Současnost a budoucnost technologie „by-wire“: Budeme jezdit „po drátě“?

Představte si, že bychom u auta nahradili mechanické spojení mezi volantem a řízením elektrickým, či místo tlaku hydraulické kapaliny by brzdiče ovládaly servomotory. Ještě v minulé dekádě věc takřka z říše sci-fi, dnes však stále více uvažovaná výrobci aut a jejich příslušenství. Dle informace uvedené na americkém serveru automotive-iq se očekává zvýšení podílu systémů využívajících elektřinu a elektroniku v letech 2018 až 2025 zhruba o devět procent.

V případě řízení ale takové auto již existuje. Tím je už před lety představené Infiniti Q50 vybavené řízením DAS (Direct Active Steering). V případě brzd ale nic takového zatím není, byť i tady již elektronika proniká ve výrazné míře a neomezuje se jen na systémy ABS/ESP a jejich podfunkce.

Méně částí, méně kil

Proč vlastně automobilky a výrobci příslušenství uvažují o technologii „by-wire“? V zásadě odborníci uvádějí dvě hlavní přednosti. Tou první je snížení počtu pohyblivých částí potřebných v různých mechanismech. To by mělo přispět k redukci servisních nákladů. Navíc některé systémy by neměly pozornost autodílny vyžadovat vůbec.

Druhou výhodou je snížení hmotnosti, tedy parametru, který dnes výrobci aut bedlivě sledují. Lehčí auto má předpoklady pro nižší spotřebu paliva a tedy i menší produkci emisí. Nižší hmotnost vyplývá mimo jiné z menšího počtu součástí konkrétního mechanismu.

Stojí více a lidé jim nevěří

Jenže jak už to bývá, kromě výhod musíme zmínit také nevýhody. A těch rozhodně není málo.  Systémy „po drátě“ sice mají v porovnání s mechanickými méně součástek (zejména těch pohyblivých), avšak navzdory tomu jsou dražší. Důvodem je vyspělejší technika a hlavně elektronika.

Problém může představovat také spolehlivost. Pokud bychom použili elektronické systémy na řízení či brzdy, součástí by musela být rovněž mechanická či hydraulická záloha, která by v případě selhání elektřiny a elektroniky ve formě výkonných členů zajistila bezpečnou řiditelnost auta.

V sázce je také vnímání širokou veřejností. A to je v současné době dost negativní. Vždyť snad každý má v paměti nedávné dvě silně medializované fatální nehody letounu Boeing 737 MAX. V tomto případě sehrála elektronika klíčovou (a bohužel negativní) roli. Konkrétně šlo o systém MCAS, který letadlo přiměl klesat, ačkoliv piloti ve fázi vzletu potřebovali stoupat. Výsledkem jsou desítky mrtvých, pošramocená pověst amerického výrobce a dále ekonomický dopad, neboť B737 MAX je v současné době celosvětově uzemněn. Právě tady se ukázalo, že elektronika sice může pomáhat, ale také způsobit nemalé potíže.

Ovládání bez citu

V souvislosti s nahrazováním původních mechanických či hydraulických systémů elektronickými je velmi často zmiňována také otázka citlivosti nebo chcete-li zpětné vazby, která u systémů bez mechanického spojení už z principu chybí. Jenže řidič při ovládání vozidla určité vjemy potřebuje. Stejný problém se před lety řešil i u letadel - jak postupně přecházelo jejich řízení z mechaniky na hydrauliku a elektroniku. V autech i letectví lze chybějící přirozený cit z části suplovat umělými simulátory. Jak to funguje v praxi, jsme si před lety mohli vyzkoušet při testování výše zmíněného vozu Infiniti Q50 s řízením DAS.

Za normálních okolností zde není mechanické propojení mezi volantem a řízením, které použito sice je, ale pouze v roli zálohy v případě selhání systému. Celé je to svěřeno trojici řídících jednotek. A sice jednotce síly v řízení, z níž putuje signál prostřednictvím superrychlé datové sběrnice FlexRay do hlavní ovládací jednotky úhlu řízení a zároveň také do pomocné ovládací jednotky úhlu řízení.

Akčními členy jsou trojice elektromotorů, z nichž dva přímo ovládají řízení, a tedy mají za úkol vychylovat kola do rejdu, třetí elektromotor je spojený s volantem a jeho smyslem je simulovat výše zmíněný cit v řízení. Jak jsme si před lety vyzkoušeli, řízení DAS není subjektivně vzato vyloženě necitlivé, takže volant v zatáčce při rychlé jízdě a působením odstředivé síly skutečně trochu tuhne. Je to však pouze simulované.

