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Speichen

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Die heutige, verbreitete Form der Speiche dient dazu, nicht mehr durch Druck wie bei Wagenrädern, sondern durch Vorspannung und Zug ein tragfähiges Laufrad zu konstruieren. Diese Zugspeiche geht zurück auf ein Patent aus dem Jahr 1869 (Reynolds & Mays, England). Schon 1879 wurde der Speichennippel erfunden, der das individuelle Spannen jeder Speiche und damit das Zentrieren der Felge ermöglicht. An einer typischen Speiche erkennt man den aufgestauchten Kopf, den Bogen, den oftmals verjüngten oder anderweitig geformten Schaft sowie das Gewinde.

Speichenzeichnung

Material

Als Material ist am besten rostfreier Edelstahl zu wählen. Billiger sind verzinkte oder verchromte Stahlspeichen. Sie sind weniger haltbar  und erschweren durch Korrosion ein Nachzentrieren.

Titanspeichen sind geringfügig leichter, bieten jedoch eine geringere Dauerfestigkeit. Carbonspeichen haben eine geringe Elastizität. Aluminium ist weder gut zu biegen, noch dauerfest.

Ausführungen

Die klassische Form besteht aus einem Draht mit aufgestauchtem Kopf, Speichenbogen und aufgerolltem Gewinde am anderen Ende. Um die Elastizität der Speiche zu erhöhen kann sie im mittleren, überdimensionierten Teil weiter verjüngt (engl. butted) werden.

Die Luftverwirbelungen an den rotierenden Speichen führen bei höheren Geschwindigkeiten zu spürbaren Verlusten. Eine bessere Aerodynamik kann sowohl durch eine Verringerung der Speichenzahl als auch durch im Mittelteil abgeflachte Speichen erzielt werden. Derartige Messerspeichen gibt es mit linsenförmigem, elliptisch ovalisiertem oder flachem Querschnitt. Aerodynamisch optimal ist die Linsenform, die aber nicht durch normalrunde Flanschbohrungen paßt. Sollten solche Messerspeichen sich lockern, so stehen sie u.U. sogar quer zur Drehrichtung.

Messerspeichen-Querschnitt

Als Alternative zum Durchfädeln können Speichen mit Z-förmig gebogenem Kopf Verwendung finden. Das Nabenloch muß hier groß genug sein, um das abgewinkelte Ende durchführen zu können, doch eng genug sein, damit bei hoher Speichenspannung die Speiche nicht wieder aufgebogen und herausgezogen werden kann. Z-Speichen bieten auch den Vorteil, daß sie von innen ohne Demontage des Ritzelpakets montiert werden können. Dieses Merkmal ist besonders für Reparaturspeichen sinnvoll

Viele Speichen sind auch in gerader Form verfügbar, also ohne Biegung. Damit sind steifere und auch geringfügig leichtere Räder zu konstruieren. Die volle Spannung lastet hierbei auf dem Kopf.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Sonderausführungen.

Gewinde

Speichengewinde werden typischerweise gerollt. Erkennbar ist dies daran, daß der Gewindedurchmesser durch das verdrängte Material größer als der Speichendurchmesser ist. Diese Gewinde sind haltbarer als geschnittene Gewinde durch
- den größeren Kerndurchmesser des Gewindes
- die Materialverformung, ähnlich zum Kaltschmieden
- das Gewindeprofil, das mangels scharfer Kanten weniger die Rißeinleitung fördert
Fahrradspezifisch genormte Gewinde sind FG2 (1.8 mm), FG 2.3 (2.0 mm) und FG 2.6 (2.3 mm). Es werden sowohl für Speichen mit 1.8 mm und 2.0 mm Durchmesser Gewindesteigungen mit 56 Gewindegängen je Zoll (threads per inch: 56 tpi) verwendet. Diese Steigung ist vergleichsweise hoch und eine Ursache für das selbständige Lockern der Speichen. Sie erlaubt höhere Fertigungstoleranzen, bietet eine größere Auflagefläche im weicheren Nippelmaterial, verringert aber gleichzeitig den belastbareren Spannungsquerschnitt des Speichengewindes. 2.0mm-Nippel können irrtümlich auch auf 1.8mm-Speichen verwendet werden.

Es gibt auch 1.8mm-Speichen mit feinerem Gewinde (0.4 mm statt 0.45 mm je Gewindegang). Neben der Vermeidung einer Verwechslung können diese Speichen auch feiner justiert werden.

Die maximal ersten drei Gewindgänge übernehmen den Großteil der Kraftübertragung.

