Kapitel 5: Speichen

Speichenbruch/Speichenbelastung

Betrachten wir uns noch einmal den bereits im Kapitel: "Das Speichenlaufrad" dargelegten ständigen Wechsel der Belastungen, denen eine Speiche während eines Radumlaufes unterliegt: Entlastung im Bodenbereich, eine kurze Mehrbelastung an der hinteren "Ecke" der Abflachung, eine leichte Mehrbelastung für den Großteil eines Radumlaufes und wieder eine kurze Mehrbelastung an der vorderen "Ecke" der Abflachung, bevor erneut die Entlastung im Bodenbereich einsetzt. Diese ständige Schwell-Belastungen, zu denen sich dann noch Belastungsspitzen durch Seiten- und Antriebskräfte sowie herbe Schlaglochrumpler hinzu gesellen, setzen den Speichen auf Dauer erheblich zu, ja sie "zerrütten" regelrecht die innere Materialstruktur der Speichen.

Unterstützt wird die Zerrüttung der Speichen noch durch Schwingungen, die beim Durchfahren von Bodenwellen entstehen. Dabei treten dann so hohe Kräfte auf, daß die Speichen teilweise sogar ganz entspannt wird. Steigt dann die Speichenspannung wieder schlagartig an, so schwingen die Speichen wie die Seiten einer Hawaii-Gitarre. Weitgehend vermeiden können wir solche Schwingungen übrigens durch das Unterkreuzen oder Binden der Speichen, worauf wir im Kapitel Einspeichen noch intensiver eingehen.

Doch zurück zur Zerrüttung: Bei diesem auch Materialermüdung benanntem Prozeß bilden sich zunächst in Nähe der Werkstoffoberfläche Microbereiche, in denen es zu minimalen Verschiebungen der metallischen Strukturen kommt, die auch Gleitverfestigung genannt werden. Das nun hat mit der Zeit ein Nachlassen der molekularen Bindungskräfte zur Folge (der Techniker spricht von Kohäsions-Entfestigung), die schließlich zur Bildung von Microrissen führt. Die Risse werden nach und nach größer und eines Tages reißt die Speiche.

Die bruchgefährdete Stelle einer Speiche ist der Speichenbogen, da hier die Kräfte "um die Ecke" geleitet werden und nun nicht mehr homogen über den gesamten Speichenquerschnitt verlaufen. Es kommt vielmehr zu einer Anhäufung der in der Skizze dargestellten Kraftverlauflinien auf der Innenseite des Bogens. Hier nun wird das Material sehr hoch belastet, während die Bogenaußenbereiche kaum noch beansprucht werden. Der Bogenbereich aber wurde, wie oben ausgeführt bereits beim Anstauchen des Speichenkopfes plastisch verformt, so daß die Stauchzone bis in den späteren Bogenbereich hinein reicht. Durch die anschließende Biegung erfolgt eine weitere plastische Verformung: Das Speichenmaterial wird auf der Bogenaußenseite gestreckt und auf der Innenseite gestaucht, was dort übrigens bisweilen eine leicht körnige Oberflächen-Ausbildung zur Folge hat.

Die Anhäufung der plastischen Verformungen des Bogen- und Kopfbereiches der Speichen erfolgen ja im kalten Zustand an einem bereits kalt verfestigten Draht. Folge: Während der Herstellung sind eventuelle Vorschädigungen des Speichenmateriales in Form winzigster Microrisse nicht auszuschließen. Und es kann für die Speiche sogar noch schlimmer kommen: Bei dünnen Speichenflanschen zieht sich der unter hoher Spannung stehenden Speichenbogen wieder ein Stück auf und es passiert das gleiche wie mit einem verbogenen Schraubenzieher: Im verbogenen Zustand durchaus noch belastbar, bricht der Schraubenzieher ab, wenn er wieder gerade gebogen wird.

