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Gestell eines Fahrrads Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Fahrradrahmen ist die Tragstruktur eines Fahrrades. Er überträgt das Gewicht des Fahrers über Sattel, Lenker und Pedale an die Laufräder. Am Rahmen wirken Antriebs-, Brems- und Lenkkräfte sowie Stöße durch Unebenheiten der Fahrbahn. Am Rahmen sind alle Komponenten befestigt, die für Lenkung, Antrieb und sonstige Funktionen des Rades benötigt werden.
Ein Fahrradrahmen besteht in der Regel aus folgenden Bestandteilen:
Rahmenformen gibt es in großer Vielfalt. Der Rahmen bestimmt die äußere Erscheinung des Fahrrades und ist somit auch der Mode unterworfen.
Der Diamantrahmen bot über lange Zeit den besten Kompromiss aus Stabilität und Gewicht. Er ist der klassische Rahmen für Herrenräder. Zum Aufsitzen muss ein Bein über das Oberrohr gehoben oder über Hinterrad und Sattel zur Gegenseite geschwungen werden. Sitz-, Unter-, Ober- und Steuerrohr traditioneller Diamantrahmen bilden ein Viereck. Ober- und Unterrohr waren mit gegenüberliegenden Enden des kurzen Steuerrohres verbunden. Durch Biegung von Ober- und Unterrohr konnte der Rahmen bei Stößen auf das Vorderrad etwas nachgeben, war aber empfindlich gegenüber Kollisionen von vorne und Verwindung des Rahmens im Wiegetritt.
Mountainbikes in den 80er und 90er Jahren wurden mit kleineren Rahmen mit größeren Rohrdurchmessern gefertigt, um eine bessere Verwindungssteifigkeit und Stabilität zu erreichen. Später wurden die Rohre auch ovalisiert, wodurch sich Ober- und Unterrohr immer weiter annäherten. Der Hauptrahmen bildete so eher ein Dreieck als ein Viereck und konnte keine Stöße mehr abfedern. Dies taten stattdessen die dicken Reifen.
Auch Rennradrahmen werden seit den 90er Jahren aus Aluminiumrohren mit größeren Rohrdurchmessern gefertigt.
Der Sloping-Rahmen (engl. sloping: schräg, abfallend, geneigt) hat ein zum Sattel hin abfallendes Oberrohr (teilweise ähnlich einem Trapezrahmen). Er wurde für MTBs und Trekkingräder entwickelt, bevor er auch in Straßenrennrädern und später in Fahrrädern für allgemeinen Gebrauch verwendet wurde.
Mit der Einführung von Federgabeln mit großem Federweg verschob sich das Steuerrohr deutlich nach oben. Ein daran anschließendes horizontales Oberrohr hätte verhindert, dass der Fahrer beim Anhalten und Abstieg vom Sattel ohne weiteres mit den Füssen den Boden erreichen könnte. Auch wäre der Rahmen sehr groß und wenig seitenstabil ausgefallen. Die naheliegenden Lösung war es, das Oberrohr nach hinten abfallen zu lassen. Bei einigen Mountainbikes so stark, dass das Oberrohr in gerader Linie zwischen oberen Lenklager und hinterem Ausfallende verlief, wie es auch bei Anglaise-Rahmen der Fall ist.
Solche Rahmen können von Fahrern sehr unterschiedlicher Körpergröße gefahren werden, wenn Position von Sattel und Lenker entsprechend angepasst werden können. Bereits bei normalgroßen Fahrern werden sehr lange Sattelstützen benötigt, deren Durchmesser und Stabilität mit der Stärke der Rahmenrohre im Laufe der Zeit deutlich zugenommen hat.
Bereits nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten sich einige Rahmenformen mit deutlich abfallendem Oberrohr, die als Mischform zwischen Herren- und Damenrahmen angesehen wurden:
Damenrahmen sind einfacher zu übersteigen als Diamantrahmen.
