Rahmenmaterialien für den Reiseradfahrer: Unterschied zwischen den Versionen

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.

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 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 [[Legierung]]selementen der Legierung. Alle [[Stahl]]arten haben demanch ungefähr den gleichen Elastizitätskoeffizient.

Beanspruchbarkeit wird mit einer Eigenschaft namens ''Streckgrenze'' bestimmt. Die Streckgrenze wird im wesentlichen durch die Qualität, Hitzebehandlung und [[Legierung]]selementen in einer bestimmten Rohrart beeinflusst.

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.

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.

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 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.

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.

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 [[konifziert]]e 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.

Die Torisions- bzw- Lateralkräfte werden zum großen Teil durch das Pedalieren aufgebracht. Jeder Rahmen wird um das Tretlager herum durch die Kräfte des Pedalierens ein kleines Stück gebogen. Dieses Biegen kann man sprüren und viele Fahrradfahrer denken, dass es Kräfte vergeudet. Tatsächlich stimmt das nicht, denn Metalle, die für den Rahmenbau verwendet werden, sind sehr effektive Federn. Die Energie wird am Ende des Kraftaufwands wieder zurückgeführt. Daher geht so gut wie keine Energie verloren. Es gibt also keinen echten Effizienzverlust durch einen biegsamen Rahmen (wenig Formsteifigkeit). Jedoch wird das Gefühl des flexenden Rahmens als unangenehm empfunden und daher bevorzugen viele Radfharer Rahmen, die in der Antriebsgegend formsteifer sind. Das trifft eher auf große und schwere Fahrer zu und soclhe, die häfig in den Pedalen stehen.

Die laterale Formsteifigkeit ist auch bei Tourenradlern, die mit schwerem Gepäck im hinteren Fahrradbereich unterwegs sind, von Bedeutung. Ein Rahmen, der in dieser Gegend zu sehr flext, wird als volatil bemerkt und tendiert dazu, bei hohen Geschwindigkeiten gefährlich zu oszillieren. Der Großteil der Biegung wird Gepäckteil des Rads erzeugt, jedoch könne in den Sitzstreben genügend Torsionskräfte übertragen werden, dass dies die Situation noch verschärft.

''Da sich dieser Artikel mit Rahmen beschäftigt, wird nur der Aspekt von Stößen, die über das Hinterrad zum Sattel durchgereicht werden, behandelt. Die Fahreingeschaften am Lenker werden im Wesentlichen durch Gabel und Geometrie bestimmt und sind überwiegend unabhängig von der Rahmenmaterialwahl.''

Der meiste Blödsinn, der über die verschiedenen Rahmenmaterialien verbreitet wird, ist der imginäre Unterschied in der vertikalen Formsteifigkeit. Es wird beheuptet, dass der einen Rahmen butterweich jede Unebenheit wegsteckt, während ein anderer Rahmen schon das Überrollen eines Harrisses in der Straße spürbar mache. So gut wie jede dieser "Unterschiede" sind entweder Placeboeffekte (sprich: eingebildet) oder durch andere Aspekte als die Rahemnmaterialwahl hervorgerufen.

Unebenheiten werden durch die Reifendecke über den Reifen, das Laufrad, die Sitzsterben, die Sattelstütze, den Sattelrahmen und schließlich die Satteldecke an den Fahrrer durchgereicht. Jede dieser Komponenten leiten mehr oder weniger die Energie ab, jedoch nie die gleiche Menge an Energie.

Der größte Teil der Absorption wird im Reifen aufgefangen, die zweitmeiste im Sattel. Wenn man bei einem kleinen Rahmen viel Sattelstütze herausgezogen hat, absorbiert auch die Sattelstütze mehr. Die Stoßabsorbtion von hoch qualitativen Laufräderbn kann vernachlässigt werden. Die Sitzstreben sind der einzige Teil des Rahmens, der an der Weitergabe der Energie beteiligt ist. Sie übertragen die Energie genau in ihrer Verlaufsrichtung und sind in diese Richtung so formsteif, dass sie die Energie vollständig weitergeben.

Der einzige Teil des Rahmens, der zum "Federungskomfort" beitragen kann, ist das Sitzrohr, welches bei weit sugezogener Sattelstütze ein kleines Stück verbogen werden kann. Jedoch ist das Flexen des Sattelstützenmaßes, das sich außerhalb des Sitzrohrs befindet, um ein vielfaches höher zu bewerten.

