Modellbildung des Lenkungsflatterns an Fahrrädern

Abstract

Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Modellbildung des Wobblemodes an Fahrrädern, welcher durch eine selbsterregte Schwingung des Lenksystems, die mitunter zu gefährlichen Stürzen führen kann, charakterisiert wird. Um zum Verständnis des Mechanismus zur Aufrechterhaltung dieser Schwingung beizutragen, werden anfangs einfache Modelle eines gezogenen Rades, dem Schleppradmodell vorgestellt und potentielle Anfachungsmechanismen identifiziert. Basierend auf den Erkenntnissen vom einfachen Schleppradmodell wird auf die Lenkungsschwingungen des Fahrrades anhand von Rennrad– und Touringradmodellen eingegangen. In diesem Zusammenhang erfolgte die Betrachtung der Auswirkungen diverser Modellbildungsaspekte, wie beispielsweise die Einbindung der Reifenkräfte. Dafür wird ein lineares Reifenmodell nichtlinearen Modellen gegenübergestellt, deren Formulierung entweder empirischen Ursprung hat oder auf physikalischen Modellen basiert. Dabei besteht die Möglichkeit, den Beitrag einzelner Kräfte bzw. Momente zum Stabilitätsverhalten des Systems gezielt herauszuarbeiten. Die Betrachtung des vollständigen nichtlinearen MKS–Modells in Simpack ermöglicht eine Bifurkationsanalyse des gesamten Systems, wodurch nicht nur die Stabiltätsgrenzen des Systems sondern auch die Amplitude des Grenzzyklus einer instabilen Wobbleschwingung veranschaulicht werden können. Weiters wird die Abbildung der Struktursteifigkeit und Dämpfung des Systems auf zwei verschiedene Varianten, durch Einbindung eines zusätzlichen Drehfreiheitsgrades in das Starrkörpermodell behandelt und der Beitrag der gyroskopischen Effekte zur Stabilität des jeweiligen Systems abgebildet. Der Einfluss eines passiven Fahrers, dabei in erster Linie dessen Sitzposition (aufrechtoder gebeugt) und die Anbindung des Fahrerkörpers im Bereich des Sattels an den Rahmen, wird anschließend untersucht, aber auch die Modellbildung der freihändigen Fahrt jener, wenn der Fahrer die Lenkergriffe mit beiden Händen umfasst, gegenübergestellt. Schließlich wird der Zusammenhang zwischen einfachem Schleppradmodell und komplexem Fahrradmodell und somit zwischen Shimmy und Wobblemode hinsichtlich der Modellbildung charakterisiert.

Wobble of a bicycle is a self-excited mode of the bicycle and may lead to hazardous crashes when becoming unstable.With the objective to get more insight into the mechanisms leading to sustainable wobble oscillation, modelling aspects are introduced by means of a simple trailing wheel system.Based on findings from the stability analysis of the simplified trailing wheel model, it is the aim to better understand the wobble phenomenon of a bicycle by considering the linearized equations of a multibody–system–model.Several modelling aspects of the full bicycle model are addressed. Starting from a linear tyre model, the impact of nonlinear tyre models are investigated by linear stability analysis and bifurcation analysis of the fully nonlinear system model.Besides tyre models, an alternative modelling approach of lateral stiffness and damping of the rigid–body–system by introducing a rotational degree of freedom is presented, and the impact of for example gyroscopic effects on the limits of stability boundary is analyzed.Further, a passive rider model is used to reveal effects of the rider’s body position and arms fixed to the handlebar. Finally, differences between the model of the trailing wheel system and the linearized bicycle model with respect to shimmy and wobble mode are shown.