tým konstruktérů a designérů. Ani já nejsem výjimkou a nabízím pouze pohled na možný způsob řešení. Jedná se mi tedy spíše o myšlenku konceptu než o jednotlivé detaily. Samozřejmě, že mu dávám konkrétní podobu a zároveň se snažím o komplexnost přístupu. Přicházím s jedním, nikoli jediným možným návrhem. Dalších způsobů řešení stejného konceptu je však mnoho.
16
17 2. Cíl práce Diplomovou prací reaguji na problematiku dopravy ve městech. Průzkumy dokazují, že se ve více než 80% po městech přepravuje každým vozidlem jedna, maximálně dvě osoby. Zejména kvůli těmto faktům chci přijít s inovativním návrhem dopravního prostředku, typizovaného pro jednu osobu s alternativním místem pro spolujezdce a s adekvátním zavazadlovým prostorem. Toto vozidlo by využívalo svých půdorysných rozměrů nejen k parkování, ale i k pohybu v husté městské dopravě a manévrování. Což by díky větším bočním odstupům a jiným výhodám vedlo i k vyšší bezpečnosti osobní dopravy. Jeho stavba respektuje technické zákonitosti konstrukce trojkolek. Dostatečná stabilita by byla zaručena díky rozměrům nebo variabilitě celku. Chci využít jednodušší konstrukce, lehčí karoserie a alternativního pohonu k tomu, aby se cestování tímto vozem stalo do maximální míry ekologické, svižné, pohodlné a příjemné pro uživatele. Z ergonomického hlediska se snažím mým návrhem posunout dopravní prostředky dál. Například komfortem při nastupování. Pro městský provoz je vhodné mít maximální možný výhled na dopravní situaci. Proto jsem řešil i zorné úhly, ergonomii sezení v závislosti na umístění ovladačů a sdělovačů a další aspekty spojené s osobní přepravou. Napadla mě i myšlenka poukázat na možnosti vyspělých technologií a vymyslet napůl vozidlo, napůl robota. Ten by snad mohl lépe respektovat potřeby přepravovaných lidí. Tuto alternativu jsem z části dále rozvíjel.
2.1 Provoz Jak jsem již nastínil, vůz je dle zadání koncipován do městského prostředí. Předpokládám provozní rychlosti do 100 respektive do 80 km/h, aby s ním bylo možno jezdit i po městských okruzích a pod. Slouží k přepravě osob do zaměstnání, za každodenními nákupy nebo za zábavou. V podstatě vytvářím obdobu městského skútru, ovšem s tím rozdílem, že se moje trojkolka hodí pro celoroční provoz. Přicházím tedy s koncepcí krytého vozidla.
18
19 3. Historická část Prvním návrhem vozidla, nebo spíše přepravního stroje, se zapsal do dějin již Leonardo da Vinci. Ovšem první, kdo vytvořil pojízdný stroj s parní pohonnou jednotkou, byl Nicolas-Joseph Cugnot z Francie. Následovala další zvučná jména jako Huygens, Volta, Du Quet a další, jejichž práce inspirovala a byla základem pro koncepty jiných konstruktérů a inženýrů. Ostatně v historii všech starších automobilek jsme schopni najít tříkolový koncept osobního vozu. Ze začátku byly vyráběny vesměs kvůli ověřování vlastností celku nebo jeho částí. Postupem času si ale trojkolky upevňovaly svoji pozici v automobilovém průmyslu. Mnoho konceptů se stalo průkopnickými počiny a našlo své uplatnění i oblibu u zákazníků. Velice silná základna producentů trojkolek je ve Velké Británii a jiných zemích, jako je kupříkladu Itálie, Francie, Německo, Čína. Dosti oblíbená byla například italská ISO Isetta, která byla vyráběna i v jiných státech (Německo, ...) a celkem bylo vyprodukováno přes 200 000 kusů tohoto vozu. Ve výčtu následují britské Morgany, Frisky, Relianty, Bondy a další. Ale právě Isettou jsem se nechal inspirovat při návrhu mé verze trojkolky. Samozřejmě mne oslovila i jiná, novodobější řešení. Byl to hlavně stroj Carver, který využívá aktivního systému naklápění. Tím vznikl mezistupeň mezi motocykly a automobily „v pravém slova smyslu.“
Obr. 3.1 Italská ISO Isetta [1]
20
21 4. Technická část 4.1 Inspirace Kvůli celému duchu konceptu jsem zkombinoval více technologií. Částečně jsem se nechal inspirovat hydraulicko mechanickým podvozkem, který byl vysvinut společností Brink Dynamics (division Brink Technology Group B.V.) v Holandsku. Tohoto systému využívá například vozidlo Carver, ktaré patří do skupiny trojkolových vozidel s aktivním systémem řídícím náklon do zatáček. Elektronika vozu vyhodnocuje průběžně vstupní informace a na jejich základě určuje boční naklonění celé kabiny vozu, který se pak chová jako motocykl. Podstatným způsobem tak zvyšuje stabilitu při průjezdu zatáčkami a zároveň redukuje normálové (odstředivé) silové působení. [6] Kvůli zaručení stability jsem se snažil dodržet minimální výšku vozu a mimo to jsem postavil párová - přední kola dostatečně široko od sebe. Nepoužil jsem systém řízeného náklonu do stran, ale náklon kabiny vozidla vpřed a vzad. (Zadní část se pohybuje nahoru/dolů a celá soustava se otáčí kolem středů předních kol.) Koncept stavím na polohově variabilním podvozku, který také zvyšuje komfort při nastupování a vysedání z vozu. Ve zvednuté pozici je jednoduché se do vozu dostat a člověk se při nasedání nemusí shýbat příliš dolů. V pokleslém stavu je zase zaručena provozní stabilita stroje.
