Interaktivní model automobilové převodovky

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra počítačové grafiky a interakce Bakalářská práce Interaktivní model automobilové převodovky Jaroslav Procházka Vedoucí práce: prof. Ing Jiří. Žára, CSc. Studijní program: Softwarové technologie a management Obor: Web a multimedia

2

3 Prohlášení Prohlašuji, že jsem práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne

4 Abstrakt Bakalářská práce se zaměřuje na interaktivní trojrozměrné modely a jejich použití na internetu. Podrobně popisuje a analyzuje moderní automatickou převodovku s přímým řazením rychlostních stupňů. Zabývá se především zpracováním převodovky do podoby animovaného počítačového 3D modelu. Převádí model do rozhraní rozšiřitelného o interaktivní uživatelské ovládání v reálném čase a s možností zobrazit si popisky a informace. Práce vysvětluje a ukazuje princip činnosti převodovky, jak teoreticky, tak i prakticky. Klíčová slova Automatická převodovka, DSG, interaktivní 3D model, VRML

5 Abstract Bachelor thesis focuses on interactive three-dimensional models and their use on web. Describes and analyzes the modern automatic transmission with direct shifting of gears. It mainly deals with processing the gearbox into an animated 3D computer model. Converts the model into an extensible interface for interactive user control in real timeand with the ability to display the labels and information. The work explains and demonstrates the principle of operation the gearbox, both theoretically and practically. Keywords Automatic gearbox, DSG, interactive 3D model, VRML

6 Obsah 1. Úvod Téma a širší vymezení problematiky Kontext zadání Cíle práce Požadavky na systém Teoretická část Stručná historie a druhy převodovek Interaktivní 3D modely na internetu Výběr konkrétní převodovky DSG - popis DSG jednotlivé části a jejich funkce Praktická část Analýza a návrh vhodných nástrojů Technika tvorby detailů Statický model příprava Statický model - vlastní modelování Animace modelu VRML převod modelu VRML interaktivita Vytvoření webových stránek projektu... 28

7 4. Testování Konkurenční řešení Závěr A. Seznam použitých obrázků B. Seznam použitých zkratek C. Použitý software D. Ukázka MEL skriptů z Autodesk Maya E. Ukázka VRML kódu prevodovka.wrl... 40

8 1. Úvod Člověk věci a jevy snáze chápe, pokud je vidí v reálu na vlastní oči a může si je i prakticky osahat. Ne každý má ale přístup k tomu, co by chtěl vidět, o co by se mohl detailněji zajímat, s čím by chtěl pracovat. V dnešní době, kdy se všechny informace, data a dokumenty sdílí na internetu, je velice vhodné položit si otázku, proč hledat nějaké zařízení či stroj v reálném světě, když se na něj, alespoň z určitého pohledu, mohu podívat a prozkoumat ho na počítači? Atraktivní jsou zejména interaktivní 3D modely, které jsou schopny ukázat, jak přístroj či produkt vypadá. Je možné si na nich prohlédnout každý detail, mohou dokonce i naznačit a předvést, jak samotný přístroj funguje. Navíc již lze tvořit takové modely, ve kterých se uživatel sám zapojí (interakce), může je ovládat, řídit, rozebírat a podívat se přesně na tu část, kterou potřebuje. To je pro něj samozřejmě lepší, než jen několik veřejně dostupných statických obrázků, protože kvalitní a kompletní, přesná technická dokumentace není u spousty zařízení mnohdy k dispozici. Cílem této práce bylo vytvořit zjednodušený, interaktivní (sekvenční řazení, průhlednost pro pohled na vnitřní části) animovaný 3D model moderní automobilové převodovky, který by mohl pomoci pochopit funkci konkrétního modelu a typu například ve strojní výuce. 9

9 1.1. Téma a širší vymezení problematiky Tématem práce bylo vytvořit animovaný interaktivní počítačový 3D model automatické automobilové převodovky. V širším vymezení problematiky se práce zabývá nejen pochopením vybrané převodovky a samotným vytvořením jejího 3D modelu, ale snaží se také vysvětlit způsob jejího fungování pomocí interaktivních animací Kontext zadání Téma bylo zpracováno z několika různých, ale blízce souvisejících pohledů, které celou práci rozdělily do tří hlavních částí. V první se autor zabýval výzkumem podobných projektů na internetu a především výběrem konkrétního typu automobilové převodovky. Druhou částí práce bylo autorovo pochopení samotné funkčnosti převodovky z dostupných materiálů a její zpracování do podoby 3D počítačového modelu. V poslední části bylo úkolem převést model do některého rozhraní pro prezentaci 3D modelů, které umožňuje uživatelskou interakci, vytvořit potřebné funkce a ukázat na animovaném modelu skutečnou funkci chování jednotlivých prvků převodovky při simulaci řazení. Model byl vhodně zjednodušen o prvky nesouvisející s dynamikou proto, aby se v závěrečné části práce dal snáze ukázat a vysvětlit princip činnosti na názorném pohyblivém 3D modelu. 10

10 1.3. Cíle práce a) Z prozkoumaných zdrojů pochopit způsob přenosu točivého momentu od vstupu (motor) až po výstup (diferenciál) a způsob řazení ve vybrané převodovce. b) Vytvořit počítačový 3D model automatické automobilové převodovky a následně ho i použitím vhodného nástroje rozhýbat. c) Přidat uživatelskou interakci do modelu a pomocí animací ukázat způsob řazení uvnitř převodovky. d) Při návrhu porovnat různé varianty modelování detailů a zamyslet se nad použitou technologií interakce a porovnat ji s jinou. e) Vytvořit webové stránky projektu, které budou obsahovat vysvětlující a doplňující informace (textové či obrazové) v českém i v anglickém jazyce Požadavky na systém Hlavním požadavkem výsledného projektu bylo vytvořit uživatelské ovládání (myš/klávesnice) animovaného trojrozměrného modelu automobilové převodovky. Zvolit takové řešení a vhodné rozhraní, které umožňuje real-time práci s 3D objekty, jejich animaci a ovládání. 11

