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Speichen und Nippel

Warum Speichen brechen, welche Arten es gibt, wie die Speichenlänge entsteht und wie weit die Speiche im Nippel sitzen soll.

Warum Speichen brechen

Speichen reißen fast nie, weil sie einmal überlastet werden. Sie brechen durch Ermüdung. Bei jeder Radumdrehung wird die Speiche an der Aufstandsfläche ein Stück entlastet, kurz davor und danach etwas stärker belastet und läuft den Rest der Umdrehung mit nahezu gleicher Spannung. Nach vielen Millionen solcher Wechsel entstehen an der Oberfläche feine Risse, die langsam wachsen, bis der Rest reißt. Das geschieht an zwei Stellen:

Am Bogen direkt unter dem Kopf, der häufigsten Stelle. Dort wird der Kraftfluss umgelenkt und drängt sich auf die Innenseite des Bogens. Außerdem ist der Draht hier vom Anstauchen des Kopfes und vom Biegen schon stark verformt. Eine glatte Innenseite des Bogens verlängert die Lebensdauer deutlich.
Am Beginn des Gewindes, durch die Kerben der Gewindegänge. Die Kerbwirkung allein ist weniger schädlich als der Bogen; kritisch wird es, wenn die Speiche schräg in den Nippel einläuft und das Gewinde zusätzlich gebogen wird. Deshalb sind Felgenlöcher meist leicht zum Flansch hin gerichtet gebohrt.

Die beiden Stellen, an denen Speichen durch Ermüdung brechen: am Bogen direkt unter dem Kopf und am Beginn des Gewindes. Schematisch im Schnitt, die Speiche ist stark verkürzt gezeichnet.

Was Brüche begünstigt:

Zu wenig Spannung. Wird die Speiche bei Bodenwellen ganz entlastet und dann schlagartig wieder gespannt, schwingt sie wie eine Saite, und der Bogen arbeitet im Flanschloch.
Ein Bogen, der nicht anliegt. Ist der Flansch dünner als der Bogen lang ist, steht die Speiche ab, und die Spannung zieht den Bogen ein Stück wieder auf. Eine lose eingefädelte Speiche soll nur wenige Grad vom Flansch abstehen. Bei Flanschen unter etwa 3 mm helfen kleine Unterlegscheiben unter dem Kopf, am besten aus Messing und mit 2 mm Loch. Oft genügen sie an den Speichen, deren Bogen innen am Flansch liegt.
Die Machart des Flansches. Geschmiedete Flansche sind fester als aus dem Vollen gedrehte. Gut sind dicke Flansche mit leicht angesenkten Löchern, die den Bogen stützen. In Aluminium drückt sich der Bogen ohnehin sein Bett.
Ein zu weites Flanschloch, in dem der Bogen keinen Halt findet.
Ungleiche Spannung. Einzelne Speichen tragen dann viel mehr als ihre Nachbarn.
Eine weiche, flache Felge. Sie federt unter Last stärker ein und vergrößert die Lastwechsel. Hohe, steife Felgen senken die Bruchrate.
Kerben, etwa durch eine abgesprungene Kette am Hinterrad.

Am häufigsten brechen Speichen am Hinterrad auf der Antriebsseite, bei schweren und kräftig antretenden Fahrern und im Gelände. Ob Speichen, deren Bogen innen am Flansch liegt, häufiger brechen als außen liegende, ist umstritten.

Nach einem Bruch tragen die unmittelbaren Nachbarn mehr; die Speiche bald ersetzen, sonst folgen weitere. Bricht in einem älteren Rad die zweite oder dritte Speiche, sind die übrigen ähnlich weit ermüdet, und es lohnt sich, alle Speichen dieser Seite zu erneuern. Ein gut gebautes Rad mit Edelstahlspeichen braucht dagegen keinen vorbeugenden Speichentausch.

Dünne Speichen leben länger. Eine dünnere Speiche dehnt sich bei gleicher Kraft stärker. Flacht die Felge an der Aufstandsfläche um denselben Betrag ab, verliert die dünne Speiche deshalb weniger Spannung: bei 1,8 mm etwa ein Fünftel, bei 1,5 mm fast die Hälfte weniger als bei 2,0 mm. Die Lastwechsel werden kleiner, und die Speiche wird später schlaff.