Speichendicke

Speichen werden in einfacher Dicke oder in verjüngter Form angewendet. Die stärkste Belastung ist am durch die Biegung geschwächten Bogen zu beobachten. Auch das Gewinde gehört zu den stark belasteten Bereichen. In der Mitte hingegen ist die Belastung geringer. Hier ist es sogar erwünscht, daß sich die Speiche elastischer verhält um Spannungswechsel besser aufzunehmen. Dies erhöht sowohl den Federungskomfort als auch die Dauerfestigkeit. Neben Speichen mit durchgehend gleichbleibendem Durchmesser gibt es daher auch in der Mitte verjüngte Speichen.

Bei verjüngten Speichen wird durch einen zusätzlichen Verformungsprozeß der Schaftdurchmesser verringert. Einfach verjüngte Speichen haben an der Bogenseite den vollen Materialdurchmesser, sind jedoch im Schaft- und Gewindebereich dünner (z.B. 2.0/1.8 mm). Doppelt-Dickendspeichen sind im mittleren Bereich verjüngt (z.B. DD 2.0/1.8/2.0). Speichen mit dreifacher Dicke haben z.B. im Kopfbereich einen Durchmeser von 2.3 mm, sind im mittleren Bereich auf 1.8 mm verjüngt, haben aber im Gewindebereich noch einen Durchmesser von 2.0 mm (3D: 2.3/1.8/2.0). Da die ein- und dreifach verjüngten Speichen am Kopf einen größeren Materialdurchmesser als im Gewindebereich haben, andererseits aber der Aussendurchmesser des gerollten Gewindes größer als der Materialdurchmesser selbst ist, erreicht man damit gleichzeitig eine genauere Passung der Speiche im Nabenloch. Gerade im Speichenbogen liegt die groesste Belastung vor, während die Bohrdurchmesser hier je nach Nabenhersteller stark variieren. Die größte Stabilität wird hier erreicht durch optimalen Sitz der Speiche im Speichenloch der Nabe, Montage der Speichen so, daß nicht etwa der Kopf, sondern der Bogen der Speiche in der angefasten Bohrung liegt sowie durch Spannungsabbau der Verlauf der Speiche in der Bohrung optimalen Sitz ergibt.

Durchmesserangaben:

Durchmesser [mm] Englische Bemaßung [gauge] Französisches System [gauge] Anwendung
1.4
1.6
1.8
2.0
2.3
2.6
17
16
15
14
13
12
10
11
12
13
14
15
Bahnrennen 
Straßenrennen 
Rennen, Training 
Touring, MTB 
Tandem, harte Belastung 
Schwerlast

Längenmessung:

Typischerweise wird die Länge einer Speiche gemessen von der Innenseite des Speichenbogens bis zum Ende des Speichengewindes. Exotischere Systeme gehen von der Mitte des Kopfteiles bis zum Ende oder sogar von der ursprünglichen Länge der ungebogenen Speiche aus.

Sonderspeichen

SpeichennippelSpeichennippel

Messing ist das geeignetste Material zur Herstellung von Speichennippel. Es erlaubt eine ausreichende Festigkeit, rostet nicht und kann in den Nippellöchern leicht gedreht werden. Die Oberfläche wird durch Cadmium- oder Nickelbeschichtung geschützt.

Alunippel wiegen nur ein Drittel im Vergleich zu Messingnippeln. Sie zeigen jedoch Probleme in der Anwendung, da sie empfindlicher, weicher und weniger tragfähig sind. Wenn Alunippel direkt auf der Alufelge aufliegen, so kann diese Verbindung unlösbar korrodieren (Kontaktkorrosion). Alunippel sollten daher nur in wiederum schweren, geösten Felgen und bei geringeren Belastungen eingesetzt werden.

Belastung

Die Zugfestigkeit einer Edelstahlspeiche beträgt ca. 1200 - 1800 N/mm2.

Die Einspeichung erfolgt mit einer Vorspannung von ca. 400 N (weich) bis 1100 N (hart) bei einem Querschnitt

A = d2/4 * pi  = (1.8 mm)2 / 4 * 3.14 = 2.5 mm2

Bei einer Belastung mit 100 kg wirkt eine Kraft von annähernd 1000 N (100 kg * 9.81 m/s2 = 981 N) auf die Speichen ein. Diese führt bei vereinfachter Betrachtung zu einer Entlastung der unteren fünf Speichen um je 200 N. Die einzelne Speiche wird also z.B. von 1000 N um 200 N auf 800 N entlastet. Ausschlaggebend für einen Speichenbruch ist nicht die Zugfestigkeit selbst, sondern meist der Ermüdungsbruch durch Wechselbelastungen sowie besondere Spannungsspitzen.

