Easy Rider

轻松骑行?测量摩托车的振动水平

只要你骑过摩托车,你或许会注意到发动机振动会引发手麻——或者叫白指症——以及身体其他不舒服的感觉。振动水平会对骑行者的健康以及反应能力造成不良影响,导致事故发生。

摩托车把手的剧烈振动会使骑行变得不舒服,甚至变得危险。大多数骑行者有时注意到了这类振动问题,并声称经历过手抽筋或发麻的情况。当你在路上需要用手控制摩托车上的几乎每个部位时,这不是一个好消息。

骑行者的全身和手臂都会暴露在振动环境下。振动暴露的幅度取决于骑车速度、发动机转速(RPM)、轮胎类型、轮胎压力以及道路条件等因素。此外,它还取决于你在摩托车上的坐姿和抓握把手的方式。大多数问题似乎源自于通过把手和脚踏板传递的振动。

Easy-riderAdamek教授(右)与经济工程硕士Marcus Schröter先生(左)正在准备测量设备

欧盟指令中规定了职业摩托车骑手接触振动的极限水平。针对非职业的骑行者,这些规定值也可作为参考使用。指令中说明:在过长时间内超过这些极限水平会对身体健康造成不良影响,导致例如血管或肌肉等疾病。此外,整个人的状态也会受到影响,增加了事故发生风险。

“骑摩托车的人会接触过多振动,并且其中许多人都谈到自己的身体受到了影响。然而,大多数人并不认为振动造成了实际困扰。”
Adamek教授 

测量27辆摩托车,里程超过2500公里
来自德国Osnabrück大学应用科学专业的Adamek教授承担了这个任务,确定出了摩托车骑手的振动暴露水平,并在近期发表了一个令人瞩目的研究项目。振动测量数据源自由23位不同骑手驾驶的27辆摩托车,测量总里程超过2500公里。 

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这项研究的考察对象是职业摩托车骑手(使用警用摩托车和St.John事故救援摩托车)以及私用摩托车骑行者。研究的目的是为了量化这些人在骑车时的振动暴露水平,并排列出适用于不同骑行者的摩托车类型的振动暴露水平。 

过去,针对摩托车及其振动状况已展开了相关研究,但没有任何一项研究将把手、脚踏板和座位这三种振动源同时考虑在内。

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主观评估—你有什么感觉?
首先,217人(6%女性,94%男性)在调查问卷中回答了关于摩托车振动的问题。

总体而言,大家反映在高速公路上行驶时,摩托车的振动问题尤为明显。

结果表明:
• 83%的骑行者因摩托车振动问题身体受到影响
• 12%的骑行者有血液循环问题
• 大约2/3的骑行者声称振动完全不是问题(或引起的问题非常轻微),尽管他们谈到身体受到了影响

骑行时采集数据
针对研究中的骑行评估工作,在摩托车的两个把手、两个脚踏板以及座位上各安装了一个Brüel & Kjær三轴加速度计,并且还采用了一套独立式记录仪(Brüel & Kjær LAN-XI NOTAR)进行数据采集。此外,还利用了GPS技术记录车速。

不同脚踏板的设计差异明显。根据摩托车的具体型号,在形状各异的踏板或平台上进行振动测量。根据脚踏板是否使用橡胶表面,使用不同类型的加速度计,并且选择使用或不使用安装夹。在某次测量还使用了磁座。将配有移动电源的LAN-XI放置在车座上的座位包,并记录数据。最后,使用Brüel & Kjær PULSE Reflex™进行数据分析。

Easy-rider使用Reflex Core进行分析:左边为加速度信号的时域数据和速度曲线,右边为处理链中的部分结果表格

测试不同工况
每辆摩托车行驶了大约40公里,并记录行驶过程的数据。总计测量了27辆摩托车的2500公里里程(包括骑行测试和耐久性测试)的数据。按照下列不同的工况,测量了5至10分钟的振动数据:
• 50 km/h 匀速
• 90 km/h 匀速
• 130 km/h 匀速
• 在蜿蜒的乡间道路上变速、加速和刹车时

