Strategická výzkumná agenda

Strategická výzkumná agenda Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Provedení VII

Strategická výzkumná agenda Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“

Technologická platforma „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ založená v rámci Operačního programu Podnikání a inovace - program Spolupráce Technologické platformy (výzva II).

Číslo projektu: 5.1 SPTP02/008

květen 2011


Základní údaje o materiálu Název: Strategická výzkumná agenda „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Zpracovali: Ing. Vladimír Volák - vedoucí projektu a pracovního týmu 3 Prof. Ing. Jan Macek, DrSc. – odborný garant a vedoucí pracovního týmu 1 Ing. Jan Vodstrčil – vedoucí pracovních týmů 2 a 6 Ing. Karel Bill, MBA, Ing. Oldřich Rybnikář – vedoucí pracovního týmu 4 Doc. Ing. Jaroslav. Machan, CSc. – vedoucí pracovních týmů 5 a 7 Ladislav Vopravil – vedoucí pracovního týmu 8 Spolupracovali: Ing. Zdeněk. Novák – sekretariát AutoSAP Ing. Pavel. Ešner – sekretariát AutoSAP Konečnou redakci na základě připomínek oponentů provedli: Prof. Ing. Jan Macek, DrSc. a Ing. Vladimír Volák – odborná a věcná část Ing. Jiří Kyncl – jazyková a grafická část Počet stran:

174

Text zveřejněn: Internetové stránky technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ http://www.tp-vum.cz Copyright ©květen 2011 Technologická platforma „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Jazyková mutace: angličtina

1


Obsah str.

1. Úvod 2. Technologická platforma – společenská smlouva o ustavení, členská základna, organizační struktura, zástupci v EU 2.1 Členská základna 2.2 Organizační struktura technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 2.3 Vazba TP „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ na struktury EU

10 13 13 14 15

3. Důvody vzniku TP v ČR a v EU s vazbou na automobilový průmysl

16

3.1 Důvod založení technologické platformy v oblasti automobilového průmyslu v ČR a zpracování základních dokumentů 3.2 Očekávaný přínos pro členské subjekty a odvětví 3.3 TP v ČR s vazbou na automobilový průmysl 3.3.1 Národní technologická platforma NGV 3.3.2 Technologická platforma Silniční doprava 3.3.3 Česká vodíková technologická platforma - ČVTP HYTEP 3.3.4 Česká technologická platforma pro biopaliva (ČTPB)

16 18 19 19 19 20 20

4. Automobilový průmysl – historie a současný stav, trendy v oblasti automobilového průmyslu - konkurenceschopnost, základní směry VaV, národní politika VaV

21

4.1 Historický vývoj českého automobilového průmyslu 4.1.1 Osobní automobily 4.1.2 Užitková vozidla 4.2 Postavení českých výrobců v současnosti 4.2.1 Osobní automobily 4.2.2 Užitková vozidla 4.2.3 Dodavatelé automobilového průmyslu 4.3 Význam automobilového průmyslu pro národní hospodářství 4.3.1 Podíl na průmyslové výrobě a HDP 4.3.2 Podíl na exportu 4.3.3 Zahraničně obchodní bilance 4.4 Trendy světového vývoje v oblasti výroby vozidel 4.5 Návrh strategických oblastí VaV TP ČR v oblasti automobilového průmyslu

21 21 21 21 21 22 22 23 23 23 23

2

24 25


4.5.1 Technologický a inovační rozvoj odvětví 4.5.2 Strategické oblasti vývoje jako podklad pro formulaci obsahu SVA 4.6 Národní politika VaV 4.6.1 Státní programy pro podporu VaV a inovací 4.6.2 Technologická agentura ČR 4.6.3 Programy pro podporu VaV

5. Závěry z projektů EU v oblasti autoprůmyslu 5.1 Další programy EU

25 26 27

27 27 28

30 31

6. Výzvy v rámci 7. RP a aktivity EARPA 6.1 7. rámcový program EU 6.2 EARPA

31 31 31

7. Infrastruktura a vzdělávání

31

7.1 Kapacity VaV 7.2 Strategie v technickém vzdělávání 7.2.1 Kvalifikační struktura zaměstnanců automobilového průmyslu 7.2.2 Požadavky automobilového průmyslu 7.2.3 Dlouhodobý záměr vzdělávání a rozvoje vzdělávací soustavy v ČR

8. Vlastní návrh globální strategie v automobilovém průmyslu 8.1 Hnací jednotka a paliva 8.1.1 Základní pojmy 8.1.2 Světový vývoj v oblasti hnacích jednotek 8.1.3 Stav a cíle VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek v ČR 8.1.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti 8.1.5 Prioritní témata VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek v ČR 8.1.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.1.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.1.8 Použitá literatura a zdroje 8.2 Bezpečnost dopravy 8.2.1 Světový vývoj v bezpečnosti dopravy 8.2.2 Cíle VaVaI v oboru bezpečnosti dopravy v ČR 8.2.3 Nároky na systém vzdělávání 8.2.4 Prioritní témata VaVaI v oboru bezpečnosti dopravy 8.2.5 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.2.6 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.2.7 Použitá literatura a zdroje 8.3 Podvozky a karosérie 8.3.1 Definice 8.3.2 Stav světového vývoje v oblasti konstrukce vozidel a podvozků 8.3.3 Cíle VaVaI v oboru podvozků a karoserií v ČR

3

31 32 32 35 35

36 40 40 45 62 64 64 69 69 71 72 72 83 83 83 85 85 87 87 87 87 99


8.4

8.5

8.6

8.7

8.3.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti 8.3.5 Prioritní témata VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek 8.3.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.3.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.3.8 Použitá literatura a zdroje Elektrická a elektronická výbava vozidel 8.4.1 Světový vývoj 8.4.2 Cíle VaVaI v oboru elektrické a elektronické výbavy vozidel v ČR 8.4.3 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti 8.4.4 Prioritní témata VaVaI v oboru elektrické a elektronické výbavy vozidel v ČR 8.4.5 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.4.6 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.4.7 Použitá literatura a zdroje Inteligentní dopravní systémy (ITS) v silniční dopravě, vazba na silniční vozidla 8.5.1 Definice hlavních použitých pojmů 8.5.2 Celkový vývoj v oblasti ITS (Inteligent Transport Systems) 8.5.3 Cíle VaVaI v oboru ITS pro ČR 8.5.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti 8.5.5 Prioritní témata VaVaI v oboru ITS 8.5.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.5.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.5.8 Použitá literatura a zdroje Mobilita a infrastruktura 8.6.1 Základní pojmy 8.6.2 Stav vývoje vztahu mobility a infrastruktury ve světě 8.6.3 Cíle VaVaI v oboru vztahu mobility a infrastruktury pro ČR 8.6.4 Nároky na vzdělávání 8.6.5 Prioritní témata v oboru vztahu mobility a infrastruktury v ČR 8.6.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.6.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.6.8 Použitá literatura a zdroje Užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků v automobilovém průmyslu 8.7.1 Vymezení základních pojmů 8.7.2 Světový vývoj v oblasti simulačních technik a VR 8.7.3 Cíle VaVaI v obory simulačních technik a VR v ČR 8.7.4 Nároky na vzdělávání a další podmínky proveditelnosti 8.7.5 Prioritní témata VaVaI v oboru simulačních technik a VR pro ČR

4

99 100 100 100 102 103 103 116 117 117 117 117 119 120 120 121 127 128 128 128 128 131 131 131 132 136 136 137 137 137 140 140 140 141 147 155 155


8.7.6 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.7.7 Použitá literatura a zdroje 8.8 Zpracování materiálu a výrobní procesy 8.8.1 Základní požadavky 8.8.2 Světový vývoj v oblasti zpracování materiálu a výrobních procesů 8.8.3 Cíle VaVaI v oboru zpracování materiálu a výrobních technologií pro ČR 8.8.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti 8.8.5 Prioritní témata VaVaI v oboru zpracování materiálu a výrobních technologií pro ČR 8.8.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR 8.8.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb 8.8.8 Použitá literatura a zdroje

9. Příprava projektů pro implementaci vytvořených strategií

5

157 159 159 159 160 170 171 171 171 171 173

174


Použité zkratky 4WD ABC ABS ACC ACEA AFS AP APROSYS AR ASR AutoSAP AUTOSAR B2B BAS BESIP BK BTL C2G CAD CAE CAM CAN CAT CAx CE CFD CI CLEPA CNG CONCAWE CONVOY CTG CTL ČVUT D4x DCS/MSR DG Research DG TREN DME

4-wheel drive active body control anti-lock braking system autonomous cruise control (based on radar or laser); adaptive cruise control (v2v distance control) Association des Constructeurs Européens d´Automobiles = European Automobile Manufacturers Association adaptive (advanced) frontlighting system automobilový průmysl Advanced Protection Systems (vývoj systému kritických technologií s cílem zlepšit úroveň pasivní bezpečnosti v EU) augmented reality anti-slip regulation Sdružení automobilového průmyslu rozhraní mezi strategií a reálným světem (operační systém) business to business brake assist system Bezpečnost silničního provozu background knowledge biomas-to-liquid craddle-to-grave computer aided design computer-aided engineering computer aided mechanics controller area network computer aided technology computer aided „x“ (x znamená jakoukoliv technickou činnost) conducted emission continous fluid dynamics; computational fluid dynamics conducted immunity European Association of Automotive Suppliers compressed natural gas European association of oil companies for environment, health and safety in refining and distribution systém podporující provoz řízených kolon craddle-to-grave (životní cyklus výrobku) coal-to-liquid České vysoké učení technické design for „x“ (x znamená jakoukoliv technickou činnost) drag control system / motor slope retarding Directorate General for Research Directorate General for Transport and Energy dimetyleter

6


DoE DRIVSCO E2E e-Call EAGAR EARPA ECU EGR EK ELV EMC EMS EPROM ERP ERSO ERTRAC ESD ESP/ESC/ASC EUCAR F1 FEM FIA FIR FlexRay FMEA GHG GMES GPS GTL H2ICE HAL HCCI HCV HDP HiL, HIL HMI HMS HSS HW HYTEP HZS IAP ICM IDB IE

design of experiments samoučící systém informující řidiče a vycházející z porovnání chování řidiče se standardem engineer to engineer emergency call European Assessment of Global Publicly Funded Automotive Research European Automotive Research Partners Association engine control unit exhaust gas recirculation Evropská komise electric vehicle (akumulátorový elektromobil) electromagnetic compatibility engine management system externaly-programmed read-only-memory enterprise resource planning European Road Safety Observatory European Road Transport Research Advisory Council electrostatic discharge electronic stability programme European Council for Automotive Research and Development formule 1 finite element method Federation International d’Automobile finite impulse response communication system for advanced automotive applications failure mode and effects analysis greenhouse gas (plyny způsobující skleníkový efekt) global monitoring for environment and security global positioning system gas-to-liquid hydrogen to internal combustion engines hardware abstraction layer homogeneous charge compression ignition heavy commercial vehicle hrubý domácí produkt hardware in the loop human-machine interaction holonic manufacturing system high-strenght steel hardware Česká vodíková platforma Hasičský záchranný sbor implementační akční plán integrated chassis management intelligent database integral engineering

7


ISO IT ITARDA ITS KERS kWh LCV LDWS LED LIN LPG MBC MBS MEDEA MEŘO MES MHD MJ MOST MPO MSR MŠMT NEDC NG+H2 NGVA NHTSA NVH OBD OEM OICA OLED OP OSEK PCB PCCI PČR PDM PEMFC PLC PLM PPDB PSM RE RI

International Standardization Organisation information technology Institute for Traffic Accident Research and Data Analysis intelligent (integral) transportation system kinetic energy recovery system kilowathodina (jednotka práce) light commercial vehicle lane departure warning system light emitting diode local interconnect network liquified petrol gas model based control multi-body system (více-tělesový systém – výpočetní metoda) Maine Driver Education Association metylester řepkového oleje manufacturing execution system městská hromadná doprava mega-joule (jednotka práce) media orientated system transport Ministerstvo průmyslu a obchodu Motorschleppmomentregelung Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy new European driving cycle (evropský zkušební cyklus pro měření spotřeby a exhalací) směs zemního plynu a vodíku Technologická platforma vozidel poháněných CNG National Highway Transport Safety Administration (vládní instituce USA) noise, vibration, harshness on-board diagnostic original equipment manufacturer International Organization of Motor Vehicle Manufacturers organic light-emitting diode operační program real-time - operační system printed-circuit board pre-mixed-charge compression ignition Policie České republiky product data management proton exchange membrane fuel cell programmable logic controller product lifecycle management pyrotechnic pedestrian deployable bonnet pístový spalovací motor radiated emission radiated immunity

8


RLP Rychlá lékařská pomoc RP rámcový program ŘS řídící systém Sdružení AP Sdružení automobilového průmyslu SDT Sdružení pro dopravní telematiku SiL, SIL software in the loop SPC statistical progress control SRA strategic research agenda SRN Spolková republika Německo STK Stanice technické kontroly SUV sport utility vehicle SVA strategická výzkumná agenda SW software TA Technologická agentura TCS traction control system TF task force (pracovní skupina) TCU transmission control unit TP technologická platforma TTC torque transfer control TTW tank-to-wheel (bilance energie mezi palivovou nádrží a koly vozidla) UDC urban driving cycle (zkušební cyklus pro měření spotřeby a exhalací) UML unified modeling language (visualisační s/w) UMTRI University of Michigan Transportation Research Institute USB universal serial bus USD US dollar v2i communication vehicle-to-infrastructure v2g communication vehicle-to-grid v2v communication vehicle-to-vehicle VaV výzkum a vývoj VaVaI výzkum, vývoj a inovace VECOM mezinárodní program postgraduálního vzdělávání VICS Voluntary Interindustry Commerce Solutions Association VR virtual reality (softwarové nástroje využívající VR) WP29 EHK-OSN Working Party 29 legislativní orgán Evropské hosp. komise OSN WTT well-to-tank (bilance energie mezi primárním zdrojem energie – na úrovni ropného vrtu – a palivovou nádrží) WTW well-to-wheel (energetická bilance mezi primárním zdrojem energie a kolem vozidla) xFQ systém aktivního řízení kvality

9


1. Úvod Obecně je možné charakterizovat vznikající Technologické platformy jako reakci na organické potřeby Evropské unie, která hledá cesty a způsoby zefektivnění ekonomického prostředí a zvyšování konkrenceschopnosti evropského hospodářství ve srovnání se Spojenými státy a v budoucnosti hlavně s Asií a postupuje v souladu s iniciativou Evropské komise ze 16. června 2004 [COM(2004] 353 final Science and technology, the key to Europe's future - Guidelines for future European Union policy to support research]. Hlavní motivací je vytvořit struktury, které by byly schopny produkovat strategie a koncepce technologického rozvoje a poskytovat státním i nadnárodním autoritám kvalitní informace o všech aspektech vývoje jednotlivých segmentů hospodářství. Je zbytečné opakovat všechny další argumenty a fakta vedoucí ke vzniku technologických platforem na různých úrovních, které se opírají především o materiál Technology Platforms – From Definition to Implementation of Common Research Agenda a na české národní úrovni o dobře zpracovaný informační materiál Technologické platformy vydaný Technologickým centrem Akademie věd v roce 2005. Důvody a motivace pro systematickou práci na strategických úvahách o zaměření výzkumu, vývoje a inovací v automobilovém průmyslu jsou v současné době akcentovány dramaticky se zostřujícím konkurenčním bojem v automobilovém průmyslu. Současný stav je charakterizován celkovou bezkoncepčností resp. nevyjasněností rozvoje tohoto odvětví i souvisejících oblastí (energetika, energetická politika, silniční doprava, ochrana životního prostředí, těžba surovin, atd). Jednou z forem, jak prezentovat rozvoj tohoto odvětví, je využití možností, které nabízejí technologické platformy v rámci Operačního programu pro inovace (OPPI) - Spolupráce koordinovaného MPO. Již při vlastním koncipování platformy jsme si byli vědomi, že odbornost automobilového průmyslu přesahuje do dalších odborností, ať již máme na mysli elektronický průmysl, hutnictví, textilní průmysl, chemii, telekomunikace, medicínu, strojírenství, dopravu a mnoho dalších oborů. Z tohoto důvodu se od samého začátku předpokládá navázání vztahů s dalšími platformami, aby bylo možno spolupracovat a využít vzájemné informovanosti, znalosti strategie a priorit dalších oborů a naopak v případě společných zájmů formulovovat společná stanoviska a schopnost koordinovaně jednat. Na uvedené skutečnosti by měla reagovat zpracovaná Strategická výzkumná agenda (SVA), kterou je možné z tohoto pohledu považovat za základní dokument technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“. Jejím hlavním obsahem a cílem je: -

definovat strategii pro oblast VaV v horizontu 10 - 15 let a promítnout ji do programů Technologické agentury ČR a MPO ČR.

-

stanovit témata pro nalézání a realizaci inovací i jejich zavedení ve formě výrobků a technologií, zvyšujících kvalitu života a tím přispívajících ke konkurenceschopnosti automobilového průmyslu. Jde jak o aplikovaný výzkum a vývoj inovativních výrobků a technologií, tak o výzkum a vývoj procesů a metod inženýrské práce, zaměřený na urychlení a zlevnění všech výrobních etap.

10


Motivací pro výše uvedený postup je dlouhodobě zabezpečit úspěšnost vývoje a konkurenceschopnost automobilového průmyslu a dalších souvisejících odvětví. Jasnou podmínkou pro to je kvalitní ekonomické prostředí, které poskytne možnost rozvoje odvětví i jednotlivých subjektů. Vzhledem k vnějším podmínkám za priority považujeme: dostupnost kvalitní a konkurenceschopné pracovní síly; dostupnost kvalifikované pracovní síly; koncepční podporu vědy a výzkumu; stabilitu ekonomického prostředí. V dnešním globalizujícím se světě dochází ke značným přesunům výrobních a částečně i vývojových kapacit a tím i k významným ekonomickým posunům. Výrobní kapacity se přesouvají směrem na východ v důsledku různých faktorů, kterým dominují cena pracovní síly resp. poměr ceny pracovní síly a efektivity ekonomických činností, velikosti a struktury automobilního trhu a dostupnosti surovinových vstupů. V oblastech, z nichž se odlévá podstatný objem výrobních, tedy kvalifikačně méně náročných aktivit, jsou jedinými cestami vpřed zvyšování objemu činností s vyšší přidanou hodnotou a zlepšování poměru mezi cenou pracovní síly a efektivitou práce. Příkladem pozitivních změn mohou být některé evropské státy – např. Švýcarsko s vysokou kvalitou pracovní síly nebo Velká Británie, kam se přes nepříznivou změnu vlastnické struktury automobilového průmyslu koncentruje velký objem výzkumné a vývojové činnosti. Švýcarsko je přes vysokou životní úroveň trvale hodnoceno jako investičně nejatraktivnější země Evropy a v Anglii v důsledku kvalitního vzdělávání a koncepční vládní podpory VaV se koncentrují vývojová oddělení mnoha velkých výrobců, závodních teamů i vývoje řady dodavatelů. Co se týče kvality a kvalifikovanosti pracovní síly, které byly uvedeny úmyslně odděleně, jde o dostupnost pracovní síly se špičkovou technickou kvalifikací, což se u nás evidentně nedaří, a na druhé straně o kvalitu ve smyslu kvalitní práce za přiměřenou a tedy konkurenceschopnou cenu. Kvalifikační úroveň pracovní síly je výsledkem kvalitního a náročného školství a systematické státní podpory VaV. Pokud jde o koncentraci výzkumně vývojových organizací, zatím si nemusíme stěžovat, ale je nutno se trvale věnovat přílivu kvalitní práce a zahraničních investic do této oblasti. Atraktivita prostředí je pochopitelně založena na přítomnosti kvalifikované síly, takže problémy jsou nerozlučně provázány. Poslední výše uvedenou podmínkou je stabilita ekonomického prostředí. Ta je založena na politické stabilitě, transparentním právním prostředí a měnové stabilitě. Je zcela mimo rozsah SVA uvedené položky komentovat nebo se je pokoušet aktivně ovlivňovat, ale na druhé straně nelze tuto podmínku dobrého ekonomického vývoje neuvést. Ve výrobkově orientované oblasti jde o pohonné agregáty ve vazbě na použitelné nosiče energie (paliva, akumulátory) a vozidla jako celek. K tvorbě nových výrobků je zapotřebí uplatnit optimalizaci existujících i nových principů a jejich spojování do funkčního celku, tedy použití makromechanických, mikromechanických i elektronických prvků pro dosažení energetické a ekologické šetrnosti. Automatizované řízení provozu souborů strojů a zařízení k tomuto cíli zahrnuje snímání a vyhodnocování parametrů, stanovení řídicích akcí pomocí inteligentních algoritmů a její převedení na výsledný výkonový účinek stroje samotného i soustavy strojů.

11


V procesově orientované oblasti jde o výzkum a vývoj konstrukce strojů a jejich optimalizace prostředky simulace budoucí činnosti v provozu pomocí virtuálního prototypování a testování i pokročilého experimentálního výzkumu včetně minimalizace vedlejších následků činnosti, o výzkum zvyšující úroveň technického designu a ergonomie v širším slova smyslu "man-machine interaction", tedy o aktivní i pasivní bezpečnost vůči uživateli i vůči okolí, komfort obsluhy a ostatních uživatelů, či vývoj pokročilé technologie výroby a montáže a v neposlední řadě i řízení kvality výroby. Procesově orientovaná oblast musí vést ke zkrácení času od objevu principů inovace k jejímu zavedení na trh. Závěrem lze připomenout, že automobilový průmysl je důležité odvětví naší ekonomiky a nelze jej řešit (ani se pokoušet řešit) odděleně od ostatních oborů hospodářství, ať už z důvodu průniku nebo povázání tohoto odvětví s mnoha zdánlivě nesouvisejícími obory ale i z prostého faktu, že automobilový průmysl kromě svého ekonomického významu je chápán jako obor podílející se na řešení velmi komplexní a důležité problematiky dopravy a to především silniční. Z uvedeného obr. 1.1, který znázorňuje strukturu společenských skupin ovlivňujících výsledné působení dopravy, je patrný klíčový význam autoprůmyslu, ale na druhé straně i fakt, že je to jedna z mnoha položek této problematiky. Všechny díly „koláče“ souvisí i s vysoce důležitou ekologií, demografií a strukturou pracovního trhu. Na druhou stranu řešení každé komplexní otázky je možné pouze při řešení dílčích, správně zvolených priorit a to už je otázka bytostně se týkající oprávnění a funkčnosti technologických platforem.

Obr. 1.1

12


2. Technologická platforma – společenská smlouva o ustavení, členská základna, organizační struktura, vazba na struktury EU Členové Sdružení automobilového průmyslu projevili zájem podpořit vznik a rozvoj kooperačního odvětvového seskupení – technologické platformy (TP) na státní úrovni ČR jako nástroje rozvoje konkurenceschopnosti ekonomiky a ekonomického růstu. Za tímto účelem se dohodli společně připravit a realizovat projekt s názvem „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ v rámci Operačního programu Podnikání a inovace – Spolupráce – Technologické platformy v souladu s výzvou č. II vydanou Ministerstvem průmyslu a obchodu České republiky (MPO ČR). Vznik a činnost technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ probíhá na základě společenské smlouvy osmi subjektů v rámci Sdružení automobilového průmyslu. Hlavním cílem TP je vytvořit a podporovat střednědobé až dlouhodobé vize budoucího technologického vývoje a konkrétní dynamické strategie, která zahrnuje významné otázky budoucího hospodářského růstu v odvětví automobilového průmyslu ČR, zvýšení jeho konkurenceschopnosti a trvale udržitelného rozvoje v ČR i v Evropě.

2.1 Členská základna Členy technologické platformy jsou: Sdružení automobilového průmyslu se sídlem Opletalova 1015/55, 110 00 Praha 1, IČ: 17048826 Iveco Czech Republic, a.s. se sídlem Dobrovského 74, 566 01 Vysoké Mýto, IČ: 48171131 Ricardo Prague s.r.o. se sídlem Thámova 183/11, 186 00 Praha 8, IČ: 27160572 Visteon – Autopal Services s.r.o. se sídlem Lužická 984, 741 01 Nový Jičín, IČ: 48399108 ŠKODA AUTO a.s. se sídlem tř. Václava Klementa 869, 293 01 Mladá Boleslav, IČ: 00177041 HELLA AUTOTECHNIK, s.r.o. se sídlem Družstevní 338/16, 789 85 Mohelnice, IČ: 47154888 BRISK Tábor a.s. se sídlem Vožická 2068, 390 02 Tábor, IČ: 47252090 České vysoké učení technické v Praze se sídlem Zikova 1903/4, 160 00 Praha 6, IČ: 68407700 Předmětný projekt je realizován v areálu užívaného společností BRISK Tábor a.s. (hlavní místo realizace). Pro administraci projektu bude využito i sídlo Sdružení automobilového průmyslu, Opletalova 55, Praha 1.

13


2.2 Organizační struktura technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Sdružení automobilového průmyslu (AutoSAP) je existující subjekt s právní subjektivitou založený jako zájmové sdružení právnických osob dle §20f zákona 509/1991 Sb. (Občanský zákoník). S cílem zajistit výkonnou technologickou platformu byly z členské základny AutoSAP po dohodě vybráno 8 subjektů, které spolu se Sdružením automobilového průmyslu uzavřely Smlouvu o sdružení dle §829 a násl. Občanského zákoníku, která stanovuje podmínky spolupráce při přípravě projektové žádosti, realizaci projektu a zajištění jeho projektových aktivit po dobu udržitelnosti. Tato smlouva nezakládá právní subjektivitu a stanovuje vztahy s Žadatelem, který je současně vedoucím sdružení. Obsahuje povinná ustanovení o činnosti TP v souladu s iniciativou Evropské komise ze dne 16. června 2004. Nejvyšším orgánem sdružení je shromáždění všech členů. Vedoucí sdružení je Sdružení automobilového průmyslu, které bude jednat za technologickou platformu vůči třetím osobám. Sdružení automobilového průmyslu jako reprezentant sdružení je oprávněno ke všem úkonům ve vztahu k vyhlašovateli výzvy. Ve vztahu k jiným třetím osobám je Sdružení automobilového průmyslu jako vedoucí sdružení oprávněno ke všem jednáním po schválení většinou účastníků sdružení a v rozsahu schváleném těmito účastníky.

Rada ředitelů AutoSAP Revizní komise AutoSAP Představenstvo AutoSAP

Vedoucí projektu Ing. V. Volák Odborný garant Prof. Ing. J. Macek, DrSc.

Sekretariát AutoSAP Ing. Z. Novák, Ing. P. Ešner

Pracovní tým 1 Hnací jednotka a paliva Prof. Ing. J. Macek, DrSc

Pracovní tým 5 Kontrolní a info. syst. vozidla, bezp. dopravy Doc. Ing. J. Machan, CSc.

Pracovní tým 2 Bezpečnost Ing. J. Vodstrčil

Pracovní tým 6 Mobilita a infrastruktura Ing. J. Vodstrčil

Pracovní tým 3 Podvozkové systémy Ing. V. Volák

Pracovní tým 7 Virtuální vývoj Doc. Ing. J. Machan, CSc.

Pracovní tým 4 Elektrická a elektronická výbava vozů Ing. K. Bill, MBA, Ing. O. Rybnikář

Pracovní tým 8 Zpracování materiálu, výrobní procesy L. Vopravil

14


2.3 Vazba TP „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ na struktury EU Technologická platforma „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ bude do evropské technologické platformy ERTRAC (Europen Road Transport Research Advisory Council) zapojena prostřednictvím Evropské asociace nezávislých organizací automobilového výzkumu EARPA (European Automotive Research Partners Association), konkrétně pokračujícím členstvím prof. Macka, odborného garanta a člena TP „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ v pracovní skupině Energy&Environment. Tato pracovní skupina je nejdůležitější z hlediska budoucí koncepce automobilů s přesahem do dalších skupin, zejména do skupiny Urban Mobility. Prof. Macek pracuje v této skupině již od roku 2004, kdy se zúčastnil tvorby výchozí SRA. Nyní se účastní tvorby scénáře na rok 2020+. Kromě toho jsou zástupci ČVUT v Praze zváni na výroční konference EUCAR v rámci ACEA, což je důležité pro podchycení současných trendů i iniciace výzkumných projektů. AutoSAP je aktivním členem Asociace evropských výrobců automobilů ACEA (Association des Constructeurs Européens d´Automobiles = European Automobile Manufacturers Association), které je nejvýznamnějším evropským sdružením výrobců automobilů a které je ve stálém kontaktu s příslušnými institucemi EU. AutoSAP je v ACEA v postavení přidružené organizace (Associated Organisation) v tzv. Styčném výboru (Liaison Committee), ve kterém jsou sdruženy národní asociace automobilového průmyslu členských zemí EU. Řádnými členy ACEA mohou být pouze výrobci automobilů. Forma spolupráce zahrnuje přípravu a výměnu různých materiálů a podkladů (stanoviska, analýzy, statistiky apod.) v mnoha oblastech týkajících se výroby a užití automobilů (například technická a dopravní legislativa, životní prostředí). Další významnou mezinárodní organizací, jejímž členem je AutoSAP, je OICA (International Organization of Motor Vehicle Manufacturers - http//www.oica.net). Jedná se o celosvětově působící nadnárodní sdružení národních asociací výrobců automobilů a současně nejvlivnější mezinárodní organizaci v oblasti autoprůmyslu. Jako přínosy vyplývající z členství a aktivní účasti na činnosti OICA je možno uvést přístup k informacím z oblasti tvorby budoucí legislativy, ale i ekonomiky, statistiky, obchodu a propagace a možnost přímého ovlivňování těchto oblastí. Členství v OICA je zejména ve fázi zpracování SVA a IAP nepostradatelným zdrojem informací. O významu organizace a zejména o jejím přínosu pro zpracovatele bylo hovořeno i základním materiálu „Studie proveditelnosti“. Jak se nyní ukazuje, tak čerpané informace z oblasti technické legislativy, environmentální legislativy, bezpečnosti, statistiky, nových trendů ve výzkumu a vývoji mají rovněž přímou vazbu na obsah řady kapitol kapitol zpracovávané SVA. Jedná se o podstatné přínosy vyplývající z členství AutoSAP v této organizaci. V rámci nevládních organizací je důležité zmínit odborné vazby navázané prostřednictvím České automobilové společnosti s její českou pobočkou SAE International a vazby na mezinárodní organizaci FISITA.

15


3. Důvody vzniku TP v ČR a v EU s vazbou na automobilový průmysl 3.1

Důvod založení technologické platformy v oblasti automobilového průmyslu v ČR a zpracování základních dokumentů

Iniciativa pro vznik technologické platformy byla dána nutností reagovat na současné a budoucí problémy odvětví i přispět do činnosti odvětvově orientované evropské platformy v oblasti dopravy ERTRAC i dalších subjektů. Podle dostupných pramenů existují dnes v jednotlivých státech Evropy desítky různých národních platforem sledujících nejrůznější vlastní i obecné zájmy. Vzhledem k rostoucí důležitosti a potřebě řešit celospolečenské problémy se národní platformy sdružují nebo stávají součástí mezinárodních platforem, aby spojily své síly pro dosažení svých cílů. Cílem je tedy ošetření skupinových zájmů a budování odborné prestiže vedoucí k úzké spolupráci s evropskými nebo státními strukturami. V České republice jsou také s určitým zpožděním zakládány technologické platformy, aby se mohly účastnit tohoto mezinárodního dění, ale i pro využití svého potenciálu v rámci státu při prosazování určitých zájmů, ať již formou odborné podpory státních struktur nebo přímým prosazováním zájmů určitého odvětví. Vědomi si popsané situace zvažovali představitelé automobilového průmyslu podobný krok delší dobu a momentem, který podobným úvahám dodal legitimitu a počáteční impuls, byla možnost využít podmínek jak národní politiky výzkumu, vývoje a inovací, tak aktuálně dostupných evropských podpor - vedle 7. rámcového programu výzkumu a vývoje také přechodných operačních programů evropských strukturálních fondů (fond podpory rozvoje regionů, sociální fond atp.) a zejména OP Podnikání a inovace nebo OP Výzkum a vývoj pro inovace. Rozhodnutí založit vlastní platformu zaměřenou na rozvoj odbornosti v automobilovém průmyslu jako nástroj podpory konkurenceschopnosti určilo i skupinu zakládajících členů, tzn. členských podniků Sdružení automobilového průmyslu, které mají ve své struktuře zahrnut Výzkum a vývoj (VaV). Tento postup byl samozřejmě diktován i časem, který byl k disposici pro řešení souvisejících organizačních a administrativních kroků. Úmyslné zjednodušení a zrychlení rozhodování o způsobu založení technologické platformy zaměřené na udržitelnou mobilitu nebylo v žádném případě motivováno snahou vytvořit uvnitř AutoSAP uzavřený klub podniků definujících společné partikulární zájmy této skupiny. Veškerá jednání přípravného výboru byla konzultována a odsouhlasena představenstvem AutoSAP a v zakládacích dokumentech je zakotveno právo všech členů AutoSAP podílet se na práci i výsledcích technologické platformy. Předpokládá se, že dokumenty připravené omezenou skupinou podniků nejvíce se angažujících ve výzkumu a vývoji souvisejícím s výrobou silničních vozidel v ČR (resp. členských podniků, které mají ve své struktuře zakomponován významnější podíl výzkumně-vývojových aktivit), budou k disposici všem členům AutoSAP a budou podléhat průběžné interní oponentuře. To se bude týkat základních dokumentů Strategické výzkumné agendy a Implementačního akčního plánu i případných dalších

16


výstupů. V oblasti automobilového průmyslu byla dosud v ČR schválena jedna národní technologická platforma a její vznik tak podpořil filozofii národních technologických platforem, tj. stát se součástí evropského fóra a podpořit tak zájmy Evropské unie při definování představ o rozvoji jednotlivých odvětví. Technologická platforma je orientovaná odvětvově, tzn. že jejím cílem není pokoušet se řešit komplexní problematiku silniční dopravy, ale pouze jeden z klíčových segmentů – výrobu dopravních prostředků. Již při prvních úvahách o zpracování SVA bylo zřejmé, že rozsah odborností této studie je takový, že jedinou možností je vytvořit tým, který si odborný rozsah rozdělí a jeho členové zpracují nezávisle na sobě jednotlivé kapitoly. Vzhledem ke komplexnosti problematiky je nemožné touto studií pokrýt celý odborný rozsah a bude nutné se soustředit na hlavní problematiky, a to i s ohledem na skladbu českého průmyslu a perspektivní směry rozvoje. Při odděleném zpracování jednotlivých kapitol není možno se vyhnout duplicitám a překrývání kapitol. Zpracovatelé se vědomě nechtějí překrývání kapitol vyhnout, protože by to poškodilo komplexnost pohledu na problematiku a srozumitelnost. Jde například o elektroniku, které je sice věnována samostatná kapitola, ale není možno se vyhnout otázce elektronické výbavy u motorů, brzd, bezpečnosti a mnoha dalších systémů. Do SVA nutně patří i zmínka o politickém kontextu rozvoje automobilového průmyslu. Úvahy některých politických kruhů o tom, že Česká republika je příliš orientována na montovny automobilového průmyslu a tento průmysl by měl být proto spíše utlumován, nejsou zřejmě založeny na relevantních předpokladech. Každý stát i region má své průmyslové priority a malý stát uvnitř tohoto regionu se může stěží snažit volit si samostatně své priority a svoji orientaci. Jestliže naším hlavním obchodním partnerem je Evropská unie a především její ekonomický tahoun Německo, je třeba přizpůsobovat naši hospodářskou politiku tomuto faktu resp. vnějším podmínkám a naopak se snažit plně využívat příležitostí, jež z nich vyplývají. Faktem je, že současná orientace ČR na automobilový průmysl nevznikla uměle, ale v organických souvislostech. Nevyužít orientace našeho přirozeného evropského i globálního prostředí pro vlastní hospodářský růst by byla krátkozrakost. Orientace na automobilový průmysl vzhledem k profesní různorodosti tohoto odvětví s sebou táhne mnoho dalších odborností, takže jeho rozvoj podporuje řadu dalších odvětví. Obvykle se tvrdí, že automobilový průmysl ovlivňuje kolem 60 % celé ekonomiky a může těžko být jakousi monokulturou, pokud je začleněn do celkového vývoje ekonomiky, jeho objem není založen pouze na levné pracovní síle a budování montoven a je zapojen do technického vývoje. Klíčové evropské státy naopak koncepční a selektivní podporou VaV pomáhají svému automobilovému průmyslu, nejenom v plnění očekávaných ekonomických objemů, ale i v rozvoji perspektivních oborů, které nejsou jen prostou součástí automobilového průmyslu. Současně s rozvojem tohoto odvětví, které mimochodem podstatným způsobem ovlivňuje např. vzdělávání, rozvoj infrastruktury atd., vytváří podmínky pro další rozvoj mnoha odvětví, jakými jsou kovozpracující průmysl, chemický a elektrotechnický průmysl, textilní a sklářský průmysl a mnohá jiná.

17


3.2 Očekávaný přínos pro členské subjekty a odvětví Přínos správného zaměření a fungování platformy by se měl projevit v několika úrovních. Za nejdůležitější je možné považovat aplikaci práce platformy v oblasti automobilového průmyslu u výrobců vozidel a dílů s pochopitelným přesahem do dalších oblastí – výrobních, výzkumně-vývojových, legislativních atd. Důležitou součástí je samozřejmě využití nashromážděných informací i pro další odvětví hospodářství a také pro státní správu. Podstatným předpokladem pro plné využití výsledků není jen aplikace vytvořené a existující komunikace uvnitř Sdružení automobilového průmyslu, které sdružuje v současné době téměř 160 členů, jež představují zřejmou většinu výrobního, technického a rozvojového potenciálu odvětví v tomto státě. Pozitivní dopad by se ovšem neměl projevit jen uvnitř jednoho odvětví. Obvykle se uvádí, že dopady podstatných změn v automobilovém průmyslu v rozvinutých státech ovlivňují prakticky celé hospodářství země. Předpokládáme, že diskuse započaté mezi zakládajícími členy platformy nad připravovanými základními dokumenty a následné rozšíření materiálu mezi členy AutoSAP v průběhu interní oponentury je příležitostí k zahájení efektivní diskuse nad možnostmi českého automobilového průmyslu a příležitostí k jednání o technických záležitostech a společné vizi dalšího rozvoje aktivit VaV. Přenos know-how, ať již formou spoluprací v oblasti VaV, kooperacemi nebo transferem technologií, je podmínkou udržování resp. zvyšování konkurenceschopnosti odvětví. V současné době se nejenom v rámci evropských platforem, ale i na globální úrovni sdružují dříve největší konkurenti při řešení koncepčních otázek. Není čas na pokusy o izolované řešení problémů. Právě nyní po ukončení ekonomické recese se často přistupuje k ryze politickým rozhodnutí a řešením, která vyžadují enormní náklady v oblasti investiční a výzkumně-vývojové od finalistů a zprostředkovaně i od všech jejich dodavatelů. Mohli bychom si vypůjčit příklad nevydařených rozhodnutí v oblasti fotovoltaiky, která ve výsledku přinášejí podstatné škody a ztráty celé společnosti. Máme však i vlastní příklady v rámci automobilového průmyslu. Např. neuvěřitelné výzkumněvývojové i investiční náklady poslední doby v oblasti výroby a pokusy o zavádění elektromobilů sice přinášejí značný technický pokrok, který ovšem v dohledné době nemůže být efektivně využit. Naopak se ukazuje, že předpoklady těchto rozhodnutí se nenaplňují a s nimi spojené a dosud neřešené problémy vygenerují v budoucnu potřebu dalších obrovských nákladů na nezbytnou provozní infrastrukturu, likvidaci odpadů, spotřebu strategických surovin atd. Již dnes je zřejmé, že se nenaplní ani očekávání z pohledu ochrany ovzduší a životního prostředí. Strategická rozhodnutí je nutno zakládat na nejlepších expertních informacích, které je nutno čerpat z profesního prostředí, kde jsou tyto informace k dispozici a jsme na počátku problému u raison d'etre technologických platforem. Jak již bylo uvedeno dříve, výzkumně-vývojové náklady jsou dnes jednou z hlavních podmínek získání a udržení konkurenceschopnosti. I ty největší a nejbohatší podniky dnes sdružují prostředky nebo se sdružují, aby získaly prostředky pro pokrytí svých rozvojových potřeb. Není tedy nic přirozenějšího nežli snaha členů AutoSAP vytvořit platformu a jejím prostřednictvím využít i možnosti zapojení do mezinárodních platforem a dalších nadnárodních institucí.

18


3.3 TP v ČR s vazbou na automobilový průmysl Kromě technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“, která vznikla přímo z iniciativy firem automobilového průmyslu, existují další platformy, které mají určitou vazbu na automobilový průmysl resp. souvisí s dopravní problematikou. Jsou to tyto TP:

3.3.1 Národní technologická platforma NGV Asociace NGV (NGVA) vznikla v dubnu 2009. Tvoří ji odborníci z oblasti výzkumu a vývoje a podnikatelské i neziskové sféry. Členy NGVA jsou například České vysoké učení technické v Praze, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Česká bioplynová asociace, AutoSAP, výrobci kompresorů pro CNG, firmy zabývající se přestavbami aut na pohon CNG, dodavatelé komponentů pro systémy CNG a další, včetně fyzických osob. Prvotním účelem asociace je podpora implementace a provozu technologií pro využití zemního plynu a biometanu v dopravě. Ta je koncipována jako prostor pro všechny hlavní hráče v oboru, aby mohli definovat strategii a cíle výzkumu a inovací v dlouhodobém horizontu a navázat spolupráci na národní i mezinárodní úrovni. Mezi hlavní aktivity NGVA patří legislativa, osvěta, poradenství a podpora výzkumu zaměřeného na podporu implementace a provozu technologií pro využití zemního plynu a biometanu v dopravě. Postupně by se měly naplňovat strategické cíle, které pro sebe i celý obor NGVA stanovila: - Vytvořit metodiky a vzory a sjednotit normy pro oblast NGV, aktivně se účastnit legislativních a správních procesů - Školit pracovníky výrobců a dodavatelů technologií i zemního plynu, zaměstnance veřejné správy a další zájemce, působit osvětově - Vytvořit systém posuzování a monitorování projektů v oblasti NGV, včetně jejich financování a zázemí pro služby výrobcům a uživatelům NGV - Navázat národní i mezinárodní spolupráci pro vzájemnou výměnu know-how a společné projekty Strategie pro výzkum, vývoj a inovace v oboru NGV bude definována pro období příštích 10 let v rámci České republiky. Přihlédnuto je však i k mezinárodním souvislostem a dění v rámci NGVA Europe - Evropské asociace NGV a IANGV - International Association for Natural Gas Vehicles, jichž je NGVA členem.

3.3.2 Technologická platforma Silniční doprava Byla založena v září 2009 a v současné době má 15 členů. Jedná se o zájmové sdružení právnických osob se sídlem v Brně. Cílem činnosti sdružení je propojit potenciál výrobní sféry, provozovatelů, výzkumných, vzdělávacích a projekčních organizací, zástupců veřejné správy, spotřebitelů a uživatelů v oboru silniční dopravy. Hlavním odborným zaměřením technologické platformy je zvyšování kvalitativní úrovně silniční dopravy při maximálním omezování všech negativních vlivů, které neustálý nárůst silniční dopravy s sebou přináší. Tato orientace koresponduje s cíli ERTRAC shrnutými do základního mota – Green, Safe and Smart Road Transport (Zelená, bezpečná a chytrá silniční doprava). Tomu odpovídá i složení členů technologické platformy, kteří

19


reprezentují stavební firmy, výrobce a distributory pohonných hmot, správce silniční infrastruktury, výrobce dopravních zařízení a vybavení, ITS, provozovatele silniční dopravy, univerzity a výzkumné ústavy. Rovněž vnitřní členění platformy zajišťuje úzké propojení výzkumu a vývoje se zástupci komerční sféry. Technologická platforma silniční doprava se bude členit do tří pracovních skupin: A. Mobilita, silniční doprava a silniční infrastruktura B. Bezpečnost a zabezpečení C. Energie, životní prostředí a zdroje Technologická platforma silniční doprava (TPSD) vytváří přímou národní reflexi evropské platformy ERTRAC.

3.3.3 Česká vodíková technologická platforma - ČVTP HYTEP Posláním České vodíkové technologické platformy (HYTEP) je podpora vývoje vodíkových technologií a zavádění vodíkového hospodářství v ČR. Vznik HYTEP byl iniciován Ministerstvem průmyslu a obchodu v roce 2006, přičemž k únoru 2010 bylo jejími členy 13 organizací, které představují páteř výzkumu vodíkových technologií včetně vysokých škol, výzkumných ústavů a průmyslových podniků. Cílem HYTEP je identifikovat současný stav ve využívání vodíku jako energetického nosiče a zejména stanovit směr, kam by se měl výzkum a využívání vodíku v ČR ubírat. Zájem je směřován zejména na aplikace v dopravě, energetice a spotřební elektronice, tedy na ty aplikace, ve kterých je vodík využíván jako energetický vektor, nikoliv primárně jako chemická surovina, což je jeho tradiční využití v chemickém, petrochemickém, potravinářském, metalurgickém a dalším průmyslu. Největší pozornost je však věnována pozemním vozidlům, zejména osobním automobilům a autobusům. Jednotlivé členské subjekty řeší několik desítek projektů VaV zaměřených na vodíkové technologie, např. první vodíkový autobus, vodíková loď v Hamburku (oba Ústav jaderného výzkumu Řež), využití odpadního vodíku z chemické výroby (Vysoká škola chemicko-technologická Praha), spalovací motory na vodík (ČVUT, VSLIB). Dalších podobných příkladů je celá řada.

3.3.4 Česká technologická platforma pro biopaliva (ČTPB) Česká technologická platforma pro biopaliva (dále jen ČTPB) chce ve své činnosti analyzovat a naznačit oblasti zájmu, směry a priority při alternativním využívání bioložek v podmínkách České republiky. Cílem platformy je snížit závislost na fosilních palivech sloužících pro potřeby dopravy a podporovat používání biopaliv. Podle zpracované SVA je možné definovat strategické oblasti zájmu v oblasti biopaliv v podmínkách České republiky, kterými jsou: -

Zdroj surovin Transfer na motorová paliva Udržitelnost produkce zdrojů surovin a transferu na motorová paliva Informační zdroje a jejich udržitelnost Legislativa a změny potřebné pro zajištění cílů Strategické výzkumné agendy

20


4. Automobilový průmysl – historie a současný stav, trendy v oblasti automobilového průmyslu konkurenceschopnost, základní směry VaV, národní politika VaV 4.1 Historický vývoj českého automobilového průmyslu 4.1.1 Osobní automobily Výroba osobních automobilů má na území České republiky tradici, která zasahuje již do tří století. Náš stát se jako jeden z mála států na světě může pochlubit nepřetržitou automobilovou výrobou od 19. století. Božkův parovůz z roku 1815 byl prvním čtyřkolovým, historicky doloženým, vlastní silou se pohybujícím automobilem na evropském kontinentu. Průmyslový význam má však až první osobní vůz se spalovacím motorem Kopřivnické vozovky (nynější Tatra a.s.) - Präsident - dokončený v roce 1898. V roce 1901 firma Laurin & Klement v Mladé Boleslavi (nyní Škoda Auto a.s.) koná pokusy s lehkými motorovými vozíky. O čtyři roky později, v roce 1905, představuje svůj první “oficiální” automobil – Voitturetu typu A. Od té doby mnoho českých výrobců přispívalo k rozvoji světového autoprůmyslu. Vzpomeňme na první sériový aerodynamický vůz na světě Tatra 77, na průkopníky předního náhonu Aero, Jawu či Zbrojovku Brno a na mnoho dalších.

4.1.2 Užitková vozidla Obdobně jako u osobních automobilů i u automobilů užitkových se můžeme pochlubit tradicí výroby sahající až do 19. století. První nákladní automobil na území České republiky vyrobila Kopřivnická vozovka (nynější Tatra a.s.) v roce 1898. Na rozdíl od prvního osobního vozu Präsident se první nákladní automobil nedochoval. V období do 2. světové války vyráběly téměř všechny tehdejší české automobilky osobní i užitkové automobily. Jednalo se především o „velkou trojku“ – Škoda, Praga a Tatra. Významný podíl měly nákladní automobily Walter, dodávkové verze svých osobních automobilů vyráběly i značky Aero, Jawa, Z nebo Wikov. Autobusy na podvozcích nákladních vozů kromě mateřských firem stavěly i specializované karosárny (Sodomka, Petera, Uhlík a mnohé další).

4.2 Postavení českých výrobců v současnosti 4.2.1 Osobní automobily Díky úspěšné privatizaci Škody Auto v rámci koncernu Volkswagen a realizovaným investičním pobídkám se v ČR rozvinula nebývalým způsobem výroba osobních vozidel. K již zmiňované Škodě Auto se zařadily firmy TPCA a Hyundai a Česká republika se tak

21


stala jedním z největších evropských výrobců osobních automobilů (5. místo v roce 2009 za Německem, Francií, Španělskem a Velkou Británií). V roce 2010 překročila výroba hranici 1 milionu osobních automobilů. Z hlediska produkce na počet obyvatel se ČR dokonce dlouhodobě pohybuje v „Top 3“ nejen v Evropě, ale i na světě! V roce 2008 i 2009 jsme se umístili na 2. místě na světě.

4.2.2 Užitková vozidla Koncem 80. let 20. století se v České republice vyrábělo ročně téměř 50 000 užitkových automobilů značek Tatra, LIAZ a Avia. Transformace v oblasti užitkových vozů vedla k zániku firmy LIAZ. Automobilky Tatra a Avia vyrábějí v současné době zlomek svých dřívějších kapacitních možností. Diametrálně odlišná je situace v případě autobusů. Firma Karosa se díky úspěšné transformaci stala významnou součástí koncernu Irisbus resp. Iveco a dále se rozvíjí. Obdobně lze charakterizovat i dalšího výrobce autobusů – společnost SOR Libchavy a další výrobce (TEDOM a KH Centrum). Mimo uvedenou výrobu autobusů (v roce 2009 Česká republika zaujala svými 3 068 vyrobenými autobusy a 8,7% podílem vynikající 5. místo v Evropě) lze obecně říct, že Česká republika ztratila svou bývalou pozici ve výrobě zejména nákladních užitkových automobilů.

4.2.3 Dodavatelé automobilového průmyslu Podstatnou částí automobilového průmyslu je jeho dodavatelská základna, která se střídavými úspěchy procházela privatizačním obdobím. Situace dodavatelů byla o to komplikovanější, že na rozdíl od finalistů, kteří jsou konečným dodavatelem na trh, musí dodavatel mít vybudované vztahy s celou řadou finalistů, tedy svých odběratelů. Tito odběratelé pochopitelně mají velký výběr možných dodavatelů a tedy i prostředky, jak tlačit na snižování výkupních cen. To byl hlavní důvod, proč se většina dodavatelů (stejně jako většina finalistů) soustředila na možnost stát se součástí velkých koncernů, které byly schopny se investičně podílet na modernizaci výroby, měly pevné postavení na trhu a tím zajišťovaly stabilitu výrobního programu a dalšího rozvoje. Novými vlastníky se většinou staly nadnárodní koncerny jako Bosch, Delphi, Siemens, Hella, TRW atd. V současnosti objem výroby dodavatelského průmyslu např. představuje zhruba polovinu souhrnných tržeb AutoSAP. Dodavatelé v rámci outsourcingu přebrali ovšem současně významnou část výzkumu a vývoje pro finalisty. Dodavatelé se do budoucna orientují na průběžnou modernizaci výrob s vyšší přidanou hodnotou a hlavně na zvyšování podílu technické práce nad výrobními činnostmi. To ovšem platí o všech členech AutoSAP a o celém českém průmyslu. Zapojování do aktivit VaV je tedy aktem snahy o přežití a ekonomickou budoucnost. Českému hospodářství tento trend může přinést konkurenceschopnost a atraktivitu pro příliv zahraničního kapitálu.

