Neue EU-Maschinenverordnung rückt Stoßvibrationen und Ganzkörpervibrationen in den Fokus

Mit der neuen EU-Maschinenverordnung (EU) 2023/1230, die ab dem 20. Januar 2027 gilt, verändern sich die Anforderungen an die Bewertung von Vibrations- und insbesondere Stoßvibrationsbelastungen bei Maschinen deutlich. Fachleute sehen darin zunehmend auch eine hohe Relevanz für moderne Pedelecs, elektrisch unterstützte Lastenräder sowie mehrspurige Mikromobilitätsfahrzeuge.

Die neue europäische Maschinenverordnung verlangt künftig im Rahmen von:

• Risikoanalyse,
• Betriebsanleitung sowie
• Konformitätsbewertung

eine deutlich präzisere Beschreibung von Vibrationsbelastungen bei Maschinen. Dabei rücken neben klassischen kontinuierlichen Schwingungen zunehmend auch sogenannte wiederholte Stoßvibrationen und Ganzkörpervibrationen (WBV – Whole Body Vibration) in den Fokus.  

Hintergrund ist die Erkenntnis, dass die bislang überwiegend verwendete RMS-Bewertung der Hand-Arm-Vibration nach ISO 5349 starke Einzelstöße und kurzzeitige Belastungsspitzen häufig nur eingeschränkt beschreibt.

Paradigmenwechsel bei der Vibrationsbewertung

Bislang konzentrierte sich die Bewertung überwiegend auf gemittelte Schwingungswerte. Die aktuelle Entwicklung richtet den Fokus zunehmend auf:

• Stoßereignisse,
• Spitzenbeschleunigungen,
• transiente Belastungen,
• wiederholte Impulse sowie
• Ganzkörpervibrationen (WBV).

Gerade hochdynamische Stoßbelastungen und Ganzkörpervibrationen gelten aus arbeitsmedizinischer Sicht als besonders relevant für:

• Nerven,
• Blutgefäße,
• Gelenke,
• Bandscheiben,
• Wirbelsäule sowie
• muskuläre Strukturen.

Während diese Diskussion ursprünglich vor allem handgeführte Maschinen und Schlagwerkzeuge betraf, sehen Fachleute inzwischen deutliche Parallelen zu modernen Mikromobilitätsfahrzeugen.

Nicht nur einspurige, sondern auch mehrspurige Fahrzeuge betroffen

Die Diskussion betrifft dabei nicht nur klassische einspurige Fahrräder und Pedelecs. Auch mehrspurige elektrisch unterstützte Fahrzeuge wie:

• Cargo-Trikes,
• vierrädrige Lastenfahrzeuge,
• urbane Mikromobilitätsfahrzeuge,
• schwere Lieferfahrzeuge sowie
• kommunale Mikromobilitätsplattformen

weisen teilweise erhebliche Stoß- und Vibrationsbelastungen auf.

Dabei entstehen die Belastungen nicht nur an zwei Reifenaufstandspunkten, sondern – abhängig vom Fahrzeugkonzept – auch an:

• drei Kontaktstellen bei Trikes oder
• vier Kontaktstellen bei vierrädrigen Fahrzeugen.

Dadurch entstehen zusätzliche Schwingungspfade und komplexe Überlagerungen innerhalb der Fahrzeugstruktur.

Gerade mehrspurige Fahrzeuge besitzen häufig:

• höhere Fahrzeugmassen,
• größere Zuladungen,
• steifere Fahrwerksstrukturen,
• höhere Radlasten sowie
• komplexere Schwingungspfade.

Dadurch können Stoßereignisse und Ganzkörpervibrationen teilweise deutlich stärker in Fahrzeugstruktur, Fahrer und Energiespeichersysteme eingeleitet werden.

Dabei zeigen sich Unterschiede zwischen leichten und schweren Fahrzeugen: Leichte Fahrzeuge erzeugen häufig höherfrequente Vibrationen, während schwere Fahrzeuge eher tieffrequente, dafür jedoch stärkere Vibrations- und Stoßbelastungen verursachen können.  

Pedelec als komplexes biomechanisches Gesamtsystem

Das Fahrrad beziehungsweise Mikromobilitätsfahrzeug ist kein einfaches technisches Produkt, sondern ein komplexes biomechanisches Mehrpunkt-System.

Beim Pedelec wirken Kräfte und Schwingungen gleichzeitig über fünf menschliche Kontaktpunkte:

• linker Lenkergriff,
• rechter Lenkergriff,
• Sattel,
• linkes Pedal,
• rechtes Pedal.