Řízení DAS je pověstnou první vlaštovkou v nahrazování mechanického řízení s posilovačem plně elektronickým. Následovníky však zatím žádné nemá, zřejmě z důvodu převažujících nevýhod uvedených výše. Je ovšem možná, že s rozvojem autonomních vozidel poháněných elektřinou bude řízení „po drátě“ neboli steer-by-wire uplatňováno častěji.

Na lanko zapomeňte

Naopak v jiných skupinách se koncepce „po drátě“ uplatňuje již léta. Jde o ovládání škrticí klapky motoru, pro níž se právě vžilo označení „drive-by-wire“. U aut vyráběných přibližně od roku 2000 bylo kdysi nezbytné lanko spojující škrticí klapku s pedálem akcelerace stále častěji nahrazováno jejím elektrickým ovládáním.

Bohužel právě tady se asi nejvíce ukazuje vyšší cena elektřiny a elektroniky proti mechanice. Takto vyřešená plnicí soustava vyžaduje snímač polohy pedálu plynu, jemuž na opačné straně sekunduje elektromotor, který natáčením mění úhel otevření klapky. Ta dále musí být vybavena snímačem polohy a také koncovým spínačem plného plynu. Úhel otevření klapky tady samozřejmě nezáleží jen na míře jeho sešlápnutí, ale na řadě dalších vstupních hodnot. Jde zejména o otáčky motoru.

A proč se vlastně elektrická klapka před lety zavedla? Důvodem byly stále přísnější emise. Aby nedocházelo ke srážení paliva na stěnách sacího traktu u nepřímo vstřikových motorů při prudkém zavření klapky a tedy ubrání plynu, je nutné klapku zavírat pomaleji, což je u mechanického systému velmi obtížné vyřešit.  

Dnešní motory pracují tak, že se snaží klapku otevírat pokud možno o co největší úhel, čímž je snižován odpor, který klade sání pohybujícím se pístům (takzvané čerpací ztráty). Ty při přivřené klapce musejí písty překonávat.

Druhým příkladem využití „řízení po drátě“ jsou voliče samočinných převodovek. Ty jsou dnes velmi často takzvaného elektroimpulzního typu. Jejich pohybem tak vzniká pouze elektrický impulz, který zpracuje řídící jednotka převodovky. Následně jej předá akčnímu členu, který požadovanou akci provede (například aktivuje režim D či R z klidového P).

Elektroimpulzní volič převodovky má výhodu v tom, že nepotřebuje těžká a neskladná táhla. Proto může být umístěn třeba na sloupku řízení (typické pro vozy Mercedes-Benz) nebo na středové konzole, kde se pod voličem nachází úložný prostor. U mechanicky ovládaných systémů by to opět možné nebylo.

Poprvé na Měsíci

Nejpokročilejší ze systémů „po drátě“ je řízení DAS již zmíněného Infiniti. Jedná se tedy o steer-by-wire, což je vlastně obdoba známého fly-by-wire (FBW). Původně analogový (později digitální) systém si premiéru odbyl na výsadkovém lunárním modulu misí Apollo. V sedmdesátých letech začaly FBW používat nadzvukové vojenské letouny, u nichž technologie FBW výrazně zlepšila manévrovatelnost, neboť díky tomu mohou být koncipovány jako přirozeně nestabilní (stabilitu při letu jim zajišťuje počítač, který je součástí FBW). Od roku 1987 jej používá Airbus A320 a jeho deriváty coby první dopravní letoun s technologií řízení FBW.

Smyslem fly-by-wire je eliminovat chybné zásahy do řízení letadla, které mohou vést ke ztrátě jeho vztlaku a následnému pádu. Velmi zjednodušeně řečeno je každý zásah pilota do řízení letounu zpracován počítačem a teprve když souhlasí s uloženými hodnotami pro danou letovou situaci (takzvanou letovou obálkou), provede stroj pilotův požadavek, a tedy vychýlí příslušné řídící plochy.

Celý systém je třikrát zálohovaný, přičemž dle dobových informací Airbusu je pravděpodobnost totálního výpadku systému FBW u A320 s následnou ztrátou řiditelnosti letounu 10 na mínus 10. Tedy nesmírně malá.