Inovace bezpečnostního prvku u pedálového ústrojí

*OPWBDF CF[QFǏOPTUOÓIP QSWLV V QFEÈMPWÏIP ÞTUSPKÓ

%JQMPNPWÈ QSÈDF

4UVEJKOÓ QSPHSBN / o 4USPKOÓ JOäFOâSTUWÓ 4UVEJKOÓ PCPS 5 o *OPWBǏOÓ JOäFOâSTUWÓ

"VUPS QSÈDF #D 7MBEJNÓS 5PNBO

7FEPVDÓ QSÈDF QSPG *OH -BEJTMBW ÀFWǏÓL $4D

-JCFSFD 

1SPIMÈÝFOÓ

#ZM KTFN TF[OÈNFO T UÓN äF OB NPV EJQMPNPWPV QSÈDJ TF QMOǔ W[UB

IVKF [ÈLPO Ǐ  4C P QSÈWV BVUPSTLÏN [FKNÏOB f  o ÝLPMOÓ EÓMP

#FSV OB WǔEPNÓ äF 5FDIOJDLÈ VOJWFS[JUB W -JCFSDJ 56- OF[BTBIVKF EP NâDI BVUPSTLâDI QSÈW VäJUÓN NÏ EJQMPNPWÏ QSÈDF QSP WOJUDzOÓ QPUDzFCV 56-

6äJKJMJ EJQMPNPWPV QSÈDJ OFCP QPTLZUOVMJ MJDFODJ L KFKÓNV WZVäJUÓ KTFN TJ WǔEPN QPWJOOPTUJ JOGPSNPWBU P UÏUP TLVUFǏOPTUJ 56- W UPN

UP QDzÓQBEǔ NÈ 56- QSÈWP PEF NOF QPäBEPWBU ÞISBEV OÈLMBEǾ LUFSÏ WZOBMPäJMB OB WZUWPDzFOÓ EÓMB Bä EP KFKJDI TLVUFǏOÏ WâÝF

%JQMPNPWPV QSÈDJ KTFN WZQSBDPWBM TBNPTUBUOǔ T QPVäJUÓN VWFEFOÏ MJUFSBUVSZ B OB [ÈLMBEǔ LPO[VMUBDÓ T WFEPVDÓN NÏ EJQMPNPWÏ QSÈDF B LPO[VMUBOUFN

4PVǏBTOǔ ǏFTUOǔ QSPIMBÝVKJ äF UJÝUǔOÈ WFS[F QSÈDF TF TIPEVKF T FMFL

USPOJDLPV WFS[Ó WMPäFOPV EP *4 45"(

%BUVN

1PEQJT

Poděkování

V první řadě bych chtěl poděkovat především panu prof. Ing. Ladislavu Ševčíkovi, CSc. za cenné rady, předmětné připomínky, a především za trpělivost při vedení mé diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Mayerovi, za poskytnutí konzultací a užitečné rady v průběhu zpracování této práce. Také bych chtěl poděkovat panu Ing. Zdeňku Mastníkovi za cenné rady při psaní této diplomové práce. Dále bych také chtěl poděkovat své partnerce Ing. Nele Štekerové za konečnou korekturu této práce.

Rád bych poděkoval i své rodině za podporu a trpělivost, která mi byla poskytována během celého mého studia.

Inovace bezpečnostního prvku u pedálového ústrojí

ANOTACE:

Diplomová práce se zabývá inovací bezpečnostního prvku u pedálového ústrojí ve firmě BRANO a.s. Práce shrnuje základní poznatky o pasivních ochranných prvcích na pedálovém ústrojí. Analyzuje a popisuje současný stav řešení v benchmarkovém průzkumu.

Součástí práce je i patentový průzkum ochrany zdraví dolních končetin řidiče vozidla. Na základě tohoto průzkumu vzniklo pět nových variant řešení. Tyto varianty jsou detailně popsány a zhodnoceny pomocí zvolených kritérií výběru finální varianty. V rámci této práce je vytvořen detailní konstrukční návrh vybrané varianty, včetně výrobní dokumentace a ekonomického zhodnocení.

Klíčová slova: Inovace, benchmark, pedálové ústrojí, pasivní bezpečnostní prvky, patentový průzkum, MKP, VA/VE, nárazový mechanismus

Pedal box safety feature innovation

ANNOTATION:

This thesis aims to innovate pedal box safety feature in BRANO a.s. company. Thesis summarizes basic knowledge about passive protection features of pedal boxes and analyses and describes current solutions in benchmark research. Thesis includes patent research on protection of driver's lower limbs. Based on these researches, 5 new solutions were introduced. These solutions are thoroughly described and evaluated with chosen criteria of final option selection. Thesis also includes detailed engineering design of chosen solution, including manufacturing documentation and economical analysis.

Key words: Innovation, Benchmark, Pedal box, Passive protection features, Patent research, FEM, VA/VE, Crash mechanism