Die Haltbarkeit wird erhöht durch eine gleichmäßige Verteilung der Kraft auf möglichst viele Speichen, durch Verringerung der Lastwechsel sowie durch ein elastisches Verhalten der Speichen. Verjüngte Speichen sind also haltbarer als durchgehend gleich dicke!

Die Vorderradnaben mit ihreren weiteren Nabenflanschen bieten bessere geometrische Voraussetzungen für seitensteife Laufräder als die durch die Gewichtsverteilung und den Antrieb stärker belasteten Hinterradnaben, die gleichzeitig eine geringere Nabenflanschweite aufweisen. Derartige Überlegungen sind für eine geeignete Einspeichung zu berücksichtigen.

Speichenanzahl und Kreuzungen

Die maximale Tragfähigkeit wird erreicht, wenn die Speichen tangential von der Nabe wegführen. Bei 559er Felgen (26 Zoll) kann dies bei 32 Speichen mit dreifacher Überkreuzung erreicht werden. Bei den größeren 622er Rädern ist hierfür auch eine vierfache Überkreuzung möglich. Der damit verbundene Stabilitätsgewinn ist jedoch nur gering.

Christian Smolik [1] gibt folgende Empfehlungen für 622er Räder:

Fahrergewicht
Vorderrad
Hinterrad
- 60 kg
24
28
- 70 kg
28
32
- 80 kg
32
32
- 90 kg
32
36
Bahnrad
- 65 kg
24
28
> 65 kg
28
32
Reiserad
Fernreisen mit mehr als 30 kg Gepäck
36
40
Tandem
- 140 kg
36
40
> 140 kg
36
48

Bei 559er Laufrädern (26") genügen kleinere Speichenzahlen, da durch den kleineren Durchmesser die Laufräder steifer sind. So ist ein 622er mit 36 Speichen ähnlich stabil wie ein entsprechendes 559er Rad mit 28 Speichen. Auch durch steifere Felgen (Tropfenform, Hochprofil) läßt sich eine Speichenreduktion erreichen. Bei Hochprofilfelgen vergleichbar sind 622er Räder mit 20 Speichen, 559er Räder mit 18 Speichen und 540er Räder (24") mit 16 Speichen.

Speichenlänge

Am einfachsten läßt man sich die richtige Länge vom Händler heraussuchen. Zur Not kann man diese aber auch selbst berechnen:

Speichenlänge L L = sqrt(A2 + B2 + C2 ) - S/2
Speichenversatz A A = d/2 * sin T
Radialanteil B B = D/2 - (d/2 * cos T)
effektive Nabenweite C Maß der halben Nabenweite bei symmetrischer Einspeichung bzw. 
Distanz zwischen Nabenflansch und Felgenmitte bei unsymmetrischer Einspeichung
effektiver Felgendurchmesser D Maß zwischen zwei gegenüberliegenden Speichennippelköpfen bzw. 

Maß des äußeren Felgendurchmessers, abzüglich zweimal der Differenz zum Speichennippel

Nabenlochkreisdurchmesser d
Speichenlochdurchmesser S ca. 2.4 mm
Kreuzungen x typisch 3 (0...4)
Speichenanzahl n typisch 36 (10 ... 48)
Speichenwinkel T T = 2*360° * x / n

Diese Formel läßt sich weiter auflösen zu

L = [sqrt(d2 + D2 - 2 d D * cos T + C2) - S] / 2

Möglicherweise genügt aber auch schon die Faustformel: L = D/2 - E
(E: Mittenabstand zwischen zwei Nabenflanschlöchern).

Eine genauere Trennung der effektiven Nabenweite C für Speichen mit nach innen oder außen liegendem Kopf unter Berücksichtigung von Speichen- und Flanschdicke ist nicht sinnvoll. Bei unsymmetrischer Einspeichung (CL, CR) läßt sich die effektive Nabenweite leichter bestimmen durch den halben Abstand der Ausfallenden (Klemmbreite, Einbaumaß EBM), abzüglich dem Abstand zwischen Flansch und Ausfallende (Weite links bzw. rechts WL, WR):

CL = EBM/2 - WL

Nabe

Das Resultat ist sinnvollerweise abzurunden, da die Speiche sich unter Spannung um bis zu 1 mm längt, während der Felgendurchmesser dabei um bis zu 2 mm sinkt. Alternativ wird daher oft beim effektiven Felgendurchmesser nur die Distanz bis zur Nippelauflage gemessen.

