Modellbildung und querdynamische Untersuchung eines Fahrrades

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellbildung und dem querdynamischen Verhalten von Fahrrädern. Zunächst wird ein in der Mehrkörpersystem-Software SIMPACK aufgebautes Fahrradmodell vorgestellt, das gemäß der einschlägigen Literatur, unter Berücksichtigung der Rahmennachgiebigkeit und eines linearen Reifenmodells, die Realität ausreichend wiedergibt.<br />Da bei der aufrechten Fahrt mit dem Fahrrad stets ein Mittelweg aus Stabilisierung und Manövrierung gefunden werden muss, ist bei querdynamischen Untersuchungen auch das Stabilitätsverhalten des Fahrrades von Interesse. Folglich wird dieses vorweg ausreichend behandelt, und entsprechende Einflussfaktoren besprochen. Aufbauend darauf wird das durchaus komplexe querdynamische Verhalten des Fahrrades anhand der instationären Einfahrt in eine Kurve und der über Slalomfahrmanöver charakterisierten System-Übertragungsfunktionen diskutiert. Dabei zeigt sich, dass das Fahrrad ein Allpassverhalten (Nichtphasenminimumverhalten) besitzt und stark verzögert auf unterschiedliche Fahrereingriffe (Lenkmoment bzw.<br />Fahreroberkörperneigung) reagiert. Daher werden an den Fahrer als Regelsystem entsprechend hohe Anforderungen gestellt. Dies wird insbesondere bei Anfängern, die noch nicht mit dem Systemverhalten des Fahrrades vertraut sind, offensichtlich.<br />

The diploma thesis deals with the modeling and lateral dynamics of bicycles. Initially a bicycle model, built up in the multibodysystem-software SIMPACK, is presented. According to scientific literature this multibody-model, including frame compliance and a linear tyre model, reproduces reality sufficiently.<br />Since riding a bicycle is a compromise between stabilizing and maneuvering, the lateral dynamics of bicycles are highly affected by their stability behaviour. Consequently, this is adequately addressed in advance, and some respective influencing factors are analysed.<br />Afterwards the quite complex lateral dynamic behaviour of the bicycle is discussed on the basis of a transient curve entrance maneuver and the system transfer functions (characterized by slalom maneuvers). It turns out, that the bicycle has an allpass behaviour (nonminimum-phase behaviour) and reacts strongly delayed to different rider interventions (steering torque or rider upper body tilt). Therefore, high demands needed to be solved by the rider as the control system. This is especially obvious for beginners, who are unfamiliar with the system behaviour of the bicycle.