Počet stran: 75 Počet tabulek: 5

Počet grafů: 3 Počet příloh: 9

Počet obrázků: 55

6

Obsah

Seznam obrázků ... 8

Seznam tabulek a grafů... 9

Použité zkratky ... 10

Použité symboly ... 11

1 Úvod ... 13

1.1 Představení firmy BRANO a.s. ... 13

2 Cíle práce... 15

3 Bezpečnost vozidel ... 17

3.1 Prvky aktivní bezpečnosti ... 17

3.2 Prvky pasivní bezpečnosti ... 17

3.3 Zranění dolních končetin ... 19

4 Stávající řešení techniky... 20

4.1 Popis bezpečnostního prvku u PÚ ... 20

5 Benchmark ... 21

5.1 Řešení VW ... 21

5.2 Řešení SUZUKI ... 22

5.3 Řešení FORD ... 23

5.4 Řešení Opel/Vauxhall ... 24

6 Patenty ... 26

6.1 Rešerše a patenty obecně ... 26

6.2 Patentová rešerše ... 26

6.3 Patent US20070234841 ... 26

6.4 Patent EP1557330B1 ... 27

6.5 Patent US7516683 ... 28

6.6 Závěrečné shrnutí benchmarku a patentové rešerše... 29

6.7 Inovační záměr ... 29

7

7 Varianty ... 30

7.1 Varianta 1 ... 30

7.2 Varianta 2 ... 32

7.3 Varianta 3 ... 33

7.4 Varianta 4 ... 34

7.5 Varianta 5 ... 36

8 Vybraná varianta ... 37

8.1 Hodnotící kritéria ... 37

8.2 Bodové hodnocení variant ... 39

9 3D model zvolené varianty ... 41

9.1 FMEA – Konstrukční ... 44

10 Výpočet finální varianty ... 45

10.1 Silové poměry na šlapce brzdového pedálu ... 45

10.2 Kinematické poměry na pedálovém ústrojí ... 45

10.3 Návrh pružiny ... 47

10.4 Výpočet minimální potřebné síly k rozpojení mechanismu ... 51

10.5 Kontrola zubů zubové spojky ... 53

10.6 Výpočet statiky pedálu podle MKP ... 55

11 Testování prototypu bezpečnostního prvku pedálového ústrojí ... 63

11.1 Postup zkoušky bezpečnostního prvku ... 63

11.2 Výsledky testování prototypového vzorku ... 65

11.3 Trvanlivostní zkouška pružiny pedálu zubové spojky ... 66

12 Ekonomické zhodnocení pomocí hodnotové analýzy VA/VE ... 68

13 Závěr ... 71

Seznam použité literatury ... 73

Seznam příloh ... 75

8

Seznam obrázků

Obr. 1- Logo BRANO a.s. Obr. 2 - Logo BRANO GROUP a.s. ... 14

Obr. 3 - Portfolio výrobků BRANO GROUP ... 14

Obr. 4 - Dělení pasivní bezpečnosti vozidel[3] ... 18

Obr. 5 - Mechanismus zranění dolních končetin[3] ... 19

Obr. 6 - Bezpečnostní uchycení pedálového ústrojí VW [3] ... 20

Obr. 7 - VWG PQ24 [Brano archiv] ... 21

Obr. 8 - Suzuki pedálové ústrojí [Brano archiv] ... 22

Obr. 9 - Pedálové ústrojí Ford Fiesta [Brano archiv] ... 23

Obr. 10 - Mechanismus PRS systémů [4]... 24

Obr. 11 - PRS systém typ 1. [4] ... 25

Obr. 12 - PRS systém typ 4. [4] ... 25

Obr. 13 – Rozpad sestavy [13] Obr. 14 – Mechanismus funkce [13] ... 27

Obr. 15 - Patent EP1557330B1 [14] ... 28

Obr. 16 - Patent US7516683[15] ... 29

Obr. 17 - Varianta 1 - 3D zobrazení ... 31

Obr. 18 - Varianta 1 - 3D zobrazení - zuby ... 31

Obr. 19 - Varianta 2 - 3D zobrazení ... 32

Obr. 20 - Varianta 3 - 3D zobrazení ... 33

Obr. 21 - Varianta 3 - 2D zobrazení ... 34

Obr. 22 - Varianta 4 - 3D zobrazení ... 35

Obr. 23 - Varianta 4 - 2D zobrazení ... 35

Obr. 24 - Varianta 5 – 3D zobrazení ... 36

Obr. 25 - 3D model zvolené varianty ... 41

Obr. 26 - 2D model zvolené varianty v řezu s popisy ... 42

Obr. 27 - 3D model vybrané varianty - rozpad sestavy ... 43

Obr. 28 - FMEA - K na inovaci bezpečnostního prvku... 44

Obr. 29 - Silové poměry na šlapce brzdového pedálu ... 45

Obr. 30 - Kinematická analýza vozidla, stav během nárazu ... 46

Obr. 31 - Kinematická analýza vozidla, stav po nárazu ... 46

Obr. 32 - Mechanické vlastnosti materiálu 60SiCr7[www.totalmateria.com] ... 48

Obr. 33 - Zkrutná pružina ... 48

Obr. 34 - Charakteristika tlačné pružiny[12] ... 48

9

Obr. 35 - Charakteristika zkrutné pružiny [7] ... 51

Obr. 36 - Silové poměry na pedálu ... 52

Obr. 37 - Obrázek rozložení sil na zubové spojce ... 53

Obr. 38 - Schéma rozložení sil v zubech zubové spojky ... 55

Obr. 39 - Ukázka FEM sítě ... 56

Obr. 40 - Příklad zadání velikosti a tvaru elementu ... 57

Obr. 41 - Okrajové podmínky FEM ... 57

Obr. 42 - Statika frontální síla 1600 [N] – von Mises ... 58

Obr. 43 - Statika frontální síla 1600 [N] – von Mises ... 58

Obr. 44 - Statika frontální síla 1600[N] – displacement... 59

Obr. 45 - Statika frontální síla 1600[N] - napětí na zubech von Mises ... 59

Obr. 46 - Tlak na zubech zubové spojky ... 60

Obr. 47 - Boční síla zprava 400 [N] - von Mises ... 60

Obr. 48 - Boční síla zleva 400 [N] - von Mises ... 61

Obr. 49 - Boční síla zprava 400 [N] - disp. ... 61

Obr. 50 - Boční síla zleva 400 [N] - disp... 62

Obr. 51 - Prototyp zubové spojky pedál a rameno posilovače ... 64

Obr. 52 - Prototyp zubové spojky pedál s rozrážecím klínem... 64

Obr. 53 - Pedálové ústrojí s implementovaným bezpečnostním prvkem na testovacím zařízení ... 65

Obr. 54 - Trvanlivostní zkouška PÚ se zubovou spojkou. ... 67

Obr. 55 - Náhled tabulky funkčně hodnotové analýzy VA/VE ... 69

Seznam tabulek a grafů

Tabulka 1 - Výběr varianty ... 40

Tabulka 2 - Naměřené hodnoty testování PÚ ... 65

Tabulka 3 - Kusovník ... 68

Tabulka 4 - Identifikace funkcí ... 69

Tabulka 5 - Výsledky analýzy VA/VE ... 70

Graf 1 - Zrychlení bodu na „firewallu“ vozidla během nárazu. ... 47

Graf 2 - Závislost Fv na síle Fp ... 66

Graf 3 - VA/VE analýza graf ... 70

10

Použité zkratky

ABS Antilock Brake System - protiblokovací systém a.s. akciová společnost

ESP elektronický stabilizační program

TCS protiprokluzová regulace se zásahem brzd a motoru EBA Emergency Brake Assist - nouzový brzdový asistent

PÚ pedálové ústrojí

Brano BRANO a.s.

VWG Volkswagen Group

Crash náraz, nárazový

Suzuki Suzuki Motor Corporation

Ford Ford Motor Company – FoMoCo

GM General Motor

BMW Bayerische Motoren Werke AG

PRS pedal release systém

MKP metoda konečných prvků

FEM Finite element method – metoda konečných prvků VA/VE funkčně hodnotová analýza

EuroNCAP European New Car Assessment Programme

FMEA - K analýza možnosti vzniku vad a jejich následků – konstrukční

GF skleněná vlákna

PA 6 polyamid 6

disp Displacement – totální deformace [mm]

EU Evropská unie

Z základní funkce

P podpůrná funkce

11

Použité symboly

D [mm] – střední průměr pružiny L [mm] – délka pedálu

Fč [N] – síla působící na zub

Fč1zub [N] – síla působící na jeden zub Fp [N] – síla působící na pedál

Fb [N] – boční síla působící na zub

Fv [N] – síla potřebná k vyražení mechanismu

R [mm] – poloměr střední kružnice zubu na pedálu zubové spojky Rp [mm] – délka ramene zkrutné pružiny

F1 [N]– předpětí pružiny (minimální pracovní síla) F8 [N] – maximální pracovní síla

F8zkr [N] – maximální zkrutná pracovní síla

F1zkr [N] – zkrutná pracovní síla v předepjatém stavu F9 [N] – maximální síla při stlačení

l0 [mm] – délka pružiny v nezatíženém stavu l1 [mm] – délka pružiny v předepjatém stavu

l8 [mm] – délka pružiny při nejvyšším provozním zatížení l9 [mm] – délka pružiny při maximálním stlačení

s8 [mm] – maximální pracovní stlačení pružiny d [mm] – průměr drátu pružiny

n [-] – počet činných závitů Mk [N.mm] – krouticí moment l [mm] – délka drátu

nc [-] – celkový počet závitů nz [-] – zakončující počet závitů c [N/mm] – tuhost pružiny

cφ [N.mm/°] – zkrutná tuhost pružiny

φ

8 [ °] – maximální úhel natočení pružiny

12

φ

1 [ °] – předepjatý úhel natočení pružiny z [-] – počet zubů zubové spojky

Mk1 [N.mm] – krouticí moment od pružiny v předepjatém stavu Mk8 [N.mm] – maximální pracovní krouticí moment od pružiny Lv [mm] – délka dráhy pro rozpojení mechanismu

pD [MPa] – přípustný dovolený tlak na otlačení

p [MPa] – tlak působící na zuby zubové spojky při zatížení pedálu a [mm] – vzdálenost přesahu zubu

b [mm] – vzdálenost zubu v pedálu Re [MPa]– mez kluzu

Rm [MPa]– mez pevnosti

cIII [-]– koeficient střídavého namáhání k [-] – koeficient bezpečnosti

f [-] – koeficient tření

𝜎

_𝑜 [MPa]– napětí v ohybu

𝜎

_𝐷𝑜 [MPa] – dovolené napětí v ohybu

𝜏

_𝑠 [MPa] – tečné napětí ve střihovém namáhání

𝜏

_𝐷𝑠 [MPa] – dovolené střižné napětí ve střihovém namáhání

𝜎

_𝐷𝑡 [MPa]– dovolené napětí v tahu

S1 [mm²] – plocha zubu v normálové rovině S2 [mm²] – plocha zubu v tečné rovině K0 [-] – korelační součinitel

E [MPa] – modul pružnosti v tahu G [MPa] – modul pružnosti ve smyku Dz [mm] – průměr zubu zubové spojky

13

1 Úvod

Diplomová práce se zabývá inovací bezpečnostního prvku na pedálovém ústrojí. K tomu, aby bylo možné pochopit tuto problematiku, je zde vysvětlena bezpečnost vozidel a její dělení na aktivní a pasivní prvky. V současné době, je vývoj těchto bezpečnostních prvků na prvním místě ve vývoji automobilů. Zabývá se jím spousta firem, nejen automobilek, kde hlavní pokrok nastává zejména v oblasti aktivních prvků bezpečnosti. Mezi ně patří například ABS, ESP a jiné. Jde o elektronické zabránění nehodě vozidla. Důležitá je ovšem i pasivní ochrana, která se naopak zabývá chráněním posádky vozidla během nehody. Mezi takové prvky patří například airbag, bezpečnostní pásy apod. Tento trend vývoje v automobilovém průmyslu je dán jak samotnými automobilkami, tak i legislativou ze strany EU a zbytku světa. K tomuto účelu slouží například nezávislé zkoušky EuroNCAP, které tyto bezpečnostní opatření zkouší a posouvají tak vývoj těchto prvků kupředu.

