BMW Motorrad Rahmen Arten: Eine Übersicht

Die Motorrad-Konstruktion ist eine hochkomplexe Wissenschaft, bei der die verwendeten Materialien und deren Eigenschaften eine zentrale Rolle spielen. Im Zuge unseres 1000PS-Racelabs tauchen wir mit Tuning-Profi Martin Bauer immer wieder in die komplizierte Welt der Motorradtechnik ein und versuchen, diese für Jedermann & -frau verständlich darzustellen. In Vorbereitung auf eine weitere Racelab-Folge auf Youtube habe ich mich mit den Unterschieden der verwendeten Baumaterialien beschäftigt.

Die Bedeutung des Rahmens

Bevor wir uns den einzelnen Materialien zuwenden, sei noch gesagt, dass natürlich die Konstruktion neben der Auswahl des Werkstoffes ebenfalls einen immensen Einfluss auf die schlussendliche Performance hat. Bestes Beispiel sind hier wohl die verschiedenen Typen von Motorradrahmen, wo beides eine große Rolle spielt. Rahmen müssen nicht nur steif genug sein, um die extremen Kräfte von rasanten Beschleunigungs- und Bremsmanövern auszuhalten ohne sich zu verformen, sondern auch flexibel, um in gewissen Situationen etwas Spielraum und Anpassungsfähigkeit bieten zu können.

Ersteres spielt schon seit den ersten Tagen des Motorrads eine Rolle, denn wenn die Steifigkeit nicht ausreicht, bricht der Rahmen und die Maschine fällt buchstäblich auseinander. Zu hohe Steifigkeit verringert aber den Fahrkomfort und die Rückmeldung an den Fahrer. Durch steigende Anforderungen an Motorräder, schnellere Geschwindigkeiten und höhere Schräglagen, wurde die Flexibilität mit den Jahren immer wichtiger. Je nach Einsatzzweck und Bauart variieren die verschiedenen Eigenschaften des Rahmens, wie in der unteren Abbildung zu sehen.

Heute muss jeder Rahmen auf einem schmalen Grat zwischen Stabilität und Flexibilität wandern, soll obendrein aber auch noch möglichst klein, leicht und günstig sein. In der MotoGP werden die Rahmen sogar für jedes Rennen extra angepasst.

Die verschiedenen Rahmenarten und ihre Materialien

Stahlrahmen

Der Allrounder schlechthin und das mit Abstand am meisten verwendete Material ist natürlich Stahl. Ganz am Anfang gab es zwar auch Motorräder mit Holz-Rahmen, wie der 1885 gebaute Daimler-Reitwagen, danach etablierte sich Stahl aber sehr schnell als bestes Material. Die Stärken von Stahl sind eine hohe Robustheit, Formbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, die einfache Möglichkeit Reparaturen durchzuführen und das Material wiederzuverwerten. Hilfreich ist auch der sogenannte "isotrope" Aufbau von Stahl.

Isotrope Materialien, zu denen auch die anderen Metalle dieses Berichts zählen, weisen in alle Richtungen ähnliche Eigenschaften auf, was eine vergleichbare Belastbarkeit bedeutet. Auf gut Deutsch: Ein Block Stahl kann aus allen Richtungen Kräfte aufnehmen und ihnen widerstehen. Da es über 2.500 verschiedene Stahllegierungen gibt, ist eine allgemeine Benennung der Eigenschaften kaum möglich. Auch bei den anderen Metallen dieser Liste wird nie das reine Material genutzt, sondern immer in Form von verschiedenen Legierungen. Deshalb zeigen die Tabellen die mechanischen Eigenschaften der zugrundeliegenden Stoffe.

Der größte Nachteil von Stahl ist das relativ hohe Gewicht. Je performanter und sportlicher das Motorrad, desto mehr Stahl-Bauteile werden durch andere Stoffe ersetzt.

Reines Eisen ist in seiner Urform relativ weich.

Aluminiumrahmen

Etwas leichter, doch auch etwas empfindlicher - Aluminium-Rahmen & Co. Aluminium ist heutzutage eigentlich so weit verbreitet wie Stahl. In Form von Schwingen, Fußrastenanlagen, Hebeln und mehr findet Alu auf fast jedem modernen Motorrad Platz. Der größte Vorteil des Stoffes: Seine Leichtigkeit bei vergleichsweise günstigen Materialkosten und ähnlichen Eigenschaften zu Stahl. Aluminium ist ungefähr nur 30 % so schwer wie Stahl (kommt aber auf die Stahl- und Aluminium-Legierung an), da kann man sich schon viel Gewicht durch Alu-Bauteile am Motorrad sparen.

