Laufrad · Wissen

Wie ein Speichenrad trägt

Dünne Drähte, die nur Zug aufnehmen können, tragen Fahrer, Antrieb und Schlaglöcher. Möglich macht das die Vorspannung.

Die Vorspannung

Die ersten Speichenräder hatten dicke Speichen, die auf Druck trugen, wie beim Wagenrad. Erst die tangentiale Drahtspeichung der 1870er Jahre machte die dünne Zugspeiche möglich. Eine solche Speiche kann nur ziehen:

Auf Druck knickt sie schon bei etwa 15 bis 20 Newton aus.
Auf Zug reißt sie je nach Dicke und Güte erst bei rund 2500 bis 3500 Newton.
Im fertigen Rad ist sie auf der höher gespannten Seite mit etwa 900 bis 1200 Newton vorgespannt, also mit rund einem Drittel dessen, was sie aushält. Auf der flacheren Seite eines Hinterrads sind es oft nur 500 bis 800 Newton.

Trotzdem steht das Rad auf seinen unteren Speichen. Das geht, weil alle Speichen schon im unbelasteten Rad kräftig ziehen und die Felge als Druckring dagegenhält. Bei 32 Speichen mit je 1000 Newton drücken zusammen 32.000 Newton auf die Felge; das entspricht dem Gewicht von gut drei Tonnen.

Kommt Last auf die Nabe, flacht die Felge an der Aufstandsfläche ein wenig ab. Die drei oder vier Speichen in diesem Bereich verlieren einen Teil ihrer Spannung, bei 450 Newton Radlast je etwa 110 bis 150 Newton. Die übrigen Speichen ändern sich kaum; nur am Rand der Abflachung, wo sich die Felge leicht nach außen wölbt, steigt die Spannung geringfügig. Die Last wird also nicht dadurch getragen, dass oben Speichen stärker ziehen, sondern dadurch, dass unten Speichen weniger ziehen. Solange in ihnen ein Rest Spannung bleibt, verhalten sie sich wie steife Stäbe.

Unter Last flacht die Felge an der Aufstandsfläche ab; nur die drei bis vier Speichen dort verlieren Spannung, alle übrigen ändern sich kaum, am Rand der Abflachung steigt die Spannung geringfügig. Rechts die Änderung für alle 32 Speichen. Die Verformung ist stark überhöht dargestellt.

Das System hilft sich dabei selbst: Je größer die Last, desto länger wird die Abflachung, und desto mehr Speichen teilen sich die Entlastung. Bei einem harten Stoß mit dem Zehnfachen der ruhenden Last sind es etwa sieben Speichen, die jeweils mehrere hundert Newton verlieren.

Daraus folgt, warum die Vorspannung hoch sein soll:

Reserve: Wird eine Speiche ganz entlastet, wird sie schlaff. Das Rad verliert an dieser Stelle seine Steifigkeit, der Nippel kann sich drehen, und die Speiche schlägt bei jeder Umdrehung gegen ihren Sitz.
Lebensdauer: Speichen brechen durch Ermüdung, also durch den ständigen Wechsel der Last. Die Höhe der Spannung spielt dabei nur eine kleine Rolle. Eine hoch gespannte Speiche erlebt denselben Wechsel wie eine niedrig gespannte, wird aber nie schlaff.
Grenzen: Meist setzt die Felge die Obergrenze, weil sie die Summe aller Speichenkräfte als Druck und jeder Nippelsitz die Kraft seiner Speiche aushalten muss. Zu leichte Felgen können unter zu hoher Spannung einknicken. Bei radialer Einspeichung kann auch der Nabenflansch ausreißen. Dünne Speichen verdrehen sich beim Anziehen, bevor sehr hohe Spannungen erreicht sind.

Mehr Spannung macht das Rad nicht steifer. Steifigkeit kommt aus Anzahl, Dicke und Winkel der Speichen und aus der Felge. Die Spannung sorgt nur dafür, dass diese Steifigkeit unter Last erhalten bleibt.

