Bachelor's Thesis

The influence of FIA regulations on rally engine development

Final Thesis 3.09 MB

Author of thesis: Bc. Michal Paprstka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Kateřina Fridrichová, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lubomír Drápal, Ph.D.

Abstract:

This thesis analyzes the influence of the Fédération Internationale de l'Automobile (FIA)
technical regulations on the historical and current development of powertrains in rally
competitions. The theoretical part maps the evolution of engineering approaches from the
Group 4 era to the current hybrid systems of the Rally1 category and defines the engine design
parameters for the Rally2 class. The practical part focuses on the analytical design and
dynamic simulation of a modified flat-plane racing crankshaft. Through 3D CAD modeling,
modal reduction in ANSYS software, and dynamic simulations in the Virtual Dynamics
environment, an exact comparison of the racing concept with the serial arrangement was
performed. The performed harmonic analysis in Matlab software demonstrated that although
the more robust racing crankshaft generates higher hydrodynamic friction losses in the main
bearings, it demonstrably reduces the amplitudes of angular deviations. This modification
leads to an increase in the overall torsional stability of the mechanism and favorably
influences the damping of resonance states in higher harmonic orders.

Keywords:

FIA, rally, internal combustion engine, crank mechanism, crankshaft, dynamic simulation,
harmonic analysis, torsional vibration, homologation

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaDznamka

Grading

D

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta. Dále odpovídal na otázky členů komise: Jaký je rozdíl mezi polárním momentem setrvačnost a momentem setrvačnosti kolem osy? Částečně zodpovězeno. Který moment by měl být uvažován u ovladatelnosti vozidla? Zodpovězeno V jakých situacích bude tento moment mít zásadní vliv? Částečně zodpovězeno Jaké jsou jízdní odpory? Částečně zodpovězeno Na čem je závislý odpor valení? Zodpovězeno Na čem závisí aerodynamický odpor? Částečně zodpovězeno Používají se hybridní pohony v rallye? Částečně zodpovězeno Jaká je motivace použití navrhnuté klikové hřídele? Částečně zodpovězeno Kde je kritické místo namáhání klikové hřídele? Zodpovězeno Co je potřeba pro vyhodnocení únavy klikového hřídele? Částečně zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Porteš, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc. (místopředseda)
Ing. Jan Vančura, Ph.D. (člen)
Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Hejtmánek, Ph.D. (člen)

Předložená bakalářská práce se zabývá problematikou vlivu regulací FIA na vývoj motorů pro rally s praktickou částí, jejímž cílem bylo navrhnout úpravy klíčové komponenty klikového mechanismu pro závodní účely a provést simulace dynamiky motoru.

Práce je vhodně strukturována a logicky členěna. V textu se vyskytují drobné překlepy, ale zejména velká řada typografických a formátovacích chyb, jako např. zápis jednotek na dalším řádku, předložky na koncích řádků, nadbytečné či naopak chybějící mezery a nesprávné označení rovnic a obrázků.

Co se týče práce s literaturou, tak autor čerpal z řady odborných knih, článků i technických nařízení. V textu se však vyskytují i celé odstavce obsahující informace bez jediného zdroje. Práce je napsána přehledně a srozumitelně, avšak autor používá v práci řadu anglicismů, jako např. fixace či volumetrická účinnost. V textu se vyskytují také pojmy, které nejsou použity správně. Jedná se např. o atmosférický objem či explozivní síly. Některé z obrázků použitých v práci, zejména homologační listy, jsou příliš malé.

Autor velmi vhodně zpracoval rešeršní část zabývající se historickým vývojem vozidel určených pro rally a popsal jednotlivé konstrukční úpravy, jež měly zásadní vliv na daná období. V návaznosti na tuto rešerši provedl autor také shrnutí parametrů dílů klikového mechanismu vhodných pro závodní použití. Tato část, jež je obsahem druhé kapitoly, má velmi omezený rozsah a bylo by vhodné v ní uvést větší množství konkrétních příkladů, které by následně mohly sloužit jako inspirace pro konstrukční část práce. V rámci konstrukční části student navrhoval CAD model klikového hřídele. Samotný proces návrhu je popsán v kapitole 3. I tuto kapitolu by bylo vhodné výrazně rozšířit, aby bylo z textu zřejmé, proč autor zvolil jednotlivé přístupy a u jakých používaných konstrukčních řešení se inspiroval.