Tato práce se zaměřuje pouze na pasivní prvky, a to konkrétně u pedálového ústrojí, které ochrání dolní končetiny v případě čelního nárazu vozidla. Děje se tak většinou tím, že pedál je odpojen od posilovače brzd, nebo je pedál vysunut z nosné konzole.

Diplomová práce inovace bezpečnostního prvku u PÚ vznikla ve spolupráci s firmou BRANO a.s. Výstupem pro společnost BRANO a.s. je ověření funkčnosti prototypového vzorku, dle zadaných specifikací.

V této diplomové práci bylo využito české a zahraniční literatury, internetových zdrojů a neveřejné zdroje společnosti BRANO a.s.

1.1 Představení firmy BRANO a.s.

Společnost BRANO a.s. vznikla roku 1862, kdy se začala zabývat výrobou drobného železářského zboží. Dalším klíčovým milníkem této firmy je rok 1927, kdy začala hromadná výroba dveřních zavíračů, zámků a různých zvedáků. V roce 1972 firma BRANO získala licenci na bezpečnostní automobilové zámky a výroba se rozšířila i na automobilový průmysl.

V roce 1999 vstoupilo BRANO do společnosti ATESO, což jsou bývalé Autobrzdy Jablonec nad Nisou. V současnosti je v Jablonci nad Nisou vývoj brzdových pedálů, tlumičů nezávislého topení a prototypová dílna. BRANO a.s. patří do společnosti BRANO GROUP a.s. společně s dalšími firmami, jako např. Moratop s.r.o., Profsvar a.s. a jiné.

14

Obr. 1- Logo BRANO a.s. Obr. 2 - Logo BRANO GROUP a.s.

Společnost BRANO GROUP a.s. je v současnosti zastoupena na téměř všech kontinentech, vyjma Jižní Ameriky a Antarktidy má své pobočky v USA, Jižní Africe, Číně, Rusku, Japonsku a na Slovensku. Sídlo společnosti je v Hradci nad Moravicí v České republice. V čele společnosti je Ing. Pavel Juříček, PhD., který firmu vede od roku 1995.

Do portfolia výrobků BRANO Group patří: Autodíly pro užitková vozidla, dveřní systémy, pedálové sestavy a jiné díly, plastové autodíly, tažná zařízení, autozvedáky, zvedací zařízení a zavírače a kotle a průtokové ohřívače. Mezi důležité zákazníky patří: VWG, GM, LEAR corporation, Volvo, Daimler, BMW, Scania, Suzuki, DAF a jiné.

Obr. 3 - Portfolio výrobků BRANO GROUP

15

2 Cíle práce

Cílem diplomové práce je inovovat bezpečnostní prvek u pedálového ústrojí ve firmě BRANO a.s. Důvodem inovace je konkurenceschopnost firmy při nabízení tohoto bezpečnostního prvku. K úspěšnému splnění cílů diplomové práce je zapotřebí využití znalostí a principů inovačního inženýrství. Dále je nutné znát detailně konstrukci pedálových ústrojí a jejich legislativu a běžné požadavky automobilek na PÚ.

K vypracování pěti variant inovace bezpečnostního prvku, bude sloužit benchmarkový průzkum několika řešení ochrany dolních končetin u PÚ. Tento průzkum ukáže, jaký je současný stav řešení bezpečnostního prvku, a dále jakým principem funguje. Dále bude proveden patentový průzkum na danou problematiku bezpečnosti pedálového ústrojí. Klíčová slova pro patentovou rešerši budou ochrana dolních končetin, „crashový“ mechanismus pedálové sestavy, ochrana u pedálového ústrojí, pedálová ochrana a bezpečnost pedálového ústrojí u nárazu. Z patentové rešerše a benchmarkového průzkumu vznikne inovační záměr, který bude stanovovat nové požadavky na stávající řešení, a ze kterého vznikne pět nových variant řešení inovace bezpečnostního prvku.

K vybrání finální varianty bude vytvořena rozhodovací matice, ve které budou tato hodnotící kritéria: počet komponent, objemnost řešení, hmotnost, složitost montáže, složitost výroby, rizikovost bezpečnostního prvku, využitelnost materiálů na bezpečnostní prvek, adaptabilnost na různá řešení PÚ a jednoduchost konstrukce.

Z těchto kritérií výběru finální varianty vzejde jedna, na kterou bude vytvořen detailní konstrukční návrh včetně výpočtu silového rozboru na pedálu. Tedy síla na šlapku pedálu při běžném používání cca 120[N], a jaká bude silová odezva na posilovači a jaká na bezpečnostním prvku, kde se může tato síla projevit či nikoliv. Dále musí být uveden výpočet statiky pedálu v sestavě, nejprve se zatížením na šlapku pedálu z „frontálního“ směru 1600 [N] a poté 400[N], působící z boku na šlapku pedálu. Tyto výpočty budou provedeny pomocí metody konečných prvků.

Bezpečnostní prvek musí splňovat zejména následující kritéria. Minimální spouštěcí síla pro aktivaci zařízení musí být 1000[N] a naopak maximální povolená spouštěcí síla mechanismu musí být do 6000[N]. Zároveň musí bezpečnostní prvek být aktivovaný při posunu „firewallu“ nad 2[mm], méně by nebylo vhodné, například kvůli vibracím vozidla (v extrémním případě), ale maximální přípustný posun „firewallu“ do aktivace musí být 15 [mm]. V automobilovém průmyslu, je „firewall“ součástí karoserie, která odděluje motor od řidiče a cestujících. Jedná se o plech o různém tvaru a velikosti. Diplomová práce by měla

16

obsahovat také testování prototypového vzorku, na kterém by bylo možné otestovat tyto hodnoty popsané výše. Zkoušení prototypového vzorku by mělo být řízeno dle běžných zkušebních požadavků automobilek. Zároveň je nutné otestovat na prototypovém vzorku, závislost spouštěcí síly bezpečnostního prvku, v závislosti na síle působící na šlapku pedálu.

Tyto síly na šlapku pedálu budou působit v „frontálním směru“ a budou to síly 0[N], 50[N], 200[N], 400[N], 600[N] a 800[N].

V závěrečném hodnocení bude použita VA/VE hodnotová analýza, sloužící k ekonomickému zhodnocení. V přílohách diplomové práce je možné nalézt výkresy navrženého bezpečnostního zařízení, sestavný výkres, výkres pedálu a jeho silové poměry pro zadání zkoušky.

17

3 Bezpečnost vozidel

Úvodem je třeba zmínit, že bezpečnost vozidel nezávisí pouze na samotné konstrukci a výbavě vozu. Bezpečnost souvisí i s řidičskými schopnostmi a různými faktory v okolí řidiče. Dalším důležitým pojmem je bezpečnostní prvek – ten zabraňuje poranění, zranění, nebo případně smrti u motorových vozidel. V této diplomové práci je řešena zejména bezpečnost u automobilů. Prvky bezpečnosti v automobilovém průmyslu se obvykle dělí na následující dvě skupiny.

3.1 Prvky aktivní bezpečnosti

Mezi prvky aktivní bezpečnosti patří technická zařízení, systémy a vlastnosti vozu, které pomáhají předejít nebo zabránit dopravním nehodám. Nejdůležitějším prvkem aktivní bezpečnosti jsou brzdy, které umožňují bezpečné zpomalení či zastavení vozidla. Dalšími prvky mohou být dobrý výhled z vozidla, dobré pneumatiky, přesné a spolehlivé řízení, kvalitní tlumiče, které zajišťují dostatečný kontakt pneumatik s vozovkou, a samozřejmě osvětlení vozidla. K dalším prvkům aktivní bezpečnosti v poslední době patří i moderní elektronické systémy jako např. ABS, ESP, TCS, EBA a jiné.[1]

3.2 Prvky pasivní bezpečnosti

Prvky pasivní bezpečnosti mají za úkol co nejvíce zmírnit následky dopravních nehod.

Vedle robustní karoserie, která je tvořena z moderních vysoko-pevnostních ocelí, ale také deformační zóny. O bezpečnost posádky se starají bezpečnostní pásy a kompletní sestava airbagů, která chrání cestující ze všech stran. Také sloupek řízení i pedálová soustava, která se při nehodě řízeně deformuje směrem od řidiče, snižují riziko poranění. Dělení pasivní bezpečnosti je zobrazeno na obrázku 4. [2]

Tato diplomová práce se konkrétně zabývá prvky pasivní ochrany bezpečnosti, čili až po deformaci a srážce vozu s překážkou. Dále se zabývá deformací „firewallu“

a pedálovým ústrojím. PÚ je nebezpečné při srážce vozu z jediného důvodu – pokud vůz narazí ve velké rychlosti na jeho přední část, tak se „firewall“ deformuje tak, že pedál může způsobit vážné zranění dolních končetin. Řešení této diplomové práce se konkrétně zabývá tím, jak předejít takovým to újmám na zdraví řidiče a ochránit jeho dolní končetiny.

