摩托車人體振動測量

Application Note

By Vid Seli?, NVH Product Manager, Dewesoft

風(fēng)吹在臉上，噪音，速度和力量——自由的感覺。Dewesoft 已經(jīng)買了一個公司犬牙摩托車-只是有一些樂趣。然而，在長時間的騎行之后，一些人報告說他們的手指有輕微的麻木感。

由于我們在人體振動領(lǐng)域有經(jīng)驗，我們著手調(diào)查我們的自行車產(chǎn)生的振動水平和體積。我們不希望我們隊友的健康受到影響。

由于其不平衡的性質(zhì)，摩托車創(chuàng)造了巨大的人體振動。由于發(fā)動機(jī)和道路狀況產(chǎn)生的振動，騎車者可能面臨風(fēng)險。振動能量波傳遞到騎手的身體，通過身體組織、器官和系統(tǒng)傳遞，在它被抑制和消散之前產(chǎn)生各種效應(yīng)。

振動通過座椅的底座和后部傳遞到臀部，并沿垂直軸向后傳遞，而踏板和操縱手柄則向騎手的腳、手和手臂傳遞附加振動。振動水平取決于更多的因素: 摩托車的類型和年齡，發(fā)動機(jī)大小，駕駛員體重，座位類型，懸掛類型和路面因素等。

基本的振動概念

振動引起損傷的風(fēng)險取決于平均每日接觸。風(fēng)險評估包括振動的強度和頻率、暴露時間和對接收振動能量的身體部位的注意力。

大小

振動的大小可以用加速度、速度或位移來表示。當(dāng)人體對這三個因素中的任何一個做出反應(yīng)時，這三個因素都是有意義的，這取決于運動的頻率。

頻域中的加速度、位移和速度用 Hz 表示。在許多國際公認(rèn)的與人體振動測量有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，加速度是公認(rèn)的表示量值的量值。振動幅值的 RMS 值適用于表示振動是連續(xù)的或間歇的過程，而不是類似沖擊的過程，例如騎摩托車。

頻率

一個振動的物體在其正常的靜止位置上來回移動。當(dāng)物體從一個極端的位置移動到另一個極端的位置，然后又移回來時，就發(fā)生了一個完整的振動周期。

一個振動物體在一秒鐘內(nèi)完成的周期數(shù)稱為頻率。表示頻率的單位是赫茲。一赫茲等于每秒一周期。

振幅

振動的強度取決于振幅。一個振動的物體在其靜止位置的兩邊移動到一定的最大距離。振幅是從靜止位置到兩側(cè)極端位置的距離，單位是米(米)。

加速

加速度是衡量速度隨時間變化的速度。在每個振動周期中，振動物體的速度從零到最大。當(dāng)它通過自然靜止的位置到達(dá)一個極端的位置時，它移動得最快。

振動物體在接近極端時減速，在那里它停下來，然后通過靜止的位置朝另一個極端移動。振動速度以米/秒(m/s)或米每二次方秒/秒(m/s 2)表示。

人體振動

人體振動測試是評估使用不同種類機(jī)械設(shè)備(如電動工具、建筑設(shè)備、車輛和其他交通工具)的使用者所受振動量的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。我們的客戶經(jīng)常使用此解決方案來驗證標(biāo)準(zhǔn)操作環(huán)境對最終用戶的適用性。根據(jù)曝光類型的不同，不同的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋不同類型的振動，如手臂或整個身體。

HBV的定義是機(jī)械振動對人體的影響。其影響可能是作用于身體的整體、全身振動(WBV) ，也可能是作用于身體的各個部位，其中手和手臂——手臂振動(HAV)是最重要和最頻繁的影響因素。在許多情況下，整個身體的振動來自車輛，陸基或其他，來自建筑物的振動地板，或來自大型機(jī)器，其中操作員坐在機(jī)器上。

全身震動

全身振動(WBV)主要通過座椅或地板傳遞給身體使用的越野車輛，如翻斗車，挖掘機(jī)，和農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)。然而，它也會影響一些鋪設(shè)路面的車輛的司機(jī)，如電梯卡車或摩托車。

它主要與下背痛有關(guān)，是下背部疾病的最大危險因素之一。當(dāng)工人坐在或站在振動的座椅或腳踏板上時，就會發(fā)生這種情況。長時間暴露在高水平的 WBV 中會導(dǎo)致暈車、疲勞和頭痛。

手臂振動

當(dāng)振動不影響整個身體，而只是一個器官，部分，或“部分”的身體，它被稱為節(jié)段振動。最常見的節(jié)段性振動暴露是手臂振動暴露影響手和手臂。

