Fahrrad: Der Rahmen
Der Rahmen ist die tragende Struktur eines Fahrrades. Er bestimmt wesentlich dessen Verwendungszweck und die Fahreigenschaften. Ein guter Rahmen sollte leicht, verwindungssteif und über lange Zeit intensiv belastbar sein sowie Stöße bzw. Vibrationen gut absorbieren können.
Im Allgemeinen ist der Rahmen eine Verbindung von Metallrohren, die direkt miteinander verschweißt oder mithilfe von Muffen verbunden sind. Als bester Kompromiss aus Gewicht und Stabilität gilt die klassische dreieckige Rahmenform, der Diamantrahmen. Der Hauptrahmen setzt sich aus Oberrohr, Sattelrohr, Unterrohr und Steuerrohr zusammen. Der Hinterbau wird aus Sattelstreben und Kettenstrebe gebildet. Zur Aufnahme des Hinterrades dienen die Ausfallenden, an welchen, bei der Verwendung einer Kettenschaltung, auch der hintere Umwerfer befestigt wird. Die Stegplatte sorgt für eine zusätzliche Versteifung des Hinterbaus.
Rahmenrohre
Rahmenrohre sind Zug- und Biegekräften ausgesetzt. Sie sollten daher eine hohe Festigkeit, d. h. einen großen Widerstand gegen Verformung und Bruch, aufweisen.Die Festigkeit ist dabei vom Material und Materialquerschnitt abhängig. Der Widerstand gegen Biegung vergrößert sich mit zunehmendem Außendurchmesser. Für hoch belastete Rahmen von Mountainbikes werden deshalb OS-Rohre (englisch oversized) mit größerem Durchmesser verwendet. Gleichzeitig ist es möglich die Wandstärke der Rohre zu verringern, sodass man einerseits eine höhere Stabilität gegen Biegung erhält und andererseits ein geringeres Gewicht des Rahmens erzielt. Die Wandstärke darf nicht zu gering werden, da dies, neben erhöhter Beul- und Knickgefahr, einen Festigkeitsverlust des Materials an den Schweiß- und Lötstellen mit sich bringt. Bei hochwertigen Rahmen werden deshalb konifizierte Rohre verwendet. Sie besitzen an den Rohrenden eine größere und zur Mitte hin eine geringere Wandstärke und erlauben es somit, bei gleicher Stabilität leichtere Rahmen zu bauen als bei Rohren mit einer konstanten Wandstärke.
Werkstoffe für Rahmen
Bei der Rohrherstellung kommen hauptsächlich Stahllegierungen zum Einsatz. Reiner Stahl wird nur bei preiswerten Rahmen verwendet. Für qualitativ bessere Rahmen haben sich Chrom-Molybdän-Stähle durchgesetzt. Die Elemente Chrom und Molybdän verbessern dabei die Zugfestigkeit und Dauerhaltbarkeit. Nachteilig ist jedoch die hohe Dichte dieser Stahllegierungen und damit das Gewicht sowie die geringe Rostbeständigkeit. Eine gute Alternative ist Aluminium. Es hat eine kleinere Dichte und rostet nicht, besitzt aber auch nur eine geringe Zugfestigkeit. Im Rahmenbau kommen daher nur Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Um die Stabilität von Stahlrohren zu erreichen ist ein größerer Außendurchmesser notwendig, weshalb Aluminiumrahmen immer aus OS-Rohren gebaut werden.
Verbindungsmethoden
Als Verbindungsmethoden kommen beim Rahmenbau Schweißen, Löten und Kleben zum Einsatz. Bei gelöteten Verbindungen unterscheidet man zwischen Auftragslöten (Fillet Brazing) und der Muffenlötmethode. Beim Auftragslöten wird das Lötmaterial nicht nur in den schmalen Spalt zwischen den Rohren ein-, sondern um die Verbindung herum in Form einer Verstärkungshohlkehle aufgebracht. Die Verwendung von Verbindungsgliedern (Muffen), in welche die Rohre hineingelötet werden, erleichtern den Herstellungsprozess. Muffen bieten auch die Möglichkeit Materialien, wie z. B. bestimmte Aluminiumlegierungen, zu verwenden, welche nicht verlötet oder verschweißt werden können. Dazu werden die Rohre mittels Hochleistungsklebstoffen in den Muffen verklebt. Das Löten wird jedoch zunehmend vom Schweißen verdrängt, da dieses schneller geht, die Winkelstellung der Rohre nicht von verfügbaren Muffen abhängt und der Prozess automatisierbar ist. Allerdings ist oft eine Nachbehandlung des Rahmens notwendig, um die beim Schweißen aufgetretenen Materialspannungen in der Nähe der Schweißnähte abzubauen.
Entwicklungen
Die Weiterentwicklung des Fahrradrahmens findet derzeit hauptsächlich bei den Mountainbikes statt. Der Trend geht dort zu gefederten Vorderradgabeln und Rahmen mit gefedertem Hinterbau. Weitere Gewichtseinsparungen bei Mountainbikes und auch bei Rennrädern werden durch Rahmen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht. Dieser Werkstoff ermöglicht auch die Abkehr von der klasssischen Rohrkonstruktion. Bei der Monocoque-Bauweise besteht der Rahmen aus einem Stück bzw. aus zwei Hälften, sodass schwächende Verbindungsstellen wegfallen bzw. reduziert werden können.