Koncepcja uchwytu na kierownicę dla osób niepełnosprawnych

SZAFRAŃSKA Aleksandra 1 SYBILSKI Kamil 2 MAŁACHOWSKI Jerzy 3 Koncepcja uchwytu na kierownicę dla osób niepełnosprawnych WSTĘP Liczba ludności na świecie przekroczyła siedem miliardów [9]. Niecałe 15% to osoby niepełnosprawne (ON), wśród których dużą grupę stanowią osoby niepełnosprawne ruchowo. Osoby te pomimo braku możliwości samodzielnego przemieszczania się, są bardzo często dobrze wykształcone i posiadają unikalne umiejętności potrzebne na rynku pracy. Niestety barierą w podjęciu pracy jest dla nich niemożliwość dotarcia do miejsca pracy. Jest to szczególnie zauważalne w mniejszych miejscowościach, w których nie ma dobrze zorganizowanej komunikacji miejskiej, posiadającej w taborach autobusy i tramwaje niskopodłogowe. Dlatego też wiele osób niepełnosprawnych ruchowo zmuszonych jest do pozostania w domu i bycia zdanym na pomoc państwa i innych osób. Zwiększenie mobilności ON jest bardzo ważne nie tylko dla nich, ale również dla całego społeczeństwa. Ma to podłoża społeczne i ekonomiczne. Dlatego też wiele organizacji rządowych i pozarządowych organizuje różnego rodzaju inicjatywy mające na celu rozpoznanie potrzeb ON i opracowanie systemów pozwalających na skuteczne usuwanie istniejących barier i ograniczeń. Wśród organizacji pozarządowych na terenie Polski jedną z najprężniej działających jest Stowarzyszenie Pomocy Niepełnosprawnym Kierowcom SPiNKa [8]. Jej celem jest m.in. tworzenie ogólnopolskiej sieci specjalistycznych Ośrodków Szkolenia Kierowców Niepełnosprawnych (OSKN), organizacja sieci profesjonalnych serwisów adaptacyjnych oraz programów wsparcia finansowego w zakupie i adaptacji pojazdów. Oprócz adaptacji używanych pojazdów istnieje możliwość zakupu nowego auta z oprzyrządowaniem dla ON. Wielu producentów (m.in. Fiat, Peugeot, Ford, Skoda i Opel) oferuje swoje samochody w różnych konfiguracjach, odpowiadających typowym wymaganiom osób niepełnosprawnych. Są to standardowe, uniwersalne rozwiązania, które znajdują zastosowanie w różnych markach i typach pojazdów. Jednym z najprostszych rozwiązań urządzeń pozwalających na adaptację samochodu do potrzeb osób z niepełnosprawnością jednej z kończyn górnych jest uchwyt mocowany na kierownicy w postaci gałki. Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań, lecz nie wszystkie odpowiadają kierowcom pod względem funkcjonalności. Stąd też autorzy podjęli próbę opracowania konstrukcji nowej gałki, która łączyłaby zalety dostępnych rozwiązań, a nie posiadała ich wad. 1. OPIS KONSTRUKCJI UCHWYTU Opracowana konstrukcja uchwytu powinna spełniać bardzo wiele wymagań. Poniżej przedstawiono szereg wymagań, którymi powinna się ona odznaczać. Wymagania te jednocześnie wskazują jakie wady mają obecnie produkowane i montowane w samochodach rozwiązania. Poza względami estetycznymi nowy uchwyt powinien się charakteryzować: brakiem wystających elementów poza obrys kierownicy, kształtem dopasowanym do rodzaju schorzenia lub kształtu dłoni (powinien zapewniać pewny chwyt, brak pocenia się dłoni i jej ślizganie), małym odsunięciem punktu chwytu od płaszczyzny kierownicy, 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, 00-908 Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, tel. 22 683 96 83, fax. 22 683 93 55, email: aleksandra.szafranska@student.wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, 00-908 Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, tel. 22 683 96 83, fax. 22 683 93 55, email: ksybilski@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, 00-908 Warszawa, ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, tel. 22 683 96 83, fax. 22 683 93 55, email: jerzy.malachowski@@wat.edu.pl 5905