摩托车在匀速行驶路线上的路面状况为“良好”,在乡间道路上则为“良好到适中”。

评估
对把手振动数据进行滤波(频率范围在6.3~1250Hz之间),然后结合3个测量方向(x、y和z)上的振动水平,得出总值。随后,对总值进行频率计权,体现不同频率上手臂系统的灵敏度的差异性。最后,将经过频率计权的总振动值用于评估。

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针对全身振动(脚踏板和座位处),滤波的频率范围在0.8~80Hz之间。随后,对振动值最高的振动方向(x、y或z)进行评估。摩托车往往在z方向(垂直于路面)上具有最高的振动值,因此只对该方向进行评估。

骑行者个人的影响
在给定摩托车型号的情况下,骑行者个人的驾驶方式对其实际的振动暴露水平有显著影响。为确定这种影响,分别在同一天的同一测试路线上对3位驾驶同一辆摩托车(BMW F800GS,2012)的不同骑行者进行了测量(第1位:183cm,95kg;第2位:177cm,67kg;第3位:183cm,70kg)。为排除安装传感器的差异影响,测试期间的所有传感器始终安装在摩托车上。

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为确保测量的可重复性,加速度计安装时使用了扎线带以及工具扎紧以保证同一扎紧力度

经测试发现,骑行者之间不同的驾驶方式(档位选择、加速和减速的力度)、“路线”选择(导致接触不同的路面)以及坐姿(不同的抓地力和回正性能)导致了差异的产生。研究表明,每位驾驶人确实“会让自己的手”影响到振动暴露的水平(已给定摩托车的情况下)。

测量结果还表明振动水平也取决于摩托车的使用年限(旧车的振动情况要比新车更强烈)以及气缸数(例如,单缸摩托车的振动水平超过双缸摩托车)。相反,驾驶人的体重和驾驶经验似乎影响不大或没有任何影响。

超过建议限值
此次研究中达到了欧盟指令中规定的暴露限值水平,并且在某些情况下明显超过了这一限值水平*(有关每天8小时的暴露时间,请参见方框表)。

所有测量结果表明了摩托车型号很大程度上决定了振动水平的差异。一般来说,振动值随着速度增加而增加。针对手臂振动水平,所有类型的摩托车均超过了8小时操作值2.5 m/s2,但也有一定数量的摩托车超过了限值5 m/s2。 

全身振动的幅度随着速度的增加而增加,并且脚踏板处的振动水平超过座位上的振动水平。所有摩托车(在不同的驾驶模式下)均超过了操作值0.5 m/s2。在多种驾驶模式下(越野、转弯、刹车和加速时),几乎所有摩托车在z方向上的测量结果均超过了限值0.8 m/s2。

根据调查,警用摩托车的手臂和全身振动值均超过操作值,但没有超过限值。然而,St.John事故救援摩托车并没有超过操作值。

结论
Adamek教授得出结论称,骑摩托车的人会接触过多振动,并且当中许多人都谈到自己的身体受到了影响。然而,大多数人并不认为振动造成了实际困扰。摩托车骑手的人体振动测量结果明显超过建议的限值,并且全身振动较之手臂振动更大程度地超过限值*。在摩托车型号给定的情况下,骑行者个人的驾驶方式和坐姿对实际的振动暴露水平具有显著影响。 

* 为将振动暴露风险告知各类不同的骑行者群体,此次研究结果在该项目主页:www.hs-osnabrueck.de/de/motorrad-humanschwingungen/


研究数字
27辆不同的摩托车:
• 发动机:1、2和4缸
• 排量:300-1340 cm³
• 功率:20-142 kW (27-193 hp)
• 制造年份:1967-2014年

 

23位驾驶人(2位女性,21位男性):
• 年龄:20-66岁
• 身高:165-193cm
• 体重:60-110kg

有数据记录的总计行驶距离:2500km

 


 

有关振动水平的欧盟指令(2002年)
该指令旨在确保接触振动人群的健康和安全。其区分了手臂振动和全身振动的概念,并定义了下列暴露限值(标准化到8小时的测量时间): 

手臂振动
• 暴露限值 = 5 m/s2
• 暴露操作值 = 2.5 m/s2

全身振动
• 暴露限值= 1.15 m/s2 (x,y); 0.8 m/s2 (z-direction)
• 暴露操作值 = 0.5 m/s2