Konzeption eines Steer-by-Wire Lenksystems für Fahrräder

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeptionierung eines Steer-by-Wire Lenksystems, dessen spätere Umsetzung für Untersuchungen der Interaktion zwischen Mensch und Fahrrad genutzt werden soll. Mithilfe des Steer-by-Wire Lenksystems kann beispielsweise eine wechselnde Rückmeldung vom Lenker auf den Fahrer oder die Fahrerin untersucht werden, welche der Mensch zum Lenken und Stabilisieren eines Fahrrades benötigt. Zusätzlich kann die Aufgabe des Stabilisierens des Fahrrades vom Fahrer oder der Fahrerin auf das Steer-by-Wire Lenksystem übertragen werden, um lediglich die Vorgabe der Trajektorie isoliert untersuchen zu können. Basierend auf Erwartungen an das Steer-by-Wire Lenksystem an einem Fahrrad werden Anforderungen an das Konzept identifiziert und auf Basis der Literatur so weit als möglich Grenzwerte und Parameter spezifiziert, um das Erfüllen der Anforderungen leicht überprüfen zu können. Besonders relevante Grenzwerte wie die vorhandenen Lenkmomente und Lenkleistungen gehen jedoch nicht ausreichend aus der Literatur hervor, weshalb diese durch Simulationen abgeschätzt werden müssen. Es wird zuerst ein einfaches Modell eines Rennrades, basierend auf analytischen Gleichungen nach Carvallo-Whipple, gebildet, womit eine Auslegung des Reglers zur Stabilisierung des Fahrrades erfolgt. Mithilfe des gefundenen Regelgesetzes wird ein nichtlineares Mehrkörpersystem Modell des Rennrades inklusive Modellierung von Reifenkontakten basierend auf der „Magic Formula“ in Simpack genutzt, um die Auslegung des Reglers zu überprüfen und die maximal auftretenden Lenkmomente und Lenkleistungen unter Berücksichtigung des Rückstellmomentes bestimmen zu können. Im Anschluss folgt die Beschreibung einer möglichen Umsetzung des Steer-by-Wire Lenksystems inklusive der Sicherstellung, dass alle Anforderungen durch die technische Umsetzung erfüllt werden können, um basierend auf dieser Arbeit eine folgende Konstruktion und Umsetzung des Prototyps an einem Fahrrad durchführen zu können.

In this master thesis, a concept for a steer-by-wire steering system for a bicycle is developed, which (if realized) should be used to investigate the interaction between a human rider and the bicycle. The steer-by-wire steering system can be used to alter the feedback from the handlebar to the rider, which is needed by the rider to steer and stabilise the bicycle. In addition, the task of stabilisation of the bicycle can be transferred from the rider to the steer-by-wire steering system, in order to explore the human-bicycle interaction with regards to steering independently from that with regards to stabilisation. Based on the expectations for the steer-by-wire steering system, a list of requirements is created and respective parameters are collected from bicycle dynamic literature. This allows for a targeted development process, ensures that all requirements will be fulfilled, and enables a comparison of different design solutions. However, important parameters such as maximum steering torque and steering power cannot be defined a priori. Therefore, simulation studies are performed to estimate realistic values. In a first step, a model of a racing bicycle based on the analytic equations of Carvallo-Whipple is used, and a controller is designed which enhances the straight-line stability properties of the bicycle model. In a second step, a nonlinear multibody dynamics bicycle model, including a sophisticated tire model based on Pacejka's “Magic Formula”, is used to examine the final parameterization of the controller and to obtain the maximum steering torque and steering power considering the self-aligning torques as well. Finally, a possible technical realisation of the steer-by-wire steering system is discussed which meets the previously defined requirements. This can be used as a starting point for a further development and detailed construction of a prototype of the steer-by-wire system for a bicycle.