Seitensteifigkeit

Die Speichen laufen von den Flanschen schräg zur Felge. Der Winkel, in dem sie aus der Radebene herausstehen, ist der Stützwinkel. Übliche Werte:

Vorderrad ohne Scheibenbremse: etwa 6 bis 8 Grad auf beiden Seiten.
Hinterrad, Antriebsseite: etwa 3 bis 4 Grad.
Hinterrad, Gegenseite: etwa 6 bis 8 Grad.

Hinterrad im Schnitt: Die Felge steht mittig zwischen den Anlageflächen der Nabe, nicht zwischen den Flanschen. Der rechte Flansch liegt näher an dieser Mitte, seine Speichen stehen steiler. Die Winkel sind überhöht dargestellt.

Weil diese Winkel klein sind, ist jedes Speichenrad zur Seite hin viel weicher als in der Radebene. Die Seitensteifigkeit wächst etwa mit dem Quadrat des Stützwinkels: Der doppelte Winkel stützt viermal so gut. Steifer wird das Rad durch:

weiter auseinanderliegende Flansche, also einen größeren Stützwinkel,
ein kleineres Rad mit kürzeren Speichen,
mehr oder dickere Speichen,
eine steifere, höhere Felge, die die Last auf mehr Speichen verteilt.

Größere Flansche vergrößern den Stützwinkel nur wenig. Sie verbessern vor allem die Übertragung von Drehmoment.

Das Kräftegleichgewicht

Jede Speiche zieht die Felge ein wenig zu ihrer Seite:

Seitlicher Zug = Speichenkraft × Sinus des Stützwinkels

Bei 1000 Newton und 7 Grad sind das rund 120 Newton je Speiche, bei 3,5 Grad nur rund 60. Damit die Felge in der Mitte bleibt, müssen beide Seiten zusammen gleich stark ziehen. Die Mitte ist dabei die Mitte zwischen den Flächen, mit denen die Nabe im Rahmen anliegt, und nicht die Mitte zwischen den Flanschen. Am Hinterrad mit Kassette und am Vorderrad mit Bremsscheibe sitzt ein Flansch näher an dieser Mitte. Seine Speichen haben den kleineren Stützwinkel und müssen entsprechend stärker gespannt sein:

Spannung links ÷ Spannung rechts = Sinus rechts ÷ Sinus links

Halber Stützwinkel, doppelte Spannung: Erst dann ist der seitliche Zug beider Seiten gleich groß. Pfeillängen maßstäblich zur Kraft, Winkel überhöht dargestellt.

Halber Winkel heißt doppelte Spannung. An einem üblichen Hinterrad trägt die Gegenseite deshalb nur etwa die Hälfte bis zwei Drittel der Spannung der Antriebsseite. Diese schwächer gespannte Seite ist die empfindliche: Ihre Speichen werden am ehesten schlaff. Abhilfe schaffen:

Naben, deren Flansch auf der Antriebsseite weiter außen sitzt,
asymmetrische Felgen, deren Löcher zur Gegenseite hin versetzt sind,
die Triplet-Einspeichung mit doppelt so vielen Speichen auf der Antriebsseite.
dünnere Speichen auf der schwächer gespannten Seite, zum Beispiel 2,0 mm rechts und 1,6 oder 1,5 mm im Mittelteil links. Die dünne Speiche dehnt sich bei gleicher Kraft stärker und wird deshalb erst später schlaff. An der Spannung selbst ändert das nichts.

Den Wert für die eigene Kombination liefert der Rechner als Spannungsverhältnis.

Was das Gleichgewicht stört

Ungleiche Spannung: Zieht eine Speiche stärker als ihre Nachbarn, zieht sie die Felge zu sich. Es entsteht ein Schlag. Umgekehrt lässt sich ein Schlag durch gezieltes Ändern einzelner Speichen ausgleichen; das ist das Prinzip des Zentrierens.
Eine gebrochene Speiche: An ihrer Stelle fehlt der Zug. Die Felge weicht dort zur anderen Seite aus und beult zugleich etwas nach außen. Dabei werden die unmittelbar benachbarten Speichen gedehnt; ihre Spannung steigt und hält die Felge auf. Das Rad stellt sich so auf ein neues Gleichgewicht ein und bricht nicht zusammen. Die Nachbarn tragen aber mehr und brechen oft als Nächste.
Eine verformte Felge: Sie lässt sich nur mit ungleicher Spannung geradeziehen. Solche Räder halten nicht lange.
Der Reifendruck: Ein prall gefüllter Reifen drückt die Felge etwas zusammen und senkt die Speichenspannung merklich. Deshalb beim Bauen nicht an der untersten Grenze bleiben.

