Špeciálne elektrické vozidlo z nekonvenčných materiálov do ťažkých podmienok

Negatívom, ktoré tento rozvoj prináša je vznik dopravných nehôd, obzvlášť v cestnej doprave, ktoré zavinil ľudský faktor; znečistenie ovzdušia a životného prostredia emisiami výfukovými plynmi (emisie oxidu uhličitého, škodlivinami ako benzén, olovo, CO, SO₂ a NO_x a ďalšie), čerpanie fosílnych energetických zdrojov, preplnená cestná sieť a v neposlednom rade negatívny vplyv na zdravie ľudí (vznik astmy, problémy s dýchacím systémom, zníženie funkcie pľúc, srdcové choroby a ďalšie). Ekologický a energetický problém čiastočne rieši nástup elektrických a hybridných automobilov, ktoré zvyšujú bezpečnosť dopravy, a rozvoj získavania energie z obnoviteľných zdrojov. Rozvoj cestnej dopravy dostal nový impulz s ktorým prichádza inteligentné auto s vysokou mierou aktívnej a pasívnej bezpečnosti na elektrický pohon s optimalizovanou modulárnou konštrukciou. Stavbu inteligentnej a modulárnej koncepcie vozidla už umožňujú súčasné moderné výrobné technológie, nové stavebné materiály a pokročilé elektronické systémy, Na základe uvedených informácií získaných z prieskumu aktuálneho stavu v predmetnej oblasti, je základným cieľom projektu stavba prototypu malého terénneho vozidla s využitím nekonvenčných materiálov, komponentov s elektrickým pohonom, s vysokou priechodnosťou a stúpavosťou pre ťažko dostupné terény.

V súčasnej dobe sa vývoj malých terénnych vozidiel určených pre posádku dvoch ľudí sústredí najmä na štvorkolky a ich modifikácie. Tie majú vysokú hmotnosť, hlučnosť a sú neekologické. Rozšíreniu štvorkoliek s elektrickým pohonom bráni ich nedostatočný výkon a preto nie sú využiteľné v podobne náročných podmienkach, ako štvorkolky so spaľovacím motorom. Elektrické štvorkolky v súčasnosti našli hlavne uplatnenie v segmente hračiek. Aktuálny vývoj malých elektrických vozidiel sa orientuje na menej náročné úžitkové verzie vozidiel ako golfové vozíky alebo viacmiestne vozidlá do parkov s rekreačným využitím. V kategórii štvorkoliek sú dva hlavné typy. Prvý typ je klasická štvorkolka určená najmä na športové využitie tzv. ATV a druhý typ je úžitková tzv. UTV. Oba typy používajú podobné podvozky, kde komfort zabezpečujú viacprvkové alebo lichobežníkové nápravy. V poslednej dobe vzrástol predaj športových štvorkoliek ATV oproti motocyklom, ktoré dominovali športovej off-roadovej scéne. Štvorkolka má dostatočný výkon a rýchlosť v teréne, ktorá je však na úkor jazdného komfortu. Nevýhodou je tiež vysoká hmotnosť a hlučnosť. Nevýhoda vysokej hmotnosti sa prejaví napríklad v rozbahnenom teréne, alebo v prudkom stúpaní. Ďalšou nevýhodou ATV štvorkoliek je malé úžitkové využitie, nemajú skoro žiadny odkladací alebo úložný priestor. Dvaja pasažieri sedia za sebou ako na motocykli, čo je nepohodlné a nepraktické. Pohony ATV sú v prevažnej miere benzínové s pohonom dvoch alebo všetkých štyroch kolies. Na rozdiel od automobilov, v kategóriách uvedených štvorkoliek chýbajú konštrukčné riešenia, ktoré by priblížili štvorkolky k zlepšeniu mobility starších, alebo hendikepovaných ľudí Tieto nedostatky sa prejavujú najmä v oblastiach s horšou infraštruktúrou, kde bežne dostupné typy vozítok pre seniorov nie sú vhodné, najmä z dôvodu nedostatočného prejazdu terénom. Na druhej strane terénne štvorkolky majú výborné vlastnosti v teréne avšak sú nevhodné pre starších ľudí z ergonomického hľadiska. Taktiež sú pre seniorov nebezpečné pre výkony a vysoké rýchlosti, ktoré dosahujú. Naopak je možné očakávať, že ak by prvky konštrukčného riešenia štvorkolky umožňovali a uľahčovali jej obsluhu a využitie aj seniorom resp. hendikepovaným ľuďom, práve takéto prvky by zlepšili komfort obsluhy v prípade pracovného nasadenia. Vodič by nebol plne zamestnaný obsluhou stroja v teréne, ale mohol by za určitých podmienok vykonávať ďalšie činnosti, ako napríklad obsluha meracích zariadení, obsluha komunikačných prostriedkov a podobne. Súčasné terénne štvorkolky sú ťažké, hlučné a neekologické. Všetky majú podobný konštrukčný základ, ktorý neumožňuje modulárnu prestavbu podľa konkrétnych požiadaviek zákazníka a rovnako neumožňujú aplikáciu konštrukčných prvkov pre uľahčenie obsluhy seniorom, alebo hendikepovaným.

