Für unseren Test des Murmur 29 haben wir den Gründer von Starling Cycles, Joe McEwan, um ein kurzes Statement gebeten. Kurze Zeit später hat er uns eine sehr umfassende Ausführung über die Vor- und Nachteile der verschiedenen Rahmenmaterialien geschickt – diese wollen wir gerne als seine Meinung und Diskussionsgrundlage veröffentlichen.
Die Frage, welches Rahmenmaterial denn nun das beste ist, ist eine, die sich vermutlich nie endgültig beantworten lässt. Für unseren großen Rahmenmaterial-Showdown haben wir trotzdem versucht, den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Ansätze auf den Grund zu gehen. Einer der Kandidaten im Test: Das Starling Cycles Murmur 29 – ein 29er mit 145 mm Federweg am Heck, das vom Briten Joe McEwan in einem kleinen Schuppen hinter seinem Haus mit Wunschgeometrie angefertigt wird.
Für den Test des Starling Murmur haben wir Joe per Mail um ein kurzes Statement gebeten, welche Vorzüge er im Rahmenmaterial Stahl sieht. Kurze Zeit später ist eine mehrere Seiten lange Ausführung seiner Gedanken in unserem Postfach aufgetaucht – diese möchten wir an dieser Stelle veröffentlichen. Joes Meinung spiegelt nicht zwangsläufig die der Redaktion von MTB-News.de wider, soll aber als Ansatz für eine hoffentlich spannende und angeregte Diskussion über die Vor- und Nachteile der verschiedenen Rahmenmaterialien wirken. Das Wort hat nun Joe McEwan von Starling Cycles!
All materials currently used for bike frame manufacture can be used to make a bike that is strong enough, durable, manufacturable and aesthetic (although this is open to opinion). But the bike industry seems to have a desire that bikes are lightweight and stiff. If we revisit these requirements, the choice of carbon as the most desirable becomes much less obvious and steel can offer a better solution.
Requirements
Weight
It is the currently accepted belief that the lighter the bike the better. There is a certain truth to this, a 100kg bike would be a pain. But a small increase of 1 or 2kgs over the ‘lightest bike’ weight isn’t as important as people think.
When climbing, you are lifting the weight of both the bike and the rider. For arguments sake, let’s consider an 85kg rider (plus kit), and 15kg bike, 100kg in total. It is this weight that must go up the hill; it is this mass involved in the calculation of energy required to climb. So let’s add 2kg to the bike weight, we now have 2% more energy to put in. Not 15kg bike weight plus 2kg which is 13%. The same argument applies to accelerating.
This small impact of bike weight is further reduced by the fact that rotational mass (in the wheels) is more important than the static mass of the frame and components. So if the wheels of the heavier bike are the same weight as those of the lighter bike, then the 2% impact is reduced.
When descending, some additional mass actually helps the suspension by increasing the sprung to un-sprung mass ratio. A bit of mass in the frame also helps keep it ‘calm’. By that I mean it is less likely to be bounced around by bump forces and pitch fore and aft. If you’ve ever ridden an e-bike, you’ll know how well it grips the ground and sit happily unfazed by the bumps.
So a bit of mass helps with bike grip and stability, and as long as we don’t add too much, it doesn’t affect climbing and acceleration.
Stiffness
There are many components of stiffness that are important in bike design:
- Vertical
- Lateral
- Pedalling
Plus stiffness associated with noise and high frequency vibrations that we won’t cover here.
For vertical stiffness, we have very expensive suspension controlling the deflections of the bike in the vertical plane. So it make sense to have a vertically stiff frame to allow the suspension to do it’s job.
Laterally, we have no suspension. Lean the bike over to 45°, and half the bump forces act to bend the frame sideways. A very stiff frame will not conform to the ground, leading to loss of grip and chatter. Add some compliance to the frame and it will be able to conform and ‘follow’ the ground, giving grip. This is well understood in the MotoGP world, where chassis flex is considered a key design requirement. Just search the internet for the case study of Valentino Rossi and the issues he had with his stiff carbon Ducati! Keep an eye on Starling Cycle Facebook page and I’ll soon put a little video up to explain this…
Pedalling stiffness is something that people again think is obvious, but is not understood. The energy put into the bike is a function of the force applied at the end of the cranks. Essentially the force we can stamp with. If we try to stamp on a thick foam cushion, the cushion moves out of the way and we cannot develop the full force from our legs. However, if we stamp on a wooden floor we can develop all the force we possibly can. The same can be said for a solid steel floor. The steel floor is stiffer, but the wooden floor is stiff enough! So a frame only needs to be stiff enough.
