ANALISI CRITICA DELLE METODOLOGIE DI PROVA A FATICA SU CARROZZINE PER DISABILI SECONDO ISO 7176-8...

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ANALISI CRITICA DELLE ANALISI CRITICA DELLE METODOLOGIE DI METODOLOGIE DI PROVA PROVA A FATICA SU A FATICA SU CARROZZINE PER DISABILI SECONDO CARROZZINE PER DISABILI SECONDO ISO 7176-8 ISO 7176-8 Dr. NICOLA PETRONE Dr. NICOLA PETRONE Ing. CHIARA PICCOLO Ing. CHIARA PICCOLO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA MECCANICA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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ANALISI CRITICA DELLE METODOLOGIE ANALISI CRITICA DELLE METODOLOGIE DI DI PROVAPROVA A FATICA SU CARROZZINE A FATICA SU CARROZZINE

PER DISABILI SECONDO ISO 7176-8PER DISABILI SECONDO ISO 7176-8

Dr. NICOLA PETRONEDr. NICOLA PETRONEIng. CHIARA PICCOLOIng. CHIARA PICCOLO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVAMECCANICA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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Oggetto e obiettiviOggetto e obiettivi

Obiettivo: programmazione di attività sperimentali di acquisizione dati su strada e al banco per la validazione dei metodi di prova.

Carrozzine per disabili: per la resistenza a fatica è previsto il superamento di una prova su banco a rulli con ostacoli di 12 mm di spessore, impattati per 200'000 cicli dalla carrozzina zavorrata con manichino normato, e una prova di caduta da 50 mm di altezza ripetuta per 6666 volte

Quesito: quali evidenze tecnico scientifiche di correlazione tra sollecitazioni al banco e vita su strada giustificano le prove esistenti?

Ambito: gruppo di lavoro ISO TC 173 – SC1 – WG1 incaricato di discutere la revisione della norma ISO 7176-8:1998 relativa ai metodi di prova su carrozzine per disabili

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ISO 7176-8: con manichino ISO 7176-8: con manichino

NormativaNormativa• Gruppo di lavoro ISO / TC 173 / SC1 / WG1Gruppo di lavoro ISO / TC 173 / SC1 / WG1

Drop testDrop test

•altezza di caduta 50mm•numero minimo di 6666 impatti sincroni sulle ruote

•banco a rulli asincroni ( = 250 mm) •ostacoli arrotondati (r = 6 mm) •spessore e lunghezza (12x36 mm), •velocità (vel. perif. 1 m/s) •numero minimo di 200'000 impatti sul rullo posteriore

DrumDrum testtest

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Manichino a disposizione: 112 kgManichino a disposizione: 112 kg

Il manichino è formato da segmento tronco e segmento cosce che a loro volta sono composti da una struttura base, un piatto di carico e uno strato di schiuma.

Il posizionamento delle zavorre determina massa e baricentro dei singoli segmenti e del manichino totale i cui valori sono normati in ISO 7176-11ISO 7176-11 :

massa massa X ComX Com Y ComY Com

Manichino da 100kg, no gambeManichino da 100kg, no gambe 92kg 92kg 204,0mm 204,0mm 271,6mm 271,6mm

Manichino da 120kg, no gambeManichino da 120kg, no gambe 112kg 112kg 223,2mm 223,2mm 265,1mm 265,1mm

ISO 7176-11: manichini di prova ISO 7176-11: manichini di prova

NormativaNormativa

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Proposta di un Proposta di un Cam testCam test da sostituire al da sostituire al Drop testDrop test

Quesiti apertiQuesiti aperti

Equivalenza del Equivalenza del Drop testDrop test alla discesa da gradino reale alla discesa da gradino reale

Prova incrociata tra laboratori per la Prova incrociata tra laboratori per la verifica dei risultativerifica dei risultati

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Sviluppo di sistema di rilevazione delle Sviluppo di sistema di rilevazione delle sollecitazionisollecitazioni

Prova di caduta da gradino con manichino Prova di caduta da gradino con manichino e soggetti reali.e soggetti reali.