Projekt špeciálneho ľahkého elektrického vozidla Modulo

Projekt je realizovaný spoločným tímom Katedry konštruovania a častí strojov Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity v Žiline a Ústavu konkurencieschopnosti a inovácií Žilinskej univerzity. Nosnou myšlienkou projektu je vývoj a stavba nekonvenčného vozidla do horských terénov s vysokou priechodnosťou vytvoreného na báze sklokarbonových komponentov s elektrickým pohonom. Základom špeciálnej nekonvenčnej konštrukcie je jednoducho modifikovateľná platforma podľa účelu a využitia, ako sú aplikácie pre horské záchranné zložky, biológov, botanikov, poľovníkov, ochrancov prírody, turistov, nosičov na bežne dostupné horské chaty, požiarnikov, poľnohospodárov poprípade aj pre armádne účely. Jednoduchosť obsluhy umožní rozšíriť využitie vozidla aj pre skupinu seniorov a hendikepovaných ľudí. Postup riešenia projektu je preto orientovaný do štyroch základných oblastí:

• elektromobilita a návrh nekonvenčného pohonu,
• modulárna architektúra systému vozidla,
• karoséria, priestor pre posádku a náklad,
• nezávislé riadenie smeru vozidla.

Originálnosť projektu spočíva jednak v jeho interdisciplinarite, nakoľko v sebe spája a kombinuje najnovšie poznatky, metódy, postupy a materiály v oblasti elektrotechniky, strojného inžinierstva a stavby vozidiel. Jedná sa o unikátne spojenie špecifických technických a užívateľských požiadaviek do jednej koncepcie riešenia vozidla. Originalita zároveň spočíva aj v inovácii výsledkov vlastného výskumu z oblasti stavby elektromobilov, elektrických a mechanických pohonov. Navrhované riešenie je možné považovať za originálne svojho druhu v oblasti automobilového priemyslu na Slovensku. Jedná sa o projekt, ktorý koncepčne zapadá do vývoja smart technológií, ktoré sú veľmi aktuálne v súčasnosti a v tomto trende sa bude pokračovať aj v budúcnosti. Výsledky projektu sa uplatnia v komplexných návrhoch stavby inteligentnej a modulárnej koncepcie vozidla. V rámci Slovenska sa jedná o unikátny a originálny projekt, ktorý je založený na vlastnej koncepcii riešenia.

Hlavnou úlohou navrhnutého prototypu malého terénneho vozidla s využitím nekonvenčných materiálov a komponentov s elektrickým pohonom bude poskytnúť originálnu a inovatívnu alternatívu k súčasným terénnym štvorkolkám. Užívateľ dostane na mieru zostavenú modulárnu ľahkú konštrukciu s tichým elektrickým pohonom a s jednoduchým ovládaním. Ľahká konštrukcia umožní lepšiu priechodnosť a stúpavosťou v teréne a čistý elektrický pohon umožní prístup profesionálov aj na ekologicky citlivé územia. Modulárnosť konštrukcie umožňuje kombinovať rôzne kombinácie modulov pohonu, nákladu a posádky. Jednoduchosť ovládania a dizajn vozidla rozšíri portfólio zákazníkov o seniorov a zdravotne hendikepovaných. Očakáva sa, že výsledok projektu nájde uplatnenie v širokom spektre využitia. Na trhu chýba trieda ľahkých terénnych modulárnych vozidiel na elektrický pohon. V profesionálnej komerčnej sfére takto koncipované vozidlo poskytne univerzálny pracovný nástroj, čo terénny motocykel a ťažká terénna štvorkolka neumožnia.

Vzhľadom na požadované parametre je nutné využiť bohaté skúsenosti riešiteľa s vývojom elektrických vozidiel, v r. 2018 získal za experimentálny elektromobil EDISON II zlatú medailu na INTERNATIONAL EXHIBITION OF TECHNICAL INNOVATIONS, PATENTS AND INVENTIONS, Jún 2018, TŘINEC , ČR.
Pre dosiahnutie optimálnych vlastností a parametrov budú v konštrukcií použité komponenty vyrobené pomocou aditívnych technológií DMLS na báze hliníkového prášku AlSi10Mg umožňujúce minimalizáciu hmotnosti pri zachovaní pevnostných parametrov.

Zároveň bude využitá technológia lepených uhlíkových profilov pre vytvorenie rámu a úložných systémov jednotlivých modulov. Nosná časť modulu bude predstavovať uhlíkový monokok zaručujúci ochranu elektroniky, hlavne pohonných batérií , a odolnosť modulu proti vonkajšiemu poškodeniu vplyvom prevádzky v ťažkých podmienkach. Finálne riešenie bude vďaka modulárnej konštrukcií ľahko modifikovateľné a otvorené pre realizáciu nových modulov podľa požiadaviek budúcich užívateľov.

Predpokladá sa, že výsledky projektu prispejú k zvýšeniu vedomostnej úrovne za súčasného skvalitnenia ľudských zdrojov, čo sa prejaví v zvýšení konkurencieschopnosti nielen odberateľa výsledkov, ale aj SR v medzinárodnom meradle. Ďalej sa predpokladá, že výsledky výskumu v rámci projektu prispejú k hospodárskemu rastu v oblasti automobilového priemyslu.

Tento článok bol vypracovaný v rámci riešenia projektu APVV-18-0457 „Špeciálne ľahké elektrické vozidlo z nekonvenčných materiálov do ťažkých podmienok a terénu – LEV“
Ing. Rudolf Madaj, PhD., Ing. Igor Gajdáč, PhD., Ing. Tomáš Gajdošík, PhD., Tomáš Capák, Ing.
Katedra konštruovania a častí strojov, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline,
Univerzitná 8215/1, 010 26 Žilina