Warum sind Stahlrahmen so schwer?

[Jack-Lee]

Servus,

ich wühle mich seit ein paar Tagen so durchs Netz um ein paar Vergleichswerte zu bekommen.
Da hab ich dann immerwieder gelesen das Stahlrahmen unter 2kg schon richtig leicht sind und langsam weich werden.
Mein DIY Rahmen wiegt 1600g ohne Lack, und ist selbst bei harten Antritten und über 70km/h einfach nur steif... Etwas komfortabler als der Alurahmen vorher, aber weiiiit weg von der beschrieenen "Gummikuh".

Habe mir einen Columbus LIFE Rohrsatz geordert..der sollte in 3-4 Wochen ankommen.
Der Rahmen (RH55, also kein Kinderrad) wird auf ca. 1250g ohne Lack kommen.

Also warum sind die kaufbaren Stahlrahmen so schwer, obwohl Alurahmen auf gern mal unter 1300g kommen?
Die Wechselfestigkeit von 6061 liegt bei unter 100MPa, von 7005 unter 110MPa. Der von den Mirkolegierten CrMo Stählen (Mit Niob usw.) eher bei 400MPa +
Richtig böse Stähle, wie die hochfesten rostfreien von Columbus kommen auf Zugfestigkeiten von über 2000MPa, Dehngrenzen von 1700 und Dauerwechselfestigkeiten von 700MPa.
Und das bei hoher Duktualität und hervorragender Schweißbarkeit.
Stahl ist von diese Daten her Alu überlegen und sogar minimal vor Titan (Festigkeits zu Gewichtsverhältnis sowie Dauerfestigkeit, grade in der Schweißzone).
Durch diese extrem hohen Festigkeiten und das E-Modul kann man auch 0,3er Rohre fertigen ohne Angst haben zu müssen das diese verbeulen wie Coladosen.
Der LIFE Rohrsatz ist z.B. am Oberrohr 0,4mm dünn und nicht mal aus besonders dollem Stahl. Dennoch wird dieser unter Garantie halten.. Damit der Rahmen nicht flattert, nimmt man halt ein etwas kräftigeres 35er Unterrohr her und ein 28er Oberrohr.

Also, woran liegts?
Oder soll einfach die Abstufung Stahl-Alu-Titan beibehalten werden?

Gruß,
Patrick

 

[twobeers]

Kann man so dünne Rohre auch noch miteinander verbinden? Hier gibts ja einige Selberbruzzler, die werden sich schon Gedanken dazu gemacht haben...

Twobeers

 

[Osso]

Oder soll einfach die Abstufung Stahl-Alu-Titan beibehalten werden?

Wer hätte die macht dazu ? die Alumafia ?

Ich würde ja eher in Richtung Wirtschaftlichkeit denken.

Habe mir einen Columbus LIFE Rohrsatz geordert..der sollte in 3-4 Wochen ankommen.

Was kostet der und ist der automatisiert zu verarbeiten ?

Da hab ich dann immerwieder gelesen das Stahlrahmen unter 2kg schon richtig leicht sind und langsam weich werden.

Wobei die 2 Kg Grenze schon in den 89ern unterboten wurde und selbst der meiner Randonneuse wiegt wenig mehr. Denke aber das sind Rahmen in denen einiges an Hangarbeit drin ist und entsprechend teuer waren die dann auch

 

[Jack-Lee]

Servus,
die Rohre sind an den "dicken" Stellen zwischen 0,6 und 0,8mm. Das ist, mit etwas Übung, noch gut handelbar.
Wenn ich sehe das einige Coladosen (0,09mm Alu!blech) zusammenschweißen können ^^
Mit dem jetzigen Rahmen, der bei ca. 0,7mm im Schweißbereich lag, kam ich gut klar.