Die beste Haltbarkeit ist daher für den Speichenbogen gegeben, wenn er Speichenbogen innen glatt poliert wird (Oberflächenrauhigkeiten erhöhen das Bruchrisiko bei Biegungen drastisch) und sich innig gegen den Nabenflansch drückt. Der Bogen muß also auf Druck belastet werden. Daher ist eine weitere Voraussetzung für eine gute Dauerhaltbarkeit der Speichen ein genügend breiter Nabenflansch (mind. 3,2 mm Dicke) und nicht zu groß ausgeführte Speichenbohrungen (max. 2,4 mm Durchmesser). Aus gleichem Grunde ist es daher ratsam, bei zu schmal ausgeführten Nabenflanschen (auf jeden Fall, wenn 3 mm unterschritten werden) jeweils eine kleine M-3-Unterlegscheibe zwischen Speichenkopf und Flansch zu plazieren. Vertikal steife Felgen (Tropfen-Felgen), eine hohe Speichenspannung und die Verwendung von sogenannten DD-Speichen sorgen weiterhin dafür daß die Schwell-Lasten für die Speichen kleiner ausfallen. Doch zunächst zum Speichengewinde.

Das auf die anderen Speichenenden gerollte Gewinde stellt eine weitere Schwachstelle der Speichen dar. Auch hier wird der Speichenquerschnitt nicht homogen belastet, es kommt zu Spannungsspitzen in den Gewinde-Einschnitten - der Techniker spricht von Kerbwirkung. Vergleichen mit dem Speichenbogen ist die Haltbarkeitsminderung durch das Gewinde allerdings relativ gering. Kommt aber beispielsweise bei Naben mir großem Flanschdurchmesser noch die nebenstehend skizzierte eine Biegebelastung zwischen Speiche und Nippel hinzu, ist die Bruchgefahr genau so groß wie die am Speichenbogen. Um diese Biegebelastung im Gewindeteil zu minimieren, sind die Speichenbohrungen in den meisten Felgen leicht schräg, also etwa in Richtung Nabenflansch orientiert.

Da Speichenbogen und Speichengewinde die bruchgefährdeten Stellen der Speichen sind, kann das Speichenmittelteil dünner ausgeführt werden. Das hat einen interessanten Nebeneffekt zur Folge: Dünne Speichen längen sich bei gleicher Belastung mehr als dicke. Es handelt sich hierbei um sogenannte elastische Dehnungen, also um solche, die (wie bei einer Feder) nach Wegnehme der Belastung ohne bleibende Verformung wieder auf die Ausgangslänge zurück federt. Für die Schwell-Belastung der Speichen nun ist die Umkehrung dieses physikalischen Effektes wichtig: Werden die Speichen durch die Abflachung der Felge im Bodenbereich entlastet, geht die durch die Speichenspannung erfolgte Dehnung zurück. Bei dicken und damit unelastischeren Speichen nimmt dadurch die Speichenspannung stärker ab als bei dünnen Speichen. Hierzu wieder ein Zahlenbeispiel zur Veranschaulichung:

Flacht eine Felge bei größeren Fahrbahnstößen im Bodenbereich um 0,41 mm ab, so geht damit bei einer Speiche mit einem Durchmesser von 2 mm unsere wieder einmal angenommene Speichenspannung von 900 N auf Null zurück, die Speiche entspannt sich also völlig. Eine Speiche von 1,8 mm Durchmesser verliert bei 0,41 mm Abflachung hingegen nur 733 N der Vorspannung und eine Speiche mit 1,5 mm entsprechend gar nur 506 N. Die Schwellbelastung wird also für die dünnere Speiche geringer und sie kann länger dem Auf und Ab der Belastungen widerstehen.

Speichenbrüche treten im übrigen häufiger an den Speichen auf, deren Speichenbogen innen an der Nabe anliegt. Die Erklärung: Bei Seitenbelastung des Laufrades biegt sich hier der Speichenbogen leicht auf - die Folgen hatten wir bereits weiter oben beschrieben. Liegt der Bogen hingegen an der Außenseite der Nabe, so biegt er sich entsprechen zu und erhöht damit seinen Druck auf den Nabenflansch.

Macht man eine Statistik der Speichenbrüche, so treten sie am Hinterrad häufiger als am Vorderrad auf, treffen dort öfters die Zahnkranzseite als die Gegenseite und schwere oder antrittsstarke Fahrer werden davon deutlich mehrfach erwischt als leichte Fahrern und natürlich schlägt der Bruch im Gelände häufiger zu als auf aalglatter Asphaltstraße.

