Fahrradrahmen

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Fahrrad mit Diamantrahmen (oder Roverrahmen, traditionell als „Herrenrahmen“ bezeichnet)
Fahrrad mit Schwanenhalsrahmen (traditionell als „Damenrahmen“ bezeichnet)
Der Vorläufer des Diamantrahmen, 1886 Rover Safety Bicycle
Alex-Moulton-Fahrrad mit Fachwerkrahmen
Pedersen-Fahrrad mit Fachwerkrahmen
Fahrrad mit abgewandeltem Trapezrahmen als „moderner“ „Damenrahmen“
Fahrrad mit Berceau-Rahmen als „moderner“ „Damenrahmen“
Fahrrad mit Wave-Rahmen als „Tiefdurchsteiger“
Fahrrad mit Easy-Boarding-Rahmen als „Tiefdurchsteiger“
Fahrrad mit Sloping-Rahmen
Fahrrad mit Kreuzrahmen, schematisch; in reiner Form ist die Kreuzungsstelle nicht verstrebt.
Fahrrad mit Y-Rahmen
Rahmen für Transportfahrräder besitzen oft ein zweites Oberrohr und einen verlängerten Radstand

Ein Fahrradrahmen ist das Tragwerk eines Fahrrads. Er trägt das Gewicht des Fahrers und gibt es weiter an die Laufräder. Am Rahmen wirken Antriebs-, Brems- und Lenkkräfte, sowie die Stöße aufgrund von Unebenheiten des Weges. An ihm sind alle Komponenten befestigt, die für Lenkung, Antrieb und weitere Funktionen des Rades benötigt werden.

Konstruktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Fahrradrahmen besteht in der Regel aus folgenden Bestandteilen:

  • das Sitz- oder Sattelrohr nimmt die Sattelstütze auf und trägt den Fahrradsattel;
  • das Steuerrohr[1] nimmt über den Steuersatz[2] die Fahrradgabel auf, welche das Vorderrad führt;
  • Oberrohr und Unterrohr verbinden Sattel- und Steuerrohr; das Oberrohr ist bei Damenräder abgesenkt und fehlt häufig ganz
  • der Hinterbau besteht traditionell aus Kettenstreben, Sitz- bzw Sattelstreben und Ausfallenden und führt das Hinterrad;
  • das Tretlagergehäuse nimmt das Innenlager auf, es bildet meist den unteren Abschluß des Sattelrohrs und verbindet dieses bei traditionellen Rahmenkonstruktionen mit Unterrohr sowie den unteren Streben des Hinterbaus („Kettenstreben“);
  • kleinere Befestigungsteile für Gepäckträger, Kettenschutz, Schutzbleche, Dynamo, Bowdenzüge, Trinkflasche, Luftpumpe usw.

Rahmenformen und -geometrie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Rahmenformen gibt es in großer Vielfalt. Der Rahmen bestimmt die äußere Erscheinung des Fahrrades und ist somit auch der Mode unterworfen.

Traditionelle Rahmenformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Der Diamantrahmen bot über lange Zeit den besten Kompromiss aus Stabilität und Gewicht. Er ist der klassische Rahmen für Herrenräder und wird beim Aufsitzen mit dem Bein überstiegen, oder das Bein wird über Hinterrad und Sattel zur Gegenseite geschwungen.
  • Der Schwanenhalsrahmen ermöglicht den einfachen Durchstieg zwischen Lenker und Sattel und ist der klassische Rahmen für Damenräder. Er hat zwei geschwungene und parallel verlaufende Unterrohre, das Oberrohr fehlt.

Fachwerkrahmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei einem Fachwerkrahmen bildet jedes Rahmenfeld ein Dreieck. Solche Rahmen sind prinzipiell steifer als Rahmen, die Vierecke enthalten und federn weniger.

  • Traditionelle Rahmen bildeten immer ein Viereck, da Ober- und Unterrohr an den gegenüberliegenden Enden des Steuerrohres angebracht waren. Dadurch konnte der Rahmen bei Stößen auf das Vorderrad ein wenig nachgeben, war aber empfindlich gegenüber Kollisionen von vorne. Zur Erhöhung der Stabilität wurden Ober- und Unterrohr bei Mountainbikerahmen oft näher zusammengeführt und ovalisiert.
  • Das moderne Alex-Moulton-Rad hat einen stabilen Fachwerkrahmen. Er ist als unisex-frame ausgeführt und kann zwischen Lenker und Sattel relativ leicht überstiegen werden. Sein Hinterbau ist federnd beweglich.
  • Das starre Rahmenwerk des historischen Dursley-Pedersen-Rades weist eine ähnliche Komplexität auf.

