Die unbesungenen Helden des Fahrrads, wir denken, es ist an der Zeit, dass Speichen den Respekt bekommen, der ihnen gebührt
Diese dünnen Drahtstränge verrichten unerbittlich harte Arbeit und werden bei jeder Umdrehung unserer Räder immer wieder gedehnt und gestaucht. Außerdem übertragen sie die Beschleunigungskräfte beim Treten von der Radnabe auf die Felge und übertragen auch die Bremskräfte. Ihre Rolle bei der Tatsache, dass wir überhaupt Fahrrad fahren können, ist fast magisch – so dünne Stränge, die so große Lasten tragen. Wir hielten es also für höchste Zeit, dass der bescheidene Sprecher etwas Anerkennung findet, wo eine ganze Menge fällig ist.
'Das Geniale des Speichenrads ist, dass es die oft sehr großen Kräfte, die von Fahrer, Fahrrad und unterschiedlichen Straßenoberflächen erzeugt werden, auf diese dünnen Stäbe übertragen kann, die jeweils systematisch zusammengedrückt werden, wenn sich das Rad dreht und die Lasten übertragen werden man sprach mit dem anderen, und so geht es weiter“, sagt Professor Mark Miodownik, Direktor des Institute of Making am University College London, Autor von Stuff Matters, Fernsehmoderator und begeisterter Radfahrer. Er fährt fort: „Es ist eine wunderbare Möglichkeit, das Gewicht, die Kosten und die Leistung eines Laufrads zu optimieren.“
Speichen, wenn sie einmal unter Spannung stehen, verspannen im Wesentlichen die Felge, indem sie die Nabe als zentralen Anker verwenden. In einem idealen Szenario zieht jede Speiche mit gleicher Spannung, um die Last gleichmäßig über das Rad zu verteilen und gleichzeitig die Felge treu und rund zu h alten. Die Speichen müssen das Laufrad gegen seitliches Biegen und Verformen der Felge stützen und auch einem Quetschen des Laufrads durch vertikale Belastung (radiale Kompression) effektiv widerstehen. Keine kleine Aufgabe. Es ist kein Wunder, dass seit dem Aufkommen des Rades nur sehr wenige andere Lösungen erforscht wurden.
Speichenspannung
Jetzt wird es technisch und Sie werden nicht allein sein, wenn das Folgende etwas verwirrend und kontraintuitiv ist. Es gibt heftige Meinungsverschiedenheiten darüber, ob ein Fahrrad tatsächlich an den oberen Speichen hängt (die über der Nabe, wenn Sie das Fahrrad von der Seite betrachten) oder eher von den unteren getragen wird, die wie winzige Säulen wirken.„Die letztgenannte Ansicht, so seltsam es scheint, ist definitiv der Fall“, sagt Jim Papadopoulos vom College of Engineering der Northeastern University in Boston, USA, und Co-Autor von Bicycling Science.
Obwohl es leicht zu glauben ist, dass eine Fahrradspeiche einfach unter dem Gewicht von Fahrrad und Fahrer zusammenbrechen würde, erklärt er weiter, dass die Spannung, die in einer Speiche während des Laufradbauprozesses entsteht (als „Vorspannung“bezeichnet), dies ist wodurch die unteren Speichen die Last ohne Einknicken tragen können, wie sie es ohne Vorspannung tun würden. „Jede Speiche am unbelasteten Rad hat eine Spannung in der Größenordnung von 100 lb [445 N]. Wenn die Achse mit einer Kraft von 100 lb auf den Boden gedrückt wird, besteht die einzige signifikante Auswirkung auf die Speichenspannung darin, die Spannung direkt unter der Nabe zu reduzieren – normalerweise reduziert sich eine auf etwa 50 lb und die Speichen auf jeder Seite davon auf etwa 75 lb. Genau das würde man bei massiven Holzspeichen wie einem alten Wagenrad sehen – die untere würde 50 Pfund tragen und die zu beiden Seiten davon würden 25 Pfund tragen. Der Unterschied zu Drahtspeichenrädern besteht darin, dass eine Drahtspeiche keine Druckbelastung aufnehmen kann – sie bricht zusammen. So sind alle Speichen genial vorgespannt. Ein Draht kann keine Drucklast von 50 lb tragen, außer wenn er bereits eine Zuglast trägt, die diese übersteigt.