płynnym i łatwym obrotem części chwytowej wokół osi zamocowania, szybkim montażem i demontażem (aby umożliwić komfortowe kierowanie przez osobę pełnosprawną), regulacją umożliwiającą dopasowanie do dowolnej kierownicy, odpowiednią wytrzymałością i sztywnością (zapewniająca trwałość i bezpieczeństwo użytkowania), niską ceną. Mając na uwadze powyższe uwarunkowania opracowano konstrukcję przedstawioną na rysunku 1. Składa się ona z trzech podstawowych układów. Pierwszy jest odpowiedzialny za wymianę części chwytowej układu, drugi za obrót jej wokół osi symetrii, a trzeci za montaż do kierownicy. Rys. 1. Widok rozstrzelony uchwytu wraz z mocowaniem: 1- gałka, 2- przycisk, 3- zapadka, 4-sprężyna zapadki, 5- obudowa łożyska, 6- łożysko kulkowe, 7-sworzeń, 8-nakętka, 9- górna blacha mocująca, 10- dolna blacha mocująca, 11- tuleja, 12-blokada sworznia, 13- płytka osadcza, 14- sprężyna przycisku. W skład pierwszego układu wchodzą elementy przedstawione na rysunku 2: gałka, przycisk, dwie zapadki, trzy sprężynki oraz obudowa łożyska. Galka w trakcie eksploatacji jest osadzona na obudowie łożyska i przytrzymywana poprzez zapadki, które zapierają się o wewnętrzną powierzchnię oporową gałki. Gdy zachodzi potrzeba zmiany części chwytowej należy poprzez otwór w górnej powierzchni gałki wcisnąć przycisk, który spowoduje zsunięcie zapadek i umożliwi jej zdjęcie. Za sprawą sprężynek zapadki po zwolnieniu przycisku wrócą do pierwotnego położenia, a nową część chwytową wystarczy nasunąć na obudowę łożyska. 4 1 2 3 5 3 2 Rys. 2. Budowa układu odpowiedzialnego za wymianę części chwytowej gałki: 1 - Obudowa łożyska, 2 - zapadka, 3, 5 sprężynki, 4 przycisk. 5906

Obudowa łożyska wchodzi również w skład drugiego układu, odpowiedzialnego za swobodne obracanie części chwytowej (przedstawionego na rysunku 3). Element ten wewnętrzną powierzchnią przylega do zewnętrznej powierzchni łożyska tocznego (mocowanie na wcisk), które z kolei jest osadzone na sworzniu. Przed zsuwaniem łożyska ze sworznia chroni płytka osadcza z jednej strony i powierzchnia oporowa sworznia z drugiej strony. Układ ten jest montowany na etapie produkcji i jest nierozłączny w trakcie eksploatacji. 1 2 4 3 Rys. 3. Układ obrotu gałki: 1- obudowa łożyska, 2- łożysko kulkowe, 3- płytka osadcza, 4- sworzeń. Za mocowanie uchwytu do kierownicy odpowiedzialne są głównie blachy. Są tak wyprofilowane, by pasowały do większości kierownic montowanych w autach osobowych. Utrzymanie odpowiedniego ściśnięcia koła kierownicy jest uzyskiwane poprzez skręcenie blach tuleją i nakrętką. Potrzebny jest do tego klucz i śrubokręt, lecz te elementy są montowane tylko raz w danym aucie. Po zamocowaniu blach w otwór tulei wsuwany jest sworzeń, który ustalany jest dodatkowo poprzez wieloklin. Od spodu sworzeń jest przykręcany blokadą. Nie jest wymagany duży moment dokręcenia, toteż użytkownik może go wkręcić palcami. We wstępnej fazie projektowania przyjęto, że wszystkie elementy pierwszego układu będą wykonane z tworzywa sztucznego, natomiast wszystkie pozostałe ze stali. Założono, że dokładny rodzaj materiału zostanie wybrany na podstawie wyników analizy numerycznej, do której przyjęto liniowe charakterystyki materiałowe. W przypadku stali przyjęto moduł Younga na poziomie 205 GPa i współczynnik Poissona 0,3. Dla tworzywa odpowiednio 4 GPa oraz 0,35. 2. OPRACOWANIE MODELU NUMERYCZNEGO Opracowaną konstrukcję uchwytu na kierownicę poddano testowi numerycznemu, którego celem było przede wszystkim oszacowanie stanu naprężenia w poszczególnych komponentach oraz na tej podstawie dobranie materiałów, które byłyby w stanie bezpiecznie przenieść zdefiniowane obciążenie. Przed dyskretyzacją modelu geometrycznego przeprowadzono uproszczenia kształtu. We wszystkich komponentach usunięto zaokrąglenia, sfazowania i podcięcia technologiczne. Ponadto usunięto sprężynki, zapadki i przycisk oraz założono, że obudowa łożyska i gałka tworzą razem integralną całość. W przypadku łożyska sprowadzono jego kształt do prostego walca. Zdecydowano się na taki zabieg, gdyż jego nośność dwukrotnie przekracza obciążenia, jakim była poddawana konstrukcja, a pełna dyskretyzacja znacznie by zwiększyła ilość użytych elementów skończonych. Zrezygnowano również z modelowania płytki osadczej, która przy przyjętym schemacie obciążenia nie powinna przenosić żadnych sił. Jej geometrię odzwierciedlono poprzez dodanie pierścienia na sworzniu. Opracowując model numeryczny zrezygnowano również z modelowania połączeń gwintowych pomiędzy blokadą sworznia i sworzniem oraz tuleją i nakrętką. Odzwierciedlono je poprzez uwspólnienie węzłów tych komponentów. Kontakt pomiędzy pozostałymi komponentami zamodelowano z wykorzystaniem elementów typu GAP [3]. Zdecydowano się na takie podejście, 5907

