Fahrradrahmen

Der Fahrradrahmen ist das tragende Gestell eines Fahrrads, er trägt das Gewicht des Fahrers und überträgt es auf die Laufräder. Er bildet das Grundgerüst, das alle Komponenten und Anbauteile trägt.

Gut gesicherter Fahrradrahmen

Ein gebrochener Fahrradrahmen

Ein gefederter Fahrradrahmen

Rahmenformen und -geometrie

Die Bauart und Ausführung des Fahrradrahmens bestimmen wesentlich die (Fahr-)Eigenschaften des Fahrrads. Man unterscheidet verschiedene Rahmenformen:

• Als beste (ideale) Kombination aus Stabilität und Gewicht hat sich der Diamantrahmen herausgestellt. Er bildet sich aus zwei Dreiecken, die eine optimale Verteilung der Kräfteeinwirkungen gewährleisten. Das vordere Dreieck bildet den Hauptrahmen, bestehend aus Oberrohr, Unterrohr und Steuerrohr. Das hintere Dreieck nennt man Hinterbau, bestehend aus Sitzstreben und Kettenstreben. Beide Dreiecke haben als verbindendes Element das Sattel- oder Sitzrohr und das Tretlagergehäuse.
• der gefederte und stabile Fachwerkrahmen eines Moulton-Rades stellt eine weitere Alternative dar. Das starre Rahmenwerk eines Dursley-Pedersen-Rades weißt eine ähnliche Komplexität auf.
• Beim Kreuzrahmen kreuzen sich mittig das Sitzrohr welches zum Tretlager geht mit dem Rohr welches vom Steurrohr (Lenker) zum Hinterrad geht und sich dann zur Hinterradgabel teilt. Diese Bauform ist eine der ältesten Konstruktionen und nicht sehr Steif. Monocoque-Rahmenkonstruktionen aus Verbundmaterialien (vor allem Carbon) können allerings ebenfalls ähnliche Konstruktionen aufweisen. Das teure und schwer zu verarbeitende Material hat aber bei günstigeren Alltagsrädern keine weitere Verbreitung gefunden.
• Der Trapezrahmen ist ein Diamantrahmen mit abgesenktem Oberrohr. Das Oberrohr kann gerade oder geschwungen zum Sattelrohr führen. Dies ermöglicht - vor allem Frauen und älteren Menschen - einen tieferen Einstieg.
• Der Anglaiserahmen ist ebenfalls ein Rahmen mit einen etwas tieferen Einstieg. Bei ihm ist das Oberrohr, das vom Sattelrohr ab zweigeteilt ist (zusätzlich zu Sattel- u. Kettenstreben) zum Hinterrad geführt.
• Der Schwanenhalsrahmen hat zwei geschwungene und parallel verlaufende Hauptrahmenrohre.
• Der Waverahmen ist der meist verkaufte Damenrahmen und wird in sogenannten Cityräder verbaut. Er hat nur ein überdimensioniertes Unterrohr, das wie eine Welle (Wave) geschwungen ist und am Tretlagergehäuse ein kleines Verstärkungsrohr hat.
• Der Easy Boarding Rahmen oder auch Tiefeinsteiger genannt weist den tiefsten Einstieg auf. Hier ist das alleinige überdimensioniertes Unterrohr entgegengesetzt zum Waverahmen geschwungen. Hier ist der Einstieg noch vor dem Tretlager möglich und somit extrem tief.

Diese Benennungen haben sich im Laufe der Zeit und in den verschiedenen Ländersprachen geändert. Bei den Mountainbikes (MTB) hat sich ebenfalls der Diamantrahmen durchgesetzt, obwohl hier auch häufig mit alternativen Rahmenformen experimentiert wird; nicht zuletzt aus modischen Gründen:

• Der Y-Rahmen. Vom Steuerrohr führt nur ein Rohr das sich dann gabelt zum Sattelrohr. Diese Rahmen werden entweder ungefedert bei Jugendrädern, oder vollgefedert bei Mountainbikes angeboten.
• Ungefederte MTB Rahmen werden Hardtails genannt.
• MTB Rahmen mit gefedertem Hinterbau nennt man Full Suspension oder Fullys. Hier unterscheidet man dann noch Eingelenker, Mehrgelenker und Viergelenker, je nach Konstruktionsprinzip sowie der Anzahl und Platzierung der Gelenke.