手臂振動(HAV)是由手操作的電動工具，如破路機(jī)或手提鉆，或在這種情況下，一個斬波車把，傳遞到使用者的手和手臂的振動。

HAV可影響神經(jīng)、血管、肌肉和手臂的關(guān)節(jié)，引致手指刺痛和麻木，令人感到疼痛和喪失能力，減低握力和觸覺，并影響血液循環(huán)-振動誘發(fā)的白手指(VWF)。如果及早發(fā)現(xiàn)，這種疾病是可以治愈的。如果沒有，它可能導(dǎo)致永久殘疾的使用手。

振動頻率及其對人體的影響

表一。振動頻率對人體的影響，根據(jù)Brammer A.J.和Pitts P.M. (1) and Bridger, R.S. (2).

發(fā)出及申請

回到我們的摩托車和我們同事的安全。我們希望獲得和分享一個更好的洞察力測量振動產(chǎn)生的自行車在正常的騎行-和對騎手的影響。

對人體過度接觸振動的影響，特別是在工作環(huán)境中的影響進(jìn)行了研究。人體振動試驗是評估電動工具、建筑設(shè)備、車輛或其他交通工具等各種機(jī)械設(shè)備使用者所受振動暴露的標(biāo)準(zhǔn)方法。

規(guī)例

在一系列行業(yè)的雇主需要準(zhǔn)確地評估振動暴露水平，并檢查他們對規(guī)章所描述的限制。

在歐盟，振動指令(指令2002/44/EC)規(guī)定了控制來自工作相關(guān)的手臂和全身振動的風(fēng)險的最低要求。該指令規(guī)定了振動劑量值(VDV)——行動值，超過這個值就要求雇主控制振動風(fēng)險和限制值，超過這個值的人就不會受到輻射。

曝光極限值和動作值

對于手臂振動，這些值是:

  ■ 每日攝取量為2.5米/秒

  ■ 每日攝取量上限值為5米/秒

對于整個身體的振動，這些值是:

  ■ 每日的曝光作用值為0.5米/秒

  ■ 每日攝取量上限值為1.15米/秒

標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立，以確定測量和評估人類接觸振動的最佳做法，包括測量儀器。不同的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋不同類型的振動取決于類型的曝光，如手臂振動和整個身體的振動。

ISO 5349是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，用于測量人體接觸到的手傳播振動，而 ISO 2631-1和 ISO 2631-5則涵蓋整個身體的振動。ISO 8041是用于測量振動的設(shè)備應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。

Dewesoft 人體和全身振動解決方案支持全身和手臂振動的測量和計算，根據(jù)所有相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，如:

  ■ ISO 5349 5349,

  ■ ISO 8041 8041,

  ■ ISO 2631-1 Iso2631-1, and

  ■ ISO 2631-5 Iso2631-5.

這個標(biāo)準(zhǔn)包括儀器以及一般和具體的方法來衡量和評估振動的影響，如多次沖擊或血管疾病的風(fēng)險。我們的解決方案通常被客戶用來驗證標(biāo)準(zhǔn)操作環(huán)境對于最終用戶在工作相關(guān)情況下的適合性。

雖然法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)都是關(guān)于工作場所的機(jī)器和車輛的，但是在評估乘坐定制的直升機(jī)時的振動影響時，儀器、方法和風(fēng)險值是同等重要的。

測量設(shè)置

由于摩托車的沖擊和振動的強度不同——小的、大的沖擊以及振動——我們使用了 SIRIUS-6xACC-2xSTG 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 DualCoreADC 技術(shù)。

該設(shè)備覆蓋160分貝的動態(tài)范圍，確保沒有數(shù)據(jù)被剪切或遺漏。手臂測量和全身測量都是用三軸加速度計進(jìn)行的——通常使用50g（g：重力加速度）是傳感器和特殊適配器。

圖1. SIRIUS DAQ 與電池組一起安裝在驅(qū)動器后面的自行車上。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

  ■ 8通道 SIRIUS 6xACC 2xSTG 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(數(shù)據(jù)記錄器)

  ■ B & k 座墊和三軸加速度計

  ■ Dytran 三軸加速度計

  ■ DS-IMU1 GNSS/IMU 設(shè)備

  ■ 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線

  ■ 電池組(DS-BP2i)

