Werkstoffe im Motorradbau (Archivversion)

Der Stoff, aus dem die Träume sind

Werkstoffe wie Stahl, Leichtmetalle oder Karbon sind an Motorrad-Stammtischenbeliebter Gesprächsstoff, obwohl dort angeblich nur Benzin geredet wird. Um sich nicht mit geballtem Halbwissen zu blamieren, können ein paar Hintergrundinfos nicht schaden.

Stahl – der Werkstoff, der rund die Hälfte des Gewichts eines herkömmlichen Motorrads ausmacht. Das Motorrad ist – blasphemisch ausgedrückt – ein motorisierter Eisenhaufen. Während der Fahrt verschmilzt dieser jedoch zu einer Einheit mit seinem Piloten und verschafft den unvergleichlichen Spaß, der das schönste Hobby der Welt ausmacht. Und manch Motorradfahrer ertappt sich gelegentlich dabei, verträumt über die metallische Oberfläche wie über das Fell eines Rassepferds zu streichen.
Wie schwierig Stahl durch anderes Material zu ersetzen ist, zeigt ein Beispiel: Eine stählerne Kurbelwelle in modernen Motoren rotiert im Laufe ihres Lebens durchschnittlich mehr als zehn Millionen Mal. Gefertigt aus deutlich weniger festem Leichtmetall wie Aluminium, würde sie bei gleicher Baugröße im wahrsten
Sinne des Wortes schnell die Biege machen. Anderes Beispiel: Lager. Die auf sehr kleiner Fläche stark beanspruchten Teile sollen einerseits für guten und leichten Lauf sorgen, andererseits möglichst lange halten. Mit gehärtetem Stahl kein Problem. Ein paar Gramm durch Leichtmetall einzusparen hat keinen Sinn, denn
so ein Lager würde binnen kürzester Zeit zerbröseln. Schluss-
folgerung: Für Motorrad-Konstrukteure ist in der Regel Stahl aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, insbesondere dessen Elastizität, Festigkeit und Härte, erste Wahl und schließt deshalb in vielen Fällen andere, leichtere Metalle aus.
Doch was genau ist eigentlich Stahl? Bei der Herstellung werden die Rohstoffe – entweder Eisenerz oder Alteisen – geschmolzen. Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, wird es gefrischt, das heißt, Sauerstoff wird mit einem Druck um die zehn Bar durch die flüssige Schmelze geblasen, um den enthaltenen Kohlenstoff zu reduzieren. Je höher nämlich der Kohlenstoffanteil, desto fester, aber auch spröder wird der Stahl. Als Stahl bezeichnet man schließlich alle Eisenwerkstoffe, die für eine spätere Warmumformung geeignet sind, sprich: sich schmieden lassen und nicht mehr als zwei Prozent Kohlenstoff enthalten. Im Stahlwerk entstehen entsprechend des späteren Verwendungszwecks nach genauem Kochrezept so genannte Halbzeuge. Dabei han-
delt es sich um unbearbeitete, unter Umständen vorgeschmie-
dete Werkstücke, die für die Fertigung (zum Beispiel durch Drehen, Hobeln, Fräsen, Schleifen) des Endprodukts, etwa einer Kurbelwelle, bestimmt sind.
Je nachdem, ob eine größere Härte (zum Beispiel zur Her-
stellung von Einsatzstahl für Lager) oder höhere Duktilität (= Ver-
formbarkeit, wichtig etwa im Rahmenbau) gewünscht ist, spielen die Wärmebehandlung sowie das Legieren (Zugeben bestimmter Elemente) eine entscheidende Rolle. Die für den Fahrzeugbau
relevanten legierten Stähle enthalten neben Eisen typischerweise Metalle wie Chrom, Nickel oder Molybdän. Nichtmetallische
Bestandteile sind Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel
und Silizium. Durch das Legieren erhält der Stahl spezifische
Eigenschaften wie Tiefziehfähigkeit (wichtig bei der Herstellung
von Schutzblechen oder Stahlblechtanks) oder eine besonders
gute Eignung zum Schweißen (Rahmen, Trägerteile). Moderne Ent-wicklungen in der Stahlproduktion zielen darauf, das Material gleichzeitig fest und duktil herzustellen und dabei das spezifische Gewicht möglichst gering zu halten.
Allerdings hat einfacher Stahl auch eine üble Angewohnheit: Er rostet. Die Eisenbestandteile nehmen über die Luft Sauerstoff auf. Diese Oxidation führt zu einer Volumenzunahme, wodurch Spannungen im Gefüge und durch chemische Umwandlungs-
prozesse an der Oberfläche eine Rostschicht aus Eisenoxid entstehen. Letztere platzt im Laufe der Zeit ab. Das Gefüge verliert
an Festigkeit. Nichtrostende Stähle hingegen sind Edelstähle mit mindestens 10,5 Prozent Chromanteil. Das Chrom bildet eine Schutzschicht auf der Oberfläche, was den Oxidationsprozess verhindert. Am Motorrad kommen Edelstähle etwa bei Auspuff-anlagen zum Einsatz, und viele Motorradfahrer rüsten ihre
Maschinen auf korrosionsbeständige Schrauben aus so genanntem VA-Stahl um. Dass diese nicht gleich serienmäßig eingesetzt oder Edelstahl nicht für den Rahmen verwendet wird, liegt an den höheren Kosten bedingt durch teurere, weil in der Natur selte-