@Osso :
Naja, so kann man die Margen bei den "teueren" Sachen wie Carbon vergrößern.
Kenn ich aus anderen Bereichen. Da gibts Teile aus GFK und CFK. In der Herstellung sind diese beinahe gleichteuer. Nur kostet im Verkauf das CFK TEil ca. 2,5fach mehr. Die GFK Teile gehen fast zum Selbstkostenpreis raus. Da aber GFK laut diesem Wertunterschied ja nur Mist sein kann, kaufen die meisten dann CFK.
Stahl müsste eigentlich teuerer sein als Alurahmen. Das Grundmaterial ist zwar minimal günstiger, aber die Verarbeitung aufwendiger und die Werkzeuge erheblich teuerer (Halten bei Alu eigentlich ewig).
Carbon ist vom Materialpreis nicht ohne, aber wenn man in großen Stückzahlen mit Prepreg und Autoklave arbeiten kann, ploppt alle 30min ein Rahmen aus der Form. Und das kann von Leuten gemacht werden die handwerklich keine Genies sind. Im Gegensatz zum schweißen von hauchdünnen Stahl und Stahlrahmen.
Das ist keine Mafia, das ist reine Gewinnmaximierung und Marktformung. Mit Erfolg.

Gruß,
Patrick

PS. beinahe alle Fahrradrahmen, billig wie teuer, werden handgeschweißt. Mir kam bisher nur ein einziger unter der Robotergeschweißt war (und das nur an Ober und Unterrohr. Das Rahmendreieeck hinten war handgeschweißt). Schweißroboter sind zu groß und ungelenk für solche Rahmen.

 

[applewoi]

Es ist ja nicht so dass die Metallforschung auf dem Stand der 70er stehengeblieben wäre.
Ich habe drei Stahlrahmen zum Vergleich, ein olles gemufftes Winora mit Tange Wasserohr, ein olles gemufftes Gios mit wahrscheinlich Falck Rohrsatz und ein "modernes" geschweisstes Gestell aus getempertem 725er Reynolds.

Das moderne, geschweisste Genesis ist den ollen in allen Belangen überlegen, sei es Steifigkeit, Gewicht oder Rostträgheit. Und es fährt sich genial.

 

[Osso]

Ein Markt kann man aber nicht beliebig formen. Klar kann man ein Markt versuchen zu segmentieren und das funzt oft auch, zumindest über einen gewissen Zeitraum. Aber wenn die Margen hoch sind und es kleine Raketentechnologie ist, dann entdeckt das Segment auch über kurz oder lang jemand für sich und wird versuchen über den Preis Marktanteile zu erobern.
Zu Alu ein Quantec SL kostet im VK 270 Euro und wiegt 1200-1300g. In der Produktion muss der dann um die 100 Euro oder etwas mehr kosten. Das kann dann nicht so viel hochqualifizierte Handarbeit drin sein. entweder es machen Roboter oder das Material ist so leicht zu verarbeiten, das es jeder vernüftige Schweißer in Taiwan kann.
Und da kommt man mit Stahl eben vom Preis scheinbar nicht hin. Du wirst besser beurteilen können warum das so ist. Wenn man einen vergleichbar Rahmen in Stahl sagen wir mal für 400-500 Euro anbieten könne, würde man das auch in nennenswerten Stückzahlen verkaufen können.
Wenn es geht dann hast du ne Marktlücke entdeckt, dann nutze sie
Aber bei 1000 Euro wird es ein Nischenprodukt bleiben.

 

[Pracer]

Also, woran liegts?

Nicht wirklich am Material. Du hast doch eingekauft, dann vergleiche was dich ein Rohrsatz aus Konifiziertem Stahl und ein Rohrsatz aus konifiziertem Alu kostet.
Wenn mich nicht alles Täuscht sollte der Alurohrsatz billiger sein, das hat dann wieder etwas mit den von dir genannten Matreialeigenschaften zu tun.
Einen 1k Stahlrahmen will der Markt einfach nicht, wenn es Kohle zu 1/4k und Alu teilweise noch billiger (Mein Nox hat mal mit Versand 68 tacken gekostet!) gibt, leider ist das so.

Gruß,

 

[Gelöschtes Mitglied 6536]

Bei deiner Rechnung sind da auch schon Tretlager, Ausfaller/Schaltauge, Zuganschläge und Sattelklemmung mit dabei? Ich glaube du wirst lackiert nicht unter 1,5 kg landen können.