22


4.3

Význam automobilového hospodářství

průmyslu

pro

národní

4.3.1 Podíl na průmyslové výrobě a HDP Výroba v odvětví automobilového průmyslu prakticky kopíruje celkovou průmyslovou výrobu v ČR a udržuje si svůj téměř konstantní podíl ve výši cca 20 %. Lze odhadnout, že podíl automobilového průmyslu na tvorbě HDP České republiky činí cca 6 – 7 %. Vývoj za období 2005 – 2010 je znázorněn na obr. 4.3.1. Podíl automobilového průmyslu na průmyslové výrobě ČR mil.Kč

%

3 500 000

40,0%

3 000 000

35,0%

2 500 000

30,0% 25,0%

2 000 000

20,0% 1 500 000

15,0%

1 000 000

10,0%

500 000

5,0%

0

0,0% 2005

2006

2007

2008

průmyslová výroba celkem

2009

2010

podíl AP v %

Obr. 4.3.1

4.3.2 Podíl na exportu Hodnota exportu představuje významnou ekonomickou položku nejen pro automobilový průmysl, ale pro celé národní hospodářství. Z vývoje za období 2005 – 2010 (viz obr. 4.3.2) je zřejmé, že podíl firem automobilového průmyslu na celkovém exportu ČR se pohybuje řádově ve výši cca 20 – 21 %. Podíl automobilového průmyslu na celkovém exportu ČR mil.Kč

% 40,0%

3 000 000

35,0%

2 500 000

30,0% 2 000 000

25,0% 20,0%

1 500 000

15,0%

1 000 000

10,0% 500 000

5,0% 0,0%

0 2005

2006

2007

2008

celkový export

2009

2010

podíl AP v %

Obr. 4.3.2

4.3.3 Zahraničně obchodní bilance Kladné saldo zahraničně obchodní bilance automobilového průmyslu významným způsobem ovlivňuje celkovou obchodní bilanci ČR. Jeho výši znázorňuje následující obr. 4.3.3.

23


Zahraničně obchodní bilance ČR mil Kč 300 000 200 000 100 000 0

2005

2006

2007

2008

2009

2010

-100 000 -200 000

automobilový průmysl bez firem automobil.průmyslu

-300 000

celkem za ČR

Obr. 4.3.3

4.4 Trendy světového vývoje v oblasti výroby vozidel Výzkum a vývoj v oblasti vozidel je v EU orientován na společenské priority, vyplývající z nutnosti dospět k trvale udržitelné mobilitě. Zejména jde o úspornost (související současně se snižováním emisí skleníkových plynů, zejména nerecyklovaného CO2), šetrnost k životnímu prostředí a surovinovým zdrojům současně s redukcí surovinové závislosti na politicky nestabilních teritoriích Země, bezpečnost a zaručenou mobilitu i konkurenceschopnost evropských výrobků v globálním měřítku. Specificky se výzkum zaměřuje na prostředky a organizaci dopravy osob i nákladů v městských zónách a na prostředky dálkové silniční dopravy nákladů. Výzkumná témata zahrnují použití obnovitelných zdrojů energie pro pohon vozidel, prostředky pro jejich skladování, spojené případně s rekuperací kinetické energie, nové pohonné jednotky vozidel s vysokou účinností využití primární energie i energie uložené ve vozidle, vozidla s minimálními odpory, minimální hmotností a s možností rekuperace trakční práce, vozidla přizpůsobená požadavkům městské nebo dálkové dopravy, vozidla uživatelsky přívětivá (inteligentní) a současně bezpečná a konečně řízení vozidel jako jednotek i jako dopravního proudu a jejich interakce s infrastrukturou. Tím výzkum a vývoj vozidel přesahuje do požadavků na nové energetické i informační (telematické) infrastruktury. Je zřejmé, že splnění těchto cílů vyžaduje kompromis mezi protichůdnými požadavky na užitnou hodnotu pro zákazníka, celou společnost a cenu nových vozidel. Nastavení váhy jednotlivých cílů je pak záležitostí z větší části politickou i geopolitickou. Jejich splnění pomocí adekvátní reakce trhu musí být podpořeno nejen technickou úrovní řešení, ale též legislativními, případně fiskálními opatřeními. Výzkum je dělen mezi finální výrobce (OEM), výrobce příslušenství, veřejné vysoké školy i další veřejné výzkumné instituce a v neposlední řadě je jeho část zajišťována soukromými i veřejnými výzkumnými institucemi. Zatímco většina vývoje je pokrývána soukromými zdroji výrobců, výzkum a vývoj koncepčních řešení musí být podporován zdroji ze státních rozpočtů jednotlivých zemí, ze společných bilaterálních výzkumných programů a ze zastřešujících rámcových programů EU. Jejich rozložení uvádějí studie,

24


zpracované v rámci projektu EAGAR (European Assessment of Global Publicly Funded Automotive Research). V poslední době se zvyšují požadavky na koncepčnost státní podpory a její harmonizaci s prioritami celé EU. V připravovaném 8. rámcovém programu EU lze očekávat, že bez státní spoluúčasti nebude možno získat podstatnější podporu EU.

4.5 Návrh strategických oblastí VaV TP ČR v oblasti automobilového průmyslu 4.5.1 Technologický a inovační rozvoj odvětví Na výkonnosti automobilového průmyslu je evropská ekonomika značně závislá. O to více je třeba připravovat inovace pro následující konjunkturu. Po hospodářské recesi narůstá zájem na rozšíření existujících výzkumných kapacit, využívajících poptávky po aplikovaném výzkumu v západní Evropě (kde se již projevuje nedostatek inženýrů a dalších technických odborníků) a pro nové projekty v Číně a Indii, vyžadující účast evropských techniků. Výzkumné práce jsou velmi žádaným produktem, zvláště pokud jde o aplikační výzkum. Jeho výsledky jsou publikovány podle mezinárodně uznávaných standardů. Současné problémy ve směřování strategického výzkumu odráží plně současnou nejasnou situaci v hodnocení lidského vlivu na globální oteplování a na možnost spolehlivého posouzení efektivnosti nákladů, které je třeba vydat na alternativní řešení. V neposlední řadě ovlivní toto rozhodnutí i konkurenceschopnost evropského automobilového průmyslu. Prosazení udržitelných řešení proti některým politickým rozhodnutím, která jsou z technického hlediska nezdůvodnitelná (např. DG Research, DG TREN) má pro další rozvoj průmyslu a globální ekonomiku velkou důležitost. Jediným představitelným nástrojem obrany společností zainteresovaných na rozvoji českého automobilového průmyslu je kvalita nabídky. Ale hlavně - a to je předmětem této studie - kvalitní technická a technologická připravenost podniků, což v minulosti bylo vždy oceňováno jako přednost České republiky. Přednostním zájmem všech účastníků projektu (podniků, universit a konstrukčních a vývojových kanceláří) je udržet zde v maximálním rozsahu výzkumná a vývojová pracoviště a tím dosáhnout kultivace technologického prostředí, které v podstatné míře závisí na kvalitním vzdělávání a úrovni akademického výzkumu. Rozhodnutí investovat nebo založit společnost v České republice bylo u řady výrobců motivováno povědomím o historii tohoto odvětví v českých zemích i úspěších na poli komerčním, technickém i sportovním a lze to v řadě případů dokumentovat osobní zkušeností. Dnes se daří díky řadě pracovišť a projektů na tomto renomé znovu stavět. Je to ovšem něco, co se buduje dlouhodobě a cílevědomě a musí být založeno na jasné vizi, vyplývající z přehledu o trendech technického a technologického rozvoje. S vědomím toho bychom si neměli dovolit tuto komparativní výhodu prohospodařit a naopak bychom ji měli posilovat a diferencovat se od „zemí bez automobilové a technologické historie“. Proto je nutno cílevědomě pracovat na technické, organizační a hlavně odborné a vzdělanostní připravenosti na budoucí úkoly. Prvořadý význam pro budování resp. udržení konkurenceschopnosti mají dva faktory:

25


efektivní rozdělování a využití fondů pro výzkumně-vývojové činnosti (na všech úrovních rozhodování) a optimalizace řešitelských týmů – v tomto případě hlavně spolupráce mezi průmyslovými partnery, kteří svojí přítomností garantují efektivní formulování úkolu a realizaci výstupů, s akademickou sférou, která by naopak měla přinášet nejmodernější poznatky a přístupy, které by spolu s možností zapojení všech kategorií akademických pracovníků měly zajistit zlevnění řešení a tím maximalizaci výsledku.

4.5.2 Strategické oblasti vývoje jako podklad pro formulaci obsahu SVA Vzhledem ke komplexnosti problematiky vozidel byla rozdělena práce na strategické výzkumné agendě do kategorií, které jsou určitým způsobem v souladu se strukturou orgánů formulujících legislativní požadavky (WP29 EHK-OSN neboli Platforma pro globální harmonizaci technické legislativy) i vazbou na dokumenty evropské technologické platformy ERTRAC a Evropské asociace výzkumných organizací automobilového výzkumu EARPA s řadou pracovních skupin. Jak již bylo konstatováno v předchozích kapitolách, zejména pracovní skupina Energy&Environment je nejdůležitější z hlediska budoucí koncepce automobilů s vazbou na další skupiny. Z hlediska perspektivy a kompatibility řešení a pro podchycení současných trendů i iniciace výzkumných projektů je důležitá vazba na podklady zpracovávané ACEA (Evropská asociace výrobců automobilů), která se podílí v rámci WP29 na tvorbě legislativy, a její pracovní skupinu EUCAR. Při zakládání technologické platformy a navrženém strukturování problematiky je třeba si uvědomit, že na jedné straně nejsme schopni (stejně jako uvedené rozdělení) pokrýt celou problematiku. Na druhé straně ne všechny oblasti budou středem našeho zájmu. Často jsou jednotlivé otázky řešeny ve výzkumných centrech velkých koncernů nebo nadnárodních konsorcií, přičemž ani členové koncernu s vlastními vývojovými kapacitami neřeší samozřejmě celý rozsah problematiky, ale podřizují se koncernové specializaci a strukturalizace vývoje. Při formulování Implementačního akčního plánu (IAP) a stanovení konkrétních cílů budeme muset pochopitelně zvolit rozsah pohledu podle omezené šíře záběru podniků nalézajících se na území ČR a jejich schopností a možností spolupracovat na řešení projektů. Vývoj evropské i globální legislativy odráží obecně akceptované vývojové trendy a nastavuje požadované nebo limitní parametry, které jsou měřítkem nezbytného objemu vývojových kapacit a nákladů při uvádění jednotlivých vozidel na trh. Pracovní skupina rozdělila SVA, ve snaze pokrýt pokud možnou celou šíři odborností automobilového průmyslu, do níže uvedených oblastí – viz kapitola 8. Jak je i na jiných místech SVA uvedeno, tento rozsah nedává možnost zpracovat detailní přehled celé problematiky, ale snaží se pokrýt hlavní směry rozvoje automobilního průmyslu. Mezi kapitolami nezbytně dochází k překrývání jednotlivých odborností. Tento fakt jsme akceptovali. Považujeme ho za nevyhnutelný a je dokreslením enormního rozsahu a komplexnosti celé problematiky. Český průmysl pochopitelně nedokáže a nikdy nedokázal pokrýt všechna odvětví. V důsledku privatizace a zapojení se do velkých podnikatelských uskupení se snížil objem aktivit VaV, resp. se zvýšila specializace. Tato studie se snaží přinést ucelený přehled a v navazujícím Implementačním akčním plánu se soustředí na hlavní

26


perspektivní oblasti z pohledu možností České republiky. Technická problematika této studie byla rozdělena na následující odborné oblasti:

Hnací jednotka a paliva Bezpečnost Podvozkové systémy Elektrická a elektronická výbava vozidel Bezpečnost dopravy Mobilita a infrastruktura Virtuální vývoj Zpracování materiálu, Výrobní procesy

4.6 Národní politika VaV 4.6.1 Státní programy pro podporu VaV a inovací Za pozitivní je možno považovat snahu vlády směřující ke sjednocení vzdělávacího procesu, inovací, výzkumu a aplikační praxe. Reakce vlády v tomto směru svědčí o tom, že výzkum a vývoj (VaV) považuje za jednu z klíčových oblastí pro budoucí rozvoj české ekonomiky. Na základě rozhodnutí vlády jsou ze státního rozpočtu každoročně vyčleňovány prostředky pro jednotlivé resorty na zabezpečení úkolů souvisejících se základním i aplikovaným výzkumem a vývojem. Jejich roční alokace včetně podílu MPO je uvedena v následujícím obr. 4.6.1. Výdaje na výzkum a vývoj 30 000 24 831

25 000

21 497

MPO výdaje (mil. Kč)

24 842

22 996

celkem ČR

18 178

20 000 16 457 14 987

13 920 14 663

12 578

15 000 11 820 9 672 7 772

10 000

8 732

6 238 4 378 4 551

4 897

5 000 229

182

177

526

884

964

1 198

2 176 1 420 1 200 1 000 1 197 1 559 1 850

2 828 2 973

3 742 3 822

0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Obr. 4.6.1

4.6.2 Technologická agentura ČR Pro koordinaci úkolů a činností s tím souvisejících byl vládním usnesením zřízen nový orgán a sice Technologická agentura ČR (TA ČR), jejíž hlavní úlohou a zaměřením je připravovat a implementovat programy aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje a inovací a tím přispívat ke zvyšování konkurenceschopnosti a hospodářskému růstu ČR.

27


Mezi významné úkoly TA ČR patří i podpora spolupráce mezi výzkumnými organizacemi a podnikatelskou sférou.

4.6.3 Programy pro podporu VaV Program ALFA Technologická agentura České republiky dne 24. března 2010 vyhlásila podle zákona č. 130/2002 Sb., Rámce Společenství pro státní podporu výzkumu, vývoje a inovací (2006/C 323/01) a Nařízení Komise (ES) č. 800/2008 ze dne 6. srpna 2008 veřejnou soutěž ve výzkumu, vývoji a inovacích na výběr projektů do programu ALFA. Program ALFA potrvá 6 let od roku 2011 do roku 2016. Jeho cílem je umožnit firmám a výzkumným organizacím, aby plně využily potenciál české vědy a výzkumu ve prospěch konkurenceschopnosti a hospodářského růstu ČR. Příjemci podpory musí prokázat schopnost projekt spolufinancovat z neveřejných prostředků. Bez ohledu na typ příjemce nepřesáhne maximální míra podpory na jeden projekt hranici 80 % uznaných nákladů daného projektu. Celková průměrná míra podpory na jeden projekt by se měla pohybovat kolem 65 %. Předpokládané výdaje na program ALFA ze státního rozpočtu po dobu šestiletého trvání programu jsou více než 7,5 miliardy korun. V prvním roce veřejné soutěže bude TA ČR rozdělovat 817 milionů korun. Program ALFA je rozdělen do 3 podprogramů, které odráží partnerství TA ČR a tří ministerských resortů (Ministerstvo průmyslu a obchodu, Ministerstvo životního prostředí a Ministerstvo dopravy). Jedná se o tyto podprogramy: - Progresivní technologie, materiály a systémy - Energetické zdroje a ochrana a tvorba životního prostředí - Udržitelný rozvoj dopravy Program Centra kompetence Program je připravován pro podporu dlouhodobých a komplexních projektů, zajišťující stabilitu výzkumných týmů v oblastech s dlouhodobou úspěšnou historií spolupráce několika subjektů VaV z veřejné i soukromé sféry s průmyslovými partnery realizujícími výsledky. Program bude otevřen v roce 2011 s následujícími výzvami pro léta 2013 a 2015. Zásady programu byly Vládou ČR schváleny a jsou dostupné na www.tacr.cz . Program OMEGA Je zaměřen na podporu projektů výzkumu a experimentálního vývoje, které mají vysoký předpoklad pro uplatnění v řadě oblastí celospolečenského života obyvatel ČR. Program BETA - program veřejných zakázek Bude realizován formou veřejných zakázek identifikovaných příslušnými orgány státní správy.

na

základě

výzkumných

potřeb

Program resortu MPO - „TIP“ Resortní program výzkumu a vývoje "TIP" schválený usnesením vlády České republiky ze dne 22. 8. 2007 č. 942 byl notifikován u Evropské komise 20. 11. 2008 pod č. N 662/2007. Program realizuje účelovou podporu průmyslového výzkumu a vývoje z prostředků státního rozpočtu určených na tento účel v rozpočtové kapitole Ministerstva

28


průmyslu a obchodu. Příjem žádostí do programu bude prováděn formou Veřejné soutěže ve výzkumu a vývoji každoročně, na roky 2010 až 2014 vždy v předcházejícím roce. Ukončení řešení všech projektů je určeno na rok 2017. Délka řešení jednotlivých projektů je stanovena na dobu do čtyř let (48 měsíců) s tím že řešení musí být započato v roce, na který byla vyhlášena Veřejná soutěž. Podpora bude poskytována jako účelová podílová dotace na programový projekt. Výše podílu podpory z celkových uznaných nákladů potřebných na vyřešení daného projektu bude stanovena podle platných předpisů (daných tzv. „Rámcem“). Projekty z oblasti základního a aplikovaného výzkumu s požadavkem na 100% podporu nebudou přijímány. Nebude poskytována ani 100% podpora etapám řešení v rámci programového projektu výzkumu a vývoje. Operační program podnikání a inovace V rámci své působnosti koordinuje MPO významný operační program hrazený dle pravidel EU s názvem „Operační program podnikání a inovace“ (OPPI). Ministerstvo průmyslu a obchodu představuje v rámci tohoto programu pro období 2007 - 2013 celkem 15 programů podpory. Do oblasti výzkumu a vývoje je možné v rámci OPPI zařadit tyto programy: Potenciál má za cíl posílení podnikových kapacit výzkumu a vývoje s návazností na výrobní aktivity firem. Podporováno je zejména zakládání a rozvoj technologických center a vnitropodnikových oddělení výzkumu a vývoje. Program je určen všem podnikatelům bez ohledu na velikost. Prosperita je zaměřena na podporu vzájemné spolupráce mezi vědeckovýzkumnými institucemi, vysokými školami a podniky formou výstavby a rozvoje vědeckotechnických parků, podnikatelských inkubátorů a center pro transfer technologií. Program je určen podnikatelským subjektům, vysokým školám a veřejným výzkumným institucím. Spolupráce podporuje vznik a rozvoj kooperačních seskupení (klastrů, pólů excelence a technologických platforem), v nichž spolupracují podniky, vysoké školy a výzkumné ústavy. Program je určen firmám, vysokým školám a veřejným výzkumným institucím. V rámci druhé výzvy tohoto programu zpracoval AutoSAP projekt s názvem „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“, jehož cílem je vypracování základního směru a témat jako podkladu pro budoucí technologický a inovační rozvoj odvětví a směru výzkumu a vývoje v rámci odvětví. Projekt byl schválen pod č. 5.1 SPTP02/008 s termínem zahájení v 6/2010 a ukončení v 5/2013. AutoSAP se podílí na činnosti následujících technologických platforem: - Česká technologická platforma STROJÍRENSTVÍ - Národní technologická platforma NGV (Natural Gas Vehicles) Projekty na ochranu práv průmyslového vlastnictví - tato část programu OPPI přispívá dotacemi k širšímu využívání ochrany nehmotných statků v podobě patentů, užitných vzorů, průmyslových vzorů a ochranných známek. Program je určen podnikatelským subjektům, vysokým školám a veřejným výzkumným institucím.

29


Program resortu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR - Výzkum a vývoj pro inovace (VaVpI) Pro potřeby veřejných institucí v oblasti průmyslového výzkumu a vývoje dále slouží Operační program Výzkum a vývoj pro inovace (VaVpI). Cílem tohoto operačního programu je zintenzivnit spolupráci vysokých škol s průmyslovými podniky, a to jak podporou rozvoje kapacit pro výzkum a vývoj na vysokých školách či výzkumných institucích, tak zlepšením informovanosti o nabídce a poptávce v oblasti průmyslového výzkumu a vývoje. V rámci tohoto programu je možné řešit podporu výzkumných center, podporu spolupráce veřejného a soukromého sektoru ve výzkumu a vývoji, posilování kapacit vysokých škol pro terciární vzdělávání apod.

5. Závěry z projektů EU v oblasti autoprůmyslu 5.1 Další programy EU Mimo již dříve uvedené je oblast Výzkumu a vývoje součástí řady dalších nadnárodních evropských programů. Jedná se např. o tzv. 7. Rámcový program (7. RP) na podporu výzkumu a vývoje, s jehož pomocí dochází k propojení aktivit na celém území EU. Příklady mezinárodních projektů řešených v rámci 7. RP pro VaV EU je uveden v následující tabulce 5.1.1. Tabulka 5.1.1 Firma ČVUT VCJ. Božka ČVUT VCJ. Božka ČVUT VCJ. Božka ČVUT VCJ. Božka

Acronym

InGAS

POWERFUL

VECOM

LESSCCV

Číslo projektu

Název projektu

Podán v rámci programu

Výsledek

218 447

Integrated Gas Engine Powertrain – Low Emissions…

SST 2007 RTD 1 Sustainable Surface Transport,

v řešení od 10/2008

TBD

POWERtrain of FUture Light-duty vehicles

SST 2007 RTD Sustainable Surface Transport,

přijat

213543-2

Vehicle Concept Modelling

PEOPPLE Marie Curie – Initial Traing Networks

v řešení od 10/2008

TBD

Large Eddy Simulation LES and system simulation of cyclic variability

Sustainable Surface Transport,

přijat

30


6. Výzvy v rámci 7. RP a aktivity EARPA 6.1 7. rámcový program EU V této souvislosti je nutné upozornit na opatření Evropské komise, která v současnosti přijala opatření, jež mají dopomoci k tomu, aby se účast na 7. RP pro výzkum stala atraktivnější a přístupnější pro nejlepší výzkumné pracovníky a nejinovativnější firmy, zejména malé a střední podniky (MSP). Tato opatření jsou založená na plánu zjednodušení, který EK předložila v dubnu 2010 a vstupují v platnost okamžitě. EK považuje zjednodušení administrativních postupů za jednu ze základních zásad při vytváření příštího programu EU pro výzkum a inovace a bude se nadále zasazovat o podstatné zlepšení. Po otevřené konzultaci v jarních měsících roku 2011 předloží EK do konce tohoto roku své legislativní návrhy pro příští program EU pro výzkum a inovace.

6.2 EARPA Asociace EARPA založila již v roce 2007 pro zpracování stanovisek k navrhovaným podporám výzkumu v rámci EU (Position Papers) pracovní skupiny (Task Forces, TF). V současnosti pracuje 11 skupin (Safety; Materials; Noise, Vibrations & Harshness; Modelling & Simulation; Advanced Internal Petrol & Diesel Combustion Engines; Hybrid Electric Vehicles; Advanced Electric Components; Alternative Fuel Production; Urban mobility; PEOPLE Programme; Project Management). Jejich výsledky jsou prezentovány orgánům Evropské komise, zejména DG Research (sector Transport), DG Transport and Energy a DG Information and Communication Technologies (sector Transport). Kromě toho vznikají v rámci TF návrhy samotných projektů, které jsou následně projednávány s EUCAR a dalšími partnerskými sdruženími, jako CLEPA – Sdružení evropských výrobců automobilového příslušenství, CONCAWE – sdružení evropských palivářů atp. Na druhé straně EARPA slouží jako kontaktní místo pro obdobné návrhy z těchto sdružení.

7. Infrastruktura a vzdělávání 7.1 Kapacity VaV V oblasti VaV nachází uplatnění jak individuální schopnost jednotlivce, tak i dokonalá týmová spolupráce. Projevuje se to zejména ve vztahu mezi finálními výrobci a výrobci příslušenství, kdy je ze strany finálních výrobců vyžadována větší součinnost v předvýrobních etapách celého projektu. Celý tento systém směřuje ke snížení nákladů na předvýrobní etapy a to jak na straně finálního výrobce, tak v menší míře i na straně

31


výrobců dílů. V neposlední řadě výrazně ovlivňuje pozici dodavatele v rámci dodavatelského řetězce u jednotlivých finálních výrobců. Významná část firem, které se zabývají výrobou dílů a příslušenství, má charakter dodavatele první a druhé řady. Vývoj počtu pracovníků v oblasti výzkumu a vývoje (VaV) v rámci rozhodujících firem automobilového průmyslu je zřejmý z obr. 7.1.1. Vývoj počtu pracovníků odpovídá současným úkolům souvisejících zejména s ekologií provozu a bezpečností vozidel. Uplatňuje se ve větší míře spolupráce firem automobilového průmyslu na mezinárodních projektech v rámci evropských programů. Z hlediska dalšího vývoje bude nutné posílit spolupráci s vysokými školami a to při řešení konkrétních problémů automobilového průmyslu za předpokladu urychlené aplikace daného řešení. Ze strany automobilového průmyslu se bude jednat v řadě případů o spolupráci vysoce specializovaných pracovišť, která jsou pověřena komplexním vývojem pro svou mateřskou firmu.

Počet pracovníků ve výzkumu a vývoji osob 6 000 5 000

4 933 4 490

4 000

4 466

3 000

3 768

3 457

3 526

3 415

1999

2000

2001

3 547

3 788

3 742

2004

2005

4 639

3 072

2 000 1 000 0 1998

2002

2003

2006

2007

2008

2009

Obr. 7.1.1

Přes meziroční pokles počtu pracovníků v období 2008/2009 je vidět, že celkový trend v počtu pracovníků ve vývojových útvarech oproti počátečnímu stavu zůstává pozitivní. Více jak polovina z oslovených firem v automobilovém průmyslu uvádí, že má vlastní vývojové kapacity nebo útvary, které se na různém stupni zabývají inovací výrobního procesu. Finanční prostředky, které jsou firmami využívány pro vlastní VaV, se pohybují řádově na úrovni 4 -5 % tržeb z vlastní výroby. Na celkovém počtu pracovníků ve výzkumu a vývoji v ČR se podílí počet pracovníků VaV ve firmách automobilového průmyslu více jak 8 %.

7.2 Strategie v technickém vzdělávání 7.2.1 Kvalifikační struktura zaměstnanců automobilového průmyslu V souvislosti s uvažovaným rozvojem a perspektivami nových řešení v oblasti automobilového průmyslu bude kladen stále větší důraz na lidské zdroje. Jejich správná

32


motivace a řízení tvoří jeden z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících kvalitu a úroveň předvýrobních a výrobních procesů. S problematikou lidských zdrojů pak úzce souvisejí dvě hlavní témata, kterými jsou kvalifikační struktura a vzdělávání. Z tohoto důvodu patří oblast vzdělávání dlouhodobě do vybraných priorit podniků automobilového průmyslu. Firmy si uvědomují, že s tím, jak se mění výrobní technologie i globální situace v oboru, bude nutné měnit i vzdělanostní strukturu zaměstnanců. Proto jsou data o vzdělanostní struktuře firem automobilového průmyslu již několik let pravidelně sledována a vyhodnocována. Aktuální údaje roku 2010 z hlediska kvalifikační struktury zaměstnanců v automobilovém průmyslu jsou uvedeny v následujícím obr. 7.2.1. Kvalifikační struktura zaměstnanců firem Sdružení AP - r. 2010

úplné střední odborné vzdělání s maturitou (bez vyučení) 17,07%

vysokoškolské vzdělání 7,72%

ostatní formy vzdělání 8,46%

základní vzdělání 8,21%

střední odborné vzdělání s výučním listem 49,75%

úplné střední odborné vzdělání s vyučením i maturitou 8,79%

Obr. 7.2.1

Pozitivní je, že vzdělanostní charakteristika v členských firmách Sdružení automobilového průmyslu (Sdružení AP) se postupně mění ve prospěch vyšších forem vzdělání - vysokoškolské vzdělání a úplné střední odborné vzdělání s vyučením i maturitou. Je možno naznačit, jakým směrem se bude pravděpodobně vzdělanostní struktura v automobilovém průmyslu ubírat do roku 2015 – viz obr. 7.2.2. Kvalifikační struktura zaměstnanců firem Sdružení AP - r. 2015 vysokoškolské vzdělání 8,12%

ostatní formy vzdělání 8,44%

základní vzdělání 7,31%

úplné střední odborné vzdělání s maturitou (bez vyučení) 17,08% střední odborné vzdělání s výučním listem 49,91%

úplné střední odborné vzdělání s vyučením i maturitou 9,14%

Obr. 7.2.2

Výše naznačené pravděpodobné změny v poptávce po zaměstnancích v automobilovém průmyslu sice na první pohled nesignalizují žádné revoluční změny, ale vzhledem

33


k očekávanému vývoji demografické křivky (viz obr. 7.2.3) a vývoji v systému středního školství bude obtížné zabezpečit zejména dostatek zaměstnanců se středním odborným vzděláním s výučním listem. Nacházíme se totiž v období, kdy počet žáků vstupujících do 1. ročníků středního vzdělání strmě klesá!

Obr. 7.2.3 Zdroj dat: Koucký J., Kovařovic J. - Nová rizika a nové příležitosti – Perspektivy středního vzdělávání, Středisko vzdělávací politiky PF UK, Praha, červen 2007

Lze předpokládat, že pokles počtu žáků, plynoucí z demografické křivky a aktuální poptávky na trhu středního vzdělání dopadne zejména na učební obory! Cílem zaměstnavatelů v průmyslu musí do budoucna být zvýšení prestiže technických povolání. Jednou z konkrétních akcí, kterou se tohoto cíle snaží AutoSAP dosáhnout, je každoroční propagační kampaň a webové stránky www.autanasbavi.cz. Odborné technické vzdělání s výučním listem zůstává stále velmi perspektivní i do budoucna. Automobilový průmysl usiluje o to aby studium nematuritních oborů bylo zaměřeno především prakticky. Silná poptávka, vyjádřená podílem požadovaných zaměstnanců k velikosti skupiny, bude u středního odborného vzdělání s maturitou. Rostoucí zájem je dán zejména zvyšující se komplexností výrobních i obslužných procesů, náběhem nových technologií, změnou výrobních linek, zvýšenou mírou automatizace pracovišť a slučováním jednotlivých profesí. Stejně tak inženýrské vysokoškolské vzdělání odpovídající aktuálním firemním potřebám je a stále bude na trhu práce velice žádané a nedostatkové. Nárůst vysoce kvalifikovaných profesí (výzkum, vývoj výrobků, technologií), rozvoj logistických a obchodních činností a požadavky na vysoce kvalifikovaný nižší a střední management vyvolají v budoucnu samozřejmě i výrazné zvýšení poptávky po vysokoškolském vzdělání. Pro rozvoj výzkumné základny v ČR a pro řídící funkce u výrobců je žádoucí i doktorské studium, zaměřené pro potřeby automobilového průmyslu jak na řešení dílčích problémů základního výzkumu, tak především na získání obecnějšího přehledu o problematice vozidel.

34


Neustále se zvyšující požadavky na kvalitu a rostoucí technologická náročnost s vysokým podílem automatizace budou mít už v poměrně krátkodobém časovém horizontu za následek velice významný pokles poptávky po zaměstnancích, kteří mají jen základní vzdělání.

7.2.2 Požadavky automobilového průmyslu Požadavky firem automobilového průmyslu na absolventy vycházejí z poznatků, které se týkají kvality současných absolventů s vysokoškolským a středoškolským vzděláním. K silným stránkám patří znalost a využívání informačních technologií a teoretické osvojení poznatků vlastního oboru. Rezervy zde jsou v tom, aby teoretické znalosti byly ve spolupráci s firmami přizpůsobeny praxi. Dalším krokem je zkvalitnit doplňující znalosti (ekonomické myšlení, manažerské technologie, organizace a plánování, ekologické vědomí, týmová práce, schopnost vyjadřovat své názory) a rozšířit jazykovou výuku. Na základě těchto poznatků je pak možno sestavit alespoň částečný profil absolventa, od kterého zaměstnavatelé v automobilovém průmyslu očekávají: - odbornost - teoretické a částečně i praktické osvojení poznatků vlastního oboru - ochotu dále se učit, být otevřen novým poznatkům - pracovitost a pracovní motivaci, zodpovědnost - schopnost pracovat samostatně i v týmu - flexibilitu a mobilitu - kreativitu myšlení a cit pro nové příležitosti - schopnost nést zodpovědnost, umět se rozhodovat - komunikační a prezentační dovednosti

7.2.3 Dlouhodobý záměr vzdělávání a rozvoje vzdělávací soustavy v ČR Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy připravuje v současné době tzv. „Dlouhodobý záměr vzdělávání a rozvoje vzdělávací soustavy v ČR“. Představitelé automobilového průmyslu měli možnost se s tímto materiálem seznámit. Jsou v něm identifikovány hlavní problémy a jsou navržena i možná opatření ke zlepšení. Za správné je možné považovat definování čtyř priorit, jež by měly vést k hlavnímu cíli, kterým je dosažení kvality a efektivity, podobně jako při řízení firmy. První tři priority, které si kladou za cíl zvýšení kvality mohou z našeho pohledu ovlivnit zejména opatření, za které by mělo přijmout garance MŠMT: - realizace kurikulární reformy - systém řízení kvality zavedením evaluačních mechanizmů - srovnávací testy v 5. a 9. ročnících ZŠ, maturitní zkoušky a závěrečné zkoušky - navýšení finančních prostředků - udržet kvalitní a motivované učitele Z pohledu automobilového průmyslu a zejména s ohledem na koncepci jeho rozvoje je nejvýznamnější čtvrtá priorita, kterou by měly společně ovlivňovat MŠMT a zřizovatelé škol (kraje a obce), vedoucí k optimalizaci vzdělávací nabídky. Do této kategorie patří i podpora technického vzdělání, které je současně nastavenou soustavou vzdělávání postaveno do role nechtěného dítěte. Pozitivní je přímo zmiňovaná podpora středního odborného vzdělávání, včetně „učňovského“ s důrazem na praktickou

35


uplatnitelnost absolventů. Nezbytná je i přirozená návaznost na vysokoškolské studium. Nedostatkem uvedeného materiálu je to, že se jedná o vizi bez detailnější konkretizace navrhovaných opatření, závazných termínů, finančního zajištění i to, jak opatření zakotvit v upravené legislativě. Pro její realizaci bude nutná součinnost více resortů, nejen MŠMT. Záměr neřeší soukromou část vzdělávacího sektoru. Téměř všechna navrhovaná opatření se týkají pouze státních škol. Dopad opatření na soukromé školy je malý nebo žádný. Z hlediska praktické realizace navrhovaných opatření je nutné doporučit, aby byl stanoven menší počet prioritních opatření. Tato opatření je nutné rozfázovat a určit časový harmonogram k jejich realizaci. Nejen prioritní opatření, ale celý dlouhodobý záměr by měl být v souladu se strategií konkurenceschopnosti a rozvoje průmyslu ČR. Bez jasné vize, kam se chceme ubírat, nelze přijímat opatření ve školství, které má reakční dobu 4 - 8 let. Priority, na které je nutné se zaměřit z pohledu automobilového průmyslu v „Dlouhodobém záměru vzdělávání a rozvoje vzdělávací soustavy v ČR“, vycházejí z nezbytné potřeby technicky vzdělaných absolventů, kteří budou schopni realizovat rozvoj odvětví automobilového průmyslu. Jedná se zejména o zvýšení důrazu na: výuku matematiky a přírodních věd na všech úrovních praktickou výuku na středních a vysokých školách zavedení srovnávacích testů na odborných učilištích (obdobně jako uvažované srovnávací testy žáků 5. a 9. tříd) Je třeba vytvořit podmínky pro: podporu spolupráce firem a škol přizpůsobení nabídky vzdělávání potřebám trhu práce a preferovat technické obory zakotvení povinného dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků s vazbou na motivační formu odměňování upřednostnění kvality před kvantitou při financování škol a zohlednění nákladů na výuku (diferencovaný normativ) Připomínky AutoSAP k Dlouhodobému záměru vzdělávání a rozvoje vzdělávací soustavy ČR 2011 byly dle vyjádření MŠMT v převážné míře akceptovány a zapracovány do textu materiálu. Dlouhodobý záměr byl 30. března 2011 zaslán vládě ČR ke schválení.

8. Vlastní návrh globální strategie v automobilovém průmyslu Jak bylo uvedeno již v části 4, jsou cíle EU založeny jak na objektivní technicky a ekonomicky založené nutnosti, tak i na politicky motivovaných záměrech, spočívajících na očekávaných společenských prioritách. Pro národní výzkumnou strategii byla proto provedena analýza světového i evropského vývoje a její výsledky aplikovány do

36


specifických podmínek ČR, orientované na vývoz výrobků automobilového průmyslu v globálním měřítku, a to při splnění všech očekávaných požadavků EU. Globálně vyžaduje dlouhodobá udržitelnost automobilové mobility, zajišťované individuální i veřejnou dopravou, snížení energetické spotřeby (závislosti na fosilních palivech) a emisí skleníkových plynů, a to pomocí inovací konstrukce vozidel i dopravní infrastruktury, dále zlepšení bezpečnosti a pohodlí (stárnoucí populace), věrší specializace vozidel podle jeich použití (podstatné nároky na vlastnosti vozidla pro městskou nebo dálkovou dopravu) a konečně konkurenceschopnosti výrobků na rozvojových trzích. V neposlední řadě je nutno paralelně rozvíjet prostředky individuální a hromadné mobility. Celou problematiku shrnula paralelně s předkládanou SVA vytvářená a v březnu 2011 schválená Bílá kniha Roadmap to Single European Transport Area – Towards a competitive and resource efficient transport system COM(2011) 144 final, z jejichž zdrojů pocházejí dále uváděné citace (např. společenské cíle dle obr. 8.1.4., které mimochodem vznikly lineární interpolací mezi cíli pro léta 2050+ a současným stavem). Na rozdíl od výrobkově orientované SVA jsou však cílové parametry uváděny jako integrální výsledek inovací vozidel, infrastrukturních opatření ve stavbě silnic i energetických sítí a konečně dopravní telematiky a logistiky. Analýza přesahuje tedy výrobkovou oblast a bere v úvahu i socioekonomické faktory, jako je stárnutí populace a pokračující urbanizace Evropy. Kromě zaměření na samotnou Evropu byl při zpracování SVA pečlivě sledován očekávaný vývoj v rozvíjejících se ekonomikách, jako Čína, Indie, Brazílie a další země ve východní Asii. Vývoj zatím co do norem životního prostředí i bezpečnosti kopíruje se zpožděním vývoj rozvinutých zemí. Není možné vyloučit rezignaci na některé normy (např. připuštění značného množství lehkých vozidel s alternativním, např. elektrickým pohonem, homologovaných v Evropě jako čtyřkolky, nikoli vozidla M1). I když tento vývoj není slučitelný s rigidní evropskou orientací na maximální bezpečnost a přívětivost k životnímu prostředí, je mu v dalším věnována též pozornost s ohledem na konkurenceschopnost českého automobilového průmyslu. Automobilní výrobci (včetně dodavatelů příslušenství 2. a 3. pořadí) pokrývají 20% průmyslové produkce a 22% celkového exportu. Tvoří tak nejdůležitější a současně i vysoce kvalifikované odvětví průmyslu v ČR, významně přispívající i k zaměstnanosti. Roční růst produkce je navzdory předcházející recesi velmi rychlý. Tyto výsledky nejsou založeny jen na montovnách s nízkou přidanou hodnotou výrobků, ale na VaV s vysokou úrovní, což se odráží i v rostoucím počtu společností umístěných v ČR a zaměřených na VaV a inženýrské služby. Současná a relativně stabilizovaná výrobní základna zahrnuje výrobu osobních automobilů, autobusů a traktorů i motorů pro mimovozidlové použití a jejich příslušentsví, v malé míře i motocyklů. Z provedené analýzy vyplynuly pro SVA následující kvantifikované požadavky na konstrukci vozidel do r. 2030 •

Pokles emisí CO2 o 20% do roku 2030 pod úroveň roku 2008 dle COM(2011) 112 vyžaduje pokles o 5% za každých 5 let. To je z části zajistitelné inovacemi

37


•

hnacích jednotek s klasickými motory a snižováním hmotnosti vozidel, z větší části však zavedením alternativních paliv s recyklovaným uhlíkem a elektrifikací vozidel se současným snižováním emisí CO2 při výrobě elektrické energie. K poklesu spotřeby paliv s fosilním uhlíkem vede i zlepšené řízení vozidel samotných i vozidel v dopravním proudu. Jako cíl pak pro alternativní paliva vyplývá snížení spotřeby fosilního uhlíku o 50% do r. 2030, u elektromobilů s uvážením evropského mixu pro výrobu elektrické energie taktéž 50%. Pro bezpečnost je nutné využít vedle pasivních i aktivních prvků a konceptu integrované bezpečnosti, vázané na infrastrukturu. Číselné údaje dle obr. 8.1.4 zde však není možné dělit, neboť ani neexistují jednotná data pro stanovení míry zavinění fatálních důsledků nehod.

Nová uspořádání a konstrukce vozidel vyžadují včasné posouzení inovativních koncepcí a následně krátkou dobu do zavedení proveditelných konfigurací na trh. Výzkumné cíle jsou zaměřeny na konstrukci vozidel, hnacích jednotek a prvotních výkonových zdrojů pro snížení spotřeby fosilních paliv a emisí CO2 - o 5% u vozidel se spalovacími motory a nejméně o 50% pro spalovací motory na obnovitelná paliva nebo elektromobily (ve smyslu WTW), na emisní parametry (EURO 6+), na maximální bezpečnost, pohodlí a rozkoš z jízdy pro zákazníky různého věku a zvyklostí, na pružné přizpůsobení proměnlivým požadavkům a na konkurenceschopnost i na rozvojových trzích. V souladu s budoucími potřebami průmyslových partnerů jsou dílčí cíle orientovány na další zvyšování kompaktnosti hnacích jednotek, lehkou stavbu, použití alternativních paliv obnovitelných i nekonvenčních pro spalovací motory i elektrické pohony včetně hybridních, integrované prediktivní a adaptivní řízení vozidel, větší podíl informačních technologií v levných vozech a zlepšenou bezpečnost vozidel. Důsledkem integrálních cílů je i nutnost integrálně reagovat a využívay synergii mezi jednotlivými inovačními kroky. Proto v dalším textu nebylo možné vyloučit překryvy a duplicity. Je to zvláště patrné na přesahu kapitol 8.5 a 8.6., případně 8.1, 8.3 a 8.8. Ponechání duplicit se během zpracování SVA ukázalo naopak jako nutné pro zdůraznění přesahů a synergií. Základní priority byly však stanoveny tak, aby navazující Implementační akční plán tyto duplicity neobsahoval. Pro tyto požadavky neexistují jednoznačná řešení a strategie tudíž nemůže vytýčit pouze jednu zaručenou cestu k cíli. Známé způsoby se musí kombinovat s inovativními řešeními. Celý systém se musí integrovat pomocí pružného řízení dynamických systémů přizpůsobeného novým podmínkám. Tato situace vyžaduje holistický přístup k vozidlu jakožto systému založenému na strojnictví, elektrotechnice a řízení, chemii a materiálovém inženýrství. Základem rychlého a účinného řešení těchto problémů je simultánní inženýrství, založené na integrovaném použití modelování simulacemi a experimenty spojenými se systematickým využitím předešlých zkušeností zachovaných ve znalostních databázích. Simultánní inženýrství zajišťuje obě větve známé V-křivky ve VaV výrobku, počínaje od

38


obecné studie koncepce ke stále detailnější konstrukci dílů a konče spojováním součástí do oživeného celku připraveného pro výrobu. Proto je dalším cílem vytváření VaV nástrojů (metod simulace o různé úrovni i experimentů a metod ukládání dat i znalostí), jejich ověřování při krátkodobě orientovaném experimentálním vývoji, přinášejícím kromě toho okamžitě realizace výrobků, a jejich aplikace pro strategický aplikovaný výzkum inovativních konceptů. Společná báze dat a znalostí podporuje hladké propojení mezi odborníky zmíněných vědeckých oblastí, zejména mechaniky, termodynamiky, trakční elektrotechniky, řízení, sdělovacích a informačních technologií, mikroelektroniky, mechatroniky a dopravního inženýrství.

39


8.1 Hnací jednotka a paliva 8.1.1 Základní pojmy Před uvedením vlastních východisek z hlediska globálního, evropského i národního pro stanovení témat SVA je vhodné rekapitulovat definice použitých pojmů a jejich souvislosti, které nejsou vždy obecně známy. Velmi často se totiž nerespektuje rozdíl mezi nosičem energie (energií uloženou na vozidle) a jejím primárním zdrojem (utvořeným v době vzniku vesmíru – jaderné zdroje, vytvořeným během vývoje Země v dřívějších geologických dobách – fosilním, obnovitelným v různých časových měřítkách – biomasa s různou dobou růstu, voda, vítr, sluneční záření atp.). Často se zapomíná na energetické nároky výroby a distribuce samotného nosiče až po jeho uložení do zásobníku na vozidle – [8.1.1], tedy hodnocení WTW nebo TTW. Při hodnocení účinnosti výroby nosičů energie a jejich distribuci se nebere v úvahu, že transformace energií je proces, jehož účinnost závisí na průběhu této přeměny a jejím řízení, nikoli jen na typu a množství výchozí energie (např. stav nabití elektrické akumulátorové baterie závisí na nabíjecím výkonu při stejném množství výchozí energie). Dále se často zaměňují zdraví škodlivé emise, působící více či méně lokálně na okolí vozidel v místech jejich provozu, a emise skleníkových plynů, které bez ohledu na místo vzniku přispívají (v dosud ne úplně jasné míře) ke globálnímu oteplování. Konečně při hodnocení účinnosti využití energie uložené ve vozidle, jejíž transformace na trakční práci potřebnou k ujetí určité vzdálenosti s určitým užitečným nákladem opět silně závisí na způsobu jízdy, obsahujícím v různé míře neustálené režimy. Přitom podstatně záleží na pohotovostní hmotnosti vozidla, která je současnými inovativními koncepty většinou nezanedbatelně zvyšována (větší a těžší vozidla, akumulátorové elektromobily, hybridy s různou měrou akumulace trakční práce, vozidla o vysoké pasivní bezpečnosti atp.) a naopak ji lze redukovat pomocí lehkých konstrukcí s využitím lehkých a vysokopevnostních materiálů. Zde se ukazuje vzájemná vazba mezi energetickou účinností a materiálovou i výrobně-technologickou náročností. Pro objektivní srovnání účinnosti využití energie je nutno definovat reprezentativní jízdní režimy (jízdní testy), pomocí nichž se pak porovnává konvenční (ne skutečná) účinnost vozidla integrálně. Energie je veličina, přeměnitelná v práci nebo sdílené teplo, která závisí pouze na stavu svého nosiče, je tedy měřitelná v každém okamžiku na základě stavu nosiče (např. teploty, elektrického náboje atp.). Práce (včetně elektrické práce) nebo sdílené teplo představují veličiny měřitelné při změně stavu, během níž se mění energie, tedy měřitelné pouze během konkrétního procesu a závisející na průběhu stavů během této změny. Palivem se míní obecně nosič na vozidle snadno akumulovatelné energie (nejčastěji je to chemická energie vyhodnotitelná jako volná entalpie pro elektrochemické změny nebo zhruba jako výhřevnost paliva pro uvolnění entalpie spalováním, může to být i elektrická energie v ultrakapacitoru).

40


Části inovativních hnacích jednotek vozidel Spalovací motor (Internal Combustion Engine, ICE) transformuje chemickou energii paliva na mechanickou trakční práci prostřednictvím oxidace paliva (uvolněním tepelné energie, entalpie) a její přeměnou na mechanickou práci prostřednictvím souboru termodynamických změn. Palivový článek (Fuel Cell, FC) transformuje chemickou energii paliva prostřednictvím jeho oxidace na elektrickou energii (často za nízkých teplot, zejména v případě článků s protonově propustnou membránou, Proton Exchange Membrane, PEM) a vyžaduje tedy další mezičlánek, elektromotor, s příslušným řídicím systémem. Akumulátor zahrnuje prostředek uložení vhodné energie, nejen elektrické nebo elektrochemické, ale i tlakové energie (plynové nebo pneumaticko-hydraulické akumulátory) nebo kinetické energie (setrvačníkové akumulátory) atp. Všechny akumulátory vyžadují pro své nabíjení a vybíjení elektrické, pneumatické nebo hydraulické generátory/motory a potřebné převody s řídicími systémy. Převodem se míní mechanický nebo hydraulický systém, měnící případně točivý moment a otáčky mezi svým vstupem (případně vstupy, tj. spalovacím/i motorem/y, dalšími motory a elektromotorem/y) a výstupem/y trakční práce na kola vozidla a případně výstupy pro akumulaci prostřednictvím generátoru/ů. Hnací jednotka obsahuje z hlediska této studie zásobník chemické energie nebo akumulátor energie na vozidle a členy řetězce pro transformaci této energie v trakční práci na kolech vozidla, vše včetně řídicího systému (ŘS). Typicky např. může jít o řetězce jako: zásobník chemické energie v kapalném palivu (nádrž) ⇒ spalovací motor a ŘS ⇒ mechanická řaditelná převodovka se spojkou(-ami) a ŘS ⇒ rozvodovka a diferenciál ⇒ kloubové hřídele ⇒ kola nebo zásobník chemické energie ve zkapalněném vodíku a ŘS ⇒ palivový článek a ŘS ⇒ elektromotor a ŘS ⇒ mechanická převodovka ⇒ kolo. Hybridní hnací jednotkou (hybridem) se míní vozidlo vybavené • nejméně dvěma nezávislými zásobníky energií, kterou je hnací jednotka schopna transformovat do trakční práce; • nejméně jeden ze zásobníků může být nabíjen (energie v něm obnovována) během jízdy vozidla. Podle vzájemného poměru energetického obsahu obou typů zásobníků je možno rozlišit hybridy – obr. 8.1.1 - s výkonovou převahou spalovacího motoru (startér-generátor nebo start-stop a mild hybrid), plnocenné hybridy (strong nebo full hybrid s možností pohánět vozidlo jen elektromotorem) až po hybridy s převahou obnovovaného zásobníku (hybridy s prodlužovačem dojezdu – range extender a zástrčkové hybridy nabíjené před jízdou – plug-in hybrid, které již mají blízko k čistým akumulátorovým vozidlům (e-vehicle). Další pojmy v obrázku 8.1.1 (WTW účinnost, sériový nebo paralelní hybrid atd.) jsou vysvětleny dále.

