Oft werden wir gefragt, ob die Rahmenbauweise beim Wartburg nicht altmodisch und ungünstig wären. Das Fahrzeug wird doch dadurch nur unnützlich schwer. Natürlich haben unsere Kritiker damit recht. Heutzutage findet man kein gängiges PKW-Modell mehr, dass nicht selbsttragend daherkommt. Um trotzdem die Eigenschaften der Rahmenbauweise zu erläutern, möchten wir folgende Ausführungen bringen, welche sich im Lehrbuch „KFZ-Fahrwerk“ vom Autorenkollektiv unter Leitung von Studienrat Dipl.-Päd. Ing.-Ök.- Folkmar Kinzer (4. Auflage von 1984) wiederfinden lassen.

Der Fahrzeugrahmen nimmt die einzelnen Baugruppen auf, trägt die Leer- und Nutzmasse und verteilt die Gesamtmasse auf Achsen und Räder. Weiterhin dient er der Aufnahme und Übertragung aller horizontal und vertikal auftretenden Massenkräfte (z.B. beim Beschleunigen, Bremsen, Schwingen durch Fahrbahnunebenheiten) über die Radaufhängung auf die Räder, die in ihrer Gesamtheit eine Biegebeanspruchung des Rahmens hervorrufen.
Darüber hinaus muss der Rahmen in der Lage sein, Querkräfte aufzunehmen, die als Seitenkräfte an den Rädern auftreten und über die Radaufhängung am Rahmen wirksam werden. Bei extremem Geländeeinsatz wird die Beanspruchung auf Verwindung (Torsion) besonders deutlich. Nicht immer sind die Federn in der Lage, maximale Verschränkungen der Achsen zu kompensieren. In diesem Fall muss der Rahmen durch Verwindung den Rad-Boden-Kontakt gewährleisten, ohne dass bleibende Verformungen des Rahmenverbandes auftreten. Deshalb wird zwischen verwindungsweichen und verwindungssteifen Rahmenkonstruktionen unterschieden. Die ersteren sind durch Schrauben- oder Nietverbindungen an verwindungsbeanspruchten Rahmenteilen gekennzeichnet (z.B. W50 - genietet), wogegen verwindungssteife Rahmen Schweißverbindungen aufweisen (PKW).
Die Längsträger verwindungsweicher Rahmen bestehen aus U-Profilen und die Querträger aus kastenförmigen Profilen. Der Torsionswiderstand offener Längsträgerprofile ist gering, daraus ergibt sich deren geringe Verwindungssteifheit.
Werden dagegen Längs- und Querträger mit Kastenprofilen versehen, so erhält man eine verwindungssteifen Rahmen.
Die größte Verwindungssteifheit wird erreicht, wenn die Längsträger in Richtung der Raddiagonalen liegen (X-Rahmen).
Bei anderen Rahmenbauformen wird der gleiche Effekt durch X-förmige Diagonalverstrebungen erreicht. Das geschlossene Längsträgerprofil des Mittelrahmens (Zentralrohrrahmen) kennzeichnet ihn ebenfalls als verwindungssteifen Rahmen (z.B. Skoda 440/445/Oktavia...)

Das U-Profil ist häufig der Grundquerschnitt der Träger. Es eignet sich besonders gut für Längsträger, da diese einen großen Biegungswiderstand aufweisen müssen.

Trägerprofile

Träger und Verbindungsstege werden aus hochwertigen Stahlblechen mit einer Festigkeit von 500...700n/mm² (St50) kalt oder warm gepresst und auf Feinkorn geglüht (Verbesserung der Festigkeit). Dünne Bleche aus St42, die man besonders für selbsttragende Karosserien einsetzt, werden kalt geformt. Bei schweren Fahrzeugen werden auch Träger mit gewalztem Querschnitt eingesetzt. Träger mit Rohrquerschnitten werden aus hochwertigen gezogenen Stahlrohren hergestellt.
Einzelteile der tragenden Gerüste werden im E-Schweißverfahren, aber auch durch UP- und Arcatomschweißen verbunden. Der Kohlenstoffgehalt des Stahls (gut schweißbarer Werkstoff) soll unter 0,3% liegen, damit die Schweißnaht nicht zu hart wird. Träger für besondere Zwecke (Hilfsrahmenträger zur Motoraufnahme – Stege für Getriebebefestigung – Fahrschemel) werden meist verschraubt...
Bei der Auswahl von Trägerprofilen muss grundsätzlich beachtet werden, dass trotz gleichgroßer Querschnittsflächen und somit gleicher Masse geschlossene Profile verdrehsteifer sind als offene. Die Herstellung der Profile soll einfach und die Fertigungskosten müssen niedrig sein.
Zur Werkstoffersparnis wird die Höhe der Profile für Längsträger bei mittleren und leichten Kraftfahrzeugen der Lastverteilung angepasst (fischbauchförmig). An der Stelle, an der die größte Biegebeanspruchung auftritt, liegt auch der größte Rahmenquerschnitt. Am unteren Trägersteg sind Durchbrüche jeder Art ungünstig, weil dort der Träger auf Zug und Druck beansprucht wird.