Ich fahre auch Stahl in RH 59 und haben einen um 1,8 kg und einen um 1,68 Kg (beide lackiert). Ich wüsste nicht wie man es deutlich leichter hinbekäme. Sind beides Top-Rohrsätze und die haben bestimmt keine Gewichte versteckt im Rahmen.

Edit: die lackierten Aludosen wiegen meist auch über 1,4 kg und so ein eloxiertes Teil würd ich nie fahren wollen, das Auge fährt ja schliesslich mit.

 

[WilliW]

Die Vorteile von Aluminium hinsichtlich des Leichtbaus lassen sich recht leicht an einem Rohr mit Biegebelastung darstellen. Das ist der zu betrachtende Fall, wenn es um einen möglichst steifen Rahmen geht.

Ein eingespannter "Balken" der Länge L bei der am Ende ansetzenden Kraft F lenkt sich folgendermaßen aus:

s = L^3 /(3*E*I) * F

Die Auslenkung ist also umso kleiner, je größer das Produkt von E-Modul E und Flächenträgheitsmoment I ist. Das axiale Flächenträgheitsmoment eines Rohres ergibt sich zu

I = pi/4 * (R^4 - r^4)

wobei R und r die Außen- bzw. Innendurchmesser sind.

Das Ziel muss es sein, dass Flächenträgheitsmoment so groß wie möglich zu bekommen, also die Durchmesser so groß wie möglich zu wählen. Ein realistischer Ansatz ist es, z.B. pro Länge des Rohres das gleiche Gewicht anzusetzen und dann zu schauen, was sich mit den Durchmessern machen lässt. Daraus ergibt sich direkt, dass bei größer werdendem Außendurchmesser die Wanddicke kleiner wird (sonst würde das Rohr ja bezogen auf die gleiche länger immer schwerer werden).

Gibt man jetzt zum Vergleich der Materialien beispielsweise vor, dass man sowohl bei Stahl als auch bei Aluminium ein Rohr pro Meter das gleiche wiegen soll und dass eine minimale Wanddicke gegen das Eindellen eingehalten werden soll, dann liegt es auf der Hand, dass das Alu-Rohr einen deutlich größeren Außendurchmesser haben wird. Das Verhältnis der Außendurchmesser verhält sich dabei in etwa umgekehrt proportional zu den Dichten. Das heißt, dass das Aluminiumrohr einen um knapp den Faktor 3 größeren Durchmesser haben wird.

Dieser Faktor 3 geht nun in das Flächenträgheitsmoment I ein, allerdings mit der vierten Potenz. Im entscheidenden Produkt E*I für die Auslenkung ist nun natürlich noch zu berücksichtigen, dass das E-Modul von Aluminium nur ein Drittel des E-Moduls von Stahl beträgt. Damit kürzt sich aber nur die vierte Potenz zu einer dritten Potenz.

Zahlenmäßig habe das mal durchgerechnet für den Fall eines Stahlrohres mit 2cm Außendurchmesser und 2mm Wandstärke. Bei gleichem Gewicht pro Länge hat das Alurohr einen Außendurchmesser von 5,5cm und eine "Steifigkeit" von E*I, die um den Faktor 8 höher als beim Stahlrohr liegt:

_________________Alu______________Stahl
rho______________2,7______________7,8
E [N/mm^2]_______7,00E+04_________2,10E+05
R [m]____________0,05589__________0,02000
r [m]____________0,05389__________0,01800
A [m^2]__________0,00069__________0,00024
m [kg/m]_________1,86139__________1,86139
I [m^(-4)]_______1,03886E-06______4,31938E-08
E*I______________0,07272__________0,00907__ --> Verhältnis zwischen Alu und Stahl: Faktor 8
[Edit: Also hier Tabellen rein zu bringen, ist wirklich ein Graus...]

Faktor 8 an Steifigkeit bleibt allerdings am Ende nicht übrig. Aluminium hat eine geringere Festigkeit und muss deshalb sicher mit einer größeren Wandstärke ausgeführt werden. Obiges Beispiel mit doppelter Wandstärke im Vergleich zu Stahl durchgerechnet liefert aber immer noch eine um den Faktor 2 höhere Steifigkeit. Im Leichtbau würde man natürlich nicht von verbesserter Steifigkeit bei gleichem Gewicht als Randbedingung ausgehen, sondern die Steifigkeit vorgeben und dann den Gewichtsvorteil mitnehmen. Ist aber nicht ganz so anschaulich zu rechnen.

