Můj první elektromobil

Projekt, který jsme připravili pro naše žáky a studenty v rámci výuky, si bere cíl poddajný době. Vyzkoušet si s využitím moderních postupů automobilového designu návrh elektromobilu. Našim cílem není tentokrát vyrobit „dospělý vůz“, ale na základě PLM technologií využívaných ve výuce navrhnout, případně vyrobit tvarově nápaditý dopravní prostředek na čtyřech kolech včetně řešení jeho elektrického pohonu. Naši stránku věnujeme několika inspirativním ukázkám jak postupovat a jaké vývojové nástroje, technologie a postupy použít. Dále si představíme možnost pohonu střídavým elektromotorem a jeho nejdůležitější části včetně možnosti řízení RC soupravou. Za připomínky a nápady děkujeme všem našim kolegům, modelářům a nadšencům pro elektrický pohon. Veškerý software, který budete potřebovat, máte k dispozici v komunitě Autodesk, nebo je jedná o volné verze pro samostudium.

Jak navrhnout design automobilu?

Automobilový průmysl patří k špičkovým oblastem, ve kterých se využívají opravdu ty nejlepší technologie. Existuje pro to celá řada důvodů, asi tím nejpodstatnějším je snaha výrobců o vytvoření opravdu dokonalého výrobku, který by maximálně splnil představy zákazníků o precizním výrobku. Automobilový průmysl je v současné době úzce svázán s rozvojem zcela nových postupů úzce svázaných s oblastí PLM technologií, bez kterých by byla prakticky v současné době příprava nového modelu prakticky nemyslitelná. Není příliš mnoho lidí na světě, kteří umí navrhnout design nového automobilu. Profesionální designéři jsou více umělci než technici a jejich úkolem je dát novému modelu jistou dávku osobitosti a jiskru. Hlavním cílem designéra je zhmotnění představ o novém nebo modifikovaném modelu a vytvoření základního konceptu návrhu.

1. Promyslete si koncept nového vozu

Základem návrhu vozu je tzv. car packet. Jedná se o výchozí zadávací požadavek na počet přepravovaných osob a velikost zavazadlového prostoru. Designér vychází ze základních profilových křivek, které rozpracovává od 2D návrhu až po 3D skici. V praxi se může jednat o stovky až tisíce návrhů, kterým je věnována náležitá pozornost v podobě konzultačních mítinků. Vlastní realizace designérských skic se prování buď tradičními postupy pomocí tužko nebo perokresby, případně pomocí výpočetní techniky a tabletu. Výhodou využití výpočetní techniky je poměrně vysoká flexibilita a úzká návaznost na další grafické operace, ale pozice výpočetní techniky v této úvodní fázi není nijak zásadní. Design je přece jen styčným mostem mezi myšlenkou umělce a technikem. V automobilkách působí v oblasti průmyslového designu opravdu světové špičky. 

Na práci týmu designérů navazuje vytvoření prvotního modelu nového automobilu. Tento model není funkční, je většinou vytvářen v měřítku nebo ve skutečné velikosti pomocí plus mínus tří základních technik: hliněný model – dodnes oblíbená metoda, která se používá pro vytvoření modelu nového automobilu. Model je vytvořen od základních konceptů až po reálnou velikost ze speciální hlíny, která ne nadarmo připomíná výtvarnický materiál. Kdysi jsem slyšel při rozhovoru s jedním kolegou, že se auto prostě vysochá :O). Tato technika byla využívána již v minulém století, kdy jsme o výpočetní technice nic nevěděli a prakticky je dodnes velmi oblíbená i když je náležitě zmodernizována (viz. dále). Součástí rozměrnějších modelů jsou kovové výztuže. digitální model – díky nástupu výpočetní techniky a různých postupů vizualizace a virtuální reality se stále častěji snaží designéři integrovat do své práce digitální postupy již od prvotních návrhů. 

Vznik prvotního konceptu automobilu si můžete prohlédnout na volné virtuální studii našeho školního Kaipanu v práci Jakuba Doležala z třídy 3.A. Tento projekt je dostupný také na škole v prostředí HTC Virtual Reality a Autodesk VRED. Zástavbu pohonného systému se střídavým elektromotorem zpracovali studenti Konečný, Materna, Kinc, Fňukal, Hanych a Krábek jako svou závěrečnou práci ve výuce CAD technologií. Jedná se o pěknou ukázku týmového projektu.

