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

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

Normativa Gruppo di lavoro ISO / TC 173 / SC1 / WG1 ISO 7176-8: con manichino Drum test banco a rulli asincroni (f = 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 Drop test altezza di caduta 50mm numero minimo di 6666 impatti sincroni sulle ruote

Normativa ISO 7176-11: manichini di prova 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 7176-11 : massa X Com Y Com Manichino da 100kg, no gambe 92kg 204,0mm 271,6mm Manichino da 120kg, no gambe 112kg 223,2mm 265,1mm Manichino a disposizione: 112 kg

Quesiti aperti Equivalenza del Drop test alla discesa da gradino reale Proposta di un Cam test da sostituire al Drop test Prova incrociata tra laboratori per la verifica dei risultati

Metodo adottato Sviluppo di sistema di rilevazione delle sollecitazioni Prova di caduta da gradino con manichino e soggetti reali. Prova al banco con manichino Prova su strada con soggetti reali

Carrozzine testate OFFCARR (R1) ZODIAC 7 kg Manuale superleggera FISSA PROGEO (R2) Exelle Vario 12 kg Manuale superleggera PIEGHEVOLE VASSILLI (E3) NEW SPACE 1 116 kg Elettronica Non pieghevole Sosp. Posteriori

Banco prova CARATTERISTICHE: rulli ad interasse regolabile velocità regolabile controllata da inverter. camme in PVC con gradino di 50 mm

Sensori sviluppati Modifica della piastrina di supporto asse ruota carrozzina Exelle Vario con fattore 2 di amplificazione del carico totale TW per ruota Sviluppo ponte intero estensimetrico per la misura carichi FZ (asse Z verticale solidale alla carrozzina)

Sensori applicati Tachimetro N° 2 Celle di carico alle Ruote posteriori (RWR, RWL) Accelerometro posteriore (RWaccZ) Fondo scala 25g Banda passante 100Hz Accelerometro anteriore (FWaccZ) Fondo scala 25g Banda passante 100Hz

Prove svolte prove pilota con zavorra o soggetti umani, verifica sistema di misura forze Ruota e accelerazioni discesa da gradino con soggetti reali (58 kg, 86 kg e 109 kg) e con zavorra (46 kg) prove banco a camme con zavorra (46 kg) . prove con manichino su gradino o banco misura accelerazioni alla ruota discesa da gradino con soggetti reali (58 kg, 90 kg) e con manichino (112 kg) prove al banco a camme con manichino (112 kg) prove su strada con un soggetto umano l’acquisizione di spettri di carico di forze alla ruota e accelerazioni con 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%

Analisi Dati TW = Total Weight = Peso Carr + Manichino + Somat RWL, RWR = Forze “Verticali” all’asse posteriore [N] FWaccZ, RWaccZ = Accelerazioni “Verticali” [g] Per generalizzare i dati, RWL e RWR sono Normalizzate al peso totale TW RWL RWR RWaccZ FWaccZ TW

Prove da gradino di 50mm Utenti Zavorra da 46kg

Prove su banco, Sessione 1 Rulli sincroni, zavorra di 46kg Rulli asincroni, zavorra di 46kg

Prove su banco, Sessione 1   prova IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE Rwacc FW_g RW mean Peak SD [g] Fpeak/ TW TW  Utente di 59kg TW=784,8N gradino di 50mm: 3,5km/h 3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 1,837 0,306 Utente di 86kg TW=1049,67N 4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261 Utente di 109kg TW=1275,3N 4,020 - 10,770 0,578 0,049 6,210 1,910 Zavorra di 46kg TW=657,27N gradino 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=599N banco asincrono: 3,6km/h 3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694 banco 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 1   prova IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE Rwacc FW_g RW mean Peak SD [g] Fpeak/ TW TW  Utente di 59kg TW=784,8N gradino di 50mm: 3,5km/h 3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 1,837 0,306 Utente di 86kg TW=1049,67N 4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261 Utente di 109kg TW=1275,3N 4,020 - 10,770 0,578 0,049 6,210 1,910 Zavorra di 46kg TW=657,27N gradino 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=599N banco asincrono: 3,6km/h 3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694 banco 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 1   prova IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE Rwacc FW_g RW mean Peak SD [g] Fpeak/ TW TW  Utente di 59kg TW=784,8N gradino di 50mm: 3,5km/h 3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 1,837 0,306 Utente di 86kg TW=1049,67N 4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261 Utente di 109kg TW=1275,3N 4,020 - 10,770 0,578 0,049 6,210 1,910 Zavorra di 46kg TW=657,27N gradino 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=599N banco asincrono: 3,6km/h 3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694 banco 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 1   prova IMPATTO RUOTA ANTERIORE IMPATTO RUOTA POSTERIORE Rwacc FW_g RW mean Peak SD [g] Fpeak/ TW TW  Utente di 59kg TW=784,8N gradino di 50mm: 3,5km/h 3,803 0,232 9,130 0,312 0,649 0,333 5,933 1,837 0,306 Utente di 86kg TW=1049,67N 4,160 0,144 8,590 0,191 0,680 0,328 6,163 0,926 1,873 0,261 Utente di 109kg TW=1275,3N 4,020 - 10,770 0,578 0,049 6,210 1,910 Zavorra di 46kg TW=657,27N gradino 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=599N banco asincrono: 3,6km/h 3,590 0,393 11,958 1,997 1,421 0,026 5,552 0,565 7,526 0,694 banco 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

Risultati Sessione 2 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

Risultati Sessione 2

Risultati prove su strada 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%

Confronto strada-banco 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

Conclusioni Grazie dell’attenzione L’utilizzo di celle di carico fornisce valori più precisi del picco alle ruote posteriori rispetto ai soli accelerometri, benché di applicazione non generalizzabile La prova su banco a rulli sincroni è molto più gravosa della reale caduta da gradino; ciò vale anche per il drop test come confermato da test svolti durante il round-robin. La vita richiesta di 6666 cicli può essere ricalcolata al variare del carico massimo dichiarato per la carrozzina. Questi risultati sono il punto di partenza per una più accurata definizione dei requisiti di durata inclusi nella normativa. Grazie dell’attenzione