ESCUELA  TÉCNICA  SUPERIOR  DE  INGENIERÍA  (ICAI)   GRADO  EN  INGENIERÍA  ELECTROMECÁNICA   ESPECIALIDAD  MECÁNICA    

CASCO  INFLABLE  PARA  BICICLETAS   URBANAS        

Autor:  Diego  Riveiro  Lasheras   Directores:  Jesús  Jiménez  Octavio  y  Pablo  Rosa  Casado    

 

Madrid   Julio  de  2016  

CASCO INFLABLE PARA BICICLETAS URBANAS Autor: Riveiro Lasheras, Diego. Director: Jiménez Octavio, Jesús y Rosa Casado, Pablo. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO.

1.   Introducción El objetivo de este proyecto es diseñar un Casco Inflable para bicicletas urbanas. Este producto está enfocado al uso personal de ciclistas que utilicen la bicicleta de manera asidua. Además, se estudia su aplicación en la ciudad de Madrid, siendo extrapolable a las otras ciudades europeas u otros países en el mundo en los que el uso de la bicicleta se ha establecido y consolidado en los últimos años. El casco utiliza aire comprimido para inflarse hasta alcanzar una presión determinada y hasta tener una forma parecida al de un casco de bicicleta convencional. La absorción de energía en el impacto se realiza mediante la deformación del casco sin que esto suponga un riesgo para el ciclista, como se ha comprobado en los ensayos que se han realizado en el programa Abaqus.

Imagen 2: Vista lateral del Casco Inflable

Imagen 1: Casco Inflable

Dado que en los últimos años se han desarrollado diseños novedosos de cascos de bicicleta, el Casco Inflable pretende introducir una determinada innovación al concepto del casco, que es el de poder desinflarse cuando no se utilice y ocupar un volumen muy reducido. Existe algo parecido actualmente con el airbag Hövding, que es un collarín del cual se despliega un airbag cuando el ciclista va a sufrir un impacto. Sin embargo, este es un sistema complejo – el aire reacciona con un gas para inflarse en milisegundos – y caro, dado que tiene un precio de mercado de unos 300 euros. Por otro lado, el casco Closca se pliega y ocupa menos volumen que un casco convencional, pero no lo reduce tanto como el Casco Inflable.

 

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Imagen 3: Airbag Hövding

Imagen 4: Casco Closca

2.   Objetivos y Metodología El objetivo de este trabajo es determinar las características del Casco Inflable y verificar que este cumple la normativa europea CE EN 1078. En cuanto a la normativa, se deben cumplir los criterios de: •   Aceleración de impacto. Esta debe ser menor de 250 g para los dos ensayos de la normativa, es decir, el impacto contra un Yunque Circular – superficie plana – y contra un Bordillo. •   Ventilación. El casco debe facilitar la ventilación del sudor del ciclista mediante algún tipo de conducto. •   Visibilidad. La normativa establece que el ciclista debe tener una visibilidad de 25 grados hacia arriba y 45 hacia abajo. Lateralmente, debe tener una visión de 105 grados a cada lado. Por otro lado, se han considerado los siguientes factores adicionales que no están incluidos en la normativa: •   Distancia mínima de la cabeza a la superficie de impacto. Este valor es crítico, ya que el casco tiene la capacidad de deformarse, por lo que podría darse la situación en la que la deformación es tal que la cabeza impacta contra la superficie. •   Varias cámaras de aire - mínimo dos - que garanticen que en caso de fallo en alguna de las cámaras debido a un agujero o rotura que provoque una fuga de aire, haya otras cámaras que amortigüen el impacto. •   Tensiones no muy excesivas en el material que puedan provocar rotura. La metodología ha consistido en primero, diseñar un Casco Inflable que cumpla las características de visibilidad y ventilación de la normativa. Posteriormente, se han realizado los ensayos que dicha normativa establece para verificar que cumple el criterio de absorción de impacto y que el casco se podría homologar. De manera paralela, estos ensayos también sirven para seleccionar las siguientes características del Casco Inflable: •   El material del casco, que deberá ser elástico para que pueda inflarse y desinflarse. •   El grosor del material del casco, que influirá en su capacidad de deformación.

 

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•   Las presiones internas del casco, que deberán asegurar que la cabeza del ciclista no toca con la superficie de impacto. •   Material de carcasa externa del casco, que aporte mayor seguridad. •   Grosor de la carcasa externa, que influirá en su repercusión en la absorción de energía en el impacto •   Los elementos secundarios del casco, como la correa o las válvulas de inflado. Posteriormente, se ha determinado el desarrollo del producto, que incluye sus funciones, sus aplicaciones a otros sectores e indicaciones respecto a su almacenamiento y mantenimiento. Finalmente, una vez se ha logrado diseñar el Casco Inflable, se ha establecido un plan de negocio para vender el producto, principalmente enfocado a la ciudad de Madrid.