11 2. Teoretická část 2.1. Stručná historie a druhy převodovek Klasické manuální řazení u automobilů s řadicí pákou a nutností citlivě ovládat spojkový pedál nemusí každému vyhovovat (tělesně postižení). V průběhu času byla proto žádána převodovka, která bude fungovat samočinně. V USA se automatická převodovka začala využívat od padesátých let 20. století a tamní řidiči dnes upřednostňují převážně automobily s touto převodovkou. V Evropě mají osobní automobily stále ještě spíše přímočinné mechanické manuální převodovky, avšak v posledních několika letech se trend automatů dostává i do levnějších a běžnějších automobilů i zde. 1 Automatické převodovky se od sedmdesátých let ve velké míře uplatňují zejména u luxusnějších automobilů, městských autobusů a u motorových vozů na železnici. Evropské automobilky a zákazníci byli v otázce, zda řadit ručně nebo nechat řadit automobil, vždy poněkud skeptičtí. Přesto už v roce 1965 uvedla německá firma ZF, spolupracující s BMW, třístupňovou automatickou převodovku pro model BMW 2000C, později ji převzal také Peugeot, Alfa Romeo, Maserati, Lancia nebo Citroën. V roce 1982 byla představena čtyřstupňová automatická převodovka ZF s elektrohydraulickou řídicí jednotkou a v roce 1992 následovalo pětistupňové automatické ústrojí ZF s adaptivní logikou řazení. V současnosti jsou nejběžnějšími typy 5 a 6 stupňové převodovky. Některé společnosti jako Audi, VW, však už mají nebo vyvíjejí do svých vozidel automatické převodovky se 7 či 8 řadicími stupni

12 Typy řazení 3 : - manuální řazení - řidič volí rychlostní stupně pákou, ovládá spojku - sekvenční řazení - pomocí pádel pod volantem nebo volicí páky řidič ovládá pouze činnost nadřadit a podřadit, spojku nepoužívá - automatické řazení - řidič zvolí režim jízdy, ovládá pouze plynový a brzdový pedál a o řazení se vůbec nestará, vše je řízeno automaticky Druhy automatických převodovek 4 : - Hydraulické k přeřazování využívá hydraulických elementů, mechanická regulace, 3 stupňové, základem je hydrodynamický měnič - Hydraulické s elektronickou regulací 4 stupňové, elektromagnetická regulace, uzamykatelný hydrodynamický měnič na posledním stupni omezuje ztráty prokluzem - Elektronicky řízené automatické (tiptronic) 5 až 7 stupňové, řazení pomocí třecích brzd a lamelových spojek, uzamykatelný měnič již od třetího stupně, volitelné režimy jízdy - Variátorové (CTX, ECVT) lamelová spojka pro rozjezd, plynulá změna převodového stupně, přenos sil zajišťuje řemen nebo řetěz, vysoká účinnost a životnost - Mechanické se dvěma spojkami (DSG) dvě paralelně uspořádané převodovky, dvě lamelové spojky - Mechanické s elektro-hydraulickým ovládáním - 5 stupňové, suchá spojka (jako u manuálního řazení), řazení řízené počítačem se provádí samočinně

13 2.2. Interaktivní 3D modely na internetu V prvním fázi projektu bylo nutné najít a důkladně prozkoumat podobné projekty na internetu. Po prohlédnutí několika desítek internetových stránek s modely různých produktů a součástek se ale nepodařilo najít žádný projekt, který by se funkcí nebo tématem alespoň trochu podobal tomuto. Všechny nalezené interaktivní modely obstarávaly pouze prezentační funkci produktů různých firem nebo interaktivní prohlídku budov. Umožňovaly pouze procházení, natáčení modelu, přibližování a některé z těch dokonalejších i funkce jako zapnutí displeje nebo otevření víka notebooku. To ale byla veškerá interaktivita, kterou dostupné modely nabízely. Pro prezentaci a náhled produktu či objektu byly plně dostačující, ale nikoliv už pro vysvětlení funkčnosti. Model zvolené převodovky DSG (Direct Shift Gearbox) i dalších převodovek samozřejmě existuje, ale není nikdy veřejně použit k účelu podobné funkce. Slouží vždy jen k vytvoření prezentačního videa či obrázků. To někdy může naznačit funkci zařízení, ale pouze tu dobu a v té podobě, jak to umožní jeho autor. Proto je tento projekt poněkud odlišný a nabízí uživateli větší možnost ovládání. To závisí na pečlivě zvolené technologii a jejích možnostech. Volba technologií byla také součástí bakalářské práce Výběr konkrétní převodovky Důležitým krokem práce, vedoucím k započetí praktické části, byla volba konkrétního typu převodovky. Při hledání na internetu byla objevena spousta druhů a typů řadicích zařízení, ale málokdy byla nalezena rozsáhlejší a souvislá 14