Prova al banco con manichinoProva al banco con manichino

Prova su strada con soggetti realiProva su strada con soggetti reali

Metodo adottatoMetodo adottato

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Carrozzine testateCarrozzine testate

OFFCARR (R1) OFFCARR (R1) ZODIAC ZODIAC 7 kg7 kg Manuale Manuale

superleggera superleggera FISSAFISSA

PROGEO (R2) PROGEO (R2) Exelle Vario Exelle Vario 12 kg12 kg Manuale Manuale

superleggera superleggera PIEGHEVOLEPIEGHEVOLE

VASSILLI (E3) VASSILLI (E3) NEW SPACE 1NEW SPACE 1 116 kg116 kg ElettronicaElettronica Non pieghevole Non pieghevole

Sosp. PosterioriSosp. Posteriori

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Banco provaBanco prova

CARATTERISTICHE:

•rulli ad interasse regolabile

•velocità regolabile controllata da inverter.

•camme in PVC con gradino di 50 mm

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Modifica della piastrina di supporto asse Modifica della piastrina di supporto asse ruota carrozzina Exelle Vario con fattore 2 di ruota carrozzina Exelle Vario con fattore 2 di amplificazione del carico totale TW per ruotaamplificazione del carico totale TW per ruota

Sensori sviluppatiSensori sviluppati

Sviluppo ponte intero estensimetrico Sviluppo ponte intero estensimetrico per la misura carichi FZ (per la misura carichi FZ (asse Z asse Z verticale solidale alla carrozzinaverticale solidale alla carrozzina))

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TachimetroTachimetro

Fondo scala 25gBanda passante 100Hz

Fondo scala 25gBanda passante 100Hz

N° 2 Celle di carico N° 2 Celle di carico alle Ruote posteriori alle Ruote posteriori

(RWR, RWL)(RWR, RWL)

Accelerometro anteriore (FWaccZ)Accelerometro anteriore (FWaccZ)

Accelerometro Accelerometro posteriore posteriore

(RWaccZ)(RWaccZ)

Sensori applicatiSensori applicati

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1.1. prove pilota con zavorra o soggetti umani, prove pilota con zavorra o soggetti umani, verifica sistema di misura forze Ruota e accelerazioni verifica sistema di misura forze Ruota e accelerazioni discesa da gradino con soggetti reali (58 kg, 86 kg e 109 kgdiscesa da gradino con soggetti reali (58 kg, 86 kg e 109 kg) e con

zavorra (46 kg) zavorra (46 kg) prove banco a camme con zavorra (46 kg)prove banco a camme con zavorra (46 kg) .

2.2. prove con manichino su gradino o banco prove con manichino su gradino o banco misura accelerazioni alla ruota misura accelerazioni alla ruota discesa da gradino con soggetti reali (58 kg, 90 kgdiscesa da gradino con soggetti reali (58 kg, 90 kg) e con

manichino (112 kg)(112 kg) prove al banco a cammeprove al banco a camme con manichino (112 kg)(112 kg)

3.3. prove su strada con un soggetto umanoprove su strada con un soggetto umano l’acquisizione di spettri di carico di forze alla ruota e accelerazioni l’acquisizione di spettri di carico di forze alla ruota e accelerazioni

con carrozzina R2 su diversi terrenicon carrozzina R2 su diversi terreni. soggetto 27 anni, 1700 mm, 70 kg, utente esperto 4 km a circa 5 km/h: ghiaino (21%), asfalto (38%), pavè e lastricato

30 % e ciottolato 4%

Prove svolteProve svolte

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Analisi DatiAnalisi Dati

TW = Total Weight TW = Total Weight = Peso Carr + Manichino + Somat= Peso Carr + Manichino + Somat