Where people get confused is that some of the force may act to deflect the frame. But the energy into the system is still the same, and will find it’s way to the rear wheel and hence the forward acceleration.
So in summary, a vertically stiff frame offers good suspension performance when the bike is upright. And a laterally compliant frame gives good grip and control when cornering, without any detrimental effects on pedalling.
Material Choice
So what is the best material to use with our new redefined requirements of a vertically stiff, laterally compliant frame, where minimum weight is less important?
Weight
Weight is very dependent on design solution, but if we start with material properties we’ll get an idea of what is achievable. Carbon has the best strength to weight ratio, followed by aluminium, titanium and finally steel. But in reality, there little more than 1kg difference at most between comparable frames.
Stiffness
All materials can be designed using different forms/shapes to achieve any stiffness. But, considering Young’s modulus (the measure of material stiffness), steel is the stiffest material (considering carbon as a manufactured composite).
However, we need to consider that most bikes are formed from essentially thin walled tubular structures. Larger diameter tubes offer strength benefits, but tube wall thickness needs to be reduced to keep weight sensible. For the steel, the wall thickness to achieve sensible weight would become so thin that buckling or denting would become critical. Luckily steel is strong enough that it can achieve enough strength with small diameter tubes. Carbon and aluminium are less dense, so wall thicknesses can be made greater and larger diameter tubes more appropriate. Conversely, trying to make small diameter tubes out of aluminium and carbon gives other issues; fatigue and tricky manufacture. So steel lends itself to small diameter tubes, carbon and aluminium to larger diameter. Titanium sits in the middle ground.
The stiffness of a tube in bending is proportional to the diameter cubed. So small diameter tubes are much less stiff than large diameter tubes. For lateral compliance in a frame you are bending the tubes alone, with very little triangulation with other frame components. In this case a steel frame with small diameter tubes is more flexible than design solutions with other materials.
Considering vertical stiffness, the overall depth of the frame (triangulation between the various tubes) is important and as such the tubular bending discussed above is less important. So all materials lend themselves to vertically stiff frames.
Conclusion
If we understand that a more laterally compliant frame adds grip and control, with negligible impact on pedalling efficiency. Then steel becomes the best option because of the inherent flex in steel bike frame designs. There is a small weight increase, but for all but the skinniest of top level XC racers, this is a negligible trade-off worth having.
„Alle Materialien, die derzeit für die Herstellung von Fahrradrahmen verwendet werden, sind geeignet, um ein Fahrrad herzustellen, das ausreichend stabil, langlebig, produzierbar und ästhetisch ansprechend ist – obwohl der letzte Punkt sicherlich Ansichtssache ist … Doch die Fahrradindustrie scheint den Wunsch zu haben, dass moderne Fahrräder leicht und steif sind. Wenn wir uns diese eingangs genannten Anforderungen noch einmal anschauen, dann ist Carbon nicht mehr zwangsläufig die logische Entscheidung – und Stahl kann eine bessere Lösung sein.
Anforderungen
Gewicht
Derzeit lautet die weit verbreitete und akzeptierte Grundannahme: Je leichter ein Fahrrad, desto besser. Das stimmt auch in Ansätzen: Ein 100 kg schweres Mountainbike wäre eine Zumutung. Aber ein Gewichtszuwachs von 1 bis 2 kg im Vergleich zum ‚leichtesten Fahrrad‘ ist nicht so relevant, wie man glaubt.
Im Uphill muss man das Gewicht des Fahrrads und des Fahrers nach oben bewegen. Nehmen wir an, der Fahrer wiegt 85 kg plus Ausrüstung, dazu kommt ein 15 kg schweres Fahrrad – also insgesamt ein Systemgewicht von 100 kg. Es ist dieses Gewicht, das bergauf bewegt werden muss und es ist diese Masse, die in die Berechnung der für den Uphill benötigten Energie einbezogen werden muss. Ist das Fahrrad nun 2 kg schwerer, dann sind 2 % mehr Energie nötig für den Anstieg – und nicht 15 kg Fahrradgewicht plus 2 kg, was in 13 % mehr Energie resultieren würde. Dasselbe Argument gilt für die Beschleunigung.
