STUDY ON VIBRATIONAL COMFORT IN DIFFERENT VEHICLES AND PAVINGS: A SYSTEMATIC REVIEW
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/dt10202508151953
Yuri de Magalhães1
Orientador: Sebastião Anastácio Gomes Neto2
RESUMO
O uso de veículos vem crescendo desde a revolução industrial e, junto dele, a preocupação quanto ao conforto do motorista e passageiros. Sabe-se que o conforto vibracional é decisivo, especialmente para assegurar a saúde do condutor. Tendo em vista o risco ocupacional envolvendo as vibrações, o presente estudo tem como objetivo fazer uma revisão sistemática acerca do conforto vibracional em diferentes veículos, delimitando os resultados aos artigos dos últimos 10 anos que empregaram as normas ISO-2631:1997 e 5349-1:2001 para a avaliação. Foram estudadas as vibrações de corpo-inteiro (VCI) e as vibrações do sistema mão-braço (VMB) nos diferentes veículos bem como a influência do pavimento no conforto vibracional. Observou-se que a vibração de carros e motos parados foi considerada confortável, e, como esperado, menor quando comparada à vibração oriunda de seu deslocamento. Em relação aos veículos que transportam cargas, observou-se uma vibração entre 0,747 m/s2 e 0,804 m/s2 (assento), dado que converge entre as literaturas. Ademais, os estudos afirmam que os motoristas de caminhão não devem exceder 8 horas diárias de condução. No que tange aos eixos, observou-se predominância para o eixo z. Para motocicletas, as vibrações foram classificadas como desconfortáveis. Há unanimidade quanto ao pavimento: a menor vibração é proporcional à melhor qualidade da via.
Palavras-chave: Normas. Saúde. Veículo. Vibração.
ABSTRACT
The vehicles use has been growing since the industrial revolution and, along with it, the concern about the driver comfort and passengers. It is known that vibrational comfort is decisive, especially to ensure the driver’s health. In front of the occupational risk involving vibrations, the present study aims to make a systematic review about the vibrational comfort in different vehicles, delimiting the results to articles from the last 10 years that used the ISO-263:1997 and 5349-1: :2001 standards for evaluation. Wholebody vibrations (WBV) and hand-arm system vibrations (HAV) in different vehicles were studied, as well as the influence of the pavement on vibrational comfort. It was observed that the vibration of stationary cars and motorcycles was considered comfortable, and, as expected, lower when compared to the vibration from displacement. As for trucks, a vibration between 0.747 m/s2 and 0.804 m/s2 (seat) was observed and converges between the literature. Furthermore, studies affirm that truck’s drivers should not work more than 8 hours a day. Regarding the axes, the z axis was predominantly observed. For motorcycles, vibrations were rated as uncomfortable. There is unanimity regarding the pavement: the lower vibration is proportional to the better quality of the road.
Keywords: Health. Standards. Vehicle. Vibration.
1. INTRODUÇÃO
O uso de veículos automotores marcou o início do século XX e se mantém presente até os dias atuais, com repercussões não só comerciais, como também na saúde pública. Em 1914, o modelo de produção em massa, denominado Fordismo, revolucionou o mercado automobilístico da época, popularizando o uso de veículos, com interesse crescente em todo o mundo (GRAMSCI, 2008).
Desde então, diversas fontes buscam informar os compradores sobre quais veículos proporcionam melhores condições de uso. Dentre as características avaliadas está o conforto, que, segundo MAIA (2002), é um dos critérios mais importantes para se medir a qualidade de um veículo exposto a diferentes vibrações.
A Organização Internacional de Normalização cita os efeitos da vibração de corpo inteiro para a saúde (ISO 2631-1, 1997). Em seguida, as vibrações passam a ser classificadas como agentes de risco ocupacional pela Organização Mundial da Saúde, responsável pelo aparecimento de desordens no sistema musculoesquelético e circulatório (ALMEIDA et al., 2020).
O presente estudo tem como objetivo fazer uma revisão sistemática da literatura acerca do conforto vibracional em diferentes veículos (carros, caminhões, ônibus e motos), delimitando os resultados aos artigos que empregaram as normas ISO-2631:1997 e 5349-1:2001 para a avaliação. Ademais, foi estudado o impacto da pavimentação na vibração, comparando os resultados encontrados na literatura.
