Anforderungen an das Rahmenmaterial

Steifigkeit

Die Steifigkeit eines Rahmens ist eine der wichtigsten Größen. Sie wird sowohl durch die Wahl des Materials als auch durch den Rohrdurchmesser beeinflusst. Stahl besitzt unter den Metallen, die für einen Fahrradrahmen geeignet sind, den höchsten E-Modul, ist also der steifste Werkstoff. Die für die Steifigkeit eines Rohres ausschlaggebende Größe ist allerdings nicht das Material (E-Modul), sondern der Durchmesser. Der Durchmesser geht bei einer Steifigkeitsberechnung eines Rohres mit der dritten Potenz ein, der E-Modul jedoch nur linear. Darum können Aluminiumrahmen deutlich steifer als Stahlrahmen sein. Die geringe Dichte von Aluminium lässt es zu, dass die Rohre „aufgeblasen“ werden können, um die Steifigkeit zu erhöhen. Dabei kann gleichzeitig noch ein relativ geringes Gewicht realisiert werden. Stahlrohre dagegen kann man nicht genauso dick machen, denn um das Gewicht in Grenzen zu halten, müsste die Wandstärke radikal verringert werden. Durch diese Maßnahme wächst jedoch Gefahr des Knickens bzw. die Beulgefahr (Cola-Dosen-Effekt).

Festigkeit

Die Festigkeit eines Rahmens ist meistens hoch genug. Der klassische Diamantrahmen ist von der Bauform her bereits festigkeitsoptimiert. Durch Überbelastungen kann es natürlich trotzdem zu einem Versagen kommen. Wichtig für einen stabilen Rahmen ist das Ausnutzen der Diamantform, fließende Übergänge und wenige Spannungsspitzen, also saubere Schweißnähte ohne Kerben und Stufen, sowie sinnvolles Einsetzen von Verstärkungsblechen und das Ausnutzen der natürlichen Elastizität des Werkstoffes, sowie der Konstruktion.

Es gibt keinen Rahmen, der alles aushält. Wenn Überbelastungen – meistens durch Fahrfehler – auftreten, so muss ein Bauteil nachgeben. Solange dies im elastischen Bereich geschieht, merkt der Fahrer davon nichts. Sobald aber ein Bauteil plastisch nachgibt, sich also verformt, ist das Bauteil beschädigt. Schlimm sind dabei Risse, die vermehrt dann auftreten, wenn ein Werkstoff mit geringer Zähigkeit verwendet wird, oder das Bauteil vorgeschädigt war, zum Beispiel durch fehlerhafte Schweißnähte, fehlerhafte Verarbeitung, falsche Konstruktion, Dellen oder Bohrungen. Den typischen „Materialfehler“ gibt es praktisch nicht mehr. Sämtliche im Rahmenbau verwendeten Materialien können für sich als fehlerfrei angesehen werden.

Dauerfestigkeit

Metalle ermüden bei anhaltender dynamischer Belastung, indem sich zunehmend Mikrorisse bilden, die die Materialfestigkeit merklich verringern. Je höher die Materialbeanspruchung, desto schneller die Ermüdung; dies lässt sich im Bereich bis zu einer Million Lastwechseln genau beobachten und berechnen. Speziell bei Stahl gibt es jedoch eine Beanspruchungsgrenze, unterhalb derer auch bei mehreren Millionen Lastwechseln keine Schädigungen festzustellen sind. Ist ein Bauteil so bemessen, dass die Materialbeanspruchung im Normalbetrieb unterhalb dieser Grenze bleibt, spricht man von Dauerfestigkeit. Technische Güter im Bereich privater Nutzung werden oft so konstruiert, dass sie leichter und billiger sind, die Werkstoffbeanspruchung dadurch aber höher ist. Man spricht dann von Zeitfestigkeit, d. h. die Zeit bzw. die Anzahl der Lastwechsel bis zum wahrscheinlichen Eintritt eines Bruchs ist vorhersagbar, sofern man die Belastung kennt. Da die anzunehmenden Maximalbelastungen aber nur selten auftreten, ergeben sich in der Praxis nur bedeutungslos geringe Schadenswahrscheinlichkeiten.

Gewicht

Wünschenswert ist natürlich ein möglichst geringes Gewicht, allerdings muss der Rahmen auch sicher sein und die notwendigen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen. Daher werden hochspezialisierte Fahrradrahmen für verschiedene Einsatzbereiche konstruiert, um für jeden Einsatzzweck möglichst optimale Eigenschaften zu erfüllen.

Korrosionsschutz

Aluminium ist entgegen landläufiger Meinung korrosionsgefährdet: Salzwasser in Form von Schweiß, isotonischen Getränken, Salzstreuung, etc. greifen das Material an. (Randbemerkung: Besonders das im Rahmenbau nicht verwendete AL-7075 muss unbedingt geschützt werden.) Eine Oberflächenbehandlung ist also notwendig. Aluminium kann lackiert, pulverbeschichtet und eloxiert (anodisiert) werden. Stahl rostet bekannterweise, muss also auch geschützt werden z. B. durch Lackierung oder Pulverbeschichtung. Titan ist korrosionsfest und benötigt keinerlei Oberflächenbehandlung. Carbonrahmen sollten zumindest klar lackiert sein, da die Kunststoffmatrix gerne Wasser aufnimmt und dadurch gering an Festigkeit verliert.

Bruchdehnung und Schlagzähigkeit

Damit bei einer Überbelastung ein Bauteil nicht komplett versagt, sind Reserven notwendig. Stahl ist in dieser Hinsicht sehr gutmütig – bevor ein Bauteil aus Stahl reißt, findet eine deutlich sichtbare plastische Verformung statt. Das Bauteil kann als schadhaft erkannt und ausgetauscht werden, bevor es versagt. Auch Titan ist in dieser Hinsicht ein gutmütiger Werkstoff, wenn richtig geschweißt wurde. Aluminium dagegen kann bei vorhandenen Vorschäden (Korrosion, ungünstiger Spannungsverlauf durch falsche Konstruktion, Oberflächenschäden, Schweißfehler…) ohne Vorwarnung komplett durchreißen. Das Bauteil versagt plötzlich. Daher sollten Vielfahrer Lenker und Vorbauten aus Aluminium einmal jährlich tauschen. Für Rahmen aus Aluminium bedeutet das: Regelmäßige Kontrolle beim Reinigen, vor allem an den Schweißnähten. Stürze können auch Carbon schädigen, ohne dass eine Veränderung zu sehen ist. Hierbei hängt es aber immer von der Art des Faserverbundes, der verwendeten Fasern und der Produktionsart ab, inwieweit dieses Ereignis einen Austausch des betroffenen Bauteils erfordert.

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