RWL, RWR = Forze “Verticali” all’asse posteriore [N]RWL, RWR = Forze “Verticali” all’asse posteriore [N]

FWaccZ, RWaccZ = Accelerazioni “Verticali” [g]FWaccZ, RWaccZ = Accelerazioni “Verticali” [g]

RWLRWLRWRRWR

RWaccZRWaccZ

FWaccZFWaccZ

Per generalizzare i dati, RWL e RWR Per generalizzare i dati, RWL e RWR sono Normalizzate al peso totale TWsono Normalizzate al peso totale TW

TWTW

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Prove da gradino di 50mm Prove da gradino di 50mm

UtentiUtenti

Zavorra da 46kgZavorra da 46kg

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Prove su banco, Sessione 1Prove su banco, Sessione 1

Rulli sincroni, zavorra di 46kgRulli sincroni, zavorra di 46kg

Rulli asincroni, zavorra di 46kgRulli asincroni, zavorra di 46kg

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 prova

  

IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE

Rwacc FW_g RW mean Rwacc FW_g

Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD

[g] [g] [g] [g]Fpeak/

TW

Fpeak/

TW  [g] [g] [g] [g]

Utente di 59kg TW=784,8Ngradino di 50mm: 3,5km/h

3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 0,232 1,837 0,306

Utente di 86kg TW=1049,67Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261

Utente di 109kg TW=1275,3Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,020 - 10,770 - 0,578 0,049 6,210 - 1,910 -

Zavorra di 46kg TW=657,27Ngradino di 50mm: 4km/h

4,653 0,583 10,633 0,635 1,045 0,545 7,957 0,474 2,917 0,617

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco asincrono: 3,6km/h

3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco sincrono: 3,6km/h

- - - - 1,620 0,016 10,292 1,425 14,945 2,076

La corporatura dell’utente non influenza molto il fattore di carico alla ruota, che vale in media 0,64TW;

Peak = Fpeak / TW

Prove su banco, Sessione 1Prove su banco, Sessione 1

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 prova

  

IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE

Rwacc FW_g RW mean Rwacc FW_g

Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD

[g] [g] [g] [g]Fpeak/

TW

Fpeak/

TW  [g] [g] [g] [g]

Utente di 59kg TW=784,8Ngradino di 50mm: 3,5km/h

3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 0,232 1,837 0,306

Utente di 86kg TW=1049,67Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261

Utente di 109kg TW=1275,3Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,020 - 10,770 - 0,578 0,049 6,210 - 1,910 -

Zavorra di 46kg TW=657,27Ngradino di 50mm: 4km/h

4,653 0,583 10,633 0,635 1,045 0,545 7,957 0,474 2,917 0,617

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco asincrono: 3,6km/h

3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco sincrono: 3,6km/h

- - - - 1,620 0,016 10,292 1,425 14,945 2,076

La presenza sulla sedia di una zavorra inerte comporta un fattore di carico di 1,05TW, che è maggiore di +0,41TW rispetto alla presenza sulla carrozzina di una persona

Peak = Fpeak / TW

Prove su banco, Sessione 1Prove su banco, Sessione 1

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 prova

  

IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE

Rwacc FW_g RW mean Rwacc FW_g

Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD

[g] [g] [g] [g]Fpeak/Fpeak/

TWTW

Fpeak/Fpeak/

TWTW  [g] [g] [g] [g]

Utente di 59kg TW=784,8Ngradino di 50mm: 3,5km/h

3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 0,232 1,837 0,306

Utente di 86kg TW=1049,67Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261

Utente di 109kg TW=1275,3Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,020 - 10,770 - 0,578 0,049 6,210 - 1,910 -