Dabei entstehen nicht nur lokale Stoßbelastungen an Händen und Armen, sondern auch Ganzkörpervibrationen, die insbesondere über:

• Sattel,
• Pedale und
• Rahmenstruktur
• in den Fahrer eingeleitet werden.

Hinzu kommen die Reifenaufstandspunkte des Fahrzeugs zur Fahrbahn, an denen die primären Stoßanregungen entstehen.

Reifenaufstandspunkte als Ursprung der Stoßbelastung

Jede Fahrbahnunebenheit – beispielsweise:

• Schlaglöcher,
• Bordsteinkanten,
• Kopfsteinpflaster,
• Schienen,
• Fahrbahnkanten oder
• Fahrbahnschäden

wird zunächst über die Reifenaufstandsflächen in das Fahrzeug eingeleitet.

Die dort entstehenden Kräfte und Beschleunigungsimpulse übertragen sich anschließend über:

• Reifen,
• Felgen,
• Gabel,
• Rahmen,
• Lenker,
• Sattel und
• Pedale

bis in den menschlichen Körper.

Dadurch entsteht ein komplexes Schwingungs- und Stoßsystem aus:

• Fahrbahn,
• Reifen,
• Fahrzeugstruktur,
• Zuladung,
• Fahrer sowie
• elektrischer Antriebseinheit.

Gerade die über Sattel und Pedale eingeleiteten Ganzkörpervibrationen können bei langen Fahrzeiten und hohen Fahrzeugmassen erhebliche biomechanische Belastungen erzeugen.

Schwere Cargo-Pedelecs sicherheitstechnisch besonders relevant

Besonders schwere Pedelecs und elektrisch unterstützte Lastenräder gelten aus technischer Sicht als sicherheitstechnisch besonders relevant, da sie häufig:

• hohe Fahrzeugmassen,
• steife Rahmenstrukturen,
• hohe Reifeninnendrücke,
• große Zuladungen sowie
• starke Beschleunigungsdynamiken

aufweisen.

Dadurch können erhebliche Stoßspitzen sowie erhöhte Ganzkörpervibrationen entstehen, die direkt in Hände, Arme, Wirbelsäule und Gelenke eingeleitet werden.

Mit steigender Fahrzeugmasse und Geschwindigkeit nehmen nicht nur:

• kinetische Energien,
• Bremskräfte und
• Fahrdynamikbelastungen

zu, sondern auch die biomechanischen Belastungen des Menschen.

velotech.de untersucht Stoß- und Vibrationsbelastungen seit Jahren

Das Prüfinstitut velotech.de GmbH in Schweinfurt befasst sich seit längerer Zeit mit den Auswirkungen von Stoß- und Vibrationsbelastungen bei Fahrrädern, Pedelecs, Cargo-Bikes sowie mehrspurigen Mikromobilitätsfahrzeugen.

Dabei stehen insbesondere die realen Belastungen im verwendungsfertigen Gesamtsystem im Fokus.

„Die entscheidende Fragestellung ist nicht nur, ob ein einzelnes Bauteil hält, sondern welche dynamischen Kräfte und Stoßimpulse tatsächlich bis zum Menschen und in sicherheitsrelevante Fahrzeugkomponenten übertragen werden“, erklärt Ernst Brust.

Nach Angaben von velotech.de bestehen bereits heute technische Möglichkeiten, entsprechende Belastungen messtechnisch zu erfassen und auszuwerten. Hierzu zählen unter anderem:

• mehrkanalige Beschleunigungsmessungen,
• dreiachsige Vibrationsanalysen,
• Stoßimpulsbewertungen,
• Untersuchungen zu Ganzkörpervibrationen (WBV),
• Prüfstandsuntersuchungen sowie
• Fahrversuche unter realistischen Betriebsbedingungen.

Stoßvibrationen belasten nicht nur den Menschen, sondern auch Akkusysteme

Neben der biomechanischen Belastung des Menschen rücken zunehmend auch die Auswirkungen auf sicherheitsrelevante Fahrzeugkomponenten in den Fokus.

Dies betrifft insbesondere im Unterrohr integrierte Akkusysteme moderner Pedelecs und Cargo-Bikes. Diese können durch Stoßvibrationen und dynamische Fahrbelastungen erheblichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden.