Dafür gibt es Abzüge bei der Robustheit. Aluminium ist weicher, dadurch leichter verformbar und auch anfälliger für Brüche und Risse. Um die gleiche Festigkeit und Steifigkeit eines Stahlrahmens zu erreichen, braucht es folglich mehr Material. Das kann in manchen Fällen aber weniger problematisch sein, da Alu wiederum leichter ist. Damit sind dann problemlos größere Rohrquerschnitte möglich, die zudem wegen des geringeren spezifischen Gewichts auf der Waage kaum zu Buche schlagen.

Dafür ist die Ver- und Bearbeitung des Materials aufwändiger und teurer als bei Stahl. Nichtsdestotrotz ist Aluminium heute nicht mehr von Motorrädern wegzudenken.

Mechanische Eigenschaften von reinem Aluminium.

Magnesiumrahmen

Magnesium wird nicht rein verbaut, da es im Urzustand extrem korrosionsanfällig ist. Hauptsächlich wird es in der Industrie mit Aluminium kombiniert und als Magnesium-Gusslegierung verwendet. Am Motorrad sind vor allem Magnesium-Felgen bekannt, die noch einmal eine Gewichtsersparnis im Vergleich zu Aluminium bieten.

Das Material ist härter und korrosionsbeständiger als Stahl und Aluminium, dafür aber deutlich weniger robust. Die geringe Festigkeit lässt Magnesium-Legierungen vergleichbar schnell brechen. Während Stahl sich sehr weit dehnen kann, bis ein Riss entsteht, kommt es bei Magnesium deutlich schneller zu sogenannten Bruchdehnungen.

Mechanische Eigenschaften von reinem Magnesium.

Carbonrahmen

Das oben genannte Motto wird von Carbon auf die Spitze getrieben. Als einziges anisotropisches Material dieser Liste unterscheidet es sich aber auch grundsätzlich vom Rest. Es kann nicht Kräfte aus allen Richtungen aufnehmen, sondern kann, wie zum Beispiel ein Seil, nur aus einer Richtung belastet werden und Widerstand bieten. Deswegen muss in der Produktion die spätere Belastung schon beim Aufbau mitbedacht werden.

Carbonteile bestehen aus vielen Schichten von Carbonfasern, die zu Matten zusammengewebt oder verklebt und schließlich bei hoher Temperatur in Form gebacken werden. Diese Carbon-Teile können quasi jede Form annehmen und bieten viele Vorteile: Extrem leichtes Gewicht, absolute Korrosionsbeständigkeit, sehr ermüdungsresistent und top Festigkeit bei "richtiger" Beanspruchung. Die Richtigkeit der Beanspruchung ist aber der Krux am Carbon!

Kommt ein Schlag, Stoß, oder eine Kraft aus unvorhergesehener Richtung, ist Carbon sehr empfindlich. Risse können im Inneren der Carbon-Struktur entstehen, die auch noch sehr schwer von Außen erkennbar sein können. Moderne Produktionsprozesse schaffen es jedoch dem Carbon etwas mehr Robustheit zu verleihen, abhängig von der Art des Herstellungsprozesses. Vom einfachen Laminieren bei Raumtemperatur, über getemperte Methoden, bis hin zu Prepreg oder RTM-Verfahren.

Mit diesen modernen Arten der Carbonherstellung ist in der Lage, sehr hohe Festigkeiten bei guter Oberflächenstabilität zu bekommen. Da sind die Oberflächen dann nicht so empfindlich. Deshalb kann ThyssenKrupp Felgen mit ABE für Straßeneinsatz anbieten. Bei diesen können auch Beschädigungen besser erkannt werden, als bei Magnesium. Die Carbon-Technologie ist mittlerweile so weit, dass der Baustoff zu vielen Zwecken eingesetzt wird.

Es gibt verschiedene Carbon-Werkstoffe.

Titanrahmen

Titan kommt überall dort zum Einsatz, wo Geld keine Rolle spielt und nur die feinsten Stoffe verarbeitet werden. Raumfahrt, Rüstungsindustrie, Luftfahrt, Medizintechnik und eben auch die edelsten Motorräder setzen auf Titan-Bauteile, weil der als einziger Baustoff dieser Liste noch relativ leicht ist, trotzdem aber ein sehr hohes Maß an Festigkeit, Robustheit, Korrosionsbeständigkeit und Härte aufweist.

