Speiche (Rad)

Speichen (lateinisch radius = Speiche, Halbmesser) verbinden Naben mit Felgen zu einem Rad. Sie können auf Druck, Zugfestigkeit und Seitensteifigkeit belastet werden.

Geschichte

Speichenräder tauchten etwa 2000 vor Chr. in Ägypten auf und sind in ähnlicher Bauweise noch heute im Gebrauch. Mit ihren dicken Querschnitten übertragen die Speichen die Druckkräfte von der Felge auf die Nabe. Die ersten Speichenräder tauchen in der Bronzezeit mit dem Gebrauch des zweirädrigen Streitwagens im Orient auf. Sie lösten teilweise die bis dahin üblichen schweren Scheibenräder ab, Scheibenräder waren aber in Anatolien noch bis ins letzte Jahrhundert gebräuchlich. Das älteste erhaltene Exemplar eines Rades aus Bronze mit vier Speichen in Europa stammt aus der Schweizer Siedlung Cortaillod. Es hat 47 cm Durchmesser, eine Nabenlänge von 37 cm und wog um die 10 kg. Real belastbar waren dagegen erst Räder mit sechs oder mehr Speichen, wie sie auf manchen ägyptischen Fresken abgebildet sind. Mit der Verbesserung der Holzverarbeitungstechniken tauchten dann auch Speichen aus Holz auf, die in Mitteleuropa z. B. für Gespann-Fuhrwerke noch heute in Gebrauch sind. Assyrische Streitwagen hatten zuerst sechs, seit Tiglat-Pileser III. acht Speichen.

Fahrrad

Fahrradspeichen weisen einen hohen Schlankheitsgrad auf und würden bei Druckbelastung ausknicken. Die Laufräder nutzen die hohe Zugbelastbarkeit der Speichen aus. Die Speichen setzen die Felge unter eine hohe Vorspannung und übertragen die Zugkräfte von der Felge zur Nabe. Fahrradspeichen werden nicht auf Biegung beansprucht. Im eingespeichten Laufrad zieht jede Speiche die Felge zu dem jeweiligen Nabenflansch hinunter und herüber. Da alle Speichen mit der gleichen Vorspannung angezogen sind, stellt sich ein Gleichgewicht der Zugkräfte ein. Sauber zentriert kann sich die Felge mittig zwischen den Nabenflanschen drehen.

Beim Fahrrad stellen die Speichen die Verbindung zwischen Fahrradfelge und Fahrradnabe her. Mittels Speichennippel werden die Speichen in der Felge fixiert und die notwendige Vorspannung eingestellt. Fahrradspeichen unterscheiden sich im Durchmesser und in der Form des Querschnitts. Am gebräuchlichsten sind Speichen mit kreisrundem Querschnitt von 1,8 mm, 2,0 mm (Standard) und 2,34 mm Durchmesser. Der bis auf 95° Winkel in der Biegung abgebogene Speichenbogen endet in einem dickeren Speichenkopf, dessen Form dem Kopf einer Linsensenkkopfschraube ähnelt; dieser Kopf hält die Speiche in einer gesenkten Querbohrung des Nabenflansches.

Glatte Speichen haben – abgesehen vom Gewindeteil und vom Speichenkopf – überall den gleichen Durchmesser. Für hochwertige Speichenlaufräder werden Eindickend- (ED), Doppeldickend- (DD) und 3D-Speichen angeboten. Bei ED-Speichen ist der Kopfteil dicker, bei DD-Speichen sind Bereiche am Kopf und am Gewinde dicker, haben aber beide denselben Durchmesser. 3D-Speichen sind DD-Speichen mit unterschiedlichem Durchmesser im Kopf- und im Gewindebereich, wobei der Speichenbogen – wegen der besonders hohen Beanspruchung – am dicksten ausgeführt wird. Die derzeit – 2011 – leichtesten handelsüblichen Stahlspeichen haben im Bogen und am Gewinde 1,8 mm Durchmesser und verjüngen sich zur Mitte mit 1,4 mm.

Eine Variante der verjüngten Speiche ist die Flachspeiche (auch Messer-, Säbel-, Aerospeiche), die in einem langen Mittelabschnitt einen flach-längsovalen (rund 3 x 1 mm) Querschnitt hat. Die Speichen sind hier so geformt, dass sie mit ihrer schmalen Seite die Luft in Bewegungsrichtung „durchschneiden“. Durch aus Sicht der anströmenden Luft kleinere Fläche kann der Luftwiderstand sinken, also die Aerodynamik verbessert werden, weswegen im Radsport dieser Speichentyp verbreitet ist. Naturgemäß sind solche Speichen weicher gegenüber Verdrillung, was beim Drehen der Nippel, zum "Anziehen" der Speichen bedeutsam ist.

