Titelaufnahme

Titel
Theoretische Untersuchungen zum High-Speed-Wobble-Phänomen bei Rennrädern / von Florian Klinger
VerfasserKlinger, Florian
Begutachter / BegutachterinPlöchl, Manfred
Erschienen2013
UmfangVI, 123 Bl. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2013
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Fahrraddynamik / Rennrad / Stabilität / Wobble / Shimmy / Fahrer
Schlagwörter (EN)bicycle dynamics / racing bicycle / wobble / shimmy / rider
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-66574 Persistent Identifier (URN)
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Theoretische Untersuchungen zum High-Speed-Wobble-Phänomen bei Rennrädern [5.44 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Stabilitätsverhalten von Fahrrädern in der aufrechten Geradeausfahrt, wobei ein besonderes Augenmerk auf den Wobble gelegt ist. Dieser fallweise instabile Eigenmode ist typisch für einspurige Fahrzeuge wie Fahrräder und Motorräder und beschreibt eine oszillierende Bewegung des vorderen Laufrads um die Lenkachse. Bei langsamer Fahrt zumeist nur als störend empfunden, birgt dieses Lenkungsflattern bei den für Rennräder üblichen hohen Geschwindigkeiten ein beträchtliches Gefahrenpotenzial.

Aus bisherigen Untersuchungen ist ein geeignetes Modell zur Abbildung der Wobbleschwingungen eines Trekkingrades bekannt, der Einfluss der Fahrerhände auf das Lenksystem wurde dabei allerdings nicht berücksichtigt. Durch die am Lenker abgestützten Hände übertragen sich jedoch die Schwingungen auf den Fahrer und somit besitzt dieser zufolge seiner Trägheit auch eine Rückwirkung auf das Lenksystem.

Um diese Kopplung zu untersuchen, wird das Fahrradmodell mit einem biomechanischen Körpermodell ergänzt, wobei beide Arme als beweglich und mit dem Lenker verbunden modelliert werden, sodass ein Mehrkörpersystem mit kinematischen Schleifen entsteht. Dazu werden die nichtlinearen Bewegungsgleichungen unter der Verwendung von Minimalkoordinaten hergeleitet und um den aufrechten Fahrzustand linearisiert.

Mit anschließenden Stabilitätsuntersuchungen werden die Auswirkungen einiger charakteristischer Unterschiede zwischen Trekking- und Rennrädern bezüglich Rahmengeometrie und Sitzhaltung herausgearbeitet und in weiterer Folge der beträchtliche Einfluss der Armbewegungen auf den Wobble aufgezeigt, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den theoretischen Ergebnissen und praktischen Messfahrten aus der Literatur gefunden wird.

Zusammenfassung (Englisch)

This master's thesis deals with the stability of bicycles in the upright rectilinear motion with main focus on the wobble mode. Wobble is a characteristic eigenmode for single-lane vehicles like bicycles or motorcycles and denotes an unstable motion dominated by oscillations of the front wheel about the steering axis. While at low speeds this phenomenon is perceived unpleasant or unnerving, wobble may be hazardous at high speeds which are common for racing bicycles.

From previous analyses, a model capable to map wobble oscillations for a trekking bicycle is well-known, where no influence of the rider's hands is taken into account. However, due to the rider's arms rested on the handlebar, steering oscillations are transferred to the human body, and as a consequence its passive impedance has a feedback to the steering system.

To analyse this linkage, the bicycle model is expanded by a biomechanical model of the human body, with both arms connected flexibly to the handlebar, such that a multibody-system appears with cinematic closed loops. For this model the nonlinear equations of motions are derived by using minimal-coordinates and d'Alembert's Principle. A linearization of these equations considering small deviations from the upright rectilinear motion leads to a set of linear differential equations.

Subsequently multiple stability-analyses are performed, showing the effects of the major differences between trekking- and racing bicycles concerning frame geometry, mass and stiffness properties as well as different rider postures in particular with respect to the wobble mode.

Further investigations highlight the considerable influence of the rider's arms movements on the stability behavior. A good agreement between theoretical results and practical measurements from the literature can be found.