Der größte Nachteil von Titan sind die hohen Kosten aufgrund der sehr aufwendigen Gewinnung des Metalls. Außerdem ist die Verarbeitung von Titan sowohl beim Schweißen als auch beim Fräsen oder Bohren schwieriger als bei Aluminum. Auch thermisch ist Titan sehr belastbar, weshalb am Motorrad häufig Bauteile von High-Performance-Motoren aus Titan gebaut werden, wie z.B. Titan-Pleuel oder Titan-Ventile. Aber auch Achsen, Schrauben und mehr sind aus Titan zu bekommen.

Mechanische Eigenschaften von reinem Titan.

Die verschiedenen Rahmenbauarten

Die Bezeichnung "Rahmen" trifft bei den konventionellen Motorrad-Fahrwerken den Nagel auf den Kopf. Schließlich spannten sich die klassischen Doppelschleifenrahmen in ausladender Form um den kompletten Motor, der nahezu frei von allen Biegekräften blieb, die sich an einem Motorrad aufbauen. Entsprechend leicht und filigran konnten Motorgehäuse und Zylinderblock konstruiert werden. Zudem erlaubte dieses Rahmenkonzept eine elastische Lagerung des Motors, um der Vibrationen Herr zu werden.

Die ursprüngliche und logische Idee, den Lenkkopf auf direktem und kürzestem Weg mit der Schwingenlagerung zu verbinden, blieb jedoch beim konventionellen Doppelschleifenrahmen auf der Strecke. Dabei zeigten einige berühmte Maschinen wie die NSU Max (Blechprofil-Brückenrahmen) oder die seltene Horex RS 350 von 1954 (Brückenrahmen aus Dreiecks-verbänden), dass die Einbindung des Motors als tragendes Element eine hohe Stabilität bei extrem wenig Gewicht garantiert, wenn das Motorgehäuse den Belastungen entsprechend geformt war.

Mitte der 80er-Jahre rollten wieder Motorräder vom Band, die den Rahmen-/Motorverbund nutzen. Hondas VFR 750 F von 1986 trug das erste Rahmenkorsett aus Aluminiumprofilen, die Konkurrenz rückte nach, und Yamaha legte mit der FZR 1000 Genesis mit Aluminium-Deltabox-Rahmen noch einen drauf. Bei genauer Analyse der bildschönen Deltabox-Konstruktion wurde jedoch klar, dass die Funktion nur deshalb sichergestellt war, weil die verschraubten Unterzüge, die den Motor in elastischen Gummilagerungen aufnahmen, das Gebilde stabilisierten.

Erst als man die Motorgehäuse starr in den Aluminium-Rahmen verschraubte (Honda VFR 750 F/R, Yamaha FZR 750R etc.), war die Verwindungssteifigkeit der Verbundkonstruktion optimal genutzt. Um Kosten zu sparen, wurden im Laufe der Zeit die aufwändig verschweißten Konstruktionen aus glänzenden Formblechen (Yamaha YZF R1 von 1998) oder eleganten Strangpressprofilen durch kostengünstige Gussteile ersetzt. Obwohl sich manche dieser Brückenrahmen in filigraner Form über den Motor spannen, entsteht durch das verschraubte Motorgehäuse ein großer umbauter Raum, der die Biegekräfte und -momente bestens im Griff hat.

Dasselbe Prinzip, jedoch mit einem technisch wie optisch völlig anderen Lösungsansatz, verfolgt Ducati. Statt Aluminiumguss verwenden die Italiener in Dreiecksverbänden angelegte Stahlrohre, die leicht und extrem stabil den Motor inte-grieren. Zudem nutzt Ducati das eigenständige Rahmenlayout als markantes Design-Element. Rot lackiert und sichtbar zur Schau getragen, hebt sich der Ducati-Rahmen nachhaltig von der japanischen Massenware ab. Auch aus Stahl, aber in Form und Ausführung deutlich simpler, sorgen so genannte Einrohrrahmen bei Enduros oder kostengünstigen Mittelklassemaschinen für ausreichend hohe Stabilität bei minimalen Kosten.

Doch egal, ob Stahlrohr- oder Aluminiumrahmen, an alle Konstruktionen stellen sich große mechanische Anforderungen. So muss eine gewisse Biege- und Torsionssteifigkeit gewährleistet sein, um die Räder auch bei hohen Belastungen ohne Verschränkung in der Spur zu halten. Wird die Steifigkeit jedoch zu hoch angesetzt, leiden der Fahrkomfort und die Rückmeldung an den Fahrer.

