Fahrradrahmen

Rahmen mit horizontalem Oberrohr

Der Diamantrahmen bot über lange Zeit den besten Kompromiss aus Stabilität und Gewicht. Er ist der klassische Rahmen für Herrenräder. Zum Aufsitzen muss ein Bein über das Oberrohr gehoben oder über Hinterrad und Sattel zur Gegenseite geschwungen werden. Sitz-, Unter-, Ober- und Steuerrohr traditioneller Diamantrahmen bilden ein Viereck. Ober- und Unterrohr waren mit gegenüberliegenden Enden des kurzen Steuerrohres verbunden. Durch Biegung von Ober- und Unterrohr konnte der Rahmen bei Stößen auf das Vorderrad etwas nachgeben, war aber empfindlich gegenüber Kollisionen von vorne und Verwindung des Rahmens im Wiegetritt.

Mountainbikes in den 80er und 90er Jahren wurden mit kleineren Rahmen mit größeren Rohrdurchmessern gefertigt, um eine bessere Verwindungssteifigkeit und Stabilität zu erreichen. Später wurden die Rohre auch ovalisiert, wodurch sich Ober- und Unterrohr immer weiter annäherten. Der Hauptrahmen bildete so eher ein Dreieck als ein Viereck und konnte keine Stöße mehr abfedern. Dies taten stattdessen die dicken Reifen.

Auch Rennradrahmen werden seit den 90er Jahren aus Aluminium mit größeren Rohrdurchmessern gefertigt.

Rahmen mit abfallendem Oberrohr

Ab der Jahrtausendwende wurden Fahrradrahmen mit abfallendem Oberrohr (engl. sloping) nach und nach zum Standard bei allen Fahrradtypen.

Klassische Ausführungen

Rahmen mit stärker abfallendem Oberrohr werden als Rahmen mit Durchstieg oder als Damenrahmen bezeichnet.

Wenn das Oberrohr dabei mittig auf das Sattelrohr trifft und keine Streben von dort weiter zur hinteren Achse führen, muss das Sattelrohr aufgrund des dann auftretenden Biegemoments verstärkt ausgeführt werden, um ein Ausknicken nach hinten zu vermeiden. Anglaise-, Mixte- und Berceau-Rahmen haben dieses statische Problem nicht. Durch die beiden zusätzlichen Streben sind diese gegen Stöße ebenso so stabil wie ein Diamantrahmen.

• Der Anglaise-Rahmen ist ein Rahmen, dessen Oberrohr in einer Linie mit den Ausfallenden am Hinterrad liegt. Ab dem Sattelrohr führen anstelle des Oberrohrs zwei dünnere Streben weiter bis zu den Ausfallenden.

• Beim Mixte-Rahmen wird das Oberrohr vollständig durch zwei parallel laufende dünne Streben ersetzt, die wie beim Anglaise-Rahmen in einer Linie bis zu den Ausfallenden verlaufen. Aufgrund der geringeren Torsionssteifigkeit der beiden dünnen Streben sind Mixte-Räder allerdings weniger steif gegenüber seitlicher Verwindung als Rahmen mit gewöhnlichem Oberrohr.

• Der Berceau-Rahmen ist ein Mixte-Rahmen dessen doppelte Oberrohre jedoch nicht gerade, sondern für einen bequemeren Einstieg nach unten geschwungen verlaufen.

• Der Schwanenhalsrahmen ermöglicht den einfachen Durchstieg zwischen Lenker und Sattel. Ober- und Unterrohr verlaufen geschwungen und parallel zueinander und müssen ebenso wie das Sattelrohr verstärkt ausgeführt werden, um die auftretende Biegebelastungen aufnehmen zu können.

Moderne Ausführungen

Mit der Einführung von Federgabeln mit großen Federwegen verschoben sich Steuerrohr und das daran ansetzende Unterrohr deutlich nach oben. Das Oberrohr musste nun im hinteren Bereich abgesenkt werden, da der Fahrer sonst beim Anhalten nicht mehr mit beiden Füßen den Boden erreichen könnte, ohne auf dem Oberrohr aufzusitzen. Zur Beibehaltung eines horizontalen Oberrohrs hätte dieses ebenso wie das Sitzrohr deutlich verlängert werden müssen, was die Seitenstabilität des Rahmens vermindert hätte.

Die naheliegende Lösung war es, das Oberrohr nach hinten abfallen zu lassen. Bei einigen Mountainbikes so stark, dass das Oberrohr in gerader Linie zwischen oberem Lenklager und hinterem Ausfallende verlief, wie es auch bei Anglaise-Rahmen der Fall ist. Solche Rahmen können von Fahrern sehr unterschiedlicher Körpergröße gefahren werden, wenn die Positionen von Sattel und Lenker entsprechend angepasst werden können. Bereits bei normalgroßen Fahrern werden sehr lange Sattelstützen benötigt, deren Durchmesser und Stabilität mit der Stärke der Rahmenrohre im Laufe der Zeit deutlich zugenommen hat.

• Der Sloping-Rahmen (engl. sloping. schräg, abfallend, geneigt) hat ein zum Sattel hin abfallendes Oberrohr (teilweise ähnlich einem Trapezrahmen). Er wurde für MTBs und Trekkingräder entwickelt, bevor er auch in Straßenrennrädern und später in Fahrrädern für allgemeinen Gebrauch verwendet wurde.

Tiefdurchstiegsrahmen

• Der Waverahmen hat inzwischen eine weite Verbreitung. Ober- und Unterrohr werden durch ein einziges Rohr mit stark vergrößertem Durchmesser ersetzt. Dieses verläuft meist geschwungen, um eine tiefere Einstiegshöhe zu erreichen. Zur Aussteifung wird das Sattelrohr oberhalb des Innenlagers oft durch eine Strebe mit dem Haupt-Rahmenrohr verbunden.

• Beim Tiefdurchsteiger (Easy-Boarding-Rahmen oder auch Tiefeinsteiger) wird das Rahmenrohr unten U-förmig gebogen, um den Durchstieg bis etwa 15 bis 20 cm über der Fahrbahn abzusenken. Auch hier wird nur ein einziges Rahmenrohr mit stark vergrößertem Durchmesser verwendet.

Spezielle Rahmen

• Das moderne Alex-Moulton-Rad hat einen stabilen Fachwerkrahmen. Er ist als unisex-frame ausgeführt und kann zwischen Lenker und Sattel relativ leicht überstiegen werden. Sein Hinterbau ist federnd beweglich.

• Das starre Rahmenwerk des historischen Dursley-Pedersen-Rades weist eine ähnliche Komplexität auf.

• Beim Kreuzrahmen kreuzt sich das Sattelrohr mit dem Haupt-Rahmenrohr, das vom Steuerrohr in Richtung der hinteren Ausfallenden verläuft und sich ähnlich wie beim Anglaise-Rahmen zur Hinterradgabel teilt. Die Rahmenrohre benötigen große Querschnitte, um eine ausreichende Steifigkeit zu erreichen.

• Beim Y-Rahmen führt ein sich gabelndes Rohr vom Steuer- zum Sattelrohr. Diese Rahmen werden entweder ungefedert bei Jugendrädern oder mit gefedertem Hinterbau bei Mountainbikes angeboten.
• Liegeräder besitzen eine große Vielfalt spezieller Rahmenformen
• Tandem-Rahmen
• Eigenbau-Rahmen, Einzelstücke und Kleinserien. Beispiele: Tallbike, Nebeneinandem.

Rahmengröße und -höhe

Als Rahmengröße bzw. Rahmenhöhe gilt meistens die Entfernung zwischen der Mitte des Tretlagers und dem (oberen) Ende des Sattelrohrs.

Mit Entwicklung neuer Materialien und Rahmenformen hat die Bemessung der Rahmengröße nach der Länge des Sattelrohrs an Bedeutung verloren. Durch Verwendung von Sattelstützen mit großem Durchmesser kann das Sattelrohr weit unterhalb des Sattels enden, so dass keine Vergleichbarkeit mehr gegeben ist. Viele Fahrradhersteller nennen heute Größen wie S, M, L und XL an und nennen eine Spanne an Körpergrößen, für die die jeweilige Rahmengröße geeignet ist.

Traditionelle Rahmenhöhen wurden bei deutschen, französischen und italienischen Herstellern meist in Zentimetern angegeben. Bei guten Touren- und Rennrädern betrug der Abstand zwischen zwei Rahmengrößen meist 2 cm.

Bei Mountainbikes setzte sich die Angabe von Rahmenhöhen nach Zoll durch. Der Abstand zwischen den Rahmengrößen beträgt hier meist 2 Zoll, was rund 5 cm entspricht.

Mit Einführung stabilerer Sattelstützen und der Ahead-Vorbauten wurde es einfacher möglich, Lenker- und Sattelpositionen innerhalb eines weiten Bereichs an die Körpermaße anzupassen, so dass eine feine Abstufung der Rahmengrößen heute nicht mehr nötig ist. Eine Abstufung im Abstand von 2 cm ist heute nur noch bei Reiserädern mit Stahlrahmen üblich.

Da sich die Rahmenhöhe bei Rädern mit abfallendem Oberrohr und der heute üblichen Varianz an Bauformen nicht mehr sinnvoll ermitteln lässt, wird zum Vergleich von Rahmengrößen heute eher der horizontal gemessene Abstand zwischen Steuersatz (genauer dem Schnittpunkt von Steuerrohr und Oberrohr) und Mittelpunkt der Sattelstütze herangezogen (effektive Oberrohrlänge). Dies ist das aussagekräftigste Maß, welches jedoch nur unter Zuhilfenahme einer Wasserwaage genau zu ermitteln ist.

Wird die horizontale Linie an der Sattelstütze markiert, so lässt sich die klassische Rahmenhöhe ermitteln, indem der Abstand der Tretlagermitte bis zur Markierung (Schnittpunkt der Sattelstütze mit einem virtuellen waagerechten Oberrohr) gemessen wird.

Nicht alle Hersteller halten sich an diese Vorgehensweise. Die effektive Oberrohrlänge wird auf unterschiedliche Weise zur angegebenen Rahmenhöhe umgerechnet, so dass die Werte nicht in jedem Fall miteinander vergleichbar sind.

Kinderräder werden häufig nicht nach Rahmengröße, sondern nach der Laufradgröße in Zoll ausgewählt. Die meisten Hersteller bieten Auswahltabellen zur Abstimmung mit der Körpergröße an.

Anpassung des Fahrrads an die Körpermaße

Da die erhältlichen Sattelstützen, Vorbauten und Lenkerformen vielfältige Möglichkeiten zur Anpassung an die Körpermaße erlauben, wird insbesondere bei Mountainbikes weniger Wert auf die Auswahl eines genau passenden Rahmens gelegt, als es etwa bei Rädern mit klassischen Stahlrahmen (z. B. Reiserädern) üblich ist.

Beim Ausprobieren eines neuen Fahrrads ist zunächst die Sattelposition einzustellen.

Wenn bereits ein gut passendes Fahrrad vorhanden ist, kann die effektive Oberrohrlänge bestimmt und mit dem entsprechenden Wert eines neuen Fahrrads verglichen werden. Verbreitete Ahead-Vorbauten haben horizontale Längen zwischen 40 und 130 mm (bei Mountainbikes eher kurz, bei Rennrädern länger), wodurch sich auch Fahrräder mit abweichender effektiver Oberrohrlänge an die Körpergröße anpassen lassen. Eine weitere Anpassung ist über die Griffposition am Lenker (bestimmt durch Lenkerform, Länge des Steuerrohrs und Vorbauwinkel) sowie in geringem Umfang über die horizontale Positionierung des Sattels möglich.

Fahrräder mit vorwiegend sportlichem Einsatz in Gelände mit Höhenstufen werden häufig auch im Stehen gefahren. Es sollte dann eine Griffposition am Lenker möglich sein, die einen ausdauernden und energiesparenden Krafteinsatz beim Fahren im Wiegetritt erlaubt. Wenn der Lenker sehr tief steht, kann es bei Mountainbikes sinnvoll sein, Lenkerhörnchen beim Fahren im Stehen zu verwenden.

Einstellung des Sattels

Eine ausreichende Sitzhöhe ist Voraussetzung für ein ausdauerndes, kraftsparendes Fahren ohne orthopädische Probleme.

In der Regel sollte der Sattel waagerecht stehen und so hoch gestellt werden, dass das gestreckte Bein bei tiefster Kurbelstellung gerade noch mit der Ferse das Pedal berührt. Dabei sollten Schuhe mit flacher Sohle getragen werden. Die Hüfte sollte gerade stehen und nicht zur Seite des tieferen Beins gekippt werden.

Nach dem Einstellen der Sitzhöhe wird die horizontale Position des Sattels festgelegt, indem zunächst eine Kurbel in waagerechte Position gebracht wird. Wenn nun der Fußballen in üblicher Weise (mittig) auf dem Pedal platziert wird, sollte ein vom Knie des Fahrers nach unten führendes Lot auf die Achse der Pedale zeigen.

Höhe des Tretlagers

Bei Fahrrädern für Geländefahrten (Mountainbikes und Cyclocross) liegt das Tretlager meist wenige Zentimeter höher als bei Alltags-, Touren- und Rennrädern, um die Bodenfreiheit zu vergrößern. Bei Rahmen mit waagerechtem Oberrohr wird die Rahmenhöhe bei Straßenrädern oft eine Abstufung größer gewählt als bei Rädern für Geländefahrten. (Dadurch befindet sich das Oberrohr bei beiden Typen auf etwa der gleichen Höhe.)

Auch bei Fahrrädern für Bahnrennen liegt das Tretlager höher, damit das innere Pedal bei Schräglage nicht aufsetzt.

Radstand

In geringerem Maß als Nachlauf und Steuerkopfwinkel hat der Radstand einen Einfluss auf die Agilität eines Fahrrads. Um schnelle Spurwechsel beim Fahren im Pulk zu erleichtern, wird der Abstand zwischen Vorder- und Hinterrad bei Rennrädern oft minimiert. Ein kurzer Radstand macht den Rahmen steifer bei seitlicher Belastung und der Rahmen kann geringfügig leichter ausfallen.

Insbesondere bei kurzen Carbonrahmen lassen sich (auch aufgrund des Materialvolumens) Reifen mit größerer Höhe und Breite hinten oft nicht montieren, ohne am Sitzrohr oder seitlich an den Streben des Hinterbaus zu schleifen. Der Abstand zwischen Vorderreifen und Tretlager kann so gering ausfallen, dass Fahrradschuhe mit längerem Vorderfuß oder Pedalkörbchen mit dem Reifen kollidieren.

Stahl

Im Rahmenbau werden üblicherweise Chrom-Molybdän-Legierungen verwendet, häufig 25CrMo4 (in den USA 4130) und selten 34CrMo4 (US 4135), das eine geringfügig höhere Festigkeit besitzt. Ebenfalls selten anzutreffen sind rostfreie Stähle. CrMo-Stahl ist ein zäher Vergütungsstahl, also ein Stahl, der sich vor einem Bruch zunächst verbiegt.