Besonders bei vollgefederten Fahrzeugen kann es dabei zu einer Überlagerung unterschiedlicher Schwingungs- und Stoßpfade kommen:

• direkte Stoßanregungen aus dem Fahrbahnbereich über das Unterrohr,
• zusätzliche dynamische Belastungen aus der Dämpferanbindung des Hinterbaus.

Dadurch können lokal erhöhte Belastungsspitzen entstehen, die auf:

• Akkugehäuse,
• Zellhalter,
• Schraubverbindungen,
• Kontaktierungen sowie
• Befestigungssysteme

wirken.

Gerade im Bereich mechanisch verspannter Unterrohrakkus können wiederholte Stoßbelastungen langfristig zu Materialermüdung und Rissbildung beitragen.

Rückrufe zeigen sicherheitstechnische Relevanz

Die Diskussion besitzt auch deshalb hohe praktische Relevanz, weil es in den vergangenen Jahren wiederholt Rückrufe und Schadensfälle im Zusammenhang mit Akkuaufnahmen, Rahmenstrukturen und Befestigungssystemen gegeben hat.

Teilweise standen dabei:

• Rissbildungen im Bereich von Akkuaufnahmen,
• Beschädigungen von Akkugehäusen,
• mechanische Spannungen,
• gelockerte Befestigungen oder
• thermische Ereignisse

im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Nach Einschätzung von Fachleuten wird die Bedeutung solcher dynamischer Belastungen mit zunehmender Fahrzeugmasse und steigender Nutzung schwerer Cargo- und Mehrspurfahrzeuge weiter zunehmen.

Bedeutung für zukünftige Risikoanalysen

Die CE-Kennzeichnung setzt voraus, dass alle relevanten Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen unter Berücksichtigung des Standes der Technik bewertet werden.

Sollten stoßartige biomechanische Belastungen und Ganzkörpervibrationen künftig stärker als sicherheitsrelevante Risiken bei Pedelecs und Mikromobilitätsfahrzeugen bewertet werden, könnten diese zukünftig verstärkt Bestandteil von Risikoanalysen und technischen Bewertungen werden.

Derzeit existieren in der Fahrrad- und EPAC-Normung allerdings noch keine unmittelbar vergleichbaren Anforderungen wie bei den neuen Vorgaben der Maschinenverordnung. Die aktuellen Fahrradnormen bewerten überwiegend:

• Strukturfestigkeit,
• Dauerhaltbarkeit,
• elektrische Sicherheit sowie
• Funktionssicherheit.

Eine systematische Bewertung von Stoßvibrationen und Ganzkörpervibrationen am Menschen sowie auf sicherheitsrelevante Energiespeichersysteme erfolgt bislang nur eingeschränkt.

Forderung nach ganzheitlicher Betrachtung

Aus technischer Sicht wäre künftig eine erweiterte Bewertung sinnvoll, die neben klassischen Mittelwerten auch:

• Stoßkennwerte,
• Spitzenbeschleunigungen,
• Frequenzspektren,
• Resonanzverhalten,
• reale Fahrprofile,
• Ganzkörpervibrationen sowie
• biomechanische Belastungspfade

berücksichtigt.

Ebenso könnten zukünftig auch stoßbedingte Belastungen auf Akkusysteme und deren Befestigungsstrukturen stärker in sicherheitstechnische Bewertungen einbezogen werden.

Sicherheit künftig nicht nur eine Frage der Bauteilfestigkeit

Die aktuelle Entwicklung zeigt deutlich, dass zukünftige Sicherheitsbewertungen moderner Pedelecs, Cargo-Bikes und mehrspuriger Mikromobilitätsfahrzeuge nicht mehr ausschließlich die Festigkeit von Rahmen und Komponenten betrachten dürfen.

Ebenso relevant wird die Frage, welche stoßartigen Belastungen und Ganzkörpervibrationen tatsächlich von den Reifenaufstandspunkten bis in den menschlichen Körper sowie in sicherheitsrelevante Komponenten wie Akkusysteme übertragen werden.

Mit Inkrafttreten der neuen EU-Maschinenverordnung (EU) 2023/1230 ab dem 20. Januar 2027 dürfte dieses Thema zusätzlich an Bedeutung gewinnen. Die Verordnung wird die zukünftige Diskussion über Komfort, Gesundheitsschutz, Akkusicherheit, Ganzkörpervibrationen und Fahrwerksauslegung auch im Bereich moderner Mikromobilitätsfahrzeuge maßgeblich beeinflussen.