3.   Análisis de Resultados y Conclusiones Después de haber realizado varios diseños del casco y haber llevado a cabo distintas simulaciones hasta llegar al diseño final, se ha verificado que el Casco Inflable cumple la normativa CE EN 1078 y se han seleccionado las características finales del casco, que se muestra a continuación:

Características del Casco Inflable Casco Inflable Material

Grosor del Material

Grosor del Casco

Nylon PA6/66 Unfilled

1 mm

5 cm

Material Poliestireno Unfilled

Presiones de las cámaras (bar) Presión Presión Interna Externa 2 bar

3 bar

Carcasa Externa Grosor del Material 2 mm

Tabla 1: Características Finales del Casco Inflable

Se ha comparado el resultado de aceleración de impacto de este Casco Inflable con otros en el mercado. Para ello, se ha utilizado el artículo Bycicle helmet test de Folksam, que muestra las aceleraciones de impacto de distintos cascos de bicicleta del mercado sueco frente a una superficie plana. Estos resultados, que se comparan con los del ensayo del Yunque Circular de la normativa CE EN 1078 del Casco Inflable, se muestran a continuación:

Aceleración de Impacto de Distintos Cascos de Bicicleta Casco Abus S-Force Peak Official Vasaloppet Bell Stoker MIPS Biltema cycle helmet

Aceleración (g) 202 155 189

 

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Carrera Foldable Casco Active-TC Casco Inflable Giro Savant MIPS Giro Sutton MIPS Hövding 2.0. Limar Ultralight Melon Urban Active Occano U MIPS Helmet Occano Urban Helmet POC Octal AVIP MIPS Scott Stego MIPS Smith Forefront Spectra Urbana MIPS YAKKAY with cover Media Valor Máximo

225 170 81 153 212 48 169 173 178 192 140 166 231 168 242 172 250

Imagen 5: Aceleración de Impacto de Distintos Cascos de Bicicleta

Como se puede apreciar, el Casco Inflable da unos resultados excelentes si se compara con el resto, puesto que solo es superado por el Hövding 2.0. y además, su valor tiene un coeficiente de seguridad de 3 respecto al límite que establece la normativa CE EN 1078. Por tanto, a pesar de que pueda existir cierto error entre el resultado de las simulaciones que se han llevado a cabo en este trabajo y el que se obtendría en la realidad con ensayos empíricos, el margen de error con un factor de seguridad de 3 es muy alto. Además, según el artículo de Folksam, aunque la aceleración de impacto de un casco de bicicleta sea menor de 250 g, esto no asegura que el riesgo de fractura en el cráneo sea cero. Concretamente, se menciona que en un impacto de 250 g, se tiene un 40% de probabilidad de que ocurra una fractura en el cráneo. Es más, manifiesta que con un impacto de menos de 180 g, esta probabilidad se reduce al 5%. Es decir, que el Casco Inflable no solo cumple la normativa CE EN 1078 con un buen factor de seguridad, sino que además, el riesgo de que el cráneo del ciclista sufra algún tipo de fractura es mínimo. Por tanto, se concluye que el Casco Inflable es un producto viable puesto que cumple la normativa europea de homologación, y que además, lo hace con mejores resultados que otros cascos que hay en el mercado, convirtiéndolo en un casco muy seguro.

 

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INFLATABLE HELMET FOR CITY BIKES Author: Riveiro Lasheras, Diego. Director: Jiménez Octavio, Jesús and Rosa Casado, Pablo. Colaborating Entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas. ABSTRACT.

1.   Introduction The objective of this project is to design an Inflatable Helmet for city bikes. The product is focused to satisfy the cyclists who use a bicycle in their everyday life. In addition, its implementation is particularly studied in the city of Madrid, although it can be extrapolated to other European cities or other countries where the use of city bikes has been established in recent years. The helmet uses compressed air to inflate itself until a certain level of pressure is reached, and achieves a similar shape to the one that a conventional bicycle helmet has. The impact energy is absorbed through the helmet´s deformation, which doesn´t cause any risk to the cyclist, as proven in the tests that have been conducted in Abaqus CAE.

Image 2: Lateral view of the Inflatable Helmet

Image 1: Inflatable Helmet

After several years of helmet design developments, the Inflatable Helmet aims to introduce a given innovation, which is the ability to deflate when it is not in use and to occupy a very small volume. The Inflatable Helmet has some resemblance to the Hövding airbag, a collar which inflates an air bag when the cyclist is going to suffer an impact. However, this is a complex system - the air reacts with a gas to inflate in milliseconds and expensive, since it has a market price of about 300 euros. Furthermore, the Closca helmet folds and occupies less volume than a conventional helmet, but it is still more than the volume the Inflatable Helmet can achieve when it is deflated.