Stahl ist leicht zu verarbeiten. Er lässt sich problemlos löten und schweißen, auch Kleben ist möglich. Bei hochwertigen Fahrrädern wurden einfach oder mehrfach konifizierte (zu den Verbindungsstellen hin verdickt) oder spiralig verstärkte Rohre verwendet.

Aluminium

Aluminiumlegierungen werden oft im Rahmenbau verwendet. Häufig verwendete Legierungen tragen die Serienbezeichnungen 6xxx oder 7xxx. Eine 6xxx-Legierung enthält außer Aluminium vor allem Magnesium und Silizium, die 7005-Legierung vor allem Zink und Magnesium. Aluminium besitzt zwar nur etwa ein Drittel der spezifischen Steifigkeit (Elastizitätsmodul) von Stahl, aber auch nur ein Drittel seiner Dichte. Ein Aluminiumrohr benötigt ein größeres Flächenträgheitsmoment und damit einen größeren Durchmesser als ein Stahlrohr, um die gleiche Biege- und Torsionssteifigkeit zu erreichen.

Der Zusatz von Scandium kann die Zugfestigkeit des Materials um bis zu 20 % gegenüber einer herkömmlichen Aluminiumlegierung erhöhen, macht es aber auch gleichzeitig vergleichsweise spröde (erhöhte Ermüdungsbruchgefahr).

Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen besitzen keine ausgeprägte Grenze für die Dauerschwingfestigkeit wie Stahl. Ermüdungsbrüche sind bei diesen Werkstoffen vergleichsweise schwer statistisch abzusichern (s. a. Wöhlerversuch).

Ein weiterer Nachteil des Aluminiums ist der im Vergleich zum Stahl aufwendigere und störungsanfälligere Schweißprozess, der zudem innere Spannungen erzeugt. Aluminiumrahmen werden nach dem Schweißen in der Regel spannungsarm geglüht.

Zur Reparatur eines Aluminiumrahmens muss der zum Rahmenmaterial passende Schweißwerkstoff ausgewählt werden. Wenn der Rahmen nach dem Schweißen nicht insgesamt spannungsarm geglüht wird, sollte er für rund eine Woche nicht belastet werden, damit sich Spannungsspitzen abbauen (Kaltauslagerung).

Titan

Manche Titanlegierungen sind hochfest, einige liegen sogar knapp über den im Rahmenbau verwendeten Stählen. Infolge der fast nur halb so großen Dichte im Vergleich zu Stahl hat Titan das günstigere Festigkeit-Gewicht-Verhältnis, Stahl ist allerdings etwa zweimal so steif wie Titan. Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich, aber aufwendig und für Fahrräder nicht üblich. Das Endverstärken von Rohren wird aus Kostengründen sehr oft unterlassen. Ein großer Nachteil ist die schlechte Schweißbarkeit von Titan, da es ähnlich wie Aluminium eine Oxidschicht bildet. Dadurch steigt die Härte und Sprödheit in der Schweißnaht, was die Gefahr eines Dauerbruchs mit sich bringt. Somit muss der Rahmen in Edelgas- oder Vakuumkabinen geschweißt werden, was außerordentlich teuer ist.

Carbon

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Carbon) ist ein Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoffmatrix, meist Epoxidharz, eingebettet sind. Das Material weist eine in Faserrichtung besonders hohe gewichtsspezifische Steifigkeit und Festigkeit auf. Dies unterscheidet sie von Metallen, bei denen diese Größen isotrop, also in jede Richtung gleich sind.

Die ersten kommerziellen Carbonrahmen verwendeten in Aluminiummuffen verklebte Carbonrohre. Die Zeitfahrmaschinen der FES aus der DDR Anfang der 80er Jahre waren die ersten Serienräder in Monocoquebauweise, welche heute Standard ist.