Moderne „Damenrahmen“[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als moderne Damenrahmen können Mischformen zwischen Diamant- und Schwanenhalsrahmen angesehen werden. Sie sind einfacher zu übersteigen als der Diamantrahmen.

  • Beim Trapezrahmen wird das Oberrohr abgesenkt. Dieses führt dann gerade oder leicht geschwungen etwa zur Mitte des Sattelrohrs.
  • Der Anglaise-Rahmen ähnelt dem Trapezrahmen. Er hat zwei zusätzliche Streben, die in Verlängerung des abgesenkten Oberrohres zu den Ausfallenden am Hinterrad führen.
  • Beim Mixte-Rahmen beginnen die beiden zusätzlichen Streben des Anglaise-Rahmens schon am Steuerrohr. Ihre vorderen Teile treten an die Stelle des abgesenkten Oberrohrs. In der Regel sind diese dünnen Rohre gerade ausgeführt.
  • Der Berceau-Rahmen ähnelt dem Mixte-Rahmen. Die doppelten Oberrohre sind jedoch nicht gerade, sondern für bequemeren Einstieg geschwungen.

Tiefdurchstiegrahmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Der Waverahmen hat inzwischen eine weite Verbreitung. Er hat nur ein Unterrohr mit großem Durchmesser, das wellenartig geschwungen ist, und oft oberhalb des Tretlagergehäuses ein kleines Rohr zur Verstärkung besitzt. Die Durchstiegshöhe liegt sehr niedrig.
  • Beim Tiefdurchsteiger (Easy-Boarding-Rahmen oder auch Tiefeinsteiger) ist der Durchstieg bis etwa 15 bis 20 cm über der Fahrbahn herabgesetzt. Das alleinige Unterrohr mit großem Durchmesser bildet oft mit dem Sattelrohr eine Einheit in U-Form. Die beiden Schenkel des U sind dabei nach vorn und hinten gekrümmt.

Andere Rahmenformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Der Sloping-Rahmen (engl. sloping: schräg, abfallend, geneigt) hat ein zum Sattel hin abfallendes Oberrohr (im Allgemeinen ähnlich wie ein Trapezrahmen). Er wurde für MTBs und Trekkingräder entwickelt, bevor er auch in Straßenrennrädern und später in Fahrrädern für allgemeinen Gebrauch verwendet wurde. Durch verbesserte Materialien (Titan, Aluminiumlegierungen, CFK, umgangssprachlich Karbon genannt) konnte die Steifigkeit von Diamantrahmen beibehalten werden. Als Vorteil wird ein geringeres Verletzungsrisiko beim Anhalten und Abstieg infolge des hinten niedrigeren Oberrohrs genannt. Die Masse ist im Vergleich zum Diamantrahmen nicht geringer, da die Ersparnis infolge kürzerer Hinterradstreben durch die zu erhöhende Steifigkeit der Sattelstütze wegen deren größerer freien Länge aufgehoben wird.
  • Beim Kreuzrahmen kreuzen sich mittig das Sattelrohr, das nur zur Aufnahme des Tretlagers nach unten verlängert ist, und ein Rohr, das vom Steuerrohr zum Hinterrad geht und sich dann zur Hinterradgabel teilt. Diese Bauform ist eine der ältesten Konstruktionen, und ist nicht sehr steif.
    Monocoque-Rahmenkonstruktionen aus Verbundmaterialien (vor allem CFK) sind oft ähnlich konstruiert. Ihre Steifigkeit resultiert daraus, dass die Kreuzungsstelle großvolumig ausgelegt ist.
    Moderne als Kreuzrahmen bezeichnete Rahmenformen sind oft zu Fachwerkrahmen erweiterte Standardrahmen. Sie enthalten gewöhnlich ein zusätzliches Rohr, das sich mit einem anders verlegten bisherigen kreuzt.[3]
  • Beim Y-Rahmen führt nur ein sich gabelndes Rohr vom Steuer- zum Sattelrohr. Diese Rahmen werden entweder ungefedert bei Jugendrädern oder mit gefedertem Hinterbau bei Mountainbikes angeboten.
  • Liegeräder besitzen eine große Vielfalt spezieller Rahmenformen
  • Eigenbau-Rahmen: für Einzelstücke und Kleinserien gefertigte Fahrradrahmen. Beispiele: Tallbike, Nebeneinandem.

