KONCEPCJA I BUDOWA STANOWISKA DO BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ PIONOWYCH NA DZIECKO POSADOWIONE W FOTELIKU PODCZAS JAZDY SAMOCHODEM

Transkrypt

1 Marek JAŚKIEWICZ, Tadeusz GROMADOWSKI, Dariusz WIĘCKOWSKI KONCEPCJA I BUDOWA STANOWISKA DO BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ PIONOWYCH NA DZIECKO POSADOWIONE W FOTELIKU PODCZAS JAZDY SAMOCHODEM Streszczenie W Przemysłowym Instytucie Motoryzacji realizowane są badania związanych z oddziaływaniem drgań pionowych na organizm dziecka siedzącego w foteliku, podczas jazdy w samochodzie. W opublikowanych z tego zakresu pracach [15], 16] i [17] wykazano potrzebę realizacji badań eksperymentalnych związanych z oddziaływaniem drgań pionowych na organizm dziecka siedzącego w foteliku, podczas jazdy w samochodzie. Zwrócono uwagę na różnicę w odczuciach komfortu jazdy między dzieckiem a osobą dorosłą, przy czym poziom komfortu wcale nie jest korzystny dla dziecka. Również zwrócono uwagę na rozbieżności oddziaływania drgań na dziecko w zależności od rodzaju zastosowanego fotelika. Podkreślono także fakt braku badań w tym zakresie. Zastosowanie specjalnego stanowiska badawczego pozwoli na kontynuację badań związanych z problematyką oddziaływania drgań pionowych na organizm dziecka siedzącego w foteliku, podczas jazdy w samochodzie, a z drugiej strony rozszerza spektrum badań. WSTĘP Jedną z istotnych cech jadącego samochodu jest występowanie drgań wywołanych nierównościami drogi. Drgania te, działając na organizm pasażera mogą wywoływać negatywne skutki. Z pośród drgań wywoływanych przez techniczne środki transportu, największe zagrożenie od nich występuje w transporcie samochodowym [8]. Mimo, że następuje podnoszenie poziomu komfortu jazdy, to jednak również zwiększa się przedział czasu, jaki ludzie spędzają podróżując samochodami. Zwiększony czas przebywania pod działaniem intensywnych drgań mechanicznych powoduje niekorzystne zmiany w funkcjonowaniu kory mózgowej, co z kolei przekłada się na procesy postrzegania, zapamiętywania, odbierania wrażeń subiektywnych. Szczególnie niebezpieczne dla organizmu ludzkiego są drgania, o częstotliwościach wymuszeń odpowiadających częstotliwościom drgań własnych poszczególnych narządów człowieka. W ostatnim okresie, coraz częściej zwraca się uwagę na przewożone w fotelikach samochodowych dzieci, które powinno traktować się jak zwykłych pasażerów, szczególnie podczas przejazdów na długich dystansach. Aczkolwiek w projektowaniu fotelików najwięcej uwagi poświęca się zapewnieniom bezpieczeństwa podczas zderzenia, ponieważ jest to ich główna funkcja [1], [3], [11], [12], a badania (homologacyjne) skoncentrowane są głównie na AUTOBUSY 161

2 ocenie zabezpieczenia przed szkodliwymi skutkami zderzeń [10], to zaczęto zwracać uwagę na komfort jazdy dzieci w fotelikach. W stosunku do osoby dorosłej dziecko ma swoje odrębności anatomiczne i fizjologiczne. Główną cechą odróżniająca dziecko od człowieka dorosłego jest jego stały rozwój. Należy traktować różnice między organizmem dziecka (jego poszczególne fazy rozwoju), a organizmem dorosłego człowieka, na tyle istotne, że dziecko powinno być traktowane w sposób odmienny od osoby dorosłej. 1. BADANIA STANOWISKOWE DZIECI Znane są rożne projekty związane z badaniami oddziaływanie drgań ogólnych na organizm dziecka. Jako przykładowe można podać: 1. Stanowisko do symulacyjnego badania oddziaływania drgań pionowych na dziecko posadowione w foteliku. Na stole wstrząsarki umieszczono fotelik z manekinem dziecka rysunku 1 [6]. W tym przypadku całkowicie pominięty jest wpływ elementów nadwozia samochodu na przenoszenie drgań na organizm dziecka. Podobne stanowisko zaproponowano w pracach [4, 5]. Rys. 1. Schemat stanowiska do badań oddziaływania drgań na dziecko w foteliku [6] 2. Stanowisko do symulacyjnego badania oddziaływania drgań pionowych na dziecko w pozycji leżącej. Składa się ono ze stołu-leżanki, który może być wprawiany w ruch drgający. Schemat stanowiska pokazano na rys. 2 [13]. Na tym stole można umieścić dziecko w pozycji leżącej. W tym przypadku nie tylko nie ma elementów nadwozia samochodu, ale również zrezygnowano z fotelika. Rys. 2. Stanowiska do badań oddziaływania drgań na dziecko w pozycji leżącej [13] 162 AUTOBUSY

