Belastungen im Betrieb

Der höhere Querschnitt, welcher höhere Zugkräfte ermöglicht, hat aber nun wieder negative Einflüsse auf die Haltbarkeit. Je dicker die Speiche desto kürzer ihre Lebensdauer die durch die ständigen Lastwechsel ohnehin in ihrer Elastizität und zusammenhalt des Metallgefüges begrenzt wird. Man kann sich aber auch vorstellen wie sich Aluminium hier verhält, daß auf ständige Verformung mit Bruch reagiert. Elastisch muss das Rad sein, weil man die Speichen nicht so fest anziehen kann das sich nichts längt im Betrieb, laienhaft gesagt. Und selbst wenn man die Speichen derart fest anziehen könnte, würde der Komfort völlig verloren gehen. Wäre es nicht elastisch würde es sich einfach plastisch verformen, weil die Energie nicht aufgenommen werden kann. Ein Laufrad läuft deswegen nie 100% rund und steifere Laufräder rollen einfach besser. Und dickere Speichen müssen deswegen nicht unbedingt ein haltbareres Laufrad ergeben, aber ein etwas steiferes. Man muss die Dimensionierung dem Einsatzweck anpassen.

Wenn eine Felge unter Belastung ist, wird der untere Bereich etwas gestaucht. Je stabiler die Felge, desto weniger. Dadurch werden die unteren Speichen wieder entlastet, diese ziehen sich wieder auf einen Teil in Richtung ihrer ursprünglich kürzeren Länge zurück und entspannen sich dabei. Sapim schreibt hierzu das sich eine Speiche in der Praxis, in der Regel nie vollständig entlastet. Eine Speiche verhält sich wie eine Feder die unter Belastung (Vorspannung) auseinander gezogen wird, aber entspannt wieder in ihre Ausgangslage zurückehrt. Da dickere Speichen in der Regel unter höherer Vorspannung ausgesetzt sind und sich bei der Einspeichung nur geringfügig längen, ist hier der Grad der Entlastung besonders groß, weil der Entspannungsgrad bei dünnen Speichen kleiner ist. Ein fiktives Beispiel: Die Stauchung im Felgenbereich beträgt z.b. 0.25mm. Eine Speiche mit 2mm Mittelteil wird bei der Vorspannung 0.5mm gedehnt und eine mit 1.5mm Mittelteil um 1.0mm. Die Entlastung der 2mm Speiche beträgt beim Weg von 0.25mm also 50% und dem der 1.5mm nur noch 25%. Die Vorspannung der dicken Speiche nimmt hier wesentlich stärker ab und sie hat lateralen Lasten nur noch wenig entgegen zu setzen. Das ist der Grund warum dicke Speichen weniger lang halten. Wenn sich Speichen fast vollständig entlasten, könnte es im schlimmsten Fall sogar zum kollabieren des Laufrades führen.

Bruchgefahr am Speichenbogen

Vor allem am Speichenbogen, an der Innenseite, liegt die höchste Belastung und Bruchgefahr weil das Material schon bei der Herstellung durch die Biegung im kalten Zustand geschwächt wurde. Der Speichenbogen macht sich normalerweise erst bei gesetztem Alter bemerkbar. Wenn man den Innenbogen bei der Herstellung poliert, erreicht man etwas bessere Haltbarkeit, weil keine Kerben einen Bruch begünstigen.

Edelstahl

Hier haben sich Edelstahlspeichen von DT und Sapim jahrelang bestens bewährt. Man sagt Sapim eine höhere Qualität nach, ich habe selbst jedoch noch keine großen Unterschiede ausser der stärkeren Längung von DT Revolution Speichen feststellen können bis jetzt.

Beim Material der Speichen ist Niro Edelstahl am gebräuchlichsten, was den besten Kompromiss aus Kosten und Nutzen bietet. Besonders die gute Flexibilität ist hier hervorzuheben, jedoch von der Zugfestigkeit entsprechend dimensioniert werden müssen. Die bekanntesten Hersteller sind DT, Sapim und ACI (Alpina).

Sapim verwendet beim Edelstahl Inox X3 CrNiN 18/8 (18% Chromium und 8% Nickel, Norm AISI 302, Quelle Sapim) und DT eine eigene Legierung X12 18/10 (Quelle Schraner). Sapim Leader gibt es gemischt in 18/8, 18/2 und 18/0. Bei ACI Alpina wird z.b. bei den Vuelta Superlite Laufrädern, die C40 Carbon Stahl Speiche verwendet. Der Carbon Anteil ist hier jedoch nur sehr gering. Generell kann man sagen das Sapim früher in den elastischen Bereich übergeht, aber dieser länger ist und die Speiche erst später reisst als bei DT.