Auch die Fahrweise zählt: Wer über Schlaglöcher aus dem Sattel geht und das Rad entlastet, schont seine Speichen.

Speichenarten

Bauform	Eigenschaften
Durchgehend gleich dick	Meist 2,0 mm, auch 1,8 oder 2,3 mm. In englischen Angaben heißen 2,3 mm 13 gauge, 2,0 mm 14, 1,8 mm 15 und 1,6 mm 16; die alte französische Zählung läuft umgekehrt. Preiswert und steif, aber wenig elastisch; Lastspitzen kommen ungemildert an Bogen und Gewinde an.
Doppelt verjüngt (doppeldickend)	An beiden Enden dick, in der Mitte dünner, zum Beispiel 2,0/1,8/2,0 oder 2,0/1,5/2,0 mm. Der dünne Mittelteil dehnt sich und schont die Enden. Leichter und haltbarer; der Standard für gute Räder und die richtige Wahl für leichte Felgen.
Einfach verjüngt (eindickend)	Am Bogen dicker als am Gewinde, zum Beispiel 2,3/2,0 mm. Für hohe Lasten wie Lastenrad, Tandem und E-Bike. Braucht ein passend großes Flanschloch.
Dreifach abgestuft	Verstärkter Bogen, dünne Mitte, normales Gewindeende, zum Beispiel 2,3/1,8/2,0 mm. Verbindet den kräftigen Bogen mit der elastischen Mitte; für Problemfälle am Hinterrad.
Flach (Messer- oder Säbelspeiche)	Der Mittelteil ist flach oder oval gewalzt und schneidet besser durch die Luft. Schmale Ausführungen passen durch normale Flanschlöcher, breite brauchen geschlitzte Flansche. Löcher selbst aufzufeilen schwächt den Flansch und kostet die Gewährleistung. Beim Spannen muss man sie gegenhalten, sonst verdrehen sie sich sichtbar.
Gerade, ohne Bogen	Der Kopf sitzt in einer eigens geformten Nabe; ältere Bezeichnung Hammerkopfspeiche. Die Schwachstelle Bogen entfällt. Die Speiche kann sich beim Spannen mitdrehen, und Ersatz gibt es nur passend zur Nabe.
Mit Z-Ende	Statt des Kopfes ein zweiter, gegenläufiger Bogen. Lässt sich ohne Ausbau des Zahnkranzes einhängen und macht flache Speichen in normalen Naben möglich. Als Ersatzspeiche unterwegs praktisch, für den Dauerbetrieb gilt der doppelte Bogen als bruchanfälliger.
Notspeichen	Aus Faserseil oder Bowdenzug mit Haken, für die Heimfahrt.
Historische Sonderformen	Speichen mit gewelltem Schaft, die federn sollten, und Speichen aus Kunstfaser mit aufgepressten Endstücken. Beide sind vom Markt verschwunden.

Der Kopf einer Speiche wird kalt angestaucht, der dünnere Mittelteil gewalzt oder gehämmert. Speichen gibt es in Längenstufen von einem oder zwei Millimetern.

Die Bauformen im Längsprofil: links Kopf und Bogen, rechts das Gewinde, ganz rechts der Querschnitt in der Mitte. Die Dicken sind gegenüber der Länge stark überhöht und die Unterschiede zusätzlich vergrößert, die Zahlen nennen den Durchmesser in Millimetern; bei der flachen Speiche blickt man auf die schmale Kante.

Werkstoffe

Edelstahl: der Normalfall. Der gezogene Draht ist mit etwa 1200 bis 1800 Newton je Quadratmillimeter fester als hochwertige Rahmenrohre, dazu zäh und rostfrei.
Verzinkter Stahl: billig und anfangs ebenso fest, rostet aber, sobald die Zinkschicht durch ist.
Titan: wiegt gut halb so viel wie Stahl, ist aber auch nur halb so steif. Das Rad wird weicher; das Gewinde neigt zum Fressen. Der Aufwand lohnt nach verbreiteter Ansicht nicht.
Aluminium: dicke Speichen in Systemlaufrädern, mit eigenen Nippeln und Naben. Nur im System verwendbar.
Carbon und andere Fasern: sehr leicht und steif, in Systemlaufrädern oft fest mit Felge und Nabe verbunden. Unterwegs nicht zu ersetzen. Fasern sind spröde: Sie vertragen Kerben und Schläge von der Seite schlecht und brechen ohne Vorwarnung.