18

Obr. 4 - Dělení pasivní bezpečnosti vozidel[3]

19

3.3 Zranění dolních končetin

Zranění dolních končetin vzniká vlivem zapření se před nárazem, nebo při velké deformaci karoserie, která narušuje prostor pro nohy, či v případě řidiče – zranění o pedálovou soustavu. Mechanismus poranění dolních končetin je zobrazen na obr. č. 5.

Šipky na obrázku znázorňují působící síly, které vznikají při nehodě vozidla. Nejčastější druhy zranění dolních končetin jsou:

 oděrky od nárazu na palubní desku, sloupek řízení nebo na klíč ve spínací skříňce,

 krevní podlitiny,

 tržně-zhmožděné rány,

 poranění kolene,

 zlomeniny stehenní kosti, pánve,

 vykloubeniny hlavice stehenní kosti,

 zlomeniny kostí holení a lýtkové,

 zlomeniny kotníku.[3]

Obr. 5 - Mechanismus zranění dolních končetin[3]

20

4 Stávající řešení techniky

Bezpečnostní prvky jsou v automobilovém průmyslu nedílnou součástí. Tento bezpečností prvek zabraňuje zranění dolních končetin, zejména chodidel. Tato kapitola slouží k seznámení s bezpečnostním prvkem u pedálových sestav pro ochranu dolních končetin.

4.1 Popis bezpečnostního prvku u PÚ

Například společnost VW tento bezpečnostní prvek řeší pomocí drátových výztuh, připevněných k modulovému nosiči, který se po nárazu nedeformuje a zůstává na svém místě, jak je zobrazeno na obrázku číslo 6. V případě, kdy dojde k posunu uchycení pedálů směrem do interiéru, drátové výztuhy posunou pedály do krajní polohy (dolní úvrať). Je nutné ovšem zmínit, že tyto drátové výztuhy jsou použity pouze u spojkových pedálů, kdy k překonání odporu posilovače není potřeba vyvolávat velkou sílu. Jinak je tomu ovšem u brzdových pedálů, které potřebují k překonání posilovače mnohem větší sílu, než jen drátovou výztuhu.

Obr. 6 - Bezpečnostní uchycení pedálového ústrojí VW [3]

21

5 Benchmark

V této kapitole je zkoumáno a hledáno více možností řešení stávajícího problému bezpečnosti dolních končetin. Za pomoci společnosti BRANO a.s. bylo nalezeno a prozkoumáno řešení od společností jako jsou VWG, Suzuki, Ford a Opel.

5.1 Řešení VW

Další řešení, které využívá koncern VWG je už přímo integrované na pedálovém ústrojí jak je vidět na obrázku 7. Ke konzole PÚ je připevněno střižné táhlo, takže pokud dojde k deformaci „firewallu“, táhlo je směřováno proti modulovému nosiči, a vlivem deformace a posunutí táhla dojde k přestřihnutí nýtu, táhlo se uvolní ze své stabilní pozice a silou nárazu

„ustřihne“ pístnici posilovače a pedál „spadne“ do dolní úvrati.

Obr. 7 - VWG PQ24 [Brano archiv]

22

5.2 Řešení SUZUKI

Na obrázku 8 je vidět řešení od společnosti Suzuki, které obsahuje na první pohled více komponentů, než má koncern VWG. Bezpečností prvek je složen ze čtyř dílců. Páka (1), unašeč (2), pružina (3) a rameno (4). Toto řešení funguje takto: na unašeč, který je pouze nasunut na ose pedálu, začne tlačit vlivem deformace „firewallu“ prvek implementovaný na nosné konzole. Ten způsobí, že unašeč „vypadne“ z centrální osy pedálu a odpojí se. Vlivem toho dojde k „převrácení“ páky, ke které je připevněn brzdový posilovač. A tím, že došlo k překlopení páky, dojde k volnému posunu pedálu do dolní úvratě. Pružina zde plní funkci přidržení unašeče k ose pedálu. Tuto pružinu „firewall“ vlivem velkých deformací bez problémů překoná. Rameno zde vykonává důležitou funkci, neboť je spojeno trubkou s pedálem, a zároveň drží páku a plní předpětí pružiny.

Obr. 8 - Suzuki pedálové ústrojí [Brano archiv]

4

1 2

3

23

5.3 Řešení FORD

Společnost Ford má „crash“ mechanismus řešen ještě mnohem jednodušeji, než je tomu u VWG a SUZUKI. Dle obrázku 9 je vidět, že spočívá ve dvou komponentech. Páce (1) a dvou bočnicích (2). Celý tento systém využívá také deformace „firewallu“, při kterém dojde k posunutí páky. K té jsou přinýtovány ještě dvě bočnice. Páka je zajištěna proti samovolnému pohybu čepem, který je zajištěn „starlockem.“ Na obr. 9 je vyznačena červeně drážka pro pohyb čepu. Tato páka také drží osu pedálu, a tedy celý pedál ve své centrální ose.

V konzole je laserem vypálena drážka pro pohyb páky po deformaci. „Firewall“ po deformaci zatlačí na páku směrem dolů a ta pomocí bočnic vytlačí pedál z osy – který pak spadne volně k zemi.

Obr. 9 - Pedálové ústrojí Ford Fiesta [Brano archiv]

1

2

24

5.4 Řešení Opel/Vauxhall

Společnost Opel/Vauxhall využívá svůj vlastní systém bezpečnosti u PÚ, který se nazývá PRS, což je zkratka Pedal Release System. PRS je patentovaný a registrovaný bezpečnostní prvek Opelu. Tento PRS systém využívá několik typů zajímavých řešení bezpečnosti na PÚ. Celý mechanismus je nejlépe vidět na obrázku 10, kde jsou popsány důležité prvky, které do PRS vstupují. Obsahuje tyto části: první je cowl, což je v našem řešení nazýváno jako „firewall“, pak část dva, což je sestava pedálového ústrojí. Část tři je tyč, na které drží palubní deska vozidla a je také v této práci uváděno jako modulový nosič.

Čtvrtý díl je mechanismus, který zajistí rozpojení pedálu od centrální osy. Poslední pátý díl je výztuha připevněná k tyči palubní desky, která v případě nárazu zachovává svoji pozici a pedálové ústrojí jde proti této výztuze. Na obrázku 11 je zobrazen první typ využívající systém PRS. Tento typ funguje přes „zámek“ centrální osy. Při nárazu je zámek přes výztuhu odpojen a pedál je uvolněn z osy. Zmíněný typ 1. pro zajímavost využívají vozidla jako Opel Adam a Corsa. Na obrázku 12 je zobrazen PRS typ 4., který funguje přes deformovatelné bočnice konzole, které se vlivem nárazu do výztuhy palubní desky zdeformují tak, že dojde k vypadnutí osy pedálu, který je opět volný. Typ 4. využívají vozidla Opel Meriva, Astra, Combo, Vectra a Zafira.

Obr. 10 - Mechanismus PRS systémů [4]

25

Obr. 11 - PRS systém typ 1. [4]

Obr. 12 - PRS systém typ 4. [4]

26

6 Patenty

Tato kapitola je zaměřena na vyhledávání a rešerši patentů, týkajících se problematiky ochrany zdraví řidiče a jeho dolních končetin prostřednictvím pedálového ústrojí. Tato kapitola volně navazuje na kapitolu benchmarku, kde bylo nalezeno několik komerčně využívaných řešení současného stavu. Několik zajímavých řešení z této kapitoly bude využito k vytvoření nových variant řešení v této práci.

6.1 Rešerše a patenty obecně

Patent je zákonná ochrana vynálezů a vynálezců zaručující výhradní právo k průmyslovému využití. Za vynálezy se považuje vše co je nové, je výsledkem zkoumání a je průmyslově využitelné. Proto, aby patent bylo možné využívat, je nutné platit udržovací poplatek, a to v každém státu zvlášť. Maximální stanovenou délkou pro patentovou ochranu je 20 let. [5]

Rešerše znamená vyhledávání informací, nebo také soupis vyhledaných informací jako výsledek. Rešerše se s rozvojem internetu a různých databází výrazně zrychlila a zpřístupnila všem uživatelům, kteří hledají informace. [6]

6.2 Patentová rešerše

V této kapitole je provedeno patentové zkoumání daného problému. Bylo při tom nalezeno několik zajímavých řešení, která přispěla k vytvoření variant. Klíčová slova pro hledání patentů byla „pedal mechanism crash safety“, „safety lower limbs“, „crash mechanism pedal assembly“ a bylo vyhledáno přes 80 patentů. Následující kapitoly pojednávají pouze o těch, které jsou podle názoru autora nějakým způsobem zajímavé, a také o těch, které přispěly k tvorbě variant řešení. Z velkého množství patentů byla vybrána pouze tři zajímavá patentová řešení.