Man kann also schon von den Materialeigenschaften herleiten, dass mit Alu Leichtbau ganz gut funktioniert.

 

[Gelöschtes Mitglied 6536]

Die Rechnung geht nicht ganz so klar aus da Stahl nunmal deutlich zugfester und härter ist als Alu. Die höhere Dichte kompensiert das 3x so hohe E-Modul weitestgehend. Beim Rahmenbau gibts ja auch konstruktive Grenzen bei den Durchmessern wie Tretlager, Steuerlager, Hinterbau zu Kurbel/Reifenfreiheit.

Ein Stahlrohr kann man auch ganz gut im Durchmesser aufpusten und Wandstärken um 0,4 mm kann man mit Alu vergessen. Der nackte Rohrsatz ist bei Highend-Stahl fast so leicht wie bei Alu, aber Tretlager, Steuerrohr und Ausfaller wiegen deutlich mehr als bei Alu. In der Summe ist man bei Stahl etwa 300 g schwerer unterwegs, dass kann ich ob der schöneren Optik gut verschmerzen.

 

[Weißer Hase]

Aaaah Stahl vs. Alu... Da hat wohl jemand einen 25 Jahre alten thread ausgegraben...

Nur Spaß, macht gern weiter, ist interessant!
Warum gibt es keine ordentlichen 400-Euro-Stahlrahmen analog zu den 200-Euro-Alurahmen zu kaufen?

 

[Gelöschtes Mitglied 6536]

Bei den dünnen leichten Stahlrohrsätzen ist die Maschinenschweißbarkeit nicht gegeben. Ein Rohr mit 0,6 mm Endstärke kann kein Automat schweißen. Die Rohre müssen sehr genau auf Gehrung gebracht werden mit minimalsten Spaltmaßen. Da ist halt Handarbeit angesagt. Zudem ist der Rohrsatz an sich schon erheblich teurer – was sicher auch eine Frage der geringeren Stückzahlen ist.

Für ca 600 € gibts aus UK schon Stahlrahmen, sind dann halt schwere Brocken, klassisch in Muffen gefügt.

Edit: Was kostet ein Columbus-Life Satz für den Endverbraucher so?

 

[WilliW]

Die Rechnung geht nicht ganz so klar aus da Stahl nunmal deutlich zugfester und härter ist als Alu. Die höhere Dichte kompensiert das 3x so hohe E-Modul weitestgehend. Beim Rahmenbau gibts ja auch konstruktive Grenzen bei den Durchmessern wie Tretlager, Steuerlager, Hinterbau zu Kurbel/Reifenfreiheit.

Vielleicht hast Du mein sicher etwas länglich geratenes Posting nicht ganz so aufmerksam gelesen, aber die Aussage ist ja gerade, dass sich E-Modul und Dichte sich gerade nicht ausgleichen. Würde man einen einfachen Zugstab betrachten, wäre Deine Aussage richtig. Bei dem auf Biegung belasteten Rahmen kommt aber das Flächenträgheitsmoment zum tragen und da führt das bei gleichem Gewicht deutlich großvolumiger bauende Aluminium zu einem deutlich höheren Flächenträgheitsmoment (bzw. zu geringerem Gewicht bei gleicher Steifigkeit).

Dass sich meine isolierte Betrachtung des Rohres nicht ganz bis zum Ende durchzieht, ist völlig klar. Da kommt die Wandstärke zum tragen, die aufgrund der niedrigeren Zugfestigkeit von Aluminium größer sein muss als bei Stahl. Die Betrachtung des Rohres ist eher didaktisch zu sehen, um aufzuzeigen, warum Alu überhaupt Vorteile hat. Am Ende bleibt aber offensichtlich ein Gewichtsvorteil übrig, da braucht man sich nur die Gewichte von Alu- bzw. Stahl-Rahmensets anzusehen.