4.2 Základní popis Jako každý dopravní prostředek má mnou navrhovaná trojkolka podvozek. Dále skořepinovou karoserii, pod níž je ukryta kovová rámová konstrukce, hydropneumatickou tlumící soustavu, palivový vodíkový článek, čalounění interiéru a jeho vybavení ovladači a sdělovači. Prakticky všechny prvky, kterých využívám, jsou obdoby již použitých prvků a systémů na jiných konceptech a prototypech, ale mnohé z nich nejsou částmi klasických sériových vozů. Tyto komponenty mají pak specifické rozměry a producent by je musel vyrábět právě pro tento typ vozu. Ostatně obdobně tomu je i u všech sériových aut.
4.3 Podvozek V roce 2002 odhalila společnost General Motors svůj prototyp vozu, jenž vyšel ve známost pod názvem AUTOnomy. Jednalo se o první automobil poháněný čistě palivovým článkem. Prototyp je tvořen samostatným podvozkem, který na první pohled vypadá jako veliký skateboard. V něm je integrováno vše potřebné pro jízdu vozu. Tedy od nádrží přes konvertor energie až po elektromotory. Součástí podvozku jsou také deformační
22
Obr. 4.1 Systém AUTOnomy, General Motors [2] zóny. Dále kontrolní systém, který v sobě soustředí elektroniku na rozdělování jednotlivých proudů do elektromotorů, přijímá signály z ovladačů a posílá impulzy do efektorů řízení, klimatizace a dalších prvků systému. Tento „mozek“ vozu pracuje při napětí 42V. Součástí podvozku jsou závěsy kol, v jejichž středech se nachází elektromotory. Přední náprava je řízená, což zajišťují elektroserva. Z předchozího vyplývá, že odpadají části vozu, jako je spalovací motor, který běžně váží kolem 100 kg, diferenciál, kardany a třeba i sloupek řízení, který bývá při dopravních nehodách zdrojem nebezpečí a častých zranění.
4.4 Pohon Jako pohon jsem zvolil „čistý“ zdroj energie. Zdroj, který při provozu neprodukuje skleníkový plyn oxid uhličitý ani jiné látky znečišťující životní prostředí. Použitým systémem jsou palivové vodíkové články. K jejich funkci je zapotřebí palivových vysokotlakých nádob se stlačeným vodíkem, který se rozvodem dostává k agregátu. Tento konvertor energie je v podstatě elektrochemická jednotka, která vyrábí elektrický proud syntézou vodíku se vzdušným kyslíkem. Vzniká tak voda a již zmíněná elektrická energie a jako vedlejší produkt této reakce se uvolňuje teplo. Z agregátu je proud rozdělován do jednotlivých větví obvodů a dostává se do elektromotorů. Zatím se zdá, že lidé nevěnují palivovým článkům tolik pozornosti jak by si zasloužily. Podle odborníků je ale možné, že se ocitáme na prahu
23 revoluce v energetice a palivové články v ní hrají velkou roli. Po vyčerpání dosud tolik oblíbených fosilních paliv budeme muset přistoupit k alternativním zdrojům energie. Energie získaná z vodíku má velký potenciál využití. V budoucnu by také měla být velmi levná. K tomuto řešení jsem také přistoupil z toho důvodu, že koresponduje se zbytkem konceptu, který budu popisovat zejména v kapitole věnující se podvozku. [8]
Obr. 4.2 Podvozek trojkolky 3city
4.5 Elektromotory Elektromotory jsou další specifikou pohonu. Výrobce by si je musel produkovat sám nebo by si je musel nechat vyrábět na zakázku. Výrobou se zabývá spousta firem, z nichž nejznámější je firma Siemens. Pro provoz navrhované trojkolky je zapotřebí kola vybavit synchronními elektromotory s rotačním pláštěm. K tomuto plášti je šrouby připevněn disk kola. Pokud obvody obsahují mikroprocesorový frekvenční měnič, lze využít brzdné energie k rekuperaci. Elektrická energie začne nabíjet kondenzátory, které mohou nakumulovanou energii využít k lepší akceleraci stroje. Kondenzátory by se mohly nabíjet i během stání na křižovatkách, během jízdy, kdy není celý výkon soustavy využit na běh elektromotorů. Tyto motory mají výkony řádově 15 kW a točivý moment cca 70 Nm. Nemají nijak vysoký výkon, ovšem jejich točivý moment je dostatečně veliký, abych si mohl dovolit větší průměry kol.
24 4.6 Stabilita vozu Otázkou stability trojkolek jsem se zabýval v seminární práci „Studie tříkolových vozidel.“ Níže uvedená fakta poukazují na podrobně popsanou problematiku uvedenou ve zmiňované studii. Kromě nízké konstrukce (a tedy nízko posazeného těžiště automobilu) určuje stabilitu tříkolového vozu ještě uspořádání podvozku. Je žádoucí navrhovat konstrukci tak, aby bylo těžiště soustavy co možná nejníž a blízko párových kol. Situaci přibližuje obrázek.
