Rahmenmaterialien für den Reiseradfahrer

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Wusstest Du, dass

• Aluminiumrahmen einen unbequemen Ausritt bescheren?
• Titanrahmen weich und volatil sind?
• Stahlrahmen mit der Alter weicher werden, jedoch einen bessere Fahrqualität haben?
• die Königin von England, Elisabeth II., eine Schlüsselfigur im internationalen Drogenhandel ist?

Alle oben aufgeführten Aussagen sind gleichermaßen falsch!

Es gibt einen erstaunlich großen weit gestreuten folkoristischen "gebräuchlichen Wissensschatz" über Fahrradrahmen und -materialien, der keiner faktischen Überprüfung standhält.

In Wirklichkeit kann man aus jedem der oben genannten Materialien (außer Drogen und Königinnen) sehr gute Rahmen herstellen, die den gewünschten Fahreigenschaften entsprechen insofern man die passenden Rohrdurchmesser, -wandstärken und Rahmengeometrien wählt.

Formsteifigkeit, Beanspruchbarkeit und Gewicht

Beanspruchbarkeit und Formsteifigkeit sind unterschiedliche Eigenschaften, die häufig miteienander verwechselt werden. Es ist unabdingbar, den Unterschied zu kennen, wenn man die Unterschiede der Rahmenmaterialen verstehen will.

Wenn Du das eine Ende einer Metallstange in einem Schraubstock klemmen und am anderen Ende ein Gewicht hängen würdest, dann biegt sich diese Stange vorübergehend. Sobald Du das Gewicht wieder entfernst, kehrt die Metallstange wieder in ihre Originalform zurück.

Unterschiedliche Materialien biegen sich bei gleichem Kraftauwand unterschiedlich weit. Diese Eigenschaft nennt man Formsteifigkeit.

Wenn man nun soviel Gewicht an diese Metallstange hängen würde, dass das Material sich komplett verbiegt und nicht mehr in seinen Originalzustand zurückkehrt sondern verbogen bleibt, hat das Material nachgegeben.

Unterschiedliche Materialen vertragen unterschiedlichen Kraftaufwand bevor sie nachgeben. Diese Eigenschaft nennt man Beanspruchbarkeit.

Formsteifigkeit

Formsteifigkeit beeinflusst die Fahreigenschaften eines Fahrradrahmens, da ein Rahmen von normaler Belastung keine permanante Deformation erleidet.

Die Formsteifigkeit wird mit einer Eigenschaft des Materials namnes Elastizitätskoeffizient bestimmt. Der Elastizitätskoeffizient ist fast unabhängig von der Qualität des Metalls oder den Legierungselementen der Legierung. Alle Stahlarten haben demanch ungefähr den gleichen Elastizitätskoeffizient.

Beanspruchbarkeit

Beanspruchbarkeit bezieht sich auf die generelle Haltbarkeit eines Rahmens, hat jedoch keinen Einfluss auf die Fahreigenschaften. Beanspruchbarkeit wird mit einer Eigenschaft namens Streckgrenze bestimmt. Die Streckgrenze wird im wesentlichen durch die Qualität, Hitzebehandlung und Legierungselementen in einer bestimmten Rohrart beeinflusst.

Gewicht

Die dritte Eigenschaft eines Rahmenmaterials ist sein Volumengewicht. Das wird durch das spezifische Gewicht bestimmt.

Wie die Formsteifigkeit wird auch das spezifische Gewicht nicht wesentlich durch Legierungselemente verändert. Auch wenn Du einen Aufkleber Lite Steel (TM) findest, wirst Du feststellen, dass Stahl genauso schwer wie Stahl ist.

Kombination der drei Eigenschaften

Für die drei gebräuchlichsten Rahmenmaterialen ergibt sich demnach folgende Vergleichstabelle:

Material	Elastizitäts- koeffizient	Streckgrenze	spezifisches Gewicht
Aluminium	10-11	11-59 (4-22 weichgeglüht)	168,5
Stahl	30	46-162	490
Titan	15-16,5	40-120	280

Anmerkung: Der Elastizitätskoeffizient und das spezifische Gewicht sind im wesentlichen Unabhängig von der Qualität, der Hitzebehandlung oder Legierungsmaterialien der Metalle. So haben zum Beispiel alle Stahlrahmen von den Wasserrohren, die bei Baumarkträdern zum Einsatz kommen, bis hin zu den exotischen Legierungen von superteuren Fahrradrahmen einen Koeffizienten um die 30 und ein spezifisches Gewicht von 490.

Jeder, der Dir erzählen will, dass eine bestimmte Stahlsorte (oder Aluminium, oder Titansorte) leichter oder steifer sei als eine andere Sorte, verbreitet nur heiße Luft.

