Einflüsse eines Schwingungstilgers auf das laterale Stabilitätsverhalten eines Motorrads

Abstract

Charakteristische Schwingungen zählen seit jeher zu den zentralen Herausforderungen in der Fahrdynamik von Motorrädern.Bestimmte Eigenmoden neigen in spezifischen Geschwindigkeitsbereichen zu instabilem Verhalten bezüglich der aufrechten Geradeausfahrt. Bei sehr geringen oder hohen Geschwindigkeiten betrifft dies den Weave-Mode, der einer niederfrequenten Pendel- bzw. Slalombewegung des gesamten Fahrzeugs entspricht. Die zweite kritische Schwingungsform ist der Wobble-Mode, häufig auch als Lenkungsflattern bezeichnet. Dieser höherfrequente Mode betrifft hauptsächlich die Lenkbaugruppe und wird meist im Bereich mittlerer, im Alltag üblicher Geschwindigkeiten instabil. Abhilfe können konstruktive Maßnahmen, angepasste Reifenparameter oder zusätzliche passive bzw. aktive Elemente schaffen. Ein häufig beobachteter Zielkonflikt besteht jedoch darin, dass eine Verbesserung der Stabilität eines Modes meist negative Auswirkungen auf den anderen zur Folge hat. Die vorliegende Arbeit untersucht das Potential passiver Schwingungstilger zur Stabilisierung von Weave und Wobble. Als Grundlage dient ein linearisiertes Motorradmodell, welches mit einem linearen Reifenmodell inklusive transientem Kraftaufbau vervollständigt wird. Dieses Modell basiert auf bewährten Ansätzen aus der Literatur.Im Zuge dieser Arbeit werden drei Tilgervarianten betrachtet: ein rotatorischer Tilger am Vorderrahmen (Lenkbaugruppe), ein rotatorischer Tilger am Hauptrahmen, sowie ein translatorischer Tilger in lateraler Richtung am Hauptrahmen. Das Ausgangsmodell wird jeweils um einen Tilger ergänzt und die resultierenden Bewegungsgleichungen werden einer detaillierten Stabilitätsanalyse unterzogen. Dabei werden das Stabilisierungspotential der einzelnen Varianten in Bezug auf Weave und Wobble sowie deren Parameterabhängigkeiten und Sensitivitäten systematisch untersucht. Mit dem rotatorischen Tilger an der Lenkbaugruppe kann der Wobble-Mode stabilisiert werden, ohne die Stabilität des Weave-Modes negativ zu beeinflussen. Der translatorische Tilger am Hauptrahmen ermöglicht je nach Abstimmung eine deutliche Verbesserung beider Moden, wobei sich bei einer Abstimmung auf Weave sogar ein positiver Einfluss auf Wobble zeigt. Darüber hinaus wird auch die Wirkung kombinierter Tilger untersucht, um deren gemeinsames Potential zur gleichzeitigen Verbesserung beider Schwingungsformen aufzuzeigen. Abschließend erfolgt eine nichtlineare Betrachtung anhand eines numerischen Mehrkörpermodells, bei dem nur die translatorische Tilgervariante weiterverfolgt wird. Hierbei werden real auftretende Effekte, wie beispielsweise Reibung oder nichtlineare Dämpfung, berücksichtigt. Anhand der Ergebnisse lassen sich Rückschlüsse auf die praktische Umsetzbarkeit des Tilgers, sowie auf eine mögliche experimentelle Untersuchung ziehen.

Characteristic vibrations are a long-standing challenge in the field of motorcycle dynamics. Certain eigenmodes tend to become unstable within specific speed ranges, compromising the vehicle’s ability to maintain upright straight motion. At very low or high speeds, the weave mode, a low-frequency oscillation involving the entire vehicle, can become unstable. At medium, everyday speeds, instability typically occurs in the wobble mode, a higher-frequency motion affecting mainly the steering assembly. Stabilisation measures include design modifications, adjusted tire parameters, and additional passive or active components. However, improvements to one mode often compromise the stability margin of the other, presenting a design trade-off. This thesis investigates the potential of passive dynamic vibration absorbers to stabilise weave and wobble modes. The analysis is based on a linearised motorcycle model extended by a linear tire model including transient force buildup, following well-established approaches from the literature. Three absorber configurations are considered: a rotational absorber at the front frame (steering assembly), a rotational absorber at the main frame, and a translational absorber in the lateral direction of the main frame. The model is individually extended by each absorber, and the resulting equations of motion are subjected to a detailed stability analysis. The stabilisation potential of each variant concerning weave and wobble is systematically evaluated. The rotational absorber at the steering assembly proves effective in stabilising the wobble mode without negatively affecting the weave mode. The translational absorber at the main frame enables significant improvement of one mode, and when tuned toward weave, even a positive influence on wobble is observed. In addition, combinations of absorbers are examined to evaluate their joint potential for simultaneous stability improvement of both modes. Finally, a nonlinear analysis is conducted using a numerical multibody simulation, focusing exclusively on the translational absorber. Realistic effects such as friction and nonlinear damper characteristics are considered. The results provide insight into the practical feasibility of such absorbers and serve as a basis for potential experimental investigations.