Übrigens werden beim Bruch einer Speiche die beiden Speichen zur Rechten und Linken der Gebrochenen überlastet und brechen früher oder später ebenfalls. Daher ist es bei einem Speichenbruch ratsam diese Speichen gleich mit aus zu tauschen. Aus gleichem Grunde sollte auch die Speichenerneuerung möglichst rasch erfolgen, da das Fahren mit einer gebrochenen Speiche die restlichen Speichen über Gebühr strapaziert, so daß die nächsten Speichenbrüche regelrecht serienmäßig auftreten. Unnötigen Ärger mit Speichenbrüchen kann man sich daher ersparen, wenn gleich nach den zweiten Speichenbruch eines Laufrades die gesamte Speichenkollektion ausgewechselt wird.

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Speichenausführungen

Neben den Glattspeichen gelten noch folgende andere Speichensorten als Standard:

1. Dickend-Speichen: Speichen, deren Durchmesser partiell verdünnt ist. Da der Speichenbogen die bruchgefährdete Stelle der Speiche ist, macht es Sinn, Speichen hier dicker auszuführen als im Mittelteil. Diese sog. "Dickend-Speichen" werden in drei Ausführungen angeboten und sind nicht nur dauerhaltbarer als gewöhnliche Speichen, sondern auch leichter und elastischer:

1-D-Speichen: Eindickendspeichen, deren Bogenbereich dicker ausgeführt wird, also beispielsweise der Bogen mit 2,3 mm Durchmesser und die restlichen Speichen mit 2 mm Durchmesser. Kurzbezeichnug: 2,3/2 mm oder entsprechend 2/1,8 mm

DD-Speichen: Doppeldickendspeichen, deren Bogen- und Gewindebereich dicker ausgeführt werden, also beispielsweise Bogen und Gewinde mit 2 mm Durchmesser, der Mittelteil auf 1,8 mm oder gar 1,6 mm ausgedünnt ist. Kurzbezeichnung: 2/1,8/2 mm oder entsprechend 1,8/1,6/1,8 mm.

3-D-Speichen: Doppeldickendspeichen mit verschieden dicken Enden: Im Bogen 2,3 mm, Speichenmitte 1,8 mm, Gewindeteil 2 mm. Kurzbezeichnung: 2,3/1,8/2mm.

Das Ausdünnen des Speichenmittelteiles erfolgt im übrigen entweder durch Auswalzen der Speichen mit zwei um jeweils 60 versetzten Walzen-Drilligen, wie es beispielsweise vom deutschen Speichenhersteller Prym praktiziert wurde oder durch eine Rundhämmer-Maschiene wie es beim schweizer Speichenhersteller DT-Swiss üblich ist.

2. Säbelspeichen: Speichen, deren Querschnitt zwecks besserer Windschnittigkeit abgeflacht, ovalisiert oder im Idealfall linsenförmig geprägt ist. Nachteil: Die Nabenbohrungen müssen zum Einfädeln des nun breiteren Speichenmittelteils gegebenenfalls ausgefeilt werden, es sei denn die Flachprägung der Speiche ist nur gering oder der Speichenkopf ist als "Z"-Speiche ausgeführt, siehe weiter unten.

3. Wellenspeichen: Speichen, die teilweise oder über ihre gesamte Länge haarnadelähnlich gewellt sind. Diese Maßnahme fördert die Elastizität der Speichen und damit des gesamten Laufrades, wodurch der Luftdruck (Reduzierung der Rollreibung)der Reifen erhöht werden kann. Die mangelnde Dauerfestigkeit solcher Speichen - die Kraftlinien verlaufen nicht symmetrisch durch die Speichenmitte, sondern analog zum Speichenbogen wechselweise auf die Innenseite der Biegungen – kann durch erhöhte Materialfestigkeit der Speichen gut ausgeglichen werden.