„Natürlich bricht ein Fahrradrad zusammen, wenn die oberen oder horizontalen Speichen entfernt werden“, fügt Papadopoulos hinzu. „Das liegt aber im Wesentlichen daran, dass die veränderte Struktur einen ganz anderen Lastpfad hat und zudem nicht die erforderliche Vorspannung liefern kann. Wir können aus diesem Zusammenbruch nicht schließen, dass das typische Laufrad die Last durch die oberen Speichen trägt.“Wenn Ihnen das den Kopf verdreht, sind Sie nicht allein. Kommen wir also zum einfacheren Bereich des Speichenmaterials.
Stahlspeichen
Speichen bestehen überwiegend aus Stahl, eine Materialauswahl, die, wie Miodownik uns sagt, „im Wesentlichen auf die Fähigkeit, ein zuverlässiges Gewinde zu haben, hinausläuft. Stahldraht ist großartig, weil Sie selbst mit einer sehr kleinen Befestigungsfläche, z. B. dort, wo der Nippel die Speiche an der Felge hält, ziemlich viel Spannung darauf ausüben können, ohne das Gewinde zu entfernen. Edelstahl ist das ideale Material, da es die richtige Mischung aus hoher Festigkeit und geringem Gewicht aufweist und gleichzeitig erschwinglich ist.“
Edelstahl ist seit dem späten 19. Jahrhundert aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit das Metall der Wahl für Speichen, wodurch die Speichen relativ dünn und leicht bleiben und gleichzeitig den auf sie einwirkenden Kräften standh alten. „Baustahlspeichen müssten doppelt so schwer und dick sein“, sagt Chris Hornzee-Jones, Direktor bei Aerotrope. Er entwarf das bahnbrechende Carbonfaser-Mountainbike Lotus und arbeitete an einem der größten Spannspeichenräder, das jemals hergestellt wurde – der Struktur mit 60 m Durchmesser, die unter dem Dach des Millennium Dome aufgehängt ist und als Plattform für Luftkünstler dient. „Durch die Zugabe von Chrom und Molybdän zu Eisen und Kohlenstoff von Baustahl ist die resultierende Edelstahllegierung viel widerstandsfähiger gegen Ermüdung.’
Müdigkeit ist der Nemesis einer Speiche. Wenn Sie denken, dass Ihre Quads durch die Wiederholung Ihrer Pedalschläge wiederholt belastet werden, dann haben Sie Mitleid mit Ihren Speichen, die bei jeder einzelnen Radumdrehung geschlagen werden. Jede Speiche im Rad wird nur für den Bruchteil einer Sekunde, in der sie sich direkt unter der Nabe befindet, auf Druck beansprucht, und für diesen Moment wird sie komprimiert, bevor der Druck nachlässt und sie zu ihrer normalen Länge zurückkehren kann. Es ist ein unerbittlicher Kreislauf, der buchstäblich das Verderben eines schlecht gebauten Rads sein kann.
'Ein Rad ist wie ein ermüdendes Laufband für Speichen, das für sie umso härter gemacht wird, weil an einem Ende ein Gewinde und [in den meisten Fällen] eine Biegung und/oder ein Kopf am anderen hinzugefügt wurde, ' sagt Hornzee-Jones. „Der Faden ist ein Spannungskonzentrator und die Lastübertragung erfolgt hauptsächlich über die ersten paar Fäden. Außerdem ist der Nippel vergleichsweise steif und passt sich, da er versucht rechtwinklig zur Felge zu sitzen, selten perfekt an den Winkel an, in dem die Speiche ankommt, was die Ursache für zusätzliche konzentrierte Belastungen sein kann. Am anderen Ende biegt sich die J-Biegung minimal, und nach Hunderttausenden von normalen Radumdrehungen können sich winzige Oberflächenfehler öffnen, die nur Mikrometer tief und für das menschliche Auge völlig nicht wahrnehmbar sind. Das ist zunächst ein langsamer Prozess, führt aber schließlich zu einem Speichenbruch.“
Aluminiumspeichen
Stahl ist jedoch nicht das einzige Material, das für Speichen verwendet wird. Mavic und Campagnolo (sowie Campagnolos Schwesterfirma Fulcrum) sind seit langem Befürworter von Aluminiumspeichen. Aluminium hat ein Drittel der Dichte von Stahl, aber auch etwa ein Drittel der Steifigkeit, daher müssen Speichen dicker sein, was bedeutet, dass sie möglicherweise weniger aerodynamisch sind, Nippel mit größerem Durchmesser und folglich größere Löcher in den Felgen erfordern, was möglich ist reduzieren die Festigkeit und Steifigkeit der Felge. Aluminiumspeichen neigen auch dazu, ein Straight-Pull-Design zu verwenden, da eine J-Biegung in Aluminium mit hoher Wahrscheinlichkeit unter Belastung versagen würde.