Výsledky simulací jsou v práci vhodně prezentovány, avšak např. u popisu relativní excentricity neodpovídá text danému grafickému zobrazení. Na straně 49 autor píše, že se první dvě hlavní ložiska vyskytují v oblasti pod 0,6, a o pár vět níže zase, že páté hlavní ložisko dosahuje hodnoty relativní excentricity 0,97. Některé závěry autora práce týkající se porovnání klikových hřídelů není možné ze získaných výsledků takto jednoduše vyvodit.

Tato práce se zaměřuje zejména na konstrukční návrh klikového hřídele a z důvodu rozsahu bakalářské práce nebylo možné upravovat také parametry dalších dílů klikového mechanismu. V závěru autor však navrhuje parametry vhodné pro závodní motor specifikace Rally2.

I když student začal práci zpracovávat včas, tak se jí věnoval spíše nárazově. Navzdory výše zmíněným skutečnostem však student splnil všechny zadané cíle. Tuto práci tedy doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations C
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Lubomír Drápal, Ph.D.

Bakalářská práce tohoto charakteru by svým zaměřením mohla být zajímavá pro čtenáře hledajícího informace o vývoji motorů pro automobilové soutěže. Předložený dokument je však zatížen tak vysokým počtem nedostatků, že jej nelze doporučit jako zdroj informací pro rychlou orientaci v oblasti vývoje klikového mechanismu těchto motorů, neřkuli pro inspiraci k návrhu klikového hřídele.

Rešeršní část chronologicky popisuje vývoj předpisů a odpovídající změny konstrukce motorů soutěžních vozů, k čemuž lze informace čerpat z mnoha zdrojů a což je v době snadné dostupnosti nástrojů umělé inteligence ještě o to snazší. Rozsáhlé oblasti rešeršní části s konkrétními fakty však nemají uveden vůbec žádný zdroj. Otázkou tedy je, zda bylo využití umělé inteligence opravdu omezeno pouze na přiznanou jazykovou korekturu a přeformulování vlastního textu, nebo zda výrazně pomáhala s tvorbou celé rešerše.

Rozporuplná je konstrukce vlastního klikového hřídele vysokovýkonného závodního motoru se zjevnými chybami v modelování, viz obr. 20, nebo třeba subtilnější přírubou pro setrvačník než u sériového provedení motoru. Na str. 39 se hovoří o „minimalizaci vnitřních ohybových momentů“, avšak již na str. 43 se píše o vyvážení vnitřních setrvačných sil rotujících částí jednotlivých zalomení na pouhých zhruba 50 %.

U vlastního návrhu klikového mechanismu vůbec nejsou zmíněny jakékoli, byť nejzákladnější, rozměry. V kapitole 3.1 se pouze zmiňuje „vysokovýkonný řadový čtyřválec“ a otáčky „vysoko přes 6000 1/min“, ačkoli následné simulace končí již v otáčkách 6500 1/min. V popisu návrhu klikového hřídele se několikrát porovnává moment setrvačnosti a hmotnost navrženého závodního a sériového klikového hřídele, aniž by bylo uvedeno jediné číslo, byť třeba relativní. Totéž platí i pro několikrát zmiňované vnitřní momenty. Co se týče dynamického vyvážení klikového hřídele, viz str. 43, tak autor zřejmě nikdy neslyšel o provozním vyvážení na vyvažovačce a tolerancích ve strojírenství.

Svůj konstrukční návrh klikového mechanismu autor srovnává s údajně sériovým provedením pomocí velmi pokročilých metod Multi-Body simulací s pružnými tělesy, avšak popis výpočtového modelu je v kontrastu se zdánlivě odborně poučeným komentářem jeho výsledků nedostatečný. Nabízí se tedy otázka, do jaké míry autor dané problematice sám rozumí a jaký byl přínos někoho jiného.