2. Navrhněte si design automobilu

Zřejmě přeborníkem v této oblasti je aplikační řada Alias Automotive, která obsahuje přímo nástroje určené pro zpracování designérských skic a jejich převod do digitálních modelů. Tento postup je používán především pro modifikaci modelových řad než pro vytvoření prvotního designu. My tento postup zjednodušíme na úroveň těles a pokusíme se využít aplikace Autodesk Inventor v návrhu elektromobilu preferovat. Navíc jej můžeme profesionálně svázat již dnes s technologií virtuální reality a ve svém elektromobilu se i svézt po úpravě jeho proporcí. Vždy navrhujte levou stranu vozu a tu zrcadlete až je vše hotové. Tím si ušetříte spoustu práce. Zrcadlení se v praxi používá až na úroveň technologií výroby. V praxi se jedná se o práci, při které designéři s maximální pečlivostí vytvoří model automobilu do posledních detailů jak exteriéru, tak interiéru. V praxi se může jednat o tisíce hodin opravdu titěrné práce kdy je vytvořeno opravdu umělecké dílo. Řada světových automobilek vyhlašuje designerské soutěže dokonce na úrovni středních škol, kdy se hledají nové talenty nebo dokonce týmy, schopné realizovat na základě zadaných vstupních podmínek nový projekt. Osobitost, charakter návrhu, kvalita provedení, to je jen zlomek prvků, které mohou rozhodnout při výběru designu nového modelu. Cílem designerů je samozřejmě i zachování charakteristických designerských prvků nového modelu a tím je především silueta čelní masky vozu, která je pro výrobce často charakteristická po několik let. 

3. Využijte některý z produktů pro vývoj výrobků nebo design

Prvotnímu designu automobilu se věnuje tak jak celému vývojovému procesu, který na něj navazuje maximální pozornost. Přece jen se jedná o spotřební výrobek, kdy rozhodují nejen technické parametry nového vozu, ale také jeho „styl“. Obdobně se zpracovávají studie interiéru vozů. Další kroky ve vývoji automobilu jsou v dnešní době již plně v režii nejmodernějších technologií spojených s tvorbou virtuálního modelu v digitální podobě. 3D designerské software nástroje včetně 3D scannerů již mají v současnosti přímý uplink do CAD aplikací. Generovány jsou buď polygonální sítě, nebo u vyspělejších metod, vyhlazené spline NURBS plochy. Na této úrovni obecně platí to, že jsou generovány pouze segmenty neparametrických ploch, které jsou zdrojem prvotní informace pro konstrukční týmy. Prakticky se jedná o zhmotnění designérského návrhu z modelu do jeho 3D prezentace v podobě parametricky vektorově popsaných 3D CAD návrhů. Hrubá 3D data a jejich případné chyby nejsou překážkou k tomu, aby se mohl být model automobilu rozpitván ergonomy pomocí metod virtuální reality. Kdy lze poměrně přesně již navrhnout interiér vozu a jeho parametry tak, aby vyhovoval potřebným normám předpisům a standardům. Automobil musí být v první řadě bezpečný a pohodlný, musí vyhovovat prakticky všem generacím, všem národnostem. Vyladění například návrhu sedačky řidiče může znamenat tisíce hodin práce. Pokud je připravena plošná prezentace základního designu automobilu nastupuje týmová spolupráce subdodavatelů, kteří mají jediný úkol a společný cíl a tím je konstrukční řešení nového automobilu a dotáhnout jej až na úroveň předvýrobní přípravy technologie výroby. Jedná se o velmi složitou etapu, na které se mnohdy podílí desítky inženýrských kanceláří mnohdy po celém světě, které dostávají od automobilky vstupní data v podobě volných ploch a přesnou specifikaci dalšího postupu (technické informace). 