gdyż geometria komponentów uchwytu wymusiła zgodność siatek na stykających się powierzchniach, co z kolei wyklucza zastosowanie standardowego kontaktu bazującego na algorytmie węzeł do powierzchni. Kontakt tego typu byłby nieefektywny, gdyż powodowałby trudności w uzyskaniu zbieżności w trakcie prowadzonych. Elementy typu GAP definiowane są pomiędzy parą węzłów. Odcinek je łączący wyznacza kierunek x elementu oraz układ lokalny przedstawiony na rysunku 4. Do pełnego zdefiniowania tego układu potrzebny jest jeszcze jeden węzeł, dowolnie zorientowany w przestrzeni, lecz nie leżący na osi łączącej połączone węzły. Krzywa sztywności elementu typu GAP jest zależna od wzajemnego przemieszczenia połączonych węzłów (U A i U B ). Jeżeli U A jest mniejsze od U B o wartość U 0 (definiowaną przez użytkownika, domyślnie 0), to oznacza, że GAP jest otwarty i jego sztywność jest równa KB. W odwrotnej (gdy węzły zbliżają się do siebie) sztywność wynosi KA. Warunek ten w postaci graficznej został przedstawiony na rysunku 4b. Dodatkowo, gdy gapy są zamknięte, elementy te mają sztywność poprzeczną K T. Rys. 4. Orientacja elementu typu GAP w lokalnym układzie współrzędnych (a) i krzywa siły w elemencie typu GAP w nieliniowej analizie [3]. Bardzo dużo trudności w modelowaniu elementów typu GAP przysparza określenie ich sztywności. Zalecane jest przyjmowanie trzy lub cztery razy większej wartości niż sztywność łączonych elementów, jednakże nie zawsze to rozwiązanie się sprawdza. Zbyt mała wartość znacznie spowalnia proces uzyskania zbieżności analizy lub uniemożliwia jej osiągnięcie. Zbyt duża prowadzi do niedokładnych lub błędnych wyników. W prezentowanym modelu wykorzystano adaptacyjne elementy typu GAP, w których wstępnie dobrana sztywność może być korygowana poprzez określenie współczynnika M AR. Podanie jego wartości umożliwia systemowi zmianę sztywności w granicach określonych zależnością: 0 K 0 K K M AR M (1) AR gdzie: K 0 sztywność początkowa KA lub KT. W modelu numerycznym gałki pomiędzy obciążeniem i utwierdzeniem występują cztery pary kontaktowe. Ich rozmieszczenie oraz schemat przekazywania obciążenia w modelu przedstawiono na rysunku 5. 5908

Rys. 5. Położenie elementów typu GAP oraz uwspólnionych węzłów reprezentujących połączenia gwintowe i schemat przekazywania obciążenia w modelu. W modelu numerycznym zrezygnowano całkowicie z blach. Zamiast nich zamodelowano elementy typu GAP, którym na końcach odpowiadających położeniu blach odebrano wszystkie stopnie swobody. W trakcie analiz numerycznych konstrukcja była obciążana siłą przedstawioną na rysunku 6, która została wyznaczona w trakcie symulacji numerycznych zderzenia czołowego auta prowadzonego przez osobę niepełnosprawną [2, 7]. Auto poruszało się z prędkością początkową wynoszącą 55 km/h. Siła ta jest reakcją poziomą nacisku dłoni manekina Hybrid III 50 centylowego na gałkę zamontowaną na kierownicy. Jej maksymalna wartość wynosiła ok. 820 N. Rys. 6. Siła oddziaływująca na gałkę w trakcie symulacji [2, 7]. Siłę reakcji rozłożono na dwie składowe: siłę osiową gałki oraz siłę poprzeczną. Podstawą do obliczenia składowych były badania ruchu kinematyki osoby niepełnosprawnej z wykorzystaniem skanerów F5 Mantis Vision [1, 4]. Wynikiem skanowania są zbiory chmur punktów zapisywanych co 0,1 s. Do analiz numerycznych wyselekcjonowano tylko chmurę obrazująca ustawienie kierownicy do jazdy na wprost. Na jej podstawie zmierzono kąt pochylenia kierunku poprzecznego osi gałki względem kierunku poziomego pojazdu (rysunek 7). Następnie korzystając z funkcji trygonometrycznych wyznaczono składową poprzeczną i osiową siły działającej na gałkę (rysunek 7). Siły te zostały równomiernie rozłożone na powierzchni gałki, która jest widoczna w widoku normalnym do osi działania siły. 5909

