Dynamische Stabilität eines Dreirads

Ich entwerfe gerade das "Elektrofahrrad meiner Träume" ( bitte nicht lachen! Es ist zum Spaß, nichts Ernstes ), und bin nach einiger Zeit auf ein Dreirad gekommen, bei dem 2 Hinterräder die Batterie und das Ladegewicht tragen, und ein aufgehängtes Vorderteil für den Fahrer.

Die vereinfachte Kinematik des Fahrrads ist die folgende:

kinematisches Diagramm

Die Verbindung zwischen dem vorderen Teil (in blau und rot) und dem hinteren Teil (in orange und grün) würde durch zwei Drehungen hergestellt: R1 für die Aufhängung, R2 , um den vorderen Teil bei einer Kurve seitlich bewegen zu können. Der hintere Teil soll senkrecht bleiben (na ja, sowieso mehr oder weniger senkrecht zur Straße).

Meine Frage bezieht sich auf den Federungsteil und seinen Einfluss auf die "Rittigkeit" des Fahrrads . Ich dachte daran, zwei Aufhängungen ( SL und SR ) einzubauen, um beim Kurvenfahren ein positives "Feedback" auf R2 zu geben und den vorderen Teil beim Parken vertikal zu halten. Auf dem Papier sieht das gut aus, aber ich dachte, dass dies ein Problem sein könnte, wenn:

  1. die Straße hat Schlaglöcher, oder beim seitlichen Überqueren eines Bordsteins: Der vordere Teil (und der Fahrer) erfahren eine störende seitliche Kraft;
  2. Beim Kurvenfahren ist das Verhalten nicht genau das eines normalen Fahrrads, da Sie einen stärkeren Schub benötigen, um den vorderen Teil zu neigen.

Die Rückkopplungskraft und das Verhalten würden von der Wahl von d und h abhängen, wie im Diagramm zu sehen ist ( h kann bei Bedarf negativ gemacht werden).

Eine andere (wahrscheinlich einfachere) Lösung besteht darin, nur eine Aufhängung anstelle von SL und SR zu haben, ohne ein "Feedback" -Paar.

Was wäre Ihrer Meinung nach besser? Würde ein kleines Feedback für R2 das Fahrrad nicht fahrbar machen?

Als Bonus einige "Künstler"-Ansichten, um das ganze Bild zu bekommen (auf der Rückansicht sieht man nur eine Aufhängung):

Seitenansicht Rückansicht

Wie stark wir ein Fahrrad beim Kurvenfahren neigen, hängt vom Radius der Kurve und unserer Geschwindigkeit ab . Ich sehe in diesem Design nicht, wie solche variablen Beträge (Winkel) der Neigung erreicht werden.
Dreirädrige Fahrzeuge mit einem einzelnen Rad vorne sind notorisch instabil.
Das geneigte Design umgeht den Mangel an Stabilität, und solange genügend Federweg vorhanden ist, sollten 20-30 Grad Neigung in jede Richtung möglich sein. Ich vermute auch anhand der Skizzen, dass es nicht wirklich für den Hochgeschwindigkeitseinsatz gedacht ist - ich vermute 30 km / h oder weniger. Die Batterie zwischen den Hinterrädern trägt auch dazu bei, das hintere Ende stabil zu halten. Ich würde es als Zweirad mit der tatsächlichen Gewichtsverteilung modellieren und dann einen ungefähren Punkt ausarbeiten, an dem das innere Hinterrad abheben wird. Aber ich gehe davon aus, dass es bis dahin zu einem Traktionsverlust kommt. Holen Sie sich ein Fahrrad und ersetzen Sie das hintere Ende durch das Trike.
@andy256 Siehe Kommentar von Móż für deine Fragen. In der Tat wird der vordere Teil kippen, wenn sich der Fahrer lehnt. Der hintere Teil soll teils durch den niedrigen Schwerpunkt der Batterie/Motoren, teils durch diese Aufhängungsglieder stabilisiert werden. Ich gehe davon aus, dass die Schräglage max. ~30°.
@DanielRHicks 3-Rad-Fahrräder mit geneigtem Vorderrad sind auch instabil? Oder nur die mit vertikalen Rädern? Ich habe keine Erfahrung mit Dreirädern, dies kann das Konzept zerstören.
Ich bin mir nicht sicher, was alle Überlegungen sind, aber 3-Rad-ATVs waren in den USA aufgrund der (wahrgenommenen) Instabilität eine Zeit lang verboten, und 3-Rad-Motorräder (Einzelrad vorne) haben einen ähnlichen Ruf.

