Hallo Zusammen
Mein Name ist Thomas und ich komme aus Darmstadt. Ich bin 44, einfacher Angestellter, wohne in einem kleinen Haus in der Vorstadt und bin gerne draußen in der Natur.
Hier möchte ich mein Rahmenbau-Projekt vorstellen. Es handelt sich um einen XC-MTB Rahmen aus Luftfahrtaluminium.
Vielleicht ein paar Worte zum Einstieg. Ich bin Fahrradanfänger, saß 25 Jahre nicht auf dem Rad und habe erst in der letzten Zeit das Radeln wieder entdeckt. Inzwischen fahre ich mit dem Rad zur Arbeit (26 km einfach) und am Wochenende nimmt mich ein Freund öfter mit auf Mountainbike-Touren in den nahen Odenwald. Dabei fuhr ich stets seine „alte Gurke“, ein 90er Jahre Bulls-Hardtail. Den Abschluss meiner ersten MTB-Saison im letzten Jahr bildete der Eselsweg, eine einmalige Nord-Süd-Passage des Spessarts, die das Kinzigtal mit dem Maintal verbindet und am Kloster Engelberg endet. Das war genau mein Ding und somit brauchte ich natürlich ein eigenes Rad.
Eine meiner Leidenschaften ist Strukturleichtbau und ich habe einen aktiven Luftfahrhintergrund und verfüge über einige Erfahrung im Flugzeugbau und in der Tragwerksentwicklung. In meinem Studium beschäftigte ich mich mit der Konstruktion von Carbon-Flugzeugen und stellte viele Teile in diversen Verfahren in Handarbeit her. Wirklich angesprochen hat mich aber stets der Metallflugzeugbau und daher kam auch die Motivation ein Fahrrad zu konstruieren, welches vom Tragwerk her wie ein Flugzeug aufgebaut ist und vor allem die in der Luftfahrt üblichen Verfahren und Materialien verwendet.
Im Mountainbike-bau halten sich zwei Bauweisen. Das vielgerühmte Carbon und geschweißte Aluminiumrahmen aus Rohren bzw. Hydroformhalbzeugen. Carbon ist trotz Faserverbund das Material mit dem höchsten Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Das kann ich als Ingenieur nicht leugnen. Bei entsprechender Ausrichtung erreicht man damit Steifigkeiten, die anderweitig schwer hinzukriegen sind. Ich halte es daher bei einigen Anwendungen für ideal. Leider, und man möge mich dafür steinigen, nicht zur Herstellung eines Fahrradrahmens. Ich fahre viel Schotterwege und höre mit Unbehagen die Steine gegen das Unterrohr klingeln. Ich möchte mich dann einfach nicht fragen, ob das irgendwann ein überraschendes Strukturproblem wird. Mein Fahrrad wird bei uns in der Garage stehen, bekommt kein eigenes Zimmer, keinen Wandhalter und keinen Geigenkasten und soll auch nicht „vielleicht im Eimer“ sein, wenn die Kinder den Rasenmäher oder die Spitzhacke darauf liegen lassen.
Nee nur Spaß, am Ende ist es eine reine Philosophie-frage. Ich bin eben 1975 geboren, mag Rock’n’Roll, stehe auf Unimogs und klassische Flugzeuge, trinke gerne kaltes Bier aus Gläsern und ich sehe mich daher einfach nicht auf einem Plastikfahrrad.
Ein Fahrrad ist eine formlose Maschine mit Wellen, Zahnrädern, Hebeln und Lagern. Sie hat eine Grundästhetik die sich auf einer rein funktionalen Gestaltung basiert. Die Schönheit eines Fahrrades entsteht durch Schlichtheit, durch eine sinnvolle, ja möglichst ideale, pur technisch orientierte Formgebung. Hier besticht für mich Metall, als solches erkennbar und in seiner unverfälschten, von Patina gezeichneten, ehrlichen Oberfläche. Einige Hersteller greifen das meiner Ansicht nach auf und bauen wunderschöne Rahmen. Mir gefallen da besonders die Produkte von Nicolai und Cheetah.
Baut man so mit Luftfahrthalbzeugen, entsteht aber etwas ganz anderes, was so in der Fahrradwelt wohl auch noch wenig bekannt ist.