41


ICE

hybrid with power splitting parallel hybrid ← mild hybrid ←mechanical electrical→

serial hybrid plug-in hybrids→ range extender→

0%

e-vehicles

TTW efficiency

100 % share of renewable accumulated energy on the total power Obr. 8.1.1 Rozdělení hybridů a srovnání jejich účinnosti

Podle cesty transformace energií se pak rozlišují sériové hybridy s nevětvenou cestou transformace, např. sériový elektrický hybrid: spalovací motor → elektrický generátor → řídicí systém nabíjení → elektrický akumulátor ↔ řídicí systém vybíjení ↔ elektromotor-generátor ↔ převod ↔ kola vozidla a hybridy paralelní s různě větvenou cestou, kde se výkon více zdrojů práce směšuje za různě ovlivňovaných otáček v převodu hnací jednotky. Typický jednoduchý elektrický paralelní hybrid představuje zásobník paliva → spalovací motor akumulátor ↔ řídicí systém

→ ╕ ╞ generátor/elektromotor ↔ převod ↔ kola ↔ ╛

Kombinace výkonů na převodu probíhá v tomto případě za jednoznačně vázaných otáček v obou větvích. Rozdělením točivých elektrických strojů v tomto schématu a přidáním vypínatelné spojky mezi ně vznikne kombinované sérioparalelní uspořádání. Aplikace těchto částí i celků hnacích jednotek bude popsána v kapitole o světovém stavu vývoje spolu s příklady jejich možných provedení. Energetická náročnost provozu vozidla a její vyhodnocování Kromě inovativních konceptů vozidel je velmi důležité správně definovat energetické náročnosti (spotřeby), resp. účinnosti vozidla. Jak bylo uvedeno výše, je nutno vyhodnocovat spotřebu energie a produkci nežádoucích emisí na požadovaný efekt přepravy, tedy počet dopravených osob na určitou vzdálenost u osobních vozidel nebo hmotnost přepraveného nákladu na určitou vzdálenost u nákladních vozidel. U osobních automobilů se předpokládá průměrně špatné obsazení a bez ohledu na velikost vozidla se proto vyhodnocuje spotřeba na ujetou dráhu,

42


a to v definované posloupnosti jízdních režimů, dané rychlostí vozidla v závislosti na čase. Hmotnost (tíhu a setrvačnost se zahrnutím všech pohybujících se částí), provedení pneumatik (valivý odpor) a rozměry (aerodynamický odpor) konkrétního vozidla je nutno zahrnout do okrajových podmínek zkoušky. Samotná spotřeba paliva musí být převedena na srovnatelnou základnu. Obvyklé údaje v objemu nebo hmotnosti paliva jsou srovnatelné jen u ropných paliv, jejichž energetický obsah je ve výhřevnosti skoro stejný, v objemové výhřevnosti je také ještě srovnatelný, byť nezanedbatelně horší u lehkých paliv ve srovnání s motorovou naftou. Proto se používá přímo energetický ekvivalent spotřebovaného paliva, v MJ nebo raději s ohledem na elektromobily a hybridy v kWh (1 kWh=3,6 MJ, 1 dm3 nafty = 9,8 kWh, u benzinu asi o 5 % méně podle jeho hustoty), a to vztažený na ujetou dráhu v km (osobní automobily), na osoba.km nebo t.km podle výše uvedených důvodů. Tytéž zásady se týkají emisí všech škodlivin. Ze skleníkových plynů (Green House Gases, GHG) je nejobvyklejší oxid uhličitý CO2, jehož produkce je svázána se spotřebou a obsahem uhlíku v použitém palivu. Tato vazba je jednoznačná až na případy použití biopaliv, z nichž uvolněný CO2 je recyklován v krátkém čase, takže se do emisí GHG nezahrnuje. Kromě toho mohou být emitovány další skleníkové plyny z hlediska skleníkového efektu obvykle mnohem nebezpečnější než CO2, jako nespálený metan u motorů na zemní plyn nebo oxid dusný N2O. Vyhodnocuje se proto ekvivalent CO2. U ropných derivátů je zapotřebí počítat s cca 75 g CO2/MJ výhřevnosti paliva, takže i u nižší střední třídy vozidel – obr. 8.1.2 přesahují emise CO2 130 g/km, požadovaných EU pro rok 2013. Koncepcí vozidla samotného je možno ovlivnit spotřebu energie z akumulátoru (zásobníku paliva) na trakční práci (resp. jí nepřímo úměrnou účinnost transformace energie z akumulátoru na trakční práci), kterou je nutno vyhodnotit v testu simulujícím reálný provoz vozidla. Tato spotřeba energie se označuje jako tank-to-wheels, TTW. Je podstatně závislá na vhodnosti akumulované energie pro její transformaci. U chemické energie pro spalování jde vždy o podstatně horší druh energie než u elektrochemických nebo dokonce elektrických zásobníků. Proto není možné posuzovat kvalitu transformace srovnáním číselných údajů bez uvážení druhu energie akumulované v zásobníku. Na druhé straně je pro posuzování různých koncepcí vozidel znalost spotřeby TTW důležitá, neboť umožňuje určit hmotnost a objem zásobníku při požadovaném dojezdu. Vliv testovacího jízdního cyklu na energetické spotřebě TTW ukazuje obr. 8.1.5 v často používaném, i když dnes často z hlediska blízkosti k reálné jízdě kritizovaném „novém“ evropském testovacím cyklu pro osobní automobily (NEDC). Výsledky jsou rozděleny do městské části (UDC) a mimoměstské silniční části (EUDC). Z obrázku lze vyčíst různé chování hnacích jednotek, jejichž účinnost s výkonem spíše roste (zejména zážehový nepřeplňovaný motor FSi, méně zážehový přeplňovaný motor T, nejméně přeplňovaný vznětový spalovací motor TDi, ICE) nebo klesá (palivové články PEM, PEM FC). Rovněž je zřejmý přínos rekuperace brzdné práce u různých hybridů.

43


Obr. 8.1.2 Energetická spotřeba TTW pro různé hnací jednotky osobního vozidla nižší střední třídy v městské (UDC) a mimoměstské části (EUDC) i celková spotřeba v testu NEDC. Vyznačeny jspu typické spotřeby v kWh/100 km pro vozidlo se vznětovým motorem (spotřeba paliva mírně pod 5 dm3/100 km) a pro elektrické vozidlo s rekuperací. Samotná spotřeba trakční práce na kolech pro toto vozidlo a NEDC (celková ujetá vzdálenost v testu je 11 km) je cca 10 kWh/100 km.

Pro posouzení vhodnosti paliva z hlediska jeho uložení na vozidle se zmíněným dopadem na jeho rozměry a hmotnost je zapotřebí brát v úvahu o měrnou energii v zásobníku paliva včetně jeho vlastní hmotnosti (MJ/kg resp. kWh/kg) – ovlivňuje při daném dojezdu pohotovostní hmotnost vozidla; pro srovnávání různých hnacích jednotek je však nutno vzít v úvahu i TTW účinnost transformace energie na trakční práci, která se velmi liší pro vozidla se spalovacími motory nebo elektrickými akumulátory a ovlivnění spotřeby trakční práce konstrukcí vozidla - viz též obr. 8.1.5; o hustotu energie v zásobníku paliva včetně jeho vlastního objemu (MJ/dm3 resp. kWh/ dm3) – ovlivňuje při daném dojezdu rozměry a vnitřní prostor vozidla. Až spojením měrné energie nebo hustoty energie v zásobníku s TTW účinností jejího využití lze hodnotit vliv koncepce hnací jednotky na konstrukci vozidla. Celé posouzení má tedy nutně iterační charakter. Měrné akumulované energie ukazuje obr. 8.1.3. Vlivem započtení účinnosti TTW se výhodnost fosilních paliv snižuje podstatně proti deklarovanému obsahu chemické energie (9,8 kWh/dm3 resp. 12 kWh/kg pro naftu, 9,3 kWh/dm3 resp. 11,9 kWh/kg pro benzin), ale i se započtením vyšší účinnosti TTW pro elektromobily je značný rozdíl jasný. U akumulátorů je uveden i odhad možných dosažitelných parametrů v budoucnosti.

44


Obr. 8.1.3 Měrná energie akumulovaná na vozidle se započtením účinnosti TTW pro osobní vozidlo nižší střední třídy v NEDC testu.

Konečně je nutno vyhodnotit účinnost výroby paliva z primárního zdroje energie dostupného na Zemi (účinnost well-to-tank, WTT). U fosilních paliv je vysoká, u syntetických paliv (např. vodík) může být velmi nízká. Závisí na primárním zdroji, který se považuje za relevantní v daných podmínkách. Např. u elektrické energie se bere v úvahu průměrné zastoupení různých elektráren v dané oblasti a jejich účinnost vztažená na zpracování primárního zdroje energie. Tento přístup není zatím úplně dokončen pro srovnání některých obnovitelných zdrojů (vítr, sluneční záření), kde v roli vynaložených zdrojů jde spíše o neenergetické veličiny (zastavěná plocha atp.). Účinnosti WTT a TTW se často spojují do výsledné účinnosti well-to-wheels, WTW, která – až na zmíněná specifika některých obnovitelných zdrojů – ukazuje celkový dopad provozu vozidla posuzované koncepce.

8.1.2 Světový vývoj v oblasti hnacích jednotek Hlavními faktory vývoje vozidel v globálním měřítku jsou společenské potřeby, ovlivňující poptávku na trhu, zaměstnanost v sektoru dopravy a širší důsledky pro životní prostředí, odrážené regulačně-legislativními akcemi států a nadnárodních uskupení (jako EU nebo OSN). Mezi nejvýznamnější aktuální společenské potřeby pro trvale udržitelnou mobilitu patří dle evropských dokumentů [8.1.6, 8.1.7, 8.1.8] a rozpracovaných materiálů strategie ERTRAC [8.1.9, 8.1.10, 8.1.11] hlavní společenské výzvy (grand societal challenges): o dekarbonizace emisí z dopravy, tedy omezení emisí nevratně uvolňovaného CO2 o bezpečnost dopravy a odolnost proti teroristickým útokům o spolehlivost dopravy

45


o konkurenceschopnost evropského průmyslu v globálním měřítku Hlavní, velmi ambiciózní cíle pro rok 2030 podle politického rozhodnutí na úrovni EU ukazuje obr. 8.1.4.

Obr. 8.1.4 Hlavní cíle podle EU pro rok 2030 – [8.1.9]

Z hlediska dalšího vývoje hnacích jednotek jde o přiřazení faktorů, ovlivnitelných jejich konstrukcí, k těmto výzvám a cílům. Dekarbonizace – snížení emisí CO2 – a snížení energetické náročnosti vozidel Účinnost pohonů a použití obnovitelných zdrojů energie je obsažena implicitně v dekarbonizaci a zmenšení energetické závislosti na dodávkách energetických surovin z politicky špatně predikovatelných oblastí. Druhý důvod je zřejmě srozumitelnější a lépe opodstatněný než první. Příklad TTW účinností [8.1.5, 8.1.4] včetně vlivu na spotřebu trakční práce u dané koncepce hnací jednotky uvádí obr. 8.1.5 (motory se zdvihovým objemem, T ... turbodmychadlo, D ... vznětový motor, down ... motor přizpůsobený velikostí maximálnímu požadovanému výkonu podle jízdních režimů testu, 2x ... motor rozdělený na dvě samostatně zapojitelné jednotky, H2ICE ... spalovací motor na vodík, PEMFC ... nízkoteplotní palivový článek s protonovou dělicí membránou, ELV ... akumulátorový elektromobil). Hybridizace je počítána pouze s využitím výkonu, rekuperovatelného během testovaného jízdního cyklu, a to včetně účinností nabíjení a vybíjení akumulátoru energie.

46


Obr. 8.1.5 TTW účinnosti pro osobní vozidlo nižší střední třídy v testu NEDC – [8.1.5]

Vzhledem k tomu, že u ropných derivátů je nutno počítat s produkcí cca 75 g CO2/MJ v palivu, je zřejmé, že splnění cílů nárokuje další vývoj v oblasti motorů samotných i celých hnacích jednotek, jak znázorňuje obr. 8.1.4, i když u něho jde o komplex opatření včetně lepší organizace dopravy (zmírnění dopadu nedostatečné kapacity silnic na plynulost provozu, logistika nákladní dopravy, sdílení vozidel a přechod k hromadné a kombinované hromadné/individuální dopravě u osobní dopravy). Srovnání dosažitelných emisí CO2 u autobusů a elektrobusů s hodnotami u osobních automobilů (požadavek snížení z očekávaných 120 g CO2/km pro rok 2012 na 90 g CO2/km pro léta po 2015 na cestujícího) ukazuje obr. 8.1.6. U ropných derivátů je nutno počítat (bez přídavku biopaliv) s cca 75 g CO2/MJ, u zemního plynu je situace lepší, jde o cca 60 g CO2/MJ. Při těchto úvahách není možné zapomenout na další snížení zdraví škodlivých emisí, vyžadovaných podle předpokládaného zpřísnění limitů pro EURO 6. Splnění EURO 6 znamená dodatečné energetické nároky, plynoucí přímo z provozu zařízení na odstranění škodlivých složek emisí, jako např. selektivní katalytická redukce nebo absorbéry NOx pro chudé směsi vznětových nebo některých pokročilých zážehových motorů, případně pokles účinnosti při regulaci zážehového motoru na stechiometrickou směs s jinak velmi účinným trojcestným katalyzátorem. U všech pístových spalovacích motorů existuje možnost jejich využití mimo silniční vozidla – jednak jako motory terénních vozidel, zemědělské a lesnické mechanizace, dále jako motory pro distribuovanou energetiku, zejména kogenerační výrobu elektřiny a tepla, a konečně velmi účinné motory pro malá letadla. Tato studie bere v úvahu i mimovozidlová využití automobilových motorů.

47


Obr. 8.1.6 Porovnání emisí CO2 na osobu a km pro osobní vozidla a autobusy/elektrobusy dle stavu 2008 [8.1.15]

Spalovací motory V oblasti motorů se využívají cesty, z nichž některé jsou znázorněny na obr. 8.1.2, zejména přechod na motory účinnější v celém rozsahu provozních režimů. Jde o motory v každém případě přeplňované, a to pro redukci relativního podílu fixních ztrát ze sdílení tepla do chlazených stěn pracovního prostoru. Účinné motory jsou přizpůsobené svou velikostí požadovanému výkonu, a to pomocí širokého rozsahu regulace výkonu přeplňováním nebo dokonce deaktivací vybraných válců. Zajímavými se stávají motory s malým počtem větších válců (3, 2 a pravděpodobně i 1 válec), vhodné ve spojení s přeplňováním k pohonu malých vozidel a jako prodlužovače dojezdu zástrčkových hybridních vozidel. Přeplňování se realizuje turbodmychadly se stále rostoucí účinností, vybavených téměř bezeztrátovou regulací plnicího tlaku, a to zejména s variabilní geometrií turbiny. Z důvodů regulace i pro dosažení extrémních plnicích tlaků se rozšiřuje použití dvoustupňových plnicích skupin v sériovém i paralelním zapojení s mezichlazením stlačovaného vzduchu a kombinovaných spojení s mechanicky hnaným kompresorem a turbodmychadlem včetně elektrické podpory turbodmychadla elektromotorem integrovaným do rotoru turbodmychadla. Tyto kombinace mají značný význam i pro urychlení přechodových procesů. Výhledově se s rostoucí účinností turbodmychadel může uplatnit i čas od času opakovaně zkoušená výkonová spalovací turbina, rekuperující jinak nevyužitelnou energii výfukových plynů na hřídel motoru, a to nejlépe prostřednictvím elektrického přenosu výkonu. Přeplňování se v současné době intenzivně rozšiřuje i na motory zážehové, kde vznikají další specifické problémy s potlačováním detonací (adaptivní regulace předstihu zážehu, řízení efektivního kompresního poměru např. prostřednictvím časování sacího ventilu atp.) a s velmi vysokými teplotami výfukových plynů na turbině, způsobující nízkocyklovou únavu dílů a ovlivňující systém řízení plnicího tlaku. Požadavky na

48


dokonalejší spalování směsi paliva a vzduchu, na další snižování škodlivých emisí, hlavně zavedením systému stop-start a přeplňování, se odráží ve zvýšených nárocích na zapalovací systémy i zapalovací svíčky. Zde již ukazuje cestu výzkum plynových motorů na chudé směsi. Zapalovací systémy pracují s vyšším napětím až 40kV a musí být připraveny dodávat energii již po poměrně malém úhlovém pootočení klikového hřídele, případně opakovaně. To zabezpečuje pulzní nabíjení zapalovacího systému a snímače otáčení a polohy s okamžitou reakcí. Pro zabezpečení stálé elektrodové vzdálenosti a tvaru jiskřiště se budou používat zapalovací svíčky s elektrodami z ušlechtilých kovů, jako je platina a iridium. Elektrody budou mít tvar, který minimálně brání plynulému šíření čela plamene po zapálení, nezvyšuje požadavek zapalovací svíčky na napětí dodávané zapalovacím systémem a omezují odebírání tepla do elektrod při studených startech. Běžné parametry u vznětových motorů představují již nejméně čtyřnásobné zvýšení výkonu proti nepřeplňované verzi, tedy plnicí tlaky přes 4 bar, střední užitečné tlaky přes 22 bar (do 25 – 30 bar), spalovací tlaky pak kolem 250 bar a střední pístové rychlosti stále mezi 10 – 14 m/s. U zážehových motorů jsou plnicí tlaky nižší – do 3 bar, střední užitečné tlaky kolem 20 bar a maximální tlaky kolem 150 bar. Dalším opakovaně zkoumaným objektem jsou motory dvoudobé, a to převážně vznětové. Dvoudobý proces představuje sám o sobě významně vyšší koncentraci výkonu. Pokročilé způsoby spalování, vyžadující řízenou vnitřní recirkulaci výfukových plynů, se u nich zajišťují zcela přirozeným způsobem. Na druhé straně není možná přímá rekuperace nevyužité energie po nedokonalé expanzi, neboť tu neexistuje příležitost konat nebo odebírat práci během výměny náplně válce jako u motorů čtyřdobých. Z hlediska spalování jde o motory pracující s nízkou teplotou plamene, avšak s dostatečnou rychlostí spalování, danou šířením plamene z mnoha ohnisek, obvykle po vznětu (HCCI, PCCI atp.). Obvykle je pro nízké teploty při spalování směs zředěna plynem, pro spalování nevyužitým, tedy jak nadbytečným vzduchem, tak recirkulovanými spalinami. Nízká teplota plamene omezuje nejen primární tvorbu oxidu dusnatého NO, ale i tvorbu sazí, jejichž dodatečné spalování vede k dalšímu zvýšení tvorby NO. Nízkoteplotní spalování vyžadují koordinaci řízení vstřikovacích/směšovacích zařízení spolu se zapalováním (jen u zážehových motorů), plnicích agregátů (turbodmychadel, kompresorů) včetně okruhu EGR a zařízení pro zneškodňování spalin. Vývoj přímovstřikových zařízení pro vznětové a zážehové motory i pro kombinované HCCI/PCCI spalování je velmi bouřlivý. Vede k možnosti podrobně ovládat jak časování jednotlivých fází výstřiku, tak další parametry ovlivňující rozprášení palivového paprsku (průměr a počet vstřikovacích otvůrků nebo obecně velikost nejmenšího průřezu trysky, tlak před tryskou v závislosti na čase v průběhu výstřiku atp.). Konstrukce vstřikovacího zařízení bude reagovat i na vlastnosti alternativních paliv, a to u pokročilejších konstrukcí adaptivně. Běžně lze ovládat až 7 dílčích vstřikovaných dávek, což přináší velkou pružnost v přizpůsobení provozním podmínkám, ale i velké nároky na kalibraci řídicího systému. I při řízení tvorby směsi se stále více objevují systémy se zpětnou vazbou, nespoléhající jen na předem zadané tabulky optimálního seřízení. Kromě vlastního vstřikovacího zařízení je nutné sladit s požadavky spalování i pohyb a míšení vzduchu a paliva ve válci, obvykle působením na průtok sacím traktem a ventily, např. přepínáním kanálů s různými

49


aerodynamickými účinky pro různá zatížení motoru. Lze měnit časování i zdvih ventilů, případně doplnit usměrnění proudu škrticími klapkami. Samostatnou kapitolou je palivová pružnost motoru s ohledem na alternativní paliva. V současné době dávají výrobci přednost motorům určeným k použití určitého paliva, jehož vlastnosti jsou přesně definovány normami, případně s možností přepínání obdobných paliv (např. benzin/LPG u zážehových motorů). V případě paliv s odlišnějšími vlastnostmi (např. zemní plyn/benzin u zážehových motorů, zemní plyn zapalovaný vstřikem nafty/nafta u vznětových motorů) je schopnost provozu na dvojí palivo obvykle kompenzována kompromisním seřízením, snižujícím účinnost motoru při provozu na obojí palivo. O odstranění této nevýhody se v současnosti vedou diskuse s paliváři. Adaptivita a provozní optimalizace seřízení motoru podle kvality paliva se již vyvíjí pro plynové motory v reakci na kolísavou kvalitu zemního plynu v Evropě, dodávaného z různých nalezišť, případně míšeného s bioplynem a LPG. Při větším uplatňování biopalivových přídavků lze očekávat, že po větší palivové pružnosti vznikne poptávka. V každém případě mají současné motory se svým řízeným příslušenstvím již dostatek stupňů volnosti k optimálnímu seřízení reagujícímu na vlastnosti paliva v provozu. V souvislosti se zvyšováním podílu biosložek v běžných palivech i požadavcích zákazníků na použití nových směsných paliv je žádoucí zabývat se přestavbou (retrofity) starších motorů větší životnosti pro akceptování těchto paliv. Uvedená opatření mohou značně zvýšit cenu motoru, zejména u tradičně dražších, byť účinnějších vznětových motorů. S ohledem na konkurenceschopnost se proto stále udržuje i vývoj zážehových motorů, jejichž cena se sofistikovanými přímovstřikovými systémy ovšem též roste. Hranice ceny je dána do značné míry legislativními požadavky na emise i spotřebu paliva, které by však měly platit v obdobné míře globálně. Pokud by vznikly normy, vázané na parametry dosažitelné u elektrických vozidel, znamenalo by to pro další vývoj spalovacích motorů veliký impuls, neboť srovnávací cenová úroveň by podstatně narostla. Lze předpokládat, že srovnatelných parametrů by se dosáhlo i se spalovacími motory a pokročilým ošetřením spalin. U nových trhů v rozvojových zemích nebývá vždy možné zajistit prodejnost těchto pokročilých řešení s ohledem na tolerantnější legislativu, takže ve výrobě se vyskytují i levnější provedení, určená pro tyto méně náročné trhy. I v této oblasti je však žádoucí pokračovat ve vývoji, neboť nové řídicí jednotky a do jisté míry i nové ovladače mohou přinášet zlepšení, která byla v době vývoje původního motoru nedostupná. Obecně je perspektivní dokonalá řešení kontinuálně zjednodušovat a zlevňovat pro méně náročné trhy. Lpění na zastaralých řešeních prodejných po omezenou dobu se může v dlouhodobé perspektivě vymstít, neboť jejich počáteční konkurenceschopnost rychle klesá. Kromě toho se ukazuje, že ze zjednodušených a levnějších provedení mohou profitovat i rozvinuté trhy. Kromě vozidlového použití se zejména s dostupností alternativních plynných paliv šíří i použití spalovacích motorů v distribuované energetice (kogeneraci elektřiny a tepla). Budoucnost mají i paliva z biomasy a odpadu, zejména generátorové (pyrolýzní) plyny. V leteckých motorech se provádí intenzivní výzkum použití vysoce přeplňovaných vznětových motorů a dvoudobých motorů.

50


Elektrické hnací jednotky a ukládání elektrické energie na vozidle Pro elektrické pohony se používají s úspěchem elektromotory indukční (asynchronní), synchronní i reluktanční (krokové). V jízdních testech vycházejí obvykle příznivě motory indukční, následované krokovými a synchronními. Ve všech případech je do účinnosti třeba započítat i ztráty ve frekvenčním měniči a měly by být započteny i ztráty pro provoz nutného chladicího okruhu. Vzhledem k základním zákonům vzniku sil v elektromagentickém poli je výhodné používat přiměřeně rychloběžné stroje, jinak se nelze vyhnout velkým proudům a nadměrným ohmickým ztrátám. Mechanický převod je proto žádoucí, a to i u nábojových elektromotorů, u nichž velká hmotnost působí další mechanické problémy. V oblasti návrhu elektromotorů existují rezervy ve zmenšování rozměrů (výhodné jsou zejména stroje synchronní) a ve snižování skluzu zejména při rozjezdu a brzdění vozidla vhodnými opatřeními v převodovém ústrojí (včetně diferenciálů mechanických či elektrických). Způsoby ukládání elektrické energie byly již zmíněny. V použitelném provedení jde o elektrochemické akumulátory, převážně perspektivně Li iontové (energetické hustoty od dnešních 70 Wh/kg až do snad 200 Wh/kg pro rok 2020) a superkapacitory s velmi nízkou energetickou hustotou, avšak velmi vysokým pohotovým výkonem, tedy vhodné pro rekuperaci brzdné práce. U obou komponentů probíhá rychlý vývoj zejména v Asii (Japonsko, Čína), zatím však jsou dosahovány dílčí úspěchy (byť značné ve srovnání s výchozím stavem před 10 léty), jak je patrné ze srovnání uvedených parametrů a hustoty využitelné energie v běžných palivech, která představuje cílový stav. Pro vozidla s omezeným dojezdem jsou však za předpokladu politického rozhodnutí, kompenzujícího přijatelným způsobem nekonkurenční cenu, uvedené parametry použitelné pro městská vozidla nebo pro vozidla hybridní, jimiž se SVA zabývá dále. V širší souvislosti je nutno zmínit se i o problémech s elektrickými vozidly za extrémních klimatických podmínek. Využitelná kapacita akumulátoru klesá podstatně při teplotách pod bodem mrazu (dojezd se snižuje o více než 70% u dnešních LI-ion akumulátorů přui teplotách pod -15°C), současně však roste potřeba topení ve vozidle. Při teplotách nad 50°C narůstá naopak samovybíjení akumulátoru a za provozu vozidla se pociťuje potřeba klimatizace. Popsané problémy představují velkou výzvu pro další výzkum. V širší – infrastrukturní – souvislosti je možno uvažovat o kompenzaci nevýhod elektromobilů jejich nabíjením z domácích distribuovaných zdrojů (např. fotovoltaických) namísto z veřejné sítě. Alternativa baterie ve vozidle a záložní baterie domácí (např. recyklované baterie z vozidla po snížení její kapacity v důsledku přílišného počtu nebo rychlosti nabíjení) představuje v kombinaci s inteligentní elektrickou sítí dnes netušené možnosti akumulace levné energie v době její dostupnosti. Tento systém přináší ovšem i dosud netušené problémy a jej vlelmi investičně náročný. Základní výzkum se však na tato řešení již zaměřuje, zejména tam, kde se pociťuje možný nedostatek fosilních paliv (např. z politických důvodů).

51


Přenosy výkonu – mechanické převody Přenosy výkonu pracují s mnohastupňovými mechanickými převodovkami, v blízké budoucnosti automatickými, a s pokročilými hybridními přenosy. Vývoj převodových ústrojí je v dnešní době hnán kupředu jak legislativní, tak i komerční snahou o stále nižší spotřebu paliva. Neméně důležitým iniciátorem pokroku je i další zvyšování uživatelského komfortu. Ačkoliv v minulosti se předpokládal poněkud jiný směr vývoje, v Evropě velkou roli mezi převodovými ústrojími stále hrají manuální převodovky. Pětistupňové převodovky jsou dnes absolutní samozřejmostí, naopak použití šesti rychlostních stupňů se stává lepším standardem, a to zejména u dieselů z důvodu omezeného rozsahu otáček. Další navyšování rychlostních stupňů je nepravděpodobné kvůli složitosti řadící kulisy. Výrazná je snaha o prodlužování stálých převodů a tím snižování otáček motoru v dálničním provozu (na úkor dynamiky samozřejmě). Jelikož současná legislativa pro měření spotřeby paliva (respektive kombinovaný cyklus NEDC) je nastavena jen pro použití pěti rychlostních stupňů, v posledních dvou letech se objevují vozy s pětistupňovou převodovkou, kde pátý rychlostní stupeň opět výrazněji plní funkci rychloběhu a nahrazuje tak chybějící šestý rychlostní stupeň. Se zvyšující se úrovní i u vozů nižších tříd se přikládá stále větší důraz na odhlučnění. To vyžaduje důsledné využití moderních výpočtových nástrojů (CAE) od počátku vývoje celého hnacího řetězce. Pochopitelně pokračuje vývoj geometrie ozubení a technologie zpracování veškerých ozubených kol ve všech typech a kategoriích převodových ústrojí. Hlavním cílem vývoje ozubení je především zvyšování odolnosti ozubení proti únavovým lomům a pittingu a právě snižování hlučnosti. Moderní metody měření pak dále umožňují objektivní měření řaditelnosti (Ricardo GSQA), na rozdíl od dříve běžného subjektivního hodnocení. Z důvodu kvality řazení se pro první dva rychlostní stupně dnes již běžně používají dvojité nebo trojité synchronizační kroužky (double cone, triple cone), u vyšších stupňů pak podle potřeby. Z hlediska účinnosti je zřejmá snaha o nahrazování kuželíkových ložisek kuličkovými, stejně pak důsledné používání jehlových ložisek. Stejný důraz se pak klade na snižování třecích ztrát a odporů u rotačních těsnění. Trend dnešní doby je celoživotní náplň převodovky. Zřejmá je také snaha objem náplní co nejvíce omezit. Na maziva jsou tudíž kladeny stále vyšší požadavky z hlediska výkonnosti a minimální degradace. Robotizované převodovky jsou v osobních vozech spíše v útlumu zejména kvůli omezenému komfortu (plavnosti) a vyšší ceně. Stále jsou však využívány zejména pro sportovní vozy, neboť dosahují extrémně krátkých řadících časů. To je u nejnovějších převodovek ještě vylepšeno technologií převzatou ze závodních vozů, kdy je použito dvou řadících mechanismů (Lamborghini ISR) umožňujících částečné překrytí přesuvníků při řazení. V minulých několika letech se, zejména zásluhou koncernu VW, začaly masivně rozšiřovat dvojspojkové převodovky. V první vlně se jednalo o převodovky s vícelamelovými spojkami v olejové lázni, díky čemuž měla převodovka dostatečnou momentovou kapacitu a plavnost ne příliš vzdálenou od automatické převodovky s hydrodynamickým měničem. Ovšem se spotřebou blížící se převodovce manuální.

52


V druhé vlně se pak objevují, zejména pro vozy nižších tříd, dvojspojkové převodovky osazené jednolamelovými suchými spojkami. Ty jsou samozřejmě omezeny výkonovou kapacitou, nicméně díky vyššímu koeficientu tření vyžadují menší přítlačné síly a tím dosahují vyšší účinnosti. V některých modelech tak tyto převodovky dosahují lepších spotřeb než u stejných vozů s manuální převodovkou. Ve vhodné konfiguraci (např. Fiat) s klasickou vypínatelnou a další zapínatelnou spojkou je dosaženo dalších úspor. Pokud by došlo ke změně legislativy, naskýtá se zde možnost vynechání parkovací západky. V současné době je většina systémů dvojspojkových a robotizovaných převodovek ovládána hydraulikou, nicméně v budoucnosti by se mohly prosadit i elektrické lineární motory, na jejichž vývoji se intenzivně pracuje. Automatické převodovky zažily v minulých letech zvyšování počtu rychlostních stupňů, který se v současné době zastavil na čísle 9. Vyspělá elektronika umožňuje optimální řízení s důrazem na nízkou spotřebu paliva. Motor se pak udržuje po celou dobu v úzkém rozsahu výhodných otáček a celý systém se tak blíží charakteristice plynule měnitelného převodu (variátoru). Značných úspor je dosaženo přemosťováním hydraulického měniče, který v případě vyššího rozsahu převodových stupňů nepřekrývá takové momentové pole, jak bylo zvykem v minulosti. Variátory jsou pak ve své klasické formě hlavního převodového ústrojí spíše na ústupu, s výjimkou nejnižší třídy motocyklů a drobné mechanizace, kde použití variátoru zjednodušuje konstrukci a ovládání, a přináší specifické provozní výhody. Jinak celkový ústup od jejich použití je dán zejména omezenou momentovou kapacitou a životností, stejně jako nižší účinností, která však bývá kompenzována udržováním motoru v pásmu nejnižší měrné spotřeby. Variátory dosud nebyly akceptovány trhem, protože zákazníci si vynucují řazení po stupních, nikoliv plynule. Také v oblasti užitkových vozidel je zřejmá snaha o snižování emisí, ale také o zjednodušování obsluhy. Celková snaha u užitkových vozidel je používat více náprav (méně zatěžovat vozovku), popřípadě používat návěs s přívěsem. Z toho plynou zvýšené nároky na převodové ústrojí. V Evropě jsou trendem pneumaticky ovládané automatizované převodovky se suchou spojkou. S dělicí převodovkou mají běžně do 16-ti převodových stupňů, což je dostačující pro rozestupy 15-20 % mezi nimi. Možná cesta vpřed je přes dvojspojkové převodovky. V USA donedávna převládaly manuální převodovky bez synchronizace, které vynikaly dlouhou životností. Z důrazem na jednoduché ovládání se zde rozšířily automatické převodovky s hydrodynamickým měničem. Ovšem s ohledem na snižování spotřeby může být i zde otevřena cesta v zavádění dvojspojkových převodovek. Přenosy výkonu – elektrické a hybridní přenosy Bouřlivý vývoj probíhá v oblasti hybridních vozidel a elektromobilů. Základní schémata hybridních přenosů byla již popsána. Existují ovšem i sofistikovanější uspořádání, využívající dělení výkonu za vzájemně (skoro) nezávislých otáček vstupů do děliče momentu, umožňující účinnější kombinaci výkonů všech motorů.

53


Zatím neexistují ustálená konstrukční řešení a optimální řešení se stále hledají. Mikrohybridy (systém start stop) a mild hybridní pohony (možnost rekuperace) mohou používat, především z důvodů nižší ceny, manuální převodovky. Ovšem pro optimální spolupráci elektromotorů/generátorů a spalovacího motoru je výhodné použití převodovky automatické. Strong hybridy (možnost jízdy pouze s pomocí elektromotoru) řeší volbu převodového poměru výhradně automaticky. Počet převodových stupňů je možné v případě hybridního pohonu snížit, protože elektromotor pomůže překlenout oblasti s nedostatečným krouticím momentem. Pokud je použito paralelního uspořádání spalovacího motoru a elektrického motorgenerátoru, je v případě strong hybridu potřeba dvou automaticky ovládaných spojek (mezi spalovacím motorem a převodovkou a mezi motorgenerátorem a převodovkou). Především díky Toyotě a sesterskému Lexusu je v oblasti strong hybridů hojně zastoupeno použití diferenciálního planetového soukolí místo stupňové převodovky (split powertrain) se spalovacím motorem na jedné a elektrickým motorgenerátorem na druhé větvi. Druhý motorgenerátor je zařazen na výstupní větvi. Vzájemným poměrem krouticích momentů a otáček spalovacího motoru a motorgenerátorů je plynule dosaženo potřebných hodnot na výstupu, viz např. obr. 8.1.7. Jeho podstatou je dělení momentu a otáček pomocí diferenciálního převodu, jak ukazuje např. obr. 8.1.8. Sčítání výkonů může být dále zlepšeno kombinací mechanického děliče s elektrickou vazbou, provedené původně v Sousedíkově přenosu – obr. 8.1.9 – avšak s dnešními prostředky realizovatelné plně elektricky – obr. 8.1.10, navíc snadno doplnitelné o akumulaci či uvolňování přídavného výkonu v hybridním uspořádání.

Planetary Differential

Obr. 8.1.7 Sérioparalelní hybrid s mechanickým děličem výkonu Toyota Prius 1997 [8.1.3]

54


Obr. 8.1.8 Přenos s mechanickým děličem výkonu, dělení otáček libovolné, dělení momentu a otáček vzájemně závisí [8.1.3]

traction motor rotating stator

generator gasoline engine clutch

rotor

output shaft

Obr. 8.1.9 Diferenciální přenos s mechanicko-elektrickým děličem výkonu Sousedík Vsetín 1936 [8.1.3]

55


řídící jednotka

~

~ elektrický spalovací motor

dělič

motor

výkonu Obr. 8.1.10 Diferenciální přenos s elektrickým děličem výkonu [8.1.3]

Potřeba převodovek u hybridních soustrojí zapojených sériově, popřípadě u elektromobilů, je dána použitými elektromotory. Pomaluběžné elektromotory montované přímo v kolech vozidla pak převodovky nevyžadují vůbec. Jejich problémem je však zvýšená hmotnost odpružená jen pneumatikou. V případě rychloběžného nábojového elektromotoru se pak přidává i hluk převodu. Obecným problémem moderních automobilů je značné navyšování jejich pohotovostní hmotnosti, což částečně neguje úspěchy dosažené v oblasti zvyšování účinnosti hnacích jednotek a průběžné vylehčování konstrukcí i za použití ušlechtilých materiálů. V blízké budoucnosti se dá očekávat tlak na snižování hmotnosti všech komponentů, převodová ústrojí nevyjímaje. To si vyžádá lepší využití materiálů a pokrok v oblasti technologií výroby. Řízení hnací jednotky Podstatnou součástí hnacích jednotek je i jejich řízení, které musí být integrované, adaptivní a prediktivní. Integrace se týká řízení jak subsystémů vozidla samotného, tak v návaznosti na další vozidla (komunikace mezi vozidly - vehicle-to-vehicle, v2v) i mezi vozidly a infrastrukturou (v2i) s využitím telematiky. Aspekt řízení má značný přesah ze samotné dekarbonizace zlepšováním účinnosti a použitím alternativních paliv s problematickým dojezdem vozidla do oblastí bezpečnosti a spolehlivosti. Řízení se běžně koncipuje jako hierarchický systém, neboť u paralelně působících autonomních jednotek bez koordinace jejich řídicích akcí vznikají stabilitní problémy. V konkurenci různých řešení vozidel je zapotřebí vzít v úvahu i finanční stránku různých řešení, tedy otázku prodejnosti a konkurenceschopnosti, která může být (obvykle krátkodobě) modifikována státními fiskálními a dalšími legislativními zásahy. Je však zřejmé, že se s rostoucími cenami hnacích jednotek otvírá možnost rekonstrukce klasických provedení motorů, dříve nepoužitelných pro neprodejnost. Proto není taktické vylučovat inovace standardních řešení z výzkumu, ač se tak na úrovni evropské podpory výzkumu a vývoje v současnosti děje. Kromě samotné hnací jednotky a zásobníku paliva

56


bude zapotřebí zlepšovat účinnost vozidel i jejich převodovým/přenosovým ústrojím a snižováním jízdních odporů. Zde největší potenciál vykazují hybridní koncepty. Paliva a ukládání energie na vozidle Hnací jednotky automobilů jsou s palivy úzce svázány v obou směrech – možnosti využití paliva stimulují pokrok v technologii jeho výroby a v rozvoji infrastruktury pro jeho distribuci, jak se to stalo v minulosti s kapalnými ropnými palivy. Na druhé straně dostupnost paliva podmiňuje prodejnost určité hnací jednotky. Velký význam tu má i možnost přepínání mezi palivy za provozu (např. mezi LPG nebo obtížněji CNG u zážehových motorů a kapalnými ropnými palivy, mezi kapalnými a směsnými biopalivy jako etanolovým palivem E85 ve směsi pro zážehové motory s benzinem nebo mezi MEŘO či dokonce rostlinnými oleji a motorovou naftou pro vznětové motory). Automaticky „dvoupalivové“ jsou elektrické hybridy se spalovacím motorem. Očekávané možné způsoby vazby mezi primárními zdroji energie, nosiči energie („palivy“) a budoucími hnacími jednotkami ukazuje obr. 8.1.11.

Obr. 8.1.11 Možné způsoby energetického zajištění (jednorázové primární i obnovitelné zdroje) a následné transformace na nosič energie („palivo“) a na trakční energii v budoucích vozidlech – [8.1.10]

Vliv paliva na emise skleníkových plynů, přepočtené na ekvivalentní emise CO2 (z krátkodobého hlediska nevratně uvolněného) pomocí metodiky WTW znázorňuje obr. 8.1.12. Odhad finanční náročnosti různých způsobů snižování emisí skleníkových plynů pak ukazuje obr. 8.1.13. Značné ovlivnění ekonomie dopravy a prodejnosti vozidel politickými rozhodnutími o normách emisí skleníkových plynů je zřejmé. Tím více vystupuje do popředí nutnost pečlivého předvývoje možných koncepcí tak, aby bylo možno výsledky určitých řešení v předstihu objektivně posoudit. Do nákladů nejsou započteny náklady na vybudování příslušné infrastruktury, jejichž odpisy dále bilanci

57


zatíží. Z tohoto hlediska jsou zapotřebí i přechodná palivově pružná řešení, která umožní postupné využívání nově budované infrastruktury v období, kdy definitivní řešení vozidel nebude ještě dostupné. Typickým příkladem této strategie může být využití zástrčkových hybridů s prodlužovačem dojezdu jakožto motivace pro budování sítě dobíjecích stanic předtím, než elektromobily vykáží dostatečný dojezd (pokud tato doba někdy nastane). Dalším příkladem je postupný přechod na vodíková vozidla, v nichž spalovací motor na vodík může nouzově využít i benzin nebo lépe směs zemního plynu a vodíku, a to při ceně motoru v dnešních cenách kolem 25 $/kW instalovaného výkonu, zatímco u palivového článku se bude cena pohybovat kolem 1 000 $/kW, přičemž palivový článek může použít pouze velmi čistý vodík z dedikované infrastruktury. Je zřejmé, že s ohledem na praktické otázky dojezdu automobilu a doby doplnění jeho energetického akumulátoru spojené s palivy se nevyhneme ještě dlouho otázce přiřazení vozidel k požadovaným dopravním vzdálenostem. To názorně ukazuje obr. 8.1.14. Přesah zajištění distribuce nových paliv (včetně elektrické energie z hlediska dobíjení i pronájmu akumulátorů) do energetické infrastruktury je rovněž zřejmý. Tyto cíle nejsou splnitelné bez integrovaného adaptivního a prediktivního řízení jak již zmíněných subsystémů vozidla samotného, tak v návaznosti na další vozidla (komunikace mezi vozidly vehicle-to-vehicle, v2v) i mezi vozidly a infrastrukturou (v2i) s využitím telematiky. Elektrolytický vodík z EU mix el. energie z uhlí, palivový článek (vlevo) nebo spalovací vodíkový motor (vpravo)

Elektrolytický vodík z EU mix el. energie, palivový článek (vlevo) nebo spalovací vodíkový motor (vpravo)

Ropná paliva

N G

Vodík z konverze NG, palivový článek (úplně vlevo) nebo spalovací vodíkový motor Vodík z biomasy nebo větrné nebo nukleární energie, palivový článek (vlevo) nebo spalovací vodíkový motor (vpravo) Syntetická biopaliva, spalovací motor

Obr. 8.1.12 Porovnání energetické náročnosti dopravy vztažené na primární zdroje (pro kWh/km nutno dělit 360) a produkce emisí skleníkových plynů přepočtených na CO2 z dopravy systémem WTW s vyznačením současné pozice u kapalných fosilních paliv, tj. cca 1 kWh/km a 200 g CO2/km (pro střední hodnotu všech osobních vozidel) – [8.1.1]

58


Synt. paliva z biomasy nebo větrné nebo nukleární energie, palivový článek (vpravo) nebo spalovací vodíkový motor(vlevo)

Vodík z konverze NG, palivový čl. Ropná paliva, Biopaliva 1. generace, spalovací motor

Palivový čl.+FC

CNG, spalovací motor

Obr. 8.1.13 Finanční náročnost snižování emisí CO2 z dopravy při výměně 5% vozidel – [8.1.1]. Na svislé stupnici je redukce emisí proti současnému stavu. Na vodorovné ose jsou náklady na snížení o 1 t CO2. Výhoda biopaliv proti ostatním řešením je zřejmá.

Obr. 8.1.14 Energetická náročnost v měrné energii podle dojezdové vzdálenosti – [8.1.10]

59


Materiály Ač je k materiálové oblasti zaměřena část 8.8, je vhodné již na tomto místě uvést souvislosti s koncepcí budoucích hnacích jednotek. Obecně se rozšiřuje použití lehkých kovů, v budoucnu i slitin hořčíku, po vyřešení jejich náchylnosti k elektrochemické korozi, a to zejména na lité objemné části (skříně a víka motorů i převodovek). U spalovacích motorů jde především o materiály stabilní za vysokých teplot a odolné proti nízkocyklické, zejména teplotní únavě (hlavy, písty, ventily, výfukové systémy, skříně a kola turbinové části turbodmychadel atp.). Materiálová problematika je zde úzce spjata s konstrukčním řešením, proto musí VaV v obou oblastech postupovat synergicky. Specifickými prvky, využívajícími drahé kovy, jsou zapalovací svíčky, sondy přebytku vzduchu (lambda) a katalyzátory. Pro zabezpečení stálé elektrodové vzdálenosti a tvaru jiskřiště se budou používat zapalovací svíčky s elektrodami z ušlechtilých kovů, jako je platina a iridium. Pro výrobu je třeba vyvinout dokonalé svářecí zařízení s využitím laseru. Stále větší spotřeba platiny pro různé komponenty na vozidle povede k potřebě snížit závislost automobilového průmyslu na této komoditě. Jednou z cest je možnost používat místo čisté platiny kompozitní materiály. Známý je například patent na kompozit platiny a zirkonia od firmy Heraeus [8.1.16]. Nutné je zaměřit se i na recyklaci vzácných kovů z použitých katalyzátorů, lambda sond a zapalovacích svíček. U elektrických zařízení jde o lithium jakožto základní materiál moderních akumulátorů, prvky vzácných zemin pro permanentní magnety (samarium, neodym) a v neposlední řadě i o měď na vinutí elektrických točivých strojů, která se tím může stát strategicky významným kovem. Bezpečnost a spolehlivost dopravy z hlediska snížení emisí škodlivých emisí a závislosti na materiálech z politicky nepředvídatelných oblastí Dodržení limitů zdraví škodlivých emisí podle stále se zpřísňujících kritérií se považuje za samozřejmý limit prodejnosti z hlediska legislativy (z hlediska optimalizace nepřekročitelná okrajová podmínka, neboli constraint) a patří obecně do bezpečnosti dopravy. Dále je bezpečnost spojena s některými nutnými změnami konstrukce vozidel při aplikaci nových zásobníků energie (elektrické akumulátory, nádrže na stlačené plyny a zkapalněné plyny) a dalších komponent inovativních hnacích jednotek. Ve spolehlivosti dopravy není konstrukce vozidel explicitně zahrnuta, týká se jí však již zmíněné řízení a dále přizpůsobení vozidla kladeným nárokům (městská doprava osob a nákladů, dálková doprava osob a nákladů, a to v obou případech individuální a hromadná). S konstrukcí vozidel zde může souviset i úprava vozidel pro jejich hromadné sdílení různými uživateli (car sharing). Ve všech aspektech spolehlivosti se projevuje použití řídicích systémů, zde samozřejmě se značným přesahem do infrastruktury (v2i). Globální konkurenceschopnost automobilového průmyslu V oblasti konkurenceschopnosti se úvahy EU soustřeďují na komplexní otázky, spojené nejen s pružnou a efektivní výrobou s vysokým stupněm automatizace, ale též se zaměstnaností a životním prostředím – obr. 8.1.15. Podstatná je i základna pro výchovu

60


kvalifikovaných pracovníků ve vývoji, konstrukci, přípravě výroby, výrobě, servisu i likvidaci nových hnacích jednotek. Tyto aspekty bere v úvahu sdružení automobilových výrobců ACEA, zejména ve své části EUCAR věnované automobilovému výzkumu [8.1.12]. Podle návrhu stanoviska pro zásady 8. rámcového programu výzkumu v EU půjde o výzkum pro splnění těchto společenských cílů: – vyšší účinnost využití paliva v hnacích jednotkách, celých vozidlech i dopravních systémech – větší využití kombinované přepravy osob i nákladů, zejména v městských územích – větší využití informačních technologií (v2v, v2i a komunikace s energetickými sítěmi v2g) – podstatně vyšší využití obnovitelných zdrojů energie i materiálů ve vozidlech, zejména: o 25% podíl obnovitelných chemických paliv ve vozidlech do roku 2030 o 5% podíl obnovitelné elektřiny ve vozidlech do roku 2030 o zvýšení podílu recyklace pokročilých materiálů. Předpokládaný časový výhled zavádění nových koncepcí hnacích jednotek uvádí obr. 8.1.16. Z něho vyplyne i připravovaný implementační plán EU.

Obr. 8.1.15 Hlavní faktory konkurenceschopnosti a trvalé udržitelnosti průmyslové výroby – [8.1.10]

61


Obr. 8.1.16 Časový výhled změn v konstrukci hnacích jednotek automobilů – [8.1.10]

8.1.3 Stav a cíle VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek v ČR Společenské potřeby, stanovené na úrovni EU, lze plně přenést do podmínek ČR: o snížení energetické a materiálové náročnosti (zahrnuje závislost na zdrojích energie a materiálů z politicky nestabilních oblastí i skleníkové plyny) o bezpečnost a spolehlivost dopravních prostředků o konkurenceschopnost průmyslu (náklady, inovativnost, ...) Hlavní faktory přispívající ke splnění těchto potřeb v celém vozidle shrnuje následující obr. 8.1.17. Z něho lze zdůraznit • • • • •

inovace ve spalovacích motorech a celém hnacím řetězci pro vyšší účinnost (včetně rekuperace brzdné práce v hybridních hnacích jednotkách) i pro snižování hmotnosti hnacích jednotek, modularitu z hlediska hnacích jednotek (zejména při přechodu k hybridům a elektrickým vozidlům) i splnění požadavků zákazníků, modularitu hnacích jednotek využitelných pro automobily specializované pro městskou dopravu, využití moderních koncepcí pro vývoj levných vozů pro vznikající trhy, přiměřené použití těchto závěrů i pro VaV komponentů hnacích jednotek.

Při stanovování cílů pro ČR se přihlíželo k profilaci zdejšího automobilového průmyslu a s ním souvisejícího výzkumu. V konstrukci vozidel není možné ze zřetele spustit pohonné jednotky a zvláště spalovací motory, zejména pro využití alternativních paliv, a celé hnací jednotky s hybridizačnímí elektrickými prvky, a to jako celek i z hlediska částí. V nich hrají podstatnou roli jednotlivé komponenty, vyvíjené a vyráběné v ČR (vstřikovací zařízení, turbodmychadla, zapalovací svíčky, převodovky, elektrické točivé stroje, polovodičová výkonová zařízení, části palivových systémů pro plynná paliva atp.). Podstatnou částí s vysokou přidanou hodnotou jsou i řídicí systémy, zejména v jejich integrované formě zahrnující celou hnací jednotku, případně vozidlo.

62


Obr. 8.1.17 Hlavní faktory konstrukce budoucích vozidel pro udržitelnou mobilitu – [8.1.10]

Cíle pro výzkum hnacích jednotek v ČR pro naplnění uvedených budoucích společenských potřeb lze formulovat do následujícího seznamu: o nižší energetická náročnost vozidla v provozu dosažená lepší účinností hnací jednotky včetně hybridizace, snížením hmotnosti i pasivních odporů vozidla integrovaným řídicím systémem o snížená závislost na palivech z nestabilních částí světa dosažená jak vyšší účinností hnací jednotky tak použitím nových paliv, pro něž bude hnací jednotka nastavitelně nebo pevně přizpůsobena; možnost retrofitu starších jednotek; současně lze tímto způsobem dosáhnout nižších emisí skleníkových plynů (snížená spotřeba nerecyklovatelného uhlíku v palivu); o nižší emise škodlivin z provozu řešené spolu s účinností a alternativními palivy; o snížená závislost na materiálech z nestabilních částí světa a nižší materiálová náročnost a zatížení životního prostředí výrobou a likvidací vozidel; o vysoká globální konkurenceschopnost daná modularizací hnacích jednotek a jejich komponent i aplikací výsledků zvyšování užitné hodnoty hnací jednotky na koncepce, optimalizované vzhledem k ceně; o použitelnost vozidlových motorů a jejich derivátů v distribuované energetice (kogeneraci) a v letectví. Navržená SVA bere v úvahu hlavní výrobková zaměření českého průmyslu i automobilového výzkumu, na nichž lze stavět. Základem výzkumné strategie hnacích

63


jednotek je orientace na modularitu a flexibilitu pomocí adaptivních a prediktivních systémů řízení, umožňující přizpůsobit vozidla zamýšleným dopravním požadavkům i požadavkům různých trhů. Témata SVA jsou v dalším členění orientována výrobkově se zdůrazněním přesahů do dalších částí této SVA a do dalších SVA souvisejících technologických platforem, zejména HYTEP (Česká vodíková platforma) a NGVA (Platforma vozidel využívajících k pohonu stlačeného zemního plynu).