Allerdings zeigten Messungen u. a. von Radsportmagazinen, dass der Luftwiderstand bei Messerspeichen, die nicht exakt in Bewegungsrichtung ausgerichtet sind, drastisch ansteigt und leicht über dem gewöhnlicher Speichen liegen kann. Bei starkem Seitenwind tritt ein ähnlicher Effekt auf. Die bessere Aerodynamik fällt auch erst bei einer Geschwindigkeit ab etwa 40 km/h ins Gewicht.

Kopfspeichen vermeiden den stark beanspruchten Speichenbogen, sie verlaufen gerade und erfordern somit einen besonders gestalteten Nabenflansch.

Z-Speichen haben anstelle des Kopfes ein Z-förmig gebogenes Ende, das in die Nabenflanschbohrung eingehängt werden kann, ohne dass die Speiche vom Gewindeteil aus eingefädelt werden muss: ein Vorteil bei einer Panne unterwegs, vor allem bei einem Hinterrad mit großem Zahnkranz.

Für Reparaturen auf Reisen hatten manche Fahrradtypen (etwa von Koga-Miyata) auf der Oberseite der Kettenstrebe gelochte Laschen zum Einspannen von 2 Ersatzspeichen, die zugleich die Strebe vor Kettenschlag schützten. Einige Ersatzspeichen passender Längen können mit Klebstreifen oder Seilchen einfach außen an einer Strebe befestigt oder aufwendiger im Sattelrohr untergebracht werden. Teuer sind mit Mittelteil aus Stahlseil gefertigte Reparaturspeichen, die damit zusammenrollbar werden und wegen der dicken Fügestellen (Einpressung des Seils) immer Z-Köpfe aufweisen.

Damit Speichen von genügend Gewindegängen des Nippels erfasst werden, Verstellspiel haben und nicht in den Schlauch stechen, brauchen sie jeweils auf etwa 2 mm passende Länge – zumeist für Vorderrad, sowie Hinterrad rechts und links 3 verschiedene Längen pro Fahrrad. Durch scharfes Abknicken um etwa 100° und gegenläufiges Verhaken von 2 Speichen, eventuell mittels eines kurzen Stahlröhrchens mit 4 mm Innendurchmesser lassen sich behelfsmässig beliebige Längen überbrücken.

Eine weitere Sonderbauform stellen die Wellenspeichen dar, deren leicht wellenförmig ausgebildeter Mittelteil eine federnde Wirkung erzeugen soll.

Die Gewinde von Fahrradspeichen sind zur Vermeidung von Bruchkerben aufgewalzt, nicht geschnitten.

Speichen werden aus Edelstahl – rostfrei (heute überwiegend), Stahl, Aluminium, Titan und Carbon gefertigt. Stahlspeichen werden verzinkt, vernickelt oder verchromt. Hochwertige Stahlspeichen weisen eine Zugfestigkeit von 1200 N/mm² und mehr auf.

Beim Einbau von Speichen in ein Laufrad gibt es unterschiedliche Methoden. Unterschieden werden insbesondere die tangentiale und die radiale Einspeichung. Details siehe unter Laufrad.

Zugbelastung der Speichen

Bei heutigen Fahrrädern werden Drahtspeichen ausschließlich auf Zug belastet. Nur so hält der Nippel formschlüssig in der Felge. Wohl dosiertes Vorspannen der Speichen bei der Radherstellung und ein gewisses Anziehen mit der Zeit zum Ausgleich von Setzung und Längung hält die jeweils belasteten Speichen beim Abrollen des Rades unter Zug.

Die Belastung der Achse drückt auf die Radnabe. Da die Speichen praktisch nur Zugkräfte übertragen können, erfolgt die Kraftübertragung nicht von der Radnabe direkt nach unten, sondern nach oben zur Felge und erst über diese nach unten und über den Reifen zum Boden. Unter der Last drückt sich der Reifen auf einer gewissen Länge ein wenig breit. Der Reifen gibt in diesem Bereich - der Reifenaufstandsfläche - den Druck an ein Segment der Felge weiter, in dem vielleicht 1, 2 oder 3 Speichen sitzen.