Obr. 4.3 Stabilita tříkolových vozů
25 Pohyb výsledného vektoru, který vznikne vektorovým součtem tíhové síly soustavy (stroje a posádky se zavazadly) s dalšími silami (setrvačné nebo odstředivé) se odehrává v pomyslném kuželu. Jeho vrchol je umístěn v těžišti soustavy. Podstava kužele leží v rovině silnice. Kuželová plocha tedy určuje maximální výchylky od střední polohy výsledného vektoru. (Tedy od vektoru tíhové síly.) Míra stability je dána vzdáleností podstavy kužele od přímky, která určuje mez převracení. Tato přímka nesmí nikdy podstavu kužele protínat. Jinak by došlo k destabilizaci a přavrácení. Přímka protíná nepárové kolo a jedno z párových kol. Velikost podstavy kužele je také dána přilnavostí pneumatik. Každopádně je třeba konstrukcí docílit toho, aby se stroj dostal dříve do smyku a nepřevrátil se.s Stabilitu velkou měrou určuje i uspořádání kol. Pokud bude mít stroj párová kola vzadu a jedno vepředu, bude mít tendence se v zatáčkách převracet. Zvláště v mezní situaci, kdy vozidlo při půjezdu prudkou zatáčkou současně ostře brzdí. Z tohoto hlediska je výhodnější uspořádání dvou kol vepředu a jednoho vzadu. Stejná koncepce je výhodnější i z pohledu přetáčivosti. Jedno kolo vepředu a dvě vzadu totiž inklinuje k přetáčivosti. V automobilovém průmyslu je pro spotřebitelská vozidla volena jistá míra nedotáčivosti, aby nedocházelo k častým smykům při pouhých průjezdech zatáčkami. Proto také volím pro řešený koncept dvě kola vepředu a jedno vzadu.
4.7 Velikost kol Průměr předních kol je nestandartně větší než je obvyklé u ostatních automobilů. Větší průměry se lépe vyrovnávají s terénními nerovnostmi. Také se do středů těchto kol lépe vejdou elektromotory s brzdným systémem. Všechna kola tak svou velikostí i uspořádáním tvoří charakteristické rysy konceptu. Proto jsem se je snažil tvarově podpořit karoserií. Přední kola mají průměr 750 mm a zadní pneumatika 650 mm.
Obr. 4.4 Pohled na podvozek
26 4.8 Zavěšení kol Dalším argumentem je zavěšení kol. Pokud chci ponechat řízení přední části vozu, musel bych u konceptu 1 vpředu/2vzadu - jedno kolo zavěsit na kyvnou vidlici a použít řízení rejdovým čepem. Řešení vypadá atraktivně a na prototypech je s oblibou používáno, ale nevýhodou je složitost, náročnost na výrobu a pro mne limitující úhel natočení kola. Což by byla slabší stránka vozidla při manévrování a zejména při parkování. Ovšem dvě kola mohou být vpředu zavěšena a řízena stejně jako u klasického čtyřkolového automobilu - systémem zavěšení typu Mac Pherson, jehož ukázky lze vidět na obrázku.
Obr. 4.5 Zavěšení typu Mac Pherson [3] Celý závěs předního okla by ovšem měl být také na samostatné konzole, která se bude vzhledem k celku také natáčet. A to tak, že si osa zatáčení kola zachová „stálý“ úhel záklonu, aby byla zaručena vhodná sbíhavost kol a také stabilita polohy závěsu při jízdě a správné silové působení na jednotlivé části závěsu. Pohyb by mohl zajišťovat menší hydraulický člen pro každé kolo. Náklon závěsu a náklon karoserie je současný. Proto předpoklám, že by byl hydropneumatický systém tlumení (který popisuji níže) pouze rozšířen o několik členů (vysokotlaké trubky a pístky.) Zavěšení zadního kola je obdobou kyvné vidlice používané na motocyklech. Je v prostoru umístěna pod úhlem, který podporuje její otočení a tím i změnu polohy celého vozu při zachování velikosti kroku hydropneumatických členů, což činí cca 170 mm u podvozků vozů Citroen. Střed jejího otáčení je tedy výše než je zvykem u motocyklů. Pohyb vidlice při změně jízdního módu na parkovací se nejen zvedne zadní část vozu, ale také se zkrátí rozvor kol o 40 cm, které zvýší manévrovatelnost a zmenší půdorysné rozměry. Tím, že se vidlice otočí směrem dolů se také stane podvozek tužší. Část otřesů bude absorbovat pneumatika a částečně bude pracovat i pružící systém. Pohyb vidlice a její pozice jsou navrženy tak, aby hydrop-
27 neumatický systém nikdy nepřestal plnit svoji funkci. Vůz se ale bude v parkovacím jízdním módu pohybovat pouze omezenou rychlostí. A to do pěti km/hod. V těchto rychlostech nebudou části stroje vystavovány velkým nebo silným otřesům.
Obr. 4.6 Rozměrové rozbory, kinemaatika kyvné vidlice
4.9 Hydropneumatický systém Jedná se svým významem o unikátní systém, který lze využít dvojím způsobem. Vozy Citroën, které těchto hydropneumatických členů běžně využívají, mohou díky tomuto podvozku nastavovat světlou výšku vozidla a také tuhost pružení. Využívá nestlačitelnodti hydraulické kapaliny a naopak stlačitelnosti plynu, v tomto prípadě dusíku. Plyn dokonale pohlcuje malé nerovnosti a terénní vlny a přitom zabraňuje nebezpečnému naklánění karoserie v zatáčkách. Velký zdvih pérování zároveň zabraňuje tomu, aby odlehčená kola ztratila adhezi. Nestlačitelnosti kapaliny se využívá k přenosu pohybu na membránu plynového polštáře a zároveň se tlumí kmity průtokem kapaliny přes kalibrovaný otvor. Nejlépe je systém znázorněn na obrázku.