Eine weitere Einschränkung ist, dass Aluminium ein Gewinde nicht so leicht hält. Die Lösung von Mavic besteht darin, die Nippel direkt in die Felge zu schrauben, anstatt auf die Speiche. Campagnolo schlägt vor, Aluminiumspeichen zu wählen, die das gleiche Gewicht wie Stahlversionen haben, aber im Vergleich dazu das Fahrgefühl seiner Laufräder verbessern. Dies ist jedoch eine weitgehend subjektive Angelegenheit, bei der Speichen nur eine Rolle spielen, wobei Reifen, Felgen und Naben ebenfalls wichtige Akteure sind. ganz zu schweigen vom Rest des Fahrrads.
Angesichts der verschiedenen Belastungen, denen Speichen ausgesetzt sind, scheint Kohlefaser überhaupt keine wahrscheinliche Wahl zu sein, aber Mavic hat zusammen mit mehreren anderen High-End-Laufradmarken wie Lightweight und Reynolds, um nur zwei zu nennen, Wege gefunden um seine Zugfestigkeit in Speichen zu nutzen, mit offensichtlichen Gewichtseinsparungen. Die R-Sys SLR von Mavic verwendet beispielsweise hohle Carbonrohre, um Steifigkeit unter Spannung und Druckfestigkeit zu gewährleisten.„Die Speichendehnung ist viel geringer als bei Stahl oder Aluminium, weil Carbon steifer ist“, sagt Michel Lethenet von Mavic. „Da sie Rohre sind, widerstehen sie der Kompression, was dazu beiträgt, die Steifheit des Laufrads aufrechtzuerh alten, obwohl einige Metallteile erforderlich sind, die an jedem Ende verklebt werden, um die Befestigungen an Felge und Nabe herzustellen.“Eine alternative Methode wird bei Mavics Cosmic Carbone angewendet Ultimate, bei dem Carbon-Speichen von einer Seite des Laufrads zur anderen verlaufen, sich mit dem Nabenflansch verbinden und unterwegs andere Speichen kreuzen.
Wahrheit aus der Drehung
Es gibt ein paar andere bekannte Fahrradweisheiten in Bezug auf Speichen, die Peter Marchment, Materialwissenschaftler und Direktor von Hunt Bike Wheels, gerne widerlegt. „Ein Laufrad mit einer tieferen Felge und kürzeren Speichen wird oft als „stärker“angesehen, aber das liegt normalerweise an der inhärenten zusätzlichen Steifigkeit der Felge“, sagt er.„Viele Leute glauben auch, dass eine höhere Speichenspannung bedeutet, dass Sie ein steiferes Laufrad erh alten, aber das ist nicht der Fall. Die Laufradsteifigkeit wird neben der Spannung allein von vielen anderen Faktoren beeinflusst, darunter die Anzahl der Speichen, der Verstrebungswinkel und die Felgentiefe.
Tatsächlich verlängert sich eine Speiche unter Belastung um den gleichen Betrag, unabhängig von der angelegten Vorspannung, was bedeutet, dass eine Erhöhung der Speichenspannung das Laufrad nicht steifer macht.“Marchment fährt fort: „Speichen unter die richtige Spannung bringen ist entscheidend. Bei extrem hohen Spannungen werden Felge und Speichen eher beschädigt, da sie effektiv mit einer hohen Kraft vorbelastet werden. Aber auch niedrige Speichenspannungen sind ein Problem, da sich die Nippel eher lösen [abwickeln], wenn sie durch Stöße oder Straßenvibrationen entspannt werden, wodurch das Laufrad aus der Spur kommt.“
Unabhängig von der Spannung und dem Muster gibt es eine große Auswahl an Speichen, aus denen Sie wählen können, ganz zu schweigen von vielen Variationen in der Qualität des Drahtes, aus dem sie hergestellt sind. Sapim, einer der führenden Speichenhersteller, produziert 300 Millionen Speichen pro Jahr und kauft ein, um die Qualität und Wettbewerbsfähigkeit seiner Produktpalette aufrechtzuerh alten. „Sechzig bis 70 Prozent des Preises einer normalen Speiche können im Material liegen, also ist es wichtig, das richtig zu machen, aber das Wichtigste für alle unsere Speichen ist die Leistung des Drahtes“, sagt der Vertriebsleiter von Sapim, Klaus Grüter. „Wir suchen nach einem Draht, der hell und glänzend ist und eine Zugfestigkeit von 1.000 bis 1.050 N/mm2 mit guten Ermüdungsdaten und vor allem einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit aufweist.“
Grüter teilt uns mit, dass die Proben im Labor auf Zugfestigkeit, Biege- und Torsionsfestigkeit getestet werden. Nach der Abnahme wird der Draht von den Spulen maschinell gerichtet und geschnitten. Draht mit glatter Stärke kann auch zu konifizierten Speichen verarbeitet werden (bei denen der mittlere Teil schmaler gemacht wird), indem der Draht durch eine Matrize gezogen wird. Nach dem Stoßen werden der Speichenkopf und der J-Bend geschmiedet und das Gewinde am anderen Ende gerollt (nicht geschnitten). Fertige Speichen werden sowohl durch Bildverarbeitungssysteme als auch durch menschliches Auge und Hand geprüft. Eine Maschine ist in der Lage, 20.000 konifizierte Speichen pro Tag herzustellen, was erklärt, warum sich unterschiedliche Arbeitskosten kaum auf den Preis einer fertigen Speiche auswirken und warum Hersteller weltweit zu ähnlichen Preisen verkaufen können.