Die im oberen Teil in die Felge eingeleitete, senkrecht wirkende Gewichtskraft wird von den momentan horizontal verlaufenden Speichen abgefangen. Überdies hat die Felge eine gewisse Eigensteifigkeit, sodass sie sich unter der Krafteinwirkung kaum verformt. Idealisiert ohne jegliche Felgenverformung betrachtet, und die meist 36 Speichen in 4 Sektoren zu je 9 Stück eingeteilt, sind die momentan unten liegenden Speichen unbelastet, der vordere und hintere Speichensektor stabilisieren die Felge und der obere Speichensektor trägt die Achslast. Die oberen 9 durch eine Zugkrafterhöhung um je 1/36 der Achslast.

Eine Speiche funktioniert dann gut im System, wenn sie entlang dem kleinen Weg der Verschiebung und Verformung der Felge (unten) ihre Zugkraft passend nachlässt.

Eine 1,8 mm dünne Speiche hat gut 2,5 mm² Querschnittsfläche. Mal 1200 N/mm² Zugfestigkeit ergibt dies eine maximale Zugkraft von 3000 N. Wird davon 1000 N als Vorspannkraft genützt, trägt das Rad unten je entspannter Speiche 1000 N, also rund 100 kg Gewichtskraft. Werden Speichen am Aufstand unten mangels ausreichender Vorspannkraft völlig entspannt, so hebt sich beim Abrollen der Speichennippel einen Moment etwas aus seinem Sitz in der Felge, es kommt zu Knistern und oft weiterem Lockern des Nippels.

Je Radumdrehung kommt es in jeder gut vorgespannten Speiche zu einer eher kurzen stärkeren Entspannung (unten) und einer weniger starken doch länger dauernden Zusatzanspannung (oben). Diese Wellen im zeitlichen Verlauf der Speichenzugkraft werden mit der Achslast größer und von Stößen durch eine unebene Fahrbahn überlagert. Vergleichsweise gering wirkt sich die Fliehkraft aus: 1 kg rotierende Radaußenmasse bei 630 mm Durchmesser, 72 km/h Geschwindigkeit und 2 m Radumfang ergibt 138 N Zentrifugalkraft pro Speiche (von 36).

Nabeneingeleitete Axialmomente durch Antritt oder Bremsen, schräg wirkende Aufstandskraft beim Wiegetritt oder Kurvenfahrt eines Dreirades mit senkrechten Rädern belasten die Speichen zusätzlich. Auch Schwingungen des Rahmens werden als Speichenkräfte weitergeleitet. Besonders grob wirken „Radständer“, die nur einen kleinen Teil des Radumfangs festhalten – schon allein beim Kippen eines „aufgepackten“ Fahrrades, Springen mit den Beinen auf ein liegendes Laufrad, zu beachten beim Einradfahren, oder griffiges Aufkommen mit Querbewegung zum Rad nach Sprung, Sturz oder Wegrutschen.

Ein nur 10 cm langes Stück der Felge, eben das vom Reifen im Bereich der 2 untersten Speichen nach oben gedrückt wird, dellt sich unter 90 kg Last, entsprechend der Bodendruckkraft von ca. 900 N, um weniger als 1 mm ein, da die Trägerlänge nur 1/6 des Felgendurchmessers beträgt.

Reine Zugbelastung der Speichen macht flexible sogenannte Notspeichen möglich, die aus einer festen Kordel oder (im Mittelteil) aus Stahlseil bestehen und daher zusammengerollt ohne Knickgefahr eingepackt und unterwegs einfacher ins Rad eingesetzt werden können.

Speichenlänge

Ihre Definition – von der Innenseite des Knicks (genau an der Innenkante zum Nippel) bis zum geraden Ende samt Gewinde – kommt vom Einhaken am Anfang eines dünnen Maßstabs zum Abmessen.

Vor dem Aufbau eines Laufrades muss die nötige Speichenlänge ermittelt werden, wobei folgende Formel genutzt werden kann:

<math>L = \sqrt[2\,]{a^2 + \frac{D_w^2 + d^2 - 2\,D_w\,d\,\cos(\alpha) }{4}} - \frac{d_s} {2}</math>

Dabei ist

<math>\alpha = 2 \pi\,\frac{n_k} {n_s}</math> im Bogenmaß bzw.