Viele gängigen Aluminiumrahmen bestehen aus 6061-T6. Dieses Material gilt als „mittelfest“ und die nötige Schweißbarkeit verhindert bislang die Verwendung von hochfesten Legierungen. Einige nicht schweißbare Metallmischungen, wie beispielsweise 2024-T3 oder 7075-T6, erreichen deutlich höhere Festigkeiten bei vergleichbarer Dichte.
Das Schweißen von Aluminium ist ohnehin nicht ganz frei von Nachteilen. Beim Aufschmelzen des Gefüges geht die Wärmebehandlung verloren, was einen gravierenden Nachlass bei der Festigkeit zur Folge hat. Weitaus schwerwiegender ist die reduzierte Ermüdungsresistenz. Einhergehend mit einer Schweißnaht ist mitunter ein Steifigkeitssprung der zu Spannungsüberhöhung führt und ebenfalls Ermüdung begünstigt. Auch Restspannungen durch Verzug, der bei Alu relativ groß ist, können hier eine Schwächung bewirken. Mit einer entsprechenden Nachbehandlung bekommt man das zwar alles wieder einigermaßen hin, aber so gut wie vorher wird es nie mehr. Das ist der Grund warum Alurahmen meistens an einer Schweißnaht reißen oder warum Ermüdungsrisse meistens an einer Schweißnaht beginnen.
Ich wollte einen Rahmen aus 2024-T3 bauen. Neben der höheren Festigkeit besitzt dieses Material eine überlegene Ermüdungsresistenz. Für mich ist diese entscheidender bei der Auslegung. Es ist kein Zufall, warum viele Flugzeuge hauptsächlich aus dieser Legierung bestehen. Die Halbzeuge werden vernietet, was einige Vor- aber auch Nachteile hat.
Die erforderlichen Querschnitte lassen sich weitaus gewichtsoptimierter herstellen und an besonders hoch belasteten Stellen ist der Einsatz von anderen Materialien, wie z.B Stahl, problemlos möglich. Es existieren deutlich dünnere Wandstärken als bei Rohren und durch Aufdopplung entsteht auch so etwas wie Redundanz. Ein potentieller Ermüdungsriss würde dann nur eine Schicht betreffen und nicht wandern. Andererseits erfordert diese Art der Verbindung Überlappungen, die nicht immer Festigkeit und Steifigkeit bei dem entsprechenden Materialeinsatz bringen. Das sehe ich als Nachteil.
Die Herstellung ist enorm aufwändig und erfordert viele Arbeitsschritte.
Der Rahmen soll selbstverständlich leicht werden und so die Vorteile von 2024-T3 offenlegen. Allerdings war ich nicht bereit bei der Festigkeit Kompromisse einzugehen. Außerdem bin ich Hobbyschrauber und ich verbringe nicht einen ganzen Feierabendwinter mit der Entwicklung und dem Bau, um schließlich im Sommer festzustellen, dass an der einen oder anderen Stelle zu wenig Fleisch vorhanden ist. Auch die Sicherheit spielt hier eine Rolle.
Ein wichtiger Lastfall entsteht durch die Einleitung eines Biegemomentes durch die Gabel in das Steuerrohr. Hier wollte ich eine deutlich höhere Festigkeit als die der kaufbaren Modelle haben. Das ging nur mit Stahl und einer aufwendigen, leider auch schweren, Krafteinleitung in die Struktur. Das gleiche galt für die Festigkeit und die Steifigkeit des Tretlagers bzw. der Laschen der Kettenstreben. Hier kommt hochfester Stahl zum Einsatz.
Bedenken hatte ich zunächst wegen Knarz-Geräuschen. Jeder Fahrradrahmen verbiegt sich, ganz egal wie steif er auch sein mag, die Frage ist nur wie viel. Da die Bleche zwischen den Nieten unverbunden aufeinander liegen, kann das bei so einer Konstruktion vorkommen, dass kleinste Relativbewegungen auftreten. Flugzeuge knarzen und knacken beinahe alle. Glücklicherweise läuft der Rahmen bislang ruhig, auch im Wiegetritt.