14 dokumentace nebo více zdrojů právě k jednomu typu. Při zamyšlení se nad cílem práce a možnostmi interakce bylo rozhodnuto, že nejlepší volbou bude nějaká převodovka se sekvenční možností řazení. Započal nový průzkum zaměřený na tuto oblast. Nejčastěji se všude objevovala moderní automatická převodovka s přímým řazením rychlostních stupňů DSG, která pochází z koncernu Volkswagen. V současné době je možné ji nalézt ve většině vozidel značek VW, Škoda a všech ostatních značkách spadajících pod koncern VW. Podobná zařízení jsou již vyvíjena a montována i do automobilů Audi či Volvo. Díky relativnímu dostatku informací byla nakonec zvolena převodovka DSG DSG - popis DSG (Direct Shift Gearbox) je šesti stupňová převodovka, kombinující sportovní charakter a nízkou spotřebu pohonných hmot mechanické převodovky s komfortem převodovky automatické. Umožňuje řazení bez přerušení tahu motoru, protože díky použití dvojité spojky je neustále alespoň jedno soukolí v záběru. Převodovka je společným dílem konstruktérů Volkswagenu a společnosti BorgWarner. Její vývoj až do zavedení do sériové výroby trval celých 5 let. 5 Převodovka je určená pro příčnou zástavbu do vozu, je schopna přenášet krouticí momenty do 350 Nm a její hmotnost činí 90 kg (včetně olejů). Základ převodovky vytváří dvojice paralelně uspořádaných dvouhřídelových převodovek. Aby mohla být převodovka co nejmenší, jsou vstupní hřídele vložené do sebe (střed řezu na obrázku 2.4.1). 5 Zdroj: 15

15 Obrázek Převodovka DSG. Obecný pohled s částečným řezem Zdroj: Převodovka DSG se účinností blíží běžným manuálním převodovkám, a to díky inteligentnímu způsobu řízení dvojice spojek a řadících mechanismů. Řídící modul stále připravuje dopředu jeden zařazený rychlostní stupeň. Například při rozjezdu je zároveň zařazen 1. a 2. rychlostní stupeň. Když motor dosáhne optimálních otáček pro řazení, dojde pouze k postupnému vypínání spojky č. 1 za současného zapínání spojky č. 2. Nedochází tak k přerušení toku výkonu na kola. V okamžiku, kdy je sepnuta spojka číslo 2 a výkon je přenášen touto částí, druhá větev převodovky již připraví zařazením třetího stupně. Celé řazení trvá údajně pouhých 0,3 až 0,4 s. 6 6 Zdroj: 16

16 2.5. DSG jednotlivé části a jejich funkce Většina prostudovaných materiálů byla pouze prezentačního zaměření, někdy lehce popisného, ale pochopit z nich funkci bylo téměř nemožné. Bylo nutné začít hledat další materiály. Na zahraničních internetových stránkách byla nalezena příručka samostudijního programu přímo ze servisního střediska VW v anglickém a německém jazyce (zdroje [20, [21), která detailněji popisuje prvky v převodovce. Celá převodovka je v ní po částech rozkreslena (obrázek 2.5.1) a každá součást je stručně popsána, včetně popisu její činnosti. Obrázek Hnací hřídel 2. Čelní pohled a řez spojkou. (převzato z [20) 17

17 Žádný informační zdroj neuváděl takové informace, jako jsou převodové poměry, rozměry jednotlivých kol a celé převodovky nebo počty zubů na řadících kolech. Proto se autor vydal vlastní cestou. Z nalezených obrázků byl vybrán jeden, na kterém byla rozkreslena kompletní převodovka, a jedno kolo na něm bylo určeno jako referenční rozměr pro zbytek práce. Dále byl odhadnut počet zubů na kole. Ostatní rozměry převodovky i jednotlivých kol musely být získány měřením a počítáním z dalších obrázků, které byly ale různě deformované (jiný rozměr, poměr stran, typ nákresu), pomocí poměrů a vzorce pro výpočet převodového poměru: kde f je frekvence otáčení, r je poloměr kola, z je počet zubů, 1 je hnací kolo, 2 je hnané kolo. Také výpočet počtu zubů, probíhal podle stejného vzorce. Pochopení přenosu točivého momentu z jedné hřídele na druhou, jednoho kola na další bylo z nalezených materiálů (obrázek 2.5.2) celkem snadné pochopit a tato část se obešla bez problémů. 18

18 Obrázek Schematický nákres převodovky DSG. Zobrazuje průběhy sil. Zdroj: Pro tuto převodovku byla vyvinuta speciální spojka (obrázek 2.5.3). Podrobné odborné informace byly hledány velmi obtížně. Po přečtení několika odborných článků, zhlédnutí videí, prozkoumání podobných typů převodovek a především díky odborné konzultaci byla její funkce autorovi plně objasněna. 19

19 Obrázek Spojka. Částečný řez Zdroj: Později, během vytváření samotného modelu, nebylo zprvu autorovi úplně jasné, jak funguje synchronizace (obrázek 2.5.4) u řadicích kol. Přečtení několika odborných článků na internetu vedlo k vyjasnění a pochopení problematiky. Obrázek Synchronizace. Synchronní kroužek a třecí kužel na řadicím kole. (převzato z [20) 20

20 3. Praktická část 3.1. Analýza a návrh vhodných nástrojů Existuje dostatek komplexních multiplatformních programů, které umožňují autorům vytvářet vše od trojrozměrného modelu, pokročilé práce s texturami a světly, animace, videa, renderů po export. Množství jejich nástrojů a široké možnosti nastavení dávají tvůrcům také mnoho odlišných cest, jak k požadovanému výsledku dojít. Na základě předchozích zkušeností autor vyzkoušel dva z běžně používaných softwarů. Nakonec byl model vytvořen v programu Autodesk Maya Interaktivní část práce byla vytvořena v jazyce VRML. Přehled nejpoužívanějších 3D modelářů: - Autodesk Maya komerční profesionální program (použit například při výrobě filmu Doba ledová), velice obsáhlý a rozsáhlý, pro začátečníka celkem náročný modelář, mnoho efektových modulů a pluginů (pro tvorbu tekutin, vlasů, oblečení, částicových efektů), umožňuje přehledný a dobře strukturovaný VRML2 export - Maxon Cinema 4D komerční program, velmi uživatelsky přívětivé prostředí, přehledný, snadné ovládání, množství speciálně zaměřených modulů a pluginů (pro pokročilé renderování, tvorbu rostlin a organických objektů, pokročilé texturování, dynamiku či animaci postav a oblečení), srozumitelný a dobře strukturovaný export do VRML bez zbytečných tagů - Blender open-source software, méně přehledné prostředí, mnoho pluginů, široká uživatelská základna, velké množství volně dostupných návodů a informací 21