ner vorkommende Erze, aus denen die Legierungsbestandteile gewonnen werden. Als preiswertere Anti-Korrosionsmaßnahmen werden entsprechend beanspruchte Stähle lieber verzinkt, cad-
miert (vorzugsweise bei japanischen Modellen) oder lackiert.
Und der Motorrad-Zubehörmarkt bietet nicht ohne Grund eine
Fülle von Pflegeprodukten, die metallische Oberflächen vor Rost
schützen oder schon vorhandenen beseitigen sollen.
Allein in Deutschland werden über 40 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr produziert. Forschung, Stahlwerke und Industrie arbeiten bei der Entwicklung neuer Stähle eng zusammen. Wobei die in Deutschland vertretene Motorradindustrie mit ihrem größten Hersteller BMW und einem jährlichen Stahlbedarf von rund 10000 Tonnen anders als die wesentlich wichtigere Autoindustrie sicherlich keinen sonderlich großen Einfluss auf die neuesten Trends
in der Stahlproduktion besitzt. Ohnehin ist es ein weiter Weg von der Forschung bis zur Marktreife einer neuen Stahlsorte, denn
betriebswirtschaftliche Interessen stehen oftmals vor gewissen
technischen Vorteilen eines Werkstoffs. Die neuen Leichtbaustähle (siehe Interview) werden vermutlich erst in ein paar Jahren im Fahrzeugbau zum Einsatz kommen.
Forschung treibt die Entwicklung dennoch voran. Große Hersteller wie BMW leisten sich sogar eine eigene Werkstoff-
Forschungsabteilung, von der auch die Motorradsparte profitiert.
Die Bayern experimentieren mit verschiedenen Werkstoffen und
setzen auf das Prinzip: schlau konstruieren und dadurch trotz konventioneller Werkstoffe wie Stahl Gewicht einsparen. Auf
exotische und teure Materialien wie Titan oder Karbon verzich-
ten die BMW-Ingenieure selbst an sportlichen Leichtgewichten wie der Zweizylinder-Superenduro HP2 getrost. Stahl sei wegen seiner ausgesprochenen Langlebigkeit für den Alltagsgebrauch oder harten Geländeeinsatz in den meisten Fällen einfach besser geeignet, erklärt ein Konzernsprecher.
Auch Suzuki, die zwar schon 1984 mit der GSX-R 750 als erster Motorradhersteller ein Massenmodell mit erheblich teurerem Leichtmetall-Chassis präsentierten, setzt bei beliebten Bestsellern wie den Bandit-Modellen nach wie vor auf einen konventionellen Stahlrahmen. Wohlgemerkt machen in der Motorradproduktion insgesamt, anders etwa als bei Fahrrädern, Stahlrahmen immer noch mit Abstand den größten Anteil aus (siehe Info-Grafik).
Einige Hersteller wollen von der Tradition, mit Stahl zu bauen, auch gar nicht abweichen: Ducati verwendet seit Mitte der Acht-ziger einen Stahl-Gitterrohrrahmen (siehe Foto Seite 70/71), der
in Bologna beim Rahmenspezialisten Verlicchi (www.verlicchi.it)
hergestellt wird. Die Durchmesser der Rohre variieren zwischen 18 und 28 Millimetern, die Wandstärken betragen teilweise lediglich 1,5 Millimeter. Ein Rahmen für die 999 etwa wiegt nur 10,2 Kilogramm. Trotz filigraner Bauweise trägt dieser Gitterrohrrahmen einen wesentlichen Teil zur in Vergleichstests immer wieder hochgelobten Fahrstabilität einer Ducati bei und kann mit Alu-Brückenrahmen aktueller japanischer Sportmaschinen sowohl in Gewicht als auch Steifigkeit mithalten.
Billig ist der zeitaufwendig geschweißte Ducati-Rahmen aus dem Werkstoff 25CrMo4 (niedrig legierter Vergütungsstahl mit 0,25 Prozent Kohlenstoff, ein Prozent Chrom, weniger als ein Prozent Molybdän) indes nicht. Und wie die Italiener zugeben, sind mit Aluminium noch leichtere und steifere Rahmen zu realisieren, aber man könne dann nicht mehr auf vorhandene Erfahrungswerte zurückgreifen, müsse quasi wieder bei null anfangen. Außerdem
soll sich der Rahmen in gewissen fahrdynamischen Situationen elastisch verformen. Höchste Steifigkeit sei als Laborwert zwar ganz nett, im Fahrbetrieb jedoch nicht immer wünschenswert
und könne unter Umständen zu ungewollten Nebenwirkungen wie Lenkerschlagen führen. Ein Umstieg auf Aluminium komme deshalb auf absehbare Zeit nicht in Frage, heißt es seitens Ducati. Genau wie der Desmo-V2-Motor hat sich das Chassis mittlerweile als Stilelement etabliert und ist deshalb für viele Kunden allein
aus ästhetischen Gründen ein wichtiges Kaufargument.
Überhaupt: Für viele Motorradfahrer spielt das Aussehen eine wichtigere Rolle als Leichtbau und Steifigkeit. Das weiß man auch bei Thunderbike im nordrhein-westfälischen Hamminkeln (www. thunderbike.de), die Harley-Davidson und verschiedene japanische Modelle in edle Chopper und Streetfighter verwandeln. Aus deren Programm wirkt manch gewichtige und mächtig chromglänzende Maschine, als sei sie direkt einem Hochhofen entsprungen. Gut so, befinden die Tuner wie jede Menge Heavy-Metal-Fans,
die eisern daran festhalten: Stahl hat Stil.
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Werkstoffe im Motorradbau: Stahl (Archivversion)