  ■ USB攝像頭

  ■ 帶有 Dewesoft X 軟件的筆記本電腦，包括人體振動模塊

設(shè)備安裝

  ■ 駕駛員座位上的座墊傳感器，用于全身振動

  ■ 方向盤/車把三軸加速度傳感器用于手臂振動

  ■ 慣性測量裝置的滾動，瀝青，下巴，速度，GPS 的位置，和天狼星數(shù)據(jù)記錄器與電池組安裝后的驅(qū)動程序

  ■ 這臺筆記本電腦被安裝在駕駛員的背包里，以便在 Dewesoft X 中獲取數(shù)據(jù)

圖2。三軸加速度計安裝在車把上，用于手臂振動。

我們使用摩托車 RPM 傳感器(24-2齒輪齒)和變速箱直接采用現(xiàn)有的摩托車配線，并應(yīng)用一個公式來計算皮帶比和輪胎直徑，從而捕捉到轉(zhuǎn)速。

我們還連接了 DS-IMU1設(shè)備，以便能夠捕捉到摩托車的 GPS 定位，并獲得一個滾動-俯仰-偏航-這樣我們就能夠輕松地將不同的駕駛條件-轉(zhuǎn)速，側(cè)向加速度等-與振動聯(lián)系起來。

圖3. DS-IMU1

我們將加速度計連接到 SIRIUS DAQ 切片上。GPS 天線連接到 IMU 設(shè)備，以確保一個強大的 GPS 信號。USB 攝像頭連接到 SIRIUS 來記錄測量的視覺方面——以控制由于路上的顛簸和坑洞而產(chǎn)生的沖擊峰值。SIRIUS 被連接到電池組供電。

在一個陪同車輛，我們也設(shè)置了一個遠(yuǎn)程桌面計算機(jī)，使監(jiān)測測量過程中的所有設(shè)置功能作為一個先進(jìn)的人體振動儀。

圖4。摩托車手臂和全身振動的測量。

測量

我們的測量設(shè)定為1小時。測試是在開放的公路上進(jìn)行的，我們在城市道路上行駛——時速50公里，交通信號燈——和高速公路上行駛——不間斷行駛，時速90-100公里?？偟膩碚f，道路的質(zhì)量很好，只有一些路段路面上有顛簸或較小的坑洞。

手臂振動測量

使用 Dewesoft HBV軟件和測量設(shè)置，我們能夠計算手臂振動根據(jù) ISO 5349。我們根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義的曝光指南評估了結(jié)果。

一個人出現(xiàn)手-手臂振動綜合癥癥狀的可能性取決于個人的易感性，任何預(yù)先存在的疾病和條件，以及與任務(wù)相關(guān)的、環(huán)境和個人因素，如年齡、振動方向、耦合力、姿勢等等。

根據(jù) ISO 5349，每日的振動水平可以計算為8小時的振動參考周期 a (8) ，即8小時的能量等效頻率加權(quán)加速度(m/s 2)。

研究表明，在與手接觸的表面 a (8)值小于2 m/s2的人群中，手-手臂振動綜合癥的癥狀很少見，而 a (8)值小于1 m/s2的人群則沒有報告。

在我們進(jìn)行曝光計算和評估他們對規(guī)定的限制，我們想觀察測量振動的頻率含量的峰值和頻率。

通過對手臂數(shù)據(jù)的分析，我們測量了振動在63Hz 時在 x 和 y 方向上的突出峰值，在10hz 時加上一些較小的振動，在125hz 時在 z 方向上的峰值振動。由此可見，大多數(shù)振動發(fā)生在較低的頻率范圍內(nèi)。

圖5振動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域并顯示在倍頻程內(nèi)。

圖6手臂曝光值的計算。

我們使用 DewesoftX 中的數(shù)學(xué)函數(shù)構(gòu)成公式，從測量的數(shù)據(jù)中計算出曝光級別 a (8)——這可以告訴我們駕駛員連續(xù)駕駛8小時時所經(jīng)歷的振動級別。

如果我們將手臂暴露值 = 0,813 m/s2的結(jié)果與手-手臂振動綜合癥出現(xiàn)癥狀的可能性進(jìn)行比較，我們可以得出結(jié)論，連續(xù)騎摩托車8小時不會對騎手構(gòu)成風(fēng)險。

此外，在大部分國家，每個工作天的準(zhǔn)許振動暴露水平，即暴露限值(ELV) ，是把手臂振動設(shè)定為5米/秒2a (8) ，遠(yuǎn)高于我們在測試車程中所測量的暴露水平。由此，我們可以得出結(jié)論，騎自行車喜歡我們的職業(yè)目的和整個工作日的時間不會超過允許 ELV。