8.1.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti V úzké návaznosti na výzkumná témata musí následovat vývoj vzdělávacího systému pro aplikace nových technologií na různých úrovních vzdělávání sekundárního (zejména učňovského) i terciárního (vysokoškolského bakalářského i magisterského), doplněného celoživotním rekvalifikačním vzděláváním. Výhodné podmínky pro iniciaci zavádění příslušných programů a oborů skýtají zejména výzkumně zaměřené univerzity, pracující na výzkumu odpovídajících témat. Zde je prostor i pro podporu studentských prací na koncepčních studiích a studiích proveditelnosti, které s předstihem připravují odborníky podle skutečných potřeb průmyslu. Jde zejména o elektromobilitu s navazujícími bezpečnostními aspekty akumulátorů i elektrických zařízení vyššího napětí ve vozidlech, ve vzdálené budoucnosti palivové články a téma alternativních paliv, zejména plynných a mezi nimi nejproblematičtějšího vodíku. Další podmínkou proveditelnosti je koordinace vazby strategie podpory VaVaI v ČR a v EU, zejména s ohledem na spolufinancování budoucích výzkumných projektů v 8. rámcovém programu EU. To jasně ukázaly výsledky projektu EAGAR pod vedením firmy AVL List Graz, sledujícího různé způsoby podpory automobilového výzkumu ve světě – [8.1.17]. Bez jasně specifikovaných priorit podpory VaVaI v oblasti automobilového sektoru nebude možné nadále možné účinně vstupovat do evropských výzkumných konsorcií. To by ohrozilo následný, neustále potřebný rozvoj výzkumné a vývojové základny a v dlouhodobé perspektivě degradovalo ČR na obávanou montážní dílnu, která by se stala nekonkurenceschopnou.

8.1.5 Prioritní témata VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek v ČR Na základě tohoto rozboru byla stanovena následující prioritní témata pro strategii výzkumu v oblasti hnacích jednotek. T8.1-1 VaVaI pro spalovací motory se zvýšenou účinností a jejich komponenty při provozu na fosilní paliva, biopaliva 1. a 2. generace pro vozidlové i pro mimosilniční použití

Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů. Zvyšování účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním pomocí účinných prostředků přeplňování motorů. Snižování škodlivých emisí.

64


Konstrukce účinných motorů pro budoucí vozidla.

Průřezové téma: Integrované inteligentní řízení motoru a celé hnací jednotky. T8.1-2 VaVaI pro flexibilní spalovací motory inovativních hnacích jednotek pro vozidla, letectví i energetiku a jejich komponent při provozu na syntetická paliva a biopaliva vyšších generací v městském i mimoměstském provozu Dílčí témata

Zvyšování účinnosti optimalizací pro budoucí paliva podle požadavků perspektivních trhů. Výzkum příslušenství pro zvýšení palivové pružnosti, účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním. Využití odpadních toků energie. Konstrukce palivově flexibilních motorů pro budoucí vozidla. Integrace systémů motorů do účinnějších celků s dělením výkonu.

Průřezové téma: Prediktivní a adaptivní řízení motoru a celé hnací jednotky pro různá provozní využití podle její koncepce, zejména s ohledem na pružnost při použití různých paliv. T8.1-3 VaVaI komponentů alternativních hnacích jednotek (pokročilé mechanické převodovky, komponenty hybridů a elektromobilů) v městském i mimoměstském provozu Dílčí témata

Výzkum a optimalizace vysoce účinných řaditelných mechanických převodovek a děličů výkonu. Výzkum a optimalizace elektrických pohonů. Výzkum a optimalizace provozních celků akumulátorů elektrické energie a palivových článků z hlediska interakce s vozidlem.

Průřezová témata

Elektrická bezpečnost obsluhy a údržby elektrických vozidel. Pasivní bezpečnost akumulátorů. Infrastruktura pro distribuci vozidlové elektřiny a inteligentní sítě.

T8.1-4 VaVaI hnacích jednotek z hlediska nových koncepcí (převodová ústrojí, koncepce pohonů, včetně hybridních a s palivovými články, řídicí systémy) v městském i mimoměstském provozu Dílčí témata

Výzkum koncepce hybridních pohonů s akumulací různých druhů energií. Integrace mechanických a elektrických prvků hnací jednotky.

Průřezové téma: Integrované řízení hybridní hnací jednotky a vozidla.

65


T8.1-5 VaVaI výroby a infrastrukturních opatření pro alternativní paliva a provozní tekutiny spalovacích motorů a elektromobilů Dílčí témata

VaV výroby a skladování syntetických kapalných paliv a kapalných paliv založených na biomase. VaV výroby, skladování a přímého využití plynných paliv včetně vodíku.


Vliv paliva na tvorbu a zapalování směsi a možnosti kompenzace vlivu paliva adaptivním řídicím systémem. Hodnocení dopadů paliv metodikami WTT a TTW. Pasivní bezpečnost skladování alternativních paliv. Infrastruktura pro distribuci plynových paliv, včetně vodíkové infrastruktury.

T8.1-6 VaVaI v oboru materiálů hnacích jednotek v návaznosti na jejich koncepci a konstrukci Dílčí témata

Výzkum nových materiálů pro lehké nosné části motorů s omezeným a recyklovatelným obsahem vzácných prvků, chemicky aktivní materiály a jejich nosiče pro úpravu spalin a nízkoteplotní reakce v elektrochemických zařízeních, pro akumulátory a pro elektrické stroje (vodiče, magnety, ...). Multifunkční, inteligentní a kompositní materiály. Nanotechnologie z hlediska tribologie, elektrochemie, povrchové aktivity jako adsorpce atp.


Integrované hodnocení materiálů z hlediska ekonomiky a ekologie (CtG, craddle to grave). Návaznost na konkurenceschopnou technologii výroby a na aktivní řízení kvality (xFQ).

Podrobný obsah prioritních témat VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek Ad T8.1-1 VaVaI pro spalovací motory o zvýšené účinnosti a jejich komponenty při provozu na fosilní paliva a biopaliva 1. a 2. generace Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů (zejména spalování při nízkých teplotách). Odstranění přídavných ztrát z regulace motoru. Výzkum příslušenství pro tvorbu a zapalování směsi v motoru a příslušných komponent řídicích systémů. Tlumení hluku a vibrací motorů. Zvyšování účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním, použití malého počtu válců. Zlepšení pružné reakce motoru na potřebu výkonu s ohledem na účinnost (distribuované zdroje výkonu). Výzkum účinných prostředků přeplňování motorů. Snižování škodlivých emisí aplikací nových způsobů ošetření spalin a integrací jejich komponent do systémů přeplňování a zpracování odpadních energií.

66


Konstrukce účinných motorů pro budoucí vozidla. Snižování mechanických ztrát a příkonu pomocných zařízení, jako chladicího systému. Průřezové téma: Integrované inteligentní (prediktivní a adaptivní) řízení motoru a celé hnací jednotky pro různá provozní využití podle její koncepce, zejména s ohledem na systémy pro úpravu spalin. Rozlišení několika úrovní časových měřítek pro hierarchický systém řízení (zásah v rámci jednoho oběhu pro optimální spalování – desítky ms, v rámci desítek oběhů zejména v nestacionárních stavech motoru s přeplňováním – stovky ms, v rámci typických jízdních manévrů a stacionárních operačních režimů podle typu provozu – sekundy, změna řídicí strategie v rámci dlouhodobého charakteru provozu – minuty). Ad T8.1-2 VaVaI pro flexibilní spalovací motory inovativních hnacích jednotek a jejich komponent při provozu na syntetická paliva a biopaliva vyšších generací Dílčí témata Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů pro nová paliva (zejména spalování při nízkých teplotách využitím dvoupalivového konceptu) a jejich optimalizací pro budoucí paliva podle požadavků perspektivních trhů (typ provozu, úroveň emisí, cena motoru atd.). Výzkum příslušenství pro zvýšení palivové pružnosti, účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním. Využití odpadních toků energie. Konstrukce palivově flexibilních motorů pro budoucí vozidla. Využití odpadních toků energie. Integrace systémů motorů do účinnějších celků s dělením výkonu. Průřezové téma: Integrované inteligentní (prediktivní a adaptivní) řízení motoru a celé hnací jednotky pro různá provozní využití podle její koncepce, zejména s ohledem na pružnost při použití různých paliv. Ad T8.1-3 VaVaI komponent alternativních hnacích jednotek (pokročilé mechanické převodovky, komponenty hybridů a elektromobilů) Dílčí témata Výzkum a optimalizace vysoce účinných řaditelných mechanických převodovek a děličů výkonu. Výzkum a optimalizace elektrických pohonů (elektromotory, konvertory, invertory) z hlediska účinnosti, hmotnosti a požadavků na příslušenství. Výzkum a optimalizace provozních celků chemických akumulátorů elektrické energie, ultrakapacitorů a palivových článků z hlediska interakce s vozidlem. Optimalizace tepelného hospodářství elektropohonů, vytápění a klimatizace vozidla. Průřezová témata Elektrická bezpečnost obsluhy a údržby elektrických vozidel. Pasivní bezpečnost akumulátorů. Infrastruktura pro distribuci vozidlové elektřiny a inteligentní sítě. Nabíjení veřejné (rychlé) a domácí (pomalé). Zabezpečení proti krádežím energie, vandalismu a teroristickému zneužití. Plánování dojezdu podle zvolené trasy a dopravní situace, plánování dobíjení. Využití akumulace ve vozidlech pro inteligentní síť. Systém pronájmu akumulátorů.

67


Ad T8.1-4 VaVaI hnacích jednotek z hlediska nových koncepcí (převodová ústrojí, koncepce pohonů, včetně hybridních, řídicí systémy) Dílčí témata Výzkum koncepce hybridních pohonů s akumulací různých druhů energií zaměřený na hardwarové prostředky pro optimalizaci strategie řízení. Výzkum systémů a konstrukčních celků děličů výkonu. Integrace mechanických a elektrických prvků hnací jednotky. Průřezové téma Integrované řízení hybridní hnací jednotky a vozidla. Rozlišení několika úrovní časových měřítek pro hierarchický systém řízení (zásah v rámci jedné otáčky motoru pro optimální okamžitou účinnost – desítky ms, v rámci desítek otáček zejména v nestacionárních stavech motoru – stovky ms, v rámci typických jízdních manévrů a stacionárních operačních režimů podle typu provozu – sekundy, změna řídicí strategie v rámci dlouhodobého charakteru provozu – minuty, optimalizace dojezdu a dobíjení – desítky minut). Ad T8.1-5 VaVaI výroby a infrastrukturních opatření pro alternativní paliva a provozní tekutiny spalovacích motorů a elektromobilů Dílčí témata VaV výroby a skladování syntetických kapalných paliv (tříděný odpad, uhlí, zemní plyn, X to Liquid procesy xTL, jako GTL, CTL atd.) a kapalných paliv založených na biomase (konverze na kapalná paliva Biomass to Liquid BTL, např. dimetyléter DME, hydrogenace rostlinných olejů HVO Nestlé atp.). VaV výroby, skladování a přímého využití plynných paliv včetně vodíku. Výzkum a vývoj cesty k vodíkové energetice. Oleje pro mazání motorů na alternativní paliva. Průřezová témata Vliv paliva na tvorbu a zapalování směsi a možnosti kompenzace vlivu paliva adaptivním řídicím systémem. Hodnocení dopadů paliv metodikami WTT a TTW, zejména určení potřebných dílčích vstupů pro tyto metodiky (spolu s výsledky výzkumu hnacích jednotek). Pasivní bezpečnost skladování alternativních paliv, zejména plynných a snadno odpařitelných paliv (DME). Infrastruktura pro distribuci plynových paliv a vodíková infrastruktura. Úloha spalovacích motorů na paliva obsahující vodík (NG+H2) a motorů na čistý vodík při přechodu na infrastrukturu pro budoucí vozidla s palivovými články. Ad T8.1-6 VaVaI v oboru materiálů hnacích jednotek v návzanosti na jejich koncepci a konstrukci Dílčí téma Výzkum nových materiálů pro lehké nosné části motorů, teplotně zatížené části, části zatížené setrvačnými silami s požadavkem na nízkou hustotu a pro části zatížené otěrem (včetně povrchových úprav a nanotechnologií) a pro snížení obsahu částic z otěru ve výfukových plynech.

68


Výzkum nových materiálů s omezeným a recyklovatelným obsahem vzácných prvků pro části zapalovacích svíček, chemicky aktivní materiály a jejich nosiče pro úpravu spalin a nízkoteplotní reakce v elektrochemických zařízeních, pro akumulátory a pro elektrické stroje (vodiče, magnety, ...). Multifunkční, inteligentní a kompositní materiály. Nanotechnologie z hlediska tribologie, elektrochemie, povrchové aktivity jako adsorpce atp. Průřezová témata Integrované hodnocení materiálů z hlediska ekonomiky a ekologie (CtG, craddle to grave). Návaznost na konkurenceschopnou technologii výroby a na aktivní řízení kvality (xFQ).

8.1.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR

• •

Průřezová témata k 8-1.4 úzce souvisejí s aktivitami HYTEP a NGVA. Zejména jde o vzájemnou vázanost vozidla a paliva z hlediska budování infrastruktury, a to pro vozidla na budoucí biopaliva, elektrická vozidla a vodíková vozidla. V případě elektřiny mohou urychlujícím efektem působit hybridy nabíjené ze sítě (plug-in hybridy), v případě vodíku mohou být katalyzátorem rozvoje infrastruktury vodíkové spalovací motory, jež jsou levnější a z hlediska palivové pružnosti přizpůsobivější než palivové články. Překryv výzkumu řízení vozidel, zejména v2i, případně i v2v existuje i s TP Silniční doprava. Energetické problémy elektromobility souvisejí s činnostmi energetických sdružení.

8.1.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb Následující grafická zobrazení ukazují přínosy (vliv) doporučených prioritních témat VaV na hlavní sledované charakteristiky: o o o

Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.1.18 Bezpečnost: obr. 8.1.19 Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.1.20

Grafické zobrazení: Osa x: ukazuje čas (v letech) potřebný k zavedení doporučeného opatření. Osa y: ukazuje vliv opatření na příslušnou charakteristiku přínosů (0-1-3-9). Velikost bodu ukazuje finanční náročnost realizace (0-1-3-9).

69


Obr. 8.1.18 Relativní dopad a náklady zavedení inovativních hnacích jednotek v závislosti na čase do zavedení z hlediska snížení energetické a materiálové náročnosti.

Obr. 8.1.19 Relativní dopad a náklady zavedení inovativních hnacích jednotek v závislosti na čase do zavedení z hlediska bezpečnosti a spolehlivosti dopravy.

70


Obr. 8.1.20 Relativní dopad a náklady zavedení inovativních hnacích jednotek v závislosti na čase do zavedení z hlediska konkurenceschopnosti.

8.1.8 Použitá literatura a zdroje [8.1.1] http://ies.jrc.cec.eu.int/download/eh [8.1.2] Macek J.: Simulation for Hybrid Vehicle R&D. Invited lecture in: Ansys Info Days Prague 30/09/2010 [8.1.3] Čeřovský Z., Flígl S., Hanuš P., Mindl P.: Hybridní pohony a hybridní přenosy energie. ČVUT FEL, K 13 114, 2004, http://bozek.cvut.cz [8.1.4] Vávra, J. - Macek, J. - Takáts, M. - Čeřovský, Z.: Simple Tank-to-Wheels Analysis Tool for Future Vehicle Powertrains, In: Journal of KONES Internal Combustion Engines. 2008, vol. 15, no. 1, p. 525-534. ISSN 1231-4005 [8.1.5] Barák A., Klír V., Macek J.: Posouzení potenciálu elektrických vozidel pomocí tank to user analýzy. Konference Elektromobilita 2010, FD ČVUT v Praze 2010 [8.1.6] ETSC 2010: Open Letter to Commissioner Kallas on Setting Ambitious EU Road Safety Targets for 2020. ETSC. 15 February 2010 [8.1.7] EU 2010: EUROPE 2020, A strategy for smart, sustainable and inclusive growth. March 2010. European Commission, Brussels. (COM(2010) 2020)

71


[8.1.8] LUND 2009: The Lund Declaration: Europe must focus on the Grand Challenges of our time. July 2010 [8.1.9] N.N.: Towards a 50% more efficient road transport system by 2030. ERTRAC Strategic Research Agenda 2010. European Road Transport Research Advisory Committee, 2011. Bude k disposici na www.ertrac.org [8.1.10] ERTRAC Road Transport Scenario 2030+ Road to Implementation, ERTRAC 2009 www.ertrac.org [8.1.11] European Roadmap: Electrification of Road Transport. ERTRAC 2009 www.ertrac.org (in cooperation with EPoSS and SmartGrids) [8.1.12] N.N.: Mobility and Transport in FP8. Eucar Conference 8th November 2010 Brussels www.eucar.be [8.1.13] European Assessment of Global Publicly Funded Automotive Research – Benchmark Analysis Report, FP7 funded cooperation and support action project EAGAR, October 2010 [8.1.14] The European Automotive Industry outlines its Priorities for Sustainable Transport in the Eighth Framework Programme, EUCAR position paper, 22nd April 2010 http://www.eucar.be/publications/EUCAR%20FP8%20%20Priorities [8.1.15] Vodstrčil J.: Ekologie a doprava. Autosympo 2008, ČAS 2008 [8.1.16] Firemní materiál a patentová literatura Heraeus Holding GmbH [8.1.17] http://www.eagar.eu/publications.html

8.2 Bezpečnost dopravy 8.2.1 Světový vývoj v bezpečnosti dopravy Jedná se o velmi rozsáhlou oblast, jejíž hranice se neustále rozšiřují a jednotlivé oblasti prohlubují. Dopady nehod jak po stránce materiální (škody na vozidlech, náklady na léčení), tak po stránce etické (zranění, úmrtí) a ekologické (poškození životního prostředí) jsou obrovské a do značné míry nevyčíslitelné. Například ve věkové skupině mezi 3-14 lety jsou zranění způsobená v souvislosti s dopravou nejčastější příčinou úmrtí [8.2.9]. Jediná nehoda spojená s únikem provozních kapalin znehodnotí větší objemy podzemních vod než normální provoz vozidel v daném místě za několik let. Ekonomické vyčíslení ERSO (European Road Safety Observatory) ukazuje, že škody spojené s nehodami silničních vozidel dosahují v EU úrovně 8 % HDP [8.2.10]. Proto lze investice do zvyšování bezpečnosti – ať vozidel, nebo dopravního systému – označit jako vysoce efektivní. Strategická výzkumná agenda ERTRAC předpokládá do roku 2030 snížení počtu vážných zranění a úmrtí v silničním provozu o 60 % a snížení materiálních škod o 70 %. Tento cíl je velmi ambiciózní, nicméně realizovatelný. V každém případě je evidentní, že to, co může ovlivnit automobilový průmysl, je na úrovni nově vyrobených vozidel. Aby tento (velmi nákladný a složitý) vývoj mohl mít zásadní pozitivní efekt na statistiky, je třeba podpořit obměnu vozového parku a zároveň vyvinout tlak nebo podporu prodeje vozidel s vyšším stupněm bezpečnosti. Tato podpora nemusí být nutně financována z veřejných zdrojů. Ve světě velmi efektivně funguje stimulace například nižší sazbou havarijního pojištění bezpečnějšího vozidla.

72


Zvláštní skupinou jsou bezpečnostní prvky, které jsou již známé z některé oblasti techniky, nebo jejichž zavedení je dokonce již do budoucna předepsáno legislativou. Nemusí se jednat o prvky zcela nové ani v automobilovém průmyslu, některé jsou dokonce dobře zavedené v nejvíce sledované kategorii vozidel M1/N1. Jejich zavedení pro použití v jiných kategoriích vozidel (M3, N3) bude nicméně vyžadovat vývoj, investice a „psychologickou podporu“ v očích uživatele. I takové prvky je vhodné zmínit, protože jejich aplikace je jednoznačnou podmínkou nejméně k udržení konkurenceschopnosti výrobků českého automobilového průmyslu. Konkurenceschopnost českého, respektive evropského automobilového průmyslu je potom otázkou poslední, ale zřejmě nejdůležitější. Na jednu stranu je třeba nejméně držet krok se světovým vývojem a světovou, respektive evropskou a/nebo následně celosvětově harmonizovanou legislativou. Na druhou stranu integrování pokročilých technologií zdražuje výrobek a vede ke zvýšení energetické a materiálové náročnosti výroby a následnému zvýšení spotřeby energie v provozu. Pokud potom není tato technologie v cílovém teritoriu vyžadována, často vede ke ztrátě ekonomické konkurenceschopnosti výrobku jako celku. Vytvoření „jednoduššího“ výrobku pro dané teritorium je vzhledem k velkosériové až hromadné povaze výroby motorových vozidel a komponent otázkou zpravidla ještě nákladnější, než zachování původního komplikovanějšího (a dražšího) technického řešení. Z tohoto pohledu je důležitá práce na sjednocování mezinárodní legislativy a důraz na její dodržování. Bezpečnost provozu na pozemních komunikacích Pod pojmem „bezpečnost provozu“ si obecně představujeme velice široký soubor jevů, matérií, akcí a chování účastníků, které ve vzájemné interakci vytvářejí bezpečný provoz nebo potenciální riziko nehody. Legislativně a tudíž vynuceně je v reálu podchycena ta část tohoto souboru, který spadá do pojmu „motorizovaní účastníci provozu“. Částečně legislativně a částečně normami je ošetřena oblast pozemních komunikací. Lze konstatovat, že zbylé podmnožiny jsou reálně zasaženy pravidly pouze neurčitě a mlhavě a jejich nevhodné vlastnosti nebo chování je zpravidla řešeno pouze jako součást analýzy nehodového děje (tedy příliš pozdě). Jsme si vědomi faktu, že tyto oblasti jsou cílem práce jiných platforem a pracovních skupin. Na tomto místě uvádíme pouze zásadní body pro dokreslení vývoje a pro zdůraznění, že je třeba vyvíjet systém jako celek - viz obr. 8.2.1. Ty body, které jsou součástí nebo mají návaznost na prvky výbavy vozidel, jsou rozebrány podrobněji dále: Výchova a výcvik účastníků provozu - výcvik, psychologická příprava a celoživotní vzdělávání řidiče - praktická příprava řidiče na řešení stresových podmínek (smyk, únava, subkolize) - vyřazování rizikových řidičů ze systému (opakovaně „vybodovaní“, zdravotně a psychologicky nevyhovující atp.) - dopravní výuka chodců, cyklistů, uživatelů nemotorových vozidel - mezinárodní sjednocení dopravního značení a legislativy pro zlepšení orientace cizinců v dopravě

73


Aktivní bezpečnost - zavádění inteligentních dopravních systémů na všech úrovních - odstranění krizových míst na komunikacích, překážek v provozu a zlepšení výhledu účastníků - zavedení reflexních prvků pro „nemotorové“ účastníky provozu - elektronické zviditelnění těchto účastníků - kontroly technického stavu nemotorových vozidel - zviditelnění krajnice – reflexní barvy, v krizových místech bodové svítilny - výrazné odlišení hlavních a vedlejších komunikací (barevně, akusticky) - zlepšení tření na příjezdech na křižovatku (min. vedlejší komunikace) - dostatečné dimenzování odstavných ploch a parkovišť - infosystémy pro odklon dopravy z dočasně nevhodných směrů - oddělení nesouměřitelné dopravy (chodci, cyklisti+skútry, osobní+moto, nákladní+ autobusy) -

-

a) v intravilánu preference kolektivní přepravy (snížení počtu vozidel na komunikaci) přednost pro autobusy a vozidla záchranných systémů (komunikace se semafory, vyhrazené pruhy) konstrukce zařízení k transportu jízdních kol prostředky kolektivní přepravy chodníky a oblast přechodu pro chodce v exponovaných oblastech z měkčených dláždicích materiálů pro snížení rizika/závažnosti poranění hlavy optimalizace bezpečnosti malých vozidel s ohledem na specifické použití ve městském provozu (nízké rychlosti, zvýšené riziko kolize s chodcem, „malé kolize“ při parkování, časté couvání, vyšší riziko nárazu zezadu atp.) zlepšení plynulosti dopravy (obchvaty, komunikace vozidla-centrála, odstranění úzkých hrdel, navigace) „shared space“ v centrech (na úrovni pěších zón) instalace filtrů pro výměnu vzduchu ve vozidle – omezení ohrožení zdraví řidiče mikročásticemi z provozu (saze, otěr spalovacího prostoru, brzdy, pneumatiky) b) v extravilánu minimalizace počtu křižovatek a vyústění účelových komunikací noční osvětlení – veřejné osvětlení, bodové osvětlení (body vyznačující krajnici v zatáčce, napájené např. solárně s akumulátorem), reflexní vodorovné značení zavedení noktovizorových systémů do vozidel příprava vodících pruhů pro automatizované řídící systémy dálniční sdružování vozidel do „řízených kolon“ – ACC, CONVOY modularizace dopravy – např. tranzitní přeprava kontejnerů po železnici Pasivní bezpečnost

- přednárazové systémy - interiér vozidla (pásy, předepínače, airbagy, deformační sloupek řízení, …) - exteriér vozidla (bezpečnostní zasklení, deformační zóny, nárazníky) - bezpečnost chodců (airbagy, deformační zóna, „aktivní kapota“) - „gumová“ dlažba v okolí přechodů pro chodce (zmírnění rizika poranění hlavy) - přilby pro cyklisty

74


Post-crash systémy - data o aktuálním zdravotním stavu na USB nosiči u každého účastníka silničního provozu, čitelná RLP - proužky se jménem a krevní skupinou na zápěstí (motocyklisté, cyklisté) - automatické informování záchranných systémů hasičů, záchranářů a policie (HZS, RLP, PČR) - výcvik záchranných systémů pro rizika nových technologií (elektromobily, CNG, vodík, zpevněné karoserie …) Bezpečnost vozidel Cíle konstrukce z pohledu bezpečnosti je možno definovat jako vývoj vozidla, které - svými vlastnostmi nevytváří rizika (mrtvé úhly, stabilita, předvídatelnost chování) - informuje řidiče o potenciálním riziku - je schopno částečně eliminovat chyby řidiče resp. pomáhat v řešení obtížných situací (ASR, ABS,…) - napomáhá řidiči při eliminaci kolizní situace (brake assist, výstražná světla) - při neodvratné kolizi připraví vozidlo na střet (předepínače pásů,…) - při kolizi absorbuje energii nárazu vozidla do překážky a osádky do součástí interiéru vozidla - po kolizi informuje záchranné systémy a usnadní vyproštění osádky. V této chvíli lze za vrchol snahy označit snahu o vytvoření „inteligentního vozidla“ skupiny DRIVSCO, které detekuje a „učí se“ ze stylu jízdy řidiče. Tento styl následně porovnává s informacemi z nočního vidění, radaru, ABS, ESP, GPS, naváděcích systémů (podle vodorovného značení), brzd atp. a vzniklou databázi používá k včasnému varování v případě nezvyklého chování řidiče ve vztahu k okolním podmínkám [8.2.1].

75


Obr. 8.2.1

76


Odstranění rizik technologie vozidla Nejzásadnější rizika v tomto směru mohou vyplývat z vytváření „mrtvých úhlů“ konstrukčními celky nebo neočekávaným či nepředvídatelným chováním vozidla. Z pohledu „mrtvých úhlů“ jde zpravidla o pohyb vozidla v malých rychlostech, jako je couvání, parkování, průjezd úzkými místy na parkovištích nebo v přeplněných ulicích. Tento typicky městský typ provozu je zdrojem nehod, při kterých jednak dochází k hmotným škodám, jednak – a to především při couvání – k těžkým až smrtelným zraněním chodců (zejména dětí), kteří se v takových prostorech pohybují. Podle výzkumů NHTSA až 20 % smrtelných nehod souvisí s couváním. Další rizika vyplývají z mrtvého úhlu při předjíždění, odbočování a změně jízdního pruhu. V tomto směru jsou vyvíjeny systémy kamer, radarových senzorů, lomených zrcátek atp. Jízdní vlastnosti vozidla jsou přirozeným cílem vývoje podvozkových skupin, proto odkazujeme na tuto kapitolu. Informace o potenciálním riziku Problémy vzniklé přehlédnutím nebo nedostatečným uvědoměním rizika jsou u vzniku 71 % nehod (viz obr. 8.2.2; zdroj: zpráva ITARDA, 2001)

Obr. 8.2.2

V tomto směru je velmi široké pole možností, jak poskytnout řidiči dodatečnou informaci. V současnosti jde právem o hlavní směr vývoje bezpečnostních prvků. Jedná se o systémy upozorňující na překážku ve směru jízdy (Radar Cruise Control), příliš malou nebo příliš rychle se zmenšující vzdálenost od vpředu jedoucího vozidla (Distance warning) a semiautomatickou kontrolu dodržování jízdního pruhu (line-keeping assist). Přehlédnutí osoby má předejít kamerový systém MobilEye, vyvíjený v několika centrech simultánně – lze jmenovat třeba univerzitu TelAviv. Algoritmus má detekovat chodce a upozornit řidiče na riziko srážky [8.2.7]. Nemalá rizika vyplývají z únavy řidiče. U komerční přepravy jim předcházíme omezením pracovní doby osádek vozidel (pouze částečně účinné), pro ostatní vozidla jsou vyvíjeny systémy LDWS (upozornění na nechtěné opuštění jízdního pruhu) nebo jiné, které v případě podezření na mikrospánek řidiče probudí – příkladem je opakované přitažení bezpečnostního pásu řidiče, pokud systém nezaznamenal „správné“ mrknutí oka. Podobné

77


systémy jsou vyvíjeny na několika pracovištích, většinou jsou založeny na analýze kamerového záznamu řidiče (detekce zívání, mrkání oka, odklonu od původní pozice těla atp.) [8.2.3], [8.2.4]. V souvislosti s rizikem únavy vystupuje problém odpočinku řidiče. Prioritně je nutné umožnit zaparkování vozidla, což je podmínka nutná, ale nikoli postačující. Na parkovišti musí být možnost ubytování a v neposlední řadě musí být zajištěna bezpečnost nákladu, za který řidič zodpovídá. Za potenciálně vhodný lze označit projekt MEDEA – Caring Cars, v rámci kterého senzory umístěné do volantu sledují srdeční funkci řidiče. Tyto informace jsou sdíleny v obecně užívaném datovém standardu, takže je možno je předávat dál – například záchranným systémům [8.2.2]. Velké riziko představuje i přehlédnutí, způsobené nedostatečným osvětlením. 42 % nehod se stane v noční době, zatímco průměrný proběh v noční době představuje přibližně 30 % z celkového proběhu. Neustálý vývoj světelné techniky je do jisté míry omezován rizikem současného oslnění protijedoucího řidiče na 56 m, což je vzdálenost nedostatečná k zastavení již při rychlosti kolem 70 km/h. Řešením je instalace systému nočního vidění, který je schopen pracovat na dostatečné vzdálenosti, aniž by rušil ostatní účastníky provozu [8.2.5]. Komerčně jsou k dispozici i systémy založené na infračerveném záření [8.2.6], které dokáží detekovat překážku na vzdálenost až 300 m (FIR) bez ohledu na barvu tělesa, což zvýší možnost reakce řidiče až na desetinásobek doby, kterou mu dávají k dispozici světlomety. Zlepšení možnosti optické identifikace nemotorizovaných účastníků provozu Z výše uvedené podkapitoly považujeme za vhodné zdůraznit osvětlení a signalizaci účastníků jiných než automobilů a motocyklů. U motorových vozidel je tato oblast striktně řešena a velmi přesně popsána, objevují se dokonce úvahy o předepsání reflexního oděvu motocyklistů. Ostatní účastníci silničního provozu, přestože jsou obvykle označováni za „zranitelné“, nejen že nejsou z tohoto pohledu nijak legislativně ošetřeni, ale v podstatě ani jiným způsobem stimulováni k dodržování elementárních bezpečnostních pravidel. Většina cyklistů se pohybuje na vozidlech buď zcela bez osvětlení, nebo s osvětlením nevyhovujícím – typické je osvětlení s dynamem jako zdrojem proudu, které při zastavení zcela zhasne a při pomalém pohybu vydává světlo jen velmi slabé, lehce přehlédnutelné. Chodci potom nemají osvětlení žádné, reflexní prvky se objevují v minimálním množství na dětských oděvech nebo doplňcích. Viditelnost dospělých chodců je značně omezená, k čemuž přispívá móda tmavých barev a „maskáčů“. V oblastech mimo dosah veřejného osvětlení ústí setkání chodec – motorové vozidlo prakticky vždy v krizovou situaci. V zemích EU představují chodci 17 % smrtelných úrazů, cyklisté 6 % (SAFETYNET). Tomu se technici v automobilovém průmyslu snaží zabránit konstrukcí automobilů (radary, aktivní kapoty, APROSYS atp.), nicméně výše zmíněná forma má daleko větší efektivitu. Smrtelná a těžká zranění v noční době představují 15 % z celkového počtu, což je 2x více než procento nehod „s účastí alkoholu“. Viditelnost modrého oblečení přitom stačí řidiči na odvrácení hrozby zastavením nebo vyhnutím se při rychlosti do 35 km/h, bílé do 70 km/h. Přitom v 18 % nehod vozidlo-chodec (největší skupina) jelo vozidlo

78


rychlostí 70-90 km/h, tedy rychlostí legislativně přípustnou, ale technicky nedostačující k reakci na neosvětleného účastníka. Viz též obr. 8.2.3. Co se týče cyklistů, zajímavý je fakt, že 40 % nehod cyklistů je typu bočního nárazu – tedy ve směru, kde jízdní kolo nemá osvětlení. Pouze část jízdních kol je vybavena reflexními proužky na ráfcích kol nebo odrazkami, upevněnými do výpletu kola. Jako jeden z cílů zvýšení bezpečnosti na pozemních komunikacích je tedy vhodné zdůraznit zlepšení viditelnosti – legislativně specifikované technické vlastnosti osvětlení cyklistů, popřípadě chodců, povinné používání reflexních prvků a osvětlení (nejen?) za snížené viditelnosti. Vzhledem k tomu, že půjde o projekt na „půdě neorané“, považujeme za nezbytné zavést kontroly jízdních kol, a to buď na úrovni minimalizované STK, nebo zvýšení aktivity bezpečnostních složek v tomto směru. Cestou ke snížení rizik tohoto typu je i elektronické zviditelnění těchto účastníků – viz kapitola „komunikace vozidel“.

Obr. 8.2.3 Pramen: BESIP, UMTRI

Pasivní bezpečnost Pasivní bezpečnost je oblastí, kterou se výzkumná a vývojová centra renomovaných výrobců (jak vozidel, tak komponent) zabývají nejdelší dobu, čemuž samozřejmě odpovídá i dnešní velmi vysoká úroveň používaných technologií. Tato skutečnost přináší samozřejmě i ten „pozitivní důsledek“, že potenciál dalšího rozvoje pasivní bezpečnosti se postupně zmenšuje a tím klesá i efektivita nově vymýšlených opatření. I relativně malého pokroku je dosahováno jednak za velmi vysokých finančních nákladů, jednak – což je nutno zdůraznit – za cenu zvyšování hmotnosti vozidla, zvýšení energetické a materiálové náročnosti výroby a současně následného zvýšení spotřeby energie (a tím zvýšených emisí skleníkových plynů) v provozu. To znamená, že je nutné vždy pečlivě zvážit, jaký reálný potenciál má uvažovaný prvek na reálné následky dopravních nehod. Tento názor zastávají jak experti v oblasti vývoje vozidel, tak i instituce Evropské Unie [8.2.8].

79


Z výzkumů reálných nehod se jasně ukazuje, že bylo dosaženo velmi dobrého ochranného účinku u průměrné velikosti cestujících, kde jsou velmi dobře chráněny životně důležité oblasti těla, zejména hlava a hrudník. V tomto „klasickém“ směru je třeba nadále věnovat pozornost konstrukci všech dílů v interiéru automobilů, které mohou přijít při nehodě do styku s některou částí lidského těla. Jakýkoli styk vozidla (zejména jeho interiéru) může znamenat zranění povrchových částí těla, která zpravidla nejsou životu nebezpečná, nicméně jsou nepříjemná a omezující v běžném způsobu života. Jejich léčení a řešení jejich následků znamená finanční i jiné škody, kterým lze předcházet. Jako příklad vývoje lze zmínit použití nových aktivních prvků (např. kolenní airbagy) nebo rozsáhlejší použití materiálů schopných pohltit energii nárazu. Další rozvoj pasivní bezpečnosti bude s určitostí směřovat k ochraně větších nebo naopak menších cestujících než je dodnes uvažovaná „střední velikost“ 50 % muže. Hovoříme zde zejména o dětech všech věkových kategorií, od kojence po „náctiletého“. Hmotnostní rozsah této kategorie, který do značné míry určuje složitost problému, hovoří sám za sebe – od 3,5 kg do desetinásobku této hodnoty. Další skupinu určují lidé obézní, jejichž počet podle statistik neustále vzrůstá. Zcela odlišné jsou také požadavky na bezpečnostní prvky pro těhotné ženy. Použitím moderních materiálů a elektronických systémů není problém optimalizovat zádržný systém vozu pro jednu velikostní (hmotnostní) skupinu, ale podstatně složitější úlohou je vyvinout systém schopný ochránit širší spektrum osob. Řešení úlohy vede přes takzvané adaptivní systémy. Jde o bezpečnostní prvky, které jsou schopny přizpůsobit svou funkci velikosti a hmotnosti, nebo i věku pasažéra. Předpokladem dobré funkce je ale správné zjištění potřebných parametrů nastavení takových prvků. Ostatně na samotném počátku vývoje dnes běžných systémů byly dalekosáhlé medicínské a mechanické studie odezvy lidského těla na vnější podněty. Zvláštní skupinou jsou tzv. „nechránění účastníci“ silničního provozu - chodci, cyklisté a motocyklisté. Jak bylo zmíněno výše, přes velkou snahu na straně technického vývoje o zlepšení ochranných vlastností moderních automobilů (jako potenciálního druhého účastníka kolize) se ukazuje, že tato cesta není efektivní. Jednak je do značné míry neřešitelné určit předem způsob a směr nárazu cyklistova těla do vozidla, důležitým faktorem je i hmotnost a velikost těla chodce či cyklisty, jednak velké (a do budoucna narůstající) procento nehod představují pády a kolize s jiným předmětem než je automobil (strom, obrubník, zábradlí, chodec, dům,…). Jako výrazně efektivnější se ukazuje používání osobních ochranných prostředků (přilby, chrániče páteře, „bundové“ airbagy), kde poměr dosaženého efektu k vynaloženým nákladům je nepoměrně větší. Nejspolehlivějším prostředkem ke snížení rizika zranění těchto účastníků provozu je jejich oddělení od automobilového provozu. Integrální bezpečnost Je relativně novou kategorií výzkumu, která v podstatě zahrnuje prvky všech uvedených kategorií. Výsledky výzkumu v této oblasti umožňují použít údaje získané ze systémů aktivní bezpečnosti (čidla ABS, ESP, ACC atd.) pro výpočet pravděpodobného nejbližšího chování vozu a pokud už nejde zabránit nárazu i pro výpočet intenzity případné srážky. Pro danou vypočtenou intenzitu a směr nárazu je pak možné správně

80


nastavit parametry zádržného systému. Tuto oblast lze v současné době považovat za velmi perspektivní, protože je na začátku rozvoje a – na rozdíl od například pasivní bezpečnosti – i malý technický pokrok může přinést velké výsledky. Zásadním cílem pro blízkou budoucnost je vývoj vozidel samotných a technických zařízení pro (dodatečné) vybavení vozidel, aby bylo možno naplňovat koncept integrální bezpečnosti. Vývoj autobusů Specifikum autobusové dopravy spočívá v tom, že osoby, které vybírají vozidlo a jeho výbavu, ve vozidle téměř nikdy necestují a málokdy ho alespoň řídí. Přepravovány jsou osoby, které nemají k vozidlu žádný vztah a jsou většinu času mimo jakýkoli dohled způsobilé osoby. Individuální bezpečnostní prvky jsou potom snadným a častým cílem vandalských útoků. Řidič, ačkoliv je zodpovědný za bezpečnost přepravovaných osob, nemá praktické nástroje k tomu, aby cestující přiměl k bezpečnému chování – třeba jen k zapnutí bezpečnostního pásu nebo držení se madla při cestování vestoje. Toto prostředí vytváří přístup, kdy každý bezpečnostní prvek je posuzován mnohem přísněji z pohledu nákladů a nutnosti použití (rozuměj povinnosti), než z pohledu přínosů bezpečnosti. Rozhodovací proces často dochází až do krajnosti v tom smyslu, že jsou posuzovány náklady na pořízení povinného prvku v protikladu s hrozícím postihem v případě jeho absence. Osobní automobil bez bezpečnostních pásů a alespoň čelních airbagů by byl neprodejný – přitom autobusoví dopravci již 11 let využívají mezeru v legislativě, aby nemuseli nechat vybavit řádově 50 sedadel bezpečnostními pásy. Je proto evidentní, že výraznějšího pokroku reálné bezpečnosti autobusové přepravy lze dosáhnout pouze zvýhodněním vozidel s vyšším stupněm bezpečnostní výbavy ekonomickými prostředky nebo přímo legislativním nařízením bezpečnostních prvků. V souvislosti s bezpečnostními pásy a jejich použitím je vhodné zmínit se o problematickém řešení otázky použití dětských sedaček a poutání dětí. V podstatě není možné vybavit vozidlo dostatečným počtem sedaček ve všech potřebných kategoriích, ani požadovat po doprovodu dítěte (zpravidla matce), aby kromě dítěte a zavazadla přinesl na autobusovou zastávku navíc ještě sedačku. Řešením by mohlo být adaptivní sedadlo, o jehož vývoj se někteří výrobci snaží. Specifickým a výrazným problémem této skupiny vozidel je pohyb v malé rychlosti v těsné blízkosti (neukázněných) chodců – předchozích nebo budoucích cestujících. Přehled nad děním v těsné blízkosti vozidla ze všech úhlů a možnosti velmi přesného manévrování zde nabývají zásadní důležitosti. Post-crash systémy Jsou do značné míry zaměřeny na komunikaci vozidla s okolím. V případě nehody o malém rozsahu jde většinou o postačující komunikaci optickou (zapnutí varovných světel), v případě závažnějších nehod jde o komunikaci elektronickou, v podstatě vyslání nouzového signálu. Další činnosti nouzových systémů jsou možné a vhodné - odpojení elektrické sítě, odpojení paliva, napuštění inertního plynu do palivové nádrže, aktivace automatického hasícího systému atd. Vývoj v této oblasti je úzce svázán se znalostí a možností identifikace, co konkrétně se při nehodě stalo a co by mohlo vozidlo nebo

81


infrastruktura udělat pro záchranu nebo snížení závažnosti poranění pasažérů, respektive předejití následným nehodám (náraz dalšího vozidla, upozornění blížících se vozidel na kritické podmínky v místě nehody atp.). V otázce vyproštění osádky z vraku vozidla lze konstatovat, že pevnost karoserií dosáhla takové úrovně, že vyproštění dnes standardními prostředky (hydraulické nůžky atp.) začíná být pro záchranné složky problematické. Prostředky typu rozbrušovací techniky přitom nelze často použít z důvodu rizika požáru. Je proto vhodné zabývat se otázkou vyproštění osádky již při konstrukci karoserie a plánování deformace skeletu. Monitorování nehod a místa nehod Cenným zdrojem informací pro vývoj a zhodnocení efektivity jeho výsledků a směrů mohou být v podstatě pouze soubory dat z reálných dopravních nehod s ohledem na okrajové podmínky nehodového děje. Zásadní důležitost mají fakta o vztahu příčin a následků – určení stupně závažnosti nehody na základě údajů senzorů, které jsou k dispozici. Pokud se bude k výzkumu dopravních nehod přistupovat centrálně a koordinovaně, mohou být zároveň odhaleny další oblasti potenciálního rozvoje prostředků pasivní bezpečnosti. Jde o činnost časově i finančně náročnou, ale při zapojení průmyslu, státní správy, obcí a pojišťoven jednoznačně lze najít model financování únosný a prospěšný pro všechny zúčastněné strany. Není přitom nutné a možná ani žádoucí vymýšlet novou metodiku výzkumu pro získání porovnatelných dat, protože je možné využít metodiku již užívanou v některých evropských zemích (např. SRN, Velká Británie, Švédsko atd.). Provozní bezpečnost S vývojem nových technologií v oblasti konstrukce vozidel lze bohužel očekávat i nárůst problémů souvisejících s jejich bezpečností – ať již v případě nehody nebo za běžného provozu. Typickým příkladem je problematika čerpání plynných paliv a omezení parkování takto vybavených vozidel nebo potřeba odlišné kontroly technického stavu. S nárůstem počtu elektromobilů lze očekávat problémy s elektromagnetickou kompatibilitou a elektrickou bezpečností. V případě nehody se jedná o zvýšené riziko úniku nebezpečných látek z akumulátorů nebo zranění elektrickým proudem z vodiče s poškozenou izolací. Pro vývoj, konstrukci a výrobu vozidel budoucnosti nejsou dosud zpracovány adekvátní normy, bezpečnostní předpisy ani standardy řízení kvality výroby. To, co je bezpečné při konstrukci či výrobě běžného vozu, může být nebezpečné při konstrukci hybridu nebo elektromobilu. Naopak některé dnešní legislativní opatření jsou principielně nesplnitelná při uvažování alternativního zdroje. Příkladem je napětí silové elektrické sítě kolem 200 V, které neplní povolený limit pro palubní síť vozidel. V době autonomního chování vozidel bezpochyby vzniknou spory o zodpovědnost za vzniklou škodu nebo zranění osob při kolizi, zapříčiněné poruchou systému, chybou řízení systému nebo chování řidiče – ať již oprávněného nebo chybného. První případy tohoto typu již nastaly při reálných nebo fiktivních poruchách zařízení typu Druide Control. Pro řešení takových případů by bylo vhodné vyvinout zařízení typu „černé skříňky“.

82


Dalším souvisejícím problémem bude výroba a servis těchto vozidel. Je nutné vychovat odorníky na všech úrovních (od konstruktéra přes servisní odborníky, techniky STK a hasiče, atd.), kteří budou dostatečně obeznámeni se všemi riziky provozu, poruchami a technikou jejich odstraňování. S tím souvisí i výbava servisů, diagnostické nástroje, nástroje pro řízení kvality výroby, oprav i normy pro zařízení STK a servisů.

8.2.2 Cíle VaVaI v oboru bezpečnosti dopravy v ČR ČR sleduje světový vývoj prakticky bez zpoždění s ohledem na úzké vazby se zahraničními nároky na export vyráběných vozidel. K tomuto stavu přispívá i to, že oblast bezpečnosti vozidel je zajišťována především koncovým výrobcem. Proto lze z předchozího odvodit snadno cíle a prioritní témata.

8.2.3 Nároky na systém vzdělávání Bezpečnost provozu - výchova a výcvik řidičů s ohledem na vývoj vozidel i komunikací a charakter dopravy - periodické školení řidičů všech skupin (zejména o vývoji legislativy) - výcvik záchranných systémů pro nové technologie Provozní bezpečnost - výchova odborníků všech úrovní na nové technologie (ITS, nové pohony) – vývojáři, konstruktéři, střední kádry, automechanici, záchranáři, hasiči

8.2.4 Prioritní témata VaVaI v oboru bezpečnosti dopravy Na úrovni dnešního stavu techniky lze výše uvedené cíle konkretizovat v následujících bodech: T8.2-1 VaV pokročilých prvků pro zlepšování pasivní bezpečnosti vozidel nových koncepcí a zranitelných účastníků silničního provozu - VaV adaptivních bezpečnostních systémů pro osoby „nestandardní“ velikosti - VaV pasivní bezpečnosti vozidel s alternativními hnacími jednotkami a palivy - zahrnutí výsledků detailního monitorování reálných nehod pro usměrnění vývoje s ohledem na výsledky zavedených opatření a konstrukčních prvků - VaV prostředků zvýšení viditelnosti zranitelných účastníků (optická, elektronická) - příprava norem a legislativních nástrojů pro konstrukci, výrobu a opravy vozidel s alternativními pohony a prostředky pokročilé pasivní bezpečnosti - pro kategorie vozidel M2 a M3 (autobusy) dále: o ochrana řidiče a spolujezdce (např. druhého řidiče) při nárazu o automatické hasící systémy v motorovém prostoru o vylepšení pasivní bezpečnosti „okrajových skupin“ o vývoj adaptivního autobusového sedadla pro přepravu dětí. T8.2-2 VaV prvků aktivní bezpečnosti vozidel včetně sledování bdělosti řidiče - zavedení LDWS (Lane Departure Warning System) - vývoj a rozšíření noktovizorových systémů pro řidiče

83


- optimalizace bezpečnosti malých vozidel s ohledem na specifické použití v městském provozu (nízké rychlosti, zvýšené riziko kolize s chodcem, „malé kolize“ při parkování, časté couvání, vyšší riziko nárazu zezadu atp.) - konstrukce pneumatik, umožňujících jízdu bez tlaku vzduchu nebo alespoň bezpečné zastavení při náhlé ztrátě tlaku (Bridgestone, Dunlop, Michelin, Goodyear, atd.) - systémy detekující únavu řidiče a riziko mikrospánku plus budící funkce - vývoj inteligentních vozidel, adaptujících se na běžné chování řidiče - vývoj systémů zajišťujících bezpečnost nákladu / vozidla v době odstavení - pro M2 a M3 dále: o zavedení alcolocku (zamezení nastartování při přítomnosti alkoholu v krvi) o zlepšení kontroly řidiče nad cestujícími – kamery, signalizace nezapnutého bezpečnostního pásu, kontrola bezpečnosti prostoru dveří o osvětlení vnějšího okolí dveří v zastávce o zlepšení přehledu řidiče nad nejbližším okolím vozu (záď, přední čelo) o ochrana řidiče před agresivními cestujícími o omezení cestování vestoje, bez připoutání v městském provozu T8.2-3 VaV vozidlových systémů vázaných na infrastrukturu pro integrovanou bezpečnost - vývoj a rozšíření systémů navázaných na navigaci o navrhování přiměřené rychlosti pro udržení „zelené vlny“ o včasné upozornění řidiče na kolizní situaci (hrozící střet s jiným vozidlem na nejbližší křižovatce) - aplikace asistenčních systémů pro pohyb vozidla v malých rychlostech – couvání, parkování, průjezd úzkým místem - adaptace vozidel pro řidiče nestandardního chování (senioři, začátečníci) T8.2-4 VaV vozidel optimalizovaných z hlediska integrované bezpečnosti - VaV návaznosti bezpečnosti vozidla na pokročilé hnací jednotky, podvozky, karoserie a systémy řízení - zavedení nových technologií OBD a materiálů, zajišťujících nezbytnou bezpečnost vozidla po celou dobu životnosti - rozvoj elektronických map včetně aktuálních změn a omezení - příprava legislativního rámce pro posuzování nehod vzniklých v souvislosti s poruchou nebo nestandardním chováním autonomních vozidlových systémů T8.2-5 VaV podpůrných opatření pro bezpečnost silniční dopravy - odstraňování kritických dopravních situací - podpora obnovy vozového parku - oddělování druhů dopravy - prosazování harmonizace světové legislativy pro konstrukci vozidel - analýza nehod v provozu a vyvozování závěrů pro vozidla i infrastrukturu - výchova účastníků silničního provozu v návaznosti na pokročilé konstrukce vozidel a systémy integrované bezpečnosti

84


- výchova a doplňující výcvik záchranného systému, hasičů a policistů na nové technologie - příprava etického a právního rámce pro problémy spojené s integrovanou bezpečností.