Als Rahmengröße bzw. Rahmenhöhe gilt meistens die Entfernung zwischen der Mitte des Tretlagers und dem (oberen) Ende des Sattelrohrs. In Italien und Frankreich wird hingegen eher bis zur Mitte der Sattelmuffe gemessen[2] (zum Beispiel bei de Rosa). Bei deutschen, französischen und italienischen Herstellern wird die Rahmenhöhe traditionell in Zentimeter angegeben. Bei Rennrädern betrug der Abstand zwischen zwei Rahmengrößen meist 2 cm. Bei Mountainbikes setzt sich eine Einstufung nach Zoll durch. Da bei Mountainbikes eine größere Vielfalt an Bauformen und -größen von Vorbauten und Sattelstützen verfügbar ist, genügt eine weniger feine Abstufung der Rahmengrößen zur Anpassung an die Körpermaße. Der Abstand zwischen den Rahmengrößen beträgt hier meist 2 Zoll, was rund 5 cm entspricht, während Renn- und Reiseräder oft in 2 cm Abstufung erhältlich sind.
Bei modernen Mountainbikes und anderen Rädern mit abfallendem Oberrohr und großen Rohrquerschnitten ist die Rahmenhöhe vielfach kein ausreichendes Kriterium für die tatsächliche Größe des Rahmens. Das Sattelrohr kann mehr oder weniger weit über das Oberrohr hinausragen, da die bei Mountainbikes üblichen Sattelstützen mit größerem Durchmesser ausreichend belastbar sind, um einen Abstand von mehr als 20 cm zwischen Sattel und Sattelrohr zu ermöglichen. Zur Angabe der sogenannten klassische Rahmenhöhe ist es dann nötig, das Maß von der Tretlagermitte bis zum Schnittpunkt des Sattelrohrs mit einem virtuellen waagerechten Oberrohr zu ermitteln.[3] Entscheidend ist jedoch der Abstand zwischen Sattelrohr und Steuerrohr, der waagerecht vom oberen Abschluss des Steuerrohrs bis zum Schnittpunkt mit der Sattelstütze gemessen werden sollte. Dieses Maß wird von den Herstellern auf unterschiedliche Weise zur angegebenen Rahmenhöhe umgerechnet, so dass die Werte nicht in jedem Fall miteinander vergleichbar sind.
Zur Auswahl der richtigen Rahmenhöhe ist die Schrittlänge (Schritthöhe, Innenbeinlänge) die entscheidende Größe. Sie wird an der Beininnenseite von der Fußsohle bis zum Damm gemessen.[4]
Da die erhältlichen Vorbauten und Lenkerformen vielfältige Möglichkeiten zur Anpassung an die Körpermaße erlauben, wird insbesondere bei Mountainbikes weniger Wert auf die Auswahl eines genau passenden Rahmens gelegt, als es bei Renn- und Reiserädern üblich ist.
Fahrräder mit vorwiegend sportlichem Einsatz in Gelände mit Höhenstufen werden oft bis zu einem Drittel der Fahrzeit im Stehen gefahren. Gelegentlich wird die Meinung vertreten, dass zum optimalen Krafteinsatz im Stehen der Spielraum zur Anpassung der Griffposition geringer ist als im Sitzen. Darum sollten zunächst Lenkerhöhe und Vorbau so ausgewählt werden, dass ausdauerndes und kraftsparendes Fahren im Wiegetritt möglich ist. Die Neigung des Oberkörpers im Sitzen kann anschließend durch horizontales Verschieben des Sattels angepasst werden.
Im Sitzen wie im Stehen ist zu beachten, dass eine zu geringe Distanz zwischen Lenker und Innenlager die Kontrolle des Rades beeinträchtigt und das Aufsteigen des Vorderrades bei steilen Passagen begünstigt. Bei einer zu großen Distanz ruht ein zu hoher Anteil des Körpergewichts auf den Armen. Neben der Ermüdung der Arme wird dadurch insbesondere im Stehen auch der dosierte Krafteintrag auf das Hinterrad erschwert.
