Hand-arm vibration in motocross. Effect of the handlebar design

Nowadays people have more and more the necessity to travel all around the world. This trend implies an increase of average time per day that a person spend on means of transportation. For this reason, ground vehicles manufacturers put a lot of effort to increase the cabin comfort, mainly reducing the vibration energy introduced by road irregularity and transferred to the human body. High levels of vibrations do not only generate discomfort but, especially for long exposure time, they represent an health hazard.This thesis work focuses on the hand-arm vibration reduction for motocross drivers. The plate-handlebar steering system and grips are analysed through numerical models and laboratory activities with the purpose to reduce the vibrations transmitted to drivers. Firstly, through a lumped parameters model, the driver hand vibration exposure is analysed to understand how it is affected by the handlebar and grip characteristics. Furthermore, this mathematical model has been exploited to investigate the optimal handlebar and grip stiffness-damping characteristics able to reduce the driver hand-arm vibration level. The optimal handlebar and grip tuning has been studied using genetic algorithm (GA). As the lumped parameters model is not able to take into account for the handlebar's geometry, the steering system is simply modelled through a mass in series with a suspension system. In order to integrate the lost geometry information and the dynamic response of the handlebar, a finite element model of the hand-arm-steering system has been developed. The main purpose of the finite element model is the forecast of how modifications in the structure may affect the handlebar transmissibility resonances. To reduce hand-arm vibrations, the main idea is to place the handlebar transmissibility peak in correspondence to those ranges of frequencies not significantly excited by the road irregularity, and to introduce most of the energy in the frequency band not transmitted by the handlebar. To assess the real handlebar transmissibility and to determine how it is influenced by the installed grip and driver's hand characteristics, first laboratory activity has been carried out. The plate-handlebar-grip system is installed on a electrodynamic shaker able to reproduce the road irregularity excitation, than a group of ten people tested six different grip. For each couple person-grip, the plate acceleration and the hand velocity were acquired for the transmissibility evaluation; moreover, at the end of each test the person is asked to report a subjective evaluation for the comfort level of each grip. A second laboratory activity is carried out to understand whether a concentrated mass constrained at the extremities of the handlebar is able to reduce the driver's hand-arm vibration. With a similar set up to the previous laboratory test, a group of ten people tested the handlebar with four different masses at the extremities (50g, 100g, 150g, 200g). Analysing the acquired transmissibility and the hand weighted acceleration parameter, it has been possible to determine the optimal concentrated mass able to reduce the driver hand excitation level.

Oggigiorno le persone hanno sempre più la necessità di viaggiare in tutto il mondo; questo implica un trend crescente del tempo medio giornaliero che esse utilizzano sui mezzi di trasporto. Per questa ragione, i costruttori di veicoli terrestri spendono sempre più energie nel tentativo di migliorare il comfort all’interno degli abitacoli, in particolare concentrandosi sul cercare di ridurre l’energia introdotta dal contatto ruota-strada e poi trasmessa al corpo dei passeggeri. Infatti, intensi livelli di vibrazione non solo minano il comfort dei viaggiatori, ma possono rappresentare un serio rischio per la salute, specialmente se i tempi di esposizione sono prolungati. La seguente tesi è pertanto focalizzata alla riduzione delle vibrazioni del sistema mano-braccio nei piloti di motocross. Il sistema piastra-manubrio è stato analizzato attraverso modelli numerici e attività sperimentali al fine di ridurre la trasmissione delle vibrazioni. Dapprima, un modello a parametri concentrati è stato sviluppato per analizzare come le caratteristiche del manubrio e delle manopole influenzino il livello di esposizione alle vibrazioni della mano del pilota. In aggiunta, questo modello matematico è stato utilizzato per individuare le caratteristiche ottimali di rigidezza e smorzamento, che permetto al manubrio di ridurre le vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio. La soluzione ottimale è stata trovata attraverso l’impiego degli algoritmi genetici (GA). Il modello a parametri concentrati non tiene in considerazione la geometria del manubrio, il sistema di sterzo è semplicemente modellato attraverso un parallelo di molle e smorzatori in serie con delle masse. Al fine di integrare l’informazione geometrica e la risposta dinamica del manubrio, non presente nel modello a parametri concentrati, il sistema mano-braccio-manubrio-piastra è stato modellato attraverso gli elementi finiti (FEM). Lo scopo principale del modello agli elementi finiti è la previsione di come modifiche strutturali influenzino la trasmissibilità del manubrio. Per ridurre l’esposizione della mano del pilota, si è principalmente pensato di collocare i picchi di trasmissibilità in corrispondenza degli intervalli di frequenze, non significativamente eccitati dall’irregolarità stradale. In questo modo la maggior parte dell’energia è introdotta nelle frequenze che non sono notevolmente trasmesse dal manubrio. Per determinare la vera trasmissibilità del manubrio e per capire come essa sia realmente influenzata dalle caratteristiche della manopola e della mano del pilota è stata condotta una prima attività sperimentale. In laboratorio, il sistema piastra-manubrio-manopola è stato vincolato al piatto vibrante di uno shaker elettrodinamico, capace di riprodurre l’eccitazione dell’irregolarità stradale. Successivamente un gruppo eterogeneo di dieci persone hanno testato sei diverse manopole. Per ogni coppia persona-manopola, l’accelerazione della piastra e la velocità della mano sono state acquisite al fine di calcolare la trasmissibilità del sistema e l’accelerazione ponderata della mano. In aggiunta alla fine di ogni test, a ogni persona, è stata richiesta una valutazione soggettiva del comfort di ogni manopola. Una seconda attività di laboratorio è stata condotta per investigare se una massa concentrata, collocata all’estremità del manubrio, potrebbe essere in grado di ridurre le vibrazioni della mano del pilota. Con una configurazione simile alla precedente attività sperimentale, un gruppo di dieci persone hanno testato il manubrio con quattro diverse masse alle estremità (50g,100g,150g,200g). Analizzando le così ottenute trasmissibilità e accelerazioni ponderate della mano, è stato possibile determinare il valore ottimale della massa, capace di ridurre il livello di esposizione alle vibrazioni della stessa.