Steifigkeit und Gewicht: Aluminium im Vergleich zu Stahl
Drei Mal leichter und drei Mal nachgiebiger: was das für den Querschnitt eines Drehteils bedeutet, vorgerechnet an einer runden Welle.
Dichte und Elastizitätsmodul im Verhältnis
Aluminium ist ungefähr dreimal so leicht wie Stahl und ungefähr dreimal so nachgiebig. Beide Verhältnisse liegen so nah beieinander, dass sie sich bei einem Teil gleicher Form fast aufheben: Auf die Masse bezogen ist ein Aluminiumteil nicht steifer als ein Stahlteil, sondern etwa gleich steif.
Die Dichte von Aluminium beträgt rund ein Drittel der Dichte von Stahl. Der Elastizitätsmodul, der Widerstand gegen elastische Verformung, beträgt ebenfalls rund ein Drittel. Für die Konstruktion zählt daher, was die Form leistet: Steifigkeit entsteht vor allem aus dem Querschnitt, nicht aus dem Werkstoff allein.
Die Verhältnisse gelten als Größenordnung für Aluminium im Allgemeinen. Legierungen und Zustände weichen im Einzelnen ab, und sie unterscheiden sich bei der Festigkeit viel stärker als beim Elastizitätsmodul; deshalb nennt dieser Text keine Legierungswerte.
Quelle: Fachbuch Werkstoffkunde, Tabellen der Werkstoffeigenschaften (Dichte, Elastizitätsmodul); Stand 03.10.2026.
| Eigenschaft | Verhältnis |
|---|---|
| Dichte | rund 1 : 3 |
| Elastizitätsmodul | rund 1 : 3 |
| Wärmedehnung | knapp 2 : 1 |
Durchbiegung eines Wellenstücks: Vergleich
Bei gleichem Querschnitt und gleicher Last biegt sich ein Aluminiumteil etwa dreimal so weit durch wie ein Stahlteil. Die Durchbiegung eines Wellenstücks ist umgekehrt proportional zum Elastizitätsmodul, also wächst sie in dem Verhältnis, in dem der Modul sinkt.
Wer dieselbe Steifigkeit mit Aluminium erreichen will, braucht mehr Querschnitt. Bei einer runden, einseitig eingespannten Welle steigt die Steifigkeit mit der vierten Potenz des Durchmessers. Ein Aluminiumdurchmesser etwa 1,32-mal so groß wie der Stahldurchmesser gleicht den dreifach kleineren Modul aus.
Dieselbe Überlegung gilt für Verdrehung. Der Schubmodul von Aluminium liegt ebenfalls rund ein Drittel unter dem von Stahl, und das polare Flächenträgheitsmoment des Kreises wächst wie die vierte Potenz des Durchmessers. Eine Aluminiumwelle, die ein Drehmoment überträgt, verdreht sich deshalb bei gleichem Durchmesser etwa dreimal so stark.
Das Rechenbeispiel unten nimmt die gerundeten Verhältnisse 3 : 1 für den Elastizitätsmodul und 2,9 : 1 für die Dichte an. Es ist ein Rechenweg, kein Kennwert eines bestimmten Teils.
| Fall | Durchmesser | Masse je Länge | Durchbiegung |
|---|---|---|---|
| Stahl | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| Aluminium, gleicher Durchmesser | 1,00 | 0,34 | 3,00 |
| Aluminium, gleich steif | 1,32 | 0,60 | 1,00 |
Quelle: Technische Mechanik, Biegung des Balkens (Durchbiegung proportional zu 1/(E · I), Flächenträgheitsmoment des Kreises proportional zu d⁴).
Gewicht sparen ohne Steifigkeit zu verlieren
Gewicht lässt sich sparen, wo das Material wenig zur Steifigkeit beiträgt: in der Mitte des Querschnitts. Ein Hohlquerschnitt entfernt genau diesen Anteil. Eine Welle mit einer Längsbohrung, deren Durchmesser sechs Zehntel des Außendurchmessers beträgt, ist um rund 36 Prozent leichter, verliert aber nur rund 13 Prozent Biegesteifigkeit. Das folgt aus der Rechnung für den Kreisring: Die Masse hängt vom Quadrat der Durchmesser ab, die Steifigkeit von der vierten Potenz.
Zwei weitere Hebel kennt die Konstruktion von Drehteilen. Rippen und Absätze setzen Material dorthin, wo die Last verläuft, und lassen es dort weg, wo sie nicht verläuft. Und ein größerer Durchmesser bei dünnerer Wand steift mehr als ein kleiner Vollquerschnitt gleicher Masse.
Wofür der Hebel taugt, hängt von der Last ab. Bei Biegung und Verdrehung bringt der größere Durchmesser mit dünnerer Wand den größten Gewinn. Wirkt die Kraft dagegen in Längsrichtung als Zug oder Druck, zählt nur die Querschnittsfläche, und ein Hohlquerschnitt spart dort Gewicht nur zu dem Preis, dass die Steifigkeit im gleichen Maß sinkt.
Alle drei Hebel haben eine Grenze: die Wanddicke und die Einspannung. Ein dünnwandiges Aluminiumteil kann beim Einbau oder Fügen nachgeben. Wer ein solches Teil anfragt, gibt Wanddicken und die Art der Einspannung am besten in der Zeichnung an.
- Hohlquerschnitt statt Vollwelle
- Absätze und Rippen nur dort, wo die Last verläuft
- größerer Durchmesser bei dünnerer Wand
- Wanddicke und Einspannung in die Zeichnung schreiben
Steifigkeit und Wärmedehnung zusammen denken
Ein nachgiebiges Teil gibt Wärmedehnung leichter nach als ein steifes, und trotzdem entstehen Kräfte, sobald ein erwärmtes Aluminiumteil zwischen zwei starren Anschlägen sitzt. Zwei Eigenschaften wirken dann gegeneinander: Das Teil will länger werden, der Anschlag lässt es nicht zu, und der geringere Elastizitätsmodul begrenzt nur, wie hoch die Kraft bei gegebener Verformung steigt.
Für Auslegungen mit festen Anschlägen, Presssitzen oder Lagern lohnt deshalb ein Blick auf beide Seiten: erst die Längenänderung bei der Einsatztemperatur, dann die Frage, ob das Teil sie frei ausführen kann. Die erste Frage beantwortet der Wärmedehnungs-Rechner.
- freie Dehnung: nur die Längenänderung zählt
- behinderte Dehnung: zusätzlich Kraft und Spannung, hier nicht berechnet
- Presssitz: Spiel und Übermaß ändern sich mit der Temperatur
Verfasst von der Evotec GmbH, Arnsberg · Stand 03.10.2026
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