Zavorra di 46kg TW=657,27Ngradino di 50mm: 4km/h

4,653 0,583 10,633 0,635 1,045 0,545 7,957 0,474 2,917 0,617

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco asincrono: 3,6km/h

3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco sincrono: 3,6km/h

- - - - 1,620 0,016 10,292 1,425 14,945 2,076

La prova sul banco con camme asincrone e zavorra da 46 kg comporta un fattore di carico di 1,42TW: la prova è di +0,37TW più gravosa rispetto alla prova di caduta da gradino

Peak = Fpeak / TW

Prove su banco, Sessione 1Prove su banco, Sessione 1

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 prova

  

IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE

Rwacc FW_g RW mean Rwacc FW_g

Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD Peak SD

[g] [g] [g] [g]Fpeak/Fpeak/

TWTW

Fpeak/Fpeak/

TWTW  [g] [g] [g] [g]

Utente di 59kg TW=784,8Ngradino di 50mm: 3,5km/h

3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 0,232 1,837 0,306

Utente di 86kg TW=1049,67Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261

Utente di 109kg TW=1275,3Ngradino di 50mm: 3,5km/h

4,020 - 10,770 - 0,578 0,049 6,210 - 1,910 -

Zavorra di 46kg TW=657,27Ngradino di 50mm: 4km/h

4,653 0,583 10,633 0,635 1,045 0,545 7,957 0,474 2,917 0,617

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco asincrono: 3,6km/h

3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694

Zavorra di 46kg TW=599Nbanco sincrono: 3,6km/h

- - - - 1,620 0,016 10,292 1,425 14,945 2,076

La prova sul banco con camme sincrone e zavorra da 46 kg comporta un fattore di carico di 1,62TW: la prova è di +0,20TW più gravosa rispetto alla prova su banco con camme asincrone e di +0,58TW più gravosa della reale caduta da gradino

Peak = Fpeak / TW

Prove su banco, Sessione 1Prove su banco, Sessione 1

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Risultati Sessione 2Risultati Sessione 2

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 9.28 -2.05 11.33 9.10 -2.63 11.73

SD 0.45 0.11 0.03 0.47

Mean 8.64 -1.83 10.46 8.06 -3.64 11.70

SD 1.28 0.91 0.67 0.49

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 10.59 -2.54 13.13 9.33 -2.09 11.42

SD 0.21 0.17 0.42 0.33

Mean 10.62 -2.24 12.85 10.12 -0.20 10.31

SD 0.77 0.60 1.03 3.67

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 11.86 -10.01 21.86 5.33 -3.12 8.45

SD 0.88 1.20 1.20 0.05

Mean 12.86 -13.07 25.93 6.30 -4.85 11.15

SD 0.55 3.85 1.59 0.96

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 18.42 -18.97 37.39 12.77 -15.88 28.64

SD 1.38 1.65 1.74 2.62

112 kg DUMMY 3.6 km/h

112 kg DUMMY 5 km/h

112 kg DUMMY 50mm CAM drop

3.6 km/h

GR

AD

INO

50

mm

C

AM

T

ES

T

R1-MANUAL RIGID (ZODIAC)

FWaccZ [g] RWaccZ [g]

58kg Subject 3.6 km/h

58kg Subject 5 km/h

90kg Subject 3.6 km/h

90kg Subject 5 km/h

Valori di picco positivo e negativo registrati e range corrispondente. I picchi positivi di accelerazione mostrano il sostanziale aumento di gravosità del picco nel passaggio da gradino 50 mm alla prova con camme sincrone

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MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 11.60 -8.35 19.95 6.64 -2.92 9.57

SD 0.36 0.32 0.21 1.43

MeanSD

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 19.16 -13.17 32.33 9.32 -13.60 22.92

SD 8.22 2.59 9.55 2.65 CA

M

TE

ST

112 kg DUMMY 50mm CAM drop

3.6 km/h

R2 MANUAL FOLDABLE (EXELLE)FWaccZ [g] RWaccZ [g] G

RA

DIN

O

50 m

m

112 kg DUMMY 3.6 km/h

112 kg DUMMY 5 km/h

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 2.39 -0.54 2.93 7.40 -0.37 7.77