21 - Autodesk 3Ds MAX komerční program, velmi obsáhlý, méně přehledný, časté profesionální využití (zejména při postprudukci, filmu, reklamě), podpora velkého množství formátů, plugin moduly Možnosti postupu modelování: - těleso je reprezentováno hraničními prvky (křivkami, vrcholy, stěnami a hranami) a pomocí práce s nimi (vytvoření, vytažení, spojení, rozdělení, ) postupně upravujeme model do požadovaného tvaru (=polygonové modelování). Můžeme ho snadno upravit i pomocí úprav jednotlivých kroků. Vhodné na tvorbu jakýchkoliv modelů. - tvorba detailů deformační texturou, kdy se na hladký povrch tělesa složeného z polygonů umístí textura v odstínech šedi. Dle odstínu vzniknou na povrchu objektu deformace. Vhodné zejména pro stejnorodé plošné objekty, u kterých by tvorba povrchu byla opakováním stejné činnosti (dlaždice, kamenná zeď). - CAD systémy umožňují vytvořit model objektu z technických výkresů, které tvoříme z jednoduchých geometrických útvarů (čtverec, kruh, oblouk, čára) jejich vzájemným spojováním, ořezem, odečtením. Na základě těchto výkresů software sám následně vygeneruje 3D model. Následný import do 3D modeláře bývá ale někdy komplikovaný, zvláště pro nekompatibilitu či při převodu formátů. - měřicím přístrojem, který opticky (laserem), na základě zvukového vysokofrekvenčního signálu (ultrazvuk) nebo pomocí elektromagnetického vlnění (magnetická rezonance) změří a zmapuje reálný objekt, sám si ho rozloží na části a vytvoří podle získaných naměřených hodnot model v počítači. 22

22 3.2. Technika tvorby detailů Na počátku praktické části bylo důležité rozhodnout se, v jakém softwaru se bude model tvořit, a porovnat různé metody tvorby detailů na modelu. Autor začal méně známou metodou pomocí deformačních textur v softwaru C4D (Cinema 4D). Tato metoda i volba softwaru se zprvu zdála být velmi zajímavá. Zejména proto, že C4D je velmi uživatelsky přívětivý program a zvolený postup se jevil tak, že by značně ulehčil práci při modelování. Jak se ale ukázalo, tato volba nebyla úplně ideální. Tvorba textury pro každé kolo s přesným počtem zubů nebyla zrovna jednoduchá, z důvodu jejich umístění. Zarovnání dvou kol tak, aby jejich zuby do sebe přesně zapadaly, nebylo lehké a finální výsledek nebyl ideální. Další problémy se projevily při úpravách tvaru celých řadicích kol nebo pouze zubů, což obnášelo předělání celé textury, i úpravy modelu. Proto se tato metoda tvorby detailů jevila jako nevhodná pro plánovaný záměr. Nově byla zvolena metoda polygonového modelování a také jiný software Maya Tato technika může někdy působit jako složitější, pro velké množství prvků, se kterými je nutné pracovat, ale počítání, měření, změny měřítka byly nakonec úplně stejné jako při tvorbě deformační mapy. Výhodou postupu bylo to, že autor si mohl všechny prvky jednodušeji a přesněji umístit tak, jak potřebuje a případné drobné změny, nesrovnalosti a úpravy provést pouhým označením prvků (vrchol, hrana, stěna) a jejich prostým přesunem, či úpravou nastavení jednotlivých kroků při modelování. 23

23 3.3. Statický model příprava Prvním a velmi důležitým krokem před samotnou tvorbou 3D modelu bylo připravit si vhodně postup modelování. Podle zvoleného obrázku z dokumentu samostudijního programu od VW (zdroje [20 a [21) byl určen rozměr jednoho řadicího kola a jeho počet zubů jako referenční. Poté byly postupně rozkresleny jednotlivé části převodovky (obě hnací hřídele, obě hnané hřídele, diferenciál a všechna ozubená kola na nich) na papír a pečlivým ručním měřením, počítáním rozměrů podle poměrů stran z ostatních dostupných materiálů a obrázků, byla celá převodovka okótována Statický model - vlastní modelování Následovalo přenesení nákresů DSG převodovky do podoby 3D modelu. Modelování probíhalo v programu Autodesk Maya 2010 přibližně v tom pořadí, jak prochází síly převodovkou, s výjimkou spojky. Vše podle autorem rozkreslených částí (hnací hřídele, hnané hřídele, diferenciál, spojka). Celá sestava byla vymodelována úpravami (vytažení, přesun, změna měřítka, zkosení) základních polygonových těles, především objekty Polygon Cylindre a Polygon Pipe. Prvními vytvořenými součástmi byla ozubená kola na hnacích hřídelích a jejich osy. Když byly hotovy jednotlivé díly, vše bylo v souřadnicové soustavě srovnáno a umístěno již do skutečných pozic. Poté následoval stejný postup i u obou hřídelí hnaných a hřídele pro zpětný chod. V okamžiku, kdy byly vymodelovány všechny hřídele, pustil se autor do modelování synchronizace. Synchronizace funguje tak, že objímka se napojí na synchronizační kroužek, přitlačí ho na kužel na řadicím kole, a když dojde třením k synchronizaci 24