Zu kurze Speichen erkennt man daran, daß das Gewinde nicht ganz im Nippel verschwindet. Zu lange Speichen zerstören Felgenband und Schlauch. Sie müssen daher zurückgefeilt werden.

Auch für die Radialspeichung ist die obere Formel anwendbar. Radial eingespeichte Räder sind leichter und steifer, theoretisch auch aerodynamischer. Durch die lotrechte Belastung kann bei Niederflanschnaben der Lochkreis relativ leicht ausreißen. Daher sollten mindestens besonders stabile Hochflanschnaben verwendet werden. Die Gefahr von Brüchen mangels Federung ist dennoch größer. Durch die größere Entlastung lockern sich auch die Speichennippel leichter. Die Radialspeichung ist daher am ehesten im Vorderrad und am wenigsten auf der Zahnkranzseite des Hinterrads angebracht.

Speichentabelle, Näherungswerte:

622 mm (28", 700 C)
radial
32 Speichen, 3fach
32 Speichen, 4fach
36 Speichen, 3fach
36 Speichen, 4fach
Niederflansch 290 VR 303
HR 303
  VR 298
HR 296/298
VR 304
HR 305/308
Hochflansch 275 VR 298
HR 296/298
  VR 294
HR 292/294
VR 305
HR 303/305
559 mm (26")          
Niederflansch       VR 264
HR 262/264
 

Vorderräder sind durch eine Nabenflanschweite zwischen 70 und 74 mm steifer als das Hinterrad mit einer Nabenweite von 64 mm (CL < 48 mm, CR > 25 mm) . Ideal ist auch am Hinterrad eine symmetrische Einspeichung, die bei einem Einbaumaß von 135 mm noch 5fach-Schraubzahnkränze erlaubt, während bei 160 mm bis zu 8fach-Kassetten möglich sind. Mit breiteren Ritzelpaketen verschiebt sich die Nabe nach links, wodurch die rechten Speichen steiler stehen, eine stärkere Vorspannung erfordern und dennoch häufiger brechen.

Der unsymmetrischen Belastung kann auch durch unterschiedliche Speichenzahlen begegnet werden, z.B. durch 8 oder 12 Speichen auf der linken und 24 Speichen auf der rechten Seite

7fach8fach

Symmetrische bzw. unsymmetrische Belastung bei Einbaumaßen
von 135 und 140 bzw. 140 und 160 mm (Quelle: Santana)

Das Einspeichen sowie Zentrieren ist eine Wissenschaft für sich. Es existieren neben den normalen Kreuzungsmustern auch verschiedene "Webmuster" mit teils praktischer, teils ästhetischer Bedeutung. Entsprechende Hinweise finden sich in der Literatur.

Abschließend jedoch einige praktische Hinweise zur Einspeichung:

Sonderformen von Laufrädern

Neben den Speichenrädern gibt es eine Reihe weiterer Formen:

Scheibenräder bieten eine verbesserte Aerodynamik. Da die Last aber wie bei der Urform des Rades starr über Druck verteilt wird, ist das Rad zwar steif, doch Fahrkomfort und Federung leiden erheblich. Speichenräder mit vollständiger Scheibenbespannung bieten die gleiche Aerodynamik bei verbesserter Elastizität. Beide Formen sind extrem seitenwindempfindlich.

Carbonräder sind in der Herstellung aufwendig und teuer. Die Speichen werden hier entweder wie bei Holzspeichen auf Druck oder durch Vorspannung auf Zug belastet.

Kunststoffspeichenräder sind evtl. geeignet, um nicht nur senkrecht einwirkende Kräfte aufzunehmen, sondern auch starke Seitenbelastungen bei Sprüngen, für Anhänger, Dreiräder etc.

Alle diese Formen ermöglichen keine Nachzentrierung der Felge. Sollte der Herstellungsprozeß nicht zu perfekt runden Rädern führen, so muß durch Abdrehen nachgeholfen werden. Dies erfordert einen Materialüberschuß und kann zu ungleichmäßigen Wandstärken führen. Die Felge wird damit entweder unnötig schwerer oder ist schneller durch Bremsabrieb verschlissen. 


Speichenhersteller

Felgenhersteller

besondere Laufräder

ADA | Aerospoke | Corima | Rolf | Specialized | Spinergy

AerospokeCorimaRolfSpecializedSpinergy


Weiterführende Literatur

Bücher

Kursunterlagen

Web-Artikel

und nicht zuletzt: Sheldon Brown: POWerwheels


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Letzte Änderung: 1999-03-19,  Martin Trautmann <traut@gmx.de>