<math>\alpha = 360\,\frac{n_k} {n_s}</math> im Gradmaß

Die Parameter sind wie folgt:

<math>L</math> → Speichenlänge

<math> D_w </math> → Felgenwirkdurchmesser (Abstand der Speichennippelenden an zwei gegenüberliegenden Felgenlöchern)

<math> d </math> → Lochkreisdurchmesser der Speichenlöcher im Flansch

<math> a </math> → Distanz Speichenflansch zur Nabenmitte

<math> n_k </math> → Anzahl Speichenkreuzungen

<math> n_s </math> → Anzahl Speichen pro Flansch

<math> d_s </math> → Speichenlochdurchmesser

Kraftrad

Technisch gilt grundsätzlich alles oben Stehende auch für Drahtspeichenräder an Krafträdern und Automobilen. In der DIN 74371-1 waren bis Juli 2006 abgewinkelte Speichen für Krafträder mit den Gewinden M 5, M 4, M 3,5 und M 3 als glatte Speiche und als Eindickend-Speiche (ED) genormt, früher auch als Doppeldickend-Speiche und in empfohlenen Standard-Längen. In der Norm wurde ein Winkel in der Biegung von 95° empfohlen. Die Normausgabe vom Dezember 1957 empfiehlt als Werkstoff Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1000 bis 1400 N/mm². Bei Motorradkonstruktionen sind auch nicht-abgewinkelte Drahtspeichen verwendet worden.

Automobil

Artillerieräder

Frühe Automobile wiesen oft vom Kutschenbau abgeleitete Holzspeichenräder, sog. „Artillerieräder“, mit meist acht bis zwölf Speichen pro Rad auf. Die Speichen waren anfangs fest mit der Achse verbunden. Das war unpraktisch, weil ein Reifenwechsel direkt am Fahrzeug vorgenommen werden musste und ein Radbruch nur mit großem Aufwand vor Ort zu reparieren war. Man behalf sich erst mit abnehmbaren Felgen und führte einen oder mehrere davon mit montierten Reifen als Ersatz mit. Komplett abnehmbare Räder begannen sich ab etwa 1910 durchzusetzen.

In den 1920er Jahren verwendeten manche Hersteller Artillerieräder aus Eisenguss. Beide Formen wurden ab Anfang der 1930er Jahre von Stahlrädern abgelöst, nachdem diese einige Jahre zuvor als Zubehör in Mode gekommen waren.

Drahtspeichenräder

Drahtspeichenräder werden seit dem Ende des 19. Jahrhunderts auch für vorwiegend leichte und sportliche Automobile verwendet. Rudge erfand 1907 das mittels Zentralverschluss abnehmbare Speichenrad das bis in die 1960er Jahre ein Merkmal vieler sportlicher Fahrzeuge war. In den 1920er und 1930er Jahren war es Mode, die Speichenräder unter einer Metallabdeckung zu verbergen, die mit dem gleichen Verschluss gesichert war, der auch das Rad hielt.

An Automobilen kommen auch andere Biegungswinkel als 95° vor, bei einigen Konstruktionen werden Speichen auch in mehr als 2 Ebenen je Rad angeordnet.

Eisenbahn

Erste Eisenbahnräder waren oft als hölzerne Speichenräder ausgeführt, was ursprünglich durch die Tradition des Kutschenbaus beeinflusst war. Die großen Treibräder moderner Dampflokomotiven wurden später zwar durchgehend aus Stahl gefertigt, dennoch zur Gewichtsersparnis weiterhin als Speichenräder ausgeführt. Die ersten Vollbahn-Elektrolokomotiven hatten ebenfalls Speichenräder.

Literatur

• Michael Gressmann, Franz Beck, Rüdiger Bellersheim: Fachkunde Fahrradtechnik. 1. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2006, ISBN 3-8085-2291-7
• Fritz Winkler, Siegfried Rauch: Fahrradtechnik Instandsetzung, Konstruktion, Fertigung. 10. Auflage, BVA Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG, Bielefeld, 1999, ISBN 3-87073-131-1
• Rob van der Plas: Die Fahrradwerkstatt – Reparatur und Wartung Schritt für Schritt. 1. Auflage, BVA Bielefelder Verlaganstalt, Bielefeld, 1995, ISBN 3-87073-147-8
• Christian Smolik, Stefan Etzel: Das neue Fahrrad Reparatur Buch. 9. Auflage, BVA Bielefelder Verlaganstalt, Bielefeld, 2010, ISBN 978-3-87073-055-0

Weblinks

• Komfortabler Speichenlängenrechner auf Speichenrechner.de
• Speichenlängenrechner auf mp-all.de
• Speichenlängenrechner auf fahrradmonteur.de
• Speichenlängenrecher auf racotec.de, der auch 8:16-Einspeichung beherrscht
• Schnitt durch ein PKW-Artillerierad (Packard 1911) (englisch) (abgerufen am 17. Oktober 2012)

Siehe auch

• Fahrphysik (Auto)
• Fahrwerk
• Zweirad mit Frontantrieb
• Lenkung , Nachlauf (Lenkung)
• Lastwechselreaktion