• Lotz Carbon Von der Faser zum Fahrrad – Teil XVI

    Geschrieben von: Julian Lotz
    Samstag, den 12. November 2011 um 13:15 Uhr
    Herrje, da gerät man schon wieder aus dem Tritt, weil die Zeit zum schreiben knapp ist – naja, heute gibt’s endlich wieder Neues:

     

    Heute gebe ich mal einen kurzen Überblick darüber, warum seit nunmehr über 20 Jahren immer wieder Tretlagergehäuse an Carbonrahmen defekte aufweisen – und wie man es richtig macht. Außerdem geht’s um das Auf-Gehrung-Bringen der Rohre des Aerorahmens.

     

    Also, zunächst zum Tretlagergehäuse. Bie BB30 wird das ja jetzt hoffentlich teilweise etwas anders, weil man nicht mehr unbedingt eine Aluhülse braucht, und auch keine Lagerschalen einschrauben muss. Bei den klassischen BSA- oder ITA-Tretlagern ist das Problem aber wohlbekannt und leider immer noch weit verbreitet. Häufig lösen sich nach einiger Gebrauchsdauer die Alueinsätze bzw. die Aluhülse, je nach dem ob die Konstruktion einteilig oder zweiteilig ist.

    Warum passiert das? Nun, im Grunde bauen die Hersteller sehr häufig kleine Batterien ins Tretlager. Viele kennen sicher noch den Versuch aus der Schule, wenn man zwei unterschiedliche Metalldrähte in eine Kartoffel, Zitrone oder dergleichen steckt, kann man zwischen den beiden Drähten eine elektrische Spannung messen. Das liegt daran, dass ein Metall edler ist als das andere – das unedlere Metall geht in Lösung, und die Metallionen wandern durch die Kartoffel zum edleren Draht, scheiden sich dort ab, und über die Verbindung zwischen den beiden Drähten (also außerhalb der Kartoffel) fließt ein Strom. ‚Genau so funktionieren übrigens auch Batterien und Akkus. Das lässt sich aber auch noch mal auf Wikipedia nachlesen: Link 1, Link 2.

    Etwas ganz ähnliches, nämlich ein Lokalelement, hat man auch bei Fahrradrahmen, wenn einige Grundregeln nicht beachtet werden.

    Wird das Fahrrad nass (ganz besonders schlimm wirkt sich das natürlich im Winter aus, wenn man Salzwasser auf der Straße hat), werden Kohlenstofffasern und Aluminium durch das Wasser (Elektrolyt) leitend verbunden – da Kohlenstoff edler ist als Aluminium, geht das Aluminium in Lösung und wandert Richtung Carbon. Jetzt ist auch unmittelbar verständlich, warum dann die Hülse aus dem Rahmen bricht: Wenn man die mit dem Rahmen verklebte Aluminiumschicht an der Bauteiloberfläche auflöst, ist das Aluminiumteil natürlich nicht mehr mit dem Carbon verklebt. Und schon kommt einem die Lagerschale entgegen.

    Man muss also die Aluminiumhülse elektrochemisch isolieren.

    Glücklicherweise ist ein Laminat aus Glasfasern und Kunststoff ein hervorragender Isolator. Wenn man also zwischen Carbon und Aluminium eine ausreichend dichte Schicht Glasfaser-Kunststoff-Verbund bringt, passiert gar nichts mehr – die Klebung, wenn richtig ausgelegt, hält das ganze Fahrradleben lang. Die Aluminiumhülse zu eloxieren reicht übrigens nicht aus um die elektrochemische Korrosion zu unterbinden!

    Das gilt übirgens genauso für lose Flaschenhaltergewinde, Zuganschläge usw. usf.. Eine Alternative sind rostfreier Stahl oder Titan – bei den beiden Materialien tritt keine nennenswerte Korrosion in Kombination mit Kohlenstofffasern auf, hier kann man sich die Gfk-Schicht sparen.

     

    Wie setzt man das nun also um?

    Die benötigten Materialien.

    Die benötigten Materialien.

     

    Zunächst einmal zur Einkaufsliste. Man benötigt eine Aluminium-Tretlagerhülse. Klar. Außerdem muss man sich bewusst sein, dass die allermeisten Laminierharze keine ordentliche Verklebung von Laminat und Aluminium zu Stande bringen. Deswegen muss das Aluminiumteil erst mit einem geeigneten Strukturkleber behandelt werden. Hierfür nehme ich gerne Uhu Endfest plus, der ist für die Verklebung von Metallen geeignet, alternativ bietet sich der Metallkleber E von R&G Faserverbundwerkstoffe an. Beide Klebstoffe sind zweikomponentige Epoxidharzsysteme. Natürlich muss das Aluminiumteil auch sauber und Fettfrei sein. Zyvax Surface Cleaner ist hierfür sehr gut geeignet, er entfettet nicht nur sehr stark, sondern er entfernt auch Silikonrückstände, Oxidschichten und sowieso jegliche Verschmutzung. Auf gute Belüftung des Raumes ist zu achten!