2. DESENVOLVIMENTO
Segundo SOEIRO, 2008, a vibração é qualquer movimento que se repete em um intervalo de tempo, sendo necessário o entendimento sobre a oscilação de um corpo em torno de uma posição de equilíbrio, bem como as forças e os momentos a ele associados. Quando um corpo descreve um movimento oscilatório em torno de um ponto de referência este é tido como um corpo em vibração (FERNANDES, 2000; SAVIONEK, 2010).
De forma geral, RAO (2011) define que um sistema vibratório inclui um meio para armazenar energia e um de perda gradual de energia, por exemplo: mola e amortecedor, respectivamente. Assim, a vibração de um sistema envolve transferência alternada de sua energia potencial para energia cinética, e desta para potencial. Quando o sistema é amortecido, certa quantidade de energia é dissipada em cada ciclo vibratório, sendo substituída por uma fonte externa.
O número de vezes de um ciclo completo do movimento em um período de segundo, é chamado de frequência, medido em ciclos por segundo ou Herts (Hz) (FERNANDES, 2000; SAVIONEK, 2010). Quanto à representação de um sinal de vibração, esta pode ser visualizada graficamente de diversas maneiras, os gráficos mais usuais são: amplitude de vibração x tempo e amplitude de vibração x frequência, sendo este denominado de espectro de frequência.
Outros parâmetros podem ser identificados em um sinal vibratório, mas o presente estudo deter-se-á ao valor rms (root mean square), que é usual para a avaliação da vibração. Este valor está associado à potência que o sinal tem e ao correspondente potencial lesivo que ele pode ocasionar aos tecidos humanos (GRIFFIN 1990). FERNANDES (2000) afirma que o rms possibilita avaliar a energia média contida em um movimento oscilatório, mostrando o potencial de dano causado pela vibração, tendo relação direta com a energia contida na onda. O valor rms para uma função variável contínua f(t) definida sobre o intervalo de tempo T1 £ t £ T2, é dado pela seguinte expressão:
Neste momento é fundamental diferenciar as vibrações pelo qual o corpo humano pode ser exposto. A Vibração de corpo inteiro diz respeito, como já sugere o nome, àquela que atinge o corpo todo, mais especificamente em uma faixa de frequência de 1 a 80 Hz; já as vibrações de extremidades são aquelas transmitidas às mãos e aos braços em uma frequência de 6,3 a 1250 Hz (KADERLI, 2010).
Os estudos que correlacionam as vibrações ao potencial lesivo frequentemente avaliam a exposição simultânea a estas vibrações ao conduzir um veículo. Ao corpo inteiro, se tratando do movimento global do condutor do veículo e ao sistema mão-braço, se tratando do contato dos membros superiores com o volante (KADERLI, 2010).
Para veículos, a principal causa de vibração transmitida aos passageiros e motoristas se originam da pavimentação, das curvas, do tipo do motor, acelerações e frenagens. Entre os objetos que podem absorver parte destas vibrações está o sistema de suspensão do carro e o material do assento, ditado pela rigidez do assento. O tempo que o indivíduo permanece no banco também são parâmetros importantes para determinar o dano causado ao corpo (FONTOURA, 2019).
Fez-se necessário o uso de normas internacionais para padronizar e avaliar as vibrações. Entre elas temos a ISO (International Organization for Standardization). Tendo em vista a problemática das vibrações nas doenças ocupacionais associadas à condução, diversas metodologias baseiam-se nessas normas. A ISO 5349-1:2001 é utilizada para a avaliação da exposição humana à vibração transmitida ao sistema mão-braço. Já a ISO 2631-1:1997 é utilizada para a avaliação da exposição humana à vibração de corpo inteiro.