Rys. 7. Pomiar kąta pochylenia gałki oraz obliczenia składowych obciążenia. 3. WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ Do rozwiązania zagadnienia, ze względu na występowanie w modelu elementów typu GAP, wykorzystano metodę mieszaną, tzw. iteracyjno-przyrostową. Wynikiem analiz są mapy przemieszczeń wypadkowych przedstawione na rysunku 8 oraz przemieszczeń na kierunku poprzecznym i osiowym (rysunek 9). Widać na nich, że środek gałki pod wpływem zadanego obciążenia nie przemieszcza się na kierunku osiowym. Cała gałka doznaje względem niego natomiast obrotu, wynikiem którego są maksymalne przemieszczenia na poziomie 0,36 mm. Rys. 8. Przemieszczenia wypadkowe gałki [mm]. Rys. 9. Przemieszczenia gałki na kierunku poziomym (po lewej) i pionowym (po prawej)[mm]. Obrót gałki jest wynikiem silnego gięcia sworznia w miejscu jego łączenia z tuleją (rysunek 10). Skutkuje to odrywaniem powierzchni oporowej sworznia od strony działania siły od powierzchni 5910

górnej tulei. Efekt ten jest widoczny m. in. w postaci wydłużania elementów typu GAP w obszarze kontaktu (rysunek 10). Rys. 10. Odkształcenie elementów typu GAP między sworzniem a tuleją (przeskalowane 20 razy). Lokalne efekty opisane powyżej mają odzwierciedlenie również w postaci wartości naprężenia zredukowanego, którego największa wartość występuje właśnie w obszarze silnego gięcia sworznia i jego kontaktu z tuleją (rysunek 11). Wartość maksymalnego naprężenia zredukowanego w przypadku sworznia i tulei są na bardzo zbliżonym poziomie (odpowiednio 390 i 404 MPa). Mapa stanu wytężenia sworznia wskazuje, że drugim miejscem koncentracji naprężenia jest miejsce łączenia dolnej krawędzi łożyska z powierzchnią oporową sworznia. Ich wartość jest jednak znacznie mniejsza i wynosi ok. 210 MPa. Rys. 11. Koncentracje stanu naprężenia zredukowanego : po lewej w sworzniu, po prawej w tulei. Poza obszarem najbardziej wytężonym, wartość naprężeń zredukowanych w uchwycie jest znacznie mniejsza i nie przekracza 220 MPa (rysunek 12). Najmniejsze naprężenie występują w elementach wykonanych z tworzywa, tzn. gałce i obudowie łożyska. Szczegółowe zestawienie wartości maksymalnego naprężenia zredukowanego w poszczególnych komponentach zestawiono w tabeli 1. 5911

Rys. 12. Mapa naprężenia zredukowanego przekrój przez konstrukcję gałki. Na podstawie otrzymanych wyników możliwe było dobranie materiałów, które byłyby zdolne do przeniesienia występujących w układzie obciążeń. Dla gałki, obudowy, zapadek i przycisku przyjęto, że będzie to Poliamid PA 6G GLIDE Plus. Dla sworznia, tulei i blokady sworznia stal automatowa, a dla blach stal konstrukcyjna. Dane wytrzymałościowe dla tych materiałów zestawiono w tabeli 1. Tab. 1. Zestawienie wartości maks. naprężenia zredukowanego w odniesieniu do użytych materiałów na komponenty uchwytu [5, 6]. Gałka i Nazwa Blokada obudowa Sworzeń Tuleja Blachy Nakrętka Łożysko komponentu sworznia łożyska Maks. naprężenia zredukowane Proponowany materiał Moduł sprężystości wzdłużnej E Moduł sprężystości poprzecznej G Współczynnik Poissona Granica plastyczności R e Wytrzymałość na rozciąganie R m Wydłużenie przy zerwaniu A 22 Poliamid PA 6G GLIDE Plus 4 000 1500 390 404 160 Stal automatowa 10S20 [34] 210 000 80 000 - Stal konstrukcyjna 210 000 80 000 220 80 0,35 0,3 0,3 70-4 [%] 360 390 460 740 8 9 [%] 235 340 26 [%] PODSUMOWANIE W ramach artykułu przedstawiono etapy pracy podczas opracowywania nowej konstrukcji uchwytu na kierownicę dla osób niepełnosprawnych. Prace te były skoncentrowane na zbudowaniu układu, który niemiałby wad rozwiązań istniejących na rynku. W dalszym etapie zostanie zbudowany prototyp uchwytu, który następnie będzie poddany badaniom ergonomicznym z wykorzystaniem techniki skanowania ruchu. 5912