4. Hammerkopfspeichen: Speichen ohne Bogen mit normalem oder hammerartig flachgedrücktem Kopf. Sie wurden erstmalig bei den fanzösischen Roval-Laufrädern eingesetzt und fanden später bei den "Sonnenrädern" der TH Aachen Anwendung und neuerdings bei den "Pullstar"-Naben oder den modernen "Deep Rims" von Campagnolo. Ein "Mitdrehen" der Speiche beim Zentrieren wird übrigens durch den zwangsläufig vorhandenen Grat im Kegel des Speichenkopfes verhindert. Mit zunehmender Speichenspannung krallt der sich ins Nabenmaterial und sichert die Speiche gegen Verdrehen.

5. "Z"-Speichen: Speichen, deren Kopf durch einen zweiten, gegenläufigen Speichenbogen ersetzt wird. Bei diesen Zick/Zack-förmig gebogenen Speichenenden trägt der obere Speichenbogen weiterhin die gesamte Speichenlast, das untere Ende stützt sich lediglich am Nabenflansch ab. Vorteile:

- Diese Speichen lassen sich hinter dem Zahnkranz auch ohne dessen Demontage wechseln

- Säbelspeichen mit diesem Ende lassen sich in jede Nabe einbauen, ohne daß diese ausgefeilt werden muß.

- Der Materialbereich des Speichendoppelbogens wird nicht durch das Kopfanstauchen vorbelastet, wodurch sich die Lebensdauer dieser Speichen verlängert.

6. Reparaturspeichen: Speichen für einen Speichenwechsel unterwegs. Ihr Mittelteil besteht aus einem Bowden-Innenzug und statt Bogen und Kopf besitzen sie einen Haken. Auch diese Speichen lassen sich hinter dem Zahnkranz ohne dessen Demontage wechseln.

7. Titan-Speichen: Speichen aus Titandrähten, die ein gutes Elastizitätsverhalten besitzen, etwas mehr als die Hälfte von Stahlspeichen wiegen, aber an mangelnder Dauerhaltbarkeit leiden.

8. Carbon-Speichen: Vereinzelt werden von US-Herstellern Carbonspeichen angeboten, die das Gewicht der Stahlspeichen um rund 2/3 unterbieten. Versuche, Speichen aus Carbon zu fertigen, stoßen auf mehrere Probleme:

- Die Adaption von Gewinde und Speichenbogen kann nur durch sehr aufwendig ausgeführte Kontaktierungen erfolgen;

- Die Speichen haben ein sehr schlechtes Elastizitätsverhalten.

9. Spox-Speichen: Superleichte Speichen aus sogenannten Vectran-Fasern mit besonders elastischem Dehnverhalten. Sie werden durch Polymerisierung (Zusammenschluß mehrerer Moleküle) aus Flüssigkeitskristallen hergestellt: Ein Faserstrang von 1,9 mm wird von eine 0,3 mm dicken Rilsan-Hülle umschlossen und an beiden Enden Nippel aufgequescht. Zentriert wird mit einer Gewindehülse an der Nabe.

10. Aluminium-Speichen: Sich noch im Experimentierstadium befindliche superleichte Speichen mit besonders elastischem Dehnverhalten. Mit Erfolg im Vorderrad eingesetzt, halten sie im Hinterrad dem Kettenzug und Wiegetritt auf Dauer (noch) nicht stand. Aufgrund der geringen Bruchdehnung der dazu verwendeten hochfesten Aluminium-Legierungen können diese Speichen nicht mit einem Bogen ausgeführt werden, sondern besitzen ein zweites Gewindeende zur Befestigung per speziellem Gewindeeinsatz in der Nabe.

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Speichennippel

Speichenippel werden als Hülsenmutter hergestellt. Damit kann sich das Muttergewinde bei höheren Speichenspannungen "dehnen", was dazu beiträgt daß mehr Gewindegänge "tragen" (bei normalen Gewindemuttern trägt der erste Gang bereits ca. 35% zu übertragenden Kraft). Zum Anziehen des Speichenippels mit dem Speichenschlüssel ist der untere Teil des Nippels als Vierkant ausgearbeitet. Der Nippelkopf wird als 90 Grad-Kegel ausgeführt, damit er sich bei schrägen Sitz der Speichen entsprechend der Öse oder dem Speichenloch in der Felge anpassen kann. Ein oben im Kegel eingearbeiteter Schlitz ermöglicht eine schnelleres Aufschrauben der Nippel mittels Schraubenzieher, Drill- oder Bohrschrauber. Das eigentliche Zentrieren der Laufräder erfolgt dann an den Vierkantflächen der Nippel mit einem Speichenschlüssel.