Nippel und Gewinde

Der Nippel ist eine lange Mutter mit Kopf. Die Hülsenform ist Absicht: Sie dehnt sich unter Last etwas mit, sodass viele Gewindegänge tragen und nicht nur der erste. Der kegelige Kopf richtet sich im Felgenloch zur Speiche hin aus. Der Schlitz dient nur dem schnellen Aufschrauben; gespannt wird am Vierkant.

Das Speichengewinde wird gerollt, nicht geschnitten. Sein Außendurchmesser ist deshalb größer als der Schaft: 2,0 mm bei Speichen mit 1,8 mm, 2,3 mm bei 2,0 mm und 2,6 mm bei 2,3 mm. Die Steigung ist etwas größer als bei einem metrischen Gewinde gleicher Größe.

Messing: der Standard, meist vernickelt, auch verzinkt oder verchromt. Gleitet gut auf dem Gewinde, korrodiert kaum und verzeiht einen nicht ganz passenden Schlüssel.
Aluminium: wiegt etwa ein Drittel und spart am ganzen Rad rund 30 Gramm. Dafür rundet es leichter ab, frisst bei Feuchtigkeit und Streusalz fest und kann am Kopf abreißen, wenn die Speiche nicht bis in den Kopf reicht. Nur mit richtig langen Speichen, geschmiertem Gewinde und einem Schlüssel verwenden, der den Nippel an mehr als zwei Ecken fasst. Am besten in Felgen mit Ösen aus Stahl; Aluminium auf Aluminium frisst am ehesten.
Passung: Nippel gibt es passend zu jedem Speichengewinde. Der richtige sitzt fast spielfrei; ein Nippel für dickere Speichen lässt sich auf ein dünneres Gewinde drehen, trägt dort aber schlecht.
Edelstahl: selten, für besondere Fälle.
Länge: 12 mm ist üblich, 14 und 16 mm gibt es für dicke Felgenböden und für besseren Zugriff. Wie weit das Gewinde im längeren Nippel sitzt, hängt vom Hersteller ab; im Zweifel den ERD mit den Nippeln messen, die verbaut werden.
Innenliegende Nippel: sitzen verdeckt in der Felge und werden von innen mit einem Steckschlüssel gedreht. Aerodynamisch sauber, aber zum Zentrieren müssen Reifen und Felgenband herunter.
Nippel mit Sechskant am Kopf, für Steckschlüssel und Zentrierautomaten.
Selbstsichernde Nippel: mit Klemmeinsatz oder verformtem Gewinde gegen Lockern.
Unterlegscheiben: verteilen die Kraft bei ungeösten und bei Carbonfelgen und lassen den Nippel sich schräg ausrichten.

Die Formel

Eine Speiche läuft vom Flanschloch der Nabe zum Nippelsitz in der Felge. Ihre Länge ergibt sich aus drei Abständen: dem Radius der Felge, dem Radius des Lochkreises und dem seitlichen Abstand des Flansches zur Felgenmitte. Dazu kommt der Winkel, um den das Flanschloch gegenüber dem Felgenloch um die Achse verdreht ist.

Länge = √(R² + r² + a² − 2·R·r·cos θ) − halbes Speichenloch

Die Größen der Formel am Beispiel 32 Speichen, dreifach gekreuzt (θ = 67,5°). Links von der Seite: R, r und der Winkel θ an der Achse. Rechts im Schnitt: der Flanschabstand a zur Ebene der Felgenlöcher. Lochkreis und Flanschabstand sind vergrößert gezeichnet.

R ist der halbe ERD der Felge.
r ist der halbe Lochkreis des Flansches.
a ist der Abstand vom Flansch zur Ebene der Felgenlöcher.
θ (Theta) ist der Winkel an der Nabe. Bei klassischer Einspeichung gilt θ = 720° × Kreuzungen ÷ Speichenzahl.

Abgezogen wird der halbe Durchmesser des Speichenlochs, weil der Speichenbogen am Rand des Lochs anliegt und nicht in dessen Mitte.

