Ein Fahrrad aus dem Gedächtnis zu zeichnen ist schon ziemlich schwer, wie beispielsweise der Designer Gianluca Gimini mit seinem Projekt "Velocipedia" gezeigt hat. Richtig kompliziert sind vor allem die Speichen! Aber warum haben Fahrräder eigentlich Speichen und warum sind die so kompliziert angeordnet? Da ich mich ja aktuell viel mit Fahrrädern beschäftige, hab ich erst festgestellt, wie cool und beeindruckend Speichen eigentlich eigentlich sind.
Der wichtigste Grund, warum man Speichen anstelle eines massiven Rades verwendet, ist die Gewichtsersparnis. Während die Speichen eines Fahrrads nur einige Hundert Gramm wiegen, können sie trotzdem mehr als 3000 N bzw. mehr als 300 kg aushalten.
Schauen wir uns zunächst einmal den Aufbau eines Rades genauer an. Es besteht aus einer runden Felge und in der Mitte ist die Nabe, durch welche die Achse geht. Felge und Nabe sind mit üblicherweise 32 bis 36 Speichen verbunden. In dem Bild zuvor erkennt man, dass ein paar Speichen auf der linken Seite der Nabe montiert sind und ein paar auf der Rechten, und zwar jeweils zur Hälfte. Die Speichen sind auf der Seite der Nabe gebogen und besitzen einen Kopf. Dadurch können sie in die Löcher der Nabe eingehängt werden. Auf der Seite der Felge besitzen die Speiche ein Gewinde und es werden die sogenannten Nippel durch die Löcher in der Felge aufgeschraubt. Dadurch steht die Speiche unter Spannung. Die Gewinde der Speiche werden bei der Produktion interessanter Weise aufgerollt / aufgewalzt und nicht eingeschnitten, wodurch sie unter Spannung stabiler ist (Stichwort Kerbwirkung).
Etwas verwirrend ist es, dass auf jeder Seite die Speichen tangential von der Nabe weg gehen, und zwar zur Hälfte in die eine Richtung und zur anderen Hälfte in die andere Richtung. Dabei kreuzt jede Speiche 3 andere Speichen. Wenn man erst einmal ein Rad selbst gebaut hat, ist das Muster eigentlich ganz verständlich. Ich hab versucht, es in der folgenden Animation darzustellen. Die rötlichen Farbtöne entsprechen dabei der Vorderseite, die bläulichen der Rückseite.
Spannend ist auch die Wirkung der Kräfte bei Belastung. Denn das Fahrrad steht nicht auf den Rädern, sondern es hängt! Während das Gewicht an den jeweils oberen Speichen zieht, halten die vielen anderen Speichen die Felge in Form. Die unterste Speiche ist dabei am wenigsten belastet. Da sie aber vorgespannt ist, rutscht sie nicht aus ihrem Loch in der Nabe und klappert nicht. Dazu wieder eine Animation eines vereinfachten Rades mit radialen statt tangentialen Speichen:
Jetzt ist es auch verständlich, warum die Speichen üblicherweise tangential angeordnet sind. Denn beim Beschleunigen und Bremsen wirken tangentiale Kräfte zwischen der Nabe und der Felge, welche durch die Speichen so ideal übertragen werden können.
Außerdem können Speichen noch Verbiegungen in der Felge, sogenannte Achter, ausgleichen. Dazu kann man die einzelnen Speichen "verkürzen" oder "verlängern", indem man den Nippel "auf-" oder "zuschraubt". Dadurch kann man zum einem Ausbeulungen nach rechts und links ausgleichen, aber auch eierförmige Felgen.
Varianten
Neben den normalen, meist 2 mm dicken Speichen mit gebogenen Kopf gibt es auch noch ein paar interessante Varianten. Beispielsweise gibt es Speichen, die im geraden Teil verjüngt sind, womit eine stärkere Federung erreicht werden soll, da sich die Speiche im dünnen Teil leichter ausdehnt. Gerade im Rennradbereich existieren Speichen, die im geraden Teil flach und dadurch aerodynamischer sind. Um Gewicht zu sparen gibt es noch Speichen, die nicht tangential, sondern radial montiert werden und dadurch kürzer sein können. Die Gewichtsersparnis ist dabei zwar nur marginal. Da es sich jedoch um bewegte Masse handelt, kann man wohl schneller beschleunigen. Zumindest wird das behauptet. Außerdem gibt es noch Speichen, die ohne Krümmung auskommen, jedoch eine besondere Nabe benötigen. Und eine sehr interessante Entwicklung der TU Chemnitz macht sich die Eigenschaft, dass Speichen stets nur auf Zug belastet werden, zu Nutze und verwendet deshalb textile Speichen, welche 50% leichter sind, als Stahl- oder Aluminiumspeichen. Und in der Kategorie "weils geht" gibt es auch noch Fahrrad(prototypen), welche gänzlich ohne Speichen auskommen, sogenannte "hubless bicycles". Dazu gibt es z. B. lustige Videos auf YouTube.