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. Dabei sollten Schuhe mit flacher Sohle getragen und das seitliche Kippen der Hüfte vermieden werden.[6]
Bei überwiegend im Sitzen gefahrenen Rädern wird nach der Einstellung der 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, sollte ein vom Knie des Fahrers nach unten führendes Lot auf die Achse der Pedale zeigen.
Bei der Annahme einer statischen Grundbeanspruchung ist ein durch das Gewicht des Fahrers belasteter Fahrradrahmen im Stillstand ein auf Biegung beanspruchtes Tragwerk mit den Auflagepunkten Hinterradachse und Gabelkopf.
Bei statischer Krafteinleitung werden Unterrohr und Kettenstreben auf Zug, das Oberrohr und die Sitzstreben 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:
Die Gewichtskraft des Fahrers wird durch den Rahmen vom Sattel aus über die beiden Laufräder auf den Boden übertragen. Bei unebener Fahrbahn addieren sich zum Gewicht Stoßkräfte, wodurch der Rahmen einer wechselnden Biegebeanspruchung unterworfen wird.
Insbesondere beim Fahren im Stehen zieht der Fahrer beim Tritt in die Pedalen wechselweise am Lenker. Dadurch verwindet (tordiert) sich der Rahmen ungefähr um die Längsachse des Fahrrads.
Ein Rahmen ist umso steifer, je weniger er sich unter den Kräften beim Gebrauch elastisch verformt. Das wird in erster Linie durch Verwendung von Rohren mit großem Flächenträgheitsmoment und Elastizitätsmodul erreicht. Das Flächenträgheitsmodul hängt von Material, Wandstärke und insbesondere Durchmesser der verwendeten Rohre bzw. Hohlprofile ab.
Aufgrund der Bestrebung, das Gewicht zu reduzieren, kommen bei Fahrradrahmen gelegentlich Ermüdungsbrüche vor. Bei Aluminiumrahmen treten diese häufig plötzlich auf, also ohne sich zuvor durch eine plastische Verformung anzukündigen. Gegenmaßnahmen sind die Wahl von Materialien mit hoher Wechselfestigkeit und sorgfältige Gestaltung und Fertigung der Verbindungsstellen der Rohre. Die Verbindungsstellen sind besonders gefährdet, da dort die Beanspruchung dort am größten ist und Schweiß- und Lötverbindungen das Material schwächen. Durch die dabei erfolgte Erwärmung kann sich die Ausgangsfestigkeit des Materials verringern.
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Der klassische Werkstoff für Fahrradrahmen ist Stahl. Die früher übliche Verbindung der Rohre durch Einstecken und Hartlöten in Muffen wird mehr und mehr durch stumpfes Zusammenfügen mit Schweißverbindung ersetzt. Konifizierte Rahmenrohre verdicken sich zum Ende hin, wodurch eine ausreichend feste Rohrverbindung hergestellt werden kann, während in der Rohrmitte zugleich Material eingespart werden kann. Bekannte Hersteller solcher Rahmenrohre sind Mannesmann, Reynolds (England), Columbus (Italien) und Tange (Taiwan).
Aufgrund des höheren Gewichts wurde Stahl in Industrieländern durch Aluminiumlegierungen als Standardmaterial abgelöst, bei Rennrädern schon ab den 1990er Jahren. Die gegenüber Stahl geringere Steifigkeit, Elastizitätsmodul und Dauerschwingfestigkeit wird durch die Verwendung von Rohren mit größerem Außendurchmesser kompensiert.[7] Auch Aluminiumrohre werden konifiziert.
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Carbon) ermöglicht den Bau besonders leichter Rahmen in aerodynamischer Form. Der Verbundwerkstoff hat sich bei Wettkämpfen und bei Rennrädern auch im ambitionierten Hobbysport etabliert. Aufgrund der aufwendigen Herstellung ist die Herstellung teurer als bei Stahl oder Aluminium.[8][9][10]
Eine geringe Verbreitung hat Titan als Rahmenwerkstoff. Titan korrodiert praktisch nicht. Wegen der aufwendigen Herstellung und Verarbeitung von Titan sind Rahmen aus diesem Material sehr teuer. Titanrahmen sind bei gleicher Steifigkeit leichter als alle anderen Rahmen.