6.3 Patent US20070234841

Tento patent byl zaregistrován a uveřejněn 11. 10. 2007, přihlašovatelem byla Mazda Motor Corporation. Právě toto řešení je tím, které využívá Ford u svého modelu Fiesta 2009, jenž je vyfocen v kapitole benchmark obrázek 8. Patent popisuje využití tvarových drážek v konzole, kdy pomocí pákového mechanismu dojde po deformaci k vytlačení osy pedálu a jeho samovolnému spadnutí do dolní úvrati. Na obrázku 13 je vidět rozpad součástí PÚ s crashovým mechanismem.

27

Obr. 13 – Rozpad sestavy [13] Obr. 14 – Mechanismus funkce [13]

Na obrázku 14 je zobrazena funkčnost sestavy po nárazu. Čerchovanou čarou je zobrazeno vysunutí páky ze své polohy po deformaci, a následně čárkovaně posuvy jednotlivých dílců sestavy. Tento patent bude jistě složité obejít, jelikož patentový spis obsahuje mnoho nároků a také tvarových variant tohoto pákového principu. [13]

6.4 Patent EP1557330B1

Tento patent vznikl 20. 12. 2006, přihlašovatelem je Batz S. Corporation. Využívá páky, která vytlačí pedál z centrální osy. Pedál je uložený v konzole, kde v prostoru pro centrální čep je otvor, čili díra rozpůlena, a jedná se o zámek, ve kterém je pedál uzamčen, dokud nedojde k deformaci „firewallu“, který zatlačí na páku pod pedálem a ta vytlačí pedál z osy. Lépe představitelné je to na obrázku 15, který zachycuje rozpad sestavy.[14]

28

Obr. 15 - Patent EP1557330B1 [14]

6.5 Patent US7516683

Tento patent si zaregistrovala firma Dura Global Technologies, Inc. v roce 2009. I ten opět využívá páky, do které narazí deformovaná část palubní desky. Páka změní polohu pomocí tvarovaného pedálu, a vyhne tak pedál silou do dolní úvrati. Celá sestava vypadá značně komplikovaně a je tu prostor pro zjednodušení. Výhodou je, že je to vše aplikováno na plastovou konzolu a plastový pedál, což je při současném trendu vývoje automobilů nezbytné.

Problém vyvstává u plastového pedálu, který zatím legislativa povolila pouze u spojkového pedálu. Tudíž využití u brzdy nepřichází v úvahu. Pro lepší představu tohoto zařízení je zde obrázek 16.[15]

29

Obr. 16 - Patent US7516683[15]

6.6 Závěrečné shrnutí benchmarku a patentové rešerše

Benchmarkový a patentový průzkum ukázal několik řešení, kterými je možné se inspirovat do fáze variant. Dále je vidět, že způsob řešení ochrany dolních končetin je velice rozmanitý, vede přes různé mechanismy, a některé z nich by bylo možné využít a zároveň vylepšit, či obejít jejich patentové řešení. Z této rešerše je možné vyvodit inovační záměr diplomové práce.

6.7 Inovační záměr

Cílem této diplomové práce a zároveň inovačním záměrem je nalézt takové řešení pro ochranu dolních končetin řidiče vozidla u pedálového ústrojí, které se odlišuje od konkurence, lze implementovat do plastových konzol PÚ, které se dávají do automobilů stále častěji kvůli ulehčení hmotnosti. Dále je nutné, aby prvek nebyl natolik objemný, že by zabíral více místa uvnitř vozidla. Inovované řešení musí být také možné použít i u osobních, nákladních a jiných vozidel. Zároveň musí toto řešení jednoznačně splnit zkušební požadavky automobilek a výše zmíněné cíle diplomové práce.

30

7 Varianty

Tato kapitola pojednává o možných řešení, která se nabízejí, aby obešla tento současný stav, jenž je uveden v kapitole 4, a přinesla nějakou novou inovaci těchto současných řešení.

Je zde celkem představeno 5 variant řešení, z nichž některé byly vybrány společností Brano a.s. a přistoupilo se na zhotovení reálného prototypu, na kterém budou provedeny skutečné testy podle specifikací jednotlivých automobilek.

7.1 Varianta 1

Tato varianta je založena na principu zubové spojky. Pedál má k sobě přivařen jeden díl zubové spojky a protikus je samostatný. Protikus je poté přitlačován pružinou. Ta má za úkol, pouze to, aby při samotném ději brzdění nemohlo dojít k samovolnému rozpojení. Naopak musí pružina „povolit“ při případném nárazu a to silou vyrážecího klínu, který je vklíněn mezi oba díly zubové spojky. Lépe představitelné je to na obrázku 17. Naopak obrázek 18 ukazuje, jaký mají tvar zuby v zubové spojce. Jedná se o malé výstupky ve tvaru lichoběžníku. Po všech krajích jsou zuby zkosené, pro lepší „vyklouznutí“ zubů z protikusu. Díl na pedálu by byl vykován a protikus by byl vytlačen, neboli nedostřihnut na lise. Klín u tohoto řešení musí být situován tak, aby byl opřen o desku (tyč nebo modulový nosič) palubky, a zároveň musí být zamezeno jeho samovolnému pohybu. Klín by byl vyrobený z plastu, konkrétně z PA6 - 50GF. Protikus zároveň funguje jako opěrné rameno pro brzdový posilovač.

Mechanismus této bezpečnostní sestavy funguje následovně. Po nárazu do vozidla dojde k deformaci „firewallu“ a do modulového nosiče narazí vyrážecí klín. Ten překoná sílu pružiny, odpojí zubovou spojku a protikus – na kterém je rameno posilovače, půjde vzhůru a pedál „spadne“ dolů do dolní úvrati. Výhodou tohoto řešení je, že se jedná o jednoduchý princip. Další výhodou je, že toto řešení nezabírá tolik prostoru v zástavbě. Naopak nevýhodou může být technologie výroby, která trvá déle. Nevhodné je i to, že protikus slouží zároveň jako rameno posilovače a to musí být z ocele, není tedy možné snižovat hmotnost sestavy, například tím, že by se některé komponenty inovovali na plastové. Problém tohoto řešení tak je, že obsahuje mnoho komponentů navíc. Dále pak hmotnost celého PÚ, což je ovšem problém u každého bezpečnostního prvku u pedálového ústrojí.

31

Obr. 17 - Varianta 1 - 3D zobrazení

Obr. 18 - Varianta 1 - 3D zobrazení - zuby

32

7.2 Varianta 2

Druhá varianta řešení problému se zabývá tím, jak se inspirovat nějakým patentovým řešením současného stavu a přijít tak na novou inovaci. Patent, který byl inspirací je č. US7516683. Ten byl blíže popsán v kapitole patenty, kde bylo uvedeno, že je do značné míry překomplikovaný a velice objemný, obsahuje navíc mnoho komponentů a proto je zde prostor pro potřebnou inovaci. Nové řešení je tomu patentovému dosti podobné, jenom s tím rozdílem, že jsou vynechány některé prvky patentového řešení. Lépe představitelné je to na obrázku 19, kde je zobrazen 3D model této varianty. Jednalo by se o ocelový pedál, který by nebyl zakončen klasicky otvorem pro centrální čep, ale byl by prodloužený a na jeho konci by byl oválný tvar. Na plastové nebo i ocelové konzole, by byl vytvořen čep, na kterém by se otáčela deformační páka. Ta by po nárazu změnila svou polohu ve směru deformace a narazila by do oválného konce pedálu a vlastní silou deformace by zatlačila na pedál, který by se dostal do dolní úvrati. Výhodou tohoto řešení je méně komponent, a navíc by se dalo využít jak při ocelovém, tak i plastovém, ale i při kompozitním řešení pedálu a konzoly. Nevýhodou by mohla být větší hmotnost, ale i objemnost PÚ.