3 3. Stanowisko do symulacyjnego badania oddziaływania drgań pionowych na dziecko w pozycji stojącej. Stanowisko to składa się ze platformy, która może być wprawiana w ruch drgający rys. 3 [2]. Na platformie można ustawić dziecko w pozycji pionowej. W tym przypadku nie tylko nie ma elementów nadwozia samochodu, ale pozycja jest pionowa. Rys. 3. Stanowiska do badań oddziaływania drgań na dziecko w pozycji pionowej [2] Przedstawione przykłady stanowisk nie odzwierciedlają oddziaływania drgań pionowych na dzieci posadowione w foteliku, tak jak to ma miejsce podczas jazdy samochodem. 2. STANOWISKO DO BADAŃ ODDZIAŁYWANIA DRGAŃ PIONOWYCH W POZYCJI SIEDZĄCEJ W Przemysłowym Instytucie Motoryzacji opracowano koncepcję, a następnie zbudowano stanowisko do badań oddziaływania drgań pionowych na dziecko posadowione w foteliku i na człowieka dorosłego w samochodzie rys. 4a i b. Rys. 4. Koncepcja stanowiska: 1 nadwozie, 2 manekin człowieka dorosłego, 3 płyta pomiarowa, 4 zawór elektrohydrauliczny siłownika, 5 siłownik elektrohydrauliczny, 6 rama mocująca nadwozie, 7 fotelik, 8 manekin dziecka, 9 siedzisko tylne AUTOBUSY 163

4 Stanowisko składa się z następujących elementów: siłownik hydrauliczny (5) z zaworem elektrohydraulicznym (4), płyta pomiarowa siłownika (3), rama mocująca stanowiska (6), tylna część nadwozia kompletnie wyposażonego (1). Do siłownika (5) z zaworem elektrohydraulicznym (4) przymocowana jest płyta pomiarowa (3). Do płyty przykręcona jest rama mocująca stanowiska (6). Na ramie ustawione jest nadwozie samochodu (1). Wewnątrz nadwozia znajduje się kompletna kanapa tylna. Na siedzisku kanapy (9) może być posadowiony manekin człowieka dorosłego Hybryd 2 (H2) (2) oraz manekin dziecka (D) (8) posadowiony na foteliku (7). Zbudowane Stanowisko pokazano na rys. 5a i b. Rys. 5. Stanowisko zbudowane w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji Charakterystyczną cechą stanowiska jest zastosowanie nadwozia samochodu, dzięki czemu uzyskano połączenie szczególnych cech, takich jak: odtworzenie warunków jazdy w rzeczywistym samochodzie, możliwość umieszczenia manekinów (dziecka i dorosłego człowieka) w sposób identyczny jak w badaniach drogowych, możliwość umieszczenia czujników pomiarowych w tych samych miejscach jak w przypadku badań drogowych, uzyskanie możliwości powtarzania testów w tych samych warunkach poprzez zastosowanie nadwozia rzeczywistego samochodu. Do badań wykorzystane będą manekiny człowieka dorosłego oraz dziecka. Parametrem mierzonym było przyspieszenie pionowe, jako decydujące o wpływie drgań na człowieka podczas jazdy. Stąd umieszczenie czujników przyspieszeń w różnych częściach ciała manekinów: dorosłego i dziecka zapewni pomiar i rejestrację drgań w tych miejscach. Umożliwi to przeprowadzenie różnego rodzaju analiz, w tym porównania drgań oddziaływujących na dziecko i osobę dorosłą Badania eksperymentalne stanowiskowe Badania polegały one na pomiarze oddziaływania drgań pionowych na osobę dorosłą i porównaniu otrzymanych wyników z oddziaływaniem takich drgań na dzieci siedzące w samochodowych fotelikach dziecięcych. Jako wymuszenie wykorzystano sygnał sinusoi- 164 AUTOBUSY