Aber warum überhaupt eine Speiche anstoßen? Jonathan Day von Strada Wheels erklärt: „Konifizierte Speichen können das Drehmoment besser handhaben als glatte Speichen. Sie sind in der Ebene des Rads breiter, was die Richtung der Torsionskraft ist, also gibt es mehr Material, um ihr zu widerstehen. Außerdem biegen sie sich in der senkrechten Ebene etwas mehr, sodass sie die Drucklast besser über das Rad verteilen können.“
Speichenmuster
Das traditionelle Speichenmuster eines Fahrradrades bestand aus 32 (oder manchmal 36) Speichen, die dreimal gekreuzt waren. Das verwobene Muster der Speichen in einem traditionell gespeichten Rad ist weit davon entfernt, nur eine hübsche kaleidoskopische Anordnung zu sein, sondern ist tatsächlich ein funktionaler Teil des Raddesigns.
In Bezug auf die seitliche Steifigkeit ermöglichen die Punkte, an denen sich die Speichen schneiden, dass sich jede Speiche gegeneinander abstützt, wenn sie unter Spannung gesetzt wird, und sie unterstützt, wenn sie zusammengedrückt wird. Die wichtigste Rolle des Drei-Kreuz-Schnürmusters spielt ein Hinterrad, bei dem die Speichen die Tretkraft von der Nabe übertragen müssen. In diesem Fall werden die Speichen durch die Torsionskräfte des Antriebsstrangs mit wesentlich höheren Torsionskräften belastet. Speichen auf der Kassettenseite, die die Nabe tangential verlassen, übertragen eine rotierende Kraft (Drehmoment) von der Nabe auf die Felge. Radialspeichen (die einem Pfad von der Mitte der Nabe direkt zur Felge folgen, ohne einen anderen zu kreuzen) sind viel weniger in der Lage, mit dieser Art von Belastung fertig zu werden, und würden eher ausfallen.
Wenn das Drehmoment keine Rolle spielt, wie z. B. bei einem Vorderrad mit Felgenbremsen, ist die Verwendung von radialen Speichen sinnvoll. Das spart Gewicht, da die Speichen kürzer sein können und weniger benötigt werden, um ein seitensteifes Laufrad zu schaffen. Es sieht auch gut aus. Scheibenbremsen verursachen jedoch eine erhebliche Torsionsbelastung, was ein radiales Einspeichen so gut wie unmöglich macht. „Das richtige Schnürmuster ist der Schlüssel, weil die Speichen die Kompressionslast teilen, indem sie gegen die Nachbarn drücken, die sie kreuzen, also sollten Speichen so geschnürt werden, dass sie Vorlauf oder Nachlauf sind“, sagt Day. „Man muss darauf achten, dass eine führende Speiche die Antriebsseite zuerst belastet. Bei einem 32-Speichen-Rad möchten Sie, dass 16 führende Speichen die Last teilen. Wenn Sie die Schnürung falsch machen, werden am Ende nur acht die Arbeit erledigen.’
Bemerkenswerterweise sind Speichenmuster einer der am wenigsten herausgeforderten Aspekte des Raddesigns geblieben, trotz einiger massiver Fortschritte bei Materialien und Fertigungstechnologie in den letzten Jahrzehnten. Es ist eine wirklich erprobte Methode und wie heißt es so schön: Wenn es nicht kaputt geht…