Segundo a norma, os limites diários para vibração de corpo inteiro durante uma exposição de 8h são de 0,48m/s2 para o limite de ação e de 1m/s2 para o valor limite de exposição. Valores além destes caracterizariam insalubridade. Já para a vibração mão braço, os limites de exposição em 8h durante 35 anos de trabalho indica limites de 0,91 m/s2 para insalubridade e de 0,45m/s2 para indicar alerta de ação para exposição. A ISO 5349-1:2001 é dada por um gráfico que relaciona o valor da aceleração com o tempo de exposição para que 10% de uma população exposta apresenta problema de doença dos dedos, conforme o exemplo acima.
Ambas as normas têm requerimentos gerais no que se diz respeito à aplicação: A ISO 2631-1:1997 determina que a vibração é medida de acordo com um sistema de coordenadas originado em um ponto em que a vibração está entrando no corpo, conforme as possibilidades ilustradas na Figura 1. Esta também determina que os transdutores devem ser bem localizados e estarem o mais próximo possível da interface entre o corpo humano e a fonte de vibração.
O parâmetro para avaliação da vibração é a aceleração rms, devendo ser expressa em m/s2. É permitido interpor suportes rígidos para o transdutor quando há um material resiliente envolvido (o banco e o motorista, por exemplo). As direções de vibração de corpo inteiro são caracterizadas pelo eixo x (das costas para o peito), pelo eixo y (do lado direito para o lado esquerdo) e pelo eixo z (de baixo para cima).
A norma também determina três grupos de severidade envolvendo os efeitos da vibração: limites para conforto; limites para a perda de eficiência causada por fadiga (percepção); limites de exposição máxima que, se ultrapassado, pode oferecer riscos à saúde. Há outras características envolvidas na norma, como a avaliação da postura do indivíduo e cálculos compensatórios.
Figura 1 – Sistema coordenado
Para determinar o conforto do passageiro, a norma ISO 2631-1 padroniza a classificação de confortável a extremamente desconfortável, de acordo com a variação da vibração em m/s2 A Tabela 1 exemplifica como a norma faz a classificação.
Tabela 1 – Classificação do conforto, segundo a norma ISO 2631-1
A ISO 5349-1:2001, que avalia a vibração mão-braço, determina que o equipamento de medição para a análise vibracional deve ser posicionado de forma que o eixo vertical seja composto pela coordenada z, e os eixos transversais pelas coordenadas x e y, conforme a Figura 2.
O eixo z aponta a direção do antebraço e o x a palma da mão. O y compõe o produto vetorial destes eixos. As medições são adotadas desta forma tendo em vista que a vibração é transmitida ao corpo adotando-se a origem do ponto de contato do corpo com o objeto, nesse caso a mão e antebraço com o volante. Outras características são citadas pela norma que não serão citadas neste artigo.
Figura 2 – Sistema coordenado mão-braço
3. METODOLOGIA
Foi realizada uma revisão sistemática da literatura dos últimos 10 anos que correlaciona o conforto e saúde humana frente à exposição da vibração de diferentes veículos. Para isso, a pesquisa foi delimitada por artigos que utilizam sistemas de coordenada baricêntrico, conforme as normas ISO 5349-1:2001 e 2631-1:1997.
Adotou-se também o estudo de pavimentação a fim de determinar locais de maior vibração, e, portanto, maior potencial lesivo para humanos em longas jornadas de trabalho. O objetivo é comparar resultados e discutir se as vibrações às quais os indivíduos estão expostos estão dentro do limite estabelecido pela norma.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
KADERLI (2010), em seu estudo sobre conforto vibracional de veículos de passeio, observou a vibração do veículo automotor parado, sem qualquer deslocamento, apenas com o funcionamento do seu motor em marcha lenta. O objetivo era avaliar o conforto dos veículos simulando paradas em congestionamento. O autor chegou à conclusão de que todos os veículos analisados foram considerados confortáveis para esta situação, segundo a norma ISO 2631-1: 1997.
Ademais, como esperado, Kanderli observou que as vibrações decorrentes do funcionamento do veículo são significativamente menores em comparação àquelas originadas do seu deslocamento. Outro achado diz respeito à vibração conduzida ao volante: foi maior que a conduzida no assento e no encosto, independentemente das condições de pavimentação.