Industrielle Fertigung

Ein großer Teil der heute verkauften Fahrräder wird mit Rahmen aus Taiwan ausgestattet, diese bedienen aufgrund ihrer hohen Spezialisierung vor allem das mittlere Preissegment. Rahmen 'Made in Taiwan' sind nicht mehr als Billiglabel anzusehen, sondern ein Qualitätsmerkmal. Billige und minderwertige Rahmen werden von taiwanesischen Subunternehmern in Vietnam und Laos sowie in Deutschland und Osteuropa hergestellt. Nur wenige Hersteller fertigen wirklich Rahmen in ihren eigenen Werken in Europa oder Amerika, diese sind dann entsprechend teuer und hochwertig wie Räder von z. B. De Rosa.

Werkstoffe für Fahrradrahmen

Fahrradrahmen wurden bis ins Anfang des 21. Jahrhunderts vorwiegend aus Stahl gefertigt. Heute findet man Stahl nur noch bei Billigrädern oder exklusiven Herstellern. Bei aufwendigen Stahlrahmen werden die Rahmenrohre mit Muffen verlötet, außerdem werden Rahmenrohre mit unterschiedlichen Wandstärken verwendet, die Gewicht sparen, aber auch sehr teuer sind. Die Rahmenrohre haben hierbei unterschiedliche Wanddicken, an den Muffen sind sie dicker als in der Mitte. Bekannte Hersteller solcher Rahmenrohre sind Columbus und Reynolds sowie Mannesmann.

Aus Kostengründen ist heute Aluminium Standardmaterial. Als Verkaufsargument wird gern das geringe Gewicht und die Rostunempfindlichkeit von Aluminium genannt, was sich aber teils relativiert. Verbesserte, stoßunempfindliche Lackierungen ermöglichen haltbare Stahlrahmen, auch Aluminium oxidiert, wenngleich anders. Schlecht verarbeitete Rahmen aus Aluminium haben wesentlich dickere Rohre und auch größere Wandstärken als beim Stahl, sie sind so meist nicht leichter als vergleichbare Stahlrahmen. Vorteil von Aluminium sind die mittlerweile eingespielte Verarbeitung, Nachteil die geringere Flexibilität (Komfort), geringere Festigkeit (dadurch größere Rohrdurchmesser). Da billige Stahlrahmen aber wie Alurahmen aussehen sollen, sind sie mit dem Auge schwer zu unterscheiden. Magnetisch jedoch sehr gut, da ein Magnet am Stahl hält, was bei Aluminium nicht der Fall ist. Außerdem haben Alurahmen deutlich breitere Schweißnähte und rund doppelt so breite Ausfallenden. Bei Rahmen mit größeren Rohrdurchmesser und geringeren Wandstärken spricht man auch vom "Oversized".

Es kommen aber auch andere Rahmenwerkstoffe wie z.B. Scandium, Titan und Carbon, sowie Kombinationen aus diesen Werkstoffen zum Einsatz. Diese findet man aber nicht im Baumarkt.

Die verschiedenen Rahmenwerkstoffe werden auch mit verschiedenen Fügetechniken zusammengefügt. Stahl wird vorwiegend mit Muffen gelötet oder geschweißt, Aluminium und Titan hauptsächlich geschweißt und selten auch geklebt. Carbonrahmen die aus einem Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bestehen, werden geklebt oder bestehen aus einem Teil der dann Monocoque genannt wird. Selten finden sich auch Verbundkonstruktionen, etwa faserverstärkte Metallrahmen.