Eine Rahmeneingeschaft, die noch einen Effekt bei Stößen haben kann ist das hintere Dreieck des Diamantrahmens. Daher haben [[Tourenrad|Tourenräder]] meist sehr lange Kettenstreben, um den Fahrer weit vor das Vorderrad zu positionieren. Kurze Kettenstreben geben Stöße stärker weiter. Das ist wie im Bus, in dem man weiter hinten sitzt. Wenn man näher auf den Hinterrädern sitzt, wird man mehr durchgeschaukelt.  

Wenn Du nach einem komfortablen Fahrrad suchst, sit es unsinnig, sich alleine auf das Rahmenmaterial zu fokussieren. Es gibt viele Komfortunterschiede zwischen einzelnen Fahrrädern, die durch folgende Gründe zu belegen sind:

*'''Reifenwahl'''<br /> Breitere, weichere Reifen erzeugen meistens mehr Komfort als jeder andere Apsekt eines Rahmens. Die meisten sprotiveren Rahmen verhindern jedoch leider die Reifenwahl durch ihre extrem geringe Reifenfreiheit. Das wird gemacht obwohl es keinen Performancevorteil für soclhe Entwürfe gibt. In diese Rahmen passen nur superschmale Reifen und das Fahrrad iwrd infolge dessen nie wirklich komfortabel. Siehe hierzu auch den Artikel über [[Reifen]].

*'''Rahmengeometrie'''<br />Generell haben Rahmen mit längeren Kettenstreben und weniger vertikalen Sitz- und Steuerrohr[[winkel]]n einen Komfortvorteil. Dadurch werden sie nicht langsamer aber etwas weniger manövrierbar (bzw. etwas nervöser).

Carbonfasern wird für den Ramenbau immer beliebter. Es wird jedoch vollkommen anders im Rahmenbau verwendet als Metallrohre. Wegen der faserigen Struktur des Materials hat es ein völlig anderes Oberflächenbild als Metall. Ein gut entworfener Carbonrahmen hat seine Fasern so ausgerichtet, dass die größte Beanspruchbarkeit des Rahmens an den Punkten mit der größten Krafteinwirkung liegen.

Leider ist im Fahrradbau die Carbontechnoligie nicht ganz so ausgereift wie Metallrohrverarbeitung. Fahrräder werden vielen verschiedenen Kräften aus allen möglöichen Richtungen ausgesetzt. Sogar mit Computermodellieruzngen ist es nicht möglich, jede einzelne physikalische Komponente vorauszusagen. Carbon hat großes Potential. Jedoch haben zetgenössische Carbonrahmen noch nicht die Zuverlässigkeit und Ausdauer gezeigt, die im harten Tourenradeinsatz nötig sind. Ein typischer Schwachpunkt sind alle Stellen, an denen Metallteile wie Gabelenden, Innenlagerhülsen, Steuersätze usw. mit dem Rahmen verbunden werden müssen. Diese Stellen können durch Korrosion geschwächt werden und zum Bruch führen.

In der Geometrie gibt es nichts, dass so belastbar ist, wie ein Dreieck. Diamantrahmen werden grundsätzlich durch zwei Dreiecke bestimmt. Die Eleganz und Einfachheit dieses Designs kann nur schwerlich verbessert werden. Milliarden Diamantrahmen wurden in den letzten Hundert Jahren hergestellt und hunderttausende Menschan sind auf diesen Rädern gefahren und haben sich Gedanken gemacht, wie man die Leistung des Fahrrads noch verbessern könnte. Der aus Rohren geformte Diamantrahmen wurde so lange minimal verbessert, dass er inzwischen auf der Basis der verwendeten Materialien so gut wie perfekt ist.

 

Falls es einen großen Sprung im Rahmendesign geben sollte, muss er aus einem völlig neuen Konstruktionsprozess wie Carbon oder gegossenem Magnesium oder einem vollkommen neuen Design wie zum Beispiel Liegerädern kommen.

Alle oben genannten Materialen sind für Kurz- bis Mittelstreckendistanzen in Industrieländern gut brauchbar. Titan ist zwar teuer, ist aber die haltbareste Materialwahl. Aluminium und Stahl sind genauso exzellent. Aus Carbon werden allerdings keine Tourenräder hergestellt behauptet [[Sheldon Brown]].

Bei Langstreckenfahrten ind weniger entwickelten Gebieten ist Stahl die beste Wahl. Im Falle eines Rahmenschadens kann hier jeder weiterhelfen, der Schweißen oder Löten kann.