MARTINS (2019) verificou a exposição ocupacional às vibrações de corpo inteiro em motoristas de 31 veículos pesados durante longo curso tendo em conta os três eixos referenciados anteriormente. Adotou-se um percurso específico para todos os veículos a fim de simular o contexto real de trabalho. O autor observou que os testes relativos à vibração estão entre 0,747 m/s2 e 0,804 m/s2, existindo a necessidade de se tomarem precauções no que se refere a potenciais riscos para a saúde. De acordo com Martins, Velmurugan et al. (2014), observaram que, em média, o valor total eficaz da vibração obtido através do caminhão teste foi de 0,795 m/s2 em boas condições de pavimentação. BORTOLINI et al. (2019) observaram 0,728 m/s2 para condição sem carga e 0,652 m/s2 para condição de carga trafegando sob asfalto.
Em relação à carga horária de trabalho para motoristas de caminhão, Velmurugan et al., (2014) afirmam que o indivíduo não deve exceder as 8 horas diárias de condução. Posteriormente, em 2019, MARTINS reafirma que, para as condições estudadas, um motorista não deveria estar exposto a VCI além das 8 horas diárias.
Em relação aos três eixos (x, y e z) e os valores médios da aceleração ponderada para cada eixo sobre o assento, o estudo de Martins observou que o eixo x foi superior em todos os veículos analisados, em comparação aos demais eixos, contrariando a forte predominância do eixo z ao revisarmos a literatura (DU et al., 2018; VELMURUGAN et al., 2014). O autor em questão sugere que o resultado se deve ao fato do circuito teste não ser livre de trânsito, sendo verificado frequentemente o movimento de aceleração e frenagem oriundos dos obstáculos à livre circulação.
Contrariando a sugestão do autor, Da Silva Carvalho (2017), em seu estudo sobre as vibrações de corpo inteiro entre motoristas de autocarros do tipo mini-bus em uma zona histórica da Cidade do Porto, observou valores predominantemente superiores para o eixo z e inferiores para o eixo x, concordante com a literatura. As medições foram realizadas da mesma maneira, no assento, em um trecho sujeito a movimentos de aceleração e frenagem.
Em 2017, um estudo avaliou a exposição a vibrações de corpo inteiro em usuários de motocicletas, obtendo resultados de acelerações rms, variando entre 1,31 a 1,77 m/s², para VCI. Percebeu-se que os níveis de vibração excedem os limites estabelecidos pelas normas ISO, tanto para uso diário de 8h como para tempo de uso menor. Os níveis elevados de vibração classificam-se, de acordo com as normas ISO, como desconfortáveis. Esses valores ultrapassam os limites estabelecidos e sugerem condições insalubres aos motoqueiros, como meio de trabalho. (SCHIO & GOMES, 2017).
Em 2012, um estudo realizado por Chen, Liu e Chiang (2012) com 25 motociclistas mostrou que apenas um deles apresentou medições de vibração acima do limite indicado, sugerindo alta probabilidade de efeitos adversos à saúde deste indivíduo. De forma contrária, um ano após, Chen & Pan (2013) avaliaram 45 motociclistas em rotas urbanas médias de 20 km, observando que a dose de vibração estimada para 8 horas de exposição excedeu o limite dado pelas normas em 90 % dos casos.
Schio & Gomes (2016) mediram o conforto vibracional em 7 tipos de motos e observaram que a vibração oriunda do motor, com motocicleta parada, é baixa, indicando que, com pouca carga, o motor tem pouca contribuição na vibração. Os mesmos avaliaram a vibração transmitida ao sistema mão-braço, caracterizando insalubridade tendo em vista os resultados encontrados: acelerações rms, variando entre 7,14 a 9,38 m/s².
Outros fatores estão envolvidos no conforto vibracional de veículos. Segundo Kanderli (2010), as molas e espumas que compõem o banco têm grande relevância na absorção da vibração, determinando menor vibração transmitida ao ocupante conforme a melhor qualidade do assento. Fagundes (2014) afirma que, em vibrações de alta frequência, o banco funciona como esperado, atenuando-a e fornecendo valores de transmissibilidade menores que 1 Hz.
Quanto ao conforto vibracional para motocicletas, Kumar, Saran & Guruguntla (2013) afirmam que o carona sente mais desconforto com o aumento da velocidade da motocicleta, quando comparado ao motorista.