8.2.5 Návaznost na další technologické platformy v ČR V oblasti bezpečnosti existuje velmi úzká vazba na Technologickou platformu Silniční doprava.




Obr. 8.2.4

85


Obr. 8.2.5

Obr. 8.2.6

86


8.2.7 Použitá literatura a zdroje [8.2.1] University of Granada (2009, September 22). 'Intelligent Car' Able To Learn From Owner’s Driving And Warn In Case Of Accident Hazard. [8.2.2] Eureka (2010, November 6). Monitoring your car for a safer driving. ScienceDaily [8.2.3] Universidad Carlos III de Madrid (2009, December 26). New warning system warns of driver drowsiness and distraction [8.2.4] Fraunhofer-Gesellschaft (2010, October 19). Eyetracker warns against momentary driver drowsiness. [8.2.5] Universidad de Granada (2007, October 1). New Night Vision System Reduces Car Accidents. ScienceDaily. [8.2.6] Fraunhofer-Gesellschaft (2010, July 6). Infrared camera may provide a better view for night driving. ScienceDaily. [8.2.7] American Friends of Tel Aviv University (2010, April 23). An artificial eye on your driving. [8.2.8] Ec.europa.eu – eSafety [8.2.9] www.NHTSA.org [8.2.10] Science Daily, 2010

8.3 Podvozky a karosérie 8.3.1 Definice Podvozkové systémy jsou z pohledu této SVA chápány především jako základní nosná struktura vozidla a na ní napojené a s ní spolupracující systémy. Podvozkové systémy u všech typů vozidel od osobních, přes lehká užitková (LCV), těžká nákladní vozidla (HCV), autobusy, motocykly až po speciální vozidla (off-road, zemědělská, vojenská, důlní, sportovní, přívěsná atd.) vytvářejí nosnou páteř konstrukce vozidla, propojují a kombinují vlastnosti různých systémů a definují jízdní a užitné vlastnosti celého vozidla. Logicky tato problematika podvozkového systému přesahuje do ostatních kapitol studie o vozidlech a doplňuje se s nimi. Kapitola „Podvozkové systémy“ je pro účely studie a stanovení výzkumně-vývojových cílů rozdělena do témat: 1. konstrukce vozidel a podvozků 2. rámy a karoserie 3. nápravy, zavěšení kol a systémy odpružení 4. uchycení kol, řízení a posilovací systémy 5. elektronika a podpůrné systémy 6. pneumatiky 7. bezpečnost 8. vývoj podvozků

8.3.2 Stav světového vývoje v oblasti konstrukce vozidel a podvozků Vzhledem k rozsahu uvažovaných vozidel je nutno začít u základu všech vozidel – tedy klasického rámu, na který jsou připevněny ostatní komponenty a systémy. Tento princip je

87


v té či oné podobě dodržen u většiny vozidel, i když zvláště u osobních vozidel to není vždy zcela zřejmé. Nosná část většiny dnešních osobních vozidel a lehčích užitkových vozidel je integrována do samonosné karosérie, kterou ovšem můžeme chápat jako nosný rám vytvořený ze silnějších podlahových profilů, na které přímo navazuje vlastní karoserie nebo nástavba (viz obr. 8.3.1). Oba typy konstrukce jsou tvořeny převážně kovovými profily a plechy. Jejich spojování je provedeno nýtováním, nejrůznějšími druhy svařování a někdy i dalšími typy spojení (šroubování, lepení atd.). Vzhledem k funkčním nárokům a podstatném podílu této struktury na celkové hmotnosti vozidla se stupňují požadavky na nezbytnou tuhost a životnost při současném snižování hmotnosti. Dnes si konstrukci a optimalizaci karoserie a vývoj rámů a ostatních nosných prvků nelze představit bez využití nejmodernějších a neustále se zdokonalujících konstrukčních, simulačních a VR nástrojů. Mezi oblasti, ve kterých probíhá rychlý vývoj, samozřejmě patří i zavádění nových materiálů a technologie výroby, antivibrační úpravy i antikorozní ochrana podvozku. Hlavní oblastí navazující na konstrukci hlavní nosné struktury jsou podvozkové díly – především závěsy, nápravy, odpružení, tlumení, stabilizátory, řízení atd., které s ní a s pohonným řetězcem tvoří chassis (viz obr. 8.3.2). Vývoj rámu resp. karoserie nelze oddělit od těchto navazujících komponentů a systémů, jejichž konstrukce a funkční vlastnosti definují vstupní a okrajové podmínky nosné struktury vozidla a naopak. Karoserie nebo u užitkových vozidel nástavby rovněž působí na základní strukturu vozidla a významně ovlivňují způsob a rozložení namáhání a celkovou funkci chassis. Chassis ve spojení s pneumatikami, kterým se věnujeme později, v převážné míře určuje jízdní vlastnosti vozidla, čímž zasahuje do mnoha funkčních i legislativních oblastí, především v oblastech trakčních vlastností, aktivní i pasivní bezpečnosti a podstatně souvisí s ostatními kapitolami této studie (např. pohonnými jednotkami, elektrickou a elektronickou výbavou, výrobními procesy atd.). Chassis představuje komplikovaný systém, který se (s výjimkou pohonné jednotky) zde pokusíme postupně popsat. Budeme se tedy postupně věnovat jednotlivým, na nosnou strukturu navazujícím systémům, přičemž jsme si plně vědomi, že z hlediska konstruování, postupu vývoje i funkce musí být každý systém od počátku řešen v kontextu s nosnou konstrukcí a ostatními podvozkovými systémy. Rámy a karoserie Rámy těžších užitkových vozidel jsou v současně době vyráběny převážně z ohýbaných profilů, spojovaných svářením, nýtováním a někdy i šroubováním. Hlavního pokroku se, díky využití software CAE a technologické úrovni zpracování i ochrany materiálu, dosahuje ve snižování váhy a optimalizaci tuhosti rámu podle provozních podmínek s cílem optimalizovat funkční vlastnosti vozidel. Hlavním omezením možnosti plného využití potenciálu aplikace metod CAE spočívá v obtížném mapování provozních stavů a exaktním definování zatěžovacích podmínek. Druhým řešením nosné struktury, dominujícím u osobních a odvozených vozidel, je samonosná karoserie, tedy tenkostěnná prostorová struktura svařovaná z plechových výlisků, v převážné míře z hlubokotažného plechu. Konstrukci často vyztužují výlisky ze silnějších plechů vevařené do základní struktury či různé pomocné rámy, výkovky nebo odlitky, které jsou často vnější částí napojených systémů (motor, převodovka, apod.). Tyto

88


vnesené prvky mají nejenom pevnostní funkci, ale zajišťují výhodnější roznesení vstupního zatížení do tenkostěnné struktury nebo ovlivňují přenos sil či vibrací. Hlavní nosné profily samonosné karoserie jsou vlastně rámem integrovaným do tenkostěnné konstrukce karoserie či „nástavby“. Podíl systémů CAE na konstrukci a vývoji členité tenkostěnné struktury je pochopitelně ještě významnější, nakonec i s ohledem na nutnou analýzu přetvárné práce jednotlivých dílů karoserie z pohledu jejich podílu na očekávaných deformacích při schvalovacích nárazových zkouškách podle legislativy EHK (viz kap. 8.2, pasivní bezpečnost). Při stanovení názvů kapitol nebyla karoserie považována za součást podvozkových systémů. Primárním úkolem karoserie je realizace potřebných užitných vlastností z hlediska obsluhy či posádky (pracoviště řidiče, místa pro cestující), přepravy nákladu, funkce nástavby atd.. Tím jsou zásadně ovlivněny hmotnostní parametry vozu a přes ně základní vlastnosti vozidla jako dynamického systému. Celé této oblasti se týká řada neustále se zpřísňujících legislativních požadavků, které stanovují limity konstrukčního provedení karoserie. Hlavní technické charakteristiky karoserie, které ovlivňují vlastnosti celého vozidla, ať již je či není hlavní nosnou částí, jsou její mechanické vlastnosti – tuhost, poloha těžiště, momenty setrvačnosti, ale také její aerodynamické vlastnosti (těžiště aerodynamických sil x, y; součinitel odporu vzduchu cx). Kromě toho je karoserie nositelem mnoha důležitých vlastností i v jiných oblastech – pracoviště řidiče, prostor cestujících, užitný prostor, hlavní charakteristiky z pohledu pasivní bezpečnosti – ergonomie, deformační charakteristiky, tuhost prostoru pro posádku, výčnělky, kotevní místa atd. Pochopitelně se zde nezabýváme z komerčního hlediska neméně důležitými vlastnostmi estetickými.

Obr. 8.3.1

Pokrok v konstrukci a vývoji karoserie se projevuje nejenom aplikací moderních konstrukčních, výpočetních, simulačních a zkušebních prostředků a metod, ale také použitím nových materiálů, jako lehkých a povrchově upravených plechů, jejichž využití umožňují nové technologie zpracování kovů. Významnými kapitolami současného vývoje jsou celohliníkové konstrukce u samonosných skeletů pro velkosériovou výrobu, využití

89


ušlechtilých ocelí u malosériových výrob autobusů a použití dalších dosud exotických materiálů nebo technologií. Vzhledem k odlišným výrobně technickým i technologickým vlastnostem nových materiálů vede jejich zavádění ke změně pohledu na skladbu, konstrukci i logistiku výroby a servis. Ve stále větší míře se i v konstrukci interiéru karoserií a nástaveb uplatňují plasty, kompozity, pěny, sandwiche atd. Jejich využití vyžaduje odlišné konstrukční a technologické přístupy, ale i použití sofistikovanějších konstrukčních, výpočetních a simulačních nástrojů. Výše uváděné směry vývoje podstatně ovlivňují nejenom vlastní konstrukci a technologii, ale i ekonomiku, logistiku výroby a dělbu práce mezi finalisty a jejich dodavateli. Můžeme to dokumentovat např. na konstrukci a zpracování přední části osobního vozidla, která se u osobních vozidel stala klasickým dodavatelským prvkem. Přední část vozidla včetně nosné konstrukce, masek, světlometů a chladičů ovlivňuje vlastnosti celého vozidla jako např. deformační charakteristiky při různých nárazových zkouškách i simulačních výpočtech, které mají eliminovat podstatnou část objemu experimentálních zkoušek. Z uvedeného je patrné, že konstrukce, vývoj a výroba karoserií se od základu mění díky rychlému technickému i technologickému pokroku a změny jsou diktovány nejen konstrukčními záměry výrobce ale i legislativou, ekonomikou a dalšími pohledy. Oblast rámů a karoserií vyžaduje značné výzkumně-vývojové prostředky vzhledem ke stupňování funkčních vlastností, ale právě i zavádění nových materiálů a souvisejících technologických postupů, optimalizaci konstrukce a její technologičnosti. Nápravy, zavěšení kol a systémy odpružení Většina nákladních a ostatních užitkových silničních vozidel využívá pevné nápravy a díky zvládnutí řízení výšky vozidel resp. specifickým funkčním požadavkům i některé typy dělených náprav. Technologie výroby náprav u užitkových vozidel sahá od výkovků, odlitků a svařenců až po nýtované konstrukce. Jejich konstrukce, robustnost a technologie zpracování odvisí od konstrukce a poslání vozidla, provozních podmínek a očekávaných funkčních vlastností. Není ovšem výjimkou ani použití odlišných koncepcí náprav, jako např. u autobusů, kde to vyžaduje specifické prostorové řešení, nebo u vozidel vyžadujících specifické jízdní vlastnosti. Protipólem robustní konstrukce klasických náprav jsou závěšení kol osobních a odvozených vozidel. Jejich koncepce se v případě předních náprav ve většině případů ustálila na různých modifikacích zavěšení McPherson nebo podobných zavěšení. Zvolená koncepce vyplývá z prostorových poměrů v přední části vozu, z velikosti vozu, z koncepce jeho pohonného řetězce a ze schématu základní nosné struktury. Pro zadní nápravy se používá velký rozsah konstrukcí, od „pevných zadních náprav“ až po nezávislá zavěšení. Uvozovky byly použity proto, že zadní kola jsou u mnoha konstrukcí propojena nosným profilem, tedy pevnou nápravou, která ovšem rozhodně není tuhá. Naopak její pružnosti ohybové i torzní se v kombinaci s kyvnými, tlačenými i vlečenými členy využívá pro dosažení potřebné kinematiky zadní nápravy a tedy optimalizaci jízdních vlastností. Zatímco u předních náprav byla zdůrazněna poměrně velká unifikace koncepce „nápravy“, zadní partie jsou přehlídkou nejrůznějších konstrukcí od skutečně pevných náprav řady pick-upů, vozidel SUV apod. až po konstrukce blížící se závodním vozidlům,

90


a tedy kladoucí hlavní důraz na optimální jízdní vlastnosti, ale současně zlepšujících prostorové využití zadních partií vozidla.

Obr. 8.3.2

Systémy odpružení se opět podstatně liší u užitkových a osobních vozidel. Těžší nákladní vozidla využívají různá provedení pružin - vinuté, listové nebo torzní pružiny, ale často se používají i pružící jednotky pneumatické, hydraulické nebo kombinace jednotlivých typů. Pružící jednotky u vozidel s výrazně proměnným zatížením jsou často doplněny více či méně dokonalým řízením pružícího účinku a regulací výšky vozidla. To umožní i použití některých typů dělených náprav. Odpružení osobních vozidel je většinou řešeno vinutými pružinami i když výjimečně některé značky tradičně používají odlišné systémy (např. hydro-pneumatický systém Citroen). V poslední době se u některých kategorií vozidel (terénní vozy, velké cestovní limuzíny, sportovní vozy ale i motocykly) objevují různé systémy nastavení světlé výšky, postavení karosérie, tuhosti odpružení, a to nejčastěji hydraulické nebo pneumatické. K odpružení můžeme počítat i stabilizátory, které jsou v převážné míře provedeny jako torzní tyče, resp. u polozávislých je stabilizační funkce často zakomponována do konstrukce nápravy (tvoří je příčný člen). Dalším komponentem náprav s výrazným vlivem na užitné vlastnosti vozidla jsou tlumiče. V kombinaci s pružícími členy se podstatnou měrou podílejí na ovladatelnosti i jízdních vlastnostech vozidel a v poslední době pomáhají řešit stále se zvyšující nároky na jízdní komfort, který je považován za nedílnou součást aktivní bezpečnosti. Většina tlumičů je hydraulická, ale existují i plynové tlumiče pro osobní vozidla a jednostopá vozidla, zvláště používaná pro sportovní nebo speciální účely z důvodu možnosti velmi přesného nastavení obou větví tlumícího procesu. Pochopitelně existují i konstrukce hydropneumatických jednotek kombinujících funkci pružiny a tlumiče. V poslední době se u sportovních a závodních vozidel uplatňují opět dynamické tlumiče, v nynějším provedení nazývané J-dampery. Zdokonalování tlumičů se u vyšších tříd vozidel, kromě optimalizace, častého zjednodušování konstrukce a možnosti změny základního nastavení tlumícího účinku separátně v obou větvích procesu, většinou odbývá v oblasti regulace

91


tlumícího účinku v závislosti na provozních veličinách. Existují ovšem i další oblasti zdokonalování, např. použití rheologických kapalin. Obě funkce zavěšení, tedy odpružení a tlumení, jsou úzce provázány. V době, kdy jsou k disposici možnosti jejich relativně dobré regulace, je pochopitelná snaha obě funkce více propojit. Vznikají konstrukce poloaktivního odpružení a v dalším kroku i pokusy o aktivní odpružení s využitím hydraulických a hydropneumatických jednotek nebo např. lineárních elektromotorů. Proti dřívějším očekáváním rychlého uplatnění se tyto konstrukce prosazují velmi pomalu, zřejmě v důsledku nezralosti řešení, zvyšujícího se ekonomického tlaku a pokroku v optimalizaci klasického řešení, které nabízí lepší poměr nákladů a konečného efektu akceptovaného zákazníkem. Jednou z nejdůležitějších součástí podvozků vozidel jsou brzdy. Brzdové systémy prošly ve své, dnes více jak 120-leté historii silničních vozidel, dlouhým vývojem, od prvních systémů silně připomínajících selské potahy, samozřejmě s plně mechanickým ovládáním brzd, po dnešní sofistikované elektronicky řízené systémy osobních i užitkových vozidel. U osobních vozidel dominují hydraulické systémy, zatímco užitková vozidla a autobusy využívají především pneumatické systémy, hlavně z důvodu geometrické vzdálenosti náprav. U užitkových vozidel jsou jednotlivé komponenty značně vzdálené. Pochopitelně se u nich používají i systémy kombinující oba základní systémy – tedy hydro-pneumatické systémy a u speciálních vozidel existují i elektrické brzdné a strojní systémy. Brzdy jsou jedním z hlavních prvků aktivní bezpečnosti vozidel, jsou neustále zdokonalovány a staly se postupně jedním z klíčových, vysoce specializovaných dodavatelských produktů. Vývoj se týká především konstrukce, která zajišťuje robustní a efektivní brzdný účinek, což koncem minulého století vedlo, až na zdůvodnitelné výjimky, především u užitkových vozidel, k dominanci kotoučových brzd, většinou s vnitřním chlazením kotoučů. Kotoučové brzdy pracují s vysokým měrným tlakem, který zajišťuje rychlý a spolehlivý náběh brzdného účinku v jakýchkoliv provozních podmínkách. Využití bubnových brzd, hlavně u těžkých užitkových vozidel, umožňuje dnes převažující doplnění brzdového systému retardéry, které jsou založeny většinou na generaci vířivých proudů a disipaci vzniklého proudu ve formě tepla. V současné době jsou retardéry obvykle součástí převodových systémů a přebírají často přes 80 % brzdného účinku. Kromě konstrukčního vývoje vlastních brzd a použití retardérů došlo k neuvěřitelnému pokroku i v dalších oblastech, jako ve třecích materiálech, brzdových kapalinách, konstrukci samostavů, těsnících materiálů atd. Pochopitelně brzdové systémy, jako hlavní komponent aktivní bezpečnosti, nemohly uniknout nástupu elektrických a elektronických systémů. Zpočátku se tak dělo pouze v oblasti sběru dat, ale v posledních 30 letech nastoupily různé podpůrné funkce, které ovlivňují proces brzdění, dnes někdy i bez ohledu na počínání řidiče. Jde o posilovače, systémy ABS, brzdové asistenty, systém ASR nebo stabilitní funkce jako je ESP. Tím ovšem vývoj v této oblasti nekončí a postupně budou zaváděny další podpůrné systémy založené i na komunikaci s externím prostředím, v první fázi vozidlo-vozidlo (v2v) nebo později vozidlo-prostředí (v2i). Jde o řadu systémů, jejichž zcela nezávislou funkci reprezentuje např. automatické brzdění při dramatickém zkracování vzdálenosti od před námi jedoucího vozidla nebo od přibližující se překážky. Poslední změnou, která může podstatně ovlivnit konstrukci náprav a především zavěšení a uchycení kola, je očekávané umístění trakčních elektromotorů do kol v souvislosti s prosazováním se hybridů a e-mobility. Již v současné době probíhá intenzivní vývoj

92


trakčních motorů do nábojů kol. Pochopitelně trakční elektromotory mohou být současně využívány pro brzdění i rekuperaci kinetické energie na energii elektrickou. To by samozřejmě kromě konstrukce uložení kola výrazně ovlivnilo kapacitu a konstrukční uspořádání brzd. V současné době již vznikají podobné konstrukce u různých typů vozidel až po vozy F1 v souvislosti s opětovným zakotvením systému KERS v pravidlech FIA od roku 2012. Dá se předpokládat, že existující konstrukce doznají značných změn i v souvislosti s vývojem v dodavatelském průmyslu, který se s tímto krokem bude muset teprve vyrovnat. Směry výzkumně-vývojových prací v oblasti vlastního podvozku budou směřovat především do dodavatelského průmyslu na nakupované systémy a hlavně se budou týkat brzdových systémů a jejich elektronizace. Jde o jednu z nejdůležitějších funkcí na vozidle. Kromě toho brzdění je jedna z oblastí, na které se zaměřují koncepty integrální bezpečnosti, ať již v jakémkoliv vývojovém stupni. Brzdy jsou pochopitelně, vzhledem ke své důležitosti, v centru pozornosti vyvíjející se legislativy. Ta bude, kromě pokračující optimalizace a stupňování kapacity brzd, určující. Související vývoj elektronických funkcí brzdového systému je jednoznačnou ilustrací. Naopak vývojáři jízdních vlastností a zavěšení budou muset řešit zcela nové konstrukční uspořádání kolového složení a problém podstatného nárůstu neodpružených hmot. Průběžně se zvyšují nároky na kvalitu chassis-managementu a v delším časovém horizontu je možno očekávat prosazení se poloaktivního nebo aktivního zavěšení, které by případně rekuperací energie mohlo z menší části pokrývat stále rostoucí spotřebu elektrické energie vozidla. Postupnou modifikaci zavěšení a uložení kola při uplatnění trakčních kolových elektromotorů očekáváme dříve, ale rychlost zavádění bude záležet i na mnoha netechnických rozhodnutích podle rychlosti prosazování e-mobility. Uchycení kol, řízení a posilovací systémy Po nápravách, zavěšeních, odpružení a tlumení je dalším logickým krokem směrem k vozovce uchycení kol a řízení. Jde o prakticky ustálené konstrukce jak u zadních, tak většinou i předních náprav. Podstatné změny v posledních desetiletích vycházely především z náhrady bubnových brzd kotoučovými a s tím související optimalizace uspořádání větších brzdových třmenů (vícepístové systémy, chlazení disků) do zmenšujícího se vnitřního prostoru disků. Současně s tím musí být řešena potřeba odvodu stále většího množství tepla při současné snaze o minimalizaci neodpružených hmot a tím zlepšení jízdních vlastností. Paralelně s tím probíhá i optimalizace vnitřních silových poměrů systému zavěšení a minimalizace přenosu sil na nosnou strukturu. Z hlediska vlastní konstrukce těhlic a uspořádání brzd bylo u osobních a části užitkových vozidel důležité zavedení integrálních kolových ložisek různých typů, které napomohly řešení nezbytné optimalizace konstrukčního uspořádání, zjednodušení výroby i seřizování kolové skupiny. Tento trend pokračuje snahami o další optimalizaci těchto ložisek (vyrovnání životnosti obou řad tělísek apod.). Systémy řízení neprocházejí žádnými velkými změnami. Také jejich konstrukce se ustálila pro jednotlivé kategorie vozidel a u většiny výrobců jde o nakupované díly. Řešení koncepce a provedení řídícího systému, volantové tyče a vložených deformačních členů je obvykle kompromisem mezi optimální funkcí a prostorovými možnostmi. V nedávné

93


době byly časté pokusy o zdokonalení funkce řízení vozidla přidáním možnosti přiřizování nebo řízení zadní nápravy. Tyto snahy byly motivovány odlišně u jednotlivých kategorií. U osobních vozidel mělo jít o další zdokonalení jízdních vlastností v silničním provozu, u užitkových vozidel kromě toho i o řešení specifických manévrů vozidla a zlepšení ovladatelnosti dlouhých vozidel (hlavně autobusů), jejich parkování nebo manévrovací schopnosti speciálních provedení nákladních vozidel. Pochopitelně existuje řada podobných systémů, které jsou používány u specifických vozidel (off-road, velká mechanizace atd.), ale uplatnění těchto systémů v masovém měřítku jsme se (s výjimkou autobusů) nedočkali. Opět jde o zdůvodnění zvýšených nákladů ve specifických případech. Potřeba se však netýkala celých kategorií vozidel, což neospravedlnilo investice do dalšího výzkumu, vývoje a zavedení. Především z důvodu jízdního komfortu a ergonomických hledisek je většina vozidel vybavována posilovači, ať již hydraulickými, podtlakovými nebo v poslední době elektrickými. V souvislosti s řízením a posilovači by měla být zmíněna snaha o zavedení systémů x-bywire. Různé systémy byly vyvinuty u řady výrobců i dodavatelů a jsou připraveny k zavedení. Existují technické argumenty zdůvodňující použití tohoto přístupu. Dosud ale převažují obavy a argumenty proti zavedení systémů steering-by-wire. Tato fakt vychází především z otázek bezpečnosti, spolehlivosti, elektromagnetické kompatibility a zdaleka ne v poslední řadě z právních rizik. Pochopitelně víme, že tyto systémy jsou vyráběny a byly zavedeny ve specifických případech (povrchové doly, velká mechanizace apod.), ať šlo o skutečné řízení kol resp. náprav nebo např. o řízení pohonu jednotlivých kol. V každém případě technologie x-by-wire pronikají do konstrukce vozidel (plynový pedál, řízení různých regulačních systémů), ale řízení-po-drátě bude pravděpodobně jedním z posledních míst pro jejich uplatnění. Obecně se u všech dosud probíraných podvozkových skupin projevuje přesun jejich výroby od finalistů ke specializovaným firmám, které výrobními počty dokáží kompenzovat obrovské náklady na výzkum, vývoj a technologické zajištění náročné výroby zajišťující konkurenceschopnost. Z důvodů ekonomických, logistických i technologických se dá očekávat, že tento trend bude v budoucnu pokračovat, ovšem situaci na trhu podstatně komplikuje zapojování hlavně velkých asijských ekonomik. Oblast výzkumu a vývoje související s tématem této kapitoly se v blízké budoucnosti bude týkat hlavně konstrukční optimalizace kolové skupiny, probíhající přímo u výrobců a dále technologického vývoje u dodavatelů, kteří musí plnit požadavky finalistů na dodávky komponentů této partie (těhlice, ramena, disky). Zvláštní poznámku si zaslouží ovládací systémy, mezi které můžeme zahrnout i různé typy posilovačů řízení, brzdový asistent, atd. Nejsou výjimkou vozidla, ve kterých je přes 100 akčních členů (elektromotorů, hydraulických či pneumatických členů ovládajících nejrůznější funkce – od posilovačů, stěračů, stahování oken až po ovládání střešních oken). Zde dochází ke stupňování požadavků a situaci nezjednodušuje fakt, že vše spočívá na enormní spotřebě strategických materiálů, především mědi. Elektronika a podpůrné systémy Vlastní elektronika, z hlediska elektronických obvodů, je řešena v jiné části tohoto materiálu, ale v souvislosti s konstrukcí a funkcí podvozku nebo chassis není možno se jí

94


nezabývat. Zde se zmíníme o elektronice pouze v souvislosti s funkcemi a vlastnostmi podvozkových komponentů a vlivu na chování podvozku resp. vozidla. První úrovní využití elektroniky ve vztahu k podvozku je sběr a zpracování dat a poskytnutí nezbytné informace řidiči – poruchy brzdového systému, pokles teploty a hrozba náledí, nízký tlak v pneumatikách, vzdálenost překážky při couvání apod. Druhá úroveň využití elektroniky pomáhá řidiči při ovládání vozidla – posilovač, elektrické ovládání, plynový pedál, brzdový asistent, uzávěr diferenciálu atd.. Třetí úrovní je přímý zásah elektroniky do práce řidiče bez jeho vědomí – ABS, ESP, ASR a další systémy zasahující především do funkce brzdění a přenosu trakce. Tím ovšem role elektroniky v konstrukci chassis nekončí, ale v budoucnu naopak poroste především s rozvojem integrální bezpečnosti. Pneumatiky I když pneumatiku obvykle nepovažujeme za součást podvozkového systému, nelze se jí v této kapitole studie vyhnout, protože z hlediska funkce k němu nerozlučně patří. Vyvíjet podvozek a vozidlo bez znalosti konkrétních vlastností pneumatiky je vyloučené. Pneumatika je pojítkem mezi vozidlem a povrchem jízdní dráhy a určuje tedy konečné trakční a jízdní vlastnosti celého vozidla. Pneumatiky patří mezi komponenty, které doznaly za poslední desetiletí neuvěřitelný pokrok, ať již z hlediska konstrukce, použitých materiálů, směsi pneumatiky, ale hlavně sledovaných vlastností. I přes to a možná právě díky rychlému vývoji a strmému nárůstu požadavků na pneumatiku z dlouhodobé praxe a zkušeností vyplývá, že v oblasti pneumatik dosud převládá nepřirozený stav. U většiny komponentů vozidla stačí jednoznačně definovat základní technické parametry a výsledná užitná hodnota vozidla je pak stejná (při dodržení specifikací), ať tento díl pochází z jakéhokoli zdroje. Pneumatika je tak složitý systém, že podobné očekávání neplatí (odborníci charakterizují tuto situaci tím, že říkají „pneumatika je zvíře“). U pneumatik předpisy a technické specifikace také definují základní vlastnosti tohoto produktu, ovšem nedostatečně a výsledné vlastnosti a tedy i užitná hodnota výsledného produktu – tedy vozidla - se formuje až nasazením správně nahuštěné pneumatiky pro určité provozní podmínky na konkrétní vozidlo. Navíc dosud přetrvává stav, kdy ani všechny potřebné vstupní vlastnosti pneumatik nejsou předpisy uspokojivě definovány, takže následně při nasazení na vozidlo (zejména pak při nasazení pro náhradní potřebu) mnohdy dochází k tápání, která pneumatika je či není pro dané vozidlo vhodná. Zvolená kombinace často může podstatně zhoršit jízdní vlastnosti vozidla a být i nebezpečná. Z toho vyplývají významné problémy pro orgány v resortu dopravy zabývající se schvalováním a provozem silničních vozidel. V praxi chybí jak správná definice, tak jakékoli objektivní zdroje dat a informací o výsledných vlastnostech pneumatik nasazených na vozidle pro nejrůznější specifické podmínky. Např. legislativa nezná pojem „zimní pneumatika“, definice současně existující skupiny pneumatik M+S je vágní a z praktického provozu na hranici použitelnosti. Jediný, kdo se více vazbou pneumatika-vozidlo musí zabývat, je výrobce vozidla. Ovšem výstupy (data) jsou výhradně jeho majetkem a do praxe se promítnou pouze tzv. „prvovýbavou“ vozidla, kdy si velmi přísně definuje konkrétní pneumatiky pro vozidlo, ale nemá možnost zajistit, aby pneumatika pro náhradní potřebu splňovala řadu kritérií, která zásadně ovlivňují chování vozidla a tím i bezpečnost silničního provozu. Tuto funkci by sice měly zajišťovat

95


předpisy, ovšem pro jejich tvorbu neexistuje dostatek podkladů. V daném prostředí tedy mohou vzniknout a také vznikají pouze kompromisní formulace, na základě kterých se pak v reálném provozu mohou objevovat konfigurace vozidel, jejichž vlastnosti mohou být velmi problematické. Z technického hlediska by tedy bylo nanejvýš žádoucí se detailněji zaměřit především na tyto základní vlastnosti pneumatik: • index přilnavosti za mokra v závislosti na použité pneumatice a jejím stavu opotřebení ve vazbě k předpisu EHK č.117 a Nařízení 1222/2009/ES; • valivé odpory vozidla v závislosti na použité pneumatice a jejím stavu opotřebení ve vazbě na třídy palivové účinnosti a ve vazbě k předpisu EHK č.117 a Nařízení 1222/2009/ES; • hodnoty vnějšího hluku odvalování pneumatik - viz homologační předpis EHK č.117.; • symboliku značení pneumatik jak z hlediska palivové účinnosti, tak z hlediska použití v konkrétních situaci např. v zimních podmínkách (například alpským symbolem M+S není zimní pneumatika dostatečně definována). * Trochu mimo kontext, ale bude užitečné uvést, že konečně dochází k urychlení dlouho připravované celosvětové harmonizace technických předpisů, alespoň na půdě EU. Vyšla směrnice upravující proces postupného rušení Směrnic EU paralelních k Předpisům EHK a bude docházet k postupnému plnému přechodu na legislativu EHK-OSN.

Podstatná je i otázka opotřebení a stárnutí. Je zřejmé, že u nových výrobků homologované typy pneumatik předepsané parametry budou muset plnit. Je ale také celkem reálné, že ne všechny produkty budou tato kritéria plnit po celou dobu životnosti, čímž se již předpisy vůbec nezabývají, ale pro provoz vozidla a bezpečnost silničního vozidla případné změny vlastností pneumatik mohou mít významný vliv. Takové změny parametrů budou mít i zcela zásadní vliv na chování vozidla, vazbu na ostatní vozidlové systémy i na vstupní parametry elektronických systémů vozidel, o kterých je pojednáno dále. Proto v rámci řešení výše uvedených oblastí pro pneumatiky je nutné se zabývat i změnami vlastností v průběhu životnosti pneumatiky. V průběhu vývoje vozidla není možno se vyhnout virtuálním přístupům, které by podstatně redovaly (s menším či větším úspěchem) objem finančně náročných vývojových experimentů – jízdních zkoušek. Ovladatelnost vozidla a vazba na konkrétní pneumatiku je ale tak komplexní problém, že ani nejmodernější počítačové modely pneumatik nedokáží postihnout s potřebnou přesností jejich chování, nehledě na již zmíněný problém, že související data i modely nejsou přístupné a zůstávají majetkem výrobců vozidla resp. pneumatik. Samozřejmě lze namodelovat jednoduché situace, zjednodušené vlastnosti pneumatik. Současný rychlý vývoj vozidla však sleduje velmi jemné detaily, pro které zatím není tolik podkladů – vstupů a zřejmě ani tolik nástrojů, aby je bylo možno modelováním postihnout. Přesto není možné oblast modelování v této kapitole vozidla podceňovat či opomíjet a je nutné se jí intenzivně věnovat s cílem postupného zpřesňování a zvyšování jejich finančního přínosu. Jde i o právní stránku věci. Výstupy „pneumatikářské“ oblasti jsou jednak nezbytné pro pokrok ve většině kapitol této studie, ale poskytují i podklady pro pochopení situací vznikajících v běžném silničním provozu. Současný stav legislativy řadu vzniklých

96


dopravních nehod přisuzuje pouze řidiči, jako nezvládnutí vozidla, nepřizpůsobení rychlosti, pozdní brzdění apod., ale z praxe je známé, že změnu vlastností pneumatiky a chování vozidla v průběhu provozu si řidič nemusí ani uvědomit. Vlastnosti pneumatik (konečně i kvalita vozovky), a tedy schopnost vozidla zvládnout určitý manévr, se mění trvale. Běžný řidič se do kritických situací nedostává tak často, aby se je naučil spolehlivě řešit. Když se pak po čase provozu dostane do krizové situace, mnohdy bývá velmi překvapen, že vozidlo selhalo v situaci, kterou dříve zvládl bez větších problémů. Ve výčtu problematiky pneumatiky je nutné se alespoň okrajově zmínit i o dalších dvou pohledech na vývoj pneumatik. Postupně se jedním z hlavních řešených problemů stává hluk vozidel. S radikálně klesající hladinou hluku motoru a dalších mechanických komponentů a současně se zvyšující se rychlostí vozidel (zvláště užitkových vozidel, autobusů) vzrůstá význam hluku pneumatik. Hluk působí problémy ve městech, ale je podstatným problémem i v krajině kolem dálnic, protože především rychlost odvalování je rozhodující faktor. Pokroku zřejmě není možno dosáhnout změnou konstrukce pneumatiky, ale pouze změnami složení směsi. Na vzniku hluku se ovšem stejnou měrou podílí i kvalita povrchu vozovek. Přes intenzivní výzkum zatím nebylo dosaženo významného pokroku, který by zajišťoval pokles hlučnosti na různých druzích povrchu vozovky. Druhým pohledem je skutečnost, že pneumatika je branou pro vstup vnějších sil do konstrukce vozidla a určuje stupeň namáhání vozidla. Její dynamické vlastnosti do značné míry ovlivňují dnes velmi podstatný parametr vozidel vyšších tříd – jízdní komfort. Existují samozřejmě i další souvislosti pneumatik s vlastnostmi vozidla, protože např. při čelním nárazu je pneumatika (společně se zavěšením předního kola) nezanedbatelným deformačním členem přední části vozu a určuje průběh zpoždění vozidla a ovlivňuje důsledky nárazu. Pneumatika je jedním z určujících faktorů bezpečnosti silniční dopravy a užitných vlastností vozidla. Informací o tomto produktu je ale relativně málo, čímž může dojít k tomu, že i technicky dokonalé vozidlo bude mít nevyhovující jízdní a brzdné vlastnosti díky špatně zvoleným pneumatikám nebo jejich plynule se měnícím vlastnostem. Hlavní objem práce na vlastním výzkumu a vývoji pneumatik je na jejich výrobcích. Vzhledem k jejich specifické funkci jsou ovšem náklady na výzkum a vývoj nemalého počtu komponentů (a především na vývoj celého vozidla) silně ovlivňovány nezbytným objemem jízdních zkoušek pneumatik a s pneumatikami u výrobce vozidla. Pochopitelně výzkumně-vývojové náklady komponentů ovlivňovaných vlastnostmi pneumatik závisí na kvalitě spolupráce finalista-dodavatel. Bezpečnost Bezpečnost vozidla dělíme z hlediska funkčního na aktivní a pasivní. Aktivní bezpečnost zahrnuje všechny cesty, kterými se výrobce snaží zabránit vzniku kolizní nebo jinak nebezpečné situace, zatímco pasivní bezpečnost dělá vše proto, aby v případě kolize, vyjetí ze silnice i ostatních typech nehod byly minimalizovány následky pro posádku vozidla, další účastníky silničního provozu eventuálně poškození prostředí. Bezpečnost je podrobně řešena ve zvláštní kapitole, která je zaměřena hlavně na integrální bezpečnost jako samostatnou disciplinu, zatímco aktivní a pasivní bezpečnost závisí převážně na jízdních vlastnostech, které jsou v podstatné míře dány naladěním chassis a pneumatikami. Obě oblasti tedy budou probrány pouze z hlediska podílu podvozku na bezpečnosti.

97


Na pasivní bezpečnosti se podvozek podílí méně. Proto tímto aspektem začneme. Konstrukce podvozku ovlivňuje deformace vozidla při čelním nárazu a tím průběh zpoždění, který je kritickým parametrem čelních i příčných nárazů. Díly podvozku podílející se na deformacích jsou prostřednictvím hlavně simulačních výpočtů postaveny tak, aby měly odstupňovanou tuhost a samozřejmě poskytly odpovídající tuhost kotevních míst, kde nesou další komponenty - z pohledu pasivní bezpečnosti např. nárazníky, ukotvení sedadel či pasů. Podvozek resp. příčná tuhost karoserie stejným způsobem ovlivňuje průběh deformací při bočním nárazu. Dále se tuhost hlavní struktury týká i řady dalších kritérií pasivní bezpečnosti – tuhosti kotevních míst pasů i sedadel, otevírání dveří po nárazu atd. Aktivní bezpečnost vyžaduje od podvozku především dosažení optimálních jízdních vlastností a stability vozidla. Hlavními oblastmi zájmu je v tomto případě zavěšení kol resp. náprav, včetně stabilizátorů a tlumičů. Podvozek a karoserie podstatným dílem přispívá k ovladatelnosti vozidla i stabilitě vyváženým rozložením hmot a jejich velikostí, prostřednictvím polohy těžiště, momentů setrvačnosti, těžiště aerodynamických sil apod. Klíčová úloha pro aktivní bezpečnost již byla zmíněna. Problémem pro konstruktéra, potažmo výrobce vozidla, je skutečnost, že řada dílů majících zásadní důležitost jsou nakupované díly. Uveďme pro ilustraci pár hlavních dílů od nejkritičtějších (brzdy, pneumatiky, tlumiče, bezpečnostní pásy atd.) až po zdánlivě nepodstatné drobnosti (závěsy dveří, zámky, stěrače, volant). Finální vlastnosti jsou tedy produktem nejenom dokonalé konstrukce, ale i volby dodavatelů, spolupráce s nimi na vývoji dodaných dílů a optimální kombinace základní konstrukce a nakupovaných komponentů. Jde tedy nejenom o technický, ale i ekonomický a logistický problém. Volba konečné konfigurace podvozkových systémů tedy často není optimální technické řešení s nejlepšími vlastnostmi, ale řešení které postačuje ke splnění legislativně definovaných zkoušek (zkoušky brzd, definované jízdní vlastnosti a stabilita atd.) při dosažení striktně požadovaných ekonomických parametrů, uspokojivé logistice nákupu a výroby. Z uvedeného je patrné, že konstrukce podvozku jako podstatné části celého vozidla znamená volbu a přijímání velkého množství vědomých kompromisů s cílem dosažení postačujících vlastností podvozku a karoserie zajišťujících potřebnou technickou úroveň řešení, konkurenceschopnost a akceptaci vozidla zákazníkem. Vývoj podvozku Vývoj podvozku resp. finálního vozidla u výrobce je tedy nesmírně komplexní proces, pozůstávající z velkého rozsahu teoretických a experimentálních prací prováděných vysoce kvalifikovanými týmy výzkumných a vývojových pracovníků. Vývoj je vždy technickým a ekonomickým kompromisem, který je komplikován dostupností potřebných komponentů, výrobními a logistickými problémy, nezbytnou dědičností a modularitou jednotlivých typových řad a mnoha dalšími hledisky. Kvalita finálního produktu spočívá především v inteligentní a technicky zdůvodněné kombinaci vlastního konstrukčního provedení s kvalitou nakupovaných dílů, jejichž vývoj je většinou prováděn nezávisle na konstrukci a požadavcích jednotlivého vozidla. Těžko lze univerzálně stanovit priority nebo hodnotit důležitost jednotlivých oblastí či vývojových etap.

98


Závěrem by v tomto případě měla být zdůrazněna komplikovanost a závažnost vývoje finální podoby vozidla, která je založena na mimořádné kvalifikaci pracovníků všech technických oborů, od konstrukce až po vývojová pracoviště a laboratoře.

8.3.3 Cíle VaVaI v oboru podvozků a karoserií v ČR Výzkum a vývoj podvozků je vázán na modulární stavbu současných vozidel, takže bývá u velkých koncernů účelně koncentrován. Snahou je podvozek individuálního provedení dosáhnout jen malými změnami parametrů. K tomu napomůže i očekávaný vzestup použití semiaktivních dílů s inteligentními materiály (např. tlumiče), případně i aktivních prvků. V této souvislosti jde v ČR tedy spíše o VaV a optimalizaci systémů integrovaného řízení podvozku (integrated chassis control, chassis management) popsaných v následující kapitole věnované vozidlové elektronice. V souvislosti se závažnými změnami koncepce hnacích jednotek vozidel (hybridní a elektrická vozidla) a s vylehčováním konstrukce celého vozidla se výrazně otvírá otázka konceptuální optimalizace podvozků a rámů vozidel, jak s ohledem na účelné využití materiálů vysoké pevnosti a nízké hustoty, tak ovladatelnosti vozidla s novými hnacími jednotkami (např. při pohonu všech kol z různých hnacích jednotek) a související problematika hluku a vibrací z hlediska komfortu posádky, případně i účinků na vozovku u těžších vozidel. Oblast návrhu karoserie patří k marketingově nejdůležitějším a tedy u finálních výrobců také k nejutajovanějším oblastem. V oblasti obecnějších problémů karoserií by se měla tedy státní podpora VaV zaměřit na pasivní bezpečnost (popsanou v předešlé kapitole), vylehčování konstrukce karoserií, vnitřní aerodynamiky prostoru pro cestující i motorového prostoru (chlazení, větrání, topení, klimatizace) a aktivní bezpečnost spočívající především v optimální kombinaci vlastností nosné struktury a nakupovaných dílů.

8.3.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti Výzkum a vývoj v oblasti podvozků vyžaduje úzkou specialisaci při vývoji jednotlivých podvozkových systémů, ale především mimořádný přehled, technický cit a znalost veškerých souvislostí, aby se při řešení podvozku kombinací vlastností jednotlivých komponentů dospělo k optimálním vlastnostem celého vozidla. Stejně komplexní musí být i vzdělání založené na perfektní teoretické přípravě a doplněné praktickými zkušenostmi a průběžným vzděláváním. Takové vzdělání nelze získat bez průběžného kontaktu s průmyslovými podniky formou externí spolupráce již v průběhu studia, stážemi a účastí odborníků z praxe na vzdělávání. Technickým citem je myšlen nejenom cit pro vlastní konstrukci a její technologičnost, ale také cit pro volbu vyváženého použití teoretických přístupů a experimentu.

99


8.3.5 Prioritní témata VaVaI v oboru podvozků a karosérií T8.3-1 VaV nových koncepcí podvozků vozidel s pokročilými hnacími jednotkami a integrovaným řízením z hlediska dynamiky vozidla, aktivní bezpečnosti i pohodlí a hluku. T8.3-2 VaV uplatnění inteligentních silových prvků v konstrukci podvozků (např. zavěšení kol, uložení hnací jednotky, optimalizace ovladatelnosti vozidla a NVH problémů, výzkum a vývoj podvozkových komponent - brzdiče, tlumiče, brzdné materiály, pneumatiky, technologie x-by-wire, atd.). T8.3-3 VaV lehké stavby karosérií a rámů (účelné využití materiálů o vysoké pevnosti, rámové konstrukce, krycí panely z lehkých kovů nebo kompozitových plastů, metody spojování) z hlediska hmotnosti vozidla, pasivní bezpečnosti i pohodlí a hluku. T8.3-4 VaV vnější aerodynamiky vozidel z hlediska odporu i hluku. T8.3-5 VaV vnitřní aerodynamiky, filtrace vzduchu a tepelné pohody v prostoru pro cestující s návazností na dostupné zdroje energie pro vytápění a klimatizaci: o problematika energetického zajištění zejména při použití alternativních hnacích jednotek, o vývoj nanofiltrů pro výměnu vzduchu ve vozidle – omezení ohrožení zdraví řidiče mikro- a nano-částicemi z provozu (saze, otěr spalovacího prostoru, brzdy, pneumatiky). T8.3-6 VaV proudění a řízení teploty dílů v motorovém prostoru, prostoru akumulátorů a v okolí výfukového systému.

8.3.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR Existují možné souvislosti s tématy Technologické platformy Silniční doprava.




100


Obr. 8.3.3

Obr. 8.3.4

101


Obr. 8.3.5

8.3.8 Použitá literatura a zdroje [8.3.1] Podklady zpravodajů expertních skupin pro obecnou bezpečnost (GRSG), chassis a pneumatiky (GRF) a pro hluk (GRB), které připravují podklady pro rozhodování WP-29, EHK-OSN [8.3.2] Předpis EHK 11-03 Zámky a závěsy dveří - Door latches and hinges [8.3.3] Předpis EHK 13-11 Brzdy a brzdění (M,N,O) - Brakes and braking (M,N,O) [8.3.4] Předpis EHK 13-H00 Brzdy a brzdění (osobní automobily) - Brakes and braking (passenger cars) [8.3.5] Předpis EHK 29-02 Pevnost kabin nákladních aut – Strength of the cabs of commercial vehicles [8.3.6] Předpis EHK 30-02 Pneumatiky motor.+ jejich přípoj.vozidel - Tyres for motor vehicles + their trailers [8.3.7] Předpis EHK 36-03 Konstrukce voz. k hrom. dopr. osob - Construction of large pas. Vehicles [8.3.8] Předpis EHK 51-02 Vnější hluk vozidel min. 4-kolových – Noise of at least 4-wheels vehicles [8.3.9] Předpis EHK 52-01 Konstrukce malých autobusů - Construction of small capacity PSV [8.3.10] Předpis EHK 54-00 Pneumatiky nákl.aut.a příp.voz. - Tyres for com. vehicles and trailers [8.3.11] Předpis HK 66-01 Pevnost karosérie autobusů - Strength of superstructure of large pas. Vehicles [8.3.12] Předpis EHK 75-00 Pneumatiky motocyklů - Tyres for motor cycles [8.3.13] Předpis EHK 78-03 Brzdění vozidel kategorie L - Braking of vehicles of category L [8.3.14] Předpis EHK 90-01 Náhradní brzdová obložení - Replacement brake lining [8.3.15] Předpis EHK 107-02 Vozidla kategorie M2 a M3 - Vehicles of category M2 and M3

102


8.4 Elektrická a elektronická výbava vozidel Elektrická a elektronická výbava představuje „nervový systém“ automobilu, který zasahuje do všech segmentů a integruje je do jednoho celku za účelem správného a bezpečného chodu automobilu. V této kapitole jsme zpracovali přehled trendů, které mají nejvýznamnější dopad na další vývoj v této oblasti, jakými jsou elektronizace řídicího systému automobilu, problematika EMC, „personalizace“ automobilu nebo nástup inteligentního osvětlení.

8.4.1 Světový vývoj Elektronizace řídicího systému automobilu Současný rychlý vývoj na poli elektrických a elektronických systémů, využití inovativních technologií, vysoký stupeň integrace, miniaturizace, zvyšování výkonu a v neposlední řadě díky velkoobjemové produkci klesající výrobní náklady – to vše jsou faktory, které se odpovídajícím způsobem odráží i v automobilovém průmyslu. Tomuto oboru stejně jako jiným (např. zábavní průmysl, IT, ...) to umožňuje reagovat na požadavky a potřeby zákazníků a na nové legislativní předpisy stále širším využitím sofistikovaných a komplexních řídících systémů. S rostoucí kupní silou zákazníků se tak často už do základní výbavy vozidel prosazují prvky a funkce, které byly dříve výsadou luxusních modelů, popřípadě jejich využití v automobilech nebylo reálné z technických nebo technologických důvodů (airbagy, centrální zamykání, parkovací senzory, …). Obdobný vliv má i stále větší množství zákonných požadavků kladených postupně například na bezpečnost vozidel jako takových (ABS, ESP, plánované automatické přivolání pomoci v případě nehody), emise CO2 (evropské emisní normy) atd. Dalšími faktory jsou pak snaha výrobců zajistit maximální možnou kombinovatelnost výbav, modularizaci (použitelnost dílů v různých produktech s minimálními změnami) a propracovaný systém vlastní diagnostiky. To jsou hlavní motivační prvky pro pokračující elektronizaci automobilových řídících systémů. Před 15-20 lety ve vozech převažovaly jednoúčelové elektro-komponenty nebo jednotlivé oddělené elektrické či elektromechanické systémy. Prvním a jediným elektronickým systémem byla řídící jednotka motoru. Dnes je již běžnou součástí i základních modelů většiny automobilových výrobců datová komunikační sběrnice propojující větší či menší počet řídících jednotek (konkrétní číslo se podle úrovně výbavy pohybuje řádově až v desítkách kusů). Ta umožňuje sdílení a vzájemné předávání velkého množství dat mezi jednotlivými komunikačními uzly sítě všude tam, kde použití diskrétních signálových vodičů již není efektivní z důvodů finančních nebo výrobních, nehledě na vysokou flexibilitu a kombinovatelnost jednotlivých výbav, která by bez elektronizace byla velmi komplikovaná. U mnoha výrobců dosáhla elektronizace již takové míry, že v nich musí být komunikační sběrnice rozdělena do několika podsystémů, které sdružují úzce spolupracující řídící jednotky (typicky jsou to oblasti pohonu, komfortních systémů, infotainmentu atd.). Propojení jednotlivých podsystémů pak zajišťuje centrální vstup, který řídí tok dat v rámci celého vozu.