SD 0.01 0.02 3.04 0.01

Mean 2.11 -0.63 2.74 8.87 -0.51 9.375

SD 0.40 0.12 1.23 0.45

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 2.17 -0.77 2.94 8.46 -0.55 9.01

SD 0.03 0.18 0.38 0.05

Mean 1.99 -1.07 3.06 8.68 0.20 8.479

SD 0.20 0.35 1.07 0.01

MAX peak MIN peak RANGE MAX peak MIN peak RANGE

Mean 2.83 -1.67 4.50 3.39 -0.68 4.07

SD 0.14 0.01 --- 0.19 0.23 ---

Mean 2.83 -2.00 4.82 9.94 -2.65 12.58

SD 0.16 0.01 --- 1.89 0.95 ---

GR

AD

INO

50

mm

58kg Subject 3 km/h

58kg Subject 5 km/h

E3 - ELECTRONIC (Space1)

FWaccZ [g] RWaccZ [g]

90kg Subject 3 km/h

90kg Subject 5 km/h

112 kg DUMMY 3 km/h

112 kg DUMMY 5 km/h

Risultati Sessione 2Risultati Sessione 2

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Risultati prove su stradaRisultati prove su strada

25.19 52.87Time (Secs)

-10

970

RW_L (N)

SINC46KG.SIF-Ch2_RW_L

0 150.43Time (Secs)

-70

820

RWL_FZ (N)

FZL_8.SIF-RWL_FZ

Tester: 27 anni, 1,70 m, 70 kg, utente esperto

4 km a circa 5 km/h: ghiaino (21%), asfalto (38%), pavè e lastricato 30 % e ciottolato 4%

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Cumulative Load spectra 4 km Mixed Track, 900 N Total Weight

1

10

100

1000

10000

0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Cumulative Cycles ncum

De

lta

FW

L [

N]

Gravel

Tarmac + Pavè

Total

Cam Drop Test 600cycles

Le storie di carico registrate sui diversi terreni sono state concatenate e soggette ad un conteggio dei cicli con il metodo del rainflow (previsione vita a fatica). IP: percorrenza tipica di 750 km all’anno, x 10 anni = vita obiettivo di 7500 km.

Curva minima di resistenza dei telai avente Delta FZ pari a 400 N a 2 106 cicli, k = 5

Neq cicli al banco equivalenti ai 7500 km, MD = 112 kg, MD = 78 kg MD = 46 kg, Neq = 600 cicli, Neq = 3000 cicli Neq = 29000 cicli

Confronto strada-bancoConfronto strada-banco

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ConclusioniConclusioni L’utilizzo di celle di carico fornisce valori più precisi del L’utilizzo di celle di carico fornisce valori più precisi del

picco alle ruote posteriori rispetto ai soli accelerometri, picco alle ruote posteriori rispetto ai soli accelerometri, benché di applicazione non generalizzabilebenché di applicazione non generalizzabile

La prova su banco a rulli sincroni è molto più gravosa della La prova su banco a rulli sincroni è molto più gravosa della reale caduta da gradino; ciò vale anche per il drop test come reale caduta da gradino; ciò vale anche per il drop test come confermato da test svolti durante il round-robin.confermato da test svolti durante il round-robin.

La vita richiesta di 6666 cicli può essere ricalcolata al variare del La vita richiesta di 6666 cicli può essere ricalcolata al variare del carico massimo dichiarato per la carrozzina. carico massimo dichiarato per la carrozzina.

Questi risultati sono il punto di partenza per una più accurata Questi risultati sono il punto di partenza per una più accurata definizione dei requisiti di durata inclusi nella normativa. definizione dei requisiti di durata inclusi nella normativa.

Grazie dell’attenzioneGrazie dell’attenzione