Frente à problemática envolvendo o conforto vibracional e as pesquisas para estimá-la, foi criado um modelo computacional válido capaz de simular a resposta vibracional de veículos de passeio e obter respostas para sinais de excitação aplicados nas rodas. O objetivo foi otimizar as análises referentes ao conforto vibracional, reduzindo o número de testes experimentais, o que poupa recursos e tempo. O modelo leva em consideração a excitação na direção vertical tendo em vista que esta é preponderante durante o percurso de um veículo com irregularidades na pista, em velocidade praticamente constante (MRAD, 2018).
É de se esperar que perturbações na via, como lombadas, buracos e má qualidade de pavimento, tenham influência negativa sobre a percepção de conforto do motorista. O bom senso nos leva a crer que a vibração seja menor em vias asfaltadas, ou, de outra forma, linear, como o caso do estudo de Yokomori, Nakagawa & Matsumoto (1986), que descreve a vibração sob neve compactada. De fato, essa convicção de conforto vibracional a depender da qualidade da pista é correta e muito citada na literatura.
Da Silva Carvalho (2017) observou diferença de vibração conduzida ao motorista conforme o pavimento, havendo maior vibração no pavimento empedrado em comparação com o asfalto. Indo ao encontro, Mello et al. (2017) em seu estudo sobre conforto veicular e qualidade das vias observou que o conforto dos passageiros no interior do veículo é determinado pela qualidade da pista: quanto melhor a qualidade, maior o conforto. Além disso, Kanderli (2010) observou que a vibração foi superior ao trafegar sob paralelepípedos quando comparado à pavimentação asfaltada. O estudo de Schio & Gomes (2016) observou o comportamento vibracional de motocicletas. Os autores verificaram que a pavimentação tem maior relevância na vibração em relação à velocidade adquirida pela moto, onde trajetos em paralelepípedos geram maiores vibrações, com menor velocidade média, e, em asfalto, mesmo com velocidade superior, ocorre menor vibração.
Yokomori, Nakagawa e Matsumoto (1986), verificaram o efeito da vibração em motos em diferentes tipos de pistas: não pavimentada e sob neve compactada. Os autores observaram pior desempenho quanto ao conforto vibracional no local não pavimentado. Além disso, constataram que os limites da norma ISO foram excedidos, principalmente quando o veículo era acelerado nesta condição.
Perazzo (2018) em seu estudo sobre a resposta dinâmica de uma motocicleta trafegando em diferentes perfis de pista observou que as acelerações as quais a motocicleta e o piloto sofrem devido ao aumento de velocidade, juntamente com a diminuição da qualidade do perfil de pista, tendem a ser cada vez maiores. Dessa forma, os dados são concordantes entre os autores.
5. CONCLUSÃO
Em frente à problemática envolvendo vibrações e, uma vez que as vibrações são manifestações de comportamento dinâmico comum a todos os veículos, o estudo do conforto veicular decorrente de vibrações torna-se importante, especialmente no que diz respeito aos limites vibracionais. O presente estudo cumpre com o esperado, determinando o conforto veicular em carros e motos, quando ligados em ponto morto e quando estão em deslocamento. A média de vibração em assento de veículos que transportam cargas pesadas também foi estabelecida, com dados convergentes entre as literaturas.
A vibração em motocicletas foi determinada como a mais desconfortável entre os veículos estudados. Os autores concordam entre si quando estudam o conforto vibracional a depender de diferentes pavimentos, observando pior conforto em pavimento de pior qualidade. Por fim, observou-se que seguidamente os condutores são expostos a vibrações com risco potencial à saúde, especialmente motociclistas. Por fim, sugere-se o uso de softwares para determinar a vibração veicular visando a redução orçamentária e de tempo gasto.
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1Graduando em Engenharia Mecânica na Universidade Federal de Rio Grande, Rio Grande, Rio Grande do Sul, Brasil. Técnico em Mecânica Industrial pelo Instituto Federal Sul Rio Grandense – campus Pelotas. E-mail: yurimagalhaes@furg.br
2Orientador. Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal do Pará (UFPA), Mestre em Processos Construtivos.