Rahmengröße/Rahmenhöhe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Rahmengröße bzw. Rahmenhöhe gilt meistens die Entfernung zwischen der Mitte des Tretlagers und dem (oberen) Ende des Sattelrohrs, in Italien und Frankreich wird eher bis zur Mitte der Sattelmuffe gemessen[4] (zum Beispiel bei de Rosa). Bei deutschen, französischen und italienischen Herstellern sind Zentimeter üblich. International setzt sich eine Einstufung nach Zoll durch. Die Abstufung beträgt hierbei meist 2 Zoll, was rund 5 cm entspricht.

Bei den meisten modernen Mountainbikes und anderen Rädern mit abfallendem Oberrohr und großen Rohrquerschnitten ist die gemessene Rahmenhöhe vielfach kein valides Kriterium für die tatsächliche Größe des Rahmens. Da das Sattelrohr hier über das Oberrohr hinausragt und die inzwischen üblichen Sattelstützen mit großem Durchmesser eine große Distanz zwischen Sattel und Sattelrohr überbrücken können, wird die tatsächliche Höhe des Sattelrohres beliebig. Entscheidender ist dann der Abstand zwischen Sattelrohr und Steuerrohr, der waagerecht vom oberen Abschluß des Steuerrohrs zur Schnittstelle mit dem Sattelrohr gemessen werden sollte.

Da die erhältlichen Vorbauten vielfältige Lenkerpositionen ermöglichen, wird insbesondere bei Mountainbikes im Allgemeinen nicht mehr so großen Wert auf die genaue Anpassung des Rahmens an die Körpergröße gelegt, wie früher.

Für die Auswahl der richtigen Rahmenhöhe ist die Schrittlänge (Schritthöhe, Beinlänge) die entscheidende Größe. Sie wird an der Beininnenseite von der Fußsohle bis zum Damm gemessen.[5]

  • Trekking-, City-, Reise- und Rennräder werden im Allgemeinen mit Rahmengrößen zwischen 47 und 68 cm angeboten. Als Faustregel gilt dabei, dass die Rahmengröße das 0,66-Fache der Schrittlänge betragen sollte.
  • Crossräder haben Rahmengrößen zwischen 41 und 61 cm, die Rahmengröße sollte das 0,61-Fache der Schrittlänge betragen.
  • Mountainbikes haben kleinere Rahmen, Rahmengrößen von 35 bis 58 cm sind üblich, die Rahmengröße sollte das 0,57-Fache der Schrittlänge betragen.
  • Bei Kinderrädern wird nicht die Rahmengröße, sondern die Laufradgröße in Zoll angegeben.

Fahrräder mit vorwiegend sportlichem Einsatz in hügeligem Gelände, werden oft bis zu einem Drittel der gesamten Fahrzeit stehend gefahren. Da hierbei zugleich die meiste Kraft eingesetzt wird, sollte bei einem Fahrrad für diesen Einsatzzweck zunächst durch die Auswahl von Vorbau und Lenker diejenige Griffposition festgelegt werden, die der Kraftentfaltung bei stehender Fahrweise entgegenkommt. Eine zu geringe Distanz zwischen Lenker und Innenlager beeinträchtigt die Kontrolle des Rades und begünstigt das Aufsteigen des Vorderrades bei steilen Passagen. Bei einer zu großen Distanz ruht ein zu hoher Anteil des Körpergewichts auf den Armen. Neben der Ermüdung der Arme wird hierdurch auch der dosierte Krafteintrag auf das Hinterrad erschwert. Wenn die Lenkerposition feststeht, sollte durch das horizontale Verschieben des Sattels eine Anpassung an die Länge des Rahmens erfolgen.