    Wenn die Tretlagerhülse also gereinigt ist, wird sie mit dem Metallkleber eingestrichen. Dann wird das im Bild zu sehende Abreißgewebe aufgelegt (es geht natürlich auch Abreißgewebeband). Dieses dichte Nylongewebe lässt sich nach der Aushärtung des Klebstoffes wieder von Hand abreißen, es hinterlässt eine rauhe, staub- und fettfreie, aktivierte Oberfläche, auf die direkt weiter laminiert werden kann.

     

    Tretlagerhuelse_2

    Abreißgewebeband und noch frischer Strukturklebstoff.

     

    Tretlagerhuelse_3

    Hülse, nachdem das Abreißgewebeband heruntergerissen ist.

     

    Nun wird mit Laminierharz ein Glasfasergewebe, oder, besonders gut handhabbar, ein Glasfasergewebeschlauch aufgebracht. Das Laminat wird dann ebenfalls wieder mit Abreißgewebe umwickelt, um später eine direkt klebbare Oberfläche zu haben. Das sieht dann im Grunde genauso aus, wie auf den beiden Bildern zuvor, da das Glasfaser-Epoxidharzlaminat transparent wird. Da ich auch das Abreißgewebe noch nicht abgerissen habe (sonst käme ja Stuab auf das Bauteil, das Abreißgewebe wird erst unmittelbar vor der Weiterverarbeitung des Bauteils entfernt), habe ich davon noch kein neues Foto gemacht – aber wie gesagt, sieht genau aus wie auf den vorigen Bildern, Foto kommt demnächst nach.

    Wenn man also diese Vorgehensweise einhält, kann man sich sicher sein, dass elektrochemische Korrosion durch die Glasfaser-Epoxidharzschicht unterbunden wird, zum anderen ist die Klebung hoch beanspruchbar, weil zur verklebung jeweils abgestimmte Klebstoffe verwendet wurden.

    Die Fahrradbranche ist diesbezüglich übrigens zwiegespalten – in Carbon-Hinterbauten mit Aluminium-Ausfallenden findet sich innen häufig eine Glasgewebeschicht, die den direkten Kontakt von Aluminium und Kohlenstofffaser verhindert. Bei Tretlagerhülsen (und aus praktikabilitätsgrunden auch bei Flaschenhaltergewinden und Zuganschlägen) wird praktisch immer auf diese Maßnahme verzichtet – mit den allseits bekannten Resultaten loser Tretlager, Flaschenhalter und Zugeinsteller. Außerdem wird häufig bei Tretlagern gar nicht genug Klebefläche zur Verfügung gestellt, um mit ausreichender Sicherheit ausreichend Festigkeit zur Montage der Lagerschalen zu gewährleisten. Dadurch wird die Klebung manchmal schon bei der Montage geschädigt, die Lagerschale bricht irgendwann im Betrieb (in dem gar nicht so große Beanspruchungen auf die Klebung wirken!) heraus. In diesen Fällen wurde wohl nur auf die Betriebsbeanspruchung gedacht, die Montagebeanspruchungen gerieten hier wohl etwas aus dem Blickfeld. Leider finden sich diese Probleme auch gerne bei namhaften Herstellern – der Hang zu völlig übertrieben aufgeblasenen Tretlagerbereichen macht ein flächiges Einkleben der Hülsen auch schwierig.

     

    Aber gut, dem geneigten Selbstbauer, der nach dieser „Anleitung“ arbeitet (oder Stahl- oder Titanteile verwendet), wird das ab sofort reichlich egal sein können. Und vielleicht besinnt sich nach über 20 Jahren des Carbonrahmenbaus doch noch der ein oder andere Hersteller der ordnungsgemäßen Gestaltung von Metall-Kohlenstofffaser-Epoxidharz-Kombinationen.

     

    So, weiter geht’s mit den Rohren, bzw. wie man sie auf Gehrung bringt.

    Erst einmal muss man sich natürlich über die Geometrie klar werden. Ich habe mich hier an der Geometrie des Modell 5 von Andy Walser (www.walser-cycles.ch) orientiert.

     

    Rohre_1

    Geometrie des vorderen Rahmendreiecks und Rohrknoten im Detail.

     

    Dann längt man schon mal die Rohre ab. Das geht sehr gut mit einer Metallsäge mit scharfem Blatt und einer Gehrungslade:

     

    Rohre_4

    Ablängen der Rohre.