5 dalny o częstotliwości 8 Hz, którą (jedną z kilku) wytypowano w oparciu o częstotliwości wybrane z sygnałów zarejestrowanych podczas badań drogowych. Na rys. 6 przedstawiono przykładowe przebiegi przyspieszenia pionowego (a z ) zarejestrowane przez czujniki umieszczone w: biodrze manekina Hybryd 2 (H2B) i tułowiu manekina dziecko (DT) oraz w głowie manekina Hybryd 2 (H2G) i głowie manekina dziecko (DG). Z kolei na rys. 7 pokazano wyznaczone wartości gęstości widmowej mocy (S xx ) zarejestrowanego przyspieszenia pionowego (a z ). a z [m/s^2] 15 H2B DT a z [m/s^2] 20 H2G DG Czas [t] -20 Czas [s] Rys. 6. Przykładowe przebiegi przyspieszenia pionowego zarejestrowanego przez czujniki umieszczone w: a) biodro manekina Hybryd 2H2B i tułów manekina dziecko (DT), b) głowa manekina Hybryd 2 (H2G) i głowa manekina dziecko (DG) Sxx [(m/s 2 ) 2 /Hz] SxxH2B SxxDT Sxx [(m/s 2 ) 2 /Hz] SxxH2G SxxDG Czestotliwosc [Hz] Czestotliwosc [Hz] Rys. 7. Przykładowe wartości gęstości widmowej mocy (Sxx) wyznaczone z sygnałów zarejestrowanych w: a) biodro manekina Hybryd 2H2B i tułów manekina dziecko (DT), b) głowa manekina Hybryd 2 (H2G) i głowa manekina dziecko (DG) Z przedstawionych wykresów wynika, że dla częstotliwości 7 Hz: wartość gęstości widmowej mocy (S xx ) w przypadku tułowia jest ponad 50% większa dla manekina D w stosunku do manekina H2. wartość gęstości widmowej mocy (S xx ) w przypadku głowy jest dwukrotnie większa dla manekina D w stosunku do manekina H2. PODSUMOWANIE Wykorzystanie tak przygotowanego stanowiska umożliwia przeprowadzenie (w określonym zakresie) powtarzalnych badań eksperymentalnych. Dzięki temu możliwe jest wykonanie analizy pod kątem oceny wpływu drgań (możliwość oceny komfortu) mechanicznych na dziecko w foteliku podczas jazdy w samochodzie. AUTOBUSY 165

