Estabilidad dinámica de un triciclo.

Actualmente estoy diseñando la "bicicleta eléctrica de mis sueños" ( ¡por favor, no se rían! es por diversión, nada serio ), y después de un tiempo se me ocurrió un triciclo, donde 2 ruedas traseras soportan la batería y el peso de la carga. y una parte delantera suspendida para el jinete.

La cinemática simplificada de la moto es la siguiente:

diagrama cinemático

El enlace entre la parte delantera (en azul y rojo) y la parte trasera (en naranja y verde) se realizaría mediante dos rotaciones: R1 para suspensión, R2 para poder mover la parte delantera lateralmente al realizar un giro. Se supone que la parte trasera debe permanecer vertical (bueno, más o menos perpendicular a la carretera de todos modos).

Mi pregunta es sobre la parte de la suspensión, y su influencia en la "manejabilidad" de la moto . Estaba pensando en poner dos suspensiones ( SL y SR ) para proporcionar una "retroalimentación" positiva en R2 al girar, y para que la parte delantera se mantenga vertical cuando está estacionado. En el papel, esto se ve bien, pero estaba pensando que esto podría ser un problema cuando:

  1. la carretera tiene baches, o al cruzar algún bordillo de lado: la parte delantera (y el ciclista) experimentarán alguna fuerza perturbadora lateralmente;
  2. al girar el comportamiento no será exactamente el de una moto normal ya que necesitarás un mayor empujón para inclinar la parte delantera.

La fuerza de retroalimentación y el comportamiento dependerían de la elección de d y h como se ve en el diagrama ( h puede hacerse negativa si es necesario).

Otra solución (probablemente más simple) es tener solo una suspensión en lugar de SL y SR , sin ninguna pareja de "retroalimentación".

¿Qué sería mejor en tu opinión? ¿Una pequeña retroalimentación para R2 haría que la bicicleta no se pueda montar?

Como beneficio adicional, algunas vistas de "artista" para obtener una imagen completa (en la vista trasera solo ve una suspensión):

vista lateral vista trasera

La cantidad de inclinación de una bicicleta al girar en una esquina depende del radio de la esquina y de nuestra velocidad . No veo en este diseño cómo se logran tales cantidades variables (ángulos) de inclinación.
Los vehículos de 3 ruedas con una sola rueda al frente son notoriamente inestables.
El diseño inclinado evita la falta de estabilidad y, siempre que haya suficiente recorrido de suspensión, debería ser posible una inclinación de 20 a 30 grados en cada sentido. También supongo por los bocetos que en realidad no está diseñado para un uso de alta velocidad, supongo que 30 km / h o menos. La batería entre las ruedas traseras también ayudará a mantener estable la parte trasera. Lo modelaría como un vehículo de dos ruedas con la distribución de peso real, luego calcularía un punto aproximado en el que se levantará la rueda trasera interior. Pero espero que la pérdida de tracción ocurra antes de eso. Consigue una bicicleta y reemplaza la parte trasera con el triciclo.
@ andy256 Vea el comentario de Móż para sus preguntas. De hecho, la parte delantera se inclinará, por la inclinación del conductor. La parte trasera está destinada a ser estabilizada en parte por el bajo centro de gravedad de la batería/motores, en parte por estos enlaces de suspensión. Espero que el ángulo de inclinación sea máximo. ~30°.
@DanielRHicks ¿Las bicicletas de 3 ruedas con una rueda delantera inclinada también son inestables? O solo los que tienen ruedas verticales? No tengo experiencia montando triciclos, esto puede acabar con el concepto.
No estoy seguro de cuáles son todas las consideraciones, pero los vehículos todo terreno de 3 ruedas estuvieron prohibidos durante un tiempo en los EE. UU. debido a la inestabilidad (percibida), y las motocicletas de 3 ruedas (una sola rueda en la parte delantera) tienen una reputación similar.

Respuestas (1)

La bicicleta es una máquina engañosamente simple. La física detrás de las bicicletas es en realidad bastante compleja, con múltiples fuerzas que interactúan para producir un comportamiento de autoestabilización (es decir, andar fantasma en una bicicleta normal, luego correr y golpearla, la bicicleta se desviará de su trayectoria actual y se enderezará). Para obtener un buen resumen de los principales principios físicos detrás de este comportamiento, vea este breve video "MinutePhysics" .

La conclusión es que no existe un solo arquetipo de manejo óptimo de bicicletas, sino que existen múltiples soluciones óptimas que son "mejores" en diferentes casos de uso. Para comenzar a poder responder cuál de sus diseños podría ser "mejor", también necesitamos un caso de uso claro y la dinámica de la bicicleta que deseamos imitar.

Para confundir aún más el asunto, la razón por la que las bicicletas son intuitivas para andar tal como son (después de una fase inicial de entrenamiento/aprendizaje) es que el equilibrio en una bicicleta también coopera con las vías neuronales en nuestro cerebro dedicadas a caminar (es decir, cuando caminamos, paso en la dirección en la que estamos cayendo y de la misma manera nos convertimos en una caída en una bicicleta). Llegar a un diseño funcional que sea "intuitivo" para el usuario final será algo complicado, ya que también debemos entender cómo camina la gente.

En conjunto, puede encontrar que un enfoque empírico (es decir, prueba y error) puede ser el más efectivo. Sugeriría crear un diseño modular que le permita cambiar fácilmente entre una sola viga de suspensión sin ningún acoplamiento de "retroalimentación" o un diseño con vigas de suspensión. Idealmente, también podría ajustar dinámicamente el nivel de retroalimentación para que pueda variarlo hasta que se vuelva más "natural".

Finalmente, mencionaste

  1. al girar el comportamiento no será exactamente el de una moto normal ya que necesitarás un mayor empujón para inclinar la parte delantera.

En este caso, es posible que desee considerar una parte delantera del sendero más baja, ya que tengo entendido que tener menos ruedas hace que sea más fácil iniciar una inclinación. Además, una altura de pedalier más alta también puede ayudar en este departamento (piense en equilibrar una escoba en su mano, mantener el peso alto facilita las correcciones). [ NOTA : Realmente estoy fuera de mi área de especialización en este último párrafo, si mi comprensión es incorrecta, no dude en agregar una corrección en los comentarios. ]

Muchas gracias. Para la última parte, no se me ocurre aumentar la altura del soporte, ya que en mi diseño esto elevaría la carga (para el paso de la cadena), también en mi humilde opinión, esto haría que la bicicleta fuera más difícil de montar/desmontar, no lo mencioné. esto, pero me estoy enfocando en una "bicicleta urbana".
Estabilidad dinámica de un triciclo.
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