Komentáře k výsledkům dynamických simulací jsou v rozporu s presentovanými daty v podobě obrázku, viz kap. 3.8.1, a přesto se autor nezdráhá zdánlivě fundovaně vysvětlovat příčiny. Poučený čtenář dokumentu si taktéž musí klást otázku, jak je možné, že nadměrné silové namáhání jednoho hlavního ložiska je „vyvážené exaktně prokázanou torzní stabilitou“, viz str. 50. Přinejmenším rozporuplné je také tvrzení, že „vyšší hmotnost a specifické tvarování protizávaží klikového hřídele radikálně zvyšuje torzní tuhost celé soustavy“ na str. 52. Také pouze na základě harmonické analysy torsního kmitání řemenice klikového hřídele autor např. na str. 54 tvrdí, že „konstrukce zaručuje provoz bez rizika únavového lomu“.

Nedbalost ve zpracování dokumentu dokládají i opakovaně se objevující tytéž informace, např. v kap. 1.2.2, avšak i jinde, např. v praktické části práce jsou výsledky z kap. 3.1.1 zopakovány v kapitole 3.2.

Po formální stránce je dokument chybně strukturován s mnoha prázdnými místy na koncích stránek, po nichž na další straně nenásleduje kapitola první úrovně. Nejkřiklavěji je to vidět na straně 17, kde jsou chybně vynechány bezmála tři čtvrtiny strany. Před nadpisy nižších úrovní není vynechán prázdný řádek, viz podkapitoly 1.5. Rovnice bez uvedení zdrojů jsou nesprávně zapsány, nesprávně začleněny do vět, v prvním výskytu není uveden význam jejich členů a objevuje se různý typ písma pro zápis téhož typu členu rovnice. Úvod by neměl do značné míry nahrazovat abstrakt.

Po jazykové stránce dokument vůbec neodpovídá vysokoškolské závěrečné práci. Prakticky celý dokument s rešerší i vlastní konstrukčně-výpočtovou částí nadužívá nepřípustné citové zabarvení a expresivní výrazy typu „nekompromisní“, „radikální“, „drastický“, „striktně“ apod. Text obsahuje také nesmyslné formulace, patrně související se špatným překladem z původního neuvedeného zdroje, viz např. první odstavec kapitoly 1.2 s „masovou silniční distribucí“. Neopodstatněné je rovněž v celém dokumentu patrné nadužívání cizích slov, namátkou např. „parciální modifikace agregátů“ (str. 18) nebo „implikuje extenzivní modifikace“ na str. 33.

Z terminologického hlediska by se v dokumentu z technické vysoké školy neměly objevovat pojmy typu „atmosférické motory“ pro motory s přirozeným sáním, „ot/min“, „odezva na plyn“, „klika“ ve smyslu klikového hřídele, jakási „torzní stabilita“ a mnohokrát opakovaná „strukturální integrita“. Zkratka organisace FIA psána malými písmeny, viz kap. „Historie fia a rally“, je v kontextu provedení dokumentu pouhým detailem.

Pro čtenáře, jenž se chce zběžně seznámit s metodikou návrhu dílů motoru moderního soutěžního vozu, může být dokument až nebezpečný, neboť jeho autor předkládá zcela suverénně nekompetentní informace s absencí kritického myšlení.

Bakalářskou práci doporučuji k obhajobě pouze s velkými výhradami.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment E
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality E
Ability to interpret achieved results and draw conclusions F
Applicability of results in practice or theory E
Logical arrangement of thesis and its layout E
Grafic layout, used style and language level E
Work with used sources including quotations F
Topics for thesis defence:
  1. Vysvětlete a definujte pojem „polární moment setrvačnosti vozu“ použitý na str. 30.
  2. Co přesně osobně prováděl autor práce z hlediska tvorby a ladění výpočtového modelu dynamiky klikového mechanismu, přípravy modálně redukovaných těles a tvorby skriptů pro zpracování výsledků dynamických simulací?
  3. Jakými výpočtovými nebo experimentálními nástroji bylo dosaženo na str. 40 uváděné „aerodynamické optimalizace“ protizávaží vlastního návrhu, když „radikálně snižuje parazitní hydrodynamický odpor a čerpací ztráty“?
  4. Jakým způsobem byl ve výpočtovém modelu dynamiky uvažován na str. 49 uváděný vliv „PVD/DLC povlaků a aplikace špičkových závodních maziv s vysokou HTHS viskozitou“?

Grade proposed by reviewer: E

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová