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摩托车人体振动测量

摩托车人体振动测量


Application Note

By Vid Selič, NVH Product Manager, Dewesoft



风吹在脸上,噪音,速度和力量——自由的感觉。Dewesoft 已经买了一个公司犬牙摩托车-只是有一些乐趣。然而,在长时间的骑行之后,一些人报告说他们的手指有轻微的麻木感。

由于我们在人体振动领域有经验,我们着手调查我们的自行车产生的振动水平和体积。我们不希望我们队友的健康受到影响。

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由于其不平衡的性质,摩托车创造了巨大的人体振动。由于发动机和道路状况产生的振动,骑车者可能面临风险。振动能量波传递到骑手的身体,通过身体组织、器官和系统传递,在它被抑制和消散之前产生各种效应。

振动通过座椅的底座和后部传递到臀部,并沿垂直轴向后传递,而踏板和操纵手柄则向骑手的脚、手和手臂传递附加振动。振动水平取决于更多的因素: 摩托车的类型和年龄,发动机大小,驾驶员体重,座位类型,悬挂类型和路面因素等。


基本的振动概念

 

振动引起损伤的风险取决于平均每日接触。风险评估包括振动的强度和频率、暴露时间和对接收振动能量的身体部位的注意力。


大小


振动的大小可以用加速度、速度或位移来表示。当人体对这三个因素中的任何一个做出反应时,这三个因素都是有意义的,这取决于运动的频率。

频域中的加速度、位移和速度用 Hz 表示。在许多国际公认的与人体振动测量有关的标准中,加速度是公认的表示量值的量值。振动幅值的 RMS 值适用于表示振动是连续的或间歇的过程,而不是类似冲击的过程,例如骑摩托车。


频率

 

一个振动的物体在其正常的静止位置上来回移动。当物体从一个极端的位置移动到另一个极端的位置,然后又移回来时,就发生了一个完整的振动周期。

一个振动物体在一秒钟内完成的周期数称为频率。表示频率的单位是赫兹。一赫兹等于每秒一周期。


振幅


振动的强度取决于振幅。一个振动的物体在其静止位置的两边移动到一定的最大距离。振幅是从静止位置到两侧极端位置的距离,单位是米(米)。


加速

 

加速度是衡量速度随时间变化的速度。在每个振动周期中,振动物体的速度从零到最大。当它通过自然静止的位置到达一个极端的位置时,它移动得最快。

振动物体在接近极端时减速,在那里它停下来,然后通过静止的位置朝另一个极端移动。振动速度以米/秒(m/s)或米每二次方秒/秒(m/s 2)表示。


人体振动

 

人体振动测试是评估使用不同种类机械设备(如电动工具、建筑设备、车辆和其他交通工具)的使用者所受振动量的一种标准方法。我们的客户经常使用此解决方案来验证标准操作环境对最终用户的适用性。根据曝光类型的不同,不同的标准涵盖不同类型的振动,如手臂或整个身体。

 

HBV的定义是机械振动对人体的影响。其影响可能是作用于身体的整体、全身振动(WBV) ,也可能是作用于身体的各个部位,其中手和手臂——手臂振动(HAV)是最重要和最频繁的影响因素。在许多情况下,整个身体的振动来自车辆,陆基或其他,来自建筑物的振动地板,或来自大型机器,其中操作员坐在机器上。


全身震动

 

全身振动(WBV)主要通过座椅或地板传递给身体使用的越野车辆,如翻斗车,挖掘机,和农业拖拉机。然而,它也会影响一些铺设路面的车辆的司机,如电梯卡车或摩托车。

它主要与下背痛有关,是下背部疾病的最大危险因素之一。当工人坐在或站在振动的座椅或脚踏板上时,就会发生这种情况。长时间暴露在高水平的 WBV 中会导致晕车、疲劳和头痛。


手臂振动

 

当振动不影响整个身体,而只是一个器官,部分,或“部分”的身体,它被称为节段振动。最常见的节段性振动暴露是手臂振动暴露影响手和手臂。

手臂振动(HAV)是由手操作的电动工具,如破路机或手提钻,或在这种情况下,一个斩波车把,传递到使用者的手和手臂的振动。

HAV可影响神经、血管、肌肉和手臂的关节,引致手指刺痛和麻木,令人感到疼痛和丧失能力,减低握力和触觉,并影响血液循环-振动诱发的白手指(VWF)。如果及早发现,这种疾病是可以治愈的。如果没有,它可能导致永久残疾的使用手。


振动频率及其对人体的影响


振动频率

影响的类型

1 Hz 以下

运动病

3.5 to 6 Hz

警报效应

4 to 10 Hz

胸腹痛

大约 5 Hz

降低手动操作

7 to 20 Hz

沟通问题

8 to 10 Hz

背痛

10 to 20 Hz

肠和膀胱疼痛

10 to 30 Hz

降低手动和视觉控制

10 to 90 Hz

降低视觉效果

表一。振动频率对人体的影响,根据Brammer A.J.和Pitts P.M. (1) and Bridger, R.S. (2).


发出及申请

 

回到我们的摩托车和我们同事的安全。我们希望获得和分享一个更好的洞察力测量振动产生的自行车在正常的骑行-和对骑手的影响。

对人体过度接触振动的影响,特别是在工作环境中的影响进行了研究。人体振动试验是评估电动工具、建筑设备、车辆或其他交通工具等各种机械设备使用者所受振动暴露的标准方法。

 

规例

 

在一系列行业的雇主需要准确地评估振动暴露水平,并检查他们对规章所描述的限制。

在欧盟,振动指令(指令2002/44/EC)规定了控制来自工作相关的手臂和全身振动的风险的最低要求。该指令规定了振动剂量值(VDV)——行动值,超过这个值就要求雇主控制振动风险和限制值,超过这个值的人就不会受到辐射。

 

曝光极限值和动作值


对于手臂振动,这些值是:

 

  ■ 每日摄取量为2.5米/秒

  ■ 每日摄取量上限值为5米/秒

 

对于整个身体的振动,这些值是:

 

  ■ 每日的曝光作用值为0.5米/秒

  ■ 每日摄取量上限值为1.15米/秒


标准

 

国际标准已经建立,以确定测量和评估人类接触振动的最佳做法,包括测量仪器。不同的标准涵盖不同类型的振动取决于类型的曝光,如手臂振动和整个身体的振动。

ISO 5349是公认的标准,用于测量人体接触到的手传播振动,而 ISO 2631-1和 ISO 2631-5则涵盖整个身体的振动。ISO 8041是用于测量振动的设备应该达到的标准。



Dewesoft 人体和全身振动解决方案支持全身和手臂振动的测量和计算,根据所有相关的国际标准,如:

  ■ ISO 5349 5349,

  ■ ISO 8041 8041,

  ■ ISO 2631-1 Iso2631-1, and

  ■ ISO 2631-5 Iso2631-5.


这个标准包括仪器以及一般和具体的方法来衡量和评估振动的影响,如多次冲击或血管疾病的风险。我们的解决方案通常被客户用来验证标准操作环境对于最终用户在工作相关情况下的适合性。

虽然法规和标准都是关于工作场所的机器和车辆的,但是在评估乘坐定制的直升机时的振动影响时,仪器、方法和风险值是同等重要的。

 

测量设置

 

由于摩托车的冲击和振动的强度不同——小的、大的冲击以及振动——我们使用了 SIRIUS-6xACC-2xSTG 数据采集系统和 DualCoreADC 技术

该设备覆盖160分贝的动态范围,确保没有数据被剪切或遗漏。手臂测量和全身测量都是用三轴加速度计进行的——通常使用50g(g:重力加速度)是传感器和特殊适配器。

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图1. SIRIUS DAQ 与电池组一起安装在驱动器后面的自行车上。


数据采集系统



  ■ 8通道 SIRIUS 6xACC 2xSTG 数据采集系统(数据记录器)

  ■ B & k 座垫和三轴加速度计

  ■ Dytran 三轴加速度计

  ■ DS-IMU1 GNSS/IMU 设备

  ■ 全球导航卫星系统天线

  ■ 电池组(DS-BP2i)

  ■ USB摄像头

  ■ 带有 Dewesoft X 软件的笔记本电脑,包括人体振动模块


设备安装

 

  ■ 驾驶员座位上的座垫传感器,用于全身振动

  ■ 方向盘/车把三轴加速度传感器用于手臂振动

  ■ 惯性测量装置的滚动,沥青,下巴,速度,GPS 的位置,和天狼星数据记录器与电池组安装后的驱动程序

  ■ 这台笔记本电脑被安装在驾驶员的背包里,以便在 Dewesoft X 中获取数据

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图2。三轴加速度计安装在车把上,用于手臂振动。

 

我们使用摩托车 RPM 传感器(24-2齿轮齿)和变速箱直接采用现有的摩托车配线,并应用一个公式来计算皮带比和轮胎直径,从而捕捉到转速。

我们还连接了 DS-IMU1设备,以便能够捕捉到摩托车的 GPS 定位,并获得一个滚动-俯仰-偏航-这样我们就能够轻松地将不同的驾驶条件-转速,侧向加速度等-与振动联系起来。

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图3. DS-IMU1

 

我们将加速度计连接到 SIRIUS DAQ 切片上。GPS 天线连接到 IMU 设备,以确保一个强大的 GPS 信号。USB 摄像头连接到 SIRIUS 来记录测量的视觉方面——以控制由于路上的颠簸和坑洞而产生的冲击峰值。SIRIUS 被连接到电池组供电。

在一个陪同车辆,我们也设置了一个远程桌面计算机,使监测测量过程中的所有设置功能作为一个先进的人体振动仪。

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图4。摩托车手臂和全身振动的测量。

 

测量

 

我们的测量设定为1小时。测试是在开放的公路上进行的,我们在城市道路上行驶——时速50公里,交通信号灯——和高速公路上行驶——不间断行驶,时速90-100公里。总的来说,道路的质量很好,只有一些路段路面上有颠簸或较小的坑洞。

 

手臂振动测量

 

使用 Dewesoft HBV软件和测量设置,我们能够计算手臂振动根据 ISO 5349。我们根据标准定义的曝光指南评估了结果。

一个人出现手-手臂振动综合症症状的可能性取决于个人的易感性,任何预先存在的疾病和条件,以及与任务相关的、环境和个人因素,如年龄、振动方向、耦合力、姿势等等。

根据 ISO 5349,每日的振动水平可以计算为8小时的振动参考周期 a (8) ,即8小时的能量等效频率加权加速度(m/s 2)。

研究表明,在与手接触的表面 a (8)值小于2 m/s2的人群中,手-手臂振动综合症的症状很少见,而 a (8)值小于1 m/s2的人群则没有报告。

在我们进行曝光计算和评估他们对规定的限制,我们想观察测量振动的频率含量的峰值和频率。

通过对手臂数据的分析,我们测量了振动在63Hz 时在 x 和 y 方向上的突出峰值,在10hz 时加上一些较小的振动,在125hz 时在 z 方向上的峰值振动。由此可见,大多数振动发生在较低的频率范围内。

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图5振动数据转换成频域并显示在倍频程内。

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图6手臂曝光值的计算。

 

我们使用 DewesoftX 中的数学函数构成公式,从测量的数据中计算出曝光级别 a (8)——这可以告诉我们驾驶员连续驾驶8小时时所经历的振动级别。

如果我们将手臂暴露值 = 0,813 m/s2的结果与手-手臂振动综合症出现症状的可能性进行比较,我们可以得出结论,连续骑摩托车8小时不会对骑手构成风险。

此外,在大部分国家,每个工作天的准许振动暴露水平,即暴露限值(ELV) ,是把手臂振动设定为5米/秒2a (8) ,远高于我们在测试车程中所测量的暴露水平。由此,我们可以得出结论,骑自行车喜欢我们的职业目的和整个工作日的时间不会超过允许 ELV。

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图7。在 HBV 模块的软件通道设置中选择 ISO 18570时自动计算 Ap (8)——结果在测量模式下很容易获得。

 

ISO 18570标准规定了暴露水平和暴露在振动下的手-手臂振动综合症症状的发生指南。这里,每日暴露阈值用 Ep,d 表示,与 Ap (8)的关系用下面的公式表示:

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其中 T0是8小时(28800秒)的参考时间。

 

研究和分析的 Brammer 和 Pitts [1]也允许估计最少的每日振动暴露,Ep,d,在这可能会发生的 VWF 症状。VWF 发病和持续发展的临界值为 Ep,d,1150 m/s1,5ー1750 m/s1,5。

为了根据 Brammer 和 Pitts 的理论计算每日曝光量,我们使用 Math 从 Ap (8)数据中计算 Ep,d 作为输出。

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图8. 在 Dewesoft HBV 模块中,从 Ap (8)数据作为输出计算 Ep,d。

 

从所获得的结果,我们可以得出结论,即使当骑自行车8小时,每天暴露是远远低于建议的暴露阈值-骑我们的直升机并不代表任何显着的风险发展症状的手-手臂振动综合症综合征。


全身测量


对于全身测量的光谱数据,我们测量了所有三个方向的振动峰 x,y,z 在63Hz,在 x 和 z 方向的次要振动在10Hz。

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图9。全身振动测量结果在所有三个方向 x,y,z 直到1000赫兹。

 

我们想根据 ISO 2631-1评估乘坐过程中的舒适度。该标准规定,对于某些环境,可以使用代表性周期的频率加权 RMS 加速值来评估人体舒适度。然后,它必须加权的 Wk-频率加权的 z 方向,垂直的横卧方向。

Dewesoft 人体振动模块实施权重根据 ISO 2631-1的计算,当选择整个身体的方法。在 ISO 2631-1中,定义为 aw 的整体振动值是通过选择 RMS 作为输出以及向量和输出选项来计算的。

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图10。Dewesoft 人体振动模块-选择整个身体的方法权重根据 ISO 2631-1是执行的计算。

 

ISO 2631附件 a 振动对舒适和感知影响的指南。这表明时均频率加权单轴振动加速度(aw)小于0.315 m/s2的 WBV 是舒适的,而0.315 m/s2到2.5 m/s2之间的水平被发现是不舒适的,大于2.5 m/s2的水平是极不舒适的。


整体振动值对整体振动的反应

每秒少于0.315 m/s

没什么不舒服的

0.315 to 0.63 m/s

有点不舒服

0.5 to 1 m/s

相当不舒服

0.8 to 1.6 m/s

不舒服

1.25 to 2.5 m/s

非常不舒服

每秒大于2 m/s

非常不舒服

表2: iso2631震动对舒适性和感知极限的影响指南。

 

对于全身振动,使用频率加权的均方根加速度,我们测量了一个0,47米/s2的 aw 值-刚好高于规定的舒适度水平。总而言之,骑自行车有点不舒服,接近相当不舒服。然而,一个定制的直升机,仍然不是那么坏!

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图11。用频率加权的均方根加速度计算全身振动的结果。

 

为了评估全身振动的潜在健康风险,ISO 2631-1建立了健康指导警戒区。

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图12根据 ISO 2631-1的健康指导警示区。

 

对于区域以下的暴露,健康影响没有被记录或客观观察。在区域内,警告潜在的健康风险是指示和区域以上的健康风险是可能的。这一建议主要是基于4至8小时范围内的照射。


Gb/t14551-1993振动曝光 ISO 标准
及其对驾驶员健康的影响

以小时为单位的曝光时间

ISO 2631-平均均方根加速度限值,单位为 m/s

可能的健康风险

警戒区

4

0.63

1.20

8

0.82

0.48

表3. ISO 2631-1规定的4小时和8小时接触限值。

 

从测量 aw8值0,47米/s2是低于警戒区的形式,我们可以得出结论,通过骑自行车8小时,任何健康影响不太可能发生。

除了检查舒适度、感知力和 ISO 2631健康指南中振动暴露警戒区的测量结果外,我们在评估数据时还考虑了另一个特定的限值: ELV。暴露极限值(ELV)是指每天8小时的工作时间内允许的震动暴露水平。在大多数国家,对于整体振动,ELV 定义为1.15 m/s2a (8)。

