Strategická výzkumná agenda

Transkript

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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
4.2.3 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
Provedení VII
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
8.3 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
Provedení VII
8.4
8.5
8.6
8.7
8.3.5 Prioritní témata VaVaI v oboru vozidlových hnacích jednotek
Elektrická a elektronická výbava vozidel
8.4.1 Světový vývoj
8.4.2 Cíle VaVaI v oboru elektrické a elektronické výbavy vozidel v ČR
8.4.4 Prioritní témata VaVaI v oboru elektrické a elektronické výbavy
vozidel v ČR
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
8.5.5 Prioritní témata VaVaI v oboru ITS
Mobilita a infrastruktura
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
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
Provedení VII
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
8.8.5 Prioritní témata VaVaI v oboru zpracování materiálu a výrobních
technologií pro ČR
9. Příprava projektů pro implementaci vytvořených strategií
5
157
159
159
159
160
170
171
171
171
171
173
174
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
RLP
Rychlá lékařská pomoc
RP
rámcový program
ŘS
řídící systém
Sdružení AP
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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:
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
Provedení VII
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
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
Provedení VII
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
Provedení VII
3. Důvody vzniku TP v ČR a v EU s vazbou na
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
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.
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
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
Provedení VII
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.
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
Provedení VII
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
Provedení VII
Zahraničně obchodní bilance ČR
mil Kč
300 000
200 000
100 000
0
2005
2006
2007
2008
2009
2010
-100 000
-200 000
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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%
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%
vzdělání s maturitou
(bez vyučení)
17,08%
střední odborné
vzdělání s výučním
listem
49,91%
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
•
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
Provedení VII
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
Provedení VII
8.1 Hnací jednotka a paliva
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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).
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
Provedení VII

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

•
•
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.
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
Provedení VII
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.
zavedení z hlediska bezpečnosti a spolehlivosti dopravy.
70
Provedení VII
zavedení z hlediska konkurenceschopnosti.
[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
Provedení VII
[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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
Obr. 8.2.1
76
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
- 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
Provedení VII
- výchova a doplňující výcvik záchranného systému, hasičů a policistů na nové
technologie
- příprava etického a právního rámce pro problémy spojené s integrovanou
bezpečností.
V oblasti bezpečnosti existuje velmi úzká vazba na Technologickou platformu Silniční
doprava.
o
o
o
Obr. 8.2.4
85
Provedení VII
Obr. 8.2.5
Obr. 8.2.6
86
Provedení VII
[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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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.
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
Provedení VII
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.
Existují možné souvislosti s tématy Technologické platformy Silniční doprava.
o
o
o
100
Provedení VII
Obr. 8.3.3
Obr. 8.3.4
101
Provedení VII
Obr. 8.3.5
[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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
• 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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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.
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.
Existují návaznosti na výzkum infrastrukturních opatření v rámci Technologické
platformy Silniční doprava.
o Snížení energetické a materiálové náročnosti: obr. 8.4.5
o Bezpečnost: obr. 8.4.6
o Konkurenceschopnost průmyslu: obr. 8.4.7
117
Provedení VII
Obr.8.4.5
Obr. 8.4.6
118
Provedení VII
Obr. 8.4.7
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
Provedení VII
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
Provedení VII
- „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
Provedení VII
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
Provedení VII
-
-
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
-
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
Provedení VII
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
Provedení VII
V rámci rozvoje ITS bude třeba co nejširší zapojení ČR do mezinárodní spolupráce
v oboru ITS a kosmických technologií.
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).
vozidlem a ostatními druhy dopravy.
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.
Uvedená témata souvisejí s návrhy Technologické platformy Silniční doprava.
Hodnocení je souhrnně uvedeno v kapitole 8.6.7.
128
Provedení VII
T8.5‐1 Výzkum a vývoj kooperativních
systémů pro on‐line sdílení informací
mezi vozidly (V2V).
SNÍŽENÍ ENERG. A MAT. NÁROČNOSTI
10
mezi vozidlem a ostatními druhy
dopravy.
9
Přínos
8
7
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
Provedení VII
BEZPEČNOST A SPOLEHLIVOST
10
systémů pro on‐line sdílení informací mezi
vozidly (V2V).
9
8
7
vozidlem a okolím, včetně dopravní
infrastruktury (Vehicle2x)
Přínos
6
5
4
3
T8.6‐1 Sdružování vozidel do konvojů a jiné
formy vedení vozidel v proudu
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Doba do zavedení
Obr. 8.5.6
vozidly (V2V).
KONKURENCESCHOPNOST
10
9
8
Přínos
7
vozidlem a okolím, včetně dopravní
infrastruktury (Vehicle2x)
6
5
4
3
T8.6‐1 Sdružování vozidel do konvojů a
jiné formy vedení vozidel v proudu
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Doba do zavedení
Obr. 8.5.7
130
16
18
20
Provedení VII
[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
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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.
vozidly (v2v).
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.
Existuje úzká souvislost s tématy Technologické platformy Silniční doprava.
137
Provedení VII
Obr. 8.6.1
138
Provedení VII
Obr. 8.6.2
Obr. 8.6.3
139
Provedení VII
[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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
- 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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
na max. 90 %.
Celkový přehled odhadu využití technik VR ukazuje obr. 8.7.8.
150
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
- Konstrukce
na max. 95 %.
- Predikce chyb a rozměrovost
na max. 95 %.
- Optimalizace
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.
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
Provedení VII
- 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
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
na 100 %.
- Ergonomie
na max.90 %.
- Digitální továrna
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
Provedení VII
by měl být v následujících letech maximálně podporován.
1990
2010
Toleranční analýza
2020
90%
Cíl - 2030
100%
20%
Ergonomie
80%
90%
10%
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
Provedení VII
•
•
•
•
•
•
•
•
•
experimentů a jejich vyhodnocení, postupů simulace z hlediska účinnosti
v porovnání s experimenty);
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;
experimentů;
rozvoj implementace haptiky a silové zpětné vazby pro užití v technikách VR;
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 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
•
•
•
•
•
experimentů a jejich vyhodnocení, postupů simulace z hlediska účinnosti ve
srovnání s experimenty);
rozvoj metod maticové geometrie a kinematické geometrie pro aplikace VR a pro
syntézu tvarů součástí na základě pravidel odvozených z analýzy fyzikálních jevů;
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
•
•
konvergence iteračních smyček;
156
Provedení VII
•
•
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).
157
Provedení VII
Obr. 8.7.13
Obr. 8.7.14
158
Provedení VII
Obr. 8.7.15
[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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
Provedení VII
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
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.
171
Provedení VII
Obr. 8.8.3
172
Provedení VII
Obr. 8.8.4
Obr. 8.8.5
173
Provedení VII
[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