Obr. 19 - Varianta 2 - 3D zobrazení

33

7.3 Varianta 3

Opět se jedná o řešení skrze princip zubové spojky, ale tentokrát je tvar zubů ve tvaru čepu (kolíku). Další nespornou výhodou je, že se nemusí jeden díl zubové spojky přivařovat k pedálu, ale tento pedál je již součástí této spojky. Celé je to lépe představitelné na obrázku 20. Jednalo by se o jednodušší výrobu, jelikož otvory v pedálu by byly vyrobeny na laseru, případně na střižném lisu a protikus by byl vytlačen na lise. Spojení by dodržela opět pružina a vyrážecí klín opřený o modulový nosič by zajistil rozepnutí mechanismu, pokud by došlo ke srážce. Klín by byl vyrobený opět z plastu PA6 - GF50. Protikus zubové spojky slouží i zde jako opěrné rameno pro brzdový posilovač. Výhodou tohoto řešení je tedy snížení počtu kusů a jednodušší výroba. Dalším plusem může být i to, že lze tuto soustavu aplikovat i na plastové konzoly. Tím by se značně snížila hmotnost pedálového ústrojí i s bezpečnostním prvkem crashového mechanismu. Další zobrazení tohoto řešení je znázorněno ve 2D na obrázku 21.

Obr. 20 - Varianta 3 - 3D zobrazení

34

Obr. 21 - Varianta 3 - 2D zobrazení

7.4 Varianta 4

Tato varianta už nevyužívá princip zubové spojky, ale stále používá vyrážecí klín, který by byl opět plastový. Toto řešení by obsahovalo více komponent, bylo by ovšem méně objemově náročné. Varianta obsahuje dvě zešikmená pouzdra, dvě pružiny, které by zajišťovaly potřebnou sílu k nerozpadnutí sestavy. A zároveň musí „povolit“ v okamžiku deformace „firewallu“. Dále by byla dělená středová osa, která by se skládala ze tří kusů.

Jedna by byla centrální pod pedálem a další dvě by držely v konzole pedálového ústrojí.

Nejlépe představitelné je to na obrázku 22, kde je to zobrazené ve 3D, a poté také v řezu ve 2D zobrazení na obrázku 23. Celá tato sestava „crashového“ mechanismu funguje následovně.

Po nárazu zatlačí deska „firewallu“ s konzolou na vyrážecí plastový klín, který je opřený o modulový nosič. Tento klín překoná sílu pružiny a odtlačí se dvě kovová pouzdra po stranách a dojde k vypadnutí pedálu z centrální osy. Pedál se tak silou brzdového posilovače

35

vyvrátí a spadne do dolní úvrati. Výhodou tohoto řešení je jednoduchost, málo náročné technologie na výrobu. Montáž této sestavy by mohla být náročnější oproti ostatním řešení.

Obr. 22 - Varianta 4 - 3D zobrazení

Obr. 23 - Varianta 4 - 2D zobrazení

36

7.5 Varianta 5

Tato varianta číslo pět je rozdílná od ostatních, jelikož využívá dělenou konzolu.

Konzola je ze dvou kusů a jsou rozdělené v centrálním otvoru pro čep pedálu. První díl konzoly je stabilní a je přimontován k „firewallu“ vozidla (modře). Ten druhý díl (zeleně) je naopak pohyblivý, když dojde k deformaci „firewallu“. Druhý díl je připevněn k prvnímu dílu čepem ve spodní části. Tento druhý díl se při srážce vozidla a při dostatečné deformaci vyhne tak, že způsobí uvolnění pedálu z centrální osy. Pedál by se měl poté silou posilovače zvednout a rameno pedálu tím samovolně spadne k zemi. To, že je tento druhý díl při běžném používání ve správné pozici, nám zaručuje „zácvak“ v horní části prvního dílu a také tažná pružina, která to přidržuje. Výhodou tohoto řešení je málo komponent, jednoduchost, použití jak pro plast, tak i ocel. Nevýhodou může být složitá výroba, riziko neprojití zkoušek statiky, velká objemnost. Celý popis funkčnosti je lépe vidět na obrázku 24.

Obr. 24 - Varianta 5 – 3D zobrazení

37

8 Vybraná varianta

V této kapitole byla vybrána finální varianta řešení problému inovace bezpečnostního prvku u pedálového ústrojí. Tato vítězná varianta byla detailně prozkoumána a odzkoušena, provedeny základní výpočty a i některé výpočty metodou konečných prvků.

8.1 Hodnotící kritéria

Tato hlediska jsou zobrazena v tabulce 1. Hlediskům byla v konzultaci s výběrovým týmem, přidělena váha. Posuzujícími osobami z tohoto týmu ze společnosti BRANO a.s. byly – šéfkonstruktér, konstruktér nástrojů a autor této diplomové práce. Každý dle svého uvážení přiřadil každé variantě body od jedné do pěti, přičemž jednička nejhorší a pětka nejlepší.

Body se zprůměrovaly a zaokrouhlily na celá čísla a zapsaly se do matice výběru varianty. Po rozdělení bodů všem variantám došlo k součinu bodů a váhy jednotlivých hledisek a k sečtení bodového přídělu k jednotlivým řešením. Ta byla volena dle důležitosti a volila se v rozsahu od 0,1 do 1. Tímto koeficientem se poté vynásobí obdržený počet bodů a získá se bodové ohodnocení.

Hlediska, která nejvíce ovlivňují výběr, jsou následující:

 Počet komponent – kolik jednotlivé řešení obsahuje dílů, ale bez komponent sestavy pedálového ústrojí, které je nezbytné pro funkci pedálu. To znamená, že čím má varianta řešení méně součástek, tím je lepší. Toto hledisko obdrželo váhu 0,4, protože patří k těm nejdůležitějším hlediskům výběru. Počet komponent je klíčový pro montáž v sériové výrobě, a čím je komponent méně, tím je lepší čas k sestavení.

 Objemnost řešení – toto hledisko zohledňuje to, kolik mechanismus zabere prostoru.

V automobilovém průmyslu je nezbytné snižovat hmotnost, ale také nezvětšovat prostory v kokpitu vozidla. Dále toto hledisko posuzuje, zdali „crashový“

mechanismus zbytečně nezvětšuje například konzolu a jiné další komponenty PÚ.

Tato varianta získala váhu 0,3, také patří k těm důležitým, protože veliký objem PÚ v kokpitu není žádoucí.

 Hmotnost – jedno z nejdůležitějších kritérií v automobilovém průmyslu, neboť trend je zcela jasný – snižovat hmotnost, tam kde to je možné. Toto hledisko obdrželo váhu 0,4, protože se jedná o velmi důležité, klíčové kritérium pro výběr varianty. Jelikož je

„crashový“ mechanismus nadstandartní u PÚ, je zde jasné, že se hmotnost celé sestavy zvýší. Nejvýhodnější tedy bude ta varianta, která nezpůsobí velké zvýšení hmotnosti.

Anebo takové řešení, které bude využívat například plastových komponent.

38

 Montáž – toto kritérium má váhu 0,3 a je důležité z hlediska ušetření nákladů na montáž a úzce souvisí také s kritériem č. 1 (počet komponent). Montáž musí být jednoduchá, nejlépe v jednom směru a co nejrychlejší. Ke konkrétnějšímu zhodnocení variant by bylo vhodné provést metodu DFA. Montáž také nesouvisí pouze se sestavením mechanismu PÚ s bezpečnostním prvkem, ale také s tím, jak bude montáž rychlá při konečné integraci do vozidla. Zejména to, jak bude pracné ukotvení

„crashového“ dílu do palubní desky, respektive do modulového nosiče.

 Složitost výroby – je dalším kritériem, které má váhu 0,2. Není až tolik klíčová jako předchozí hlediska, protože nepřímo ovlivňuje výběr konceptů. Zejména se to týká nákladů na celé PÚ, ale i to, jak je výroba pracná a náročná.

 Rizikovost bezpečnostního prvku – tento charakteristický prvek znamená, jestli to konkrétní řešení je bezpečné, a zdali bude zaručeně funkční. Toto hledisko je specifické tím, že také není možné odhalit veškeré nedostatky ve výběru konceptu a má váhu 0,2, jelikož není příliš podstatné pro výběr varianty. V neposlední řadě je důležité posoudit, zda konkrétní řešení splní veškeré testy, které má každá automobilka nastavené. Tedy tento parametr zkoumá, jestli řešení má šanci uspět v těchto testech.

 Využitelnost z hlediska materiálů – toto hledisko je zaměřené na volbu materiálu.

Také to souvisí s hmotností, pokud bude moct být „crashový“ mechanismus z většiny dílů plastových, ušetří to zároveň hmotnost, ale i v sériové výrobě náklady. Toto hledisko má také váhu 0,2, protože nepatří ke stěžejním, ale má svou opodstatněnost.

 Adaptabilnost na různá řešení PÚ – téměř každá automobilová značka využívá jiného výrobce a i dodavatele PÚ. Proto je důležité, aby „crashový“ mechanismus byl adaptabilní na různé druhy konzol, pedálů, ale i tvaru „firewallu“, palubní desky, modulového nosiče a jiné komponenty, které do PÚ – potažmo „crashového“

mechanismu vstupují. Toto řešení obdrželo váhu 0,2.