Einstellung des Sattels[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unabhängig von der Rahmenhöhe ist die richtige Einstellung der Sitzhöhe wichtig für kraftsparendes Fahren ohne Schmerzen in Knie und Gesäß. Im Allgemeinen wird der Sitz so hoch eingestellt, dass das gestreckte Bein bei tiefster Kurbelstellung gerade noch mit der Ferse das Pedal berührt. Hierbei sollten Schuhe mit flacher Sohle getragen und das seitliche Kippen der Hüfte vermieden [6]

Bei Fahrrädern, die nicht allzu häufig im Stehen gefahren werden, wird nach der Einstellung der richtigen Sitzhöhe die horizontale Position des Sattels festgelegt, indem zunächst eine Kurbel in waagerechte Position gebracht wird. Wenn nun der Fußballen in üblicher Weise auf dem Pedal platziert wird, dann sollte ein vom Knie des Fahrers nach unten führendes Lot auf die Achse der Pedale zeigen.

Anforderungen an Fahrradrahmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Steifigkeit und Festigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In Grundbeanspruchung ohne Vorwärtsfahr ist ein durch das Gewicht des Fahrers belasteter Fahrradrahmen ein auf Biegung beanspruchtes Tragwerk mit den Auflagepunkten Hinterradachse und Gabelkopf.

Bei statischer Krafteinleitung werden Unterrohr und Kettenstreben auf Zug, das Oberrohr und die hinterbaustreben auf Druck belastet. Durch die Neigung des Steuerrohres erfolgt im Unterrohr eine Erhöhung der Zugkraft, im Oberrohr entsteht zusätzlich ein Biegemoment. Durch die Neigung des Sattelrohres entsteht im Unterrohr eine Druckkomponente, die eine Verringerung der Zugkraft bewirkt, und im Oberrohr ein weiteres Biegemoment.

Zusätzliche Beanspruchungen beim Fahren:

  1. Torsionskräfte durch die Tretbewegung
  2. Biegemomente durch Bremsen
  3. Biegemomente und Torsionsmomente durch Tretbewegung, Schrägfahrten und Lenkkräfte

Die Gewichtskraft des Fahrers wird vom Rahmen vom Sattel aus über die beiden Räder (beim Vorderrad über zwischengeschaltete Gabel und Gabelschaft) auf den Boden übertragen. Bei unebener Fahrbahn addieren sich zum Gewicht Stoßkräfte, wodurch der Rahmen einer wechselnden Biegebeanspruchung unterworfen wird.

Bei Kraftaufwendung an den Pedalen entstehen Reaktionskräfte am Lenker und, wenn der Fahrer dabei nicht aus dem Sattel geht, auch Querkräfte am Sattel. Die erhöhte Fußkraft am Pedal erzeugt auf der jeweils anderen Lenkerseite eine von der Hand eingeprägte Zugkraft. Diese Unsymmetrie bewirkt ein wechselndes Verwinden (Torsion) des Rahmens um die Längsachse des Fahrrads.

Ein Rahmen ist umso steifer, je weniger er unter den Kräften beim Gebrauch elastisch verformt wird. Das wird sowohl durch eine vorteilhafte Rahmenform als auch durch Verwendung von Material mit hohem Elastizitätsmodul und/oder Wahl großer Rohrdurchmesser (ergeben großes Flächenträgheitsmoment) erreicht.

Ein Rahmen muss eine Mindestfestigkeit aufweisen, damit er sich im Gebrauch nicht plastisch verformt oder gar bricht. Fahrradrahmen sind wegen der Wechselbeanspruchung gefährdet, einen Ermüdungsbruch zu erleiden. Solche Brüche können plötzlich eintreten, das heißt, dass sie sich nicht durch eine plastische Verformung ankündigen. Gegenmaßnahmen sind die Wahl von Materialien mit hoher Wechselfestigkeit und sorgfältige Gestaltung und Fertigung der Verbindungsstellen zwischen den Rohren. Die Verbindungsstellen sind besonders gefährdet, weil einerseits die Beanspruchung dort am größten ist, diese andererseits durch Schweißen oder Löten hergestellt werden. Durch die dabei erfolgte Erwärmung kann sich die Ausgangsfestigkeit des Materials verringern.