Nach dem Gewicht des Rahmens wurde ich schon oft gefragt und ich möchte es vermeiden jetzt einfach eine Zahl heraus zu werfen, die dann in irgendeiner Form den Erfolg oder Misserfolg meiner Arbeit beschreibt. Lasst mich als Ingenieur und nicht als Kaufmann antworten:
"Dieser Rahmen ist fester, ermüdungsresistenter und steifer als ein Rahmen aus 6061-T6 mit gleicher Masse"
Das Fahrrad ist kein Schwergewicht und hat noch eine „10“ vorne, für alle die rückwärts rechnen können. Ich glaube die Wahl der Komponenten zeigt auch, dass es kein Leichtgewichts-champion werden sollte. „Ein genietetes Fahrrad braucht auch einen genieteten Sattel“, sagte meine Frau, und sie hatte recht. Auch die Chris King Naben sind keine Leichtgewichte, aber ich will um keinen Preis auf dieses total g...le Gebrumm mit seinen verschiedenen Resonanzen beim Rollen verzichten. Das alleine macht schon voll Laune.
Mein Fahrstil ist schnell und daher wählte ich eine tiefe, weit nach vorne gerichtete Sitzposition. Dabei achtete ich auf die Gewichtsverteilung, die aber glücklicherweise sehr gut hingekommen ist. Die Übersetzung der Eagle mit dem größten verfügbaren Kettenblatt (38er) reicht oben herum gerade so aus. Der kleine Gang ist trotzdem kurz genug für die Technikpassagen. Aus Gewichts- und Agilitätsgründen habe ich mich für 27,5 Zoll entschieden.
Das Teil rennt und steigt wie die Wucht und ich fuhr damit auf Anhieb meine Bestzeit auf der 40 km Hausstrecke mit 1000 Höhenmeter. Es macht einen Riesenspaß das Teil nun endlich auszufahren, zu erleben und zu testen. Besonders genieße ich die Erfahrung nun dem Berg nicht nur mit den Beinen, sondern auch mit den Realität gewordenen Gedanken zu konfrontieren. Teil meiner selbst entworfenen Maschine zu sein und so den schönen Aussichten auf den Hügeln entgegen zu strampeln ist einfach der Knaller.
Die Fotos sind alle von meiner Frau, die etwa zeitgleich mit mir ebenfalls ein neues Hobby, das Fotografieren, anfing. Das "Firmenlogo" ist nur ein Gag.
https://lukasczyk.myportfolio.com/
Grüße und viel Spaß
Thomas
Mein Name ist Thomas und ich komme aus Darmstadt. Ich bin 44, einfacher Angestellter, wohne in einem kleinen Haus in der Vorstadt und bin gerne draußen in der Natur.
Hier möchte ich mein Rahmenbau-Projekt vorstellen. Es handelt sich um einen XC-MTB Rahmen aus Luftfahrtaluminium.
Vielleicht ein paar Worte zum Einstieg. Ich bin Fahrradanfänger, saß 25 Jahre nicht auf dem Rad und habe erst in der letzten Zeit das Radeln wieder entdeckt. Inzwischen fahre ich mit dem Rad zur Arbeit (26 km einfach) und am Wochenende nimmt mich ein Freund öfter mit auf Mountainbike-Touren in den nahen Odenwald. Dabei fuhr ich stets seine „alte Gurke“, ein 90er Jahre Bulls-Hardtail. Den Abschluss meiner ersten MTB-Saison im letzten Jahr bildete der Eselsweg, eine einmalige Nord-Süd-Passage des Spessarts, die das Kinzigtal mit dem Maintal verbindet und am Kloster Engelberg endet. Das war genau mein Ding und somit brauchte ich natürlich ein eigenes Rad.
Eine meiner Leidenschaften ist Strukturleichtbau und ich habe einen aktiven Luftfahrhintergrund und verfüge über einige Erfahrung im Flugzeugbau und in der Tragwerksentwicklung. In meinem Studium beschäftigte ich mich mit der Konstruktion von Carbon-Flugzeugen und stellte viele Teile in diversen Verfahren in Handarbeit her. Wirklich angesprochen hat mich aber stets der Metallflugzeugbau und daher kam auch die Motivation ein Fahrrad zu konstruieren, welches vom Tragwerk her wie ein Flugzeug aufgebaut ist und vor allem die in der Luftfahrt üblichen Verfahren und Materialien verwendet.