Der Fahrradrahmen ist durch seine Leichtbauweise erheblichen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Ein Bruch des Rahmens ist zwar ein seltenes Ereignis, kommt aber gehäuft bei Rahmen von Billigrädern oder großer Belastung (Unfall, Downhill-Wettbewerbe) vor.

Stahl

Stahl ist der wohl am weitesten verbreitetste Werkstoff für Fahrradrahmen. Stahl ist in sehr vielen verschiedenen Legierungen erhältlich. Im Rahmenbau üblich sind Chrom-Molybdän Legierungen, wie 25CrMo4 (in den USA 4130) und ganz selten 34CrMo4 (US 4135), das eine geringfügig höhere Festigkeit besitzt. Ebenfalls selten anzutreffen sind rostfreie Stähle. Hersteller von Stahlrahmenrohren sind zum Beispiel: Tange, Reynolds, Columbus (Stand: 2002). CrMo-Stahl ist ein zäher Vergütungsstahl mit einer (bei allen Stählen) hohen Steifigkeit und die daraus gefertigten Rahmen sind besonders langlebig. Stahl ist außerdem sehr leicht zu verarbeiten. Er lässt sich problemlos löten und schweißen, selbst kleben ist möglich, scheint aber nicht sinnvoll. Durch die langjährigen Erfahrungen der Hersteller ist es auch möglich, exotische Rohrformen wie konifizierte, endverstärkte, spiralig verstärkte, etc. herzustellen. Vorlage:Spalten

Aluminium

Aluminium wird in den letzten Jahren verstärkt im Rahmenbau eingesetzt. Während die ersten Aluminiumrahmen problematische Stabilitätswerte hatten, ist jetzt eine hohe Perfektion erreicht worden. Selbst das Endverstärken von Aluminiumrohren wird beherrscht. Aluminium besitzt ca. 1/3 der Festigkeit von Stahl, etwas unter 1/3 des Elastizitätsmoduls (E-Modul) - also hohe Steifigkeit, bei etwas unter 1/3 der Dichte. Die geringere Dichte lässt eine größere Dimensionierung zu, die sich in der Steifigkeit positiv niederschlägt. Ein Problem der Aluminiumrahmen klingt im ersten Moment eher paradox: Die hohe Steifigkeit. Während ein Stahlrahmen permanent bei jedem Tritt und Stoß federt, und durch dieses Nachgeben Spannungsspitzen abbaut, ist dies bei einem Aluminiumrahmen weit weniger der Fall. Ein Aluminiumrahmen muss daher von Haus aus viel fester ausgelegt sein. Ein Nachteil des Aluminums ist, dass das Schweißen im Vergleich zu Stahl eine aufwändigere Technik und erheblich mehr Erfahrung erfordert. Ein Grund dafür ist, dass sich auf Aluminium grundsätzlich eine Oxidschicht befindet, die das Schweißen behindert und mit Wechselstrom „weggerissen“ wird. Außerdem muss unter einer Schutzatmosphäre geschweißt werden. Aluminium muss auch gegen Korrosion geschützt werden.

Titan

Manche Titanlegierungen sind hochfest, manche liegen sogar knapp über den im Rahmenbau verwendeten Stählen. Titan benötig absolut keinen Korrossionsschutz. Es hat allerdings viele Nachteile: Titan ist ziemlich teuer, und benötigt bei der Herstellung Unmengen von Energie. Es hat zwar eine geringere Dichte als Stahl, (etwas über der Hälfte), aber nur die halbe Steifigkeit. Das Steifigkeits-/Gewichtsverhältnis ist ungünstiger als bei Stahl oder Aluminium. Titan ist außerdem auch außerordentlich schwer zu verarbeiten. Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich aber aufwendig. Das Endverstärken von Rohren wird aus Kostengründen sehr oft unterlassen. Außerdem ist das Bearbeiten und Zuschneiden der Titanrohre nicht einfach. Besonders knifflig wird es beim Schweißen. Titan bildet ebenso wie Aluminium eine Oxidschicht, die aber bei Hitzeeinwirkung drastisch an Dicke und Härte, aber auch Sprödigkeit, zunimmt. Sauerstoff ist also während des Schweißens von der gesamten Wärmeeinflusszone fernzuhalten. Der Rahmen muss also in Edelgas- oder Vakuumkabinen geschweißt werden (sehr teuer). Vorlage:Spalten