Dieser relativ geringe Einfluss des Fahrrad-Gewichts wird noch weiter reduziert, weil die rotierende Masse in den Laufrädern einen deutlich größeren Effekt hat, als die statische Masse des Rahmens und der Komponenten. Wenn also das 15 kg leichte Bike und das 17 kg schwere Fahrrad dieselben Laufräder und Reifen haben und man dazu noch die rotierenden Masse berücksichtigt, dann ist bergauf bei einem 2 kg schwereren Rahmen noch weniger als 2 % zusätzliche Energie nötig.
Bergab hilft ein höheres Rahmengewicht der Federung, indem das Verhältnis zwischen gefederter und ungefederter Masse erhöht wird (siehe auch: Dreh-Momente am Dienstag: Ungefederte Massen). Ein etwas höheres Rahmengewicht trägt dazu bei, dass das Fahrrad insgesamt ruhiger bleibt. Was ich damit meine ist, dass das Bike beispielsweise von kleineren Schlägen weniger umhergeworfen wird. Wer schon mal länger auf einem E-Bike unterwegs war, wird diesen Effekt kennen: Die schweren Bikes kleben praktisch am Boden und kleinere Unebenheiten lassen das Fahrrad nicht nervös werden.
Ein bisschen Masse kann sich also positiv auf die Traktion und die Stabilität des Mountainbikes auswirken. Und: Solange nicht zu viel Masse hinzugefügt wird, hat das keinen signifikanten Einfluss auf die Kletter- und Beschleunigungseigenschaften.
Steifigkeit
Es gibt mehrere Aspekte der Steifigkeit, die bei der Konstruktion eines Mountainbikes wichtig sind:
- vertikale Steifigkeit
- laterale (also seitliche) Steifigkeit
- Steifigkeit beim Pedalieren
Dazu kommt die Steifigkeit in Verbindung mit Lärm und hochfrequenten Schwingungen, was wir hier jedoch nicht abdecken werden.
Für die vertikale Steifigkeit haben wir sehr teure Federelemente, die die Bewegungen des Fahrrads in der vertikalen Ebene kontrolliert. Deshalb ist es sinnvoll, einen vertikal steifen Rahmen zu haben, damit Federgabel und Dämpfer ihre Aufgaben erfüllen können.
Lateral haben wir keine Federelemente, die uns helfen. Lehnt man das Fahrrad in einem 45°-Winkel, dann wirkt die halbe Kraft seitlich auf den Rahmen ein. Ein sehr steifer Rahmen folgt deshalb den Konturen des Untergrunds nicht richtig, was in weniger Kontrolle und Grip resultiert.Wenn der Rahmen hingegen eine gewisse Nachgiebigkeit hat, dann kann er sich dem Boden etwas anpassen und dem Trail folgen, was sich positiv auf die Kontrolle auswirkt. Das hat man im MotoGP-Sport bereits vor vielen Jahren verstanden: Hier gilt der Flex des Chassis als einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung. Wer sich davon überzeugen möchte, der sollte einfach mal nach den Problemen googeln, die Valentino Rossi mit einer sehr steifen Carbon-Ducati hatte!
Steifigkeit beim Pedalieren ist ein Thema, bei dem viele Leute denken, es sei einfach zu verstehen, aber das ist es nicht. Die vom Fahrer ins Fahrrad eingebrachte Energie ist eine Funktion der am Ende der Kurbelarme aufgebrachten Kraft. Also im Prinzip die Kraft, mit der wir stampfen können. Wenn man auf ein dickes Kissen aus Schaumstoff stampft, dann verformt sich das Kissen und wir können nicht die volle Kraft aus unseren Beinen entwickeln. Wenn man auf einen Holzboden stampft, dann kann man seine volle Kraft einbringen. Dasselbe gilt für einen massiven Stahlboden. Der Stahlboden ist steifer, aber der Holzboden ist eben steif genug! Und das muss auch ein Rahmen sein: steif genug. Was für viele Leute verwirrend ist, ist dass ein Teil der eingebrachten Kraft wirken kann, um den Rahmen leicht zu verwinden. Aber die Energie, die in das System einfließt, ist immer noch die gleiche und wird den Weg zum Hinterrad – und damit zur Vorwärts-Beschleungigung – finden.
Zusammenfassend lässt sich zum Thema Steifigkeit sagen, dass ein vertikal steifer Rahmen eine gute Federungsleistung bietet, wenn sich das Fahrrad in einer aufrechten Position befindet. Ein seitlich nachgiebiger Rahmen sorgt für einen guten Grip und viel Kontrolle in Kurvenfahrten – und das ohne negative Auswirkungen auf die Pedalier-Eigenschaften.