6 Do charakterystycznych cech badań stanowiskowych świadczących o ich przydatności należy: 1. Możliwość wielokrotnego realizowania tych samych eksperymentów, w tych samych powtarzalnych warunkach powtarzalność prób. W badaniach trakcyjnych jest to niemożliwe, w badaniach poligonowych trudne do zrealizowania (trudność jazdy po tych samych torach). 2. Możliwość badań porównawczych różnych obiektów (manekinów) w tych samych warunkach. 3. Możliwość badań różnych wyodrębnionych zagadnień, np. symulowanie przejazdów po różnych nawierzchniach, przeszkody na drodze (garby), koleiny, uszkodzenia nawierzchni itp., co znacznie ułatwia ich analizę. 4. Możliwość uproszczenia organizacji badań (niezależność prowadzonych badań od warunków atmosferycznych), a więc skrócenie czasu badań i zmniejszają koszty. 5. W porównaniu do badań trakcyjnych i poligonowych stwarzają większe możliwości pomiarowe łatwiej i szybciej przygotować lub zmienić wyposażenie pomiarowo badawcze. Cechą charakterystyczną eksperymentalnych badań stanowiskowych jest przede wszystkim to, że odtworzenie warunków eksploatacyjnych realizuje się za pomocą oddziaływań otoczenia zrealizowanych w sposób sztuczny, ale jednocześnie powtarzalny. Są one wytwarzane przez urządzenia stanowiące wyposażenie stanowiska. CONCEPTION AND CONSTRUCTION OF THE STAND FOR EXPERIMENTAL TESTS FOR THE IMPACT OF VERTICAL VIBRATIONS ON A CHILD PLACED IN A BABY CAR SEAT WHILE DRIVING IN A CAR Abstract In the Automotive Industry Institute there are performing studies related to the impact of vertical vibrations on the body of a child seated in a baby car seat while travelling in a car. In existing publications concerning this topic, the authors showed the need for experimental research related to the impact of vertical vibrations on the body of a child seated in a baby car seat while travelling in a car. Attention is paid to the difference in ride comfort feelings between a child and an adult but the comfort level is not beneficial to the child. The discrepancies of impact of vibrations per child depending on the type of a baby car seat have also been noted. The fact of the lack of research in this field has also been highlighted. The use of special testing stand will allow the continuation of studies related to the problems of the impact of vertical vibrations on the body a child seated in a baby car seat, while travelling in the car, on the other hand, extends the spectrum of research. BIBLIOGRAFIA 1. Bourdet N., Willinger R., Coupled head-neck-torso and seat model for car seat optimization under rear-end impact. Journal of Sound and Vibration, 2008, No Bressel E., Smith G., Branscomb J., Transmission oh whole body vibration in children while standing. Clinical Biomechanics, 2010, No Diupero T., Stasiak P., Możliwości ochronne urządzeń zabezpieczających dla dzieci w świetle badań. Materiały X Konferencji Problemy rekonstrukcji wypadków drogowych, Szczyrk, Giacomin J., Absorbed power of small children. Clinical Biomechanics, 2005, No AUTOBUSY

7 5. Giacomin J., Some observations regarding the vibrational environment in child safety seats. Applied Ergonomics, 2000, No Giacomin J., Modal properties of child safety seats. Proceedings Institution of Mechanical Engineers, Murphy J., Child Passenger Safety. Journal of Pediatric Health Care, 1998, Vol. 12, No Nader M., Modelowanie i symulacja oddziaływania drgań pojazdów na organizm człowieka. Prace Naukowe Transport, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Rangel S. J. et.al., Alarming trends in the improper use of motor vehicle restraints in children: implication for public policy and the development of race-based strategies for improving compliance. Journal of Pediatric Surgery 2008, No Regulation No. 44, Uniform provisions concerning the approval of restraining devices for child occupants of power-driven vehicles ( child restraint system ). 11. Reimpell J., Radaufhängungen. 2. Aufl. Vogel Buchverlag. Würzburg, Reimpell J., Stoll H., Stoss-und Schwingungsdämpfer. 2. Aufl. Vogel Buchverlag. Würzburg, Semler O. et.al., Preliminary results on the mobility after whole body vibration in immobilized children and adolescents. Journal of Musculoskeletal Neuronal Interact, 2007, No. 7(1). 14. Starr N. B., Kids and Car Safety: Beyond Car Seats and Seat Belts. Journal of Pediatric Health Care, 2001, Vol. 15, No Wicher J., Diupero T., Więckowski D., Wpływ drgań fotelika na komfort jazdy dziecka w samochodzie. Opracowanie Problemowe, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Warszawa, Więckowski D., Wicher J., Bezpieczeństwo i komfort dzieci przewożonych w fotelikach samochodowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 2010, nr 1(77), Politechnika Warszawska, Warszawa, Więckowski D., Wicher J., Wpływ drgań fotelika na komfort podróżowania dziecka w samochodzie. Eksploatacja i Niezawodność, 2010, nr 4(48). Autorzy: dr inż. Marek Jaśkiewicz Politechnika Świętokrzyska dr inż. Tadeusz Gromadowski PIMot w Warszawie dr inż. Dariusz Więckowski PIMot w Warszawie AUTOBUSY 167