Obr. 4.7 Hydropneumatický systém [3]
28 Tlaková nádoba je rozdělena na dvě části. V horní je komora s dusíkem, pod pružnou membránou je prostor pro hydraulickou kapalinu. Tím je zaručeno tlumení pružící soustavy zavěšení každého kola. Pod touto tlakovou nádobou je v rozvodu kapaliny směrem k tlumiči vstup, kudy se přečerpává kapalina do soustavy. Je zde tedy zapotřebí hlavního zásobníku - vany s hydraulickým čerpadlem, které kapalinu pumpuje. Tím je zase zaručeno zvedání a spouštění podvozku. Světlá výška se dá měnit v závislosti na stylu jízdy nebo stavu terénu. Tento systém jsem si dovolil modifikovat a použít ve své práci. Jde tedy o jedinou soustavu pro zvedání podvozku i pro tlumení zadní kyvné vidlice. Proto zvítězil tento systém nad dalšími uvažovanými. Alternativně by bylo možno osamostatnit systém tlumení na samostatnou jednotku s kyvnou vidlicí, a tuto jednotku by hydraulika naklápěla jako celek. Nebo by pohyb namísto hydrauliky prováděl elektromotor s převodem rotačního pohybu na translační a posouval tak člen, který by otáčel zmiňovanou jednotkou s vidlicí.
4.10 Karoserie Trup vozidla má rámovou konstrukci, ktará je ukryta pod laminátovou skořepinou. Ta je na potřebných místech vyztužena kovovou konstrukcí, například kolem oken a dveří, které jsou připevněny na pantech ke střešní části vozu. Kvůli vyšší odolnosti a tuhosti skořepiny jsou části kovových konzol vlaminovány do stěn karoserie. Z vnitřní strany vozu je konstrukce zakryta čalouněním.
Obr. 4.8 Skořepinová karoserie vozu, skla
29 4.11 Skla Skla jsou vyrobena obdobným způsobem jako plexi na motocyklech nebo čelní skla u letadel. Jedná se o vstřikování materiálu do negativní formy. Použitá hmota je polykarbonát (PC), akrylové sklo (PMMA) a jiné. Tato metoda je označována jako termoforming. Zabývá se jí například německá firma Josef Weiss Plastic GmbH a další. Stejným způsobem jsou vyrobena i boční okna vozu, ktará jsou otvíratelnákolem pantů umístěných v přední části. Vzadu skla drží páčky, které dovolí pootevření pouze o několik centimetrů. (Stejně tomu bylo u vozů Škoda R Coupé nebo Fiat Uno a dalších.) Vzniklá mezera zabrání nežádoucímu vniknutí do vozu a současně plní větrací funkci. Střešní okno je prakticky stejné jako u klasických vozů. Při případné nehodě a zaklínění dveří by mohli cestující použít jako nouzový východ i střešní díl skla. Ovšem podle předešlého textu je zřejmé, že tento vůz není v žádném případě trezor. Pokud by při nehodě nedošlo k rozbití skel, karoserie i okna lze při vyprošťování poměrně snadno rozstříhat běžnou záchranářskou technikou.
30
31 5. Designérská část 5.1 Ergonomické požadavky Ergonomie se zabývá interakcemi mezi strojem, člověkem a prostředím. Stroj by měl člověku usnadnit práci svou praktičností, ale zároveň by měl i přispívat k duševnímu i fyzickému vývoji jedince. Proto jsem navrhoval stroj, který bude mít nejspíš vyšší míru akceptování u mladší generace, která přistupuje k životu aktivním způsobem. Jako u každého dopravního prostředku jsem musel řešit nastupování a vystupování z vozidla, sezení posádky, výhled řidiče a podobně. Jak jsem dříve zmínil, kvůli příjemnějšímu nastupování jsem vycházel z přirozených pohybů člověka při usedání do židle, křesla. Ke křeslu člověk přistupuje zepředu a není úplně příjemné sedat nízko. Pro ryclé a hlavně pohodlné usedání je žádoucí umístění sedáku do výšky, kdy člověk přesune tělo nad sedák a při „mírném“ pokrčení noh usedne. Což odpovídá vyšší židli nebo nižší barové stoličce. (Sedák je ve výšce cca 60 cm pro dospělou osobu.) Sedačka řidiče je tedy obdoba křesla. Přístup je také kvůli otvírací přední stěně místo dveří - zepředu a ve sloupcích jsou po bocích madla, která usnadňují usedání. S problematikou zvedání modulu vozu v parkovacím módu jsem nejprve musel vyřešit sklony sedadel a opěrek. Nechtěl jsem návrh dělat zbytečně složitým další elektronikou a mechanickými prvky, které by řešily náklon sedaček při změně módu. Proto jsem řešil polohy, které budou vyhovovat oběma stavům - zvednutému i pokleslému. Ve zvednutém stavu má sedák záporný sklon 5°. Od toho se odvíjí ostatní části sedačky a interiéru (područka s joystickem a sdělovači, netypický tvar podlahy, která v parkovacím módu vytvoří schody - pro nástup spolujezdce.)
Obr. 5.1 Vztažný bod sezení H, poloha řidiče
32 Jako vtažný bod při vytváření místa řidiče je definován bod sezení H (obr. č. 5.1). ČSN 30 075 Bod H – vztažný bod sezení: - u kreslící šablony - střed vzájemného otáčení nohou a trupu - u 3D figuríny - průsečík osy otáčení zádové a stehenní části s rovinou souměrnosti figuríny. Bod H představuje v bočním pohledu polohu kyčelního kloubu. V souřadné soustavě spojené s vozidlem je definován vztažný bod R. (Podle ČSN 30024: Bod R - projektovaný vztažný bod sezení - bod H kreslící šablony umístěné v zadní a nejnižší poloze rozsahu seřízení sedadla). Zatímco bod H je s tělem pevně spojený, představuje bod R kolmý průmět bodu H na vztažnou svislou podélnou rovinu. V amerických předpisech se používá definice “seating reference point” (SgRP). Bod SgRP odpovídá u rozměrů 95 % muže při sedadle v zadní krajní poloze, je-li úhel sklonu opěradla 25° a úhel mezi bércem a chodidlem 87°, přičemž chodidlo nespočívá na nejníže položeném pedálu. Při návrhu geometrie sezení se jako další vztažný bod (pevně spojený s vozidlem) používá tzv. patní bod F , který je definován jako průsečík tří rovin: roviny souměrnosti vedené pedálem, tečné roviny ke středu nášlapné plochy pedálu a roviny podlahy vozidla před pedálem. Poloha sedění může být tedy popsána dvěma charakteristickými hodnotami: vodorovnou vzdálenosti bodu H od patního bodu (souřadnice x) a svislou vzdáleností bodu H od bodu F (souřadnice z). Polohy sezení pro různé kategorie vozidel jsou znázorněny na obrázku.