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. Bei der Fertigung von Carbonrahmen werden Fasermatten mit Harzen zu einer durchgehenden Schale verklebt, die auch Monocoque genannt wird. Seltener werden Bambus- oder Kunststoffrohre in Muffen aus Aluminium oder auch Kunststoff geklebt. Selten finden sich auch Verbundkonstruktionen, etwa faserverstärkte Metallrahmen.
Im Rahmenbau werden üblicherweise Chrom-Molybdän-Legierungen verwendet, häufig 25CrMo4 (in den USA 4130) und selten 34CrMo4 (US 4135), das eine geringfügig höhere Festigkeit besitzt. Ebenfalls selten anzutreffen sind rostfreie Stähle. CrMo-Stahl ist ein zäher Vergütungsstahl, also ein Stahl, der sich vor einem Bruch zunächst verbiegt.
Stahl ist leicht zu verarbeiten. Er lässt sich problemlos löten und schweißen, auch Kleben ist möglich. Bei hochwertigen Fahrrädern wurden einfach oder mehrfach konifizierte (zu den Verbindungsstellen hin verdickt) oder spiralig verstärkte Rohre verwendet.
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Vorteile:
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Nachteile:
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| Bezeichnung | Eigenschaften |
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| 6000-Serie | Aluminium-Magnesium-Silizium Legierung (Mg und Si um 1 %);
Festigkeiten von 120 bis 400 N/mm² |
| 7000-Serie | Aluminium-Zinklegierung (Zn 0,8 bis 12 %);
Festigkeiten von 220 bis 600 N/mm² |
| 8000-Serie | Zusammenfassend für andere Legierungselemente, z. B. Aluminium-Lithiumlegierungen |
Aluminiumlegierungen werden oft im Rahmenbau verwendet. Häufig verwendete Legierungen tragen die Serienbezeichnungen 6xxx oder 7xxx. Eine 6xxx-Legierung enthält außer Aluminium vor allem Magnesium und Silizium, die 7005 Legierung vor allem Zink und Magnesium. Aluminium besitzt zwar nur etwa ein Drittel der spezifischen Steifigkeit (Elastizitätsmodul) von Stahl, aber auch nur ein Drittel seiner Dichte. Ein Aluminiumrohr benötigt ein größeres Flächenträgheitsmoment und damit einen größeren Durchmesser als ein Stahlrohr, um die gleiche Biege- und Torsionssteifigkeit zu erreichen.[7]
Der Zusatz von Scandium kann die Zugfestigkeit des Materials um bis zu 20 % gegenüber einer herkömmlichen Aluminiumlegierung erhöhen, macht es aber auch gleichzeitig vergleichsweise spröde (erhöhte Ermüdungsbruchgefahr).
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 aufwendigere und störungsanfälligere Schweißprozess, der zudem innere Spannungen erzeugt. Aluminiumrahmen werden nach dem Schweißen in der Regel spannungsarm geglüht.
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Vorteile:
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Nachteile:
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Zur Reparatur eines Aluminiumrahmens muss der zum Rahmenmaterial passende Schweißwerkstoff ausgewählt werden. Wenn der Rahmen nach dem Schweißen nicht insgesamt spannungsarm geglüht wird, sollte er für rund eine Woche nicht belastet werden, damit sich Spannungsspitzen abbauen (Kaltauslagerung).[12]
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 zweimal so steif wie Titan. Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich, aber aufwendig 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.
