Analyse des Fahrverhaltens und der Fahrstabilität von e-Scootern: Simulation und Fahrversuch

Abstract

Seit einigen Jahren steigt die Anzahl an e-Scootern in den Innenstädten, bedingt unter anderem auch durch die mittlerweile große Zahl an Leihanbietern dieser Fahrzeuge. Steigende Unfallzahlen mit der Beteiligung von e-Scootern und die rechtliche Gleichstellung in Österreich mit dem Fahrrad bei noch weitgehend unbekanntem fahrdynamischem Verhalten, wie beispielsweise aus der geringen Zahl an wissenschaftlichen Publikationen zur Fahrdynamik von e-Scootern ersichtlich wird, waren Motivation für die vorliegende Diplomarbeit. Für eine simulationsbasierte Untersuchung des Fahrverhaltens und der Fahrstabilität von e-Scootern mussten zuerst geeignete Ersatzmodelle eingeführt werden. Die Modellbildung erfolgte grundsätzlich anhand der vorhandenen Literatur zu einspurigen Fahrzeugen, wobei unterschiedliche Modellierungsdetails hinsichtlich des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes und des menschlichen Fahrerkörpers berücksichtigt wurden. Anhand von einem mit umfangreicher Sensorik ausgestatteten e-Scooter gewonnener Messdaten konnten aus dem Fahrversuch die bis dahin unbekannten Reifenparameter bestimmt werden. Dazu wurden Messgrößen der stationären Kreisfahrt ausgewertet sowie die Zusammenhänge des linearisierten Brush-Tire-Modells ausgenutzt. Ein wesentliches Thema dieser Arbeit ist die Fahrstabilität von e-Scootern. Simulationsergebnisse zeigen, dass diese -- ähnlich wie Fahrräder -- ebenfalls einen fahrgeschwindigkeitsabhängigen autostabilen Bereich besitzen. Für den vorliegenden e-Scooter konnte dieser ebenfalls nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde aufgrund der Messergebnisse ein Fahrerregler entwickelt, welcher -- für Geschwindigkeiten außerhalb des autostabilen Bereichs -- ein Moment zwischen Fahrer/Fahrerin und Trittbrett des e-Scooters aufbringt und das System damit stabilisiert. Anschließend erfolgten Vergleiche mit vom Fahrrad bekannten Fahrerreglern, welche ein stabilisierendes Lenkmoment aufbringen. Abschließend wurde für ein besseres Gesamtverständnis der Fahrdynamik der Einfluss wesentlicher Gestaltungsparameter von e-Scootern auf das Fahrverhalten im Hinblick auf die Stabilität der aufrechten Geradeausfahrt, die stationäre Kreisfahrt und den Slalom untersucht. Zur Beurteilung wurden jeweils aus der Literatur bekannte Kriterien herangezogen. Dabei zeigt sich, dass kein einzelner Parameter entscheidend ist, sondern vielmehr das Zusammenspiel mehrerer Parameter von Fahrzeug- und Reifenmodell ausschlaggebend ist.

For several years now, the number of e-scooters in city centers has been increasing, partly due to the growing number of rental providers for these vehicles. The rising accident rates involving e-scooters and their legal equivalence to bicycles in Austria, despite the still largely unknown driving dynamics, as evident from the limited number of scientific publications on the dynamics of e-scooters, were the motivations for this present diploma thesis. For a simulation-based investigation of the driving behavior and stability of e-scooter, appropriate models had to be introduced first. The modeling process was primarily based on existing literature related to single-track vehicles, taking into account various modeling details regarding tire-road contact and the human rider's body.Using measurement data obtained from an e-scooter equipped with multiple sensors, previously unknown tire parameters were determined from the driving experiments. For this purpose, measurement data from steady state cornering were evaluated, and the relationships of the linearized brush-tire model were utilized. An essential topic of this work is the stability of e-scooters during straight-ahead driving. From simulation studies it becomes evident, that, similar to bicycles, e-scooters also possess a speed-dependent region of self-stability, which could be verified by means of measurements for the e-scooter at hands. In addition and based on the measurement results, a rider control-model was developed, which -- at velocities out of the autostable region -- applies a torque between the rider and the foot board of the e-scooter to stabilize the system. Subsequently, a comparison with rider control-models from bicycle dynamics were also examined, which apply a stabilizing steering torque is conducted. Finally and for a better understanding of the dynamic behaviour of e-scooter, the influence of key design parameters of e-scooters on their handling characteristics concerning the stability of straight-ahead driving, steady state cornering, and slalom was examined. Criteria established in literature were used for assessment. It becomes evident that no single parameter is decisive, but rather the interplay of multiple design parameters concerning vehicle and tire model.