 Jednoduchost – toto hledisko zohledňuje, jak je řešení složité či jednoduché, ale i s ohledem na její výrobu, montáž a efektivnost při srážce. Toto hledisko je ohodnoceno koeficientem 0,1, jelikož není klíčové při hodnocení konceptů.

39

8.2 Bodové hodnocení variant

Jednotlivé bodové hodnocení je nutné odůvodnit. Tedy v hledisku komponenty získala nejvíce bodů varianta 2, protože obsahuje nejméně komponent. Koncepty 3 a 4 získaly shodně po 3 bodech, jelikož se skládají ze stejného počtu komponent. Ale na druhou stranu je těch komponent stále hodně. Varianty 1 a 5 mají více komponent, tudíž získaly 2 body.

V hledisku objemnost získala nejvíce bodů varianta 3, která zabírá nejmenší objem, ze všech ostatních variant. V kritériu hmotnost, které patří ke klíčovým hlediskům, obdrželo nejvíce bodů (3) koncept 2 a 3, a to protože mohou být vyrobeny z lehkých materiálů. Ostatní varianty získaly méně bodů, jelikož jejich koncept je složen z těžších materiálů. Dalším kritériem je montáž, zde nejvíce bodů získala varianta číslo 2, jelikož její montáž není složitá a zároveň obsahuje méně komponent. Ostatní koncepty získaly méně bodů v závislosti na počtu komponent.

Složitost výroby je následující hledisko, ve kterém nejvíce bodů, konkrétně 4, získaly varianty číslo 3 a 4. Varianta 3 je získala, protože jde o výrobu lisováním, což je rychlé a méně nákladné oproti ostatním variantám, kde jsou použité jiné výrobní postupy. Varianta č. 4, protože jde o skládání laserem různě řezané trubky. Nejméně bodů má varianta 2, kvůli plastovému dílu, kde je výroba sice rychlá, ale také nákladná.

Rizikovost bezpečnostního prvku je dalším hlediskem. Zde nejvíce rizikové varianty jsou 2, 1 a 5. Z toho varianta 2 je nevíce riziková, jelikož by u ní mohlo dojít k tomu, že nepřetlačí pedál do dolní úvrati. U spojkového pedálu by to možné bylo, ale u brzdového nikoliv, kvůli posilovači brzd. Varianta 3 vyšla jako nejlepší a získala 4 body. U této varianty je sice možné, že vlivem malé síly nemusí dojít rozpojení mechanismu, ale při nehodách v automobilu dochází k velkým silám, proto je toto riziko eliminováno.

Dalším kritériem je adaptabilnost, v tomto hledisku bylo hodnocení vyrovnané, všechny varianty se dají aplikovat prakticky na jakýkoliv typ vozu, například na osobní, ale i nákladní apod. Jako nejlépe adaptabilní vyšly varianty 1, 2, 3, a 4, které získaly po 3 bodech.

Varianta 5 má 2 body, jelikož jde využít jenom na plastové konzole PÚ. Následující hledisko je využitelnost z hlediska materiálů, zde nejvíce bodů získaly varianty, které mohou použít plastové komponenty, nebo lehké slitiny. Tyto varianty získaly 3 body. Naopak nejméně bodů získaly varianty, u kterých je potřeba použít ocel. To jsou varianty 1 a 3, které shodně získaly dva body.

Poslední kritériem výběru je jednoduchost, zde nejvíce bodů obdržela varianta 2, protože se jedná pouze o páku, která by měla přetlačit pedál při nehodě automobilu. Ostatní

40

varianty získaly tři body a pouze varianta číslo pět, získala dva body, jelikož se jedná o nejsložitější návrh, kvůli zámkovému principu uvolnění pedálu. Celé ohodnocení je zobrazené v následující tabulce.

Tabulka 1 - Výběr varianty

Výběr varianty

Varianty 1 2 3 4 5

Hledisko Váha body Hod. Body Hod. Body Hod. Body Hod. Body Hod.

komponenty 0,4 2 0,8 4 1,6 3 1,2 3 1,2 2 0,8

objemnost 0,3 2 0,6 2 0,6 3 0,9 2 0,6 2 0,6

hmotnost 0,4 2 0,8 3 0,8 3 1,2 2 0,8 2 0,8

montáž 0,3 1 0,3 3 0,9 2 0,6 2 0,6 2 0,6

výroba 0,2 3 0,6 2 0,4 4 0,8 4 0,8 3 0,6

rizikovost B.P. 0,2 2 0,4 1 0,2 4 0,8 2 0,4 2 0,4

využitelnost 0,2 2 0,4 3 0,6 2 0,6 3 0,6 3 0,6

adaptabilnost 0,2 3 0,6 3 0,6 3 0,6 3 0,6 2 0,4

jednoduchost 0,1 3 0,3 4 0,4 3 0,3 3 0,4 2 0,2

Body celkem 4,8 6,3 7,0 6,0 5,0

Jako vítězné řešení inovace bezpečnostního prvku je vybrána varianta číslo tři. Tato varianta obstála nejlépe ze všech ostatních řešení a získala nejvíce bodů. Řešení je založené na jednoduchosti a také na velké adaptabilnosti na různé druhy pedálových ústrojí, jelikož každá automobilová značka využívá jiný typ PÚ, například plastové konzole, nebo dávají přednost plastovým pedálů. Ale jsou i automobilky, které se drží „klasiky“ a stále do svých vozů volí ocelové konzole a pedály, například nákladní vozy stále dávají přednost masivním profilům pedálu, a právě na toto se může hodit tento bezpečnostní prvek. Dále se jedná o velice jednoduchou výrobu v podobě lisování a svařování, nástroje jsou také jednoduché a nebude u nich docházet k rychlému opotřebení, jako například u plastových forem.

41

9 3D model zvolené varianty

V této podkapitole je vyobrazena finální zvolená varianta, nejprve její 3D model v pohledu ISO a poté 2D zobrazení i s popisy jednotlivých dílů, a nakonec rozpad celkové sestavy. Na obrázku 25 je tedy 3D model udělaný v programu NX 8.5 a na obrázku 26 je 2D zobrazení, které je uděláno v programu Autocad 2016.

Obr. 25 - 3D model zvolené varianty

Vybraná varianta, která je založena na principu zubové spojky a je implementována na pedálové ústrojí Suzuki. Konkrétně na pedál brzdy. Samotný bezpečnostní mechanismus se skládá z několika součástí. Pedál, rameno posilovače, vyrážecí klín a bezpečnostní pružina.

Vše je lépe zobrazeno na obrázku 26, kde jsou součásti ukázány v řezu i s popisy.

K tomu aby došlo k rozpojení mechanismu zubové spojky, je zapotřebí posun klínu v požadovaném čelním směru o 4 [mm]. To bylo zjištěno právě z detailnějšího návrhu v programu NX, kde to bylo možné vyčíst z 3D dat.

42

Obr. 26 - 2D model zvolené varianty v řezu s popisy

Na dalším obrázku číslo 27 je zobrazena celková sestava v zobrazení rozpadu. Zeleně je označen pedál brzdy, včetně navařené šlapky a středící osové trubky. Na šlapku pedálu přijde ještě gumová obložka (černě). Modře je zobrazena konzola PÚ, která je připevněna šrouby k „firewallu“ vozidla. V tomto případě je připevněna pěti šrouby M8. Šedě je zobrazeno rameno posilovače, což je zároveň protikus zubové spojky, opět se středící trubičkou v ose. Černě je středový šroub M10 a zabezpečující pružina, která byla navržena dle výpočtu v kap. 10.3. Tato pružina má zajistit stálý přítlak mezi oběma díly zubové spojky.

Bíle je zobrazen vyrážecí klín, který je z plastu PA6 - GF50. A je směřovaný šikmými plochami obou kusů zubové spojky a zároveň je jištěn dvěma malými plastovými kolíky. Dále

43

je zde žlutě osová trubička, která chrání závit. Na tuto trubičku jsou, nasazeny dvě plastová kluzná ložiska, která slouží k lepšímu pohybu celé sestavy. Nakonec je zde zobrazena zeleně zajišťovací matice M10.