Zur Herstellung werden in der Regel Faserschichten in oder um eine Form gelegt und mit einer flüssigen Matrix gesättigt. Anschließend härten die Rahmen in einem Autoklav aus. Faserschichten sind als Gewebe und Geflechte sowie alternativ mit unidirektionalen oder als Vlies mit kurzen, ungerichteten Fasern verfügbar. Durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen Faserorientierungen kann der Rahmen für die in die jeweiligen Richtungen wirkenden Belastungen optimiert werden und so besonders steif und leicht gebaut werden. Leichtgewichtige Serienprodukte erreichen Rahmengewichte unter 600 g. Der Herstellungsprozess ermöglicht auch aerodynamische Formen, welchen im modernen Rennraddesign häufig eine große Bedeutung zugemessen wird.

Da Carbon vergleichsweise empfindlich ist, werden für Gewinde und Lagerschalen häufig Einsätze aus Metall verwendet.

Durch die hohe Sprödigkeit kann Carbon bei Überlastung plötzlich und unerwartet Brechen. Manche Vorbeschädigungen, wie etwa eine Delamination auf der Innenseite des Rahmens, sind mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Reparaturen sind vergleichsweise aufwendig und teuer, sodass beschädigte Carbonteile in der Regel ausgetauscht werden müssen.

Die Leistungsfähigkeit von Carbonwerkstoffen ergibt sich aus der Verwendung langer, ununterbrochener Fasern. Da diese bei der Aushärtung untrennbar mit der Matrix verbunden werden, kann das Material nicht gleichwertig recycled werden, wie es bei Metallen möglich ist. Es gibt Ansätze, geschreddertes Carbonrezyklat für weniger anspruchsvolle Verwendungen zu nutzen.

Metal Matrix Composite (MMC)

Bei Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sind in eine Metallmatrix Fasern oder Partikel zur Verstärkung eingearbeitet. In den 1990er Jahren haben zwei Firmen Rahmen auf Aluminiumbasis vorgestellt: Specialized mit einem partikelverstärkten Rahmen (Aluminiumoxidpartikel, Duralcan) und Univega mit einem borfaserverstärkten Rahmen (Boralyn). Die Festigkeit des Aluminiums wird kaum verbessert, aber laut Herstellern die Steifigkeit um bis zu 30 %. Diese Rahmen sind inzwischen wieder vom Markt verschwunden.

Bambus

Räder mit Rahmenrohren aus Bambus (meist Bambuseae) kamen im Fin de Siècle in Mode. Die Herstellung einer haltbaren Verbindung zwischen den Bambusrohren ist relativ aufwendig. Während die Herstellungsverfahren für Stahlrohre und -rahmen effizienter wurden, ebbte der Trend einige Jahre nach der Jahrhundertwende wieder ab und auch große Hersteller wie Grundner & Lemisch gaben die Produktion auf. Heute werden wieder Fahrradrahmen in kleinen Stückzahlen aus Bambus gefertigt. Bambus besitzt eine spezifische Steifigkeit (Elastizitätsmodul), die etwa einem Zehntel von Stahl entspricht, aber auch nur ca. ein Zehntel seiner Dichte aufweist (abhängig vom verwendeten Gras). Bei der statischen Materialfestigkeit steht Bambus Aluminium und Stahl etwas nach. Um einen Rahmen aus Bambus mit gleicher Biege- und Torsionssteifigkeit wie aus Stahl zu erhalten, ist ein Rohrdurchmesser notwendig, der mit einem Aluminiumrahmen vergleichbar ist. Der Materialquerschnitt variiert, bedingt durch die unterschiedlichen Rohrstärken von Bambus.

Ermüdungsbrüche sind bei Bambus bisher nicht bekannt, jedoch handelt es sich um ein organisches Material, das schimmeln kann. Bambus bricht nicht, sondern splittert bei zu hoher Belastung. Bambus ist brennbar.

Die Verbindungen von Bambusrahmen werden meist mit mehreren Faserschichten und Epoxidharz hergestellt.