103


Podle požadavků na rychlost komunikace, počet komunikačních uzlů, množství přenášených dat nebo odolnost proti rušení či defektu se používají různé typy sběrnic (viz obr. 8.4.1). Toto jsou nejrozšířenější z nich: -

-

LIN-Bus (jednovodičová sběrnice, komunikace typu master-slave, rychlost v desítkách kBit/s) CAN-Bus (dvouvodičová sběrnice s vyšší mírou odolnosti proti rušení, rychlost 100500kBit/s) Flex-Ray (sběrnice s vysokou mírou zabezpečení proti přenosovým chybám, využívaná např. pro elektronické systémy řízení – Steer-by-Wire nebo brzd – Brakeby-Wire, 10-20 MBit/s) MOST (optická sběrnice s velmi vysokou přenosovou rychlostí – až 150 MBit/s – využívaná pro přenos audia a videa při integraci multimediálních systémů do vozu) .

Obr. 8.4.1 Příklad komunikační sítě systému automobilu (zdroj: http://www.renesas.eu/app/automotive/)

Řídící systém motorové jednotky Současné řízení motoru, realizované obvykle v jednotce Engine Control Unit (ECU) zahrnuje hierarchický systém funkcí, řídících primárně dávkování paliva podle požadovaného momentu motoru nebo požadovaných zpětnovazebně řízených otáček motoru. Kromě toho řídicí jednotka sleduje základní diagnostické okruhy motoru a jeho

104


příslušenství s cílem zabránit poruchám motoru (podle povahy poruchy buď jeho okamžitým odstavením, snížením výkonu až po doporučení návštěvy servisu) a udržet parametry motoru a jeho příslušenství (zejména pro zneškodňování emisí) na zákonem předepsané úrovni. U současných řídicích systémů jde většinou o systémy s rychlou reakcí v čase jednoho až několika pracovních cyklů motoru. K tomu je zapotřebí řídit s cílem co nejrychlejšího splnění momentového požadavku při co nejvyšší účinnosti využití paliva i zneškodnění emitovaných škodlivin podle provozních podmínek (okamžité otáčky, požadavek na moment motoru, včetně atmosférických podmínek – viz obr. 8.4.2) tyto parametry: • • •

tvorbu směsi průběh hoření naplnění motoru vzduchem nebo směsí.

Pořadí v předcházejícím výčtu je dáno historicky, postupným rozvíjením řídících systémů zejména u výrobců příslušenství. Z dnešního hlediska je hierarchie procesů právě opačná, přičemž rychlost reakce je nejnižší u systémů přeplňování (desítky až stovky oběhů, tj. řád 100 ms), vyšší u řízení hoření (u zpětnovazebních systémů, jako je adaptivní regulace předstihu v rámci jednotek oběhů, tj. desítky ms) a nejvyšší u tvorby směsi, ovlivnitelné v rámci jednoho oběhu (ms).

Obr. 8.4.2 Příklad možnosti ovlivňování tvorby směsi (zdroj: Macek, Přednášky Spalovací motory ČVUT)

S rostoucím podílem mechatronických prvků v motoru i převodovém ústrojí roste možnost zásahu do dříve za provozu neměnitelných konstrukčních parametrů motoru (časování a rozfázování vstřiku paliva, jeho tlaku a velikosti průřezu vstřikovací trysky,

105


okamžik, intenzita a opakování zážehu elektrickou jiskrou, časování a zdvih ventilů s dopadem na složení i množství náplně válce a efektivní kompresní poměr, regulace plnicího tlaku turbodmychadla a/nebo mechanicky poháněného dmychadla pomocí odpouštění či škrcení vzduchu nebo změnou provozních parametrů kompresoru/turbiny, stupeň chlazení nebo ohřevu plnicího vzduchu, množství recirkulovaných výfukových plynů, dávkování pomocných látek pro zneškodňování emisí, regulace otáček všech pomocných zařízení pomocí elektrického pohonu, jako např. pro čerpadlo chladicí kapaliny, mazací čerpadlo, podávací vysokotlaké čerpadlo akumulačního vstřikovacího systému common rail, chladicí ventilátory, posilovač řízení, klimatizační kompresor atp.). Zvyšující se výkon procesorů řídících jednotek umožňuje rozšířit řízení podle předem naměřených statických charakteristik (look-up tables) na zvýšenou míru zpětných vazeb (closed loop control), umožňující stále rostoucí adaptivitu řízení (klasickým případem je adaptivní regulace předstihu zážehu pro snížení nebezpečí klepání) a inteligentní prediktivní regulátory, trénované před použitím na dynamických vlastnostech řízené soustavy. V budoucnosti lze očekávat jednak zvýšenou možnost zásahů řídícího systému do parametrů, jako je proměnlivý geometrický kompresní poměr, rozdělení motoru na samostatně pracující a vypínatelné části, elektrický pohon a individuální otáčkové řízení všech pomocných ústrojí, ale i nové možnosti elektrického přenosu výkonu a jeho hybridizace s příslušnými zásobníky pro rekuperaci trakční práce, tedy s elektrickými akumulátory, ultrakapacitory a pneumaticko-hydraulickými akumulátory pro větší výkony (např. u autobusů). Integrované řízení hnací jednotky navazuje na řízení motoru samotného. Samotné řídící systémy budou inteligentnější, ve větší míře budou prediktivní na několika časových úrovních (zlomek otáčky motoru – spalovacího nebo elektrického, několik až desítky otáček motoru pro delší časové konstanty reakce připojených příslušenství nebo jevů v motoru, jako je průběh hoření nebo jeho teplotní stav, desetiny až jednotky sekund pro reakci vozidla, jednotky až desítky sekund pro bezprostřední interakci s okolními vozidly v dopravním proudu na základě v2v včetně měření odstupu od předchozího vozidla a sledování jízdního pruhu, případně desítky minut pro řízení dojezdu po vybrané nebo optimalizované trase podle v2i. Kromě této prediktivity je nutná i provozní adaptivita, vycházející z okamžitých okolností provozu (intenzita provozu, výškový profil tratě, vzdálenost a obsazenost stanic pro doplnění zásob energie atp.) i vozidla samotného (vlastnosti paliva, zásoba paliva nebo nabití akumulátoru, stav hnací jednotky a systému pro zneškodňování emisí podle OBD, stav podvozku, kondice řidiče atp.). Čím inteligentnější systém, tím vyšší požadavky budou na již zmíněnou koordinaci jednotlivých autonomních řídicích jednotek. Obdobný vývoj a postupnou integraci lze očekávat u řízení podvozku, kde je nutno navíc integrovat již existující a z hlediska bezpečnosti nezávislé systémy ABS, ASR nebo ESP. Snižování spotřeby a emisí, využívání hybridních pohonů, rekuperace energie Obecným trendem je již několik let velký důraz na ekologické aspekty spojené s používáním automobilů. Komplexní řídící systémy již i ve vozech s konvenčním pohonem sledují a vyhodnocují činnost motoru, charakter jízdy, efektivitu využití paliva

106


a množství produkovaných emisních plynů. Dokáží vhodným způsobem korigovat nebo omezovat práci jednotlivých komponent tak, aby výsledná emise škodlivin i komfort posádky vozu byly optimalizovány, ale aby nedocházelo ani ke zbytečnému spotřebovávání elektrické energie, protože se stoupajícím zatížením alternátoru stoupá spotřeba paliva a s tím i emise (udává se, že zvýšení proudu o 1 A způsobí zvýšení emisí o cca 0,25-0,35 g CO2/km). S nástupem alternativních pohonů, hybridních technologií, elektromobilů atd. se samozřejmě možnosti ovlivňování ekologické zátěže způsobené využíváním vozidel budou nadále rozšiřovat. Pojmy jako rekuperace (dobíjení akumulátoru využitím kinetické energie mařené při brzdění) nebo StartStop (automatické zhášení a opětovné nastartování motoru např. na křižovatce) v kombinaci s postupující integrací funkcí a komponent, snižováním provozní i klidové spotřeby nebo pokročilým řízením palubní sítě vozu (odpojování nevyužívaných komponent nebo celých částí sítě za jízdy) otevírají další prostor pro úsporu pohonných hmot. Chassis management Úvod a vymezení pojmu Doména nazývaná chassis management je jednou ze tří hlavních oblastí elektroniky vozidla. Zbývající dvě jsou management pohonné jednotky (EMS – Engine Management System nebo ECU – Engine Control Unit) a elektrické výbavy vozidla – body management). Pozn. autora – do managementu pohonné jednotky se často zahrnuje řízení převodovky (TCU – Transmission Control Unit), často kombinované do jedné jednotky. Doména chassis managementu (regulace chassis) pokrývá systémy, jejichž cílem je řídit interakci vozidla s vozovkou – dynamiku vozidla. Řídící jednotka reaguje na požadavek vyslaný řidičem (požadovaná rychlost, brzdění, změna směru jízdy), stav a profil vozovky a podmínky okolního prostředí (teplota, vítr ap.). Jejím cílem je zajištění komfortu a bezpečnosti řidiče. Z hlediska bezpečnosti se jedná o doménu nejdůležitější. Dynamika vozidla • ABS (Anti-lock Braking System) Protiblokovací systém – Svojí funkcí (regulace tlaku v brzdičích) má zabránit zablokování kola při brzdění, a tím i ztrátě adheze mezi kolem a vozovkou. Díky systému ABS je vozidlo ovladatelné i při prudkém brzdění. • BAS (Brake Assist System) Brzdový asistent – Snižuje brzdnou dráhu. Sleduje rychlost a tlak sešlápnutí brzdového pedálu a zvyšuje brzdící tlak při rozpoznání nouzového brzdění (v nouzi řidič sešlápne pedál rychle, ale málo). • ESP/ESC/ASC (Electronic Stability Control) Stabilizační systémy – Korigují trajektorii vozidla akčním zásahem na brzdě kola při nedotáčivosti nebo přetáčivosti a minimalizují tak riziko smyku – porovnávají požadavek řidiče (vyjádřený úhlem natočení volantu) a skutečnou reakci vozidla – intenzitou brzdění jednotlivých kol pomohou změnit trajektorii způsobem, který požaduje řidič. • TCS/ASR (Traction Control System) – Protiskluzový systém – Omezuje hnací moment vozidla na maximální přenositelný moment mezi pneumatikou a vozovkou. Komunikuje s ECU pomocí CAN.

107


• DCS/MSR (Drag Control System) – Protiskluzový systém – Zvyšuje hnací moment na bezpečnou mez při brzdění motorem (např. na mokré vozovce). • Regulace přenosu a rozdělení kroutícího momentu na kola – Pokrývá širokou skupinu systémů s různými funkcemi. o TTC (Torque Transfer Control) – Usnadňuje trakci při průjezdu zatáčkou (za nepříznivých adhezních podmínek přenáší točivý moment z vnitřního kola na kolo vnější. o Elektronická uzávěrka diferenciálu o 4WD – four wheel drive – pohon všech 4 kol o Torque vectoring – rozdělení hnacího momentu mezi všemi koly o Torque split – rozdělení kroutícího momentu – u hybridních pohonů je nutno regulovat rozdělení kroutícího momentu mezi více zdroji (spalovací motor a elektrický motor) Pozn. – i zde je zřejmý „překryv“ s doménou managementu pohonné jednotky. • Kontrola tlaku v pneumatikách ... a další prvky Odpružení a tlumení Zmírnění rázů a otřesů karoserie a tlumení vlastního kmitání pomáhá zlepšovat pohodlí, ale také stabilitu • ABC (Active Body Control) • ICM (Integrated Chassis Management) – Tlumiče elektronicky řízené po sběrnici FlexRay Příklad spolupráce systémů a jejich distribuované architektury: ABS umožňuje ESP přibržďovat každé z kol jednotlivě, ABS a BAS musí být navzájem informovány; ASR a MSR omezují hodnotu kroutícího momentu v ECU atd. SW • Architektura SW o Operační systém real-time (např. OSEK) o Ovladače I/O o Komunikační vrstva a Abstrakční vrstva (HAL – HW Abstraction Layer) o Střední vrstva – např. podporující software AUTOSAR a zajišťující přenositelnost SW o Aplikační vrstva – řídící algoritmy • Diagnostika a reportování závad (OBD) • Aplikační SW - využití metod multivariable control, současný trend je MBC – Model Based Control (predikce veličin pomocí jejich modelů) • Různé vzorkovací časy komponent SW dle významu pro bezpečnost (10-100ms) • Plně distribuované systémy komunikující s ostatními komponentami a řídícími jednotkami – viz komunikační protokoly • Vývoj aplikačního SW, tlak na urychlení vývoje (time to market), rostoucí podíl vývoje pomocí technik nazývaných Model Based Design • Různé normy zaručující spolehlivost ASIL, ISO26262, MISRA, IEC61508

108


HW • řídící jednotka – mikrokontroler 16 nebo 32 bit, tištěný spoj (PCB), paměti (flash a EPROM) a další • sensory – snímače (příklad nejdůležitějších) o příčné zrychlení o gyroskopický snímač měřící stáčení vozidla (kolem svislé osy) o otáčkoměr individuálně pro každé kolo o úhel natočení volantu Komunikační protokoly • CAN (100 – 1000 kbit/s) • FlexRay (10Mbit/s) – vyvinut pro systémy x-by-wire (brzdění a zatáčení) – důraz na bezpečnost a rychlost (rychlejší než CAN) Budoucí vývoj • Diagnostika bude pravděpodobně hrát stále větší roli – její rozvoj souvisí s legislativou a s rostoucím výpočetním výkonem mikrokontrolerů (modelování a predikce veličin). • Lze očekávat větší míru standardizace (pro SW např. AUTOSAR), tlak na spolehlivost a s tím související zavádění norem. • Tlak na zvyšování spolehlivosti HW, rychlosti a spolehlivosti komunikačních protokolů (větší zastoupení FlexRay). • Větší podíl Model Based Design a simulačních nástrojů pří vývoji aplikačního SW (tlak na snížení nákladů a času potřebného k vývoji, zvýšení spolehlivosti). • Lze očekávat více systémů predikujících potenciální kolize, stav vozovky a sledující okolí automobilu nebo systémy komunikující s jinými vozidly (v2v - Vehicle to Vehicle) nebo s okolní infrastrukturou (v2i - Vehicle to Infrastructre). Osvětlení automobilu Jednou z výrazně specifických součástí automobilů je exteriérové osvětlení. Nejen kvůli primární funkci, kterou je splnění mandatorních požadavků – vidět a být viděn – vyplývajících z norem týkajících se bezpečnosti silničního provozu, ale exteriérové osvětlení je také velice efektivním a často využívaným způsobem k stylistické identifikaci automobilu jako takového, nebo dokonce značky či celého koncernu. Současné trendy a výhledy naznačují, že exteriérové osvětlení automobilů postupně opouští klasickou pasivní funkčnost a stává se aktivním komponentem v komunikaci v rámci silničního provozu a zvyšování jeho celkové bezpečnosti. Světlometové systémy První modifikací pasivní role osvětlení automobilů byla unikátní konstrukce světlometů (Citroen ID a DS) před více než 50 lety, které byly zdvojeny a jeden pár se natáčel současně s předními koly, jako je tomu u motocyklů. Od roku 2003, kdy se objevilo osvětlení do zatáčky, první skutečně moderní prvek adaptivního předního osvětlení, nastaly velké změny v oblasti světelných funkcí světlometu. Můžeme vidět integraci nových elektronických technologií a techniky: miniaturizace senzorů, ovladačů a řídících

109


jednotek. Plný systém AFS (Advanced Frontlighting System) se objevil v roce 2007, kamerové systémy automatického přepínání dálkového a potkávacího světla a adaptivního rozhraní světlo-tma v roce 2009. Konvenční světlomety jsou vybaveny dálkovými a potkávacími světly a nabízejí řidiči přepínání mezi dvěma světelnými svazky. V případě horšího počasí je jistým zlepšením doplňkový mlhový světlomet, který může řidič spínat v závislosti na podmínkách viditelnosti. Adaptivní světlomety automaticky a dynamicky přizpůsobují osvětlení automobilu podle vozovky, počasí a podmínek silničního provozu. V prvním kroku jsou tyto přídavné světelné funkce integrovány do hlavního světlometu a je umožněno automatické přepínání mezi jednotlivými úrovněmi rozdělení světla. To je realizováno systémem AFS, který poskytuje jednotlivé světelné funkce, koncepčně podobné klasickému dálkovému a potkávacímu světlu s tím rozdílem, že poskytuje více světelných funkcí a ty jsou vybírány automaticky nezávisle na řidiči. Rozdělení světla je přizpůsobené rychlosti vozidla, typu silnice a povětrnostním podmínkám.

Obr. 8.4.3 Příklad plně LED světlometu s AFS systémem (zdroj: www.hella.com)

Druhý krok zahrnuje nejen rychlost, stav vozovky a počasí, ale také podmínky silničního provozu s detekcí vozidel jedoucími za a před naším vozidlem a s optimalizací viditelnosti bez zvýšení oslnění. Detekce vozidel vyžaduje použití kamerových systémů, které vyrábějí dodavatelé působící obecně mimo oblast automobilového osvětlení. Takovými systémy jsou např. asistent spínání dálkového světla, adaptivní rozhraní potkávacího světla a neoslňující dálkové světlo. Zadní svítilny Expanze světelných zdrojů LED je v poslední dekádě patrná ve všech odvětvích světelné techniky. Výjimkou není ani exteriérové signální osvětlení automobilů. Právě naopak, téměř okamžitý náběh funkčnosti je zjevnou výhodou zejména pro brzdové světlo, kde se právě díky aplikaci LED výrazně snižuje reakční čas řidičů a tím se zvyšuje bezpečnost

110


silničního provozu. Můžeme říct, že „LEDky“ otevřely novou kapitolu zejména pro nové stylistické možnosti automobilových návrhářů. S ohledem na nižší požadavky jasu světelného zdroje v porovnání se světlomety a zároveň vysoké nároky na homogenitu „plošného“ osvětlení je možné jako další světelné zdroje pro exteriérové osvětlení automobilů uvést OLED nebo Elektroluminiscenční fólie, v současnosti využívané pro osvětlení interiérů. Inteligentní exteriérové signální osvětlení Současné trendy a výhledy naznačují, že i exteriérové signální osvětlení automobilů postupně opouští klasickou pasivní funkčnost a stává se aktivním komponentem komunikace v rámci silničního provozu a při zvyšování jeho celkové bezpečnosti. Signální svítilna nemá být vnímána jen jako výstup signálu o změně směru jízdy nebo brzdění, jak tomu je dosud. Prostřednictvím příslušných vstupů signálu vně i v ní samotné má být zdrojem dalších informací a má umožňovat přídavné odezvy na tyto signály pro zvýšení komfortu jízdy kolemjedoucích vozidel nebo pro zvýšení bezpečnosti.

Obr. 8.4.4 Příklad integrace přídavných signálů do exteriérového signálního osvětlení automobilu (zdroj: www.edag.com)

Jednou ze současných možností, jak zvýšit přidanou hodnotu signálního osvětlení, je integrace senzoru zašpinění svítilny. V případě, že centrální řídící jednotka prostřednictvím signálu ze senzoru vyhodnotí povrch krycího skla svítilny jako znečistěný, nastaví vyšší úroveň napájení pro příslušný kanál obrysové funkce, takže informační hodnota signálu pro kolemjedoucí vozidla nebude nijak ochuzena a nemělo by dojít ke kolizi zapříčiněné nedostatečným osvětlením obrysu vozidla. Je ale zřejmé, že taková funkčnost není možná bez přídavných komunikačních kanálů, logických členů a použití předimenzovaných světelných zdrojů. Stírací systémy motorových vozidel V současnosti pracují stírací systémy motorových vozidel na bázi mechatronického modulu řízeného prostřednictvím centrální řídící jednotky podvolantovým přepínačem

111


a senzorem deště. Funkci dále ovlivňuje několik dalších veličin interpretovaných přes bránu řídícího systému (rychlost, teplota, komfortní funkce). Mechanická část jednomotorové pohonné jednotky se skládá z pák a táhel soupravy vyrobených převážně z ocelového plechu a slitin hliníku. Těleso motoru a převodovky je vyrobeno z plastů a slitin hliníku. Celá souprava je upevněna ve vodním kanále. Použitý elektromotor je buď rotační bez elektroniky, řízený pouze prostřednictvím centrální řídící jednotky nebo se jedná o reverzní motor s vlastní elektronikou komunikující s vozem po sběrnici LIN. V oblasti pohonné jednotky se pro budoucí vývoj počítá především s optimalizací systému s ohledem na snižování emisí CO2. Toho bude dosaženo několika způsoby: - snížení hmotnosti celého kompletu vyšším využitím plastických hmot, především u zděří a upevňovacího elementu elektromotoru, - snížení energetických nároků prostřednictvím řízeného dávkování výkonu pohonné jednotky v závislosti na okamžité výkonové potřebě dle provozních podmínek. Dále bude zvýšenou intenzitou hledáno optimální uložení soupravy s ohledem na minimalizaci negativního působení z hlediska ochrany chodců v kolizních situacích. Jednou z možných cest je i zavedení dvou přímo řízených stěračových motorů s přímým pohonem stěračů. Při určitých aplikacích může toto řešení snížit hmotnost i cenu vývoje celé soupravy a zástavbově přispět k ochraně chodců. Stěrače jsou používány buď konvenční – tj. vahadélkové stěračové břity, plastové spoilery a „hákové“ napojení na rameno nebo stěrače typu AERO (Flat) – tzn. přítlak je realizován prostřednictvím ocelových planžet, spoiler je integrován ve stěrači, napojovací adaptér mezi břitem a ramenem je proveden prostřednictvím 19mm adaptéru. Nejpoužívanějším typem samotného stěrače jsou pro evropské trhy stěrače typu AERO, které tvoří z velké části plasty. Toto technické řešení odpovídá trendům v oblasti optimalizace hmotností, nákladů a uživatelského komfortu. Trendy v oblasti stíracích ramen a lišt se soustředí především na další zdokonalování tohoto technického řešení. Především se jedná o maximální snížení provozních hluků při pohybu lišty po skle: • nasazení nových typů profilů optimalizovaných z materiálového a geometrického hlediska pro minimalizaci vznikajícího hluku • optimalizace točivého momentu a průběhu rychlostí pohonu v situacích kritických pro vznik hluků Snížení viditelnosti stěračů v parkovacích polohách (pasivní bezpečnost): • zmenšení napojovacích adaptérů z 19 mm na 12 mm • využití parkovacích poloh u reverzních motorů Zvyšování kvality stírání, životnosti a snižování hmotnosti stíracích lišt: • hledání nových materiálů – nahrazení pryže za plast • nahrazení oceli za plast v konstrukci ramen stěračů

112


Uživatelské rozhraní pro ovládání funkce stíracích systémů bude nadále zdokonalováno. Již dnes používané standardní ovládání podvolantovým přepínačem a rozhraním pro personalizaci „MaxiDot“ bude nadále využíváno a doplněno vyšší verzí, která bude pomocí dotykového ovládání umožňovat komfortnější a komplexnější nastavení uživatelských funkcí a jejich parametrů. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Jednotlivé elektrické a elektronické komponenty ve vozidle mohou při své činnosti vytvářet rušivá elektromagnetická pole nebo mohou být naopak takovými poli nežádoucím způsobem ovlivněny. Pro správnou funkci celého systému elektrické výbavy vozidla je tedy nutné, aby úroveň emitovaného rušení nepřekračovala určité limity a na druhou stranu, aby jednotlivé komponenty byly do určité míry odolné vůči tomuto rušení. Jednotliví výrobci automobilů stanovují limity elektromagnetických emisí a úroveň imunity vůči rušivým vlivům ve svých specifikacích EMC. Testy, které se provádějí při kvalifikaci elektronických komponent, je možné rozdělit následujícím způsobem: 1. Testy odolnosti (imunity, susceptibility) vůči rušení 1.1. Imunita vůči elektromagnetickému záření (radiated immunity, RI). Specifikace automobilek vycházejí obvykle z norem CISPR-16 a ISO-11452. 1.2. Imunita vůči rušení po vedení (conducted immunity, CI). Jde o pulzy vysílané do palubní sítě např. spínáním indukčních zátěží, pulzy a přepětím vznikajícím při funkci a poruchách nabíjecí soustavy apod. Specifikace vycházejí obvykle z normy ISO-7637. 2. Měření emisí. Způsoby měření jsou popsány v normách CISPR-16 a CISPR-25 2.1. Měření elektromagnetického vyzařovaní (radiated emissions, RE). 2.2. Měření emisí do vedení, do palubní sítě vozu (conducted emissions, CE). 3. Odolnost vůči elektrostatickým výbojům (ESD). Obvykle se vychází z normy ISO-10605. Testování se provádí na úrovni komponenty i vozidla. Ve vozidle lze provést pouze testy RE a RI (t.j. měření anténou). S rostoucím rozsahem aplikací elektroniky ve vozidlech roste i význam problematiky EMC. Výrobci automobilů i elektronických komponent musí této oblasti věnovat pozornost, potřebují rozvíjet firemní know-how (expertní posouzení nových konceptů, optimalizace EMC při vývoji apod.) a možnosti testování (kritické testy EMC je výhodné provést v prvních fázích vývoje). Zatím jsou legislativní požadavky EMC dány předpisem ECE č. 10 (jednotná ustanovení pro homologaci vozidel z hlediska elektromagnetické kompatibility). Homologace EMC vozidel a v některých případech i komponent (především standardních dílů používaných ve více typech a modelech vozidel) se provádí podle tohoto předpisu. V současné době se připravuje významná změna uvedeného předpisu související se zaváděním elektromobilů. Do předpisu budou doplněny nové testy imunity a emisí souvisejících s provozem dobíjecích systémů elektromobilů. Návrh série dodatku 04 k předpisu ECE č. 10 byl vypracován expertní skupinou pro elektrické a elektronické systémy GRE a bude

113


předložen ke schválení WP29 (pracovní skupině 29, která schvaluje homologační předpisy – viz ECE/TRANS/WP.29/GRE/2010/54). Rozvoj prvků aktivní i pasivní bezpečnosti a asistenčních systémů Stále komplexnější systémy sledující chování vozu, jízdní situaci, okolí vozu i chování řidiče za jízdy umožňují upozornit řidiče na správné chování během jízdy (připoutání, zablokování funkcí, které během jízdy mohou nadměrně odvádět pozornost, upozornění na nebezpečí náledí), předcházejí vzniku nebezpečných situací (asistenční systémy sledující nadměrnou únavu řidiče, mikrospánek, nechtěné opuštění jízdního pruhu), včasným zásahem korigují nebezpečné jízdní situace (ABS, ESP, ESR), popřípadě pomáhají snižovat následky nehody, pokud k ní dojde (airbagy, automatické odemknutí vozu a odpojení palivového čerpadla). V této oblasti lze očekávat další zdokonalování a doplňování zmíněných systémů o nové prvky, ale i rozšíření funkcionality směrem k hlubšímu využití komunikačních technologií a telematických systémů. V nejbližších letech se očekává zákonné zavedení celoevropského systému eCall pro automatické přivolání pomoci v případě nehody nebo například využití národních nebo privátních informačních systémů, které umožní navigačním přístrojům flexibilně přizpůsobovat plánovanou trasu aktuální dopravní situaci. Zde se otevírá i možnost využití přímé komunikace mezi vozidly (v2v) nebo vozidlem a prvky dopravní infrastruktury (v2i), které umožní skutečně bezprostřední předávání informací o situaci v blízkém okolí vozu. Řidič se tak např. dozví, že 2 km před ním v mlze za nepřehlednou zatáčkou došlo k nehodě a včas přizpůsobí rychlost jízdy. „Personalizace“ automobilu Nejedená se o personalizaci, jak ji poznáme nyní, kdy se pomocí kolekce sad výbav na přání snaží výrobci automobilů o individuální přístup k zákazníkovi. Architektura řídícího systému automobilu a celková elektronizace umožňují přesné nastavení vozu podle konkrétního řidiče. Například prostřednictvím bezpečnostního čipu v bezklíčovém odemykání a startování vozidlo rozezná uživatele a přizpůsobí nastavení zpětných zrcátek, sedadla řidiče, zádržného systému, polohy pedálů vůči volantu, klimatizace nebo nastavení oblíbeného seznamu skladeb v audiosystému. Další možností je přenos dat, například pomocí bluetooth, z mobilního telefonu řidiče do systému komfortu a multimédií. Takto je možná nejen multimediální identifikace posádky vozu (stahování multimediálních souborů do systému vozidla), ale také například výpočet optimální trasy pro navigaci z dat v plánovači dne, seznamu kontaktů a adres v mobilu a za přispění dat z dynamické navigace. Autonomní chod vozidla Dosud jsme se zmiňovali pouze o elektronických systémech založených na provozním stavu vozidla a chování řidiče, bez ohledu na vnější prostředí a konkrétní dopravní situaci. Další úrovní budou systémy založené na komunikaci s vnějším prostředím (vozidlovozidlo v2v, resp. vozidlo-silnice a s ní spojené systémy v2i) nebo reagující na příkazy přicházející z vnějšího prostředí. V tomto případě bude elektronika nezávisle na chování řidiče zasahovat resp. korigovat jeho zásahy. Klasickým případem je prudké zkracování vzdálenosti mezi naším a před námi jedoucím vozidlem. V tom okamžiku dojde

114


k automatickému brzdění, jehož způsob a intenzita budou závislé na vyhodnocení primární informace inicializující tuto funkci a souvisejících informací charakterizujících provozní stav vozidla a vnější provozní podmínky - rychlost vozidla, trakční podmínky atd. Zásahem elektroniky dojde k automatickému snížení rychlosti jízdy např. i v případě, že se budeme blížit k nehodě, kterou nejsme sami schopni identifikovat a současně s automatickým zásahem elektroniky se u vozidla zapnou výstražná světla, která na vznikající situaci upozorňují další přijíždějící řidiče. Vrcholným stupněm elektronizace vozidel má být zavedení integrálního systému řízení dopravy, který bude založen na vyhodnocení všech komponentů celého dopravního systému, tedy jednotlivých vozidel, silnice, systémů řízení dopravy, klimatických podmínek, dopravních omezení apod. Počítač bude průběžně vyhodnocovat aktuální situaci i simulovaný vývoj dopravní situace v daném místě a bude přijímat rozhodnutí o nezbytném zásahu. Nejjednodušší zásah si dokážeme představit v podobě informace pro každé vozidlo ve formě odklonu dopravy z míst nehod, dalších dopravních omezení nebo klimatických problémů ať již prostřednictvím pouhého doporučení konkrétnímu řidiči, nebo odpovídajícího zásahu do řízení systému (světelné křižovatky, výstražné cedule, změna dopravního značení atd.). Vizi vrcholného stupně elektronického komfortu popsal následujícím způsobem asi před čtvrtstoletím prof. Fiala, tehdy člen představenstva koncernu VW: „Po zavedení plného integrovaného řízení ráno sedneme do vozidla, vložíme do palubního počítače informaci o cíli naší cesty a vyrazíme. Projedeme trasu k nejbližší dálnici spojující naší výchozí pozici s cílem cesty. Při nájezdu do najížděcího pruhu dálnice převezme počítač řízení a rozjede vozidlo na potřebnou rychlost. V tom okamžiku po dálnici přijíždí kolona vozidel řízených počítačem nebo profesionálním řidičem vedoucím „řízenou kolonu vozidel“. Kolona je složena z vozidel řízených počítači tak, že se pohybují stejnou rychlostí a mezi jednotlivými vozidly je vzdálenost menší nežli 2 m. V době, kdy naše vozidlo v najížděcím pruhu dosáhne potřebné rychlosti, kolona vozidel se rozpojí a vytvoří mezeru pro naše auto, které se do ní zasune a kolona se opět zahustí na předepsané vzdálenosti mezi jednotlivými vozidly. Jakmile se budeme blížit k místu, kde máme opustit dálnici, počítač nás vzbudí, přezkouší naši bdělost, vyjede z kolony a předá nám zpět řízení vozidla. My potom dojedeme zbývající úsek k cíli cesty.“ Trochu frustrující představa. Podobně frustrující je otázka zavádění podobného systému, založeného pochopitelně na harmonizované legislativě a právních úpravách, protože již v přechodné době by bylo nutno garantovat bezpečnost a vyřešit otázku právní odpovědnosti za provoz popsaných vozidel, a to i v interakci s vozidly a infrastrukturou předcházejících generací a zaručit „stoprocentní“ spolehlivost všech komponentů navrženého systému založeného na mezinárodní standardizaci, politické shodě a globální kompatibilitě. Při takové vizi integrovaného systému řízení dopravy každého napadne, jakým směrem se bude v blízké budoucnosti elektronika vyvíjet a začne přemýšlet o reálnosti podobné vize. Např. nedávné problémy japonské firmy se sérií smrtelných havárií vozidel na území USA vedou k určité skepsi. Vozidla v některých případech, díky chybnému naprogramování funkce plynového pedálu, zcela nečekaně nastavila plný plyn a akcelerovala bez ohledu na marné snahy řidiče zastavit vozidlo. Elektronika v případě plného plynu totiž zcela odstavila funkci brzdění vozidla. K odhalení fatální chyby přispěla obdivuhodná reakce

115


jednoho řidiče, který v zoufalé situaci, kdy se řítil po silnici s neovladatelným vozidlem, dokázal situaci až do okamžiku smrtelné havárie natočit na vlastní mobilní telefon a současně informovat policii. Na druhé straně v Evropské unii běží programy připravující elektronické prostředí na postupné zavádění výše uváděné vize „řízených kolon“, jako kroku na cestě k aplikaci plně integrovaného řízení, do praxe. Pochopitelně vznikají vize o dalším vývoji. Vzhledem ke skutečnosti, že v současné době se pokrok v oblasti automobilů odehrává z 60 % v oblasti elektroniky, nabízejí se pochopitelně i zdokonalení, která lze s nesporným přínosem využít okamžitě. Ukončeme v tomto okamžiku řešení čistě filosofické otázky, kde jsou limity vývoje elektroniky a jejího podílu na zdokonalování vozidel a silniční dopravy. Je možno očekávat, že nadále bude přetrvávat situace, kdy nadpoloviční objem výzkumně-vývojových prací bude věnován elektronice a technologiím IT. Každým přidaným stupněm volnosti např. systému integrální bezpečnosti se geometrickou řadou znásobují nároky na sběr, přenos a zpracování dat. Při současném vývoji ostatních komponentů většinou vázaných na elektroniku a skutečnost, že elektronika je převážně dodavatelský produkt, jde o obrovský objem vývojových a normotvorných prací prováděných podstatnou měrou i u dodavatelů. V rámci zvýšení bezpečnosti a komfortu provozu jsou patrné trendy směřující k tomu, aby byl pokud možno eliminován lidský faktor v určitých obtížných situacích provozu nebo na druhé straně nedocházelo ke zbytečným kolizím v monotónních úsecích, kdy častokrát pozornost řidiče klesá. Zásadním předpokladem pro spolehlivě fungující autonomní chod vozidla je patřičný počet příslušných detektorů a zabezpečení adekvátní autonomní reakce systému, zejména s ohledem na rychlost přenosu dat v systému vozidla a výsledek jejich zpracování. Pokud se týče detektorů, od ultrazvukových čidel pro asistenci parkování se dostáváme ke kamerovým systémům, na které jsou kladeny specifické požadavky podle jejich funkce v systému. Elementárním využitím „vision systému“ je snímaní scény při parkování, kamerou umístěnou na zádi vozidla. V zásadě platí, že pro autonomnost systému není problémem vysoké rozlišení snímané scény, ale spíše správnost vyhodnocení relevantních informací a následně rychlý přenos požadavku řídicím systémem vozidla. Takovým způsobem by mohlo být možné v budoucnu realizovat sledování vzdálenosti od postranní čáry, respektive sledování tvaru vozovky za účelem zabránit mikrospánku řidiče nebo autonomní řízení přepínání mezi funkcemi světlometů (vytvoření adaptivního AFS). I když technický a technologický pokrok v oblasti řídícího systému automobilu dosáhne úrovně umožňující jakýkoli autonomní chod vozidla, pravděpodobně nikdy nebude možné z legislativních důvodů, aby jízdu nebo chování auta neměl pod kontrolou řidič, který nese právní odpovědnost za provoz jím řízeného vozidla.

8.4.2 Cíle VaVaI v oboru elektrické a elektronické výbavy vozidel v ČR ČR nepatří sice mezi rozhodující hráče na poli elektronických a elektrických systémů, ale vyrábí je ve značném množství. Proto je vhodné pokračovat v tradici a rozvinout výzkum

116


vybraných prvků i celých systémů včetně řídicích jednotek (po hardwarové i softwarové stránce), které používají výrobci vozidel a výrobci komponent, případně pro něž existuje výzkumná nebo výrobní základna.

8.4.3 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti Pro specifické problémy elektrických a elektronických systémů vozidel je žádoucí vyvinout mezioborová studia na magisterském a doktorském stupni pro integraci poznatků z dynamiky vozidla a řídících technologií do výukového procesu a tím zkvalitnit přípravu odborníků, kteří vytvoří podmínky pro očekávaný rozsah projektů VaV.

8.4.4 Prioritní témata VaVaI v oboru elektrické a elektronické výbavy vozidel v ČR T8.4-1 Výzkum a vývoj vozidlových sdělovacích sítí z hlediska spolehlivosti a zapojení autonomních spolupracujících jednotek do hierarchického systému. T8.4-2 Výzkum a vývoj adaptivního a prediktivního řízení parametrů hnacích jednotek, především pro pokročilá a hybridní vozidla i podvozku a prostředků pro jejich rychlou kalibraci. T8.4-3 Výzkum a vývoj integrovaných a hierarchických systémů řízení vozidel včetně automatizace rutinních procesů (např. zařazování do proudu vozidel, jízda v koloně, parkování do řady vozidel) a napojení na systémy v2v, v2i a v2g. T8.4-4 Výzkum a vývoj komponent elektrických systémů vozidel s cílem snížení příkonu, snížení ceny, zajištění robustnosti a vysoké funkční spolehlivosti po celou dobu životnosti vozidla (elektronické prvky obecně, osvětlení vozidel, pomocné pohony, stěračové systémy) pro zvyšování bezpečnosti, snižování energetických nároků, řešení problémů EMC a snižování hluku. T8.4-5 Výzkum a vývoj diagnostických prostředků pro zabezpečení spolehlivosti integrovaných systémů řízení s novými spotřebiči.

8.4.5 Návaznost na další technologické platformy v ČR Existují návaznosti na výzkum infrastrukturních opatření v rámci Technologické platformy Silniční doprava.

8.4.6 Hodnocení z hlediska společenských potřeb Následující grafická zobrazení ukazují přínosy (vliv) doporučených prioritních témat VaV na hlavní sledované charakteristiky: o Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.4.5 o Bezpečnost: obr. 8.4.6 o Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.4.7 Grafické zobrazení: Osa x: ukazuje čas (v letech) potřebný k zavedení doporučeného opatření. Osa y: ukazuje vliv opatření na příslušnou charakteristiku přínosů (0-1-3-9). Velikost bodu ukazuje finanční náročnost realizace (0-1-3-9).

117


Obr.8.4.5

Obr. 8.4.6

118


Obr. 8.4.7

8.4.7 Použitá literatura a zdroje Informace uvedené v kapitole 8.4.1 byly čerpány z interních dokumentů řešitelů: [8.4.1] Škoda Auto [8.4.2] ČVUT (prof. Macek) [8.4.3] ČVUT (prof. Macek) & Škoda Auto [8.4.4] Ricardo Prague [8.4.5] Visteon-Autopal & Hella Autotechnik [8.4.6] Škoda Auto [8.4.7] Hella Autotechnik [8.4.8] Škoda Auto [8.4.9] Visteon-Autopal [8.4.10] Visteon-Autopal

119


8.5 Inteligentní dopravní systémy (ITS) v silniční dopravě, vazba na silniční vozidla 8.5.1 Definice hlavních použitých pojmů (V souladu s dopravní terminologií a se směrnicí EU 2010/40/EU) - „inteligentní dopravní systémy“ nebo „ITS“ jsou systémy, ve kterých jsou používány informační a komunikační technologie, v oblasti silniční dopravy, včetně infrastruktury, vozidel a uživatelů a v oblasti řízení provozu a mobility, jakož i pro rozhraní s jinými druhy dopravy; - „interoperabilita“ – schopnost systémů a klíčových procesů vyměňovat si data a sdílet informace a znalosti; - „aplikace ITS“ – provozní nástroj pro použití ITS; - „služba ITS“ – poskytování aplikace ITS prostřednictvím jasně vymezeného organizačního a provozního rámce s cílem přispět k bezpečnosti, účinnosti a pohodlí uživatele nebo k usnadnění či podpoře dopravy a cestování; - „poskytovatel služeb ITS“ – jakýkoliv poskytovatel služby ITS, veřejný nebo soukromý; - „uživatel ITS“ – jakýkoliv uživatel aplikací nebo služeb ITS včetně cestujících, zranitelných účastníků silničního provozu, uživatelů a provozovatelů silniční dopravní infrastruktury, správců vozových parků a provozovatelů pohotovostních a záchranných složek; - „zranitelní účastníci silničního provozu“ – nemotorizovaní účastníci silničního provozu, jako například chodci a cyklisté, stejně jako motocyklisté a osoby se zdravotním postižením nebo s omezenou schopností pohybu a orientace; - „přenosné zařízení“ - přenosné komunikační nebo informační zařízení, které si řidič může vzít do vozidla a používat je při řízení nebo uskutečňování dopravy; - „platforma“ – palubní jednotka nebo jiné zařízení umožňující zavádění, poskytování, využívání a integraci aplikací a služeb ITS; - „architektura“ – koncepční návrh, který stanoví strukturu, chování a začlenění daného systému do okolního prostředí; - „rozhraní“ – zařízení mezi systémy, jehož prostřednictvím dochází k jejich propojení a interakci; - „kompatibilita“ – obecná schopnost zařízení nebo systému pracovat s jiným zařízením nebo systémem, a to bez úprav; - „návaznost služeb“ – schopnost zajistit plynule návazné služby na dopravních sítích; - „data o silniční síti“ – údaje o charakteristikách silniční infrastruktury, včetně stálého dopravního značení nebo jejích regulačních bezpečnostních prvků; - „data o dopravním provozu“ – historické údaje a údaje v reálném čase o charakteristikách silničního provozu; - „data o cestování“ – základní údaje, jako jsou jízdní řády a tarify veřejné dopravy, nezbytné pro poskytování multimodálních informací o cestování před cestou a během ní s cílem usnadnit plánování cesty, rezervaci a úpravy;

120


- „specifikace“ – závazné opatření, kterým se ustanovují požadavky, postupy nebo jakákoliv jiná příslušná pravidla; - „norma“ – norma ve smyslu čl. 1 bodu 6 směrnice Evropského parlamentu a Rady 98/34/ES ze dne 22. června 1998 o postupu při poskytování informací v oblasti norem a technických předpisů a předpisů pro služby informační společnosti.

8.5.2 Celkový vývoj v oblasti ITS (Inteligent Transport Systems) Důvody rozvoje ITS Růst celosvětové ekonomiky a s ním spojený nárůst objemu silniční dopravy a rostoucí požadavky občanů na mobilitu jsou prvořadou příčinou zvyšujícího se přetížení silniční infrastruktury a nárůstu spotřeby energie. Jsou i zdrojem environmentálních a specifických sociálních problémů. Reakci na výše uvedené problémy nelze omezit pouze na klasická opatření, zejména na rozšiřování stávající silniční dopravní infrastruktury. Na hledání vhodných řešení bude mít stále větší význam inovační potenciál. Jedním z řešení je i rozvoj inteligentních dopravních systémů (ITS).

Obr. 8.5.1

Vymezení pojmů ITS Inteligentní dopravní systémy (ITS – Intelligent Transportation Systems) jsou pokročilé aplikace, které (aniž by byly samy o sobě inteligentní) mají za cíl poskytovat inovativní služby týkající se různých druhů dopravy, řízení provozu, poskytování lepší informovanosti různým uživatelům a zajištění bezpečnějšího, koordinovanějšího a „inteligentnějšího“ využití dopravních sítí. Oblastí působnosti dopravní telematiky (ITS) je využití komunikačních a informačních technologií za účelem zvýšení přepravních výkonů, efektivity, bezpečnosti, ekonomiky, ekologie a komfortu dopravy. Základem je komunikace systémů mezi sebou a rychlejší i přesnější přenos informací.

121


ITS spojují telekomunikační, elektronické a informační technologie s dopravním inženýrstvím s cílem naplánovat, navrhnout, provozovat, udržovat a řídit dopravní systémy. Použití informačních a komunikačních technologií v odvětví silniční dopravy a jeho rozhraních s jinými druhy dopravy, významně přispěje ke snížení vlivu dopravy na životní prostředí a zlepšení její efektivity. Zahrnuje energetickou účinnost, bezpečnost silničního provozu a jeho ochranu před vnějšími hrozbami. Součástí problematiky je i doprava nebezpečných nákladů, bezpečnost veřejnosti a mobilita osob a věcí. ITS zároveň zajistí fungování vnitřního trhu a vyšší úroveň konkurenceschopnosti a zaměstnanosti. Aplikacemi ITS by však neměly být dotčeny záležitosti týkající se národní bezpečnosti nebo záležitosti nezbytné v zájmu obrany. Současný pokrok dosažený při použití informačních a komunikačních technologií v ostatních druzích dopravy by se měl projevit i ve vývoji odvětví silniční dopravy, zejména s cílem dosažení vyšší úrovně integrace mezi silniční dopravou a ostatními druhy dopravy. Obr. 8.5.2 ukazuje schematicky zapojení různých subjektů dopravy ve struktuře ITS.

Obr. 8.5.2 Struktura ITS

Základní funkce ITS -

Integrované řízení dopravy jako celku. Optimální využití dat o silničním provozu a cestování. Návaznost služeb ITS v oblasti řízení provozu a nákladní dopravy.

122


-

-

Zabezpečení bezpečnosti silničního provozu a jeho ochrana před vnějšími hrozbami (eCall, GMES). Podpora individuální a veřejné dopravy. Zajištění aktuálních, spolehlivých a stabilních dat pro navigace. Podpora vozidlových aplikací určených pro ekonomiku provozu. Podpora systémů pro bezpečné a chráněné parkování. Podpora bezpečnostních vozidlových systémů.

Prioritní oblasti rozvoje ITS -

Optimální využití aktuálních dat o silniční síti, dopravním provozu a cestování. Návaznost služeb ITS v oblasti řízení provozu a nákladní dopravy. Aplikace ITS pro bezpečnost silničního provozu a jeho ochranu před vnějšími hrozbami. Propojení vozidla s dopravní infrastrukturou.

Akce podporující prioritní oblasti rozvoje: -

Poskytování multimodálních informačních služeb o cestování. Poskytování informačních služeb o dopravním provozu v reálném čase. Údaje a postupy pro poskytování bezplatných minimálních univerzálních informací o dopravním provozu souvisejících s bezpečností silničního provozu uživatelům. Harmonizované poskytování interoperabilní služby eCall. Poskytování informačních služeb pro bezpečná a chráněná parkovací místa pro nákladní a užitková vozidla. Poskytování rezervačních služeb pro bezpečná a chráněná parkovací místa pro nákladní a užitková vozidla.

Technická a legislativní omezení rozvoje ITS -

Zavádění aplikací ITS by mělo respektovat i provoz vozidel, která jsou provozována z důvodů své historické hodnoty, která byla dříve registrována nebo typově schválena, případně uvedena do provozu před uzákoněním povinného užití standardů ITS. Řešením by mohla být autonomní mobilní zařízení.

-

Zavádění a využívání aplikací a služeb ITS bude vyžadovat zpracování osobních údajů. Toto zpracování by mělo probíhat v souladu s právem EU, zejména se směrnicí EU parlamentu a Rady 95/46/ES ze dne 24. 10. 1995 a směrnicí 2002/58/ES ze dne 12. 7. 2002 o zpracování osobních údajů a ochraně soukromí v odvětví elektronických komunikací. Dále je třeba na aplikace ITS uplatňovat zásady omezení účelu a minimalizaci údajů a podpořit anonymizaci osobních údajů.

-

Ve dvou technických komisích, evropské CEN TC278 „Road Transport and Traffic Telematics“ a celosvětové ISO TC204 „Intelligent Transport Systems“ vznikají desítky standardů, které zásadně ovlivňují celý obor aplikací dopravní telematiky a mají nadnárodní působnost, neboť integrují telematiku na úrovni celé Evropy či světa. Pro Českou republiku je jejich dobrá znalost a schopnost je využívat alfou a omegou efektivních investic do telematiky a základem pro vytvoření znalostní ekonomiky. Bohužel, standardů je hodně. V roce 2010 bylo aktivních cca 300 standardů v různém stupni zpracování. Standardy jsou obvykle formálně velmi

123


komplikované, napsané v konvencích IT využívajících například UML a jejich rozsah je nezřídka až stovky stran. Řešením je rozvíjet metody pro implementaci standardů v praxi. Vliv ITS na bezpečnost dopravy Stejně jako zajištění bezpečnosti v jiných odvětvích lidské činnosti, i v dopravě je zajištění maximální bezpečnosti prioritou. S využitím ITS jsou již řadu let možné implementace systému automatického tísňového volání (eCall), monitoring nebezpečných nákladů, vážení nákladních vozidel za jízdy nebo systém monitorování kvality životních podmínek při přepravě zvířat. Největším problémem rozvoje ITS je v této oblasti neexistující regulační opatření, které by bylo přijato na evropské úrovni. Systémů ITS se dá vhodně použít také k monitorování chování účastníků z hlediska bezpečnosti provozu a porušování pravidel provozu a zákonů. Může se jednat například o monitorování jízd na červený signál na křižovatce, porušení zákazů odbočení, překračování nejvyšší povolené rychlosti atd. ITS mohou pozitivně ovlivnit také všechny hlavní fáze kolize vozidla. Obr. 8.5.3 ukazuje v časové posloupnosti jednotlivé fáze kolize. Jedná se o tyto fáze: - Fáze výměny informací. V této fázi je možno vozidlo varovat o potenciální nebezpečné situaci. - Fáze funkce aktivních bezpečnostních systémů. V této fázi mohou být nastaveny parametry protinárazových systémů na základě informací z ITS. - Fáze funkce pasivních protinárazových systémů. V této fázi se ITS již v podstatě neuplatní. - Fáze ponárazová. V této fázi jsou pomocí ITS a eCallu aktivovány záchranné složky a dále jsou o nebezpečí varována vozidla nacházející se v okolí nehody. Rozvoj a realizace ITS je tedy pro zvýšení bezpečnosti zásadní. V této souvislosti bude velice přínosné, pokud budou všechna nově registrovaná vozidla povinně vybavena systémy komunikujícími s ITS. Dříve registrovaná vozidla je pak třeba povinně dovybavit dodatečně montovatelnými systémy pro komunikaci s ITS. Pokud by nebyla vozidla takto vybavena, je nutné zamezit jejich vjezdu na dálniční síť.