Obr. 27 - 3D model vybrané varianty - rozpad sestavy Parametry zubové spojky:

Počet zubů: 6 [-]

Roztečná kružnice zubů: 40 [mm]

Výška zubů: 4 [mm]

Průměr zubů: 10 [mm]

Sklon náběhu pro klín: 15 [°]

Rozpojení mechanismu v posunutí klínu: 4 [mm]

44

9.1 FMEA – Konstrukční

U návrhu inovace bezpečnostního prvku byla provedena také analýza FMEA, což je analýza možnosti vzniku vad a jejich následků. Tato FMEA – K vznikla v týmu tří pracovníků firmy BRANO a.s. a byla též schválena šéfkonstruktérem. Důležité bylo, že žádná závada uvedená v tabulce nepřekročila hodnotu 100 čísla RPN. Kdyby totiž překročila hodnotu 100, muselo by se ve firmě zavést určité opatření, aby se předešlo vadám. Jako nejrizikovější závada byla shledána deformace pedálu, kde tato závada obdržela 90 bodů RPN. Jako prevence a opatření v tomto případě slouží FEM analýza, provedená i v této práci, a zároveň prototypové testy na daném prototypovém vzorku. Celá tabulka analýzy FMEA – K je k nalezení v přílohách, zde na této straně je pouze obrázkový náhled.

Obr. 28 - FMEA - K na inovaci bezpečnostního prvku

45

10 Výpočet finální varianty

Tato kapitola se zabývá návrhem finální varianty – pod návrhem se skrývá například to, jaká minimální síla je potřeba k rozepnutí zubové spojky. Následuje návrh pružiny a FEM výpočet statiky pedálu vzhledem k automobilovému standardu. Standardem je myšleno základní statické zatížení šlapky pedálu.

10.1 Silové poměry na šlapce brzdového pedálu

Obr. 29 - Silové poměry na šlapce brzdového pedálu

Tento obrázek 29 popisuje situaci na suché vozovce, respektive jeho silové poměry.

Při normální jízdě je šlapka pedálu zatěžována silou v rozmezí od 80[N] do 140[N]. Co se týče zkoušek PÚ, je síla v jiné oblasti. Například dle standardu VW je při statickém zatížení frontální síla na šlapku 2300[N] a boční síla je 500[N]. To je oblast sil, kdy musí být šlapka k dispozici pro zkoušku, kterou musí splnit, a jejímž výstupem jsou minimální trvalé deformace.

10.2 Kinematické poměry na pedálovém ústrojí

Pro řešení výpočtů a kinematických poměrů si firma BRANO zadala MKP analýzu pro simulaci nárazového testu vozidla u firmy MECAS ESI s.r.o. Předmětem zkoumání bylo

46

zjistit, jaké je maximální posunutí „firewallu“ a jaké jsou rychlosti tohoto posunutí v závislosti na čase. Tyto parametry jsou nezbytné, aby bylo možné zjistit, jak rychle reaguje zvolený koncept a jaké posunutí „firewallu“ je zapotřebí k tomu, aby „crashový“

mechanismus fungoval.

Obr. 30 - Kinematická analýza vozidla, stav během nárazu

Obr. 31 - Kinematická analýza vozidla, stav po nárazu

47

Graf 1 - Zrychlení bodu na „firewallu“ vozidla během nárazu.

Z tohoto grafu 1 je možné vyhodnocení kinematického prostředí pohybu PÚ při destrukci vozu. Z dodaných dat vyplývá, že maximální posuv „firewallu“ je cca 140 [mm]

a dochází k tomuto posuvu v čase 100 [ms], maximální rychlost posuvu je cca 7 [m/s]

(25km/h). Ve zvolené koncepci je zapotřebí posuv maximálně 4 [mm], aby došlo k úplnému rozpojení pedálu. Z uvedených výsledků a požadavků je zřejmé, že k rozpojení pedálu dojde v čase cca 30 [ms].

10.3 Návrh pružiny

Pro vybranou variantu je nutné navrhnout pružinu, která bude plnit následující funkce.

Nejprve musí pružina zajistit přítlak na rameno posilovače. Síla, kterou by měla pružina vykonat, by se měla pohybovat okolo 100[N]. Dále by pružina měla plnit funkci takovou, že bude navracet pedál do výchozí pozice, tedy do horní úvrati. Pro lepší představu tvaru pružiny je vygenerován obrázek 33. Materiál byl zvolen 60SiCr7, je to za tepla válcovaná ocel určená pro pružiny, její mechanické vlastnosti jsou na obrázku 32.[11]

48

Obr. 32 - Mechanické vlastnosti materiálu 60SiCr7[www.totalmateria.com]

Obr. 33 - Zkrutná pružina Charakteristika tlačné pružiny:

Obr. 34 - Charakteristika tlačné pružiny[12]

49

Zadání: F8=100[N]; s8= 11[mm]; F1=50[N]; D=33,5[mm]; τDm=0,5.Rm=0,5.1550=775[MPa], materiál pružiny: 1.7108; F=F8=100[N]

Výpočet průměru drátu:

𝑑 = √

_𝜋.𝜏^8.𝐹.𝐷

𝐷𝑚

3

= √

^8.100.33,5

𝜋.775

3

= 2,22[𝑚𝑚] => 𝑣𝑜𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑑 = 3,5[𝑚𝑚]

(1)

Výpočet činných závitů:

𝑛 =

^{𝐺.𝑑4.𝑠8}

8.𝐹.𝐷³

=

^{80500.3,54.11}

8.100.33,5³

= 4,42 => 𝑣𝑜𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑛 = 4,5

(2) Výpočet celkového počtu závitů:

𝑛

_𝑐

= 𝑛 + 𝑛

_𝑧

= 4,5 + 2 = 6,5

(3) Výpočet tuhosti pružiny:

𝑐 =

^𝐹

𝑠₈

=

¹⁰⁰

11

= 9,09 [

^𝑁

𝑚𝑚

]

(4)

Výpočet poměru vinutí:

𝑖 =

^𝐷

𝑑

=

^33,5

3,5

= 9,6

(5)

Pevnostní výpočet:

𝜏

₈

=

^8.𝐹8.𝐷

𝜋.𝑑³

=

^8.100.33,5

𝜋.3,5³

= 198,97[𝑀𝑃𝑎]

(6)

𝜏

₈

= 198,97[𝑀𝑃𝑎] < 𝜏

_𝐷𝑚

= 775[𝑀𝑃𝑎]

=> VYHOVUJE (7) Navržená pružina vyhovuje pevnostní podmínce dle rovnice (7) a pružina má tedy tyto parametry: celkový počet závitů n je 6,5 a průměr drátu d byl zvolen 3,5[mm]

Zkrutná část: dle obrázku 35 byla navržena zkrutná pružina.

Zadání: F8zkr = 65[N], F1zkr = 45[N];

φ

1= 64[°],

φ

8= 84[°]; d = 3,5[mm]; D = 33,5[mm]; n = 6,5; Rp = 63[mm], Rm = 1550 [MPa]

50 Výpočet dovoleného napětí:

Pro výpočet dovoleného napětí u zkrutné pružiny platí, když i>8, pak pro zušlechtěný drát nebo žíhaný drát ze slitinové oceli Si-Cr platí.[16]

σ

Do

= 0,7.Rm=0,7.1550=1085[MPa]

(8) Výpočet momentů Mk8 a Mk1:

𝑀𝑘

₈

= 𝐹

_{8𝑧𝑘𝑟}

. 𝑅𝑝 = 65 . 63 = 4095[𝑁. 𝑚𝑚]

(9)

𝑀𝑘

₁

= 𝐹

_{1𝑧𝑘𝑟}

. 𝑅𝑝 = 45 . 63 = 2835[𝑁. 𝑚𝑚]

(10)

Výpočet zkrutné tuhosti:

𝑐

_𝜑

=

^𝑀𝑘8

𝜑₈

=

⁴⁰⁹⁵

84

= 48,75 [

^{𝑁.𝑚𝑚}

°

]

(11)

Výpočet korekčního součinitele:

𝐾

₀

=

^𝑖

𝑖−0,75

=

^9,6

9,6−0,75

= 1,08

(12)

Pevnostní výpočet:

𝜎

_𝑜

=

^{𝐾0 .𝑀𝑘8}

𝑊𝑜

≤ 𝜎

_𝐷𝑜

(13)

𝜎

_𝑜

=

^𝐾0 _𝜋.𝑑3^.𝑀𝑘8

32

≤ 𝜎

_𝐷𝑜

(14)

𝜎

_𝑜

=

^1,08.4095_𝜋.3,53

32

= 1050,7[𝑀𝑃𝑎]

(15)

𝜎

_𝑜

= 1050,7[𝑀𝑃𝑎] < 𝜎

_𝐷𝑜

= 1085[𝑀𝑃𝑎]

=> VYHOVUJE (16) Z těchto všech rovnic byla navržena zkrutná tlačná pružina, která vyhovuje tlačným potřebám pedálu zubové spojky, a zároveň slouží jako zkrutná pružina pro návrat pedálu do horní úvrati.[7], [8], [16]