4. Vezměte některý ze špičkových nástrojů a připravte prezentaci svých řešení

Nadpis odstavce nelže, opravdu se v této oblasti využívá to nejlepší co je k dispozici na trhu s aplikacemi. Ty mají v sobě integrovány speciální nástroje pro výkonné zpracování 3D geometrie a výpočty (FEM, CAE), které jsou využívány dále v přípravě výroby a testech. Pokud jsou vytvořeny a opraveny všechny problémy v konstrukční fázi a simulacích nastupuje příprava výroby. V automobilovém průmyslu se jedná o dvě základní větve. Ta první je vázána na produkci plastových dílů a zpracování termoplastů nebo reaktoplastů a ta druhá soustředí svou pozornost na oblast zpracování kovových dílů. Obě oblasti mají svá výrazná specifika a jsou řešena prakticky vždy za pomocí úzce specializovaných týmů. Zde bych uvedl například perličku týkající se například světel. Není světlo jako světlo, jiná světla se dávají do modelů určených pro trh například v USA a jiná pro Evropu. Takže i v této oblasti lze říci, že zdání jednoduchosti a univerzálnosti opravdu klame. Konstrukce součástí v oblasti automobilového průmyslu má jeden společný jmenovatel a tím je preciznost. Veškerá konstrukční řešení musí být dotažena k opravdové dokonalosti, ať už se jedná o turbodmychadlo nebo o obyčejný palubní přepínač. Důraz na kvalitu je dán na prvním místě. Důvodem je především to, že automobily jsou vyráběny v tisícikusových sériích a každá maličkost a nedotažené konstrukční řešení by mohlo třeba za pár let znamenat i například svolávací akci na výměnu špatně navrženého dílu a tím velké finanční ztráty. Velkou pomocí při vývoji automobilu jsou různé typy podpůrných výpočtových metod. Jedná se o postupy a technologie, které se využívají pro stanovení kritických uzlů, ať se již jedná o běžné zatížení nebo například o deformaci způsobenou vlivem nárazu. Již ve fázi modelu lze tak již odhalit případná problémová místa a zoptimalizovat jejich geometrické charakteristiky, případně materiály. Jedná se o výrazné úspory času a nákladů.

5. Uchopte design po svém, dodržte vstupní koncept vozu

Automobily jsou ve své podstatě výrobky vyráběné ve velkých sériích, u kterých je ovšem výrazně zohledněn požadavek zákazníka. To znamená, že musí být výroba opravdu vychytána ve všech směrech a to jak v oblasti výrobních technologií, tak v oblasti finální montáže. Výrazný podíl při výrobě automobilů hrají především díly z plechu, samonosné karoserie automobilů jsou prakticky celé vytvořeny z plechových dílů vyráběných pomocí technologie tažení. V této oblasti získávají stále větší oblibu CAM technologie, které výrazně usnadňují i výrobu tvarově složitých konstrukčních prvků karoserií. Obecně platí, že lisovací nástroje ať již se jedná o postupové tažné nástroje pro výrobu plechových dílů, nebo nástroje pro vstřikování plastů patří výrobně k nejnákladnějším. Při přípravě výroby nového modelu automobilů je využívaná v rozsáhlé míře kooperace výrobců a externích dodavatelů. Nebylo by prakticky myslitelné, aby si automobilka připravila stovky potřebných nástrojů sama. Celý cyklus přípravy výroby je extrémně logisticky i technologicky tak náročný, že se může v praxi jednat o spolupráci stovek firem z celého světa. Jak jsem již uvedl, pozornost je věnována v automobilovém průmyslu nejen přípravě přímo souvisejících technologií výroby, ale prakticky všemu. Tím myslím i například řešení výrobních provozů, kde musí prostě vše klapat v sekundách. Uvědomme si, že z výrobní linky běžně vyjíždí jeden vůz během několika minut a to se jedná o jak typickou řadu, tak o vozy laděné podle požadavků zákazníků. Z tohoto důvodu musí být precizně dotaženy například i logistické problémy, zásobování, prostě vše, co by mohlo znamenat zastavení výroby byť na několik minut. Simulace procesů jednotlivých operací při výrobě automobilů jde v dnešní době prakticky až na úroveň analýzy jednotlivých operací a úkonů. Každý pohyb je analyzován tak, aby nezpůsobil při výrobě bud technické nebo bezpečnostní problémy. Preciznost v současné době výrazně podporují systémy pro návrh a simulaci výrobních činností až na úroveň virtuální reality.

