Mehrkörpersimulationsgestützte Fahrradentwicklung

Ingenlath, Philipp; Bertram, Torsten; Corves, Burkhard

doi:HT020346965

Mehrkörpersimulationsgestützte Fahrradentwicklung = Multibody simulation based bicycle design

Ingenlath, Philipp^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Ingenlath

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xv, 130, XLV Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Corves, Burkhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Bertram, Torsten (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-00454
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/780159/files/780159.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (411910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fahrrad (frei) ; Fahrradentwicklung (frei) ; MBS (frei) ; MKS (frei) ; MTB (frei) ; Mehrkörpersimulation (frei) ; Mountain Bike (frei) ; Mountainbike (frei) ; bicycle (frei) ; multibody simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Fahrradentwicklung geschieht oftmals nach dem Prinzip Trial-and-Error. Im Vergleich zum Vorgehen in anderen Industriezweigen werden Simulationsmethoden nur wenig zur Unterstützung der Entwicklung eingesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung der Mehrkörpersimulation auf den Bereich der Fahrradtechnik. Dabei ist die Arbeit in die Betrachtung ungefederter Fahrräder sowie die Betrachtung vollgefederter Fahrräder untergliedert. Im ersten Teil der Arbeit wird, zur Untersuchung der Fahrdynamik ungefederter Fahrräder, das aus der Literatur bekannte Carvallo-Whipple-Modell und ein, ebenfalls aus der Literatur bekanntes, regelungstechnisches Modell zur Abbildung des Fahrerverhaltens verwendet. Zur Bewertung des Fahrverhaltens wird eine Metrik bezüglich der Kategorien Stabilität, Agilität und Kurvenverhalten erarbeitet. Im zweiten Teil der Arbeit wird zunächst das Mehrkörpersimulationsmodell eines vollgefederten Mountainbikes mit Fahrer erstellt. Das Fahrradmodell wird durch Messdaten eines vorliegenden Mountainbikes parametrisiert. Das Modell des Fahrers wird auf der Basis anthropometrischer Datenbanken aufgebaut. Es wird so parametrisiert, dass es dem Testfahrer der Validierungsmessungen in Größe und Gewicht entspricht. Anschließend werden Validierungsmessungen zum Verhalten während des Pedalierens und beim Überfahren eines Hindernisses durchgeführt. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den simulierten und den gemessenen Daten. Das gezeigte Modell ist somit in der Lage, das Verhalten des vollgefederten Mountainbikes mit Fahrer abzubilden. Bei Analysen mit dem Modell zeigt sich, dass die Dynamik einen signifikanten Einfluss auf das Systemverhalten hat und klassische, quasistatische Auslegungskriterien somit eine starke Vereinfachung darstellen. Mit den verwendeten Fahrermodellen können allerdings nur ungeübte Fahrer abgebildet werden. Das Verhalten eines geübten Fahrers der z. B. auch eine aktive Gewichtsverlagerung zur Steuerung des Fahrrads verwendet, wird von diesem Modell nicht abgedeckt. Insgesamt lässt sich festhalten, dass die Mehrkörpersimulation ein geeignetes Mittel ist, um die Fahrradentwicklung zu unterstützen.

The development process of bicycles is frequently governed by the principle of trial and error. Compared to the development processes in other industries, simulation methods are only sparsely employed to support bicycle development. The present work covers the application of multibody dynamics simulation techniques on the field of bicycle technology. The dissertation is divided into a first part that covers classical bicycles without suspension systems and a second part that covers full suspension bicycles. In the first part of the work the riding dynamics of bicycles without suspension systems are investigated. To achieve this aim the Carvallo Whipple model is used. Additionally, to cover the rider’s behaviour, a model derived from control theory is utilized. Both models have been covered extensively in the literature. To assess riding dynamics, a metric regarding the criteria stability, agility and cornering ability is derived. In the second part of the work, a multibody simulation model of a full suspension bicycle with a rider is developed. The model is parameterized using measurements of a specific bicycle. The rider model is formulated on the basis of anthropometric databases. It is parameterized such that it complies with the size and weight of the test driver employed to gather the validation data. Subsequently, validation measurements for the behaviour while pedalling and while traversing an obstacle are taken. Simulated and measured data are found to be in good agreement. Thus, the developed model is able to capture the dynamic behaviour of the full suspension mountain bike with a rider. Evaluating the model reveals that contemporary quasistatic design criteria are a major simplification and consequently using a complex multibody model is beneficial. The utilised rider model however only covers untrained/inexpert riders. The mapping of experienced driver behaviour, e.g. active shifting of weight for control purposes is not covered by the model. Overall, multibody simulation techniques are shown to be a suitable tool for bicycle development.

OpenAccess:
PDF
(additional files)