Im Mountainbike-bau halten sich zwei Bauweisen. Das vielgerühmte Carbon und geschweißte Aluminiumrahmen aus Rohren bzw. Hydroformhalbzeugen. Carbon ist trotz Faserverbund das Material mit dem höchsten Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Das kann ich als Ingenieur nicht leugnen. Bei entsprechender Ausrichtung erreicht man damit Steifigkeiten, die anderweitig schwer hinzukriegen sind. Ich halte es daher bei einigen Anwendungen für ideal. Leider, und man möge mich dafür steinigen, nicht zur Herstellung eines Fahrradrahmens. Ich fahre viel Schotterwege und höre mit Unbehagen die Steine gegen das Unterrohr klingeln. Ich möchte mich dann einfach nicht fragen, ob das irgendwann ein überraschendes Strukturproblem wird. Mein Fahrrad wird bei uns in der Garage stehen, bekommt kein eigenes Zimmer, keinen Wandhalter und keinen Geigenkasten und soll auch nicht „vielleicht im Eimer“ sein, wenn die Kinder den Rasenmäher oder die Spitzhacke darauf liegen lassen.
Nee nur Spaß, am Ende ist es eine reine Philosophie-frage. Ich bin eben 1975 geboren, mag Rock’n’Roll, stehe auf Unimogs und klassische Flugzeuge, trinke gerne kaltes Bier aus Gläsern und ich sehe mich daher einfach nicht auf einem Plastikfahrrad.
Ein Fahrrad ist eine formlose Maschine mit Wellen, Zahnrädern, Hebeln und Lagern. Sie hat eine Grundästhetik die sich auf einer rein funktionalen Gestaltung basiert. Die Schönheit eines Fahrrades entsteht durch Schlichtheit, durch eine sinnvolle, ja möglichst ideale, pur technisch orientierte Formgebung. Hier besticht für mich Metall, als solches erkennbar und in seiner unverfälschten, von Patina gezeichneten, ehrlichen Oberfläche. Einige Hersteller greifen das meiner Ansicht nach auf und bauen wunderschöne Rahmen. Mir gefallen da besonders die Produkte von Nicolai und Cheetah.
Baut man so mit Luftfahrthalbzeugen, entsteht aber etwas ganz anderes, was so in der Fahrradwelt wohl auch noch wenig bekannt ist.
Viele gängigen Aluminiumrahmen bestehen aus 6061-T6. Dieses Material gilt als „mittelfest“ und die nötige Schweißbarkeit verhindert bislang die Verwendung von hochfesten Legierungen. Einige nicht schweißbare Metallmischungen, wie beispielsweise 2024-T3 oder 7075-T6, erreichen deutlich höhere Festigkeiten bei vergleichbarer Dichte.
Das Schweißen von Aluminium ist ohnehin nicht ganz frei von Nachteilen. Beim Aufschmelzen des Gefüges geht die Wärmebehandlung verloren, was einen gravierenden Nachlass bei der Festigkeit zur Folge hat. Weitaus schwerwiegender ist die reduzierte Ermüdungsresistenz. Einhergehend mit einer Schweißnaht ist mitunter ein Steifigkeitssprung der zu Spannungsüberhöhung führt und ebenfalls Ermüdung begünstigt. Auch Restspannungen durch Verzug, der bei Alu relativ groß ist, können hier eine Schwächung bewirken. Mit einer entsprechenden Nachbehandlung bekommt man das zwar alles wieder einigermaßen hin, aber so gut wie vorher wird es nie mehr. Das ist der Grund warum Alurahmen meistens an einer Schweißnaht reißen oder warum Ermüdungsrisse meistens an einer Schweißnaht beginnen.
Ich wollte einen Rahmen aus 2024-T3 bauen. Neben der höheren Festigkeit besitzt dieses Material eine überlegene Ermüdungsresistenz. Für mich ist diese entscheidender bei der Auslegung. Es ist kein Zufall, warum viele Flugzeuge hauptsächlich aus dieser Legierung bestehen. Die Halbzeuge werden vernietet, was einige Vor- aber auch Nachteile hat.
Die erforderlichen Querschnitte lassen sich weitaus gewichtsoptimierter herstellen und an besonders hoch belasteten Stellen ist der Einsatz von anderen Materialien, wie z.B Stahl, problemlos möglich. Es existieren deutlich dünnere Wandstärken als bei Rohren und durch Aufdopplung entsteht auch so etwas wie Redundanz. Ein potentieller Ermüdungsriss würde dann nur eine Schicht betreffen und nicht wandern. Andererseits erfordert diese Art der Verbindung Überlappungen, die nicht immer Festigkeit und Steifigkeit bei dem entsprechenden Materialeinsatz bringen. Das sehe ich als Nachteil.