24 otáček na obou součástech, tak se objímka přesune dál na řadicí kolo, a pak je zařazeno. Vytvořená další ozubená kola byla vhodně umístěna do modelu. Dalším důležitým krokem bylo uspořádání a srovnání převodů a zubů mezi jednotlivými koly. Každá hřídel byla dle plánku (v [20) umístěna tak, jak je ve skutečnosti umístěna v reálné DSG převodovce, aby se zuby těch kol, které se mají dotýkat, ideálně překrývaly. Na řadu přišla těžší část, srovnání převodů. Jednotlivá kola byla tvořena dle vzoru prvního hotového kola, takže většinou jejich úhel směru zubů nebo otočení nesedělo. Bylo proto třeba projít všechna ozubená spojení, jedno po druhém, některé jen natočit o určitý úhel okolo středové osy, u jiného bylo nutné upravit tvar zubů a přizpůsobit jejich směr. Posledním krokem k dokončení statického modelu, bylo modelování spojky. Spojka je funkčně velmi složitá. Jsou to v podstatě dvě lamelové spojky spojené do jedné, z nichž má jedna stále silový styk s příslušnou hnací hřídelí. Bylo pro ni potřeba vytvořit mnoho vhodně složených a různě tvarovaných disků a lamel. Pro lepší orientaci v modelu pak bylo vytvořeno několik různobarevných kovových materiálů, které byly přiřazeny jednotlivým dílům tak, aby šlo lépe odlišit části převodovky. Pro dokumentární účely bylo zpracováno ještě několik renderů a náhledový export do VRML. Tím byla práce na statickém modelu dokončena. 25

25 Obrázek Render vytvořeného modelu převodovky. Spojka s průhledostí 3.5. Animace modelu Závažnou otázkou bylo, jak tvořit animace ve výsledném modelu? Opět se zde nabízelo několik možnosti dělat je později přímo ve VRML nebo je udělat ještě v 3D modeláři. Pro splnění cíle byla zvolena druhá varianta. Program Autodesk Maya obsahuje možnost programování skriptů v jazyce MEL (příloha D), který je hodně podobný Javě. Tak byly před samotným animováním vytvořeny skripty pro vazby mezi jednotlivými koly a jejich rotaci podle zařazeného stupně. Následné vytvoření animací už bylo jednoduché. Stačilo vhodně nastavit prvky na převodovce (spojku a řadicí objímky) a o rotaci, směr, pozici a vazby se už postaraly skripty. 26

26 Na závěr bylo jen potřeba vytvořit si potřebný VRML export všech zařazených rychlostních stupňů, čímž byla práce v programu Autodesk Maya 2010 ukončena VRML převod modelu Jako základ pro převod modelu do VRML jazyka byl použit export z programu Maya. Ten posloužil jako vstup pro nastavení kamer, osvětlení, materiály a animace. Původní základní myšlenkou bylo vytvořit celou práci v jednom *.wrl souboru, ale s přibývající funkcionalitou se soubor stával nepřehledným. Bylo nutné rozdělit projekt do více souborů a volat je uvnitř základního souboru (prevodovka.wrl příloha F) pomocí EXTERNPROTO. Toto rozhodnutí bylo velmi prospěšné, protože stejným postupem byl později vytvořen HUD (Head-Up Display) pro uživatelské ovládání. Pracovní prostor byl tedy rozdělen na několik částí HUD, animovaný model, vnitřní funkce a ostatní (kamery, světla), což znatelně ulehčilo orientaci v kódu VRML interaktivita Již samotným převedením 3D modelu do prostředí jazyka VRML se model stává interaktivním. Uživatel si ho může po nainstalování vhodného software (BS Contact, Cortona 3D Viewer) do svého počítače prohlížet ze všech stran, přibližovat, posouvat, zapnout/vypnout světlo či upravit si některé vlastnosti zobrazení. Nemá ale možnost ovládat model tak, jak bylo zadáno v tomto projektu. Proto bylo nutné vytvoření jednoduché GUI (uživatelské rozhraní) ve formě Head-Up Displeje. Do popředí modelu bylo přidáno několik tlačítek s různými 27

27 funkcemi (nadřadit, podřadit, zapnout/vypnout průhlednost spojky, zapnout/vypnout popisky) a popisné informace, včetně imitace displeje, zobrazující aktuální zařazený rychlostní stupeň. Ovládání řazení bylo vytvořeno pomocí jednoduchého javascriptu, obsahujícím dvě funkce (increment a decrement), který vrací číslo, v případě zpátečky popisek, právě zařazené rychlosti na displej a funkci, která řídí změnu animací. Nastavení průhlednosti je obstaráváno funkcí, která nastavuje průhlednost u konkrétního materiálu, nastaveného na obalu spojky. Zobrazení popisků přímo v modelu bylo naprogramováno tak, že jednoduchá funkce hlídá aktuální stav a podle toho nastavuje průhlednost popisků, které jsou typu Billboard (uživatel je vidí stále přímo proti sobě, nijak se nenatáčí) na hodnoty 0 (zobrazeny) nebo 1 (nezobrazeny) Vytvoření webových stránek projektu Součástí zadání bakalářské práce bylo vytvoření informační webu projektu, který byl umístěn na adresu Stránky obsahují základní informace o projektu. Byly zde postupně umísťovány informace a dokumenty o pokroku prací na projektu ve formě pracovního deníku, VRML soubory, rendery, dokumentace, uživatelská příručka (v českém a anglickém jazyce) a soubory projektu ke stažení. 28