Die empfohlene Länge im Rechner ist auf ganze Millimeter abgerundet, weil Speichen sich unter Spannung etwas längen, bei üblicher Länge um knapp einen Millimeter. Der brauchbare Bereich ist klein, insgesamt etwa drei Millimeter: Ist die Speiche zu kurz, tragen zu wenige Gewindegänge. Ist sie zu lang, steht sie über den Nippelkopf hinaus oder läuft im Nippel auf, dessen Gewinde etwa auf Höhe der Schlüsselflächen endet. Ob man im Zweifel die nächstkürzere oder die nächstlängere lieferbare Länge nimmt, wird verschieden gehandhabt; die längere ist das kleinere Übel, solange das Gewinde nicht aufläuft.

Wie stark Messfehler durchschlagen: Ein Fehler im ERD geht zur Hälfte in die Speichenlänge ein. Ein Fehler im Flanschabstand wirkt nur mit etwa einem Zehntel, einer im Lochkreis je nach Kreuzungszahl mit bis zur Hälfte. Am genauesten muss also die Felge gemessen werden.

Faustwerte zur Kontrolle. Die Tabelle zeigt, um wie viel die Speiche länger (+) oder kürzer (−) ist als der halbe ERD. Gerechnet ist sie für einen Lochkreis von 45 mm und 30 mm Flanschabstand. Je 10 mm mehr Lochkreis werden radial und einfach gekreuzte Speichen rund 5 mm kürzer, zwei- und dreifach gekreuzte etwa 2 bis 3 mm.

Speichen	radial	1-fach	2-fach	3-fach	4-fach
20	−22	−18	−6	–	–
24	−22	−19	−10	+1	–
28	−22	−20	−13	−4	–
32	−22	−20	−15	−8	+1
36	−22	−21	−17	−10	−3

Auf der Antriebsseite eines Hinterrads ist die Speiche wegen des kleineren Flanschabstands ein bis zwei Millimeter kürzer. Weicht ein gerechneter Wert stark von der Tabelle ab, stimmt meist eine Eingabe nicht. Kombinationen ohne Wert sind nicht sinnvoll: Die Speiche würde über die Tangente hinaus abgewinkelt, und die Köpfe lägen übereinander.

Die weiteren Werte im Rechner

Stützwinkel: der Winkel, in dem die Speiche seitlich aus der Radebene herausläuft. Je größer, desto besser stützt die Seite das Rad gegen Seitenkräfte.
Spannungsverhältnis: Beide Seiten müssen die Felge gleich stark zur Seite ziehen. Die Seite mit dem flacheren Stützwinkel braucht dafür mehr Spannung. Bei Hinterrädern trägt deshalb die rechte Seite oft fast doppelt so viel wie die linke.
Austrittswinkel am Flansch: 0° heißt radial, 90° heißt tangential. Je näher an 90°, desto besser überträgt die Speiche Antriebs- und Bremsmoment.
Wirksamer Lochkreis: der Durchmesser des Kreises, den die Speichenlinie berührt. Er zeigt, mit welchem Hebel die Speiche Drehmoment überträgt.
Winkel an der Felge: wie schräg die Speiche in den Nippel einläuft. Große Winkel belasten Nippel und Speichengewinde auf Biegung. Als Grenze gelten etwa zehn Grad.
Abstand zum Nachbarkopf: Bei vielen Kreuzungen läuft die Speiche dicht über den Kopf der Nachbarspeiche. Wird der Wert sehr klein, liegt sie auf dem Kopf auf; dann besser eine Kreuzung weniger wählen.

Den ERD richtig messen

Der ERD ist der Durchmesser, auf dem die Speichenenden im fertigen Rad liegen sollen. Er hängt deshalb nicht nur von der Felge ab, sondern auch davon, wie weit die Speiche in den Nippel hineinragen soll. Übliche Speichen haben etwa 9 mm Gewinde, ein normaler Nippel ist 12 mm lang.

Ohne Messspeichen geht es auch über den Umfang: Ein schmales Stahlmaßband außen um die Felge legen, den Umfang durch 3,1416 teilen und so den Außendurchmesser bestimmen; ersatzweise den Durchmesser an drei oder vier Stellen messen und mitteln. Davon zweimal die Tiefe vom Felgenrand bis zum Nippelsitz abziehen und für die beiden Nippelköpfe zusammen etwa 4 mm zuzählen. Ein Fehler im Umfang geht dabei nur mit einem Sechstel in die Speichenlänge ein.