Die Herstellung ist enorm aufwändig und erfordert viele Arbeitsschritte.
Der Rahmen soll selbstverständlich leicht werden und so die Vorteile von 2024-T3 offenlegen. Allerdings war ich nicht bereit bei der Festigkeit Kompromisse einzugehen. Außerdem bin ich Hobbyschrauber und ich verbringe nicht einen ganzen Feierabendwinter mit der Entwicklung und dem Bau, um schließlich im Sommer festzustellen, dass an der einen oder anderen Stelle zu wenig Fleisch vorhanden ist. Auch die Sicherheit spielt hier eine Rolle.
Ein wichtiger Lastfall entsteht durch die Einleitung eines Biegemomentes durch die Gabel in das Steuerrohr. Hier wollte ich eine deutlich höhere Festigkeit als die der kaufbaren Modelle haben. Das ging nur mit Stahl und einer aufwendigen, leider auch schweren, Krafteinleitung in die Struktur. Das gleiche galt für die Festigkeit und die Steifigkeit des Tretlagers bzw. der Laschen der Kettenstreben. Hier kommt hochfester Stahl zum Einsatz.
Bedenken hatte ich zunächst wegen Knarz-Geräuschen. Jeder Fahrradrahmen verbiegt sich, ganz egal wie steif er auch sein mag, die Frage ist nur wie viel. Da die Bleche zwischen den Nieten unverbunden aufeinander liegen, kann das bei so einer Konstruktion vorkommen, dass kleinste Relativbewegungen auftreten. Flugzeuge knarzen und knacken beinahe alle. Glücklicherweise läuft der Rahmen bislang ruhig, auch im Wiegetritt.
Nach dem Gewicht des Rahmens wurde ich schon oft gefragt und ich möchte es vermeiden jetzt einfach eine Zahl heraus zu werfen, die dann in irgendeiner Form den Erfolg oder Misserfolg meiner Arbeit beschreibt. Lasst mich als Ingenieur und nicht als Kaufmann antworten:
"Dieser Rahmen ist fester, ermüdungsresistenter und steifer als ein Rahmen aus 6061-T6 mit gleicher Masse"
Das Fahrrad ist kein Schwergewicht und hat noch eine „10“ vorne, für alle die rückwärts rechnen können. Ich glaube die Wahl der Komponenten zeigt auch, dass es kein Leichtgewichts-champion werden sollte. „Ein genietetes Fahrrad braucht auch einen genieteten Sattel“, sagte meine Frau, und sie hatte recht. Auch die Chris King Naben sind keine Leichtgewichte, aber ich will um keinen Preis auf dieses total g...le Gebrumm mit seinen verschiedenen Resonanzen beim Rollen verzichten. Das alleine macht schon voll Laune.
Mein Fahrstil ist schnell und daher wählte ich eine tiefe, weit nach vorne gerichtete Sitzposition. Dabei achtete ich auf die Gewichtsverteilung, die aber glücklicherweise sehr gut hingekommen ist. Die Übersetzung der Eagle mit dem größten verfügbaren Kettenblatt (38er) reicht oben herum gerade so aus. Der kleine Gang ist trotzdem kurz genug für die Technikpassagen. Aus Gewichts- und Agilitätsgründen habe ich mich für 27,5 Zoll entschieden.
Das Teil rennt und steigt wie die Wucht und ich fuhr damit auf Anhieb meine Bestzeit auf der 40 km Hausstrecke mit 1000 Höhenmeter. Es macht einen Riesenspaß das Teil nun endlich auszufahren, zu erleben und zu testen. Besonders genieße ich die Erfahrung nun dem Berg nicht nur mit den Beinen, sondern auch mit den Realität gewordenen Gedanken zu konfrontieren. Teil meiner selbst entworfenen Maschine zu sein und so den schönen Aussichten auf den Hügeln entgegen zu strampeln ist einfach der Knaller.
Die Fotos sind alle von meiner Frau, die etwa zeitgleich mit mir ebenfalls ein neues Hobby, das Fotografieren, anfing. Das "Firmenlogo" ist nur ein Gag.
https://lukasczyk.myportfolio.com/
Grüße und viel Spaß
Thomas
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