Stahl

Einfachere und billigere Speichen bestehen aus verzinktem Stahldraht und sind obendrein noch rostgefährdet.

Auch interessant was ich über die Mavic Aksium fand:

The spokes aren’t be made of stainless steel; they look more like black-oxidised plain old low carbon steel to these well-trained eyes. I’ve never witnessed common brown surface rust appear with such regularity on any stainless steel spoke (yes even black ones). Either this is blatant false advertising or someone hasn’t double-checked the specification sheet. I won’t hold that against them though.

Aluminium

Zicral, eine spezielle Aluminiumlegierung die Mavic verwendet, soll (bei entsprechender Dimensionierung) 10% mehr Steifigkeit im Vergleich zu Niro Speichen bieten, bei weniger Gewicht. Laut Wikipedia versteckt sich dahinter 7075 Aluminium. Bei den Aluminium Speichen von Alpina taucht der Begriff Avional auf. Dies ist eine AlCuMg1 2017A Aluminiummischung mit 4.75% Kupfer, 0.5% Magnesium und 1.4% Silicium. Dieser Hersteller hat ebenfalls ein Patent auf Aluminiumspeichen, die eingeschraubte Stahlenden haben.

Die Dauerhaltbarkeit bei Aluminiumspeichen dürfte hierbei auch nicht sehr hoch sein, da es bei Biege- und Dehnbelastungen sehr schnell bricht. Da die Festigkeit bei Aluminium geringer ist, als bei Edelstahl, muss das Material größer dimensioniert werden, was schlecht für die Aerodynamik ist. Ausserdem gehen Einspeichmaschinen sehr grob mit dem Material um und eine sehr dicke, robuste Speiche, nimmt das weniger krumm. Immerhin ist Aluminium relativ elastisch, wegen dem niedrigem E-Modul (70 N/m2). Die Speiche längt sich im Vergleich zu Edelstahl (170 N/m2) also relativ stark. Und je stärker die Längung, desto geringer ist die Entlastung. Zur Erklärung, siehe Abschnitt Elastizität. Bei Mavic hört man sehr oft davon, daß die Speichen Klappergeräusche von sich geben beim fahren. Dies wird auf den dicken Durchmesser zurückzuführen sein.

Carbon

Carbonspeichen werden zunehmend im High-End Bereich verarbeitet z.B. bei Lightweight oder Mavic und sind ca. 40% leichter als Stahlspeichen. Erstmals wurden diese vermutlich von Rudolf Dierl und Heinz Obermayer, Mitte der 90er Jahre für Fahrradlaufräder konstruiert. Oft wird zusätzlich Aramid verwendet, was man besser als Kevlar kennt. Kevlar ist jedoch nur ein eingetragener Markenname von Dupont. Das Aramid umgibt die Carbonfasern und gibt zusätzliche Widerstandsfähigkeit gegenüber materialschädigenden Einschlägen oder punktuelle Belastungen. Die neueste Generation der Lightweight Laufräder, verzichtet allerdings auf Aramid. Genaue Gründe sind mir leider nicht bekannt. Die Karbon- und Aramidfasern sind wiederum von einer Plastik Matrix umgeben, bestehend aus Thermoplasten oder Duroplasten. Ob in der Speiche Aramid enthalten ist, sieht man, wenn die Carbonstruktur nicht durchgängig ist.

Der genaue Ablauf ist mir nicht bekannt, aber funktioniert in etwa so. Der Speichendraht kommt von einer großen Rolle, wird gerade gebogen, im Mittelteil konifiziert (reduziert) falls notwendig und passend abgelängt. Danach wird der Speichenkopf geschmiedet und die Speiche am Kopf gebogen. Dies geschieht alles im kalten Zustand. Danach wird das Gewinde aufgerollt.