Masse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Fahrrad ist umso angenehmer zu benutzen, je besser die aufgewendete Muskelenergie zum Fahren verwertet wird, je höher sein Wirkungsgrad ist. Es sollte deshalb ein geringes Eigengewicht haben, denn der Fahrer hat nicht nur sich, sondern auch das Rad zu bewegen. Einen großen Anteil am Gewicht des Fahrrads hat der Rahmen, der leicht, aber steif sein sollte. Diese Bedingungen erfüllt insbesondere ein als Gitterwerk (Fachwerk) gestalteter Rahmen. Zudem sollten alle bewegten Massen (Laufräder inkl. Bereifung, Kurbelsatz, Kette, Zahnkranz) möglichst gering gehalten werden. Dies verringert den Kraftaufwand beim wiederholten Beschleunigen erheblich. Im Rennsport werden deshalb stets sehr struktureffiziente Materialien wie Faserwerkstoffe eingesetzt.

Optische Erscheinung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Fahrrad hat sich vom reinen Gebrauchsgegenstand zum Massenartikel gewandelt, weshalb seine optische Erscheinung vermehrt der Mode unterworfen ist. Beim Rahmen wird neben einer schönen Form auch Pflegeleichtigkeit verlangt, was zum Beispiel höhere Anforderungen an den Korrosionsschutz stellt. Die beim bisher traditionell verwendeten Stahl nötige Oberflächenbehandlung (meist Lackierung) entfällt auch beim gegenwärtig häufig favorisierten Aluminium nicht.

Werkstoffe für Fahrradrahmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der klassische Werkstoff für Fahrradrahmen ist Stahl. Seine Anwendung ist aber rückläufig. Die früher übliche Verbindung der Rohre durch Einstecken und Einlöten in Muffen wird mehr und mehr durch „stumpfes“ Zusammenschweißen ersetzt. Eine Besonderheit sind konifizierte Rahmenrohre, deren Enden nach innen verdickt sind. Die somit erreichte Materialanhäufung an den Verbindungsstellen entspricht der dort meist erhöhten Beanspruchung, ohne dass durch konstant dickere Wandstärken das Gewicht unnötig erhöht wird. Bekannte Hersteller solcher Rahmenrohre sind Mannesmann, Reynolds (England), Columbus (Italien) und Tange (Taiwan).

Heute haben sich Aluminiumlegierungen als Standardmaterial durchgesetzt. Als Verkaufsargument werden die geringe Dichte und die Unempfindlichkeit des Metalls gegenüber Durchrostung genannt. Der geringeren Dichte steht der geringere Elastizitätsmodul gegenüber, weshalb die Rohre einen höheren Materialquerschnitt (große Durchmesser) haben müssen. Aluminiumfahrradrahmen sind somit nicht prinzipiell leichter als Rahmen aus Stahl. Das Prinzip der „konifizierten“ Rohre wird hier auch angewendet.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Carbon) wird bei Rennrädern und Mountainbikes immer häufiger verwendet. Das Verhältnis von Steifigkeit beziehungsweise Stabilität zu Gewicht ist bei Carbonrahmen nicht besser als bei Stahl oder Aluminium. Vorteil von Carbon ist lediglich die freiere Gestaltbarkeit.

Eine sehr geringe Verbreitung hat Titan als Rahmenwerkstoff. Titanrahmen wiegen etwa so viel wie solche aus Aluminiumlegierungen. Der Hauptvorteil ist die Langlebigkeit, da Titan praktisch nicht korrodiert. Wegen der aufwändigen Herstellung und Verarbeitung von Titan sind Rahmen aus diesem Material sehr teuer. Titanrahmen sind bei gleicher Steifigkeit leichter als alle anderen Rahmen für Fahrräder. Sie sind allerdings auch der teuerste Werkstoff.

Das Zusammenfügen der Rahmenrohre hängt vom Werkstoff ab. Stahl wird vorwiegend gelötet oder geschweißt (mit oder ohne Muffen). Aluminium und Titan werden fast ausschließlich geschweißt und selten geklebt. Carbonrahmen werden aus Fasermatten geklebt oder bestehen aus einer durchgehenden Schale, die dann Monocoque genannt wird. Seltener werden Bambus- oder Kunststoffrohre in Muffen aus Aluminium oder auch Kunststoff geklebt. Selten finden sich auch Verbundkonstruktionen, etwa faserverstärkte Metallrahmen.

Stahl[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Von den vielen verschiedenen Stahllegierungen werden im Rahmenbau üblicherweise Chrom-Molybdän-Legierungen, wie 25CrMo4 (in den USA 4130) und ganz selten 34CrMo4 (US 4135), das eine geringfügig höhere Festigkeit besitzt, verwendet. Ebenfalls selten anzutreffen sind rostfreie Stähle. CrMo-Stahl ist ein zäher Vergütungsstahl, also ein Stahl, bei dem ein plötzlicher Bruch selten vorkommt.