Antworten (1)

Das Fahrrad ist eine täuschend einfache Maschine. Die Physik hinter Fahrrädern ist tatsächlich ziemlich komplex, wobei mehrere Kräfte interagieren, um ein selbststabilisierendes Verhalten zu erzeugen (dh ein normales Fahrrad als Geisterfahrt zu fahren, dann entlangzulaufen und es zu schlagen, das Fahrrad weicht von seiner aktuellen Flugbahn ab und richtet sich selbst auf). Einen guten Überblick über die wichtigsten physikalischen Prinzipien hinter diesem Verhalten finden Sie in diesem kurzen „MinutePhysics“-Video .

Das Fazit ist, dass es keinen einzigen Archetyp für das optimale Fahrradhandling gibt, sondern mehrere optimale Lösungen, die für verschiedene Anwendungsfälle „besser“ sind. Um beantworten zu können, welches Ihrer Designs „besser“ sein könnte, benötigen wir auch einen klaren Anwendungsfall und eine Fahrraddynamik, die wir nachahmen möchten.

Um die Angelegenheit weiter zu verwirren, ist der Grund, warum Fahrräder so intuitiv zu fahren sind (nach einer anfänglichen Trainings-/Lernphase), dass das Gleichgewicht auf einem Fahrrad auch neuronale Bahnen in unserem Gehirn unterstützt, die dem Gehen gewidmet sind (d. h. wenn wir gehen Schritt in die Richtung, in die wir fallen, und auf die gleiche Weise werden wir auf einem Fahrrad zu einem Sturz). Ein funktionales Design zu entwickeln, das für den Endbenutzer „intuitiv“ ist, wird etwas kompliziert, da wir auch verstehen müssen, wie Menschen gehen.

Zusammenfassend können Sie feststellen, dass ein empirischer Ansatz (dh Versuch und Irrtum) am effektivsten ist. Ich würde vorschlagen, ein modulares Design zu erstellen, mit dem Sie problemlos zwischen einem einzelnen Aufhängungsträger ohne "Feedback" -Kopplung oder einem Design mit Aufhängungsträgern wechseln können. Idealerweise könnten Sie auch den Feedback-Pegel dynamisch anpassen, sodass Sie ihn variieren können, bis er „natürlicher“ wird.

Schließlich haben Sie erwähnt

  1. Beim Kurvenfahren ist das Verhalten nicht genau das eines normalen Fahrrads, da Sie einen stärkeren Schub benötigen, um den vorderen Teil zu neigen.

In diesem Fall möchten Sie vielleicht ein niedrigeres Trail-Frontend in Betracht ziehen, da es meines Wissens nach einfacher ist, einen Lean zu initiieren, wenn Sie weniger Nachlauf haben. Auch eine höhere Tretlagerhöhe kann in dieser Abteilung hilfreich sein (denken Sie daran, einen Besen auf Ihrer Hand zu balancieren, wenn Sie das Gewicht hoch halten, werden Korrekturen einfacher). [ ANMERKUNG : Ich bin wirklich außerhalb meines Fachgebiets in diesem letzten Absatz, wenn mein Verständnis falsch ist, können Sie gerne eine Korrektur in den Kommentaren hinzufügen. ]

Danke vielmals. Für den letzten Teil finde ich keine Erhöhung der Halterungshöhe, da dies in meinem Design die Ladung anheben würde (für den Kettendurchgang), auch meiner Meinung nach würde dies das Auf- und Absteigen des Fahrrads erschweren, was ich nicht erwähnt habe aber ich konzentriere mich auf ein "urban bike".
Dynamische Stabilität eines Dreirads
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