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Vorteile: |
Nachteile:
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Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Carbon) ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoffmatrix, meist Epoxidharz, eingebettet sind. Das Material weist eine in Faserrichtung besonders hohe gewichtsspezifische Steifigkeit und Festigkeit auf. Dies unterscheidet sie von Metallen, bei denen diese Größen isotrop, also in jede Richtung gleich sind.[10]
Die ersten kommerziellen Carbonrahmen verwendeten in Aluminiummuffen verklebte Carbonrohre. Das Kestrel 4000 von 1986 war das erste Serienrad in Monocoque-Bauweise, welche heute Standard ist.[8][9]
Zur Herstellung werden in der Regel Faserschichten in oder um eine Form gelegt und mit einer flüssigen Matrix gesättigt. Anschließend härten die Rahmen in einem Autoklav aus. Faserschichten sind als Gewebe und Geflechte sowie alternativ mit unidirektionalen oder als Vlies mit kurzen, ungerichteten Fasern verfügbar. Durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen Faserorientierungen kann der Rahmen für die in die jeweiligen Richtungen wirkenden Belastungen optimiert werden und so besonders steif und leicht gebaut werden.[8][9][10] Leichtgewichtige Serienprodukte erreichen Rahmengewichte unter 600 g.[13] Der Herstellungsprozess ermöglicht auch aerodynamische Formen, welchen im modernen Rennraddesign häufig eine große Bedeutung zugemessen wird.[9][14]
Da Carbon vergleichsweise empfindlich ist, werden für Gewinde und Lagerschalen häufig Einsätze aus Metall verwendet.[15]
Durch die hohe Sprödigkeit kann Carbon bei Überlastung plötzlich und unerwartet Brechen. Manche Vorbeschädigungen, wie etwa eine Delamination auf der Innenseite des Rahmens, sind mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Reparaturen sind vergleichsweise aufwendig und teuer, sodass beschädigte Carbonteile in der Regel ausgetauscht werden müssen.[10]
Die Leistungsfähigkeit von Carbonwerkstoffen ergibt sich aus der Verwendung langer, ununterbrochener Fasern. Da diese bei der Aushärtung untrennbar mit der Matrix verbunden werden, kann das Material nicht gleichwertig recycled werden, wie es bei Metallen möglich ist. Es gibt Ansätze, geschreddertes Carbonrezyklat für weniger anspruchsvolle Verwendungen zu nutzen.[10][16]
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Vorteile
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Nachteile
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Bei Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sind in eine Metallmatrix Fasern oder Partikel zur Verstärkung eingearbeitet. In den 1990er Jahren haben zwei Firmen Rahmen auf Aluminiumbasis vorgestellt: Specialized mit einem partikelverstärkten Rahmen (Aluminiumoxidpartikel, Duralcan) und Univega mit einem borfaserverstärkten Rahmen (Boralyn). Die Festigkeit des Aluminiums wird kaum verbessert, aber laut Herstellern die Steifigkeit um bis zu 30 %. Diese Rahmen sind inzwischen wieder vom Markt verschwunden.[17][18][19]
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Vorteile (Herstellerangaben):
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Nachteile:
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Räder mit Rahmenrohren aus Bambus (meist Bambuseae) kamen im Fin de Siècle in Mode. Die Herstellung einer haltbaren Verbindung zwischen den Bambusrohren ist relativ aufwendig. Während die Herstellungsverfahren für Stahlrohre und -rahmen effizienter wurden, ebbte der Trend einige Jahre nach der Jahrhundertwende wieder ab und auch große Hersteller wie Grundner & Lemisch gaben die Produktion auf. Heute werden wieder Fahrradrahmen in kleinen Stückzahlen aus Bambus gefertigt.[20] 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.[21] 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.
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Vorteile:
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Nachteile:
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Fahrradrahmen aus Metall werden heute überwiegend im WIG-Verfahren (von Hand) geschweißt.[22]
Europäische und nordamerikanische Fahrradhersteller lassen spätestens seit dem Jahr 2000 ihre Fahrradrahmen größtenteils in Taiwan herstellen, um die Produktionskosten niedrig zu halten. Nur wenige Hersteller fertigen die Rahmen noch in ihren eigenen Werken in Europa oder Nordamerika, wie z. B. De Rosa. Die taiwanischen Hersteller ihrerseits lagern die Produktion auch schon in Billiglohnländer wie der Volksrepublik China, Laos oder Vietnam aus.
Fahrradrahmen werden üblicherweise vom Hersteller mit einer eindeutigen Rahmennummer versehen, die eine Identifizierung des Fahrrades, z. B. nach einem Diebstahl, ermöglicht.
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