    Bei kreisrunden Rohren bietet es sich natürlich an, das Rohr im richtigen Winkel an eine Schleifscheibe passenden durchmessers zu halten. Bei beliebigen Querschnitten kann man das Rohr in einer Vorrichtung auf die Fräse spannen, und die Rohrenden damit passend bearbeiten. Das sind jedoch beides Varianten, die wahrscheinlich die wenigsten Radfahrer zur Verfügung haben. Einfacher geht es bei kreisrunden Rohren mit einem kleinen Programm: Tubemiter ist ein kostenloses Programm, in dem man einfach Winkel und Durchmesser der Rohre eingibt, und sich dann eine Papierschablone ausdruckt. Diese Schablone klebt man auf das Rohr, nun muss man nur noch das Rohr entsprechend der Schablone mit Dremel, Schleifpapier, Feile oder ähnlichem bearbeiten. Verwendet man nicht-runde Rohre, so wie es hier der Fall ist, kann man natürlich bei bekanntem Profilquerschnitt eine Abwicklung des Rohres mittels CAD-Programm erstellen, ausdrucken und als Schablone verwenden, äquivalent zu Tubemiter. Nun hat aber vielleicht auch nicht jeder der Leser zugriff auf ein CAD-Programm. Also kommt hier die absolut rustikalste, einfachste, aber nichtsdestotrotz gut funktionierende Variante zum Einsatz:

    Das Rohr, an welches das zu bearbeitende Rohr anschließt, wird als passende Feile vewendet. Man legt einfach einen Streifen Schleifleinen über das Rohr, und feilt nun damit das anschließende Rohr zurecht.

     

    Rohre_2

    Schleifen der Rohre.

     

    Zuerst bietet es sich aber an, grob den Ausschnitt auf das Rohr zu zeichnen, und mit einer Feile vorzuarbeiten. Dann ist das Risiko geringer, dass man die Gehrung außermittig platziert. Man sollte aber beim Feilen und beim Schleifen ständig kontrollieren, ob man mittig am Rohrende arbeitet, die Winkel einhält und auch sonst keine Geometrieabweichungen verursacht.

     

    Rohre_2

    Feilen der Rohre vorab.

     

    Den richtigen Winkel der Rohre zueinander kann man übrigens gut mit den 1:1-Ausdrucken der Rohrknoten kontrollieren. Das sind die Detailzeichnungen, die im ersten Bild mit den Rahmenrohren in diesem Beitrag zu sehen sind.

     

    Rohre_3

    Kontrolle des Winkels.

     

    Die Gehrungen für die Tretlagerhülse ließen sich übrigens nach dem gleichen Prinzip herstellen, hier habe ich ein PE-Abflussrohr mit 40mm Durchmesser verwendet – das passte genau zu Hülse. Vorher muss man natürlich das Rohr anfeilen, damit man die mitte des Querschnitts trifft. Außerdem ist die Rechtwinkligkeit zwischen Tretlagerhülse und Rahmenrohr zu überprüfen – wenn die nicht sehr genau eingestellt ist, hat man das Gefühl, die Kurbel würde eiern.

    Das war’s dann auch für diese Woche von mir. David wird denke ich in den nächsten Tagen auch einen weiteren Teil seines 2nd Rides präsentieren. Ich verschwinde nächstes Wochenende vermutlich wieder mal kurz in die Werkstatt, dann gibt’s wieder News. Bis dann, habt eine schöne Woche!

     

    English summary:

     

    Today I have to say something about the bottom bracket. Carbon bicycle frames are made for over 20 years now. And there are still problems with bottom brackets that get loose over the time. The reason for that is electrochemical corrosion. That’s basically when you combine two different elements and a conductible liquid. You get a galvanic cell. For Details see Wikipedia. So basically you have to separate the two elements, aluminium and carbon fibre in this case, with a nonconductible material. This is easily possible using fibre glass composites. I first cleaned the aluminium shell with Zyvax Surface Cleaner, then applied a epoxy glue that has the ability to bond metal (the systems you use for laminating are not that good in bonding metals), in this case Uhu Endfest Plus. To get an acitvated, rough, clean and fat free surface I also applied a peel ply, that’s fabric made of polyamide 6.6, you just can peel it off after hardening the resin. That’s all shown in the pictures above. With this you have a surface on which the epoxy resin used for laminating gets a good adhesion. Now the glass fibre hose is laminated onto the aluminium shell and also wrapped with peel ply.

    Another alternative not to get problems with electrochemical corrosion is to use stainless steel or titanium as metal parts.

    It’s interesting to see, that many manufacturers use fibre glass on the inside of the rear triangle of a frame, to avoid corrosion with the aluminium dropouts. But I have never seen fibre glass used at the bottom bracket – resulting in loose shells.

    The second topic today is getting the tubes matching together. Using a geometry similar to the Walser Modell 5 I made some 1:1-sketches of the joint connections to control the angles of seat tube and head tube. I shortened the tubes with a usual metal saw. To get the right shape, I used the seat tube as template for cutting out the top tube: first I filed a shape similar to the seat tubes profile, to assure that the mitre is in the middle of the profile. Then I placed some sanding paper on the seat tube and grinded the top tube over it, resulting in a matching shape. You can see that in the pictures above. To get the shape of the bottom bracket I just used a tube with a 40mm-diameter.

    I’ll get back to my workshop next weekend, then I’ll post some news again.

     

    Categories: Allgemein, Lotz Carbon

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