Sollte es erforderlich sein, die Speiche zu konifizieren, werden 2 unterschiedliche Techniken verwendet. DT hämmert die Speichen mit schnell rotierenden Hämmern. Laut DT bzw. Gerd Schraner, soll dies das Metallgefüge komprimieren, durch dieses kaltschmieden. Ausserdem sind dadurch schönere übergänge zum Mittelteil möglich. Sapim geht einen anderen Weg und zieht die Speiche in die Länge (Sapim Cold Forging Technology). Folgende Info stammt von Sapim: Durch das längen richten sich die Moleküle (Anm. wohl eher Atome) in Richtung der Belastung aus. Aus diesem Grund sind Sapim Speichen allgemein sehr flexibel, man kann sie längs leichter mit der Hand biegen, eben weil die Atome auf Zug optimiert sind. Ebenfalls wegen der Längung, fällt auch der Übergang zum Mittelteil sehr steil aus. In dieser Art wird auch Carbon verwendet, die Fasern werden entsprechend der Belastung ausgerichtet.

Falls man eine Messerspeiche wie die CX-Ray herstellen will, wird die Speiche händisch in eine Gesenkschmiede gelegt. Das macht die Speiche letztendlich so teuer. Durch das schmieden erfährt das Material eine gewaltsame Veränderung, welches zur folge hat, daß die Atome sich verspannen und so eine höhere Festigkeit erhalten.

Gängige Maße für die Enden sind 2mm, es gibt teilweise auch 1.8mm und 2.35mm. Der Mittelteil geht von 1.5 - 2.3mm je nach Modell. Am beliebtesten sind Kopf 2.0mm - Mitte 1.8mm - Gewinde 2.0mm Speichen z.B. DT Competition oder Sapim Race.

Selten wird der Enddurchmesser auch in britischen Gauge oder französischen Jauge angegeben, z.b. 14G (2.0mm) oder 15G (1.8mm).

Speichen mit 1.5mm Mittelteil finden normalerweise Anwendung an Laufrädern mit hoher Speichenzahl. Speziell am Vorderrad oder den schwach belasteten linken Teil am Hinterrad, wo die Speichenspannung in den meisten Fällen sehr gering ist, bedingt durch die Asymmetrie der Nabe.

Am Hinterrad auf der rechten Seite sollte man Speichen mit mind. 1.8mm Mittelteil verwenden, um die hohen Zugkräfte zu kompensieren. Es ist auch möglich ausschließlich die Speichen zu verstärken, die alleine durch den Antrieb zusätzlich auf Zug belastet werden, daß wären bei einem 32 Speichen LR dann 8 Speichen auf der Zahnkranzseite.

Speichen wie die Sapim CX-Ray, CX, DT Aerolite (2.3x0.9), New Aero (3.3x1.0), Aero Speed (2.3x1.2) haben im Mittelteil eine platte, sichelartige Form. Optimal ist, wenn der Mittelteil linsenförmig (elliptisch, oval) ausgeführt ist. Diese Speichenart ist in relation dicker als flache, rechteckige bladed Speichen, wie sie z.B. bei Mavic zu finden sind, aber bietet eine geringere Anströmung im Wind und haben ein besseres Zugspannungs/Gewichts Verhältnis.

Quelle rouesartisanales.com

Speichen ohne Bogen, sog. Hammerkopfspeichen, werden zunehmend bei höherwertigen Systemlaufrädern verwendet. Hier entfällt die Sollbruchstelle am vorbelasteten Bogen der durch die Fertigung an der Biegung enstehen sonst entstehen würde. Gerade am Hinterrad dürften die Vorteile dieser Speichen am größten sein, weil die Belastungen höher sind. Manche Quellen vermuten jedoch, das gerade dieser Bogen zur Stabilität beiträgt weil er sich plastisch verformen kann. Dies mag bei zu hoher Speichenspannung zutreffen aber nicht auf Dauer. Hammerkopfspeichen ermöglichen noch steifere Laufräder, bei denen die Speichen weniger schwingen und auch nichts abgedrückt werden muss.

Straightpull Speichen

Auch ist man damit bezüglich der tangentialen Winkelung der Speichen nicht ganz so flexibel wie bei herkömmlichen Speichen, weil die Speiche nicht gedreht werden kann z.b. um andere Einspeichmuster zu erzeugen als die vorgegebenen.

Konventionelle Bogenspeichen lassen sich nur mit begrenzten Durchmessern herstellen, da der Nabenflansch hier Grenzen setzt. Bei Hammerkopfspeichen werden oft Flanschaufnahmen verwendet, die ein seitliches einlegen der Speiche erlauben und man bei der Speichendicke quasi kein Limit mehr hat.