Die höhere Zugfestigkeit ist übrigens nur ganz bedingt ausschlaggebend für die Konstruktion. Bei der Steifigkeit eines Rahmens bewegt man sich ausschließlich im elastischen Bereich in dem das E-Modul regiert. Würde man so konstruieren, dass die Kräfte bis an die Festigkeitsgrenze heranreichen würden, wäre das mit einer sehr starken elastischen Verformung verbunden, die man als Fahrer als recht wabbelig empfinden würde. Die E-Module sind jeweils bei allen Stahl- und Aluwerkstoffen gleich. Der hochfeste Spezialstahl wirkt sich also nicht so aus, dass damit eine völlig anderen Rahmen konstruieren könnte. Worauf die Festigkeit Einfluss hat ist natürlich die Widerstandfähigkeit gegenüber Eindellungen, man kann also bei hochfesten Stählen mit dünneren Wandstärken und größeren Durchmessern arbeiten. Und damit führt es wieder zu niedrigeren Gewichten, aber eben nicht so unmittelbar.

Wäre die Zugfestigkeit das begrenzende Konstruktionsmerkmal, dann würde das Rahmengewicht ja mit der Festigkeit skalieren. Die Festigkeiten der Stahlsorten reichen von vielleicht 500N/mm^2 (auch schon ein qualitativ sehr guter Rahmenwerkstoff!) bis nahezu 2000N/mm^2. Das zeigt schon, dass die Festigkeit nicht der maßgeblich Parameter für das Thema Leichtbau ist.

Ein Stahlrohr kann man auch ganz gut im Durchmesser aufpusten und Wandstärken um 0,4 mm kann man mit Alu vergessen. Der nackte Rohrsatz ist bei Highend-Stahl fast so leicht wie bei Alu, aber Tretlager, Steuerrohr und Ausfaller wiegen deutlich mehr als bei Alu. In der Summe ist man bei Stahl etwa 300 g schwerer unterwegs, dass kann ich ob der schöneren Optik gut verschmerzen.

Ich kenne da jetzt nicht alle Rahmengewichte, erst recht nicht für Stahlrahmen, aber Google hilft. Schaut man sich die teilweise schon sehr noblen und teuren Stahlrahmen an, dann hat man dort z.B. bei einem Colnago MASTER X-LIGHT nur für den Rahmen ein Gewicht von 1,85kg (bei 2500 Euro für das Rahmenset). Ein CAAD 10 Rahmen wiegt 1,15kg (bei 699 Euro für das Rahmenset), der Rahmen des Radon Ignite 1,17 (bei 1500Euro für das ganze Rad). Mit 300g Unterschied kommt man da nicht aus (der Preisunterschied noch gar nicht eingerechnet).

Nicht falsch verstehen: Mir sind die letzten paar Gramm ziemlich Wumpe. Und wenn ich zwischen dem Colnago und den anderen beiden Rahmen wählen müsste ...

 

[DausM]

http://www.tommasini.it/eng/frames.php

Mal als Beispiel aus dem Sortiment von Tommasini:
FIRE: The 55 cm frame (painted) weight approx. 1.550 kg (Columbus Memo Nivacrom)
TECNO: The 55 cm frame approx. weight 1.600 kg (Columbus Memo Nivacrom, mit Muffen)
PREMIER PLUS (Alu): Approx weight for 55 measure kg 1.150

Beim X-Fire steht leider nix bei.

 

[WilliW]

http://www.tommasini.it/eng/frames.php

Mal als Beispiel aus dem Sortiment von Tommasini:
FIRE: The 55 cm frame (painted) weight approx. 1.550 kg (Columbus Memo Nivacrom)
TECNO: The 55 cm frame approx. weight 1.600 kg (Columbus Memo Nivacrom, mit Muffen)
PREMIER PLUS (Alu): Approx weight for 55 measure kg 1.150

Beim X-Fire steht leider nix bei.

Da sieht man mal wieder, was von Gewichtsangaben zu halten ist...

In der Tour von 2013 (http://www.tour-magazin.de/technik/test_center/komponenten/rahmen/tommasini-tecno/a28195.html) wiegt der Tecno-Rahmen 1,975kg. Ich gehe mal davon aus, dass die das nachgewogen haben. Der Artikel ist auch auf der Tommasini-Webseite zu finden (http://www.tommasini.it/files/rass_stampa/72/TOUR8_2013pp38-46TestStahl-Renner.pdf).