正如在我们的测量期间,我们只获得略多于一个小时的数据,计算出来的整体振动值必须修正,以涵盖8小时。为此,我们使用 Dewesoft Math 定义了一个计算 aw8的简单公式。

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图13。一个简单的公式是定义在 Dewesoft 数学为计算 aw8。

 

我们的结果是最大值为0,639 m/s2——远低于极限值。这意味着我们购买的自行车可以在正常工作日使用,没有超过 ELV 的关注。

所以,对于驾驶乐趣和挑选比萨饼,DEWEsoft定制的直升机将是一个安全的选择。

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图14。 Dewesoft 团队在评估自行车骑行测量数据。

 

总结


我们的自行车骑行振动测量表明,骑自行车是安全的,但你仍然需要谨慎,不要过度。骑行风格极大地影响振动暴露-在我们的测试期间,我们一直遵守道路规则,骑自行车在大多数平坦的道路上。

当我们根据 ISO 5349评估手臂振动暴露时,所得到的8小时平均振动剂量值低于水平限值。相对于曝光极限值(ELV)的测量值 a (8)也是可以的。

所得到的每日曝光量 Ep,d 远低于 ISO 18570为手-手臂振动综合症综合症的发病和发展设定的每日曝光阈值。连续驾驶摩托车8小时不会对驾驶者的手和手臂造成危险。

对于整车的振动,按照 ISO 2631附件 a 的整体振动值被认为有点不舒服。这并不是最好的结果,但是考虑到自行车本身相对较重的改装,结果是相当不错的。NVH 团队一致得出结论,有一点不舒服的乘坐是一个可以接受的代价骑自定义怪物我们已经测量。

根据 ISO 2631-1建立的健康指导警示区,骑自行车8小时不太可能对骑车人的健康构成任何威胁。在大多数国家,摩托车的工作时间是1.15 m/s2 a (8)在正常的8小时工作日,摩托车是一种合适的交通工具。

每天8小时骑自行车不会非常舒服,但最重要的是,不太可能造成任何严重的健康风险。

我们可以享受自由的感觉——而且仍然是安全的。






来源

  ■ Brammer A.J., & Pitts P.M.: 频率加权的振动诱导白手指兼容的暴露-反应模型。Ind. .健康。2012,50 pp. 397-411

  ■ Bridger, R.S.: 《人类工程学导论》 ,麦格劳-希尔国际版, 318-409 (1995) 

  ■ ISO18570: 机械振动。人体暴露于手传振动的测量和评价。血管疾病风险评估的补充方法(2017年)

  ■ ISO 2631: 机械振动和冲击ー人体暴露于全身振动的评估ー第1部分: 一般要求(2018年) ,第2部分: 建筑物的振动(1hz 至80hz)(2003年) ,

     第3部分: 暴露于0,1至0,63hz (1985年)频率范围内的全身 z 轴垂直振动的评估,第4部分: 评估振动和旋转轴对固定轨道上乘客和舒适性影响的指南。

     运输系统(2001年) ,第5部分: 包含多重冲击的振动评价方法(2018年)

  ■ ISO 5349 机械振动。人体暴露于手传播振动的测量和评价。第1部分: 一般要求,第2部分: 工作场所测量的实用指南,第3部分: 特殊信号表的补充说明(2001年)

  ■ ISO 8041 人对振动的反应。测量仪器。第1部分: 通用振动计(2017) ,第2部分: 个人振动曝光计(2021)

  ■ Sanders, M.S., & McCormick, E.J.: 《工程与设计中的人为因素》 ,麦格劳-希尔图书公司, 1993年版(第627-634页)


使用产品

5个LCM系列或LCB疲劳级杆端拉压双向力传感器,每个传感器搭配一个USB220高分辨率数据记录系统。

  • 美国进口Dytran 7583A系列 三轴MEMS加速度计传感器

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