Entsprechend der Speichengewinde sind die Nippel mit entsprechendem Gewinde ausgeführt. Speichenippel werden heute in der Regel aus verzinktem, vernickeltem oder verchromten Messing hergestellt, kaum Marktbedeutung haben hingegen Speichenippel aus Edelstahl oder Aluminium. Aluminium-Nippel erbringen bei einem 36 Speichenlaufrad zwar eine Gewichtseinsparung von knapp 30 Gramm, sind aber in der Handhabung nicht ganz unproblematisch:

- Bei Ausführungen in zu weichen Aluminium-Legierungen drehen sich dieSchlüsselflächen über. Daher nur Speichenschlüssel verwenden, die denNippel über drei Ecken fassen.

- Bei gefrästen Ausführungen hochfestem Aluminiums ist häufig der Kopf zu flach ausgeführt. Nach einiger Betriebsdauer neigt der Kopf (meist jedochnur in Verbindung mit Korrosionserscheinungen) zum Abscheren - derNippelstumpf zieht sich durch die Ösen/Speichenlöcher der Felge.

- Reicht das Speichengewinde nicht durch den ganzen Nippelkopf hindurch, kann es (ebenfalls zumeist in Verbindung mit Korrosionserscheinungen) zum Bruch des Nippelschaftes kurz vor dem Nippelkopf kommen.

Aus den vorgenannten Gründen ist es ratsam die abgebildeten Ausführungen der Edco-Nippel zu bevorzugen und diese vor dem Einsetzen mit Sprühwachs vor Korrosion zu schützen.

Sonderausführungen: 1. Speichenippel mit einem Sechskantkopf zum leichteren Zentrieren bei Zentrierautomaten oder zum Einlegen der Speichen in Spezialfelgen. 2. Extra lang ausgeführte Speichennippel für Holz oder Sonderfelgen.

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Speichenlängen

Speichen werden für die gängigen Laufradgrößen 26" und 28" in 2 mm, zum Teil sogar in 1 mm Abstufungen angeboten. Durch die Vielfalt der angebotenen, in ihrer geometrischen Ausbildung unterschiedlichen Felgen, sowie durch unterschiedliche Einspeicharten (Radial-Speichenung, Einfach- Zweifach-, Dreifach- oder Vierfach-Kreuzung) sind heute praktisch alle Speichenlängen durchgehend ab 248 mm bis 315 mm Länge erhältlich. Erforderliche Speichenlängen kann man sich beim Händler erfragen, kann sie den Speichenlängen-Tabellen von Swiss Spokes entnehmen oder sie nach der Speichenformel errechnen. Alternativ dazu können Sie sich an die unten aufgeführten Faustwerte halten.

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Rechnerische Ermittlung der Speichenlänge:  Wurzel aus L = r1² + r2² + w² - 2r1 x r2 x cos ß minus -1/2 y

mit:

L = gesuchte Speichenlänge in mm

r1 = Halber Felgeninnendurchmesser in mm (1/2 Di)

r2 = Halber Lochkreisdurchmesser der Nabe in mm (1/2 D2)

w = Abstand Nabenflansch/Felgenmittelachse in mm (wl = linke Seite; wr = rechte Seite)

ß = 360° x Kreuzungsart/Speichenzahl pro Flansch

y = Speichenlochdurchmesser der Nabe in mm

So messen Sie das Felgenmaß "Di": Bremsinnenzug halbwegs stramm durch die Felge führen und Innenkante des aufgefädelten Speichennippels markieren. Dann Abstand auf Bowdenzug ausmessen und 10 mm (Nippel-Schaftlänge) hinzuzählen.

Faustformel für Speichenlängen

Einfache, auf etwa +/- 1 mm genaue Bestimmungsmethode für Speichenlängen bei Niederflanschnaben, die sich auf den halben Felgeninnendurchmesser (1/2Di) bezieht.