 

[Gelöschtes Mitglied 6536]

@WilliW
Die Zugfestigkeit ist bei Stahl ein schon wichtiger Parameter weil man nur die zugfesten Stähle auch dünnwandig verarbeiten kann > wegen Beulengefahr. Klar ist das E-Modul bei fast allen Stählen gleich, aber das ermöglicht mir nicht aus jeder Legierung einen leichten Rohrsatz zu ziehen.

Deine technische Abhandlung über Steifigkeit in Relation zum Durchmesser und E-Modul mag für Rohre gelten, aber im Rahmenbau ist der Spielraum bei den Durchmessern begrenzt. Ein Unterrohr bei Stahl liegt zeitgemäß um 35-38 mm, Steuerrohr 35-44 mm. Bei Alu liegt man bei Unterrrohren um 50 mm und Steuerrohren bei 40-50 mm. Bei allen anderen Rohren (vor allem Kettenstreben und Sitzrohr) sind die Unterschiede im Außendurchmesser noch geringer.

Meine Rahmen wiegen 1,6 kg für ein Alu-Bianchi, 1,68 Kilo für ein Stahl Scapin und 1,8 kg für ein Stahl Tommasini (Fire aus Spirit Oversize) jeweils 59er Größe. Ein Alurahmen lackiert in meiner Größe wiegt selten unter 1,4 kg (und wenn isser beulengefährdet), daher meine Angabe von 300 g Differenz. Sprich der Theorieansatz ist etwas zu abstrakt, denn alle Rahmen haben vergleichbare Steifigkeiten. Das Colnagobeispiel ist ziemlich daneben weil es Technik von vor 20 Jahren ist. Es gibt da leichteres und steiferes für die Hälfte des Kurses.

 

[Andi74]

[...] wiegt der Tecno-Rahmen 1,975kg. Ich gehe mal davon aus, dass die das nachgewogen haben. [...]

Skandal! Wiegen von italienischem Geröhr geht ja mal gar nicht!
Das geht in die gleiche Kategorie wie unrasierte Beine, schwarze Socken und lila Lenkerband gleichzeitig.

 

[Osso]

Ein Alurahmen lackiert in meiner Größe wiegt selten unter 1,4 kg (und wenn isser beulengefährdet

ich hab tatsächlich mal den Quantec SL eloxiert gefahren und der wog in 57 so um 1300g.
Der Gewichtsvorteil hat aber nicht gereicht um sich bei mir einen Stammplatz zu sicheren

 

[DausM]

Da sieht man mal wieder, was von Gewichtsangaben zu halten ist...

In der Tour von 2013 (http://www.tour-magazin.de/technik/test_center/komponenten/rahmen/tommasini-tecno/a28195.html) wiegt der Tecno-Rahmen 1,975kg. Ich gehe mal davon aus, dass die das nachgewogen haben. Der Artikel ist auch auf der Tommasini-Webseite zu finden (http://www.tommasini.it/files/rass_stampa/72/TOUR8_2013pp38-46TestStahl-Renner.pdf).

der Tour-Rahmen ist zwar ein 56er, aber 375g erklärt das wohl nicht...

 

[Gelöschtes Mitglied 6536]

Die Rahmengewichte bei Tommasini passen real zu unlackierten Rahmen. Also bei jedem Modell etwa + 100 g rechnen + den Größenfaktor einbeziehen. Die Tourmessung ist nicht typisch, es gibt diverse Tecnos um 1,7 kg.

Die Leichtbaulatte bei fahrstabilen mittelgroßen Stahl-Rahmen liegt bei ca 1,5 Kg. Ist immer auch ein Frage des Aufwandes. Mein Scapin ist zum Beispiel in der Bremsbrücke hohl gefräst, Steuerrohr ist nach vorne hin dünner gefräst. Zuganschläge und Schaltauge sind aus einem CNC-Aluteil. Der konstruktive Aufwand war groß und ich hab ihn nur gekauft weil er gebraucht ein echtes Schnäppchen war.