6. Pokuste se zvolit pro svůj model elektromobilu vhodný pohon

Výhodou elektropohonu je jeho relativně jednoduchý koncept. Pro zjednodušenou představu použijeme klasický koncept využívaný v běžné modelářské praxi. Je celkem jedno jestli se jedná o pohon letecké vrtule, cyklického rotoru vrtulníku nebo náhon lodního šroubu. Základem moderního elektropohonu je v současné době prakticky vždy třífázový elektromotor. Důvodem je především nutnost odstranit nejslabší místo celého řešení postaveného na stejnosměrných motorech a tím je komutátor. Z malých elektromotorů o velikosti krabičky od multivitamínu pak můžeme získávat výkony atakující 5 kW. Koncepčně je motor řešen buď jako inrunner nebo outrunner. Elektromotor s konceptem inrunner je ve většině případů používán všude tam, kde potřebujeme dosáhnout vyšších otáček za cenu nutnosti existence převodovky i když to nemusí být vždy pravidlem. Především pro velké krouticí momenty, například v oblasti pohonu leteckých vrtulí se využívají outrunnery, tzv. oběžky. Ty nemají permanentní magnety umístěny na vnitřním rotoru, ale v jeho vnějším plášti, který rotuje. Tím se dosahuje výrazně vyššího krouticího momentu za cenu nutnosti použít nižší otáčky, což v případě letecké vrtule nevadí. Není žádným tajemstvím, že v naší české kotlině máme hned několik špičkových výrobců elektromotorů. Můžete nahlédnout například na stránky hradecké firmy AXI Modelmotors nebo brněnské Megamotor. Další nezbytnou částí elektropohonu je výkonová elektronika. Ta je zastoupena v případě elektropohonu výkonovými střídači sestavenými s vysoce kvalitních polovodičů. Obecně se jedná v současnosti o koncept programovatelného black boxu, který připojíte na zdroj stejnosměrného proudu, a na jeho výstupu získáváme potřebné třífázové napětí. 

7. Navrhněte pro svůj první elektromobil řízení

Celý systém je elektronicky řízen běžně pulzy z přijímače RC soupravy. V případě potřeby může být tento řídící člen nahrazen například mikropočítačem Arduino. Pro inspiraci v oblasti střídavých regulátorů můžeme opět zůstat v ČR například u firmy JETI model. Asi nejkritičtější částí elektropohonu, nad kterou si aktuálně lámou hlavy vědci z celého světa, jsou akumulátory. Moderní pohonné články jsou vyrobeny aktuálně s vysokým podílem poměrně vzácného kovu, Lithia. Ložiska tohoto kovu máme i v ČR. Pro aplikace v průmyslových nasazeních se používá článků Li-Ion článků. V modelářské praxi se pak setkáte převážně s lehčí verzí akumulátorů označenou jako Li-Pol. Z těchto baterií se staví tzv. packy, které jsou rozděleny na jednotlivé balanční sekce, u kterých se pomocí speciálních elektronických hlídá maximální nabíjecí napětí. Nabíjení baterií je tak velmi kritickou fází ovlivňující jak životnost baterie, tak její případnou destrukci. Vždy je nutné proto používat pouze nabíječe určeného pro příslušné chemické složení akumulátorů! V modelářské praxi jsou baterie běžně zatěžovány desítkami ampér odběru. Například ve vrtulnících nebo lodích nejsou ale výjimkou ani stovky ampér. S ohledem na tuto zátěž musí být přirozeně navrhnut i celý elektronický obvod regulace. Řízení auta na rozdíl od letadla probíhá naštěstí jen v rovině XY. To je pro začátek velmi příjemná informace, protože ušetříme minimálně dva servomotory. Pro řízení přední nápravy vozu nám bude stačit pouze jediné servo, které bude řídit přes jednoduché táhlo potřebnou kinematickou vazbu. Při analýze pohybu využijeme možností 3D simulace. Závěrem všem řidičům přeji šťastnou cestu a bezpečnou jízdu. Za vývojem vozidla stojí statisíce hodin práce tisíců specialistů a odborníků. Tak ať nám všem slouží co nejdéle. A všem našim studentům přejeme při řešení problému konstrukce elektromobilu ve výuce maximální míru úspěchů.

Elektrický pohon nejen pro auta

O tom, že prakticky každý z nás měl doma zařízení poháněné třífázovým elektromotorem s elektronickým střídačem, asi ví málokdo. Jistým pradědečkem velmi výkonných motorizací je například pohon CD ROM mechaniky. Ta si dokonce získala v dávných dobách počátku elektropohonů pozornost modelářů, kteří upravovali motory z vyřazených mechanik pro pohony svých modelů. Díky jednoduchosti řešení a vysokým výkonům si získává již dlouhá léta elektrická motorizace pozornost prakticky všech modelářských odvětví. Na níže uvedených obrázcích uvádíme příklady alespoň některých z nich. A když přidáte na výkonu, posílíte regulátory s rekuperací energie při brždění a akumulátory můžete pohánět například motorku nebo dospělý automobil.