Stahl ist leicht zu verarbeiten. Er lässt sich problemlos löten und schweißen, selbst Kleben ist möglich. Durch die langjährigen Erfahrungen mit dem Werkstoff können auch exotische Rohrformen wie konifizierte, spiralig verstärkte und andere hergestellt werden.

Vorteile:

  • hohe Festigkeit
  • hoher Elastizitätsmodul (geht linear in die Steifigkeit ein)
  • sehr zäh
  • leicht zu verarbeiten
  • ausreichende Langzeiterfahrung vorhanden
  • ausreichend vorhandener und billiger Werkstoff

Nachteile:

  • Korrosionsschutz notwendig

Aluminium[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aluminiumlegierungen werden (Stand 2013) oft im Rahmenbau verwendet. Die üblicherweise verwendeten Legierungen tragen die Bezeichnungen 6061-T6, eine Legierung vor allem mit Magnesium und Silizium, und 7005, eine Legierung vor allem mit Zink und Magnesium. Aluminium besitzt zwar nur etwa ein Drittel der spezifischen Steifigkeit (Elastizitätsmodul) von Stahl, aber auch nur ein Drittel seiner Dichte. Um ein Profil aus Aluminium mit gleicher Biege- und Torsionssteifigkeit wie aus Stahl zu erhalten, ist ein größeres Flächenträgheitsmoment erforderlich, was den typisch großen Rohrdurchmesser bei Aluminiumrahmen verursacht. Die gleiche Festigkeit wird durch einen vergrößerten Materialquerschnitt erreicht.

Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen besitzen keine ausgeprägte Grenze für die Dauerschwingfestigkeit wie Stahl. Ermüdungsbrüche sind bei diesen Werkstoffen vergleichsweise schwer statistisch abzusichern (s. a. Wöhlerversuch).

Ein weiterer Nachteil des Aluminiums ist der im Vergleich zum Stahl aufwändigere und störungsanfälligere Schweißprozess, wodurch bereits innere Spannungen erzeugt werden. Mittlerweile wird als Nachbehandlung ein sogenanntes Schweißspannungsarmglühen angewendet.

Aluminiumrahmen sind nicht prinzipiell leichter als solche aus Stahl, auch wenn das in der Werbung gerne suggeriert wird. Die Dichte von Aluminium ist zwar deutlich geringer als die von Stahl, die Rahmen müssen aber stärker dimensioniert werden, um annähernd gleiche Festigkeiten aufzuweisen. So sind heutige Stahlrahmen oft leichter als vergleichbare Aluminiumrahmen, da der Billigbereich fast ausschließlich durch Massenprodukte aus Aluminium abgedeckt wird und Stahlrahmen fast nur noch im höherwertigen Bereich anzutreffen sind.

Vorteile:

  • ausreichend vorhandener Werkstoff
  • durch Großserienproduktion in Asien billig

Nachteile:

  • Korrosionsschutz notwendig
  • bedeutend schwieriger zu verarbeiten als Stahl
  • ermüdungsbruchgefährdet
  • gefährliches Bruchverhalten (keine Vorwarnung)
  • nicht alterungsbeständig

Scandiumlegiertes Aluminium[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Scandiumlegierung wird bei Fahrradrahmen eine Aluminiumlegierung bezeichnet, die eine kleine Menge Scandium enthält. Dieser Zusatz kann die Zugfestigkeit des Materials um bis zu 20 % gegenüber einer herkömmlichen Aluminiumlegierung erhöhen, macht es aber auch gleichzeitig vergleichsweise spröde (erhöhte Ermüdungsbruchgefahr).

Titan[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Manche Titanlegierungen sind hochfest, einige liegen sogar knapp über den im Rahmenbau verwendeten Stählen. Infolge der fast nur halb so großen Dichte im Vergleich zu Stahl hat Titan das günstigere Festigkeit-Gewicht-Verhältnis, Stahl ist allerdings etwa dreimal so steif wie Titan. Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich, aber aufwändig und für Fahrräder nicht üblich. Das Endverstärken von Rohren wird aus Kostengründen sehr oft unterlassen. Ein großer Nachteil ist die schlechte Schweißbarkeit von Titan, da es ähnlich wie Aluminium eine Oxidschicht bildet. Dadurch steigt die Härte und Sprödheit in der Schweißnaht, was die Gefahr eines Dauerbruchs mit sich bringt. Somit muss der Rahmen in Edelgas- oder Vakuumkabinen geschweißt werden, was außerordentlich teuer ist.