Magnesium

Wenn von Magnesium gesprochen wird, ist immer von Magnesium-Aluminium-Legierungen die Rede. Magnesium wird als Rahmenwerkstoff gar nicht bzw. nur sehr selten eingesetzt. Es ist zwar sehr leicht, aber auch spröde. Es lässt sich nur sehr eingeschränkt walzen, daher ist die Rohrherstellung nahezu unmöglich. Außerdem muss Magnesium gegen Korrosion besonders gut geschützt werden. Im Fahrradbereich kommt Magnesium nur vereinzelt zum Einsatz, ausgenommen bei Federgabeln, bei denen die Tauchrohre gerne aus diesem Material gegossen werden. Doch auch als fertiges Teil ist die große Sprödigkeit von Magnesium ein Problem. Dieser Werkstoff bricht ohne Verformung, also ohne Vorwarnung. Besonders Ausfallenden von Federgabeln müssen erstens überdimensioniert und zweitens sehr sorgfältig gegossen werden. Vorlage:Spalten

Scandium

Auch sogenannte Scandium-Rahmen sind hauptsächlich aus Aluminium. Die Legierung enthält eine geringe Menge Scandium. Dadurch wird der Rahmen etwas leichter schweißbar. Allerdings sind Aluminium-Scandium-Legierungen nicht so steif wie gewöhnliche Aluminium-Legierungen.

Beryllium

Nur von rein theoretischer Bedeutung ist der Werkstoff Beryllium. Beryllium ist hart und sehr spröde, teuer und zudem giftig. Das erhöht die Verarbeitungskosten (Arbeitsschutz). Außerdem ist es schwer zu verarbeiten. Von Konifizieren oder Endverstärken ist nicht einmal die Rede, und Schweißen ist derzeit noch nicht möglich, Beryllium muss in Muffen (meist aus Aluminium) verklebt werden. Vorlage:Spalten

Carbon, Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK)

Faserverstärkte Kunststoffe werden bereits seit längerem erfolgreich 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 dieselben sind. Außerdem müssen die Fasern untereinander abgestützt werden. Dies geschieht durch eine sogenannte Matrix. Dazu können Kunststoffe eingesetzt werden, bei Fahrradrahmen ist dies meist Epoxydharz. Wenn nun eine Kraft nicht in Faserrichtung wirkt, so hält nur die Matrix dagegen, und Epoxydharz wie auch andere Kunststoffe sind nicht sehr fest. Die Fasern müssen also in mehreren Richtungen gelegt werden. Dadurch wird der Gewichtsvorteil zusehends geringer. Außerdem muss der Kräfteverlauf in einem Rahmen genauestens bekannt sein, da überall wo eine Kraft auftritt, die Verstärkungsfasern in der richtigen Menge und in der richtigen Richtung gelegt werden müssen. Dieser Vorgang ist sehr kompliziert und mit hohem Arbeitsaufwand verbunden. Das macht den Rahmen zwar leichter, aber auch teurer. Weiterhin macht es wenig Sinn, einfach nur Rahmenrohre durch Carbonrohre zu ersetzen. Genauso wie Holz, das eigentlich auch ein faserverstärktes Material ist, muss ein Carbonrahmen weiche Übergänge besitzen, wie wir es von Bäumen gewohnt sind. Diese Übergänge sichern ein gewisses Maß an Flexibilität und somit an Komfort des Rahmens. Geradlinige Übergänge hingegen fördern die Steifigkeit des Gesamtbauteils. Dieses Prinzip der Spannungsminimierung gilt überall und bei jedem Material.