Die Frage nach dem Material
Welches ist nun also das beste Material für unsere neu definierten Anforderungen an einen Rahmen, vertikal steif und seitlich nachgiebig ist und bei dem ein minimales Gewicht weniger wichtig ist?
Das Gewicht ist sehr stark abhängig von der Art und Weise, wie ein Rahmen konstruiert ist. Aber wenn wir Materialeigenschaften betrachten, dann wird schnell klar, was machbar ist und was nicht. Carbon hat das beste Verhältnis zwischen Festigkeit und Masse (die in englischsprachigen Medien viel zitierte Strength-to-weight-ratio). Danach folgen Aluminium, Titan und schließlich Stahl. Die Realität sieht dann jedoch so aus, dass sich verschiedene Rahmen aus unterschiedlichen Materialien nicht um mehr als 1 kg Gewicht unterscheiden.
Alle Materialien können in verschiedene Formen gebracht werden, um eine gewünschte Steifigkeit zu erreichen. Aber wenn man das Elastizitätsmodul (das Maß für die Materialsteifigkeit) betrachtet, dann ist Stahl das steifste Material (wenn man Carbon als hergestellten Verbundswerkstoff betrachtet.
Allerdings müssen wir bedenken, dass die meisten Fahrräder aus im Wesentlichen dünnwandigen Rohrstrukturen bestehen. Rohre mit größerem Durchmesser bieten Festigkeitsvorteile. Aber die Rohrwandstärke muss reduziert werden, um das Gewicht halbwegs gering zu halten. Bei Stahl würde die Wandstärke bei Rohren mit größerem Durchmesser so dünn werden, dass er knicken oder einbeulen könnte. Zum Glück ist Stahl so stabil, dass man mit Rohren mit einem geringen Durchmesser eine ausreichende Festigkeit erreichen kann. Carbon und Aluminium haben eine geringere Dichte, sodass die Wandstärken größer und die Durchmesser der Rohe besser angepasst werden können. Umgekehrt bringt der Versuch, Rohre mit geringeren Durchmessern aus Aluminium oder Carbon herzustellen, andere Probleme mit sich: Ermüdung und ein komplizierter Herstellungsprozess. Deshalb eignet sich Stahl für Rohre mit einem kleineren Durchmesser, Carbon und Aluminium hingegen für Rohre mit einem größeren Durchmesser. Titan sitzt dazwischen.
Die Steifigkeit eines Rohres beim Biegen ist proportional zum quadrierten Durchmesser. Rohre mit einem kleinen Durchmesser sind also viel weniger steif als Rohre mit einem großen Durchmesser. Bei der lateralen Nachgiebigkeit biegt man die Rohre alleine – dabei herrscht sehr wenig Zusammenspiel mit anderen Rahmen-Komponenten. In diesem Fall ist ein Stahl-Rahmen mit Rohren kleinen Durchmessers flexibler als Designs mit anderen Materialien.
Hinsichtlich der vertikalen Steifigkeit ist die Gesamttiefe des Rahmens (Triangulation zwischen den verschiedenen Rohren) wichtig – deshalb ist die oben beschriebene Rohrbiegung weniger wichtig. Insgesamt eignen sich alle Materialien dafür, einen vertikal steifen Rahmen zu konstruieren.”
Fazit
Wir müssen verstehen, dass ein seitlich nachgiebiger Rahmen in der Praxis für mehr Grip und Kontrolle sorgt und dies vernachlässigbare Auswirkungen auf die Pedaliereffizienz hat. Wenn man das tut, dann ist Stahl aufgrund des inhärenten Flex die beste Option für einen Mountainbike-Rahmen. Ja, das Gewicht ist höher als bei Aluminium- oder Carbon-Rahmen. Aber abgesehen von Cross Country-Racern, für die ein maximal geringes Gewicht die höchste Priorität hat, ist der kleine Gewichtsnachteil von Stahl ein zu vernachlässigender Nachteil. Und die Vorteile von Rahmen aus Stahl überwiegen ganz klar.
Anmerkung: Für den Inhalt unserer Meinungs-Artikel ist der im Text genannte Autor verantwortlich. Die in den Artikeln vertretenen Ansichten und Meinungen spiegeln nicht zwangsläufig die Meinung der Redaktion wider. Für Anregungen und Kritik stehen wir hier themenbezogen in den Kommentaren und allgemein per privater Nachricht zur Verfügung.
Das Thema Rahmenmaterial wird seit jeher kontrovers diskutiert. Inwiefern stimmt ihr mit den Ausführungen von Joe McEwan von Starling Cycles überein?
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