圖7。在 HBV 模塊的軟件通道設(shè)置中選擇 ISO 18570時自動計算 Ap (8)——結(jié)果在測量模式下很容易獲得。

ISO 18570標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了暴露水平和暴露在振動下的手-手臂振動綜合癥癥狀的發(fā)生指南。這里，每日暴露閾值用 Ep，d 表示，與 Ap (8)的關(guān)系用下面的公式表示:

其中 T0是8小時(28800秒)的參考時間。

研究和分析的 Brammer 和 Pitts [1]也允許估計最少的每日振動暴露，Ep，d，在這可能會發(fā)生的 VWF 癥狀。VWF 發(fā)病和持續(xù)發(fā)展的臨界值為 Ep，d，1150 m/s1,5ー1750 m/s1,5。

為了根據(jù) Brammer 和 Pitts 的理論計算每日曝光量，我們使用 Math 從 Ap (8)數(shù)據(jù)中計算 Ep，d 作為輸出。

圖8. 在 Dewesoft HBV 模塊中，從 Ap (8)數(shù)據(jù)作為輸出計算 Ep，d。

從所獲得的結(jié)果，我們可以得出結(jié)論，即使當(dāng)騎自行車8小時，每天暴露是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建議的暴露閾值-騎我們的直升機(jī)并不代表任何顯著的風(fēng)險發(fā)展癥狀的手-手臂振動綜合癥綜合征。

全身測量

對于全身測量的光譜數(shù)據(jù)，我們測量了所有三個方向的振動峰 x，y，z 在63Hz，在 x 和 z 方向的次要振動在10Hz。

圖9。全身振動測量結(jié)果在所有三個方向 x，y，z 直到1000赫茲。

我們想根據(jù) ISO 2631-1評估乘坐過程中的舒適度。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于某些環(huán)境，可以使用代表性周期的頻率加權(quán) RMS 加速值來評估人體舒適度。然后，它必須加權(quán)的 Wk-頻率加權(quán)的 z 方向，垂直的橫臥方向。

Dewesoft 人體振動模塊實施權(quán)重根據(jù) ISO 2631-1的計算，當(dāng)選擇整個身體的方法。在 ISO 2631-1中，定義為 aw 的整體振動值是通過選擇 RMS 作為輸出以及向量和輸出選項來計算的。

圖10。Dewesoft 人體振動模塊-選擇整個身體的方法權(quán)重根據(jù) ISO 2631-1是執(zhí)行的計算。

ISO 2631附件 a 振動對舒適和感知影響的指南。這表明時均頻率加權(quán)單軸振動加速度(aw)小于0.315 m/s2的 WBV 是舒適的，而0.315 m/s2到2.5 m/s2之間的水平被發(fā)現(xiàn)是不舒適的，大于2.5 m/s2的水平是極不舒適的。

整體振動值對整體振動的反應(yīng)

表2: iso2631震動對舒適性和感知極限的影響指南。

對于全身振動，使用頻率加權(quán)的均方根加速度，我們測量了一個0,47米/s2的 aw 值-剛好高于規(guī)定的舒適度水平。總而言之，騎自行車有點不舒服，接近相當(dāng)不舒服。然而，一個定制的直升機(jī)，仍然不是那么壞！

圖11。用頻率加權(quán)的均方根加速度計算全身振動的結(jié)果。

為了評估全身振動的潛在健康風(fēng)險，ISO 2631-1建立了健康指導(dǎo)警戒區(qū)。

圖12根據(jù) ISO 2631-1的健康指導(dǎo)警示區(qū)。

對于區(qū)域以下的暴露，健康影響沒有被記錄或客觀觀察。在區(qū)域內(nèi)，警告潛在的健康風(fēng)險是指示和區(qū)域以上的健康風(fēng)險是可能的。這一建議主要是基于4至8小時范圍內(nèi)的照射。

Gb/t14551-1993振動曝光 ISO 標(biāo)準(zhǔn)
及其對駕駛員健康的影響

表3. ISO 2631-1規(guī)定的4小時和8小時接觸限值。

從測量 aw8值0,47米/s2是低于警戒區(qū)的形式，我們可以得出結(jié)論，通過騎自行車8小時，任何健康影響不太可能發(fā)生。

除了檢查舒適度、感知力和 ISO 2631健康指南中振動暴露警戒區(qū)的測量結(jié)果外，我們在評估數(shù)據(jù)時還考慮了另一個特定的限值: ELV。暴露極限值(ELV)是指每天8小時的工作時間內(nèi)允許的震動暴露水平。在大多數(shù)國家，對于整體振動，ELV 定義為1.15 m/s2a (8)。

