Untersuchung des Wobble-Modes bei Fahrrädern : Theorie und Fahrversuch

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Stabilität von Fahrrädern in der Geradeausfahrt mit besonderer Bezugnahme auf den Wobble-Mode, welcher eine Oszillation des Lenkers um die Lenkachse beschreibt und auch als Lenkungsflattern bekannt ist. Besagte Schwingung wird als unangenehm oder störend empfunden und kann bei zu spätem Fahrereingriff auch gefährlich werden. Für ein Damentrekking-Fahrrad, welches ab einer bestimmten Geschwindigkeit einen ausgeprägten instabilen Wobble-Mode aufweist, wird der Einfluss von Parametern auf das Stabilitätsverhalten sowohl anhand von numerischen Analysen als auch von Testfahrten untersucht. Das für die numerischen Analysen erforderliche Modell des Trekking-Fahrrades berücksichtigt sowohl die Rahmenflexibilität als auch einen Querschlupf der Reifen und den verzögerten Aufbau der Reifenkräfte. Die zugehörigen nichtlinearen Bewegungsgleichungen wurden hergeleitet und in der um die aufrechte Geradeausfahrt linearisierten Form angeführt. Für einen Vergleich der Berechnungen mit Testfahrten wurde das Trekking-Fahrrad mit einer Messausrüstung, welche den Lenkwinkel, die Geschwindigkeit sowie die Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten aufzeichnet, ausgestattet. Aus den damit erhaltenen Messwerten konnten die Eigenwerte der Wobble-Schwingungen ausgelesen und mit jenen der Berechnung, zur Validierung dieser, verglichen werden. Aus der numerischen Analyse konnten darüber hinaus Parameter mit einem wesentlichen Einfluss auf den Wobble-Mode identifiziert werden.<br />

This thesis deals with the stability of bicycles in the upright motion with main focus on the wobble mode. Wobble, which is related to the more general class of wheel-shimmy, is a self-exited oscillation of a bicycle's steering wheel about the steering axis and is perceived unpleasant or unnerving, or may also be hazardous if not controlled by the rider in time. The influences on the wobble mode of a specific trekking bike for women, with shows a pronounced unstable wobble mode at certain speeds, is investigated both on the basis of a mathematical model and on test runs. For numerical analysis a mathematical model of the trekking bicycle is required which takes the frame flexibility, the side slip of the tires and also the dynamic properties of tyre force generation into account. The linearized equations of motion with respect to the upright rectilinear motion are derived from the nonlinear equations and are given in the thesis. To compare numerical findings with observations form test runs the trekking bicycle has been equipped with measurement devices, which records the steering angle, speed and 3-axis accelerations and angular velocities. To validate the mathematical model, the eigenvalues of the measured wobble motion are compared with those of the numeric analysis. From the numerical analysis parameters with a significant influence on the wobble mode could be identified.