* Keine sinnvolle Kreuzungsart, da die Speichen über 90 Grad hinaus abgewinkelt werden und sich außerdem am Nabenflansch gegenseitig behindern

Anmerkungen:

1. Die Speichenlängen für die Zahnkranzseite ist bei 7fach Zahnkränzen um 1 mm bei 8- und 9fach-Kränzen um 1,5 mm kürzer. 2. Korrekturwerte für größeren oder kleineren Teilkreisdurchmesser.

Korrekturwerte pro 10 mm größeren oder kleineren Teilkreisdurchmesser:

* Keine sinnvolle Kreuzungsart, da die Speichen über 90 Grad hinaus abgewinkelt werden und sich außerdem am Nabenflansch gegenseitig behindern. Anmerkung: Korrekturwerte bei größeren Teilkreisdurchmesser von der Speichenlänge abziehen, bei kleinerem Teilkreisdurchmesser entsprechend hinzuaddieren.  

Als Richtwert für die Radialeinspeichung gilt: L = ½ Di – ½ Dflansch + 2,5.

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Tips und Tricks:

- Schwerere und damit steifere Felgen oder noch besser Tropfenfelgen reduzieren deutlich die Speichenbruchrate.

- Leichte Felgen sollten stets mit leichten, sprich 1,8 DD-Speichen eingespeicht werden, um die Schwellasten für die Speichen möglichst gering zu halten.

- Erhöhte Speichenspannung hält ebenfalls die Schwellast für die Speichen gering und verlängert damit die Speichen-Lebensdauer. Aber Vorsicht beiLeichtfelgen: Hohe Speichenspannung kann zum Kollaps der Felgen führen.

- Regelmäßiger Speichenaustausch (Hinterrad 5000 km; Vorderrad alle 15.000 km) sichert vor überraschenden Speichenbrüchen.

- In Problemfällen 3-D-Speichen einsetzen (hierzu ist es gegebenenfalls notwendig die Speichenbohrungen im Nabenflansch auf 2,5 mm aufzubohren.

- Bei häufigen Defekten z.B. aufgrund hohen Fahrer- oder Gepäckgewichts Laufräder mit höherer Speichenzahl verwenden (40 und 48 Speichen sindbei speziellen Tandemnaben und -felgen möglich statt der üblichen 36; die Teile sind allerdings schwer beziehbar).

- Dünne Nabenflansche (unter 3,2 mm Dicke) führen häufig zum Speichenbruch, daher Probe machen: Die eingefädelte Speiche sollte unter ca. 6 Grad schräg vom Nabenflansch abstehen. Sollte sie steiler stehen, ist der Speichenbogen zu weit oder der Nabenflansch zu schmal. Dann andere Speichensorte verwenden, oder kleine M-3-Unterlegscheibchen zwischen Speichenkopf und Flansch einbringen.

- Versuchen, möglichst elastisch auf dem Fahrrad zu sitzen, Schlaglöcher also nicht "ausreiten", sondern aus dem Sattel gehen und ausfedern.

- Zugunsten einer längeren Lebensdauer der Speichen sollte auf 8- oder gar 9-fach-Zahnkränze verzichten. Wer sich bei gleicher Achsbreite mit 6-7 Ritzeln begnügen kann das Hinterrad symmetrischer eingespeichen. Das Hinterrad wird dadurch auch seitensteifer - die Zahnkranzspeichen werden weniger belastet.

- So erreichen Sie die größtmögliche Speichensymmetrie des Hinterrades: Kontrollieren Sie den Abstand der Kette zum Ausfallende. Bei aufliegender Kette genügen 2 mm Abstand, damit die Kette noch berührungsfrei klettern kann. Den in der Regel größerem Abstand durch Weglassen von Beilagscheiben auf der Achse/Verwendung einer schmaleren Kontermutter auf 2 mm verkürzen. Den hier eingesparten Abstand auf deranderen Achsseite der Nabe beilegen.

- Die Verwendung einer asymmetrischen Hinterradfelge senkt das Speichenbruchrisiko deutlich und erhöht die Seitensteifigkeit des Hinterrades um rund 30%.

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Copyright und redaktionelle Inhalte:
Dipl.Ing.FH Christian Smolik 1994 - 03.08.1999
technische Umsetzung:
Dipl.Ing.FH Jörg Bucher zuletzt am 18.05.2000