Grundformen:

Die verschiedenen Verstärkungsfasern kommen in drei Grundformen zum Einsatz: als Strang oder Bündel von Parallelfasern (Rovings), als Gewebe und Geflechte in ihren unterschiedlichsten Formen und als ungerichtete Matten oder Wirrfasern. Neben den genannten Rovings 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 (z. B. weben) lässt. Rovings: Stränge oder Bündel von Parallelfasern werden Rovings, oder, wenn sie relativ dünn sind, Fäden oder Garn genannt. Die einzelnen Fasern innerhalb eines Rovings oder eines Fadens, die bei Glas ca. 5-15 µm, bei Kohle ca. 7-10 µm und bei Kevlar ca. 12 µm Durchmesser haben, werden Elementfasern oder Filaments genannt. Die Anzahl der Filaments kennzeichnet die Dicke bzw. das Metergewicht des Rovings oder des Fadens.

Carbonfasern

Carbonfasern sind in verschiedensten Ausführungen und Qualitäten erhältlich. Aber selbst normalfeste Carbonfasern sind durch die geringe Dichte noch sehr attraktiv. Carbonfasern sind sehr spröd, deswegen werden Rahmen oder auch anderen Bauteilen z. B. Lenkern Aramidfasern (=Kevlar®) beigefügt, die eine größere Bruchdehnung besitzen, und daher nicht sofort brechen. Vorlage:Spalten

Aramidfasern (Kevlar)

Aramidfasern werden Carbonfasern beigemischt, um die Bruch- und Schlagfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. Aramidfasern sind an ihrer gelben Farbe erkennbar. Als Rahmenmaterial sind diese Fasern aufgrund ihres Preis/Festigkeitsverhältnisses nicht sehr attraktiv.

Metal Matrix Composite (MMC)

Dieses Material gehört eigentlich zu Aluminium, aber auch zu den faserverstärkten Werkstoffen. Einfach deswegen, weil in einer Aluminiummatrix Fasern oder Partikel zur Verstärkung eingelegt werden. Vor einigen Jahren (ca. 1998) haben zwei Firmen Produkte vorgestellt: Spezialized mit einem partikelverstärkten Rahmen (Aluminiumoxidpartikel), Univega mit einem borfaserverstärkten Gefährt. Die Festigkeit von Aluminium wird kaum verbessert, die Steifigkeit aber um bis zu 30% laut Hersteller. Diese Rahmen sind allerdings wieder vom Markt verschwunden. Vorlage:Spalten

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. Stahrrohre dagegen kann man dagegen 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 natürlich 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

Für Fahrradrahmen praktisch ohne Bedeutung, aber kurz erklärt: Sämtliche Metalle verlieren durch Beschädigungen an der Oberfläche - Mikrorisse - laufend an Festigkeit. Nur Stahl gilt als dauerfest, da bei einer gewissen Anzahl an Lastwechseln Stahl nicht mehr an Festigkeit verlieren kann, alle anderen Metalle jedoch schon. Diese Anzahl an Lastwechseln wird Dauerfestigkeitsgrenze genannt. Sie ist allerdings so hoch, dass sie selbst für Rennfahrer nicht interessant ist.

Gewicht

Wünschenswert ist natürlich ein möglichst geringes Gewicht, allerdings muss der Rahmen auch sicher sein und die notwendigen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen erfüllen. Daher werden hochspezialiserte Fahhradrahmen 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, Oberfläschenschäden, Schweissfehler..) ohne Vorwarnung komplett durchreißen. Das Bauteil versagt plötzlich. Daher sollten Vielfahrer Lenker und Vorbauten aus Aluminium einmal jährlich tauschen. Für Rahmen aus Aluminium bedeute das: Regelmäßige Kontrolle beim Reinigen, vor allem bei den Schweißnähten. Carbon ist sehr spröde und empfindlich gegen Schläge. Stürze können das Material schädigen, ohne dass optisch eine Veränderung zu sehen ist. Daher gilt auch für Carbon: Bauteile lieber regelmäßig tauschen. Rahmen sind davon kaum betroffen, da diese meist stark genug dimensioniert sind, aber nach Überbelastung (z. B. Sturz) sollte eine genaue Kontrolle stattfinden.