Jedoch gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Streckgrenzen der einzelnen Qualitätsstufen der Rohre.

Der Koeffizient zeigt Dir, dass Du bei exakt gleicher Bauweise dreier Rahmen aus den drei Materialen mit gleichem Rohrdurchmesser und gleicher Rohrwandstärke ein Aluminiumrahmen etwa ein Drittel so stief wäre wie der Stahlrahmen. Der Titanrahmen hätte rund 50% der Steifigkeit des Stahlrahmens.

Der Wert der Streckgrenze zeigt, dass der Aluminiumrahmen wesentlich schwächer wäre - sprich früher brechen würde - als der Stahl oder Titanrahmen.

Das spezifische Gewicht sagt aus, dass der Aluminiumrahmen rund 30% des Stahlrahmens wiegen würde und der Titanrahmen rund 60% des Stahlrahmens.

Diese Vereinfachungen dienen hier nur zur Veranschaulichung, da man niemals drei Rahmen aus den drei Materialien mit den gleichen Rohrdimensionen bauen würde.

Echte Fahrräder sind natürlich je nach Eigenschaft des Rahmenmaterials anders aufgebaut, indem man unterschiedliche Rohrdurchmesser und -wandstärken für die einzelnen Teile des Fahrrads wählt. Die Formsteifigkeit wird wesentlich durch den Rohrdurchmesser bestimmt. Die Beanspruchbarkeit wird wesentlich durch die Rohrwandstärke bestimmt, wobei der Rohrdurchmesser auch eine Rolle spielt. Das Gewicht wird durch die Menge des Materials bestimmt.

Ein Rahmenhersteller kann Varianten herstellen, indem er verschiedene Rohrdurchmesser und -wandstärken wählt. Dadurch wird ein Rahmen formsteifer, beanspruchbarer oder leichter.

Stahl kontra Titan

Wirf noch einmal einen Blick auf obige Tabelle. Du wirst erkennen, dass identische Stahl- und Titanrahmen in etwa gleich beanspruchbar sein würden. Jedoch würde der Titanrahmen nur ca. 60% des Gewichts und 50% der Formsteifigkeit haben.

Ein solcher Rahmen würde sich mangels Formsteifigkeit sehr volatil anfühlen, vor allem bei hoher Beladung. Um das zu kompensieren, werden Titanrahmen normalerweise mit größeren Rohrdurchmessern gebaut, um die Formsteifigkeit so weit zu erhöhen, dass der Rahmen ein sicheres Gefühl gibt. Da sich dadurch das Gewicht erhöht, werden die Wandstärken der größeren Rohre wieder verkleinert. Das reduziert das Gewicht wieder, so dass der Rahmen immer noch weniger wiegt als ein entsprechender Stahlrahmen.

Stahl kontra Aluminium

Bei Aluminium ist die oben beschriebene Ausgangssituation sogar noch verschärft. Ein identischer Aluminiumrahmen hätte nur ca 30% der Formsteifigkeit, ca. 50% Beanspruchbarkeit und rund 30% des Gewichts des Stahlrahmens. Daher haben die meisten Aluminiumrahmen deutlich größere Rohrdurchmesser und -wandstärken, um Rahmen mit guter Formsteifigkeit und Beanspruchbarkeit zu erhalten. Dies resultiert dann insgesamt immer noch in einem leichteren Rahmengewicht als bei vergleichbaren Stahlrahmen.

Großer Rohrdurchmesser und dünne Rohrwandstärke

Die Vorteile großer Rohrdurchmesser können theoretisch auf Stahlkonstruktionen angewandt werden. Es gibt jedoch eine praktische Hürde. Man kann Stahlrahmen mit mehr als fünf Zentimetern Rohrdurchmesser bauen, die eine sehr hohe Formsteifigkeit aufweisen - tatsächlich jedoch höher als irgendjemand braucht. Zudem kann man das Gewicht stark reduzieren, indem man die Wandstärken sehr dünn wählt.

Warum wird das nicht gemacht? Das hat im Wesentlichen zwei Gründe:

• Je dünner die Wandstärke, desto schwieriger ist es, die Rohr zu verbinden. Daher werden konifzierte Rohre benutzt, bei denen die Wandstärken zu den Rohrenden hin dicker werden, damit man sie dort mit anderen Rohren verbinden kann.
• Wenn die Wandstärken zu dünn werden, können die Rohr sehr leicht eingedellt werden. Zudem bieten sie Verbindungepunkten für Flaschenhalter, Schaltzugführungen und ähnlichen unzureichenden Halt.

Quellen

• Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Frame Materials for the Touring Cyclist von der Website Sheldon Browns. Der Originalautor des Artikels ist Sheldon Brown.