Wo der ERD an der Felge liegt: am Speichenende im Nippel, etwa 2 mm über dem Nippelsitz. Für die Messung über den Umfang wird vom Außendurchmesser auf beiden Seiten die Tiefe bis zum Nippelsitz abgezogen und für die beiden Nippelköpfe zusammen etwa 4 mm zugezählt.

Wie weit die Speiche im Nippel sitzt, entscheidet über die Reserve beim Zentrieren:

Skizze	Speichenende	Bewertung
	steht im Nippel an	Unbedingt vermeiden. Die Speiche lässt sich nicht weiter spannen; es hilft nur eine kürzere.
	bündig mit dem Nippelkopf	Volles Gewinde trägt, aber es bleibt nur etwa ein halber Millimeter zum Nachspannen.
	bündig mit dem Grund des Schraubschlitzes	Der beste Kompromiss: etwa 2 mm Reserve, und das Gewinde reicht noch bis in den Nippelkopf.
	kein Gewinde mehr sichtbar, aber nicht im Kopf	Hält, doch der Nippel wird am Sitz nur noch vom eigenen Material getragen.
	Gewindegänge sichtbar	Zu kurz. Der Nippel kann am Sitz abreißen, besonders einer aus Aluminium.

Skizzen schematisch: der Nippel im Schnitt (gelb) mit seinem Innengewinde, grau der Felgenboden, auf dem der Nippelkopf sitzt, gestrichelt der Grund des Schraubschlitzes, die Speiche hell mit ihrem Gewinde. Oben ist das Felgeninnere, unten geht es zur Nabe.

Die englischsprachige Literatur zieht die Grenzen genauso: Im fertig gespannten Rad soll das Speichenende zwischen dem Grund und der Oberkante des Schraubschlitzes liegen. Bis zur Oberkante geht es ohne Gefahr für den Schlauch. Reicht die Speiche nicht bis in den Nippelkopf, trägt der schwächste Teil des Nippels die ganze Kraft, und der Kopf kann abreißen; Messingnippel verzeihen das eher als solche aus Aluminium. Ragt das Speichenende schon bei geringer Spannung in den Schlitz, lässt sich der Schraubendreher nicht mehr ansetzen: das erste Zeichen, dass die Speichen zu lang sind.

Die Zahlen sind Richtwerte; sie hängen von der Gewindelänge der Speiche und vom Fabrikat des Nippels ab.

Messen mit zwei Speichen: Zwei Speichen auf genau dieselbe bekannte Länge kürzen, zum Beispiel 250 mm, und mit Nippeln in zwei gegenüberliegende Felgenlöcher stecken. Die Nippel so weit aufdrehen, dass das Speichenende am Grund des Schlitzes steht. Die Speichen straff zur Mitte ziehen und den Abstand der beiden Enden messen. Der ERD ist dieser Abstand plus die beiden Speichenlängen; überlappen sich die Enden bei kleinen Felgen, wird die Überlappung abgezogen. An zwei oder drei Stellen der Felge wiederholen und mitteln.

ERD messen mit zwei gleich langen Speichen: Die Enden stehen in den Nippeln am Grund des Schlitzes (gestrichelt), in der Mitte wird der Abstand gemessen. Der Durchmesser ist stark verkürzt gezeichnet.

Behelf ohne Messspeichen: Einen Bremszug mit zwei Nippeln straff durch zwei gegenüberliegende Löcher führen, die Lage der Nippel markieren und die Strecke messen.

Wer so misst, bekommt später genau diesen Sitz im fertigen Rad. Mit längeren Nippeln kann sich der ERD ändern, deshalb immer mit den Nippeln messen, die verbaut werden. Viele Hersteller geben den ERD an und liefern Tabellen oder Rechner für ihre Naben und Felgen; ob dabei so gemessen wurde, wie man selbst bauen will, weiß man nur nach eigener Messung.

Herstellerangaben weichen oft um ein bis zwei Millimeter ab, weil nicht jeder gleich misst. Die Speichenlänge ändert sich um die Hälfte dieser Abweichung.