 

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Image 3: Hövding airbag

Image 4: Closca helmet

2.   Objectives and Methodology The objective of this study is to select the Inflatable Helmet features and to verify that it meets the European standard CE EN 1078 requirements. As for the standard, any helmet must meet the following requirements: •   Impact acceleration. It should be lower than 250 g for the two tests that the standard establishes: impact against a flat anvil and against a kerbstone anvil. •   Ventilation. The helmet should facilitate the ventilation of the cyclist´s sweat through some kind of conduct. •   Visibility. The standard states that the cyclist should have a visibility of 25 degrees upwards and 45 downwards. Horizontally, there must be a visibility of 105 degrees to each side. On the other hand, the following additional factors that are not included in the standard have been considered: •   Minimum distance between the head and the surface of impact. This value is critical since the helmet has the ability to deform, so a situation could be given where the deformation is such that the head hits the surface. •   Several air chambers - at least two - to ensure that in case of failure in one of the chambers due to a hole that causes an air leakage, there are other chambers that can absorb the impact´s energy. •   Not excessive stresses in the material. The methodology consisted of first, designing an Inflatable Helmet in a CAD program that meets the standard´s requirements of visibility and ventilation. Secondly, the two tests the standard establishes have been conducted to verify that the helmet meets the requirements, specifically in terms of impact energy absorption. In parallel, these tests are also used to select the following features of the Inflatable Helmet: •   The helmet´s material, which must be elastic so it can be inflated and deflated. •   The helmet´s material thickness, which influences its ability to deform. •   The helmet´s internal pressures, which must ensure that the head of the cyclist does not touch the surface of impact.

 

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•   The external shell´s material, which provides more safety. •   The external shell´s material thickness, which affects its influence on the impact energy absorption. •   The helmet´s secondary elements, such as the strap or the inflation valves. Subsequently, it has been determined the product´s development, including its performance, application to other industries and indications regarding storage and maintenance. Finally, once the Inflatable Helmet has been designed, a business plan is established to sell the product, mainly focused on the city of Madrid.

3.   Result Analysis and Conclusions After making several helmet designs and having carried out several simulations until the final design was achieved, it has been verified that the Inflatable Helmet meets the CE EN 1078 requirements. Furthermore, the final features of the helmet have been selected, which are shown below:

Inflatable Helmet Features Inflatable Helmet Material

Material thickness

Helmet´s thickness

Nylon PA6/66 Unfilled

1 mm

5 cm

Material Polystyrene Unfilled

Air pressure of each chamber (bar) Internal External Pressure Pressure 2 bar

3 bar

External Shell Material Thickness 2 mm

Table 1: Final Features of the Inflatable Helmet

The impact acceleration of the Inflatable Helmet has been compared to the one of other helmets in the market. To do this, the article Folksam Bycicle helmet tests has been used, which shows the impact acceleration against a flat surface of several bicycle helmets in the Swedish market. These results, which are compared with the flat anvil test result of the Inflatable Helmet, are shown below:

Impact Acceleration of Several Bicycle Helmets Helmet Abus S-Force Peak Official Vasaloppet Bell Stoker MIPS Biltema cycle helmet Carrera Foldable Casco Active-TC Inflatable Helmet

Acceleration (g) 202 155 189 225 170 81

 

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Giro Savant MIPS Giro Sutton MIPS Hövding 2.0. Limar Ultralight Melon Urban Active Occano U MIPS Helmet Occano Urban Helmet POC Octal AVIP MIPS Scott Stego MIPS Smith Forefront Spectra Urbana MIPS YAKKAY with cover Mean Maximum Value

153 212 48 169 173 178 192 140 166 231 168 242 172 250

Table 2: Impact Acceleration of Several Bicycle Helmets

As it can be seen, the Inflatable Helmet has excellent results compared to the other helmets, since it is only the Hövding 2.0 achieves a lower impact acceleration. Furthermore, its value has a safety factor of 3 with respect to the limit established by the CE EN 1078 standard. Therefore, although there may be some error between the simulation´s results and the results that would be obtained with empirical tests, the margin error is very high with a safety factor of 3. Moreover, according to Folksam´s article, although the impact acceleration of a bicycle helmet is lower than 250 g, this does not ensure that the risk of a skull fracture is zero. Specifically, it is mentioned that in a 250 g impact, there is a 40% probability that a skull fracture occurs. Moreover, it states that at an impact of less than 180 g, this probability is reduced to 5%. Thus, the Inflatable Helmet not only meets the CE EN 1078 requirements with an excellent safety factor, but it also minimizes the risk of skull fracture. Therefore, it is concluded that the Inflatable Helmet is a viable product because it meets the European standards and, also, it obtains better results than other helmets on the market, which makes it a safer helmet.

 

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