124


Driver Applications Communication channels

Service facilitator

Vehicle – to ‐ Infrastructure

Cooperative Efficiency Vehicle – to ‐ Vehicle

Cooperative Safety Passive Safety

Active safety

Autonomous

minutes

seconds

0 milliseconds

time minutes Source: EUCAR

1

Obr. 8.5.3 Integrovaný inteligentní systém bezpečnosti vozidla

Specifické aplikace ITS Uplatnění ITS v městské aglomeraci Dopravu ve městech je nutné chápat jako komplexní systém integrující automobilovou, veřejnou a nemotorovou dopravu. Je třeba klást velký důraz na rozvoj telematických aplikací vedoucích k realizaci komplexního fungujícího městského systému, který nebude izolovaným řešením, ale bude mít vazby na systémy komunikacích v okolí měst. Za prioritní lze považovat realizaci účinných dopravně-informačních systémů měst integrovaných do městského/regionálního dopravního centra (systémy sběru dopravních a meteorologických dat, videodohled, řídící systémy tunelů, informování řidičů proměnnými dopravními značkami atd.). Uplatnění těchto komplexních telematických městských systémů bude Sdružení pro dopravní telematiku (SDT) prosazovat nejen ve velkých městech, ale ve všech městech s aktuálními dopravními problémy. Důležité je také provázání městských center s regionálními a národním dopravně informačním centrem. Hlavní aplikace ITS relevantní pro podporu městského provozu: -

Informace o průjezdnosti města, stanovení objízdných tras v případě kongescí Bezhotovostní platba poplatků Informace o parkovacích možnostech, zpoplatnění parkování Detekce elektronických vinět Poplatky za vjezd a parkování závisející na denní době

125


-

Informace o nejvýhodnější možnosti dopravy s využitím hromadné dopravy Preference městské hromadné dopravy Upozornění na přechody pro chodce, školy a jiná krizová místa Upřednostnění vozidel systému integrovaného záchranného systému

Specifika podpory elektromobility Bude třeba vypracovat specifické aplikace ITS zaměřené na podporu e-mobility. Jedná se zejména o podporu v oblasti efektivního provozu a možnosti dobíjení. Režim jízdy s elektromobilem je jiný než režim jízdy s klasickým automobilem. U elektromobilu se uplatní „zelená navigace“. Pro provoz elektromobilů jsou důležité také informace o parkovacích místech vybavených dobíjecími stanicemi, parkovacích místech se solárními panely a tudíž možností dobíjení ekologickou energií. Také při dobíjení z rychlonabijecích stanic je pro provozovatele elektromobilů velmi důležitá informace o jejich dostupnosti (místě, čekací době na uvolnění atp.). Zcela specifickou oblastí, ležící mimo rozsah této SVA, je aplikace inteligentních energetických sítí (Smart Grids) pro akumulaci přebytků výroby energie do vozidel pro pozdější použití,vyžadující adekvátní infromační a řídicí systém. Dopady rozvoje ITS na konstrukci silničních vozidel Rozvoj ITS bude vyžadovat i zásah do vlastní konstrukce motorových vozidel. Vozidlo bude muset být schopno oboustranné komunikace. Bude muset být vybaveno potřebnými senzory, aby bylo schopno podávat potřebné informace nejen o sobě, ale i o svém okolí. Obr. 8.5.4 ukazuje, v jakém poměru musí být jednotlivé systémy ITS integrovány do vlastního vozidla a do infrastruktury.

126


Obr. 8.5.4

Významnou roli bude mít i plnění požadavků HMI (Human Machine Interaction). Řidič nemůže být přesycen informacemi, na které nebude ani schopen reagovat. Tendence je přecházet od systémů informačních k systémům podpůrným, autonomním, ale v nezbytných případech řidičem parametrizovaným (personifikovaným), případně deaktivovaným.

8.5.3 Cíle VaVaI v oboru ITS pro ČR Rozšíření ITS v České republice je v současnosti na velmi nízké úrovni. Není mu nakloněno ani společenské klima a regulační prostředí z pohledu ITS. Význam dopravní telematiky pro ekonomiku ČR však poroste. Konkurenceschopnost státu bude závislá na propustnosti dopravních cest a kvalitě služeb spojených s přepravou zboží a osob. V blízké budoucnosti dojde k významnému omezení investic do dopravní sítě a nebude možné zvyšovat její hustotu. Udržitelný rozvoj dopravy by měl být zajištěn právě rozvojem technologií ITS a tím efektivnějším využitím stávající dopravní infrastruktury, spravedlivým systémem úhrady za její použití, zvýšením bezpečnosti a snížením ekologických dopadů. Pro efektivní zavedení ITS v ČR je třeba kvalitní dlouhodobá strategie. Musí být součástí Dopravní politiky ČR. Tato strategie však neexistuje.

127


V rámci rozvoje ITS bude třeba co nejširší zapojení ČR do mezinárodní spolupráce v oboru ITS a kosmických technologií.

8.5.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti Pro ITS jsou založeny studijní programy na elektrotechnicky, informaticky a dopravně orientovaných vysokých školách. V oboru ITS v současné době dochází k přejímání norem CEN a ISO. Je však problém tyto normy zavést do praktického použití v rámci realizovaných projektů. Řešením by mohlo být např. zahrnutí požadavku na dodržení těchto norem do zadávacích dokumentací všech veřejných zakázek na státní i regionální úrovni. Pro účely certifikace systémů ITS a služeb je třeba vznik nezávislých globálně působících institucí, které budou za ni odpovědné. Bude také třeba oddělit dodávky technologií ITS od vlastních dodávek konkrétního stavebního díla. V současnosti se ITS v řadě případů stává podružnou součástí stavebního díla, neboť je součástí celé dodávky. Pro tyto účely je nutná úprava zákonných předpisů.

8.5.5 Prioritní témata VaVaI v oboru ITS Prioritní témata jsou sdružena s výsledky analýzy v části 8.6 Mobilita a infrastruktura. T8.5-1 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on-line sdílení informací mezi vozidly (v2v). T8.5-2 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on-line sdílení informací mezi vozidlem a ostatními druhy dopravy. T8.5-3 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on-line sdílení informací mezi vozidlem a okolím, včetně dopravní infrastruktury (v2x) – např. zajištění stabilní a bezchybné funkce systému eCall nebo GMES. T8.5-4 Výzkum a vývoj systémů pro optimální využití dat o silniční síti, dopravním provozu a cestování i o energetických možnostech dobíjení elktrických a hybridních vozidel. T8.6-1 Sdružování vozidel do konvojů a jiné formy vedení vozidel v proudu. T8.6-2 Modularizace osobní přepravy.

8.5.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR Uvedená témata souvisejí s návrhy Technologické platformy Silniční doprava.

8.5.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb Hodnocení je souhrnně uvedeno v kapitole 8.6.7. Následující grafická zobrazení ukazují přínosy (vliv) doporučených prioritních témat VaV na hlavní sledované charakteristiky: o Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.5.5 o Bezpečnost: obr. 8.5.6

128


o Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.5.7 Grafické zobrazení: Osa x: ukazuje čas (v letech) potřebný k zavedení doporučeného opatření. Osa y: ukazuje vliv opatření na příslušnou charakteristiku přínosů (0-1-3-9).

T8.5‐1 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on‐line sdílení informací mezi vozidly (V2V).

SNÍŽENÍ ENERG. A MAT. NÁROČNOSTI 10

T8.5‐2 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on‐line sdílení informací mezi vozidlem a ostatními druhy dopravy.

9

Přínos

8 7

T8.5‐3 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on‐line sdílení informací mezi vozidlem a okolím, včetně dopravní infrastruktury (Vehicle2x)

6 5

T8.5‐4 Výzkum a vývoj systémů pro optimální využití dat o silniční síti, dopravním provozu a cestování.

4 3

T8.6‐1 Sdružování vozidel do konvojů a jiné formy vedení vozidel v proudu

2 1

T8.6‐2 Modularizace osobní přepravy

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Doba do zavedení Obr. 8.5.5

129

20


BEZPEČNOST A SPOLEHLIVOST 10

T8.5‐1 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on‐line sdílení informací mezi vozidly (V2V).

9


8 7


Přínos

6 5


4 3


2 1

T8.6‐2 Modularizace osobní přepravy 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Doba do zavedení Obr. 8.5.6 T8.5‐1 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on‐line sdílení informací mezi vozidly (V2V).

KONKURENCESCHOPNOST 10


9 8

Přínos

7


6 5


4 3


2 1 0

T8.6‐2 Modularizace osobní přepravy 0

2

4

6

8

10

12

14

Doba do zavedení Obr. 8.5.7

130

16

18

20


8.5.8 Použitá literatura a zdroje [8.5.1] Manifest rozvoje ITS v ČR do roku 2020, SDT (Sdružení pro dopravní telematiku), www.sdt.cz [8.5.2] Navigační software v ITS aplikacích, Ing. Tomáš Tvrzský, Ph.D., Ing. Zdeněk Lokaj, 17.1.2011 [8.5.3] Česko-Německé Fórum o možnostech vzájemně výhodné spolupráce v ITS, 16.- 17.12.2010 – poznatky z konference [8.5.4] http://www.telematika.cz/cnfm/index.php CVIS Workshop, Praha, 10.3.2010 - poznatky z odborného semináře [8.5.5] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/40/EU ze dne 7.7.2010 o ITS v oblasti silniční dopravy. [8.5.6] Members Networking Meeting u příležitosti Shromáždění delegátů SDT, Špindlerův Mlýn, 26.11.2010. [8.5.7] EUCAR: Sustainability of Road Transportation Research Priorities & Research Targets by 2013. Contribution to FP7 Specific and Work Programs. [8.5.8] Slovník dopravní terminologie, Nakladatelství ČVUT, 2010, Prof. Přibyl a kolektiv, ISBN 978-8001-04654-8

8.6 Mobilita a infrastruktura 8.6.1 Základní pojmy Každé vozidlo se pohybuje v dopravním prostředí. Kromě něj se v tomto časoprostoru vyskytují nejen jiná vozidla, ale i další účastníci silničního provozu nemající charakter vozidla a takzvané „matérie“ - dopravní značení, překážky a v neposlední řadě vozovka. Chování vozidla je nutné přizpůsobit všem okolnostem a možným kolizím se všemi výše zmíněnými faktory. Na druhou stranu okolí by mělo být přizpůsobeno tak, aby zbytečně nevytvářelo rizika a odpovídalo současným potřebám provozu, vozidel a řidičů. V současnosti je téměř 100% zodpovědnost za přizpůsobení chování vozidla okolním podmínkám na řidiči. Výzkumy ukazují, že řidič zejména v městském provozu musí sledovat více údajů, ukazatelů a faktorů, než pilot dopravního letadla. Požadavky na výcvik a zdravotní a psychický stav jsou přitom diametrálně odlišné, bohužel přesně opačně, než by bylo reálně potřeba. Současný stav společnosti totiž umožňuje chápat absenci řidičského oprávnění jako společenský handicap, a to zejména v oblastech mimo město – řídká a nadále omezovaná síť kolektivní (veřejné) dopravy, centralizace zdravotní péče, likvidace malých místních prodejen, časový stres atp. v podstatě nutí řídit každého, kdo je toho „schopen“. Není proto reálně proveditelné výrazně zpřísnit požadavky na řidiče, přestože lidský faktor je výrazně rizikový. Jednou z možností řešení je nereálné snížení počtu vozidel na komunikaci (s ohledem na fakt, že přepravní potřeby v blízké budoucnosti budou stoupat). Druhou možností je přenést část zodpovědnosti za chování soustavy řidič-vozidlo na automatizované systémy a tím zvýšit bezpečnost dopravního systému. Směřujeme do časů, kdy vozidlo již bude reagovat na vzniklou situaci relativně

131


samostatně – zejména z důvodu získání času, odstranění časové ztráty reakční dobou lidského faktoru. Systémy IT a zařízení komunikace ovlivnily v posledních dvou dekádách prakticky každé odvětví lidské činnosti – od medicíny přes výrobu po literaturu a vzdělávání. Není možné ani žádoucí, aby oblast dopravy a automobilového průmyslu v tomto směru ustrnula. Přestože došlo k obrovskému pokroku jak v oblasti navigace, tak luxusních a bezpečnostních systémů, nevyužíváme stále všechny možnosti. Navíc oblast IT se sama o sobě rozvíjí nevídaným tempem, takže možnosti se stále rozšiřují. Současným heslem v této oblasti jsou Inteligentní Transportní Systémy (ITS), které mají zajistit komunikaci mezi vozidlem, dopravním prostředím, ostatními vozidly, dopravními informačními systémy, navigací, základnou vozidla (domovem řidiče, logistikem, garáží, servisem atp.) a zákazníkem (cílovou destinací nákladu, cestujícím). Komunikace může pomoci v dosažení zásadních cílů, jako je a) zvýšení bezpečnosti, b) zvýšení plynulosti dopravy, c) zefektivnění dopravy a tím snížení rizikovosti a energetické náročnosti dopravního systému jako celku. Protože jde o oblast velmi závažnou, je jim v tomto textu věnována zvláštní kapitola.

8.6.2 Stav vývoje vztahu mobility a infrastruktury ve světě Komunikace elektronická ITS samy o sobě nejsou samozřejmě jedinou formou komunikace vozidla s okolím. Pojem „komunikace“ je třeba chápat výrazně komplexněji. Vozidlo již 125 let komunikuje s okolím prostřednictvím řidiče, který má funkci senzoru vnějších informací, jako jsou dopravní značení, stav a tvar komunikace, povětrnostní podmínky, hustota provozu atp. Tyto zdroje zůstanou i nadále zásadním souborem dat, na které musí řidič (jako ovládací prvek) nebo vozidlo samostatně zareagovat. I v tomto směru již existují aplikace, jako je třeba LDWS, optické navádění vozidla nebo počítačová identifikace svislého dopravního značení. Přesto je tato oblast na počátku rozvoje elektronické podoby. Prvotním předpokladem přenesení rozhodovacích funkcí na techniku je vývoj velmi přesných, 100% spolehlivých a extrémně robustních elektronických systémů v přijatelné cenové hladině. V předpokládaném finálním stavu má zásadní roli sehrát navigace, mobilní sítě, internet a s nimi spojené aplikace. V přechodném období bude důležité pracovat s dnes rozšířenými zdroji informací, které jsou uzpůsobeny pro vnímání lidskými smysly – dopravní značení, vizuální a zvukové signály. Je samozřejmě nutná kompatibilita (homologace) jednotlivých zařízení, aby byla schopna spolehlivě koordinovat akce na stejném komunikačním základu. Všechny systémy je třeba zavádět a normalizovat nejméně na úrovni EU, aby majitelé vozidel byli motivováni k pořízení takové výbavy vozidla. Bylo by téměř nemyslitelné prodat drahou elektronickou pomůcku, o které by řidič věděl, že za hranicemi nebude fungovat. Navíc komunikace nemá být jednosměrná, automatizované systémy řízení dopravy budou potřebovat informace od vozidel. Pokud by tyto informace nebyly schopny přijímat od

132


jiných než „tuzemských“ vozidel, byly by tyto informace a výstupy z jejich analýz nepoužitelné. Obecně je role státních a evropských institucí v tomto případě nezastupitelná, protože bez ní není možno vytvořit základní podmínky a mantinely pro vývoj příslušné výbavy vozidel. Leaderem v tomto směru je Japonsko, kde od roku 2003 funguje celostátně systém VICS, přenášející do palubních zařízení vozidla dopravní informace online. V současné době je nahrazován systémem Smartway, který k dopravním informacím přidává varování řidiče na potenciálně rizikovou situaci (neočekávanou ostrou zatáčku ve směru jízdy atp.). S odkazem na kapitolu „bezpečnost“ uvádíme, že je vhodné integrovat do systému nejen vozidla jako taková, ale i ostatní účastníky provozu. Tímto způsobem je možné do značné míry suplovat optickou viditelnost a upozornit řidiče na přítomnost cyklisty nebo chodce na neosvětlené komunikaci. Možností detekovat elektronicky aktivního účastníka se zabývá například projekt Watch-over [8.6.9]. Téměř každý účastník je například vybaven mobilním telefonem, lze využít i čipy, původně určené k detekci kradených vozidel a dnes navrhovaných jako prostředek k umožnění vysledování nezvěstné osoby. Se zvyšujícím se stupněm integrace a automatizace dopravy bude díky „provozní slepotě“ klesat viditelnost a stoupat rizikovost přítomnosti účastníků mimo systém. „Zapojení“ účastníci budou postupem času ukolébáváni automaticky správnými reakcemi vlastního vozidla a setkání s „nezapojeným“ účastníkem bude vytvářet kritické situace. Pro účely zviditelnění je žádoucí podpořit vývoj příslušných aftermarketových aplikací s různým stupněm funkčnosti (od prostého „zviditelnění“ po maximální rozsah, umožněný konstrukcí vozidla). Přizpůsobení vozidla typickému provozu Vztah konstrukce vozidla, výchovy řidiče a konstrukce komunikace a jejího okolí musí být velmi úzký. Vozidlo musí odpovídat svými vlastnostmi komunikaci, po které se bude typicky pohybovat. Provoz terénního vozidla na dálnici nebo provoz supersportovního vozu v městské zácpě představují situace, kterých je vhodné se vyvarovat. V současné době je většina vozidel konstruována jako univerzální přepravní prostředek a zákazník si velmi často vybírá pouze podle potřebné velikosti, designu, vlastního ega a finančních možností. Výše zmíněné extrémy jsou potom zcela běžnou záležitostí. Většina vozidel přinejmenším firemních a vozidel státní správy – se přitom pohybuje v typickém prostředí, pro které by bylo vhodné specializovat konstrukci vozidel. Tomu nahrává i předpokládaný palivový mix budoucnosti, kdy nebude vhodné ani možné konstruovat celou vozidlovou flotilu se zaměřením na jeden druh energie. Pokud předpokládáme, že městská vozidla budou zaměřena na elektřinu, je vhodné s tímto předpokladem spojit i základní konstrukci ostatních částí vozidel s ohledem na specifika městského provozu, jako je typický pohyb v malých rychlostech (a tedy i častější riziko kolize v malých rychlostech), pohyb v oblastech s výskytem chodců a cyklistů, průjezd úzkými místy, časté parkování atd. Pro dopravu na větší vzdálenosti je potom třeba koncipovat vozidlo s velkou přepravní kapacitou, stabilní a rychlé. Střední cestou mohou být vozidla modulární, zejména nákladní a autobusy, která by mohla změnit kapacitu a tím i velikost na stanovištích na okraji center nebo záchytných parkovištích na okrajích měst.

133


Aplikace výše zmíněného principu je komplikována jak problémy technickými, tak problémy politickými nebo řekněme psychologickými. Příkladem je výroba nepříliš úspěšného vozidla Smart, adaptovaného na městský provoz. I řidič, který se nepohybuje jinde než ve městě, vyjede jednou týdně nebo měsíčně mimo město a má dojem, že kdyby si koupil malé vozidlo, ošidil by se o tuto příležitost. Se stejným důsledkem potom funguje psychologický princip potřeby uznání (větší automobil – větší společenský respekt). V tomto směru lze apelovat na orgány státní správy, aby v tomto směru šly příkladem a nastartovaly proces změny myšlení občanů. Podle statistik až 17 % z celkového počtu vozidel je spojeno se státní správou a většina těchto vozidel jezdí v typickém režimu. Bylo by tedy možné například hlídku městské policie, která typicky jezdí po městě „rozdávat botičky“ za nesprávné parkování, vybavit nikoli osobním kombi střední třídy s motorem 1,9 Tdi, ale dvoumístným vozem s malým nákladovým prostorem a některým z alternativních pohonů. Přizpůsobení komunikace vozidlu Aby bylo možno zachovat princip vzájemnosti vztahu komunikace-vozidlo, je třeba aplikovat princip spolupráce i na komunikace. Není cílem této zprávy zpracovávat témata konstrukce silničních komunikací a jejich okolí. To mají za úkol jiné technologické platformy. Přesto považujeme za vhodné v tomto ohledu vyjádřit předpokládané potřeby budoucích vozidel, neboť tak, jako se vozidlový park obměňuje v cyklech 10-15 let, tak obměna komunikací probíhá v cyklech násobně jiných (nehovoříme o opravách nebo konstrukcích konkrétního dopravního uzlu či komunikace, ale o rekonstrukci celé silniční sítě nejméně prvních a druhých tříd). Jeden ze směrů vývoje vozidel (zejména těžkých nákladních a autobusů) je zvětšování jejich přepravní kapacity. Tímto vývojem směřují výrobci k optimalizaci nákladů na provoz – a celospolečensky ke snížení počtu vozidel na komunikacích. Technické limity vozidel přitom výrazně převyšují limity komunikací. Typická náprava nákladního vozidla nebo autobusu je již dnes schopna unést podstatně větší zatížení, než je v současnosti povolené zatížení komunikace. Zároveň lze konstatovat dlouhodobý problém přetěžování nákladních vozidel, jehož likvidace se represivním složkám státní správy nedaří ani přes stále zvyšované úsilí. Zvýšení normalizované únosnosti konstrukce a rekonstrukce vozovek na vyšší zatížení může tedy přinést dvojí efekt – jednak by stát mohl v oprávněných případech povolit vyšší zatížení náprav vozidla, jednak by vozovky méně trpěly reálným zatěžováním a lze tedy předpokládat úspory nákladů na opravy povrchů. Další témata tohoto odstavce jsou známá. Je nutné dimenzovat komunikace tak, aby průjezd byl nejen možný, ale i bezpečný. Typickým příkladem je množství miniaturních kruhových objezdů se zdevastovaným středem, protože nákladní souprava prostě nemůže projet předpokládanou trasu, nebo hustá „stromořadí“ dopravního značení, respektive dopravní značení nečitelné či zakryté vegetací. Automobilový průmysl je schopen vyvinout asistenční systémy reagující na vodorovné dopravní značení, ale toto značení musí být na vozovkách čitelné. Existují principy algoritmizace automatického čtení svislého dopravního značení, nicméně každý systém má svoje kapacitní limity a je třeba si je uvědomit přesto (nebo právě proto), že limity budoucího automatického systému jsou výše než schopnosti běžného řidiče.

134


Existují studie, které říkají, že optimisticky 35 %, pesimisticky až 60 % nehod (viz zpráva Technologické platformy Silniční doprava) je způsobeno problémem spolupráce dopravního prostředí s vozidlem nebo řidičem. To dobře koreluje s výsledkem výzkumu ITARDA, citovaného v kapitole „bezpečnost“ tohoto textu, který tvrdí, že 71 % nehod je způsobeno chybou v analýze vstupů nebo jejich přehlédnutím. Je tedy nanejvýš žádoucí, aby konstrukce komunikací a příslušenství byla vyvíjena s ohledem na jejího typického uživatele a jeho potřeby. Pohon vozidel V souvislosti s očekávanou změnou základního zdroje energie pro dopravu je třeba upozornit na nutnost predikce potřeby velkého počtu čerpacích bodů. V dnešní době je zdroj energie pro dopravu v podstatě jednotný a čerpání velkých objemů chemické energie v ropném palivu probíhá velmi rychle. Jedním z problémů energetického mixu je nejen akumulace dostatečných objemů energie ve vozidle, ale i rychlost jejího čerpání – nabíjení akumulátorů elektromobilu, čerpání CNG atp. Zároveň lze očekávat modularizaci energetických zdrojů, takže pro každý zdroj energie bude třeba vybudovat dostatečný počet čerpacích bodů. Sdružování vozidel do konvojů, automatické řízení Provoz na dálnici má velmi často podobu „vlaku“ – respektive je to jeho nejbezpečnější forma. Vozidla jedoucí v pravidelných bezpečných rozestupech stejnou rychlostí jsou ideální představou, kvůli které byly zavedeny například omezovače rychlosti těžkých vozidel. V současné době testovaný provoz vyžaduje instalaci vodících magnetů do vozovky a dalšího příslušenství do okolí a vozidel samotných. První automatická dálnice v délce 12 km byla uvedena do provozu v USA. Náklady na zavedení dosáhly 4 miliónů USD/1km (instalace vysoce účinných magnetů do vozovky). Adaptace vozidel proběhla s náklady 8 000 USD/vozidlo. Jedná se o ojedinělý experiment, kde jsou vozidla sdružována do „řízených kolon“ o 8-25 vozidlech, pohybujících se koordinovaně stejnou rychlostí v pravidelných rozestupech. Zásadním problémem (technicky částečně vyřešeným) je nájezd a výjezd vozidel a kontrola, zda řidič je schopen na výjezdu převzít řízení. Modularizace přepravy Cílem modularizace přepravy je stav, kdy přepravní potřeby budou odpovídat podmínkám provozu. To znamená, že na delší vzdálenosti mezi městy náklad či cestujícího přepraví jedno vozidlo. Na místo určení v centru města ho přepraví vozidlo jiné. K tomu je třeba vybudovat přestupní nebo překládací terminály, schopné obsloužit ne jeden nebo dva druhy přepravy, ale v podstatě všechny druhy. Lze oddělit překládací terminál nákladní a osobní. Pro podporu modularizace je vhodné vybudovat místo, kde bude cestující schopen pohodlně přestoupit z vlaku, dálkového autobusu nebo osobního vozidla (možná i letadla) na všechny druhy dopravy, které jsou v místě k dispozici – městský autobus, tramvaj, metro, ale například i skútr, jízdní kolo nebo malý elektromobil. To samozřejmě

135


zahrnuje dostatečnou ochranu soukromého majetku (jízdní kolo, skútr, přilba, automobil) v době dlouhodobé nepřítomnosti majitele. V tomto směru se lze zmínit o zvýšení atraktivity hromadné přepravy osob zpřesněním jízdních řádů, o jejich aktualizaci online podle zdržení vozidla nebo o organizaci odjezdů vozidel podle počtu cestujících na zastávce nebo se k zastávce blížících, o osobních GPS zahrnujících nejen příjezdovou trasu k přestupní stanici, ale i návrh využití MHD pro cestu do cíle. To vše lze zorganizovat již dnes dostupnými prostředky. Bohužel problémem zůstává normalizace a vzájemná spolupráce systémů. Současný stav je ten, že systémy jednotlivých dopravců je možné porovnat až na úrovni zveřejnění na internetových stránkách – pokud je ale systém natolik sofistikovaný, že do této úrovně dosáhne. Vhodnější by byl systém jednodušší například na bázi mobilních telefonů, který by dokázal cestujícímu poradit čas odjezdu v místě bydliště, čas přestupu s aktualizací online na prostředek dálkové přepravy a navrhl mu způsob přepravy do cíle v jiném městě. Proces unifikace není vhodné podceňovat či naopak přeceňovat. Příkladem z nedávné doby lze dokumentovat jeho složitost. Relativně jednoduché zařízení jako digitální tachograf bylo nařízeno v roce 1998, nicméně z důvodů problémů s kompatibilitou byly digitální tachografy reálně zavedeny až v roce 2006. Obecně uznávané studie uvádějí, že do 20 let se o 50 % zvýší počet lidí nad 65 let – tedy skupiny, ve které stoupá procento osob se sníženou pohyblivostí, sníženou schopností orientovat se v informacích a v neposlední řadě schopnost řídit vozidlo. Vozidla hromadné přepravy jsou do značné míry připravena přepravovat tyto cestující, nicméně cesta „ke dveřím autobusu“ bývá komplikovaná. Pro další vylepšení situace je vhodné vyvíjet další prvky usnadňující nástup, například automatické navádění autobusu k ostrůvku nebo regulace výšky pérování, obojí s ohledem na minimalizaci prahu a vzdálenosti. Tomu samozřejmě musí vyhovovat i protilehlá část – komunikace, tedy vhodný obrubník a naváděcí nástroje.

8.6.3 Cíle VaVaI v oboru vztahu mobility a infrastruktury pro ČR Cíle lze stanovit extrapolací světového trendu: - aktivní účast na zavádění ITS v EU - budování intermodálních terminálů - studium a příprava budování rozvodů a „čerpacích stanic“ pro budoucí energetický mix - podpora užívání dopravních prostředků přiměřených účelu, deunifikace - změna standardů pro komunikace s vyšší nosností - podpora zavedení kompatibility infosystémů dopravců - zveřejnění aktuálních informací pro cestující např. pomocí webu.

8.6.4 Nároky na vzdělávání Zde jsou zahrnuty i důležité nižší stupně vzdělávání: - výchova expertů na elektronickou komunikaci vozidel a vozidlo-okolí - výchova projektantů specializovaných na mobilitu a kombinaci způsobů mobility - přiměřená výchova celé populace v souladu s vývojem ITS.

136


8.6.5 Prioritní témata v oboru vztahu mobility a infrastruktury v ČR Prioritní témata jsou sdružena s výsledky analýzy v části 8.5 ITS. T8.5-1 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on-line sdílení informací mezi vozidly (v2v). T8.5-2 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on-line sdílení informací mezi vozidlem a ostatními druhy dopravy. T8.5-3 Výzkum a vývoj kooperativních systémů pro on-line sdílení informací mezi vozidlem a okolím, včetně dopravní infrastruktury (v2x) – např. zajištění stabilní a bezchybné funkce systému eCall nebo GMES, zejména o příprava na zavedení technických standardů pro komunikaci vozidlo-systém, o vývoj a rozšíření systémů navázaných na navigaci, zapojující automobil do systému dopravy, o aplikace automatizovaných řídících systémů navázaných na vodorovné i svislé dopravní značení, o vývoj technických nástrojů identifikujících stávající prostředky komunikace (dopravní značení vodorovné/svislé/světelné), o normování minimální viditelnosti vodorovného dopravního značení. T8.5-4 Výzkum a vývoj systémů pro optimální využití dat o silniční síti, dopravním provozu a cestování cestování i o energetických možnostech dobíjení elektrických a hybridních vozidel.

T8.6-1 Sdružování vozidel do konvojů a jiné formy vedení vozidel v proudu: o práce na systémech umožňujících sdružování vozidel do konvojů o práce na standardech a logice vytváření a rušení konvojů, okrajových podmínkách o změna standardů únosnosti vozovek pro umožnění vyššího zatížení náprav a tím snížení počtu vozidel na komunikaci. T8.6-2 Modularizace osobní přepravy: o vývoj systémů usnadňujících nástup cestujících o zavedení komunikačních standardů pro informační systémy, o vývoj komunikačních nástrojů vozidlo-cestující-cíl cesty.

8.6.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR Existuje úzká souvislost s tématy Technologické platformy Silniční doprava.

8.6.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb Následující grafická zobrazení ukazují přínosy (vliv) doporučených prioritních témat VaV na hlavní sledované charakteristiky: o Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.6.1 o Bezpečnost: obr. 8.6.2

137


o Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.6.3 Grafické zobrazení: Osa x: ukazuje čas (v letech) potřebný k zavedení doporučeného opatření. Osa y: ukazuje vliv opatření na příslušnou charakteristiku přínosů (0-1-3-9). Velikost bodu ukazuje finanční náročnost realizace (0-1-3-9).

Obr. 8.6.1

138


Obr. 8.6.2

Obr. 8.6.3

139


8.6.8 Použitá literatura a zdroje [8.6.1] ITS America, www.itsa.org [8.6.2] The Information Technology and Innovation Foundation, 2010 [8.6.3] ITS America, www.itsa.org [8.6.4] The Information Technology and Innovation Foundation, 2010

8.7 Užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků v automobilovém průmyslu 8.7.1 Vymezení základních pojmů Virtuální realita (VR) je vysoce interaktivní a imerzní propojení komunikace člověk – stroj, založené na výsledcích simulačních technik, které umožňuje přímé působení representace navrženého stroje na smysly člověka. VR je, jak již prozrazuje název, zdánlivá realita, resp. umělý svět. Simulační techniky umožňují prostřednictvím modelu, založeného na fyzikální nebo matematické reprezentaci reality a na jejich kombinacích, předpovídat chování skutečného celku v závislosti na čase a okrajových podmínkách. Simulační techniky budeme v dalším označovat jako počítačem podporované činnosti, tedy CAx. V oblasti prostorové geometrie a kinematiky jde o počítačem podporovanou konstrukci CAD. Počítačem podporované výpočetní techniky pro simulaci napěťových, deformačních, teplotních, rychlostních, koncentračních a dalších polí se obecně označují jako CAE. Jsou založené především na aplikacích metody konečných prvků FEM, převažující jako nástroj pro reprezentaci pevné fáze a metod počítačové dynamiky plynů CFD pro tekutou fázi. Konečně výrobní fáze lze simulovat intenzivně se rozvíjejícími systémy CAM, založenými na předchozích metodách mechaniky kontinua a na geometrickokinematických principech simulujících výrobní linky. Spojením simulačních technik a VR vzniká tedy model vyvíjeného zařízení – virtuální výrobek, který reaguje na vnější podmínky a na podněty člověka v ideálním případě stejně jako skutečné zařízení. Z hlediska simulačních technik se vždy jedná o analytický postup (někdy časově značně náročný), popisující vlastnosti dané geometrie při určitých provozních parametrech. Dílčím výsledkem může být i fyzický model celého výrobku, ale častěji jeho dílů, zhotovený metodami rapid prototyping (např. pomocí tiskáren 3-D nebo v návaznosti na ně pomocí odlitků využívajících jako ztracený model výstup z této tiskárny, obráběním CNC podle dat virtuálního výrobku atp.). Metody rapid prototyping se využívají i u řídicího systému pro ověřování koncepce řídicího softwaru (a v návaznosti na to pro kalibraci, viz dole), a to metodou kombinace virtuálního řídicího i řízeného systému (software-in-the-loop, SiL) nebo kombinací virtuální reality s realitou (hardware-inthe-loop, HiL). Metody CAx lze použít pro optimalizaci virtuálního výrobku určité koncepce na základě změny geometrických i dalších parametrů jeho částí – parametrická optimalizace –

140


známá pro geometrii 3-D také jako morphing. Parametrická optimalizace je prováděna pomocí opakované analýzy řízené vhodným optimalizačním algoritmem (třeba genetickým) pro snížení počtu možných kombinací nezávislých parametrů. Parametrická optimalizace se provádí též pro nalezení optimálních nastavitelných (seřizovacích) parametrů podle provozních parametrů. Tento specifický případ se nazývá kalibrací výrobku, resp. jeho řídicího systému. Nepřímé metody lze použít i pro nalezení optimální kombinace nastavitelných empirických parametrů fenomenologických (tedy zjednodušených) modelů, což je podstatou kalibrace modelu. Tento postup je rychlejší než metoda optimalizace černé skříňky, ale je náročnější na vývoj metody. Vyšším stupněm optimalizace je konceptuální optimalizace, vyhledávající a porovnávající koncepce výrobků různé struktury a využívající tedy i nové simulační nástroje. Podle stupně inovativnosti může jít ovšem jen o konfigurační optimalizaci, která klade nároky na pružnou strukturu modelu z hlediska podchycení dat i z hlediska modularizace použitých nástrojů. Uvedené techniky se průběžně propojují do řetězce, umožňujícího iterativní postup vývoje výrobku s uvážením všech požadavků zákazníka, výrobce i celé společnosti (omezení parametrů, constraints), ideálně s uvážením jeho celého životního cyklu (Craddle-toGrave, C2G, od výroby materiálů přes výrobu produktu nabízeného na trhu, jeho provoz a údržbu po likvidaci, resp. recyklaci). Tento ambiciozní cíl se postupně naplňuje především integrací fází konstrukce, vývoje parametrů výrobku a vývoje výrobních technik a technologií včetně očekávané údržby. Takový systém se obvykle prezentuje jako integrované nebo simultánní inženýrství IE. S vlastním vývojovým procesem je spojena potřeba přenosu rozsáhlých souborů dat a jejich zpracování nejen v automatickém režimu (řetězení simulačních programů s jednoduchými iteracemi), ale především s lidskou účastí na řešení postupu u složitějších iteračních smyček, odhadu potřebných vstupů včetně kalibračních parametrů a heuristických činností při hledání nových principů, v konstrukci i při návrhu výrobních technologií. Tyto činnosti lze usnadnit pomocí inteligentních datových základen (IDB), vyhledávajících potřebné parametry pomocí vazeb mezi entitami výrobku nebo procedurami pro jejich simulaci, a nabídkou řešení ze znalostních základen.

8.7.2 Světový vývoj v oblasti simulačních technik a VR Cíle a prostředky simulačních technik a VR Právě v automobilovém průmyslu s ohledem na časté inovace výrobků, vynucené požadavky trhu i širší společnosti existuje velký počet oblastí efektivního využití technologií VR a IE. V současné době jde zvláště o hledání účelných inovací vyšších řádů, nutných např. pro zavádění nových pohonů vozidel a nových módů jejich provozu. Z hlediska uchování již existujícího know-how (Background Knowledge, BK) je také vhodné zálohovat znalosti konkrétních zkušených pracovníků, kteří mohou společnost opustit. Cílem oblasti výzkumu virtuální reality (VR) je perfektní syntetická simulace virtuálního světa, který v optimálním případě nelze rozlišit od reality. K tomu jsou

141


prostřednictvím vhodného softwaru a hardwaru stimulovány různé smysly člověka. Tento umělý svět je vytvářen počítačem a může být kopií reality nebo přispívat rozšířenými informacemi. Také je možné generovat z abstraktních množství dat snadno uchopitelný, intuitivní „svět“. Ve virtuálních světech je možné se volně pohybovat a spatřovat objekty tohoto okolí nejen třídimenzionálně, nýbrž je také slyšet, cítit a působit na ně. Je tak možné nechat před očima vyvstat umělý svět, resp. (pokud možno) vnímat jej všemi smysly. Cílem výzkumu simulačních technik v návaznosti na VR je dokonalá předpověď chování zkoumaného a vyvíjeného objektu, která umožňuje provádět citlivostní studie, studie proveditelnosti a posléze i spolehlivou komplexní optimalizaci bez nákladů na výrobu a zkoušky mnoha zkoumaných variant a to se zahrnutím subjektivního posouzení z hlediska budoucího zákazníka, pracovníka na montáži nebo v údržbě/servisu výrobku atp. K tomu je zapotřebí zlepšovat a dále vyvíjet • simulační techniky samotné prostřednictvím prohlubování fyzikálního popisu, jeho matematické reprezentace i numerického řešení; • simulační techniky samotné z hlediska šířky (komplexnosti) popisované soustavy, vynucující si zabezpečení potřebných vazeb a zefektivnění iteračních postupů pro dosažení použitelných časů simulace; • simulační techniky samotné, z hlediska jejich hierarchického členění pro použití v různých rolích z hlediska času potřebného pro simulace (od podrobných simulací předběžně optimalizovaných variant přes simulace větších celků pro předběžný odhad jejich chování až po aplikace pracující v reálném čase, tedy použitelné např. pro prediktivní řízení) a z hlediska nákladů i datové náročnosti jejich využití; • prostředky kalibrace podle dat z fyzicky existujících vzorků, které se alespoň do určité míry podobají vyvíjenému stroji nebo jeho částem, bez této kalibrace nejsou simulační techniky plně spolehlivé; • prostředky pro ukládání a vyhledávání relevantních dat v IDB a jejich interakci se znalostními systémy. Postupy a nástroje virtuální reality Pod virtuálními technikami jsou v podstatě shrnuty techniky virtuální reality - (virtuální environment, Artificial Environment – VR) a Augmented Reality – (AR). Počítají se sem ale také metody CAx (CAD, CAT, CAM) a výpočtové postupy jako např. CFD a FEM spojené i s řešením Maxwellových rovnic, a dále systémy PDM a PLM. Pro efektivní použití simulací komplexních systémů (jako je např. simulace interakce mezi podélnou, příčnou i svislou dynamikou vozidla a zásahů distribuovaného nebo integrálního systému řízení podvozku jako ABS, ASR a ESP) je nutné zapojit zjednodušené modely se soustředěnými parametry, jako je simulace dynamiky mnohatělesových systémů (MBS) nebo jednorozměrné simulace dynamiky směsí plynů a dalších fází s chemickými reakcemi v objemu i na chemicky aktivním povrchu pro optimalizaci činnosti spalovacích motorů nebo palivových článků či simulace vlastností elektrických strojů a přístrojů např. pomocí popisu náhradních schémat. Tato

142


zjednodušení jsou zvláště důležitá pro trénování inteligentních řídicích jednotek, případně i pro vestavbu do nich ve funkci prediktivního nástroje. Při zjednodušování metod rostou jejich nároky na experimentální, případně výpočetní kalibraci, založenou na metodách větší přesnosti. Chytrým spojením různě náročných metod s omezením počtu časově nejnáročnějších simulací (trojrozměrných, 3-D) lze zvýšit přesnost, aniž úměrně narostou výpočetní nároky, jak ukazuje pro konkrétní případ simulace chování motoru v neustáleném režimu obr. 8.7.1.

Obr. 8.7.1 Možnosti spojení simulačních prostředků o různé hloubce (od algebraických ke trojrozměrným (3-D) a experimentů z hlediska optimalizace nároků na čas získání dat [8.7.4]

Další oblastí jsou různé internetové technologie a systémy (kupř. Chat, E2E, B2B, Software-on-demand) a samotný svět. Mezi virtuální techniky počítáme i technologie metod virtuální reality, Augmented Reality a Product Life Cycle Management. Vlastní spojení simulačních technik a vyhledávání dosavadních znalostí z vývoje i výroby a provozu podobných výrobků pro parametrickou, konfigurační a do určité míry i konceptuální optimalizaci lze podpořit znalostními bázemi a inteligentními datovými základnami. Také pro kalibraci simulačních technik je nutno svázat vstupy simulačních programů s výstupy zpracování dat z experimentálního vývoje prostřednictvím inteligentních databází. Jejich struktura obsahuje v ideálním případě nejen hierarchicky uspořádaná data konkrétního výrobku, ale též popis vlastní struktury (samodokumentace) a použité výpočtové metody. Samodokumentace struktury na všech úrovních popisu výrobku je důležitá pro pružné použití datové základny, jejíž uspořádání se může podstatně měnit pro různé koncepce výrobků. Části struktury však mohou zůstávat shodné a všechny části mohou být složeny ze stejných nebo obdobných entit. Příklad samodokumentovatelné struktury motoru v relační databázi ukazuje obr. 8.7.2. Pro zjednodušení je vynecháno přiřazení konceptů i reálných konkrétních parametrů k jednotlivým úrovním popisu konkrétního výrobku (motoru). Parametry, jimiž mohou být i složitější datové struktury,

143


jsou použity především pro reprezentaci konkrétního virtuálního výrobku. V této roli slouží některé z nich pro posouzení splnění kritéria optimalizace, jiné pro posouzení dodržení požadovaných omezení. Parametry kromě toho vystupují též jako subjekt i objekt transformace vstupů na výstupy v simulačních programech. Návrh konkrétního simulačního postupu je pak odvozen zpětným postupem, tedy vyhledáním potřebných vstupů pro dosažení zamýšleného výstupu. Při tomto hledání nutně vznikají iterační smyčky.

Obr. 8.7.2 Relační datová základna popisující svou strukturu v konceptuální rovině, obsahující hierarchicky utříděná data konkrétního výrobku a zachycující výběr simulačních postupů z obecně použitelných metod spojených vyhledáváním cílových parametrů metodou výstup-vstup [8.7.5]

Úplný proces vývoje výrobku za podpory prostředků VR V průběhu procesu vývoje výrobku probíhají činnosti sériově s paralelním překrytím, které se týká celé řady dílčích procesů. Úplný obecný proces vývoje je charakterizován postupem od komplexního pohledu na systém ke stále podrobnějším simulacím s větší hloubkou popisu. Všechny tyto činnosti se týkají výrobku, existujícího jen ve virtuální realitě (virtuálního výrobku). Jakmile jsou všechny detaily zkonstruovány a vyrobeny, obrací se postup od detailů k celku, který je zkoušen a kalibrován např. z hlediska řízení. Vzniká tak známý V-diagram (obr. 8.7.3), jehož průběh lze urychlit právě predikcí vlastností dosud neexistujícího celku simulací („frontloading“).

144


Obr. 8.7.3 V-proces vývoje (AVL List Graz a [8.7.3])

Konkrétní souslednost procesů a nástrojů při vývoji nového vozidla ukazuje obr. 8.7.4. Dílčí procesy probíhají s paralelním překrytím. Tato paralelita průběhu dílčích procesů je výrazně podporována technikami VR s využitím možnosti výměny a průběžné aktualizace dat mezi jednotlivými organizačními útvary ve smyslu již zmíněného IE. SOP Design

Oblast vývoje produktu

Předvývoj Konstrukce Výpočty Prototypy, zkoušky

Vývoj a výroba nářadí

Oblast přípravy výroby

Pilotní hala Digitální továrna Rendering

Obr. 8.7.4 Souslednost procesů a jejich překryvy při vývoji vozidla

Během sériové návaznosti činností vývoje na obou větvích V podle obr. 8.7.3 musí docházet k souběhu (paralelním překryvům) s následnými činnostmi – obr. 8.7.4, jinak by doba do uvedení výrobku na trh byla neúnosně dlouhá. Ani samotná činnost v jednotlivých aktivitách se neobejde bez zmíněných iteračních smyček. Rozhodnutí o postupu se musí vytvářet kombinací automatizované přípravy vazeb dat pro jednotlivé výpočetní postupy metodou přiřazování výstup-vstup dle obr. 8.7.2, doplněných rozhodnutím koordinátora projektu, který musí garantovat konvergenci iteračního procesu,

145


i když někdy za cenu nedokončení iterace optimálního řešení přijetím konfigurace, která splňuje alespoň požadovaná omezení.

8.7.5 Příklad datových a procesních vazeb v kombinované datové a znalostní bázi [8.7.5]

Predikce vlastností nového výrobku je zatížena nedokonalou znalostí jeho parametrů, která je v průběhu vývoje redukována a pravděpodobnost chybného rozhodnutí klesá (obr. 8.7.6). Na druhé straně však exponenciálně rostou náklady na opravu důsledku chybného rozhodnutí s ohledem na již provedené práce a spotřebovaný materiál. Význam věrohodného virtuálního výrobku dostupného od počátku vývoje pro efektivní proces je zřejmý. Zejména v případě předvývoje inovace vyššího stupně jsou nejistoty značné. Posouzení potenciálu nových řešení vyžaduje tvůrčí přístup k možnostem simulace a často návrat k jednoduchým metodám, založeným na algebraických vztazích, často v roli spojovacího článku metod vyšší úrovně. Právě při těchto úlohách je znalostní inženýrství důležité.

146

Risk of wrong decision

Magnitude of costs of design changes


Development process

⇒ time

Obr. 8.7.6 Vztah jednotlivých fází vývoje nového výrobku k množství dostupné informace a rizika plynoucí ze špatného rozhodnutí [8.7.3]. Barvy odpovídají obr. 8.7.3.

8.7.3 Cíle VaVaI v oboru simulačních technik a VR v ČR Stav v ČR nezaostává za světem, jak např. svědčí srovnání výsledků, dosažených v rámci projektu EU 7. RP VECOM. Pro udržení této úrovně a její další zlepšení je však nutné aktivně v rozvíjení simulačních technik a aplikací VR pokračovat. Není přitom možno ani nutno pokrýt celý rozsah technik, ale soustředit se především na efektivní spojení mezi jednotlivými dílčími procesy, a to s dostatečnou efektivitou i pružností, respektující budoucí změny struktury vozidel i budoucí vývoj jednotlivých technik. Užití simulačních technik a VR ve fázi vývoje výrobku Důsledné využití technik VR ve vývojovém a výrobním procesu přináší řadu technickoekonomických výhod a v současném konkurenčním globálním prostředí je naprosto nezbytné. Hlavní cíle využití simulačních technik a VR jsou: -

Zkrácení času procesu vývoje výrobku. Snížení vývojových i výrobních nákladů. Zvýšení technické úrovně výrobku (inovativnost, kvalita atd.) Zvýšení konkurenceschopnosti.

Užití prostředků VR ve fázi vývoje výrobku Hlavní cíle užití metod VR ve fázi vývoje výrobku jsou: - Prověření více variant konstrukčních řešení (optimalizace vyvíjeného produktu) a včasné vyloučení neperspektivních variant koncepce v raném stádiu vývoje. - Časové zkrácení procesu vývoje výrobku paralelizací procesů a náhradou časově náročných experimentálních zkoušek. Úspora vývojových nákladů nalezením potenciálně nadějných variant pomocí optimalizace virtuálního výrobku a omezením nákladné výroby fyzických prototypů. - Úspora hmotnosti nářadí.