Vorteile:

  • sehr fest
  • korrosionsbeständig

Nachteile:

  • teuer
  • schwierig zu verarbeiten
  • Geringerer Elastizitätsmodul muss durch Konstruktion ausgeglichen werden.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Faserverstärkte Kunststoffe werden seit längerem erfolgreich zum Beispiel im Sportgerätebau eingesetzt. Die theoretischen Steifigkeits- und Festigkeitswerte sind sehr hoch, gelten aber nur in einer, nämlich der Faserrichtung, während die Festigkeits- und Steifigkeitswerte bei Metallen in allen Richtungen die gleichen sind (Isotropie). Außerdem müssen die Fasern untereinander abgestützt werden. Das geschieht durch Kunststoffe, die sogenannte Matrix. Bei Fahrradrahmen besteht diese meist aus Epoxidharz. Wenn eine Kraft nicht in Faserrichtung wirkt, hält nur die Matrix dagegen, und Epoxidharz, wie auch andere Kunststoffe, ist nicht sehr fest. Die Fasern müssen also in mehrere Richtungen gelegt werden, dadurch wird der Gewichtsvorteil geringer. Außerdem muss der Kräfteverlauf in einem Rahmen bekannt sein, damit in allen auftretenden Kraftrichtungen Verstärkungsfasern in der richtigen Menge und Richtung gelegt werden können. Dieser Vorgang ist mit hohem Arbeitsaufwand verbunden. Insgesamt ist der Rahmen zwar leichter, aber auch wesentlich teurer, und kaum oder nicht steifer oder bei gleicher Steifigkeit wie Stahl- oder Aluminiumrahmen fast gleich schwer.

Die verschiedenen Verstärkungsfasern werden in drei Grundformen verwendet:

  • als Strang oder Bündel von Parallelfasern (Rovings),
  • als Gewebe und Geflechte in ihren unterschiedlichsten Formen und
  • als ungerichtete Matten oder Wirrfasern.

Außer Parallelfasern gibt es noch Garne und Zwirne, die durch Verdrehung einzelner oder mehrerer Spinnfäden entstehen. Durch die Verdrehung entsteht ein widerstandsfähiger, in sich fest gebundener Faden, der sich leicht textil verarbeiten (zum Beispiel weben) lässt.

Außer Kohlenstofffasern (ca. 7–10 µm Durchmesser) werden auch Glasfasern (ca. 5–15 µm Durchmesser) und Aramidfasern (Handelsname zum Beispiel Kevlar, ca. 12 µm Durchmesser) eingesetzt. Kohlenstofffasern sind sehr spröde, deswegen werden Aramidfasern beigefügt, die eine größere Bruchdehnung haben. Faserverstärkte Kunststoffe, die nur Aramidfasern enthalten, werden im Rahmenbau wegen ihres hohen Preis-Festigkeit-Verhältnisses nicht verwendet.

Vorteile

  • sehr fest
  • steif
  • leicht

Nachteile

  • sehr spröde
  • teuer
  • schwierig zu verarbeiten
  • schwierig zu dimensionieren
  • gefährliches Bruchverhalten (keine plastische Verformung, scharfkantige Splitter)

Metal Matrix Composite (MMC)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieses Material gehört eigentlich zu Aluminium, aber auch zu den faserverstärkten Werkstoffen, weil in einer Aluminiummatrix Fasern oder Partikel zur Verstärkung eingelegt werden. Im Jahr 1998 haben zwei Firmen Produkte vorgestellt: Specialized mit einem partikelverstärkten Rahmen (Aluminiumoxidpartikel), Univega mit einem borfaserverstärkten Rahmen. Die Festigkeit des Aluminiums wird kaum verbessert, aber laut Herstellern die Steifigkeit um bis zu 30 %. Diese Rahmen sind inzwischen wieder vom Markt verschwunden.