Obr. 5.2 Polohy sezení ve vozech různých kategorií [5]
Se zvětšující se výškou sedadla se pohybuje bod H při nehybném F - bodu směrem nahoru a zároveň dopředu. Úhly mezi trupem a stehnem, stehnem a holení, bércem a chodidlem se přitom zmenšují.
33 Fáze navrhování prostoru pro cestující předcházela návrhu skořepiny karoserie. V tvůrčím procesu jsem postupoval zevnitř ven. Cílem mé práce není návrh interiéru. Proto jsem jej neřešil do detailů. Navrhnul jsem pouze prostorové řešení s konkrétními mírami.
5.2 Filosofické aspekty Ergonomické otázky mne provázely celým návrhem. Vycházel jsem z potřeb potenciálních uživatelů. Člověk se při pohybu po městě nechce zabývat zbytečnostmi. Při tomto pohybu jde o to se dopravit do práce, do školy nebo za nákupy či zábavou. Což jsou všechno činnosti, které člověk provádí denně. Stroj by tedy byl využíván poměrně často a spíše k jízdám na „kratší vzdálenosti.“ Tedy na 20 až 50 km denně. Uživatelé potřebují často parkovat a mnohdy několikrát přejíždět mezi místy, která nejsou vzdálena ani 2 km. To řádově určuje frekvenci nastupování a vystupování. Lidé si paradoxně pro provoz po městě poměrně často vybírají automobily, patřící do skupiny offroadů a SUV vozů. Tedy vozy objemnější, větší. A jedním z hlavních důvodů je právě přístup do interiéru a výška posazení. Dále také pocit většího bezpečí. Tyto vozy ovšem nejsou pro provoz ve městech ideální, zejména kvůli manévrovacím charakteristikám. Proto jsem se zabýval myšlenkou vozidla s jednoduchou manipulací, výbornými manévrovacími schopnostmi a pohodlným přístupem k sedadlu. Žijeme v hektické době a lidé mají rádi rychlé přesuny. Nechtějí na cestě trávit mnoho času, proto jsem se snažil vyhovět i těmto ohledům. Nechci, aby uživatel vykonával zbytečné úkony při nasedání nebo provozu. Nejjednodušší by bylo, kdyby mohl přijít ke stroji, ten se automaticky otevřel (popřípadě by vůbec nebyl krytý) a člověk by okamžitě mohl usednout - nijak hluboko, pod úroveň hranice pohodlnosti při vystupování, respektive při zvedání se ze sedačky. Poté přejede na místo určení a stroj by opět automaticky umožnil výstup. Při manipulaci s nákladem by člověk nemusel otvírat zadní dveře nebo kufr na to, aby uložil zavazadla. Trojkolka je řešena tak, že je možno příruční zavazadlo umístit za sedadlo řidiče. A proto, že řidič nemá žádné ovladače v pedipulačním prostoru, může si odložit příruční zavazadlo pod nohy. (Uvědomme si, jak často a s jakou oblibou to spolujezdci dělají.) Vozidlo není typizované pouze pro jednoho, ale řidič s sebou může vzít i jednoho spolujezdce a oba mají samozřejmě adekvátní zavazadlový prostor.
5.3 Interiér Z frekvence používání stroje vyplynulo rozmístění jednotlivých prostorových jednotek pro řidiče, spolujezdce a zavazadla. Jelikož člověk s sebou při zmiňovaných cestách nebere nic většího nebo těžšího, umístil jsem „nákladový“ prostor až za sedačky obou cestujících. Ovšem nepředpokládám v tomto prostoru častý pohyb. Pokud se vozem přepravuje pouze jedna osoba, může k odložení svých věcí využít spolujezdcovo místo. Jeho sedačka je sklopná a při složeném stavu zde vzniká prostor pro předměty,
34 které by mohly být pro čalounění nebezpečné. (Tedy pro věci, které by jej mohly potrhat nebo znečistit.) Sedák je otočen k opěrce a náklad přiléhá k jeho spodní stěně. Zadní sedačka není plnohodnotné místo k sezení. Její polohu nelze přenastavit. Spolujezdec zde musí respektovat stavbu interiéru, což je částečně na úkor jeho pohodlí. Nemá před sebou tolik místa jako řidič. Jeho kolena jsou prakticky na úrovni řidičovy opěrky zad. Tohle uspořádání se objevilo již v konceptu holandského Carveru, ovšem s tím rozdílem, že zde má spolujezdec k dispozici ještě méně prostoru. Mým cílem bylo vytvoření alternativního, neplnohodnotného prostoru k sezení pro spolujezdce, ovšem nechtěl jsem, aby zde byl člověk ve stísněných podmínkách. Proto jsem se rozhodl využít sezení „obkročmo.“ Dojde tím ke znatelné úspoře místa na délku. A o minimalizaci rozměrů mi také šlo.
