Festigkeit/Gewicht Alu/Stahl

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hi.

Bei Motoraedern werden sehr oft Groszuegig dimensionierte Alu Rahmen verbaut oder filigrane Stahlrohr rahmen.
Mir stellt sich doch aber schon seit langem die frage ob es ueberhauot tatsaechlich einen Gewichtsvorteil bei
den Alu Rahmen gibt. Das Alu ja wesentlich weniger Zugfestigkeit als stahl hat. Und deshalb ja die fetten
querschnitte der Alu Rahmen. Kann mir jemand an nem Beispiel mal ausrechnen wie stark sagen wir zwei rundrohre
einen meter lang an einer seite eingespannt und aussen eine kraft die das rohr umbiegt. welchen querschnitt und
somit welches gewicht muesste dann ein Stahlrohr und ein Alu Rohr haben um einer kraft von 5000N zu
wiederstehen. Ich weis jez grad nicht auswendig welche Werkstoffe beim Fahrzeugbau verwendet werden.

Gruss flo

#2

Hi.

Bei Motoraedern werden sehr oft Groszuegig dimensionierte Alu
Rahmen verbaut oder filigrane Stahlrohr rahmen.
Mir stellt sich doch aber schon seit langem die frage ob es
ueberhauot tatsaechlich einen Gewichtsvorteil bei
den Alu Rahmen gibt. Das Alu ja wesentlich weniger
Zugfestigkeit als stahl hat. Und deshalb ja die fetten
querschnitte der Alu Rahmen.

Hallo,
die Gewichtsersparnis ist in der Tat nicht doll. Vergleiche das mal bei den Fahrradrahmen, nimm die in die Hand und du wirst das bestätigt finden. Auch gilt das für Alufelgen, die man idR nur aus optischen Gründen nimmt.
Im Einzelfall sollte man schon genauer rechnen und die vielfältigen Werkstoffeigenschaften berücksichtigen : Stahl ist nicht gleich Stahl, Alu ist nicht gleich Alu.
Gruß
Karl

#3

Richtig. Und jetzt noch irgendwelche Pseudorechnungen zu machen ist nicht im Sinne dieses Forums. Wenn du googlest kannst du mal Festigkeitswerte bekommen. Dann kannst du das selbst ausrechnen. Viel Spaß!

Elmar

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#4

Hi Flo,
es kommt nicht nur auf die Festigkeit bzw. Streckgrenze an, sondern auch auf den Elastizitätsmodul E (und Trägheitsmoment J bzw. Steifigkeit J x E).
Werte Al-Stahl
Dichte: 2,7 - 7,85 g/ccm
E-Modul: 70000 - 210000 N/qmm
Anhand des E-Moduls ist ersichtlich, daß bei gleicher Belastung (im elastischen Bereich) das Al 3x stärker elastisch längt/ durchbiegt etc. als Stahl. Um den E-Modul Nachgleich (in Belastungsrichtung zu kompensieren, wird der Querschnitt vergrößert. Nachteil dabei: Belastungen quer zur Belastungsrichtung. Sieht man schön bei Alu Fahrrädern. Längsovale Rohre in Fahrrichtung, schmaler Querschnitt in Radachsenrichtung. Der geringe Gewichtsvorteil wird durch ernsthafte Stabilitätsnachteile erkauft. Zudem mögliche Verbindungs- bzw. Schweißprobleme (Entfestigung, Sauerstoffaffinität). Weiterer Alu Vorteil: Korrosionsbeständigkeit.
Moderne mikrolegierte (hochfeste) Stahlrohre überkompensieren m.M.n. die geringen Alu-Vorteile. Zudem muß man bedenken, daß wesentliche Fahrzeugteile weiterhin aus Stahl/ Eisen sind und gewichtsmäßig voll „durchschlagen“, sodaß der geringe Gewichtsvorteil von Al, bezogen auf das Gesamtgewicht, weiter relativiert wird.
Gruß HR

#5

Weiterer Alu Vorteil: Korrosionsbeständigkeit.

Nur als Ergänzung : Alu rostet zwar nicht.
Aber unter einigen Bedingungen ist es auch problematisch, zB bei Salzbelastung (Seewasser, Streusalz), oder wenn Al mit Cu in Verbindung (Spannungsreihe !) kommt. Letzteres besonders in Kühlkreisläufen.

Gruß
Karl

#6

Hi Flo,

es kommt wirklich auf die Anwendung an, welcher Werkstoff das Gewichtsoptimum liefert. Bei allen Werkstoffen steht ein gewaltiger Markt dahinter, welcher stets nach Verbesserung ruft. So sind sowohl im Bereich der Stähle (hochfeste Legierungen), als auch im Al-Bereich (Aluminium - Lithium - Legierungen, schweißbare Materialien) auch in den letzten Jahren noch immer signifikante Verbesserungen erzielt worden.

Der Schlüssel ist wirklich die Stabilität. Flugzeuge werden noch immer zum größten Teil aus Aluminium gebaut, als neues Material wird nicht etwa Stahl, sondern CFK gehandelt. Warum? Dimensioniert man ein Flugzeug aus Stahl, so ergeben sich derart dünne Wandstärken, dass trotz hohem Modul kaum Druck- oder Schubspannungen ertragen werden können, weil das Material beult. Also muss man dicker werden, der Gewichtsvorteil ist futsch. Zur Erinnerung: Im den Beulwert geht der Modul linear, die Dicke aber quadratisch ein. Im Hochbau würde niemand ernsthaft darüber nachdenken, einen Alu-Träger einzusetzen, wenn nicht optisch gefordert.

Gruß

Ted

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#7

Jo.

Ich hab das ja auch mal ausgerechnet. Aber das Fachabi is schon ein paar jahre her…

Und damals bin ich auch von nem rundrohr ausgegangen. Und je nach dem wie ich mit den Wandstaerken und dem
Durchmesser variiert hab war dan mal dies und dan das leichter…