Professor Dr. Georg Frommeyer vom
Max-Planck-Institut
für Eisenforschung
in Düsseldorf
arbeitet an der
Entwicklung neuer Leichtbaustähle für den Fahrzeugbau.
Was sind die wichtigsten Eigenschaften der neuen, an Ihrem Institut entwickelten Stahllegierungen?
Die so genannten TWIP- und TRIP-Stähle, deren maßgeblichen Bestandteile neben Eisen Mangan, Aluminium und Silizium sind, wurden in erster Linie für den Fahrzeugbau entwickelt, um etwa eine erhöhte Schwingungssicherheit und Fahrzeugstabilität bei
hohen Geschwindigkeiten zu erzielen. Das bedeutet konkret: Das Chassis ist leichter und gerät dennoch nicht ins Flattern.
Diese Stähle sind hochfest, besonders zäh sowie elastisch und eignen sich somit auch als Werkstoff für den Brücken- und Hochbau in erdbebengefährdeten Gebieten. Die Herstellung und Verarbeitung dieser Leichtbaustähle ist zwar teurer als bei konventionellen Stählen, dennoch liegen die Kosten deutlich unter der Herstellung von Leichtmetallen wie Aluminium.
Wo könnten die Leichtbaustähle am Motorrad zum Einsatz kommen?
Ich sehe ein großes Potenzial für die Konstruktion von leichten, aber sehr festen Rahmen. Sowohl Gitterrohr- als auch Profilrahmen-Konstruktionen sind möglich. Momentan erreichen wir beim spezifischen Gewicht einen Idealwert von 6,6 g/cm3, das sind rund 15 Prozent weniger als bei bisher bekannten leichten Stahllegierungen.
Außerdem haben die neuen Stähle eine besonders gute Streck- und Tiefziehfähigkeit, das heißt, sie
lassen sich sehr gut in Form bringen und eignen
sich ausgezeichnet etwa zur Herstellung von Rahmen und Stahlblechtanks.
Gibt es schon Anfragen aus der Zweiradbranche?
Nein. Bisher arbeiten wir hauptsächlich mit
der Automobilindustrie zusammen. Doch überall, wo Leichtbau wichtig ist, sind unsere Stähle von Inte-
resse. Da sie im Vergleich zu Leichtmetallen wesentlich einfacher und kostengünstiger zu recyclen sind, halte ich diesen Werkstoff im Übrigen auch für sehr zukunftsträchtig. Interessierte Motorrad- und Zubehörhersteller sind auf jeden Fall willkommen.

Werkstoffe im Motorradbau: Stahl (Archivversion) - Stahl am Motorrad

Wo am Motorrad kommt Stahl welcher Güte zum Einsatz?
Am Beispiel des konventionell aufgebauten Bestsellers Suzuki Bandit 650 sind sämtliche Bauteile aus Stahl aufgelistet.
A Motor: Primärantrieb (Einsatzstahl), Ventile (Speziallegierung), Schlepphebel
und Nockenwellen (Schmiedeteile), Steuerkette (Stahlblech-Stanzteile), Kurbelwelle und Pleuel (im Gesenk geschmiedet), Getriebe (Einsatzstahl, randschichtgehärtet), Nebenaggregate mit Bauteilen aus Stahl B Radachsen und -lager: Einsatzstahl
C Bremsanlage: Kolben (hartverchromt), Scheiben (legierter Stahl) D Feder-
elemente: Federn (Federstahl), Standrohr (hartverchromt), Kolbenstange (hart-
verchromt) E Lampen: Stahlblech F Lenker: Stahlrohr, verchromt G Fußrasten, Seitenständer: Stahlrohr, lackiert H Tank: Stahlblech tiefgezogen, lackiert
I Rahmen: Stahlrohr, lackiert; Schwinge (Stahl-Hohlprofil, lackiert), Umlenkung
(teilweise Stahlblech-Stanzteile, lackiert) J Verkleidung: Verkleidungshalter aus Stahlprofilen und Stanzteilen, lackiert K Auspuffanlage: Edelstahl L Sekundär-
antrieb: Stahlblech-Stanzteile, gehärtet M Lenkkopf- und Schwingenlager: Einsatzstahl, gehärtet N Schrauben: Edelstahl, Nirosta, teilweise oberflächenvergüteter Stahl

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