147


- Zlepšení ergonomie Interaction)

produktu,

optimalizace

HMI

(Human

Machine

Jednotlivé činnosti procesu vývoje výrobku jsou zejména: - Design V této etapě se jedná o designový návrh produktu. Design produktu probíhá v úzké vazbě s návrhem koncepce (předvývojem). Musí být zaručena maximální interaktivita obou procesů. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi ze 40 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 70 %. Ve zbývajících 30 % je předpoklad užití klasických metod. - Stanovení koncepce produktu (předvývoj) V této etapě se jedná zejména o návrh koncepce vozidla a jeho komponent, stanovení hlavních rozměrů a vlastností vozidla. Tato činnost probíhá v úzké spolupráci s designem a navazující konstrukcí. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi ze 60 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 80 %. Ve zbývajících 20 % je předpoklad užití klasických metod. V této oblasti je velmi důležité i znalostní inženýrství, umožňující přístup ke shromážděnému know-how bez závislosti na konkrétních pracovnících, specializovaných v jednotlivých oblastech vývoje. Znalostní systémy musí být propojeny s datovými základnami, obsahujícími i údaje o použitých metodách a jejich výsledcích, konfrontovaných mezi virtuální realitou a experimenty. V některých oblastech je v ČR dobře zvládnuta i tvůrčí aplikace simulačních metod pro inovativní řešení. - Konstrukce produktu V této etapě se jedná o vlastní konstrukci produktu. Konstrukce produktu je podporována výpočty a zkouškami. Cílem pro budoucnost je vytvoření plně virtuálního produktu vozidla. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 85 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 95 %. Ve zbývajících 5 % je předpoklad užití klasických metod. - Technické výpočty Jedná se o paralelní činnost podporující zejména hlavní klíčové aktivity a to předvývoj a vlastní konstrukci výrobku. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 98 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově maximálně asi na 99 %. U zbývajícího 1 % je předpoklad užití klasických metod. Pro konkrétní představu se např. pro splnění požadavků na crash provádí cca 2000 výpočtů a 10 testů s reálným prototypem. - Výroba prototypů / virtuální prototyp Cílem činností v této etapě je maximálně možná náhrada reálných prototypů za prototypy virtuální nebo kombinované, pořizované zejména zrychlenými metodami rapid prototyping, nasazenými jak v oblasti fyzicky existujících dílů, tak u řídicích systémů. Z hlediska konstrukce samotné u nich jde o kontrolu bezkoliznosti dílů, vyrobitelnosti a smontovatelnosti. Virtuální prototyp má však daleko širší použití – lze jej jak testovat z hlediska dosažení parametrů velmi podrobnou simulací, tak připravit kalibraci řídicího systému. Pro ni se využívá zrychlených metod na úrovni virtuální pro výrobek i řídicí systém (software-in-the-loop, SiL) nebo kombinace virtuální reality a fyzicky existujícího

148


modelu (hardware-in-the-loop, HiL). Důvodem pro rozšíření těchto technik je narůstající počet stupňů volnosti při optimalizacích kalibrace, které by vyžadovaly veliký počet zkoušek jednotlivých kombinací kalibračních parametrů, a dále trénování prediktivních systémů řízení. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 50 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 70 %. Ve zbývajících 30 % je předpoklad užití klasických metod. - Zkoušky a kalibrace fyzických objektů Jedná se zejména o zkoušky funkční, životnostní a další. Na funkční zkoušky navazuje kalibrace řídicího systému, dnes prováděná zčásti automaticky. Cílem je rozsah zkoušek omezit díky předběžné optimalizaci virtuálního výrobku. Zkoušky se pak zaměří jednak na ověření vlastností téměř definitivního provedení, jednak na získání zobecněných podkladů pro vývoj dalších výrobků. Právě v této oblasti hrají znalostní inženýrství a IDB stále významnější roli. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 10 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově maximálně asi na 30 %. Ve zbývajících 70 % je předpoklad užití klasických metod. - Rendering Jedná se o nástroj, založený zejména na aplikaci prezentačních technik. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 9 0%. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 100 %. Využití simulačních technik a VR v jednotlivých činnostech vývoje výrobku ukazuje obr. 8.7.7. 70% - cíl 2020

Design

0%

Předvývoj (koncepční fáze)

0%

Konstrukce

0%

Tech. výpočty crash

0%

100%

50% 80% - cíl 2020

100%

30%

95% - cíl 2020 85%

100% 99% - cíl 2020 99%

100%

98% - cíl 2020

Tech. výpočty – CFD/proudění

0%

Tech. výpočty celkově

0%

Výroba prototypů / Virtuální prototypy

0%

Zkoušky

0%

Rendering

0%

98%

100%

98% - cíl 2020 90%

100%

70% - cíl 2020 100%

50% 30% - cíl 2020

100%

10%

cíl 2020 90%

100%

Obr. 8.7.7 Stav a cíle zavedení prostředků simulačních technik a VR do vývoje vozidel

149


V oblasti simulačních technik probíhá intenzivní vývoj v mechanice kontinua, popisované parciálními diferenciálními nebo integrálními rovnicemi, a to jak v pevné, tak v tekuté fázi. Jedná se především o podrobnější modelování nelineárních dějů v anizotropním materiálu (kmitání v širokém spektru frekvencí, plasticita, lomová mechanika, děje v průběhu výroby spojené zejména se skupenskými a fázovými změnami, difuse, turbulentní přenosové jevy, transonické proudění, chemicky reagující systémy, koroze atp.) a vazby mezi jednotlivými simulovanými fázemi. Jejich aplikace vyžaduje adekvátní rozvoj numerických metod pro urychlení stále složitějších výpočtů, tvorbu adaptivních sítí a paralelizaci algoritmů z hlediska využití superpočítačů. V této oblasti je velký potenciál i ve využití syntetických (nepřímých) metod geometrického tvarování součástí, využívajících inverzní algoritmy k výše popsaným analytickým metodám. Příkladem může být tvarování spalovacího prostoru podle požadovaného průběhu uvolňování tepla nebo návrh tvaru hrdla (kanálu) podle metody materializovaných proudových trubic [8.7.6], která prokázala na mnoha případech svoji velkou účinnost, ale dodnes není algoritmizována pro VR. Další potenciál pro bezprostřední použití v aplikovaném výzkumu a experimentálním vývoji mají zjednodušené metody nižší fyzikální hloubky (založené např. na algebraických nebo algebrodiferenciálních rovnicích), umožňující snadné řetězení pro popis větších celků, charakteristických pro vozidla. Jde především o metody mnohatělesové mechaniky (MBS) se třením v kontaktu těles i třením hydrodynamickým atp. Jak pro hluboké, tak pro zjednodušené metody jsou velkou výzvou inverzní algoritmy, umožňující rychlou kalibraci metody podle výsledků experimentů. Obecně používaná metoda černé skříňky s optimalizací kalibračních parametrů evidentně není nejúčinnějším postupem. Kromě řetězení pro modely velmi složitých soustav a vzájemné kombinace jsou velmi přínosné i křížové vazby mezi modely různých procesů v různých úrovních pro poskytnutí okrajových podmínek (tj. např. zjednodušený model aerotermodynamiky napojený na podrobný model pevné fáze nebo naopak plný model turbulentního chemicky reagujícího proudění napojený na zjednodušený model stěny v pevné fázi). Tyto křížové vazby velmi přispívají k urychlení zmíněné problematické konvergence paralelně-sériových procesů, ale vyžadují koordinaci pomocí IDB. Ve výše popsaných rozvojových aktivitách lze očekávat v nejbližších letech významný pokrok. - Vizualizace V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 95 %, cílově lze očekávat nárůst na 100 %. - Haptika V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 10 %. Cílově lze očekávat nárůst na max. 90 %. - Silová zpětná vazba V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 5 %. Cílově lze očekávat nárůst na max. 90 %. Celkový přehled odhadu využití technik VR ukazuje obr. 8.7.8.

150


1990

2010

Vizualizace (Zrak)

2020

95%

Cíl - 2030

100%

90%

Haptika (Hmat)

50% 10%

90%

Silová zpětná vazba 30% 5%

Obr. 8.7.8 Vývoj a aplikace specifických prostředků VR

Lze tedy konstatovat, že maximální podporu v budoucnosti je třeba zaměřit zejména na: • • • • • • •

rozvoj inteligentních základen dat a znalostních systémů s dostatečně pružnou strukturou popisu výrobku i metod, použitých pro jeho vývoj (simulačních technik, experimentů a jejich vyhodnocení); rozvoj metod vytváření postupu optimalizace výrobku se zřetelem na zrychlení konvergence iteračních smyček; rozvoj fyzikální podstaty i matematického popisu chybějících metod všech úrovní hloubky popisu pro doplnění souvislého procesu vývoje existujících koncepcí a pro rychlé ocenění potenciálu nových koncepcí výrobků; rozvoj numerických metod pro paralelní výpočty v simulacích; rozvoj metod maticové a kinematické geometrie pro aplikace VR a pro syntézu tvarů součástí na základě pravidel odvozených z analýzy fyzikálních jevů; rozvoj metod inverzních algoritmů pro kalibraci simulačního modelu podle experimentů; rozvoj implementace haptiky a silové zpětné vazby pro užití v technikách VR.

Užití simulačních technik a VR ve fázi vývoje a výroby nářadí Hlavní cíle užití metod VR ve výrobě nářadí jsou: -

Ohodnocení produktu z hlediska kvality (predikce chyb) Zkrácení procesu Úspora nákladů Úspora hmotnosti nářadí Vyzkoušení více variant (optimalizace) Zavedení „Robustního procesu“

151


Jednotlivé činnosti v procesu vývoje a výroby nářadí jsou: - Stanovení koncepce procesu lisování dílu (Metodické plánování) V této etapě se jedná zejména o návrh činných částí lisovacího nářadí, tzn. ploch dílu a navazujících technologických ploch a jejich ověření simulací tažení a optimalizace využití plechu. Tato činnost probíhá v úzké spolupráci s technickým vývojem. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 90 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 95 %. Ve zbývajících 5 % je předpoklad užití klasických metod. - Konstrukce nářadí V této etapě se jedná o vlastní konstrukci nářadí. Tato činnost přímo navazuje na koncepci procesu lisování dílu. Činné části nástroje se „obalují“ litinou. Provádí se simulace pohybu nástroje a vyšetřují se potenciální kolize nářadí. Cílem by mělo být vytvoření „Virtuálního digitálního lisu“. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 85 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 95 %. Ve zbývajících 5 % je předpoklad užití klasických metod. - Výpočty nářadí V této etapě se jedná zejména o pevnostní výpočty nářadí. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR již z asi 100 %. - Výroba modelů V této činnosti jsou využívány techniky VR asi z 10 % a nepočítá se s dalším rozšířením využití. - Výroba nářadí V této činnosti jsou využívány techniky VR asi z 5 % a nepočítá se s dalším rozšířením využití. Využití technik VR v jednotlivých činnostech vývoje a výroby nářadí ukazuje obr. 8.7.9.

95% - cíl 2020

Koncepce nářadí (metodáři)

0%

Konstrukce nářadí

0%

Výpočty nářadí

0%

Výroba modelů

0%

Výroba nářadí

0%

90%

100% 95% - cíl 2020

85%

100%

100%

100%

10%

100%

5%

Obr. 8.7.9 Uplatnění VR v oblasti vývoje nářadí

Z obecného hlediska lze definovat následující oblasti nasazení technik VR v oblasti vývoje a výroby nářadí:

152


- Konstrukce V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 90 %. Cílově lze očekávat nárůst na max. 95 %. - Predikce chyb a rozměrovost V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 50 %. Cílově lze očekávat nárůst na max. 95 %. - Optimalizace V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 20 %. Cílově lze očekávat nárůst na max. 95 %. Lze tedy konstatovat, že rozvoj oblasti optimalizace celého procesu vývoje a výroby nářadí při užití technik VR by měl být v následujících letech maximálně podporován. Celkový přehled odhadu využití technik VR ukazuje obr. 8.7.10.

90%

95%

95%

95% 80% 50%

95% 70% 20%

Obr. 8.7.10 Budoucí uplatnění technik VR v oblasti vývoje nářadí

Užití simulačních technik a VR ve fázi plánování výroby Hlavní cíle užití metod VR ve fázi plánování výroby jsou: -

Eliminace chyb v datech. Eliminace potencionálních kolizí při výrobě. Zkrácení (urychlení) procesu Úspora nákladů

Jednotlivé činnosti ve fázi plánování výroby jsou: - Ověření smontovatelnosti produktu seriovou technologií (Pilotní hala) V této etapě se jedná zejména o ověření existence všech dílů a jejich smontovatelnosti při uvážení všech tolerancí. Tato činnost probíhá v úzké spolupráci s technickým vývojem. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 30 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 70 %. Ve zbývajících 30 % je předpoklad užití klasických metod.

153


- Návrh pracoviště ve výrobě V této etapě činnosti se jedná o kompletní návrh pracoviště ve výrobním procesu včetně ergonomie a vazeb na logistiku (zahrnuje i balení dílů). Nezbytným předpokladem je stále aktualizovaný a normalizovaný systém databází (geometrická data musí být ve formátu 3D). K dispozici musí být zejména: kusovník (díly 3D), geometrický popis pracoviště, knihovna robotů, knihovna přípravků, knihovna palet, knihovna obalů atp. Zde je nezbytné důsledné dodržování normalizovaného značení. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 25 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 90 %. Ve zbývajících 10 % je předpoklad užití klasických metod. - Vytvoření digitální továrny V této etapě činnosti se jedná o kompletní návrh digitální továrny včetně vazeb na logistiku. Kriteriální funkce této činnosti je optimalizace výroby. V současné době jsou v této činnosti využívány techniky VR asi z 15 %. Navýšení užití technik VR se odhaduje cílově asi na 80 %. Ve zbývajících 20 % je předpoklad užití klasických metod. Využití technik VR ve fázi plánování výroby ukazuje obr. 8.7.11. 70% - cíl 2020

Pilotní hala

0%

Pracoviště ve výrobě

0%

30%

100% 90% - cíl 2020 100%

25% 80% - cíl 2020

Digitální továrna

0%

100%

15%

Obr. 8.7.11 Využití technik VR ve fázi plánování výroby

Z obecného hlediska lze definovat následující oblasti nasazení technik VR v oblasti plánování výroby: - Toleranční analýza V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 20 %. Cílově lze očekávat nárůst na 100 %. - Ergonomie V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 10 %. Cílově lze očekávat nárůst na max.90 %. - Digitální továrna V této oblasti je nasazení technik VR zastoupeno asi na 20 %. Cílově lze očekávat nárůst na max.80 %. Lze tedy konstatovat, že rozvoj využití technik VR ve všech třech výše uvedených oblastech, a to: - Toleranční analýza, - Ergonomie, - Digitální továrna,

154


by měl být v následujících letech maximálně podporován. Celkový přehled odhadu využití technik VR ukazuje obr. 8.7.12.

1990

2010

Toleranční analýza

2020 90%

Cíl - 2030 100%

20%

Ergonomie 80%

90%

10%

Digitální továrna 70%

80%

20%

Obr. 8.7.12 Budoucí využití technik VR

8.7.4 Nároky na vzdělávání a další podmínky proveditelnosti Jedním z hlavních předpokladů dalšího rozvoje využití technik VR je dostatek příslušně vzdělaného personálu. Doporučení: - Rozšíření výukových předmětů na technických VŠ zaměřených na problematiku užití simulačních technik a VR. - Zavedení dalších vzdělávacích programů pro zaměstnance zaměřených na problematiku užití simualčních technik a VR (případně terciálního vzdělávání i jako celoživotního vzdělávání).

8.7.5 Prioritní témata VaVaI v oboru simulačních technik a VR pro ČR T8.7-1 Vývoj a zavedení studijních oborů v této oblasti na úrovni řádného studia, terciárního vzdělávání a celoživotní vzdělávání. T8.7-2 Výzkum simulačních technik a technik VR pro parametrickou optimalizaci vysoce konkurenceschopných výrobků i jejich součástí. T8.7-3 Výzkum simulačních technik a technik VR pro konceptuální optimalizaci inovací vyšších řádů u finálních výrobců i subdodavatelů T8.7-4 Výzkum technik VR pro urychlení přípravy výrobní fáze v celém řetězci výrobních podniků, tedy výrobců i dodavatelů. T8.7-5 Výzkum využití VR při návrhu výrobní linky T8.7-6 Výzkum aplikací pro návrh „Digitální továrny“.

Aby bylo dosaženo cílů výše uvedených témat VaV, je nezbytně nutné soustředit se zejména na řešení následujících dílčích témat:

155


•

• • • • •

• • •

rozvoj inteligentních základen dat a znalostních systémů s dostatečně pružnou strukturou popisu výrobku i metod, použitých pro jeho vývoj (simulačních technik, experimentů a jejich vyhodnocení, postupů simulace z hlediska účinnosti v porovnání s experimenty); rozvoj numerických metod pro paralelní výpočty v simulacích; rozvoj metod maticové geometrie a kinematické geometrie pro aplikace VR a pro syntézu tvarů součástí na základě pravidel odvozených z analýzy fyzikálních jevů; aplikace v oblasti tolerančních analýz; rozvoj metod inverzních algoritmů pro kalibraci simulačního modelu podle experimentů; rozvoj implementace haptiky a silové zpětné vazby pro užití v technikách VR; rozvoj metod vytváření postupu optimalizace výrobku se zřetelem na zrychlení konvergence iteračních smyček a použití pokročilých optimalizačních algoritmů (DoE, varianty genetických a populačních algoritmů, adjoint solvers pro sdružené řešení přímé i nepřímé úlohy atp.); rozvoj fyzikální podstaty i matematického popisu chybějících metod všech úrovní hloubky popisu pro doplnění souvislého procesu vývoje existujících koncepcí a pro rychlé ocenění potenciálu nových koncepcí výrobků; rozvoj algoritmů nepřímých metod a metod znalostního inženýrství pro konfigurační a konceptuální optimalizace; rozvoj prostředků aplikace v oblasti návrhů ergonomie.

Podrobný obsah prioritních témat části 8.7.5 Ad T8.7-1 Výzkum simulačních technik a technik VR pro parametrickou optimalizaci vysoce konkurenceschopných výrobků i jejich součástí, tedy u finálních výrobců i subdodavatelů •

• • • •

rozvoj inteligentních základen dat a znalostních systémů s dostatečně pružnou strukturou popisu výrobku i metod, použitých pro jeho vývoj (simulačních technik, experimentů a jejich vyhodnocení, postupů simulace z hlediska účinnosti ve srovnání s experimenty); rozvoj numerických metod pro paralelní výpočty v simulacích; rozvoj metod maticové geometrie a kinematické geometrie pro aplikace VR a pro syntézu tvarů součástí na základě pravidel odvozených z analýzy fyzikálních jevů; rozvoj metod inverzních algoritmů pro kalibraci simulačního modelu podle experimentů; rozvoj implementace haptiky a silové zpětné vazby pro užití v technikách VR.

Ad T8.7-2 Výzkum simulačních technik a technik VR pro konceptuální optimalizaci inovací vyšších řádů u finálních výrobců i subdodavatel • •

rozvoj metod vytváření postupu optimalizace výrobku se zřetelem na zrychlení konvergence iteračních smyček; rozvoj fyzikální podstaty i matematického popisu chybějících metod všech úrovní hloubky popisu pro doplnění souvislého procesu vývoje existujících koncepcí a pro rychlé ocenění potenciálu nových koncepcí výrobků;

156


• •

rozvoj algoritmů nepřímých metod a metod znalostního inženýrství pro konfigurační a konceptuální optimalizace; rozvoj prostředků aplikace v oblasti návrhů ergonomie.

Ad T8.7-3 Výzkum technik VR pro urychlení přípravy výrobní fáze v celém řetězci výrobních podniků, tedy výrobců i dodavatelů • •

toleranční analýza, ergonomie výrobku.

Ad T8.7-4 Výzkum využití VR při návrhu výrobní linky • aplikace ergonomie montáže Ad T8.7-5 Výzkum aplikací pro návrh „Digitální továrny“ • •

výzkum opatření pro zkrácení času od objednávky do dodání výrobku podle přání zákzníka, aplikace v oblasti tolerančních analýz.

Ad T8.7-6 Vývoj studijních oborů programů v této oblasti na úrovni terciárního vzdělávání i jako celoživotní vzdělávání • •

Rozšíření výukových předmětů na technických VŠ zaměřených na problematiku užití simulačních technik a VR. Zavedení dalších vzdělávacích programů pro zaměstnance zaměřených na problematiku užití simulačních technik a VR (případně terciálního vzdělávání i jako celoživotního vzdělávání).

8.7.6 Hodnocení z hlediska společenských potřeb Následující grafická zobrazení ukazují přínosy (vliv) doporučených prioritních témat VaV na hlavní sledované charakteristiky: o Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.7.13 o Bezpečnost: obr. 8.7.14 o Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.7.15 Grafické zobrazení: Osa x: ukazuje čas (v letech) potřebný k zavedení doporučeného opatření. Osa y: ukazuje vliv opatření na příslušnou charakteristiku přínosů (0-1-3-9). Velikost bodu ukazuje finanční náročnost realizace (0-1-3-9).

157


Obr. 8.7.13

Obr. 8.7.14

158


Obr. 8.7.15

8.7.7 Použitá literatura a zdroje [8.7.1] AVILUS Angewandte Virtuelle Technologien im Produkt- und Produktionsmittel Lebenszyklus, státní projekt D, podporovaný Bundesministerium fuer Bildung und Forschung, stav k 11. 2010 [8.7.2] Konzultace na pracovištích Škoda Auto a.s.: Technický vývoj, Vývoj a výroba nářadí, Plánování výroby [8.7.3] Babuška M.: Sdělení na kongresu GAMM, 1994 Macek J., Interní zprávy pro Projekt VECOM EU FP7, 2010 [8.7.4] Macek J., Vítek O., Srinivasan S., Tanner F. X.: 1-D Modeling of Transient Engine Operations Using Data Generated by a CFD Code. SAE Paper 2008-01-0357 [8.7.5] Macek J., Valášek M.: Computer Aided Configuration Design of Internal Combustion Engines – CED system. SAE Paper 2002-01-0973 a interní zprávy projekt VECOM [8.7.6] Jerie J.: Teorie motorů. Skripta ČVUT 1980

8.8 Zpracování materiálu a výrobní procesy 8.8.1 Základní požadavky Požadavky na nové materiály vznikají z celospolečenské potřeby (obdobně jako např. vznikla potřeba industrializace společnosti na počátku minulého století) nebo reagují na globální jevy (např. na palivovou krizi v sedmdesátých letech 20. století nebo na zvýšený

159


důraz na ochranu bezpečnosti účastníků silničního provozu v letech osmdesátých). Ohleduplnost k životnímu prostředí, jako je například využívání materiálů z obnovitelných zdrojů, snížení energetické náročnosti nebo postupná dekarbonizace, jsou potřeby současné doby a tedy i cíle pro VaV výrobců vozidel a jejich dodavatelů.

8.8.2 Světový vývoj v oblasti zpracování materiálu a výrobních procesů Automobilový průmysl se za více než sto roků své existence transformoval v jedno z největších odvětví průmyslu vyspělých států. Zpracování materiálů a výrobní procesy hrají klíčovou roli v ekonomii celého odvětví, přispívají k bezpečnosti vozidel i ochraně životního prostředí. Nejenom výroba vozidel, ale i s ní spojená výroba surovin a zpracovatelský průmysl tvoří komplex, který se zásadně podílí na tvorbě HDP státu. Automobilový průmysl zaměstnává přímo i nepřímo velký počet pracujících. Jistě je celospolečenskou potřebou v ČR neztratit pozice v tomto odvětví průmyslu a nadále přispívat k udržení výrobních kapacit. Jednou z cest, jak udržet výrobní kapacity v automobilovém průmyslu, je aktivně se zapojit do celosvětového vývoje nových materiálů a technologií, které budou splňovat požadavky na ochranu životního prostředí, sníží energetickou potřebu, pomohou zajistit bezpečnost silničního provozu a hlavně konkurenceschopnost. Snížení energetické a materiálové náročnosti Obecně v blízké budoucnosti bude třeba zaměřit se na nové druhy materiálů, které zajistí snížení energetické náročnosti při těžbě surovin a zpracovávání materiálů pro stavbu vozidel, sníží spotřebu energie při provozu vozidel a zajistí recyklovatelnost materiálů při likvidaci vozidel. Vhodný výběr materiálu pro konstrukci vozidla je základ pro další procesy. Těžba a další zpracování neobnovitelných zdrojů surovin zatěžuje životní prostředí přímo v místě těžby a nepřímo v místech, kde se pro těžbu získává energie i v místech, přes která je vytěžená surovina přepravována. Je proto vhodné upravit jednotlivé konstrukční části vozidel tak, aby bylo možné v co největší míře využívat surovin z recyklace nebo materiálů s vysokou pevností a tím snížit váhu vozidel a celkovou spotřebu surovin pro výrobu vozidla. Nízká váha vozidla společně se snižováním odporů všeho druhu sníží spotřebu energie potřebné pro provoz vozidla. Nicméně platí, že snížení hmotnosti karoserie současného motorového vozidla o 30 % se projeví v celkovém snížení hmotnosti vozidla jen cca o 13 % (neplatí pro autobusy). Velký vliv na snížení spotřeby energie mají kromě hmotnosti vozidla a druhu pohonu ještě odpory všeho druhu. Aerodynamické odpory závisejí na vnějším tvaru vozidla. Tření vznikající při vzájemném pohybu součástí lze snížit pomocí nano-technologií.

160


Obr. 8.8.1 Životní cyklus vozidla

Pro udržitelný rozvoj automobilového průmyslu je velmi důležité používat pro výrobu materiály a výrobní postupy, které budou co nejméně energeticky náročné. Nároky na energetickou náročnost je třeba brát komplexně a to po celou dobu životního cyklu (viz obr. 8.8.1 a obr. 8.8.2). Nové materiály Na snižování hmotnosti vozidla má zatím největší vliv použitý materiál. Další možnosti jsou ve snižování odporů všeho druhu, snižování obsahu spalovacích motorů při zvyšování výkonových parametrů a zvyšování pevnosti karoserie důsledným uplatňováním pevnostního návrhu. Využívání vysokopevnostní oceli pro jednotlivé konstrukční prvky karoserie v kombinaci s optimalizovanou tloušťkou materiálu je jedním ze základních kroků, kterými lze nejsnadněji snížit váhu vozidla. Další možností je využívání hliníkových a hořčíkových slitin. Na první pohled je spotřeba energie při výrobě hliníkových slitin velká, celkově při zohlednění dalšího zpracování, úspory hmotnosti a recyklovatelnosti se však situace obrací ve prospěch hliníkových slitin. Polymerní materiály (guma, termoplasty, reaktoplasty) se významně podílejí na celkové hmotnosti vozidla. Největší podíl zaujímají reaktoplasty s necelými 10 %. Podle druhu je nejvíce využíván polypropylen, polyamid, polyetylén a polymer ABC. Využívání kompozitních materiálů a pěnových struktur se již osvědčilo v leteckém průmyslu. Kompozity s uhlíkovými vlákny jsou stále častěji používány pro různé komponenty. Výhodou je nízká váha, možnost měnit vlastnosti materiálu způsobem tkaní vláken. Další prostor nabízí nano-technologie. Zpevnění kompozitních materiálů pomocí nano-trubic má zásadní význam zejména v pevnosti v příčném směru.

161


Vysokopevnostní oceli Používáním vysokopevnostních ocelí (HSS) s pevností v tahu 270-700 MPa a ultrapevných ocelí s pevností vyšší než 700 MPa lze snížit hmotnost vozidel cca o 30 %. Optimální je používat nový materiál vynalezený v USA nazývaný AHSS s pevností 500800 MPa, který je přizpůsobený požadavkům na tváření, svařování a deformační pevnost. Při výrobě se spotřebuje méně energie a materiál by měl být komerčně dostupný do roku 2020. Rovněž se musí uvažovat o dodávkách plechů s různými tloušťkami stěn již od dodavatelů. Slitiny hliníku a hořčíku Kolem 40 % úspory hmotnosti a zkrácení výrobních časů přineslo použití hliníkových slitin pro výrobu karoserie a podvozkových skupin. Kompenzuje to vyšší nákupní cenu materiálu pro výrobu. Spojovací uzly karoserie, které přenášejí síly a tlaky, jsou vytvářeny tlakovými odlitky. Tyto odlitky mohou být poměrně složité, s různou tloušťkou stěny. Pro výrobu hliníku je potřeba většího množství energie, ale recyklace hliníku je 10 x méně energeticky náročná než recyklace oceli. Podíl recyklovaného materiálu v obou případech je cca 30 % nových vsádek do pecí. Plasty a polymery Jedná se o širokou škálu materiálů splňujících řadu fyzikálních požadavků. Mohou být lehké, odolné, odolávat chemickým vlivům nebo být izolacemi proti hluku, teplu nebo elektrickému proudu. Mohou také být průsvitné, měkké, tvrdé nebo pružné. Polymerní materiály (guma, termoplasty a reaktoplasty) se významně podílejí na celkové hmotnosti vozidla. Největší podíl zaujímají reaktoplasty s necelými 10 %. Z toho podle druhu je nejvíce využíván polypropylen, polyamid, polyetylén a polymer ABC. Kompozitní materiály Kompozity zesílené vlákny napomáhají ke snížení hmotnosti vozidel. Dají se s nimi vytvářet složité tvary, které by bylo velmi nákladné vyrábět z kovů. Další výhody jsou malá tepelná roztažnost, nízké výrobní náklady a snadné barvení. Kompozity s přírodními vlákny se mohou použít pro vnitřní konstrukční prvky vozidla. Kombinace epoxidů s přírodními vlákny (například s bavlnou, lnem nebo jutou) mají jak vynikající vlastnosti pevnostní i izolační. Lze z nich vyrábět různé výplně dveří, konzole a ploché součásti. Z obnovitelných materiálů lze vyrábět výplně sedadel, čalounění apod. Při optimální konstrukci vozidla lze dosáhnou při použití kompozitních materiálů zesílených uhlíkovým vláknem až 40 % snížení hmotnosti vozidla. Kompozitní materiály vzácných kovů Poměrně často se v současných motorech používá vzácných kovů jako jsou platina nebo iridium. Jsou součástí aktivních ploch v katalyzátorech, lambda sondách a na elektrodách zapalovacích svíček v zážehových spalovacích motorech. Jednou z cest, jak snížit spotřebu těchto drahých a energeticky obtížně těžených materiálů, je patent firmy Heraes

162


na kompozit platiny a zirkonia. V případě, že se tento patent osvědčí, sníží se spotřeba platiny pro automobilový průmysl [8.8.3]. Plasty a nano-technologie Plasty ve spojení s nano-technologiemi mohou zlepšit vlastnosti jednotlivých součástí vozidla. Mohou zlepšit mechanickou pevnost, odolnost proti poškrábání, snížit tření, odpuzovat nečistoty z povrchu, zabránit pronikání UV záření, zarosení a podobně. Obnovitelné materiály Pro některá vozidla, jako například autobusy, se využívá dřevo a různé překližky. Nové materiály nazvané tekuté dřevo byly vyvinuty pomocí postupů používaných při výrobě pryžových směsí. Materiál lze používat v interiérech vozidel. Zlepšuje těsnost dřevěných vláken. Významná vlastnost tohoto materiálu je snadná recyklovatelnost [8.8.4]. Z dalších obnovitelných materiálů se při výrobě vozidel používají bavlna, len, konopí a přírodní kaučuk. Multifunkční materiály Příkladem je kompozitní materiál složený z několika vrstev se zabudovaným nosičem plnícím konkrétní úkol (například doprava energie, dotykový kontakt nebo ukládání energie). Protože každá vrstva plní určitý úkol, lze dosáhnout velkého snížení hmotnosti, snížení rizika poruch, flexibility a univerzálnosti. Například se může jednat o odstranění kabelových svazků, integraci osvětlení interiéru, náhradu lakování, změnu zabarvení karoserie v závislosti na světelných podmínkách nebo zabudování solárních panelů do horizontálních ploch karosérie apod. Kompozitní konstrukce Vhodnou kombinací různých plastů lze dosáhnout optimálních vlastností jednotlivých dílů. Například ocelové nosníky obalené polyamidem s podílem skelných vláken mají vysokou pevnost i složitý, jinak obtížně vyrobitelný tvar. Dalším využitím kompozitní konstrukce jsou pěnové výplně, které zvyšují pevnost celku a mají další pozitivní vlastnosti.

163


Obr. 8.8.2 Pět kroků pro recyklaci vozidel podle EU

Výrobní procesy Na jedné straně je nezbytné nezatěžovat nadměrně životní prostředí likvidací nepotřebných jednoúčelových strojů. Na druhé straně je třeba rychle reagovat na změny technologií vynucené legislativou nebo technickým pokrokem. Energetická náročnost předimenzovaných jednoúčelových strojů a jejich špatná flexibilita neprospívá ani konkurenceschopnosti z pohledu výrobních nákladů, ani rychlosti reakce při změně některého parametru finálního výrobku. Při tom lze očekávat v blízké budoucnosti zásadní změny vyvolané právě použitím nových materiálů a dalšími inovacemi.

164


Při výrobě vozidel se nesmí nadměrně zatěžovat životní prostředí. Je nutné omezit energetickou náročnost, hluk, emise a negativní dopady na zaměstnance a okolí. Při výrobě vozidel se musí dbát na vysokou produktivitu a využívat všech dostupných prostředků moderního řízení výroby a zdrojů k dosažení konkurenceschopnosti. Již v návrhu konstrukce je vysoce žádoucí používat univerzální platformy a unifikované výrobní uzly s ohledem na snižování energetické náročnosti při výrobě i likvidaci vozidla. Musí se využívat flexibilních výrobních zařízení a jejich modularizace. Tyto přístupy umožní vyrábět větší počet výrobků na stejném výrobním zařízení a šetřit náklady i životní prostředí. První výrobní a montážní linky při výrobě automobilů vznikaly z důvodu zvýšení produktivity práce a možnosti rychlého zapracování nekvalifikovaných pracovních sil. Konstrukce automobilu však musela být upravena tak, aby vyhověla požadavkům na rychlou montáž. Pro možnost velkosériové výroby bylo třeba zavedení standardizace rozměrů, úpravy konstrukce a redukce počtu dílů. Komplexní řešení celé montážní linky a technologie umožnilo snížit cenu automobilu několikanásobně a to usnadnilo zakoupení automobilu i středním vrstvám. Další vývoj směřoval k linkám, které byly konstruovány přímo na procesy. Na montážní linky byly dodávány i celky vyrobené v jiných továrnách např. motory. Postupně se začalo dodávat více a více těchto předmontovaných celků, jako jsou kompletní přístrojové desky, sedadla, stropní panely apod.. Tomu se také přizpůsobovala konstrukce automobilů a upravovala struktura dodavatelů, kteří dodávají přímo finálním výrobcům vozidel (Tier 1). Nejmodernější montážní linky využívají modulární montáž. Jednotlivé podsestavy jsou montovány mimo hlavní linku a na ni je pak dodán již smontovaný celek. Zlepšuje se tím průchodnost a zvyšuje efektivnost. Jednotlivé moduly mohou být složeny nejen z nových, ale i starších strojů, což snižuje náklady na pořizování nových strojů. Jinou možností je provádění montáže na standardizovaných modulech, které se mohou rychle přeskupit a přeprogramovat. Dalším typem montážní linky jsou výrobní buňky. Stroje a zdroje jsou v těsné blízkosti a výrobek zakládá, vyjímá a přesunuje na další operaci naprogramovaný manipulátor. Uspořádání těchto linek je převážně do tvaru písmene U. Metody a přístupy pro konstrukci a výrobní procesy Zaváděním moderních metod kontroly lze podstatně snížit zbytečné náklady a preventivně snížit energetickou náročnost výroby. Moderní metody se soustřeďují do předvýrobních etap. Nesledují, zda výrobek vyhovuje předepsané toleranci, ale řídí (regulují) procesy tak, aby k výrobě takového výrobku vůbec nemohlo dojít. Jednou z těchto metod je statistická regulace procesu SPC. Při správně prováděné statistické regulaci procesu nesmíme nikdy najít neshodný díl! Při SPC hlídáme záruky. Hlídáme „Gaussovu“ křivku. Hlídáme, aby hodnota byla ukryta s velkou rezervou ve středu tolerancí. Využitím metodiky SPC lze většinu procesů automaticky regulovat. Toto bude jedním z mnoha požadavků na nová výrobní zařízení. I při dobře fungujícím systému kvality se nelze vyhnout chybám, které neúmyslně zaviní lidé. Těmto chybám lze předejít využíváním systému Poka-Yoke už při návrhu výrobních

165


prostředků. Je to procesní postup, který umožňuje vykonávat činnost pouze jediným možným správným postupem. Digitalizace Výrobní organizace jsou a budou vystaveny rostoucímu tlaku požadavků trhu za požadavku maximální efektivity. Vnější faktory budou velmi turbulentní. Rozvoj a úspěšnou činnost podniku pomohou zajistit inovativní technologie. Tento požadavek bude vyžadovat striktní digitalizaci dat. V obecné rovině je úspěšnost produktů výrobní organizace odvislá od inovativnosti a oblíbenosti u zákazníků a od pružnosti uvádění výrobků na trh tj. pružnosti výrobní základny. Zde platí základní požadavky a trendy, které jsou protichůdné a obtížně proveditelné. Digitalizace výrobního podniku může svými nástroji a metodami tento rozpor řešit. Digitalizací lze rozumět postupný projektový proces za podpory různorodých, ale navzájem kompatibilních softwarových nástrojů. V současnosti probíhá bouřlivý vývoj v oblasti digitálního zpracování informací od vývoje výrobku přes technologii, výrobu až po řízení podniku. V blízké době se očekává vznik tzv. digitálních továren. Digitální továrnou se v podstatě rozumí virtuální simulace celého výrobního procesu, kde jsou všechny výrobní postupy modelovány ve virtuálním prostředí. Toto virtuální prostředí zajistí zlepšené plánování, které dokáže simulovat a optimalizovat jednotlivé procesy. Pro úplnou digitalizaci výrobního závodu je třeba skloubit mnoho informací: -

Simulace procesů Montážní postupy Robotika a simulace Analýza výrobních dob Ergonomické studie Výrobní plány Rozvržení pracovišť Výrobní pomůcky Výrobní postupy Řízení projektu Dokumentace Logistika

Procesní plánování Procesní plánování je proces mezi konstrukcí a vlastní výrobou. Pro konkurenceschopnost výrobní organizace bude velice důležité využít data ze systémů ERP jako podporu pro efektivní procesní plánování. Základními znalostními prvky systému procesního plánování jsou aktuální data zdrojů a kapacit, moduly procesů, simulační systémy plánování, časové kalkulace, programovací systémy pro automatizaci, komunikační technologie a také virtuální realita využitá pro procesy plánování. Soubor těchto metod a technik pomůže propojit proces mezi konstrukcí a výrobou, předejít vzniku chyb už při procesu návrhu a zefektivnit a urychlit celý proces.

166


Simulační procesy, virtuální realita Simulace je analytickým nástrojem, který určuje vlastnosti systému za určitých podmínek. Je používána jak při návrhu stroje a jeho chováni, tak pro návrh nástroje či pro logistiku a návrh výrobních prostředků a systémů. Lze simulovat chování materiálu, zkoušky, pevností výpočty apod. Vývoj ukazuje na využívání simulačních metod v systémech Manufacturing Execution Systems (MES) i v řízení strojů a procesů. V budoucnu se bude vývoj soustřeďovat do prostředí pro zvládnutí zejména nestabilních parametrů ke zvýšení efektivnosti výrobních systémů. Virtuální realitu charakterizuje počítačově vygenerované prostředí, do něhož pozorovatel může zapojit své aktivity pomoci svých smyslů (obdoba aktivit v reálném prostředí). Současná počítačová technika umožňuje vytvářet v reálném čase téměř dokonalé virtuální zobrazení, simulující věrně parametry reálného prostředí. Virtuální realitu budou využívat zejména výrobci automobilů. Pro jejich dodavatele bude v horizontu této studie patrně nedostupná. Modulární přístupy, unifikace Situace v automobilovém průmyslu směřuje již dlouhou dobu ke vzniku velkých koncernů sdružujících více značek. V rámci efektivity a snížení nákladů zejména na vývoj nových produktů jednotlivé koncerny spolupracují na modulárním řešení určitých konstrukčních uzlů a komponentů. Přínos bude zejména v poklesu nákladů v důsledku zvýšení sériovosti. Velkou roli pro modulární koncepci sehraje elektronika vozu, která umožní jednotlivé moduly sladit do funkčních celků s cílem oslovit konkrétního zákazníka. Již dnes se začínají ve vývoji objevovat pohonné jednotky, které se liší pouze počtem válců. Změnou elektronických parametrů se upraví vlastní nastavení pohonu na určitou výkonovou charakteristiku. Do budoucna bude narůstat sériovost jednotlivých komponent, která bude klást zvýšené požadavky na výrobní automatizaci a kvalitu produkovaných dílců u dodavatelů v automobilovém průmyslu. To bude vyžadovat vysoké investiční náklady na tyto technologie a dostatečnou znalostní základnu. Tento požadavek budou splňovat pouze velcí hráči na trhu. Tímto se vytvoří okolo automobilek struktura dodavatelů jednotlivých modulů, kteří budou automobilku zásobovat napřímo. Zavádění nových technologií Hlavním strategickým cílem je realizace inteligentních továren, které budou schopny organizovat ucelený a snadno rekonfigurovatelný výrobní proces. Distribuované „multiagentní“ technologie budou tento typ výrob charakterizovat. V oblasti řízení bude vyžadován víceúrovňový (multi-levelový) řídící systém od managamentu až k úrovni řízení strojů a procesů. Další oblastí bude implementace tzv. multi-agentní automatizace se softwarem a hardwarem pro inteligentní řešení (SIL, HIL). Dále se očekává aplikace a rozvoj nástrojů digitální továrny včetně simultáního inženýrství.

167


Samo-učící a samo-optimalizující se řídicí systémy Vývoj metod komplexních výrobních procesů s využitím adaptivních prvků s analýzou dat, adaptivních měřicích systémů, zpětných vazeb atd. bude nabírat na aktuálnosti. Očekává se dopad ve zkrácení časů vývoje produktu, redukce času při změně výrobního programu a výskytu poruch. Zároveň by mělo dojít ke zlepšení kvality výrobků, využitelnosti strojů a celkové efektivnosti komplexního výrobního systému. Spolupracující stroje a řídicí systémy Důležitou úlohou pro rozvoj výrobních systémů bude transformace tradičních výrobních linek na autonomní výrobní jednotky. Ve světě probíhá výzkum a vývoj tzv. „Holonic Manufacturing Systems (HMS)“ a „Service Oriented Control Architectures“ pro autonomní výrobní komponenty. Očekává se, že výsledky výzkumu aplikované do praxe povedou k řádově vyšším inovacím celého výrobního procesu. Modulární systémy výroby, robotizace Dalším zřejmým trendem, který digitalizace umožňuje, je posun k modulárním technologiím, které jsou snadno rekonfigurovatelné a spolu s virtuálním modelováním výrobního procesu jsou důležitým faktorem při snižování nákladů na výrobu. U montážních procesů budou hrát významnou roli adaptivní montážní moduly, a to především s ohledem na zkracování časů a také díky flexibilitě vyráběných produktů podle přání odběratelů. Cíle vývoje lze očekávat v racionálním propojení automatizačních prvků s minimem ručních operací a další využití robotizace. Inteligentní prvky a adaptivní montážní systémy by měly mít schopnost se učit, měly by diagnostikovat podmínky v reálném čase, a také na ně umět reagovat. Bude nutné je začleňovat do informačních a řídících systémů. Laserové svařování Laserovou svařovací technologií bude potřeba v budoucnu nahrazovat dosud používané svařovací metody. Sváření laserovou metodou má řadu výhod: ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

vysoká rychlost malé tepelné namáhání místa svaru možnost provedení svaru při přístupu z jedné strany vysoká pevnost svaru možnost přivaření dříve nesvařitelných materiálů hladké svary možnost svařovat i nekovové materiály.

Laserové technologie lze s výhodou použít i pro přesné dělení materiálu. Lepení a nýtování Používání nových materiálů přinese obnovu technologií, které se v současné době používají jen okrajově. Zejména lepení v souvislosti s používáním kompozitních materiálů a hliníkových slitin je stále používanější technologií pro výrobu součástí vozidel.

168


Nýtování je používáno pro zjednodušení montáže nerozebíratelných dílců, u lehké savby karosérií zejména pro spojování dvou různých materiálů při velkých nárocích na nosnost. Rozumné a ekonomické využití materiálů a zdrojů Jsou definovány nástroje, které využívají nových poznatků výzkumu a které jsou využívány v aplikacích. Lze je dělit na 4 hlavní oblasti, a to: a) technologie redukující spotřebu energie a minimálně ovlivňující životni prostředí (systémy managementu energii, preventivní redukce spotřeby energie při výrobních procesech, tzv. „čisté“ výrobní procesy). b) výkonnější a efektivnější technologie (technologie, stroje a procesy, které mají větší výkon a produktivitu, vyšší rychlost a kapacitu výroby, překonávají současné hranice v přesnosti a kvalitě povrchu, mají speciální mechanické a řídicí charakteristiky s cílem zvýšeni dynamiky procesu, potřebuji méně zastavěného prostoru). c) využívaní progresivních materiálů – od oboru materiálového inženýrství se očekává výzkum a vývoj nových materiálů se specifickými vlastnostmi. Jedná se o další vývoj kompozitních materiálů, materiálů s funkčními vlastnostmi (integrace aktivních prvků v základním materiálu), obecně lehčích materiálů s nezměněnou pevností, materiálů pro uplatnění v miniaturizaci atd.. Významnou prioritou jsou úpravy povrchu pro zlepšení vlastností výrobků. d) udržitelné výrobní technologie a systémy – jedná se o zcela zásadní přístup k celé výrobní sféře budoucnosti.. Klíčovými faktory jsou: ‐ ‐ ‐ ‐

energetická efektivnost efektivnost využívání zdrojů využíváni odpadů redukce škodlivých emisí

Používání zbytečných efektů zvyšujících energetickou náročnost výroby a zvyšujících celkově energetickou spotřebu je třeba omezit na nezbytně nutné detaily potřebné pro odlišení jednotlivých výrobců. Konstrukce nových vozidel se bude muset více podřizovat ekonometrickým požadavkům, bezpečnostním prvkům a omezením negativních vlivů na životní prostředí. Módní výstřelky jako přírodní kůže, chromované díly povrchu karoserie a nefunkční části karoserií zbytečně prodražují výrobu, užívání i likvidaci vozidla. Jednotlivé části vozidel by měly být navrhovány tak, aby nebyly předimenzované a zbytečně nepřekračovaly fyzickou životnost vozidla. Při volbě materiálů pro jednotlivé části vozidla je třeba upřednostňovat materiály snadno recyklovatelné a energeticky nenáročné z pohledu výroby a zatížení životního prostředí. Bezpečnost Použitý materiál pro výrobu automobilů má zásadní vliv na všechny vlastnosti vozidla včetně bezpečnosti posádky i ostatních účastníků silničního provozu. Od použitého materiálu se předpokládá řada vlastností, které musí plnit stále nové požadavky. Použitý materiál s vhodným konstrukčním řešením musí chránit posádku v případě havárie. Řada bezpečnostních prvků automobilu vyžaduje použití různých druhů materiálu. Bezpečnost

169


posádky vozidla není jediný požadavek pro budoucí automobily. Bezpečnostní systémy vozidla musí chránit i ostatní účastníky silničního provozu včetně chodců a posádek jiných vozidel. Konkurenceschopnost V současnosti je výroba vozidel jedním z největších tahounů českého průmyslu. Soustředění montážních závodů do střední Evropy má pozitivní vliv na možnosti výroby subdodávek a komponentů pro montážní závody v okolních státech. Dodavatelé však musí nabízet kvalitní a levné výrobky. To je možné jen v případě, že jejich výrobní kapacity budou moderní, budou využívat pokrokové způsoby řízení zdrojů a budou nabízet moderní a levné řešení. K realizaci slouží řada systémů. Nejběžnějším je systém kvality rozšířený o specifické požadavky zákazníka TS16949. Zejména analýza možností vzniku vad a jejich příčin a následků FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) je již dnes velmi rozšířena v automobilovém průmyslu. V brzké budoucnosti dojde k ještě většímu důrazu na preciznost provedení výrobku, aby se postihly i nejmenší problematické detaily. Pro správné posouzení budou využívány databáze, které budou obsahovat archiv znalostí. Pro kvalitu návrhu nového výrobku bude možné aplikovat data z těchto databází. Zabrání se tak opakujícím se chybám při návrhu a konstrukci. Pro kvantifikování míry výskytu a odhalení bude možné opět využít data vyhodnocovaná na základě interních neshod a reklamacích. Po etapě precizování metodiky FMEA bude probíhat sesíťování jednotlivých analýz do uceleného znalostního stromu. Tím se odhalí veškeré kritické parametry od producenta základního materiálu až k výrobci motorového vozidla. Technika FMEA se bude také týkat nevýrobních procesů k odhalení slabých míst v systému podniku, v logistice, v nákupu technologií a nářadí apod.. K omezení zbytečně vynaložené energie při odstraňování problémů při výrobě prototypů je třeba využívat již v prvních etapách návrhu nového výrobku metod na odhalování možností vzniku vad. Pro experimentální ověření bude sehrávat větší význam plánování experimentů DoE (Design of Experiments). Tato metoda je účinným nástrojem optimalizace procesů a významnou měrou ji lze využít i při návrhu nových výrobků.

8.8.3 Cíle VaVaI v oboru zpracování materiálu a výrobních technologií pro ČR Pokročilý automobilový průmysl musí rozvíjet svou výrobní základnu s kombinací vlastních zdrojů na výzkum i státní podpory. Oblast výrobních technologií i materiálů výrazně přesahuje zaměření této studie. Jen udržení kroku se světovým vývojem umožní podnikům na území ČR a EU zajistit konkurenceschopnost v oblasti výroby silničních vozidel. Významnou pomoc výrobcům vozidel může přinést i využívání výzkumného potenciálu vysokých škol a dalších výzkumných institucí. Zejména v oblasti nano-technologií existuje značný potenciál využitelný k získání určitého náskoku využitelného výrobci vozidel a jejich subdodavateli.

170


8.8.4 Nároky na vzdělání a další podmínky proveditelnosti Propojení systémů IT s výrobními zařízeními bude vyžadovat vyšší nároky na obsluhu těchto zařízení. Dá se předpokládat, že seřizovači složitých systémů budou muset znát nejen mechaniku těchto výrobních prostředků, ale také senzoriku spolu se základní znalostí programování PLC a podobných systémů.

8.8.5 Prioritní témata VaVaI v oboru zpracování materiálu a výrobních technologií pro ČR T8.8-1 VaV nano-technologií pro multifunkční materiály T8.8-2 VaV pokročilých kovových, plastových a kompozitních materiálů • pevnost • nízká hustota • odolnost proti otěru • odolnost proti vysokým teplotám T8.8-3 VaV aplikací moderních metod dělení a spojování materiálu • využití laserů ve výrobě pro automobilový průmysl • lepení • pokročilé nýtování T8.8-4 VaV metod zvyšování produktivity včetně Design4x • D4Quality, • D4Manufacturing, • D4Assembly, • D4Environment, • D4Services, ... T8.8-5 VaV optimalizace výrobních procesů a zvyšování jejich flexibility T8.8-6 VaV systémů likvidačních metod • využití většiny materiálů, zbývajících při likvidaci v současné době používaných vozidel

8.8.6 Návaznost na další technologické platformy v ČR Používaný materiál a výrobní procesy se samozřejmě dotýkají všech procesů spojených s výrobou vozidel. Na způsobu a efektivnosti výroby bude záviset spolehlivost a cena vozidla a samozřejmě i energetická náročnost a zatížení životního prostředí. V tomto smyslu má tato oblast nejširší přesah, a to jak do České technologické platformy Strojírenství, tak do Technické platformy strojírenské výrobní techniky a do evropské TP ManuFuture.

8.8.7 Hodnocení z hlediska společenských potřeb Následující grafická zobrazení ukazují přínosy (vliv) doporučených prioritních témat VaV na hlavní sledované charakteristiky:

171


o Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.8.3 o Bezpečnost: obr. 8.8.4 o Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.8.5 Grafické zobrazení: Osa x: ukazuje čas (v letech) potřebný k zavedení doporučeného opatření. Osa y: ukazuje vliv opatření na příslušnou charakteristiku přínosů (0-1-3-9). Velikost bodu ukazuje finanční náročnost realizace (0-1-3-9).

Obr. 8.8.3

172


Obr. 8.8.4

Obr. 8.8.5

173


8.8.8 Použitá literatura a zdroje [8.8.1] S. Sadagopan, D. Urban, “Formability Characterization of a New Generation of High Strength Steels”, American Iron and Steel Institute/Department of Energy Technology Roadmap Project TRP#0012 [8.8.2]A/SP Joining Technologies Committee Report [8.8.3]Heraeus Holding GmbH [8.8.4]Bottcher, P., Textile Composites, Their Use in Motor Vehicle Manufacture, and Old Care Regulations, Industrial Textile, ITS Publishing

9. Příprava projektů pro implementaci vytvořených strategií Zpracovanou „Strategickou výzkumnou agendu“ je možné považovat za základní dokument odvětví automobilového průmyslu s tím, že její implementaci do podnikových plánů rozvoje a následnou realizaci je možné považovat za odrazový můstek pro další rozvoj tohoto odvětví. Cílem není stavět „vzdušné zámky“, ale naopak využít tohoto podkladu a dát jej k dispozici širokému spektru firem a institucí jako reálnou vizi rozvoje automobilového průmyslu v ČR pro další období. Předpokládáme využití pro diskusi nejen s centrálními orgány, ale i s nově vzniklou Technologickou Agenturou České republiky. Je předpoklad, že úvodní myšlenka, která vedla ke vzniku Technologické platformy, tj. zvýšit vzájemnou spolupráci výzkumně vývojových kapacit automobilového průmyslu s odborně zaměřenými školami, najde svůj cíl jak ve „Strategické výzkumné agendě“, tak i v její implementaci, tj. v „Implementačním akčním plánu“. Pro požadavky SVA neexistují jednoznačná řešení. Známé způsoby se musí kombinovat s inovativními řešeními. Celý systém se musí integrovat pomocí pružného řízení dynamických systémů přizpůsobeného novým podmínkám. Tato situace vyžaduje holistický přístup k vozidlu jakožto systému založenému na strojnictví, elektrotechnice a řízení, chemii a materiálovém inženýrství. Výsledky SVA přinášejí tomuto dynamickému a kvalifikovanému odvětví národního hospodářství dvojí výhodu – zvýšenou konkurenceschopnost průmyslovým partnerům pomocí výsledků, využitelných jak v kratší době cca 5-7 let, tak v delší strategii, a výhodné budoucí postavení díky zlepšeným schopnostem ve VaV. Implementace projektu povede k: - úspoře nákladů při společném řešení - jednotné koncepci - systémovému rozvoji automobilového průmyslu - možnosti sdílení zkušeností - nastavení trvalé partnerské spolupráce - dlouhodobým vazbám na ETP - iniciaci projektů VaV v národním a mezinárodním měřítku - využití zkušeností TP v návazných průmyslových oborech

174

Strategická výzkumná agenda

Recommend Documents