Vorteile (Herstellerangaben):

  • sehr steif

Nachteile:

  • noch schwieriger zu schweißen als Aluminium
  • sonstige, siehe Aluminium

Bambus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Altes Bambusfahrrad (USA, 1896). Die Rohrverbindungen sind aus Metall – heute Faserverbundwerkstoffe (Quelle: Technisches Museum Prag)
modernes Fahrrad mit Rahmenrohren aus Bambus

Bambus (meist Bambuseae) wird heute (2013) ebenfalls im Rahmenbau verwendet.[7] Bambus besitzt eine spezifische Steifigkeit (Elastizitätsmodul), die etwa einem Zehntel von Stahl entspricht, aber auch nur ca. ein Zehntel seiner Dichte aufweist (abhängig vom verwendeten Gras). Bei der statischen Materialfestigkeit steht Bambus Aluminium und Stahl etwas nach. Um einen Rahmen aus Bambus mit gleicher Biege- und Torsionssteifigkeit wie aus Stahl zu erhalten, ist ein Rohrdurchmesser notwendig, der mit einem Aluminiumrahmen vergleichbar ist.[8] Der Materialquerschnitt variiert, bedingt durch die unterschiedlichen Rohrstärken von Bambus.

Ermüdungsbrüche sind bei Bambus bisher nicht bekannt, jedoch handelt es sich um ein organisches Material, das schimmeln kann. Bambus bricht nicht, sondern splittert bei zu hoher Belastung. Bambus ist brennbar.

Die Verbindungen von Bambusrahmen werden meist mit mehreren Faserschichten und Epoxidharz hergestellt.

Vorteile:

  • bei Defekten relativ leicht zu reparieren
  • kein Korrosionsschutz notwendig

Nachteile:

  • aufwendige und schwierige Verarbeitung (reine Handarbeit)
  • noch keine Langzeiterfahrungen vorhanden
  • organischer Werkstoff, nicht homogen
  • feuchtigkeitsempfindlich

Industrielle Fertigung in Asien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Europäische und nordamerikanische Fahrradhersteller lassen seit etwa dem Jahr 2000 ihre Fahrradrahmen größtenteils in der Volksrepublik China und in Taiwan herstellen, um die Produktionskosten niedrig zu halten. Nur wenige Hersteller fertigen die Rahmen noch in ihren eigenen Werken in Europa oder Nordamerika. Diese sind dann entsprechend teuer, wie z. B. Räder von De Rosa, aber nicht zwingend höherwertig, denn die Fertigungsqualität unterscheidet sich heute weltweit kaum noch. Die taiwanischen Hersteller ihrerseits lagern die Produktion auch schon weitgehend in Billiglohnländer wie Laos oder Vietnam aus, da die Produktion in Taiwan für billige Massenware schon zu teuer geworden ist.

Kennzeichnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Fahrradrahmennummer

Fahrradrahmen werden üblicherweise vom Hersteller mit einer eindeutigen Rahmennummer versehen, die eine Identifizierung des Fahrrades, z. B. nach einem Diebstahl, ermöglicht.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Fritz Winkler, Siegfried Rauch: Fahrradtechnik Instandsetzung, Konstruktion, Fertigung. 10. Auflage. BVA Bielefelder Verlagsanstalt, Bielefeld 1999, ISBN 3-87073-131-1.
  • Michael Gressmann, Franz Beck, Rüdiger Bellersheim: Fachkunde Fahrradtechnik. 1. Auflage. Verlag Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten 2006, ISBN 3-8085-2291-7.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Fahrradrahmen – Sammlung von Bildern

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Smolik Velotech: Steuerrohr
  2. Smolik Velotech: Steuersatz
  3. Fertigung in Saarbrücken: Kreuzrahmen. utopia-velo.de; abgerufen am 14. Februar 2014.
  4. Christian Smolik: Smolik Velotech: Rahmenhöhe, 2002, abgerufen 26. Oktober 2015
  5. Gunda Bischoff: Messen der Schrittlänge. 1. März 2008; abgerufen am 14. Februar 2014.
  6. Tomek: Cockpit und Sattel richtig einstellen. 29. Februar 2008; abgerufen am 14. Februar 2014.
  7. Tobias Meyer: Häufige Fragen zu Bambus-Fahrrädern. faserwerk.net, 2013; abgerufen am 14. Februar 2014.
  8. Beautifully formed by our carbon craftsmen, our bamboo frames perform at the highest level of the sport. calfeedesign.com; abgerufen am 14. Februar 2014.