Obr. 5.3 Nástup do vozidla
35
Obr. 5.4 Odklopné dveře vozu
5.4 Nástupy Pro uživatele nebude limitujícím prvkem výška nástupu do stroje, tedy překračování nárazníkové části vozu. Člověk musí zvednout chodidlo do výšky cca 25 cm. Výška podlahy v interiéru jetotiž 20 cm nad zemí. Původně byla v místech nástupu konstrukce nárazníku. Tuto bariéru jsem ale odstranil z toho důvodu, že by to příliš vadilo častému pohybu v těchto místech. Nebojím se toho, že by nešlo vyřešit místo pod čelním sklem jako oddělenou část nárazníku, ktará by se v zavřeném stavu zajistila pomocí zámku. V této části vozu je totiž třeba zaručit jistou deformační zónu a proto dělím tuto nárazníkovou část. Kus pod dveřmi by se z horního pohledu klínovitě opíral do bočních trubkových dílů rámové konstrukce a tím by bylo zaručeno rozložení sil při srážce. Případně by místo jednoho zámku byly použity dva postranní, které už by zajistily v zavřeném stavu dostatečnou tuhost a tím i míru bezpečí. Tento způsob řešení se mi jeví jistější. Spolujezdec se v interiéru dostává na své místo kolem sedačky řidiče (pohyby sedačky jsou popsány níže) a našlapuje ještě na jedno vyvýšené místo, které tvoří pomyslný schod. Převýšení schodu v interiéru je 25 cm. Jak jsem již předeslal, sedačka spolujezdce nebude využívána ani z poloviny v porovnání se sedačkou řidiče. Proto se sedačka řidiče bude skládat pomocí dvou hlavních úkonů. Zdálo se mi to poněkud těžkopádné řešení, ale dva úkony není příliš, zvláště když se sedačkou nebude manipulovat každou jízdu. Princip skládání je obdobný jako u běžných třídveřových automobilů, kdy se sedačka posouvá směrem dopředu o řádově 20 cm se současným dopředným sklopením opěradla. V mém případě jsem vytvořil sedačku s dostatečně subtilním opěrákem a s vhodně umístěnou osou sklápění opěrky. Důsledkem je, že se sedačka sklopí do velmi kompaktního tvaru. Sedačka se pak otočí i s područkou kolem kloubu umístěného v noze, a tím se odklopí bokem. Vznikne tak místo pro průchod spolucestujícího na jeho místo. Celou jednotku totiž tvoří sedák, opěradlo, hlavová opěrka a noha sedačky, ke které je připevněna i područka. Tato jednotka se při složení posune vpřed, aby měl spolujezdec při nasedání
36 a vystupování dostatek místa pro pohyb nohou. A hlavně má prostor si správně usednout: obkročmo vůči opěrce řidiče. Styl sezení je zde podobný posazení na motocyklu. Ovšem v porovnání s motorkou nabízí sedačky mnohem pohodlnější cestování. Hlavním plusem je fakt, že cestující mohou být během jízdy opřeni a jejich pozice odpovídá odpočinkovému posazení.
Obr. 5.5 (a,b) Skládání sedačky řidiče
37 5.5 Područka Područka je umístěna na pravé straně od sedadla. Ramenem je spojena s nohou sedačky. Posun sedačky tudíž způsobí současný pohyb područky, respektive relativní poloha vzhledem k sedačce je konstantní. Rameno, na kterém drží, je ale uzpůsobeno tak, aby šlo područku polohově přenastavovat. Samozřejmě podle individuální velikosti sedící postavy. Vše vyhovuje ideální sedící postavě. Područka podepírá celé předloktí a podporuje ideální náklony v kloubech (v loketním kloubu a rameni.) Podpora celé délky předloktí je také důležitá kvůli stálé poloze ruky vzhledem k joysticku. Řidič má také v ovládacích pohybech větší cit. Senzitivita joysticku je nastavitelná vlastnost. Podle mého názoru by bylo nejvhodnější definovat reakce nelineárním způsobem. Citlivost by s malou výchylkou byla téměř neznatelná. Tím by se zabránilo rušivým vlivům (nerovnostem silnice atp.), aby zhoršovaly kvalitu cestování. Tedy aby to při přejezdu přes nerovnosti nezpůsobilo nežádoucí pohyb ruky, joysticku a tím i celého vozu. Naopak při větší výchylce by se citlivost ovladače zvýšila a s jeho výchylkou by se natočení kol zvětšovalo exponenciálně. Na područce jsou umístěny dva sdělovače kruhového tvaru. Jsou v místech, kde na ně řidič dobře uvidí a nebude si při ovládání stroje tento pohled stínit rukou. (Myslím, že součástí područky by mohla být i malá projekční jednotka, která by základní informace nebo varování mohla promítat na čelní sklo vozidla. Plocha je dostatečná a řidič by tak měl vše nutné přímo v pohledovém úhlu. Ovšem zmiňované kruhové sdělovače jsou dostatečné pro obsažení provozních informací, proto o projekční jednotce píšu pouze okrajově.)
Obr. 5.6 Područka řidiče
38 5.6 Skici
Obr. 5.7 (a) Skici návrhu
5.7 Vývoj návrhu Potom, co jsem si ujasnil technickou část návrhu, vrhnul jsem se na prvotní skici, ze kterých vzešlo několik použitelných variant. Na papíře člověk může nastínit ducha návrhu, ale nepostihne všechny detaily. O to mi ani nešlo. Spíše se mi jednalo kresbou vyjádřit své nápady. Mnohé z nich však bylo třeba upravit z hlediska ergonomie. Kupříkladu jsem měl skicu,
Obr. 5.7 (b) Skici návrhu
39
Obr. 5.7 (c) Skici návrhu která vystihovala mé myšlenky, ale pro sedící postavu byla tato varianta nevhodná. Proto jsem některé alternativy (a posléze i finální variantu) řešil od sedících figurín směrem ke „slupce“ a tedy povrch vytvářel až jako poslední. (Ač je to trochu paradoxní, protože karoserie reprezentuje celý návrh a je to první část řešení, kterou pozorovatel vidí.) Ze všech alterna-
Obr. 5.7 (d) Skici návrhu tiv jsem vybral verzi vozu, která hmotově podporuje uspořádání kol. Tvoří ji markantní blatníky párových kol, které jsou přimknuty ke středové části kokpitu. Vzadu je samostatný blatník pro nepárové kolo. Tento směr, kterým jsem se dále ubíral, reprezentuje přiložená skica půdorysu vozu.