28 Obrázek Webové stránky projektu 29

29 4. Testování Ve všech fázích projektu bylo důležité postupně kontrolovat stav. Během modelování nebylo třeba žádného speciálního testování, protože v 3D softwaru byly provedené úpravy a změny vidět ihned. Vývoj interaktivní části probíhal programováním v kódu v editoru VrmlPad. Tam kromě miniaturních náhledů nebyla možnost si prohlédnout výsledek. Proto bylo důkladné testování nevyhnutelné. To probíhalo průběžně ve dvou grafických prohlížečích, které jsou schopny zpracovávat soubory wrl (BS Contact, Cortona 3D). Prohlížeč Cortona 3D funguje na principu pluginu do internetového prohlížeče. Prohlížení modelů v něm je pomalejší, protože potřebuje pro svůj chod větší množství operační paměti a více zatěžuje celý počítač. Nevýhodou tohoto prohlížeče je také to, že má někdy problém se zpracováním nestandardně psaného kódu. BS Contact je lepší na prohlížení rozsáhlejších projektů. Není závislý na žádném jiném programu a nepotřebuje takový výpočetní výkon. Prohlížení je velmi rychlé a nabízí velké možnosti nastavení. Není však možné použít ho k prohlížení projektů umístěných přímo v internetových stránkách Konkurenční řešení Významnými hráči na poli interaktivních 3D modelů jsou z nalezených internetových stránek a z českých například Obě se orientují na tvorbu prezentačních 3D modelů pro koncové zákazníky. Modely jsou vytvořeny s fotografickou přesností 30

30 a umožňují realistické zobrazení. S objekty je možno individuálně otáčet, provádět průlety kamerou, animovat, manipulovat nebo přibližovat detaily. Některé dovolují uživateli i měnit vzhled modelu a barvu. Technologie je využitelná v jakémkoliv internetovém prohlížeči. Jediným požadavkem je mít počítač s nainstalovaným rozhraním Java, na kterém obě zmíněné firmy staví. Projekt řešený v této bakalářské práci staví na jazyce VRML, který taktéž vyžaduje pro své zobrazení mít nainstalován v internetovém prohlížeči speciální plugin. Z tohoto pohledu není mezi řešeními žádný rozdíl. Malou výhodou konkurenčního řešení je to, že Java je nainstalována na téměř každém počítači, kdežto prohlížeč Cortona je potřeba stáhnout a nainstalovat ze stránek výrobce. Kvalita modelů se zdá být lepší u technologie používané v profesionálních firmách, tedy té postavené na jazyce Java. Modely jsou přetvořeny většinou v softwaru Holomatix Blaze 3D Studio, které funguje v přímé spolupráci jak s Mayou, tak s 3D Studiem Max a podporuje i moderní technologie při rychlém renderingu, jako je Raytracing, MentalRay, globální iluminace a pokročilé shadery (materiály se speciálními vlastnostmi). Přidávání prvků interaktivity a možnosti, jako přímé vkládání tlačítek, jsou podle informací na internetových stránkách produktu velmi zjednodušeny rozhraním, které vzniklo právě pro vytváření webových 3D modelů. Firma Holomatix nabízí pouze velmi omezené demo svého produktu, který stojí téměř 900 Liber, proto nebylo možné naplno vyzkoušet možnosti tohoto zajímavého programu. 31

31 5. Závěr Z prozkoumaných zdrojů byl pochopen postup průchodu sil a způsob řazení rychlostních stupňů v automatické automobilové převodovce DSG. Protože informační prameny neobsahovaly potřebné technické specifikace, musely být rozměry, počty zubů a pozice dopočítány a měřeny podle jednoho referenčního kola. V programu Autodesk Maya 2010 byl vytvořen počítačový 3D model a nastaveny materiály. Ve stejném softwaru došlo za pomoci klíčových snímků, skriptů v jazyce MEL, které zaručily vazby mezi jednotlivými částmi a jejich rotaci, k vytvoření animací a exportu všech nastavených rychlostních stupňů do formátu VRML. Veškeré soubory wrl byly upraveny, byla přidána tlačítka pro ovládání modelu a rozšíření uživatelské interakce, která pak zahrnovala otáčení, posun kamery, přibližování, změnu zobrazení, animace a jejich přepínání, zobrazení/vypnutí popisků a informací. Model i všechny vysvětlující a doplňující informace v českém a anglickém jazyce byly umístěny na vytvořené webové stránky projektu na adrese Během práce byly porovnány různé varianty modelování detailů (polygonově, deformační texturou). Použité řešení a technologie interakce byly srovnány s tím, které nabízí profesionální tvůrci interaktivních 3D modelů, softwarem Holomatix Blaze 3D Studio postaveném na standardu Java. 32

32 Bakalářská práce nabízí další možnosti pro její budoucí využití a následné rozšíření: - Rozšíření modelu o další části převodovky (mechatronika, kryt, senzory). - Použití převodovky v kompletním modelu automobilu. - Vložení dalších interaktivních prvků. - Optimalizace VRML kódu a přidání animací přechodů mezi jednotlivými rychlostními stupni. Bakalářská práce může nyní posloužit amatérským automobilovým nadšencům k pochopení funkčnosti a podoby moderní DSG převodovky. Stejně tak může být využita například při výuce strojírenství. 33