Kräfte im Fahrbetrieb

Radlast: Gewicht und Stöße wirken in der Radebene. Die Speichen an der Aufstandsfläche werden entlastet, bei einem Schlagloch um ein Vielfaches der ruhenden Last.
Seitenkräfte: Sie entstehen im Wiegetritt, bei heftigen Lenkkorrekturen, an schräg angefahrenen Kanten und bei Rädern, die sich in der Kurve nicht neigen, wie Dreirad und Gespann. Im normalen Fahren bleiben sie meist unter etwa 300 Newton. In der gewöhnlichen Kurvenfahrt liegt das Rad in Schräglage, und die Kraft läuft weiter in der Radebene.
Antrieb: Das Drehmoment der Kassette spannt die Zugspeichen zusätzlich und entlastet die Gegenspeichen. Radial eingespeichte Seiten tragen dazu kaum bei.
Bremsen: Die Felgenbremse greift an der Felge an; die Speichen merken davon wenig. Scheiben-, Trommel- und Rücktrittbremse leiten ihr Moment über die Nabe ein und belasten die Speichen wie der Antrieb, nur in Gegenrichtung und oft stärker.

Warum kleine Seitenkräfte viel bewirken: Wegen des flachen Stützwinkels braucht es eine große Änderung der Speichenkraft, um eine kleine Seitenkraft aufzunehmen. Auf der Antriebsseite mit ihren drei bis vier Grad ist das Verhältnis etwa eins zu fünfzehn.

Warum der Antrieb wenige Speichen trifft: Die Kette zieht mit einem Vielfachen der Pedalkraft, und am kleinen Lochkreis der Nabe wird daraus eine noch größere Umfangskraft. Je kleiner der Flansch, desto größer diese Kraft. Bei einem schlanken Nabenkörper bleibt der größte Teil des Moments auf der Antriebsseite, und dort tragen ihn nur die Zugspeichen, also ein Viertel aller Speichen. Hat das Rad wenige Speichen, wird die Last je Speiche entsprechend größer.

Das Antriebsmoment verdreht die Nabe gegen die Felge. Auf der Antriebsseite tragen es nur die Zugspeichen, das ist ein Viertel aller Speichen eines Rads mit 32 Speichen.

Überlagerung: Im Wiegetritt kommen Antrieb und Seitenkraft zusammen. Das erklärt, warum kräftige Fahrer häufiger Speichenbrüche haben.

Klappern als Warnzeichen: Ist die Spannung insgesamt zu niedrig, werden im Wiegetritt die Speichen der Gegenseite ganz entlastet. Sie bewegen sich dann im Nippelsitz und klappern hörbar. Ein solches Rad gehört nachgespannt.

Kurz gefasst

Das Rad trägt durch die Vorspannung; unter Last werden Speichen entlastet, nicht belastet.
Die Spannung soll so hoch sein, wie Felge und Nabe erlauben, und gleichmäßig verteilt.
Zur Seite ist jedes Speichenrad weich; der Stützwinkel bestimmt, wie weich.
Die Seite mit dem großen Stützwinkel und der niedrigen Spannung, am Hinterrad die Gegenseite, ist die Schwachstelle eines asymmetrischen Rads.
Weniger Speichen bedeuten mehr Last für jede einzelne.

Sonderlaufräder

Scheibenräder

Beim Scheibenrad ersetzt eine geschlossene Fläche die Speichen. Der Vorteil ist die Aerodynamik: Zwischen Nabe und Felge wird keine Luft mehr verwirbelt.