40
Obr. 5.7 (e) Skici návrhu
Alternativu jsem dále rozvíjel a pokusil se zároveň variovat nejen vnější tvar, ale částečně i stavbu stroje. Ovšem pouze proto, abych prospěl ergonomickým aspektům. Postupnými úpravami jsem se dostal až k finální
Obr. 5.7 (f) Skici návrhu
41
Obr. 5.7 (g) Skici návrhu
variantě, která je tvarovaná organicky. Od geometrického tvarosloví jsem upustil také proto, že vypadá dynamicky a sportovně, ovšem mým cílem je vytvořit návrh městského osobního vozu, který nedosahuje oslnivých rychlostí. Celý návrh pak vypadá jako stylizované retro, což v porovnání s ostatními, převážně geometrickými, verzemi působí mnohem stylovější.
Obr. 5.7 (h) Skici návrhu
42 5.8 Horní část karoserie Ze začátku jsem se snažil o hmotovou studii, kterou bych až časem rozčlenil do jednotlivých částí. Tedy oddělil skla od karoserie, domodeloval světla a pod. Proto také vrchní část karoserie působí jako skořepinová poklička nad pevnou tmavou částí, ktará v sobě integruje podvozkovou část stroje. Vrchní karoserie také svojí formou koresponduje s technologií výroby této části. Pokusil jsem se vycházet ze základních pohledů, kterých jsem se v průběhu modelování držel. K vytvoření modelu v programu Rhinoceros mi mimo skic dobře posloužil fyzický model z modelářské hlíny, kde jsem si ujasnil základní prostorové vztahy mezi jednotlivými částmi vozu. Po kompletním namodelování svrchní části jsem se pustil do vyhlazení ploch, které na sebe nenavazovaly plynule. Následně jsem hledal ideální linii, pomocí které bych mohl rozčlenit povrch a vytvořit tak okna. Na zbylou plochu laminátové skořepiny se ještě musí vejít z přední strany světla a prostor pro umístění SPZ. (Podle vyhlášky smí být osobní vozidlo označeno dvěma tabulkami o rozměrech 520x110 mm a 280x200 mm. Odpovídá to označení typu 106.) Zároveň jsem musel docílit toho, aby bylo nástupní místo dostatečně nízko (a bylo tak srovnatelné s vyšším schodem). V horní části má karoserie vyztužené místo, které spojuje oba boky. Prakticky i opticky se tím zvyšuje bezpečnost vozu. [7]
5.9 Spodní díly karoserie Tmavá část karoserie v dolních partiích vozu ukrývá rámovou konstrukci, ke které jsou připevněny všechny prvky pohonu, závěsy kol, zadní vidlice a prvky jejího odpružení. Hlavní část krytování, která se nachází nad blatníkem zadního kola, pod sebou skrývá konverční jednotku, kterou je třeba odvětrávat. Tato plocha je perforována a je k ní také přiváděn vzduch pomocí lišt, které jsou umístěny po bocích vozu a tvarově vychází z objemu lemů předních kol. Opticky se toto členění projeví jako lamelovitost, která poukazuje na variabilitu celku, tedy skládání a rozkládání při změně jízdního módu. Vůz má působit dostatečně kompaktně, ale má připouštět i jistou míru členění. Což zase připomíná, že se částečně jedná o „robota.“ Chtěl jsem původně nechat odhaleny i hydraulické členy pružení zadní vidlice, ale tolik mechanický stroj zase není. Proto zůstaly skryty.
5.10 Kyvná vidlice Tvar zadní kyvné vidlice je dán prostorovými dispozicemi pod zadní částí vozu. Z kinematického rozboru konaných pohybů jsem vyvodil, jak potřebuji, aby byla zkonstruovaná. Forma musí vykazovat dostatečnou tuhost. Proto je na těle vozu uchycena symetricky na obou stranách v lůžkách s ložisky. Uprostřed jsou obě strany vidlice spojeny z pevnostních důvodů. Zavěšení předního kola je zajištěno z jedné strany. Disk kola je šrouby spojen s jádrem, které tvoří buben s elektromotorem a integro-
43 vanou brzdou. Také z kinematiky vidlice a hlavně celku jsem musel vidlici zavěsit na tělo vozu ve výšce 690 mm nad zemí. Tedy kvůli tomu, abych docílil požadovaného náklonu kokpitu při náklonu vidlice. Hlavní rysy jsou opět organických tvarů.
Obr. 5.8 Zadní partie vozu
5.11 Světlomety Světla podléhají dalším kladeným nárokům. Vedle zrcátek a předních závěsů kol je třeba je naklápět. Nebo naklápět pouze světelný paprsek. Toho lze docílit hned několika způsoby, ovšem nejméně náročné řešení je použití dvou párů parabol nebo jednoho páru parabol s několika žárovkami. Pokud by světla byla vybavena diodami, pak by mohl proudy do jednotlivých větví obvodů rozdělovat jeden plošný spoj a tudíž jednu členěnou parabolu. To by bylo prakticky vše. Já jsem ovšem použil dvou párů parabol, které svítí každá při jednom jízdním módu.