Das heißt, der Rahmen sollte im Lenkkopfbereich in vertikaler Richtung, also bei kurzen harten Stößen, mit einer bestimmten Flexibilität die Federung unterstützen, ohne sich bei harten Bremsmanövern zu verwinden. Aufgaben, die sich zwar durch Computerberechnungen grob entwerfen, aber nur in echten Fahrtests tatsächlich nachweisen lassen. Diesen Mix aus der nötigen Steifigkeit und gezielter Flexibilität erreichen die Konstrukteure durch den Einsatz unterschiedlich dicker Wandungen und Profilquerschnitte.

Wie komplex und zum Teil widersprüchlich dieser Fahrwerks-Hokuspokus sein kann, demonstrieren die Teams in der MotoGP. Dort werden von einem zum anderen Rennen Rahmen verstärkt, dann wieder abgeschwächt, um zwei Rennen später mit noch mehr Materialauftrag oder Bauteilen aus Karbon noch mehr Steifigkeit zu besitzen. Welche brutalen Kräfte an einem Motorradrahmen ansetzen, lässt sich anhand einer Vollbremsung mit Sozius oder beim vollen Einfedern einer rund 400 Kilogramm schweren Tourenmaschine anschaulich demonstrieren.

Diese Kräfte und Momente im Tonnenbereich entstehen durch die Hebelwirkung der Gabel beziehungsweise der mechanischen Übersetzung der Federkräfte an der Schwinge. Im Rahmenbereich zwischen Schwingenlager und oberem Federbeinauge treten beim Überfahren von Bodenwellen Kräfte bis zu tausend Kilogramm auf. Und genau hierin liegt die wohl heikelste Aufgabe im Rahmenbau.

Tausende von Kraftspitzen muss der Rahmen über die Jahre aushalten, ohne zu ermüden und letztlich zu zerbrechen. Was beim Ruf nach sportlichem Leichtbau einer Gratwanderung mit verbundenen Augen gleichkommt.

Doppelschleifenrahmen

Bei der Yamaha RD 350 YPVS aus den 80er-Jahren setzten die Konstrukteure auf das klassische Rahmenkonzept der legendären TZ-Baureihe, jedoch mit vergleichsweise dünnen Stahlrohren. Auch wenn der Lenkkopfbereich mit einigen Knotenblechen verstärkt wurde, war dies die Schwachstelle der Yamaha und sorgte mitunter für immense Probleme in der Fahrstabilität.

Um die Vibrationen des 350er-Zweizylinder-Zweitaktmotors zu zügeln, wurde er an den vorderen Aufnahmen in elastischen Gummielementen verschraubt.

Einrohrrahmen

Bei diesem simplen Rahmenkonzept zieht sich ein armdickes Stahlrohr vom Lenkkopf bis zum Schwingenlager. Meist bei Enduros und Motocross-Maschinen verbaut, genügte die Stabilität, um die relativ geringe Motorleistung von rund 50 PS zu bändigen. In Verbindung mit einer geteilten unteren Rahmenschleife, den sogenannten Unterzügen, hat sich dieses Bauprinzip bis heute auch bei kostenkünstigen Straßenmaschinen etabliert.

Brückenrahmen mit Unterzügen

Mitte der 80er-Jahre wurden die ersten Alu-Brückenrahmen mit angeschweißtem Rahmenheck salonfähig, bei denen zwischen Lenkkopf und Schwingenlagerung stabile Aluminium-Strangpressprofile verschweißt waren. Doch anstatt den Motor als tragendes Element einzubinden, wurde dieser in wuchtigen, verschraubten Rohrunterzügen mit elastischen Lagerungen befestigt. Gut zu erkennen sind die massiven Gussteile im Schwingenlagerbereich, wo sich auch die hohen Kräfte des Zentralfedersystems abstützen.

Aluminium-Brückenrahmen

Auch BMW hält sich mit der neuen S 1000 RR streng an das japanische Rahmenkonzept. Aus verschiedenen Guss-Segmenten verschweißt, erhöht der Vierzylinder-Reihenmotor durch die starre Verschraubung an Zylinderkopf und im Schwingenlagerbereich den tatsächlich umbauten Raum und damit die Steifigkeit drastisch.