Streszczenie Około 15% ludności na ziemi to osoby niepełnosprawne (ON). Wiele z nich nie może podjąć pracy lub brać czynnego udziału w życiu społecznym przez brak dostosowanej do ich potrzeb środków transportu zbiorowego. Dlatego też adaptowane są samochody nowe i używane do rodzaju dysfunkcji ON. Niestety wiele rozwiązań posiada wady, które utrudniają wykorzystywanie tego typu osprzętu lub sprawiają, że ich eksploatacja jest nieergonomiczna. Dlatego też podjęto próbę opracowania nowego uchwytu na kierownicę dla ON, który nie posiadałby typowych wad istniejących rozwiązań. W pracy opisano konstrukcję nowego uchwytu na kierownicę dla ON oraz mechanizmy wchodzące w jego skład. Zawarto również opis modelu numerycznego, który został opracowany w celu doboru materiałów, z których ma być wykonany uchwyt. Na podstawie wyników przeprowadzonej analizy numerycznej określono maksymalny poziom naprężenia w komponentach układu oraz dobrano odpowiednie materiały. Słowa kluczowe: Kierowca niepełnosprawny, uchwyt na kierownicę, model numeryczny The concept of handle on the steering wheel for disabled drivers Abstract About 15% of the population on the earth is disabled. Many of them are unable to work or take part in the social life because of lack of adapted to their needs public transport. Therefore, they are adapted new and used cars to the type of their dysfunction. Unfortunately many solutions have drawbacks that hinder the use of such accessories of make their operation non-ergonomic. Therefore, an attempt was done to develop a new handle on the steering wheel for disabled drivers, which wouldn t have the typical drawbacks of existing solutions. New handle on the steering wheel for the disabled drivers and the mechanisms included in the system were described in the paper. The paper also contains a description of the numerical model, which was developed for selection of materials from which the handle is to be performed. Based on the results of the numerical analysis determined the maximum stresses in the components of the system and chosen the appropriate materials. Keywords: Disabled driver, handle on the steering wheel, numerical model BIBLIOGRAFIA 1. Małachowski J., Sybilski K., Szafrańska A., Baranowski P., Analiza kinematyki kierowcy wykorzystującego oprzyrządowania dla osoby niepełnosprawnej na podstawie skanowania 4D. Transport przemysłowy i maszyny robocze, nr 2 (24)/2014, 2014. 2. Baranowski P., Małachowski J., Sybilski K., Analiza wpływu usprawnień dla kierowców niepełnosprawnych na ich bezpieczeństwo w trakcie zderzenia czołowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, nr 351/2014, 2014. 3. MSC Software, MD Nastran 2011& MSC Nastran 2011 Quick Reference Guide. U.S.A. 2011. 4. Małachowski J., Płatek P., Sybilski K., Odwzorowanie geometrii wnętrza pojazdu z wykorzystaniem techniki inżynierii odwrotnej, Transport przemysłowy i maszyny robocze, nr 2 (24)/2014, 2014. 5. Plastics Groups 2014, http://www.plastics.pl/produkty/tworzywa-techniczne.html. 6. Praca zbiorowa, Poradnik mechanika, REA-SJ, Warszawa 2008. 7. Małachowski J., Sybilski K., Muszyński A., Baranowski P., Problematyka bezpieczeństwa kierowcy wykorzystującego dodatkowe oprzyrządowanie na kierownicy w warunkach zderzenia czołowego, Logistyka, nr 3/2014, 2014. 8. Stowarzyszenie Pomocy Niepełnosprawnym Kierowcom SPiNKa http://spinka.org.pl/ 9. Światowa Organizacja Zdrowia, Światowy Raport o Niepełnosprawności. Genewa 2013. Autorzy wyrażają podziękowanie NCBiR za finansowanie projektu INNOTECH-K2/IN2/35/182265/NCBR/13 5913