33 Literatura [1 Automatická převodovka. Wikipedie. *Online [2 Automatická převodovka DSG. Wikipedie. *Online SG. [3 Biskup, Pavel Dvouspojková převodovka DSG/PDK/DKG. Automotorevue.cz. [Online [4 Direct-Shift Gearbox. Wikipedia, the free encyclopedia. [Online [5 DSG - Vysvětlení pojmů, technické informace, slovník pojmů, Audi Klub. AUDIKLUB.cz. [Online [6 Gold, Aaron. Twin Clutch / Direct Shift Gearbox (DSG). About.com Guide. [Online tm. [7 Harris, William. How Dual-clutch Transmissions Work. HowStuffWorks. [Online [8 Jak řadí převodovka DSG? KAPS automatické převodovky. *Online [9 Jetta DSG Transmission. holt.us. [Online 34

34 [10 Láník, Ondřej Převodovka DSG: podrobný popis. Auto.cz. *Online [11 Láník, Ondřej ZF Getriebe vyrobil deset milionů automatických převodovek. Auto.cz. *Online [12 Neff, John Dual Clutch vs. CVT. autoblog.com. [Online [13 Písek, Slavoj a Derakhshani, Dariush Maya - průvodce 3D grafikou. Praha : Grada, [14 Převodovka DSG. autolexicon.net. *Online [15 Rozdělení typů automatických převodovek. KAPS Automatické převodovky. *Online *Citace: [16 Sajdl, Jan. Převodovka DSG. Novinky.cz. *Online+ [17 Schmitt, Bertel Volkswagen s Great Chinisefication. The Truth About Cars. [Online [18 The Transmission Bible. Car Bibles. [Online [19 Vlk, František Převody motorových vozidel. Brno : BEN,

35 [20 Volkswagen Selbststudienprogramm 308. Das Direkt-Schalt- Getriebe 02E. [Online [21 Volkswagen Self-study programme 308. Direct Shift Gearbox 02E. [Online [22 Wenbourne, Alan Computer Controlled DSG Transmission. The South East London Meccano Club. [Online smission.aspx. [23 Žára, Jiří VRML 97 Laskavý průvodce virtuálními světy. Brno : Computer Press,

36 Přílohy A. Seznam použitých obrázků Obrázek Převodovka DSG. Obecný pohled s částečným řezem Obrázek Hnací hřídel 2. Čelní pohled a řez spojkou. (převzato z *20+).. 17 Obrázek Schematický nákres převodovky DSG. Zobrazuje průběhy sil. 19 Obrázek Spojka. Částečný řez Obrázek Synchronizace. Synchronní kroužek a třecí kužel na řadicím kole. (převzato z *20+) Obrázek Render vytvořeného modelu převodovky. Spojka s průhledostí Obrázek Webové stránky projektu

37 B. Seznam použitých zkratek 3D trojdimenzionální, trojrozměrný C4D Cinema 4D CAD Computer-aided design CTX Continuously Variable TransaXle DSG Direct Shift Gearbox ECTV Electromagnetic Continuously Variable Transmission GUI Graphical User Interface HUD Head-Up Display MEL Maya Embedded Language VRML Virtual Reality Modeling Language VW Volkswagen WRL přípona souborů jazyka VRML C. Použitý software - Autodesk Maya Maxon Cinema 4D - BSContact - Cortona 3D Viewer - VrmlPad

38 D. Ukázka MEL skriptů z Autodesk Maya Skript, který určuje rotaci řadicího kola pro rychlostní stupeň 1 podle rotace hnacího kola pro tento stupeň: _1.rotateX=pro_1R.rotateX*( )+1; z_hnaci_1.rotatex=pro_1r.rotatex*( )-3.75; Skript určující rychlost a směr rotace diferenciálu podle aktuálně zařazeného rychlostního stupně: if (radici_objimka_13.translatex < 0.65 radici_objimka_13.translatex > 0.72 radici_objimka_24.translatex < 1.87 radici_objimka_24.translatex > 1.96 ) { if (radici_objimka_13.translatex < 0.65) osa_1234.rotatex=_1.rotatex; else if (radici_objimka_24.translatex > 1.96) osa_1234.rotatex=_2.rotatex; else if (radici_objimka_13.translatex > 0.72) osa_1234.rotatex=_3.rotatex; else if (radici_objimka_24.translatex < 1.87) osa_1234.rotatex=_4.rotatex; diferencial diferencial.rotatex=osa_1234.rotatex*(-0.3); osa_r56.rotatex= diferencial diferencial.rotatex*( ); else if (radici_objimka_5.translatex < 0.9 radici_objimka_6r.translatex < 1.9 radici_objimka_6r.translatex > 2 ) { if (radici_objimka_5.translatex < 0.9) osa_r56.rotatex=_5.rotatex; else if (radici_objimka_6r.translatex < 1.9) osa_r56.rotatex=_6.rotatex; else if (radici_objimka_6r.translatex > 2) osa_r56.rotatex=_r.rotatex; diferencial diferencial.rotatex=osa_r56.rotatex*(-0.35); osa_1234.rotatex= diferencial diferencial.rotatex*( ); 39

39 E. Ukázka VRML kódu prevodovka.wrl #VRML V2.0 utf8 CosmoWorlds V1.0 WorldInfo { title "automaticka prevodovka" autor "Jaroslav Prochazka, prochj23" NavigationInfo { type [ "EXAMINE" "ANY" headlight TRUE speed DEF persp Viewpoint { position orientation fieldofview description "persp" # # # HUD # # # EXTERNPROTO Button[ eventout SFTime touchtime exposedfield SFVec3f translation exposedfield MFString url exposedfield SFFloat transparency field SFVec3f size "button.wrl#button" EXTERNPROTO GearNr [ exposedfield SFVec3f translation exposedfield SFVec3f scale exposedfield SFRotation rotation eventin SFTime increment eventin SFTime decrement eventout MFString getgear eventout SFInt32 getgear1 "gear_nr.wrl#gearnr" 40