Hammerkopfspeichen sind ausserdem etwas schwieriger zu zentrieren, weil sich diese mitdrehen und evtl. sogar in sich verdrehen (auch bei Bogenspeichen). Bei Messerspeichen kann man sich mit einer Haltehilfe bedienen, um die Speiche in der Nähe des Nippels festzuhalten, während man den Nippel anzieht.

Ab einer gewissen Speichenspannung verzahnt sich zwar der Speichenkopf im Nabenflansch, trotzdem sollte man, vor allem bei dünneren Speichen, in der Nähe vom Nippel an der Speiche gegenhalten um ein in sich verdrehen der Speiche zu verhindern.

So einen Halter kann man sich leicht aus einem Stück Acrylglas mit einem Einschnitt mittels Säge zurechtschneiden. Bei sehr dünnen Speichen die nicht als Messerspeiche ausgeführt sind, kann das schon etwas komplizierter werden beim anziehen.

Eine Sonderart stellt die Z-Speiche dar. Hier entfällt der Kopf, statt dessen ist das Ende Z-förmig gebogen. Dadurch das die Stauchung des Kopfes entfällt, soll diese Speichenart etwas haltbarer als herkömmliche Speichen sein. Es lassen sich auch ohne Demontage der Kassette wechseln. Auch sehr breite Messerspeichen lassen sich unabhängig von der Größe der Nabenbohrung montieren, wie z.B. bei der ersten Generation der Vuelta WR Carbon. Ein großer Nachteil ist, daß die maximale Speichenspannung begrenzt ist, da die Speiche sich sonst selbst wieder aufbiegen würde. Gerade das macht den Vorteil, dicke Speichen montieren zu können wieder zunichte, da die Speichen nicht fest genug angezogen werden können.

Es gibt sogar Speziallfälle die Speichen mit längerem Bogen erfordern, dies ist vor allem durch den Nabenflansch bedingt. Ein zu dünner Nabenflansch kann auch Speichenunterlegscheiben erfordern, damit der Speichenkopf kein zu großes seitliches Spiel hat. Im Jahre 2000 soll es so gewesen sein, daß DT die Länge am Bogen vergrößert hat (von 6.1 auf 6.8mm). Der Winkel war annähernd 90Grad und es sollte helfen, die Laufräder schneller aufzubauen. Offensichtlich gab es dadurch Probleme durch das weglassen von Unterlegscheiben, so das DT annähernd die alte Spezifikation wieder hergestellt (2001 6.3mm) hat. Eine falsche Kombination mit zu langer Biegung führt zum ausernanderziehen der Biegung (Verlängerung der Biegung bis + 1,50mm pro Speiche). Bei dickeren Speichen (1.8er Mittelteil) ist zu beobachten das der Bogen ca. 0.1mm länger ist als bei 1.5er Speichen.

Speichen mit unterschiedlicher Länge nach Biegung

Wenn man die Datenblätter der Hersteller ansieht, mag man auf den ersten Blick denken, eine CX Ray hätte die höchste Belastbarkeit, doch dies ist nicht richtig. Es wird als Einheit pro mm² angegeben und dadurch das diese Speiche im Mittelteil weniger Material als eine Race oder Strong hat, ist diese weniger hoch belastbar. Dadurch das die CX Ray geschmiedet ist, hat sie das stabilste Material aber muss sich trotzdem dickeren Speichen geschlagen geben, die einfach mehr Material haben.

Wir rechnen also:

A[ellipse]=PI/4*D*d
3.14... / 4 * 2.2 * 0.9
A=1,56mm² * 1600N/mm² = 2488N.

Wenn man dies mit anderen Sapim Speichen vergleicht, hat die CX-Ray sogar die geringste Zugkraft. Allerdings hat sie ein gutes Zugkraft/Gewichts-Verhältnis und eine extrem hohe Lebensdauer. Hier lässt sich auch erkennen, je dünner der Draht, desto höher die Belastbarkeit pro mm².

Insbesondere am Mittelteil ist die Belastung bei sehr hohen Zugkräften am höchsten wegen der Verjüngung, weswegen Angaben bei der Zugkraft dort ableiten.

Aus der max. Zugkraft lässt sich übrigens nicht die Speichenvorspannung ableiten, so fest will niemand spannen.

Aber es gilt: Eine dicke Sapim Strong kann fester gespannt werden als eine Race oder Laser und steckt mehr Belastungen weg.