Bauarten: Die flache Scheibe besteht aus einem leichten Schaum- oder Wabenkern mit tragenden Decklagen aus Kohlefaser, im Nabenbereich verstärkt. Die linsenförmige Scheibe hat zwei gewölbte Schalen, die zur Felge hin zusammenlaufen; sie ist seitlich stabiler und etwas nachgiebiger. Daneben gab es Scheiben aus unter Spannung verklebten Häuten.
Wind von der Seite: Trifft der Fahrtwind in kleinem Winkel schräg auf die Scheibe, sinkt ihr Widerstand stark und kann sogar in leichten Vortrieb umschlagen, ähnlich wie bei einem Segel. Wie groß dieser Effekt bei welchem Winkel ist, wurde früher anders eingeschätzt als heute.
Seitenwind am Vorderrad: Die Seitenkraft greift über den Nachlauf an der Lenkung an. Am Hinterrad ist das beherrschbar, weil das Rad im Rahmen geführt ist. Vorn sind Scheiben auf der Straße unüblich. Kleine Scheiben sind gutmütiger: Ein 20-Zoll-Rad hat weniger als die halbe Fläche eines 28-Zoll-Rads und läuft im schwächeren Wind in Bodennähe.
Fahrverhalten: Flache Scheiben sind in der Radebene sehr hart. In unebenen Kurven kann das Rad seitlich versetzen; auf der glatten Bahn stört das nicht. Auf rauer Strecke kann ein nachgiebigeres Speichenrad trotz schlechterer Aerodynamik schneller sein.
Geräusch: Die großen Flächen wirken als Resonanzkörper und verstärken die Geräusche von Kette, Freilauf und Reifen.
Weitere Nachteile: Preis, und zentrieren lässt sich ein Scheibenrad nicht. Schwerer als ein hohes Speichenlaufrad sind heutige Scheiben kaum noch.

Laufradverkleidungen

Dünne Abdeckungen, die auf ein normales Speichenrad gesetzt werden, bringen einen großen Teil des aerodynamischen Gewinns für wenig Geld. Es gibt aufgeklebte Folien, dünne Schalen, die unter der Felgenkante sitzen, und über einen Ring gespanntes Tuch. Das Rad darunter bleibt ein gewöhnliches Speichenrad und lässt sich weiter zentrieren. Bespannungen aus Stoff dröhnen nicht. Bei Seitenwind verhält sich ein verkleidetes Rad wie ein Scheibenrad.

Räder mit wenigen breiten Speichen

Drei, vier oder fünf flügelförmige Speichen aus Faserverbund, in einem Stück mit Felge und Nabe gefertigt. Diese Speichen sind dick genug, um auch Druck aufzunehmen; das Rad braucht keine Vorspannung. Bei Seitenwind sind sie gutmütiger als die Scheibe, aerodynamisch liegen sie zwischen Scheibe und Speichenrad. Reparieren oder richten kann man sie nicht.

Hohe Felgenprofile

Felgen mit hohem Querschnitt sind der heute übliche Mittelweg. Warum sie wirken:

Am oberen Rand des Rads bewegen sich Speiche und Nippel fast mit der doppelten Fahrgeschwindigkeit durch die Luft. Der Luftwiderstand wächst mit dem Quadrat, die dafür nötige Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Die äußersten Zentimeter der Speichen samt Nippel verursachen deshalb einen großen Teil des Speichenwiderstands; die hohe Felge deckt genau diesen Teil ab.
Hinzu kommt die Form selbst: Felge und Reifen bilden zusammen ein strömungsgünstiges Profil. Das gilt heute als der wichtigere Teil des Effekts.
Die hohe Felge ist sehr steif. Sie verteilt die Last auf mehr Speichen, und deshalb genügen weniger davon. Die Speichen werden außerdem kürzer.

Je höher das Profil, desto größer die Empfindlichkeit gegen Seitenwind. Der Nippel sitzt oft tief im Profil oder verdeckt; die Speichenlänge wird trotzdem wie gewohnt über den ERD gerechnet. Viele dieser Räder sind Systemlaufräder mit eigenen Speichen und Naben. Der aerodynamische Gewinn zählt vor allem, wenn man allein im Wind fährt; im Windschatten einer Gruppe ist er klein.