Obr. 5.9 Přední světlomety
44 Další parabola v sobě skrývá blinkr. Tato trojice kruhových lamp je v blatníku opticky fixována jednou příčnou linií, spárou, která rozděluje karoserii na nárazníkovou část a tělo vozu. Plocha blatníku se z přední strany před tímto členěním jevila příliš robustní a rozdělení jí tak prospělo. Zadní svítilny se jeví z přímého pohledu jako kruhové. Ovšem jsou na klenuté ploše, proto mají ve zkutečnosti složitější tvar. Jejich plocha je dále členěna do částí s blinkry, které jsou na vnější straně, aby byly vidět i zboku. Další části tvoří mlhové / zpátečkové světlo, brzdové světlo a obrysové světlo.
5.12 Větrací otvory Do interiéru je vzduch přiváděn uzaviratelnými průduchy umístěnými v tmavém těsnění kolem skel. Zajišťují v interiéru stálý pohyb vzduchu. Pro přívod teplého vzduchu jsou určeny jiné cesty. Ty vedou ze zadní části vozu od konverční jednotky, od které se vzduch ohřívá. Tato vzduchotechnika u klasických běžně obsahuje ventilátory, které vzduch potrubím a jinými rozvody pohání. Jako další větrací otvory mohou sloužit i otevřená okna.
5.13 Disky kol Disky mají na vzezření vozu podstatný vliv. Stejně jako světlomety. Svojí formou a tvarem poukazují na netradičnost konceptu. (Netradičnost nejen pohonu ale i koncepce jako takové.) Mají jednoduchý klenutý tvar, aby korespondovaly se zbytkem vozu.
5.14 Zrcátka Zpětná zrcátka jsem situoval netradičně do horní části vozu. Jsou připevněna ke sloupkům, co vedou od střechy kolem dveří k laminátové skořepině nad blatníky párových kol. Řidič je má prakticky ve výšce očí a jsou viditelná přes boční skla vozu. Středové zrcátko, jak ho známe z klasických aut, jsem kvůli prostorovým nárokům nepoužil. Také z toho důvodu, že by muselo být výš než dovoluje tvar dveří, na kterých by bylo připevněno. Z čehož vyplývá i další důvod. A to ten, že by bylo stále vystavováno otřesům při zavírání dveří. Zrcátka po bocích vozu jsou obdobou řešení u motocyklů. Jejich zorný úhel je dostatečný pro provoz. Musí být však zajištěno jejich naklápění se změnou náklonu vozu. A zároveň jejich manuální korekce.
45
Obr. 5.10 Trojkolka v parkovacím a v jízdním módu
46
47 6. Závěr Uvědomuji si, že návrh pro sériovou výrobu skýtá mnohá omezení, kterých jsem já jako student nemusel tolik dbát. Ovšem je samozřejmé, že jsem se snažil co možná nejvíce respektovat reálné možnosti. Využil jsem moderních technologií, aby vznikl nadčasový koncept městského vozu, který bude lépe zohledňovat potřeby přepravovaných lidí. V práci jsem také použil již ověřené a zaběhnuté systémy. Proto považuji výsledný návrh za proveditelný, vyrobitelný a v praxi velice dobře použitelný. Na počátku řešení jsem si kladl cíle, které by měly zkvalitnit kulturu cestování. Ať už se jedná o snadný přístup do vozu, výhled řidiče nebo výsledné podmínky při provozu. Těchto faktorů jsem se držel v průběhu navrhování a výsledek je patrný z finální verze trojkolky. Tato trojkolka skýtá dostatek prostoru pro dva cestující a je plně kapotovaná. (Je dokonce možné, že by vozidlo spadalo do zvýhodněné skupiny pro kterou lze řidičské oprávnění získat dříve než pro klasický automobil.) Je tedy ideálním osobním dopravním prostředkem, který je vhodný na dojíždění do školy, zaměstnání nebo za zábavou či každodenními nákupy. Vůz je určen zejména pro mladší generaci a sportovně založené lidi. Provoz této tříkolky je navíc ekologický, což by prospělo nejen městům a lidem, ale přírodě vůbec.
6.1 Dodatek Podle mých představ by tato trojkolka nahrazovala motocykl či městský skútr. Předpokládám, že pokud někdo vlastní motorku, vlastní i automobil. Je spousta rodin, které mají dvě auta nebo kombinaci automobil, motocykl. Motorka ale není krytá a ani není vhodná pro provoz v zimním období. Automobil je zase zbytečný přepych pro každodenní přepravu pouze jedné (dvou) osob/y. Trojkolka 3city ale vyhovuje nárokům, na které zde poukazuji. A z těchto důvodů usuzuji, že by si ji mnozí pořídili jako druhý vůz do rodiny.
48
49 7. Literatura [1]
www.diseno-art.com/images/bmw_isetta_open.jpg, 2006
[2]
http://www.canadiandriver.com/news/020108na-3.htm, 2007
[3]
http://www.carbibles.com/suspension_bible.html, 2007
[4]
Edsall, l.: Prototypy, 1. vyd. Čestlice, Rebo, 2004, 220 s. ISBN 80-7234-356-4
[5]
Vlk F. : Karoserie motorových vozidel, 1.vydání, Brno, Vlk 2000, 365s. ISBN 80-238-5276-0
[6]
www.carver-engineering.com, 2007
[7]
http://www.mdcr.cz/NR/rdonlyres/ D59EB03B-3985-4C7F-BB09-1D36FBBEBA7C/0/regtab.pdf
[8]
www.suededeutsche.de, 2007
50 8. Seznam příloh 1x Sumarizační plakát A1 1x Technický plakát A1 1x Ergonomický plakát A1 Model v měřítku 1:5 Prezentační CD
51 9. Náhledy plakátů
52
53
