Diese Materialien eignen sich am besten fürs Motorrad!

2021-12-30 12:57:38 By : Ms. Pucca Liu

Motorrad-Konstruktion wirkt 2021 schon fast wie Zauberei. Eine hochkomplexe Wissenschaft, die nur die besten Ingenieure vollends verstehen. Zentraler Punkt des Hokuspokus sind dabei die verwendeten Materialien und deren verschiedene Eigenschaften. In diesem Bericht geben wir einen Überblick, welche Materialien sich wie für Bauteile von Motorrädern eignen.

Carbon-Felgen von BST für extra agiles Handling, edle Ducati Panigales mit geschmiedeten Magnesium-Felgen, oder Stahlrahmen mit Aluminium-Schwingen - schon die einfachsten Broschüren und Zeitschriften über Motorräder bombardieren uns mit allerlei technischen Details und Materialien. Vor allem Stoffe wie Carbon, Titan und Magnesium werden gerne als Kaufargument hervorgehoben. Doch abgesehen davon, dass es gut klingt wenn man geschmiedete Magnesium-Felgen am Motorrad hat, ist uns technisch ungebildeten Endkunden der genaue Unterschied oft nicht wirklich klar. 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. In diesem Überblick erfahrt ihr, welche allgemeinen Eigenschaften die verschiedenen Stoffe mit sich bringen und wo sie am Motorrad zu finden sind.

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. Hier kommen die Materialien ins Spiel, denn je nach gewünschtem Rahmen braucht es verschiedene Werkstoffe in unterschiedlichen Formen, Durchmessern und Mengen.

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. Bei Carbon, einem aus länglichen Fasern bestehenden Stoff, ist das nicht so. Doch dazu später mehr.

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. Eines der häufigsten Substitute ist Aluminium.

Reines Eisen ist in seiner Urform relativ weich. Stahl-Legierungen sind noch viel härter und robuster.

Erklärung zum besseren Verständnis der Tabellen: Zugfestigkeit = die maximale mechanische Zugspannung, mit der eine Probe belastet werden kann, angegeben in Million Pascal (1MPa = 1 N/mm²). Das Elastizitätsmodul gibt den Widerstand eines festen Körpers gegen Verformung an und wird ebenfalls in MPa gemessen. Je höher das E-Modul, desto schwerer verformt sich das Material. Härte = Härte wird auf unterschiedliche Arten gemessen, bei mechanischen Eigenschaften bezieht man sich oft auf die Brinell-Härteprüfung. Eine harte Kugel wird auf das getestete Material gepresst, der Abdruck abgemessen und der HB-Wert schließlich mit einer Formel ausgerechnet. Je größer der HB-Wert, desto härter der Stoff.

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. "Leichtigkeit auf Kosten der Robustheit" - Ist auch das Motto des nächsten Materials.

Mechanische Eigenschaften von reinem Aluminium. Legierungen sind härter und widerstandsfähiger.

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. Wie groß diese ausfällt, lässt sich gut anhand von Marchesini-Felgen für die Ducati Panigale V4-Modelle vergleichen. Bei gleichen Dimensionen wiegt der Satz Aluminium-Felgen 8,3 kg (+/- 200g) und der Magnesium-Satz 7,6 kg (+/- 200g). 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. Deswegen muss man seine Magnesium-Felgen noch mehr vor Schlägen und Stößen schützen.

Mechanische Eigenschaften von reinem Magnesium. Legierungen sind widerstandsfähiger.

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 bestehe 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 auch schon Motorräder mit Carbon-Rahmen, teils in Verbindung mit anderen Materialien, wie zum Beispiel beim futuristischen BMW E-Bike-Konzept, selten aber auch schon mit Vollcarbonrahmen, wie bei der BMW HP4 Race zu sehen ist.

Es gibt verschiedene Carbon-Werkstoffe. Die werde der Tabelle sind beispielhaft zu verstehen.

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. Legierungen sind widerstandsfähiger.

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