Das Zusammenwirken der erläuterten Beanspruchungen, unsymmetrische und laufend wechselnde Belastungen, unterschiedliche Rahmenquerschnitte, konstruktive Eigenheiten des Rahmens (Kröpfung, statisch schwer- oder unbestimmbares System) sowie zusätzlich im Anhängebetrieb auftretende Zug- und Druckkräfte erschweren exakte rechnerische Rahmenbestimmungen oder machen sie sogar unmöglich. Deshalb werden Rahmenauslegungen durch Versuche und vorausgegangene Vergleichsrechnungen bestimmt. Dabei genügt es oftmals, die Rahmenlängsträger als Träger auf zwei Stützen (Achsen) zu betrachten, und die Biege- und die Torsionssteifheit zu berechnen.
Beim Untersuchen der Torsionssteifheit stützt man sich auf die Rahmenkonstante in N * m, deren Werte für entsprechende Rahmentypen in Tabellenform vorliegen; denn ihre Bestimmung ist sehr kompliziert und nur durch Versuche möglich.
Für Berechnungen von Rahmen bzw. deren Trägern wird zunächst eine symetrische Belastung zugrunde gelegt, so dass nur die Biegebelastung auftritt. Die Biegefestigkeit, die sich in der Biegespannung ausdrückt, lässt sich anhand der Grundgleichung

ơ_b = M_b / W

ermittelt.

M_b = Biegemoment am gefährdeten Querschnitt
W = Widerstandsmoment
ơ_b = Biegespannung

Die zulässige Biegespannung, die vom Werkstoff und vom Sicherheitsfaktor bestimmt wird, ist ebenso wie das Widerstandsmoment, das von der Querschnittsform und –größe abhängt, den Tabellen zu entnehmen.
Das Biegemoment ist das Produkt aus der wirkenden Kraft und ihrem Abstand vom gefährdeten Querschnitt bzw. sie entspricht der Summe der Momente bei mehreren Kräften.

M_b = FI

M_b = (F₁I₁)+(F₂I₂)

Das erforderliche Widerstandsmoment bzw. die zulässige Biegespannung ergibt sich dann aus der Beziehung

W_erf = M_b / ơ_{b zul}

Bei den Rahmenberechnungen geht man davon aus, dass es sich um Träger auf zwei Stützen handelt.

Je nach Einsatz, KFZ-Typ und Verwendungszweck haben sich bestimmte Rahmenbauformen bewährt.
Im LKW- und KOM-Sektor wird der Leiter- oder Kastenrahmen bevorzugt. Er besteht aus kaltgepressten U-Profilträgern St42 bzw. warmgepressten Trägern St50 und zeichnet sich durch eine gewisse Verwindungsweichheit aus.

Leiter- oder Kastenrahmen und Mittel- oder Zentralträgerrohrrahmen

Der Mittel- oder Zentralträgerrohrrahmen ist hauptsächlich bei PKW und seltener bei LKW zu finden. Wegen seines geschlossenen Profils ist er sehr erwindungssteif.
Wird der Kastenrahmen wegen des besseren Lenkeinschlages der Vorderräder vorn enger gehalten, so spricht man vom Trapezrahmen. Dieser Rahmen wird in der Regel im PKW-Bau angewendet, da er sich je nach Verjüngung durch relativ gute Verwindungssteifheit auszeichnet.
Der X-Rahmen besteht aus zwei sich kreuzenden bzw. sich stark nähernden Längsträgern mit offenem oder kastenförmigem Querschnitt.

Trapezrahmen und X-Rahmen

Je stärker sich die Trägerlage der Raddiagonalen nähert, desto größer wird der Widerstand des Rahmens gegen Verwindung in Abhängigkeit von der Steifigkeit der Längs- und Querträger sowie der des Knotenpunktes.

Den Übergang von der Rahmenbauweise zur selbsttragenden Karosseriebauweise stellt der Plattformrahmen dar. Hierbei ist die Bodengruppe mit dem tragenden Rahmengerüst verschweißt und zum mittragenden Element geworden.

Plattformrahmen

Bei der selbsttragenden Karosseriebauweise übernimmt der verstärkte Aufbau die Aufgabe des Rahmens, der als solcher nicht mehr erkennbar ist.

Selbsttragende Karosseriebauweise

Beim Wartburg wurde ein verwindungssteifer Kastenprofilrahmen verwendet. An ihm sind Vorder- und Hinterachse, Motor, Getriebe, Lenkung, Kühler und natürlich die Karosse angebaut.

Fahrgestell des Wartburg 353