Gitterrohr-Brückenrahmen

Ducati setzt seit den ersten V2-Motoren auf das Bauprinzip, das sich die enorme Steifigkeit von Dreicksverbänden zunutze macht. Das Ergebnis sind leichte und stabile Rohrrahmen, die im Fall der Monster mit dem verschraubten Stahlrohr-/Alugussverbund zudem für eine schicke Optik sorgen.

Stahlrohr-Brückenrahmen

KTM verschraubt den großen V2-Motor der RC8 an sechs symmetrischen Punkten zu einem stabilen Verbund und verzichtet dabei auf jegliche eingeschweißten Querstreben im hinteren Rahmenbereich. Bedingt durch die Hebelwirkung aus Vorderradhalbmesser und Gabellänge wird der untere Bereich nach hinten gestaucht, während der Rahmen am oberen Lenkkopflager gestreckt wird. Kräftige Querversteifungen unterbinden ein Aufweiten der Rahmenprofile.

Rahmensteifigkeit

Die Daten der unterschiedlichen Rahmensteifigkeitswerte stammen aus einer Forschungs- und Entwicklungsabteilung, daher müssen Typen und Hersteller anonym bleiben, Rahmenbauart und Kategorie hingegen dürfen benannt werden. Es handelt sich um im Rennsport eingesetzte und damit relevante Motorräder. Die Werte geben die elastische Verformung des Rahmens in Millimeter oder den Verdreh­winkel in Grad wieder. Ein Newton entspricht der Gewichtskraft von 0,10194 Kilogramm, also 101,94 Gramm.

Seitensteifigkeit (in Newton pro Milimeter)

Der am Schwingenlager eingespannte Rahmen mitsamt Motor (tragendes Bauteil) wird mit einer horizontal auf den Lenkkopf wirkenden Seitenkraft beaufschlagt. Dabei weicht der Lenkkopf zur gegenüberliegenden Seite aus. Wie bei einer Feder wird dabei die Kraft in Newton pro Millimeter Verformung gemessen.

Beispiel: Wird der Lenkkopf am Superbike-Alurahmen mit 2923 Newton (entspricht ca. 286 Kilogramm Gewichtskraft) belastet, biegt sich der Rahmen um einen Millimeter seitlich durch.

Längssteifigkeit (in Newton pro Millimeter)

Auch hier ist der Rahmen/Motor-Verbund am Schwingen­lager fixiert. Der Lenkkopf wird bei dieser Messung von unten in vertikaler Richtung belastet, der Rahmen biegt sich also nach oben durch.

Beispiel: Bei 1017 Newton (entspricht ca. 99,7 kg) Belastung weicht der Lenkkopf um einen Millimeter nach oben, in Federrichtung der Gabel, aus. Zur Biegung des Rahmens ist also ein geringerer Kraftaufwand nötig als bei der Seitensteifigkeit.

Torsionssteifigkeit (in Nm pro Grad Verdrehwinkel)

Am Schwingenlager eingespannt, wirkt die Kraft über den einen Meter langen Hebel am Mittelpunkt des Lenkkopfs. Das daraus entstehende Drehmoment verdreht den Lenkkopf aus seiner vertikalen Position.

Beispiel: Um den Lenkkopf des Superbike-Alurahmens um ein Grad zu verdrehen, müssen 6480 Newton, oder anders ausgedrückt 635 Kilogramm Gewichtskraft, an dem einen Meter langen Hebel angesetzt werden.

Rahmenwerte

Bei der Konstruktion des Hauptrahmens werden fünf Parameter festgelegt:

• Position des Motors (1) und der rotierenden Massen in vertikaler und horizontaler Lage, somit Einfluss auf Gesamtschwerpunkt und Gewichtsverteilung.
• Winkel und Position des Lenkkopfs (2) in vertikaler und horizontaler Lage, somit Einfluss auf Gewichtsverteilung und Radstand.
• Gesamthöhe des Schwingenlagers (3) und Höhe/Abstand zum Kettenritzel, somit Einfluss auf Anti-Squad-Verhalten und Radstand.
• Biegesteifigkeit, Seitensteifigkeit und Torsionssteifigkeit (siehe Diagramm auf Artikelseite (2).
• Dauerfestigkeit, die mittels Fahrsimulation auf einem sogenannten „Pulser-Prüfstand“ getestet wird.
• Maximale Bruchfestigkeit bei extremer Beanspruchung, die um ein Vielfaches höher angelegt sein kann als die im regulären Fahrbetrieb auftretenden Kräfte.

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