正如在我們的測量期間，我們只獲得略多于一個小時的數(shù)據(jù)，計算出來的整體振動值必須修正，以涵蓋8小時。為此，我們使用 Dewesoft Math 定義了一個計算 aw8的簡單公式。

圖13。一個簡單的公式是定義在 Dewesoft 數(shù)學(xué)為計算 aw8。

我們的結(jié)果是最大值為0,639 m/s2——遠(yuǎn)低于極限值。這意味著我們購買的自行車可以在正常工作日使用，沒有超過 ELV 的關(guān)注。

所以，對于駕駛樂趣和挑選比薩餅，DEWEsoft定制的直升機(jī)將是一個安全的選擇。

圖14。 Dewesoft 團(tuán)隊在評估自行車騎行測量數(shù)據(jù)。

總結(jié)

我們的自行車騎行振動測量表明，騎自行車是安全的，但你仍然需要謹(jǐn)慎，不要過度。騎行風(fēng)格極大地影響振動暴露-在我們的測試期間，我們一直遵守道路規(guī)則，騎自行車在大多數(shù)平坦的道路上。

當(dāng)我們根據(jù) ISO 5349評估手臂振動暴露時，所得到的8小時平均振動劑量值低于水平限值。相對于曝光極限值(ELV)的測量值 a (8)也是可以的。

所得到的每日曝光量 Ep，d 遠(yuǎn)低于 ISO 18570為手-手臂振動綜合癥綜合癥的發(fā)病和發(fā)展設(shè)定的每日曝光閾值。連續(xù)駕駛摩托車8小時不會對駕駛者的手和手臂造成危險。

對于整車的振動，按照 ISO 2631附件 a 的整體振動值被認(rèn)為有點不舒服。這并不是最好的結(jié)果，但是考慮到自行車本身相對較重的改裝，結(jié)果是相當(dāng)不錯的。NVH 團(tuán)隊一致得出結(jié)論，有一點不舒服的乘坐是一個可以接受的代價騎自定義怪物我們已經(jīng)測量。

根據(jù) ISO 2631-1建立的健康指導(dǎo)警示區(qū)，騎自行車8小時不太可能對騎車人的健康構(gòu)成任何威脅。在大多數(shù)國家，摩托車的工作時間是1.15 m/s2 a (8)在正常的8小時工作日，摩托車是一種合適的交通工具。

每天8小時騎自行車不會非常舒服，但最重要的是，不太可能造成任何嚴(yán)重的健康風(fēng)險。

我們可以享受自由的感覺——而且仍然是安全的。

來源

  ■ Brammer A.J., & Pitts P.M.: 頻率加權(quán)的振動誘導(dǎo)白手指兼容的暴露-反應(yīng)模型。Ind. .健康。2012,50 pp. 397-411

  ■ Bridger, R.S.: 《人類工程學(xué)導(dǎo)論》 ，麥格勞-希爾國際版, 318-409 (1995) 

  ■ ISO18570: 機(jī)械振動。人體暴露于手傳振動的測量和評價。血管疾病風(fēng)險評估的補充方法(2017年)

  ■ ISO 2631: 機(jī)械振動和沖擊ー人體暴露于全身振動的評估ー第1部分: 一般要求(2018年) ，第2部分: 建筑物的振動(1hz 至80hz)(2003年) ，

     第3部分: 暴露于0,1至0,63hz (1985年)頻率范圍內(nèi)的全身 z 軸垂直振動的評估，第4部分: 評估振動和旋轉(zhuǎn)軸對固定軌道上乘客和舒適性影響的指南。

     運輸系統(tǒng)(2001年) ，第5部分: 包含多重沖擊的振動評價方法(2018年)

  ■ ISO 5349 機(jī)械振動。人體暴露于手傳播振動的測量和評價。第1部分: 一般要求，第2部分: 工作場所測量的實用指南，第3部分: 特殊信號表的補充說明(2001年)

  ■ ISO 8041 人對振動的反應(yīng)。測量儀器。第1部分: 通用振動計(2017) ，第2部分: 個人振動曝光計(2021)

  ■ Sanders, M.S., & McCormick, E.J.: 《工程與設(shè)計中的人為因素》 ，麥格勞-希爾圖書公司, 1993年版(第627-634頁)

使用產(chǎn)品

5個LCM系列或LCB疲勞級桿端拉壓雙向力傳感器，每個傳感器搭配一個USB220高分辨率數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。