40 EXTERNPROTO pruhlednost [ eventin SFTime nula eventin SFTime pulka eventin SFTime jedna eventout SFInt32 pruhlednost "pruhlednost.wrl#pruhlednost" DEF pruhlednost pruhlednost { DEF PROXY ProximitySensor {size Collision { collide FALSE children DEF HUD Transform { children [ DEF popisbutton Button { size translation url ["popisky.jpg" DEF plusbutton Button { translation url ["plus.jpg" DEF minusbutton Button { translation url ["minus.jpg" DEF GearNum GearNr { translation rotation DEF nulabutton Button { translation url ["nula.jpg" DEF pulbutton Button { translation url ["pulka.jpg" DEF jednabutton Button { translation url ["jedna.jpg" Transform { translation children [ DEF pruhltext Shape { geometry Text { string "Průhlednost spojky" fontstyle FontStyle { size.04 family "SANS" 41

41 appearance Appearance { material Material { diffusecolor ROUTE PROXY.orientation_changed TO HUD.rotation ROUTE PROXY.position_changed TO HUD.translation ROUTE PROXY.position_changed TO PROXY.center ROUTE minusbutton.touchtime TO GearNum.decrement ROUTE plusbutton.touchtime TO GearNum.increment # # # prepinani rychlostnich stupnu # # # EXTERNPROTO jednicka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "jednicka.wrl#jednicka" EXTERNPROTO dvojka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "dvojka.wrl#dvojka" EXTERNPROTO trojka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "trojka.wrl#trojka" EXTERNPROTO ctyrka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "ctyrka.wrl#ctyrka" EXTERNPROTO petka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "petka.wrl#petka" 42

42 EXTERNPROTO sestka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "sestka.wrl#sestka" EXTERNPROTO zpatecka [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "zpatecka.wrl#zpatecka" EXTERNPROTO neutral [ exposedfield SFFloat transparencyspojka "neutral.wrl#neutral" DEF prevo Transform { center children [ Group { children [ DEF switchtrans Switch { whichchoice 0 choice [ DEF switchgear Switch { whichchoice 0 choice [ DEF neutral neutral { transparencyspojka 0 DEF jednicka jednicka { transparencyspojka 0 DEF dvojka dvojka { transparencyspojka 0 DEF trojka trojka {transparencyspojka 0 DEF ctyrka ctyrka {transparencyspojka 0 DEF petka petka {transparencyspojka 0 DEF sestka sestka {transparencyspojka 0 DEF zpatecka zpatecka {transparencyspojka 0 switchgear.whichchoice { transparencyspojka.7 jednicka { transparencyspojka.7 ROUTE GearNum.getGear1 TO DEF switchgear1 Switch { whichchoice 0 choice [ DEF neutral1 neutral DEF jednicka1 43

43 transparencyspojka.7 {transparencyspojka.7 {transparencyspojka.7 {transparencyspojka.7 {transparencyspojka.7 zpatecka {transparencyspojka.7 switchgear1.whichchoice { transparencyspojka 1 jednicka { transparencyspojka 1 transparencyspojka 1 {transparencyspojka 1 {transparencyspojka 1 {transparencyspojka 1 {transparencyspojka 1 zpatecka {transparencyspojka 1 switchgear2.whichchoice DEF dvojka1 dvojka { DEF DEF DEF DEF DEF trojka1 trojka ctyrka1 ctyrka petka1 petka sestka1 sestka zpatecka1 ROUTE GearNum.getGear1 TO DEF switchgear2 Switch { whichchoice 0 choice [ DEF neutral2 neutral DEF jednicka2 DEF dvojka2 dvojka { DEF DEF DEF DEF DEF trojka2 trojka ctyrka2 ctyrka petka2 petka sestka2 sestka zpatecka2 ROUTE GearNum.getGear1 TO 44

44 # # # popisky # # # EXTERNPROTO popisek [ exposedfield SFVec3f translation exposedfield SFVec3f scale exposedfield MFString popisek eventin SFTime show eventout SFInt32 stateout "popisky.wrl#popisek" DEF popisky Transform { children [ DEF difpop Transform { translation children [ DEF dif popisek { popisek "Diferenciál (výstup)" DEF spojkapop Transform { translation children [ DEF spojka popisek { popisek "Spojka (vstup)" 5,6,R" DEF hnaci1pop Transform { translation children [ DEF hnaci1 popisek { popisek "Hnací hřídel 1" DEF hnaci2pop Transform { translation children [ DEF hnaci2 popisek { popisek "Hnací hřídel 2" DEF hnana2pop Transform { translation children [ DEF hnana2 popisek { popisek "Hnaná hřídel pro 45

45 1,2,3,4" chod" DEF hnana1pop Transform { translation children [ DEF hnana1 popisek { popisek "Hnaná hřídel pro DEF zpetnapop Transform { translation children [ DEF zpetna popisek { popisek "Hřídel pro zpětný DEF synchropop Transform { translation children [ DEF synchro popisek { popisek "Synchronizace" ROUTE PROXY.center TO prevo.center ROUTE prevo.center TO popisky.center ROUTE prevo.rotation TO popisky.rotation ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime ROUTE popisbutton.touchtime TO dif.show TO spojka.show TO hnaci1.show TO hnaci2.show TO hnana1.show TO hnana2.show TO zpetna.show TO synchro.show ROUTE nulabutton.touchtime TO pruhlednost.nula ROUTE pruhlednost.pruhlednost TO switchtrans.whichchoice ROUTE pulbutton.touchtime TO pruhlednost.pulka ROUTE pruhlednost.pruhlednost TO switchtrans.whichchoice ROUTE jednabutton.touchtime TO pruhlednost.jedna ROUTE pruhlednost.pruhlednost TO switchtrans.whichchoice 46