Study of the dynamic behaviour of bycicle handlebars and their influence on the vibrotactile perception and discomfort of the hand

This thesis investigates the dynamic behavior of different bicycle handlebars and explores how their properties temporarily affect cyclists’ vibrotactile perception thresholds (VPT) after prolonged exposure to vibrations. The study consists of two phases: the characterization of the dynamic properties of the handlebars through modal analysis, and the subsequent assessments of their impact on the VPT values of eleven male subjects exposed to simulated vibration phenomena while performing an indoor cycling session. In the modal analysis eight handlebars different in intended use (road, gravel, mountain bike), material (carbon fiber, aluminum alloy), and structural and geometrical configuration (integrated vs. non-integrated) have been tested. Using a monoaxial shaker to exert a white noise vibration on the handlebar, and a laser Doppler vibrometer to measure the vibration transmitted to the handlebar itself, frequency response functions and vibration modes have been evaluated. Results showed significant differences between handlebars based on material, geometry, and integration, especially in terms of damping and amplification across the analyzed frequency range (10 Hz to 4000 Hz). More specifically, the data indicate that carbon fiber integrated structures may offer superior vibration damping, particularly at frequencies below 700 Hz, due to their higher resonance frequencies and lower amplification of vibrations. To further understand how integrated structures might reduce vibration transmissibility, the second phase of the study compared an integrated and a non-integrated handlebar. Each subject completed two indoor cycling sessions, one for each handlebar, while triaxial white noise vibrations were applied to the bike’s front wheel to simulate real cycling conditions. VPT measurements were taken before and after each session at the index and little fingers, and the temporary threshold shift (TTS) was calculated to assess each handlebar's influence on vibration perception. Moreover, participants completed a discomfort questionnaire after each session to explore possible correlations between perceived discomfort and TTS for each handlebar. Although the modal analysis suggests potential differences between the structures, the results of the second phase do not show any significant effects related to the use of integrated or non-integrated handlebars. This work provides insights into handlebar design optimization that could enhance rider comfort and reduce the effects associated with prolonged vibration exposure. The findings could guide manufacturers in selecting materials and structural configurations to minimize vibration transmission and improve overall cycling experiences.

Questa tesi analizza il comportamento dinamico di diversi manubri da bicicletta e ne correla le proprietà strutturali alla variazione di percezione vibrotattile (VPT) dei ciclisti dopo un’esposizione prolungata alle vibrazioni provenienti dalla strada. Lo studio è suddiviso in due fasi: la caratterizzazione delle proprietà dinamiche dei manubri, attraverso un’analisi modale, e la successiva misurazione della variazione temporanea della VPT per undici soggetti maschi esposti a vibrazioni simulate durante una sessione di ciclismo indoor. Nella prima fase, è stata condotta un’analisi modale utilizzando uno shaker monoassiale per applicare un rumore bianco ai manubri e un vibrometro laser Doppler per misurare le vibrazioni trasmesse alle strutture. Sono state calcolate le frequenze di risonanza e i modi di vibrazione di otto manubri, differenti per utilizzo previsto (strada, gravel, mountain bike), materiale (fibra di carbonio, lega di alluminio) e configurazione strutturale (integrati o non integrati). I risultati hanno evidenziato differenze significative nel comportamento dinamico in funzione di materiale, integrazione e geometria in tutto il range di frequenze analizzato (10Hz-4000Hz). In particolare, i dati indicano che i manubri integrati in fibra di carbonio, grazie a frequenze di risonanza più elevate e a una minore amplificazione delle vibrazioni, offrono una maggiore capacità di smorzamento, specialmente nel range di frequenze inferiori a 700Hz. Nella seconda fase, lo studio ha indagato come l’utilizzo di manubri integrati o non integrati influisca sulla trasmissione delle vibrazioni al ciclista. Ogni soggetto ha partecipato a due sessioni di pedalata indoor, una per ciascun manubrio, mentre un rumore bianco triassiale veniva applicato alla ruota anteriore della bicicletta per simulare condizioni di test reali. Le misurazioni della VPT sono state effettuate per indice e mignolo, prima e dopo ogni sessione, in modo da calcolare lo shift temporaneo della soglia (TTS) e valutare l’effetto di ciascun manubrio sulla percezione delle vibrazioni. Successivamente, i partecipanti hanno completato un questionario relativo al discomfort percepito per permettere di esplorare eventuali correlazioni tra il discomfort e il TTS indotto da ciascun manubrio. Sebbene l’analisi modale suggerisse differenze potenziali tra le strutture, i risultati della seconda fase non hanno evidenziato effetti significativi legati all’uso di manubri integrati o non integrati. Questo studio offre spunti utili per l’ottimizzazione del design dei manubri, con l’obiettivo di migliorare il comfort del ciclista e ridurre gli effetti associati a un’esposizione prolungata alle vibrazioni. I risultati potrebbero guidare i produttori nella scelta di materiali e configurazioni strutturali in grado di minimizzare la trasmissione delle vibrazioni e migliorare complessivamente l’esperienza del ciclista.