Eine Speiche gebrochen. Handlungsbedarf?

war halt ne gebrauchte felge
lief auch schon nen paar 10 TKM unter meiner gewaltherrschaft, aber ich würds an deiner stelle einfach nicht riskieren

Oi!

Hier Gregor, ließ Dir das mal durch!

Wirkungsweise der VorspannungSpeichenlaufräder bestehen lediglich aus Nabe, Speichen, Felge und Reifen und gehören daher sicherlich zu den augenscheinlich mehr einfachen mechanischen Gebilden. Recht kompliziert hingegen dürfte das Zusammenspiel der inneren Kräfte in einem Laufrad sein. Seinen Geheimnissen kommen wir aber nur auf die Spur, wenn wir uns ein wenig mit Zahlenangaben und Überschlagsrechnungen beschäftigen. Damit können wir dann nicht nur die Belastbarkeit der Speichen und Größenordnungen der einwirkende Kräfte miteinander vergleichen, sondern bekommen auch ein gewissen Verständnis für die Mechanismen von Vorspannung und Elastizität von dem das Laufrad bildlich gesprochen "lebt" und "überlebt". Die in den Abhandlungen gemachten Kräfteangaben erfolgen in N (Newton) wobei 10 N in etwa 1 kp (Kilopond) entsprechen - der früher üblichen Kraftangabe mit der die Masse von 1 kg (Kilogramm) hier auf der Erde auf seine Unterlage drückt.Bereits bei einer geringen Kraft von 15 bis 20 N knickt eine Speiche aus, wenn sie auf Druck belastet wird. Anders bei Zugkräften: Da müssen je nach Speichendicke bereits mit 2000 bis 3500 N an den Speichenenden zerren, bevor die Speiche zerreißt. Wie nun aber kann ein Gebilde wie ein Laufrad halten, wenn da ständig Betriebslasten in Form von Druckkräften mit 500 N und mehr von oben danach trachten die Nabe in Richtung Fahrbahn zu drücken, die Speichen aber nur Zugkräfte "verkraften"?Nun, die Vorspannung macht es: Im eingespeichten Laufrad trachtet jede Speiche danach die Felge mit ihrer Vorspannung von 600 bis 1200 N zu dem jeweiligen Nabenflansch hinunter und herüber zu ziehen, in dem die Speiche eingefädelt ist. Da nun alle Speichen das gleiche wollen, schafft es keine und sauber auszentriert kreiselt die Felge mittig und zwischen den Nabenflanschen. Drückt nun die Betriebslast über die Ausfallenden auf die Nabe, so werden lediglich einige Speichen im Kontaktbereich des Laufraden mit dem Boden entlastet und nach actio gleich reactio wird diese Entlastung den restlichen Speichen als Mehrlast aufgebürdet.Die Größenverhältnisse in einem Zahlenbeispiel machen die Angelegenheit verständlicher:Bei einer Betriebslast von angenommen 500 N flacht die Felge im Bodenbereich geringfügig ab und entlastet dabei der Regel 3 Speichen um jeweils 500/3 = 166,7 N, was bei angenommenen 900 N Vorspannung diese auf 733,3 N reduziert. Die Entlastung wird beim normalen 36 Speichenlaufrad nun von den übrigen 33 Speichen kompensiert, was jeder Speiche eine Mehrlast von 500/33, also mal gerade schlappe 15,2 N aufbürdet. Bei einer Bruchlast von rund 3000 N also wirklich kein Problem.Selbst wenn sich im Extremfall (derber Fahrbahnstoß) die Betriebslasten verzehnfachen ist das bei weiten noch kein Bein-, sprich Speichenbruch: Das elastische Gebilde Laufrad verformt sich nun etwas mehr, die Felge flacht stärker ab. Das entlastet dann etwa 7 Speichen. Die Vorlast reduziert sich für jede der 7 Speichen nun um 5000/7 = 714,3 N. Die Mehrlast für die restlichen nun 29 Speichen beträgt dann 5000/29 = 172,4 N, womit die Speichen immer noch locker fertig werden.In der Realität ist der Sachverhalt etwas komplizierter, da sich die Felge jeweils am Ende der abgeflachten Bereiches etwas nach außen wölbt. Dadurch bekommen die "Eckspeichen" noch keine kleine aber ebenfalls keineswegs untragbare, zusätzliche Mehrlast auferlegt.Die Vorspannung des Laufrades durch die Speichen setzt nun Felge und Nabe geradezu ungeheueren Kräften aus. Für diese beiden Bauteile heißt es nun - um bei unserem Beispiel mit 36 Speichen und 900 N Vorspannung pro Speiche zu bleiben - 36 X 900 = 32400 N (Vergleichsweise rund 3,3 Tonnen!!!) zu "verdauen". Keine einfache Angelegenheit und damit bei unsachgemäßer Handhabung auch die ersten Defektmöglichkeiten: Flanschausrisse bei radial eingespeichten Laufrädern oder ein Felgenkollaps bei zu leichtgewichtigen und mit hoher Speichen-Vorspannung eingelegte Felgen können da durchaus die Folge sein. Werden die Speichen hingegen mehr oder weniger tangential eingelegt und ausreichend dimensionierte Felgen verbaut, so kann eine hohe Speichenspannung hingegen sogar eine gute Vorbeugung vor Speichendefekten sein, doch dazu mehr in den Kapiteln Speichen und Speichenbruch.
Speichenbruch/Speichenbelastung Betrachten wir uns noch einmal den bereits im Kapitel: "Das Speichenlaufrad" dargelegten ständigen Wechsel der Belastungen, denen eine Speiche während eines Radumlaufes unterliegt: Entlastung im Bodenbereich, eine kurze Mehrbelastung an der hinteren "Ecke" der Abflachung, eine leichte Mehrbelastung für den Großteil eines Radumlaufes und wieder eine kurze Mehrbelastung an der vorderen "Ecke" der Abflachung, bevor erneut die Entlastung im Bodenbereich einsetzt. Diese ständige Schwell-Belastungen, zu denen sich dann noch Belastungsspitzen durch Seiten- und Antriebskräfte sowie herbe Schlaglochrumpler hinzu gesellen, setzen den Speichen auf Dauer erheblich zu, ja sie "zerrütten" regelrecht die innere Materialstruktur der Speichen.Unterstützt wird die Zerrüttung der Speichen noch durch Schwingungen, die beim Durchfahren von Bodenwellen entstehen. Dabei treten dann so hohe Kräfte auf, daß die Speichen teilweise sogar ganz entspannt wird. Steigt dann die Speichenspannung wieder schlagartig an, so schwingen die Speichen wie die Seiten einer Hawaii-Gitarre. Weitgehend vermeiden können wir solche Schwingungen übrigens durch das Unterkreuzen oder Binden der Speichen, worauf wir im Kapitel Einspeichen noch intensiver eingehen.Doch zurück zur Zerrüttung: Bei diesem auch Materialermüdung benanntem Prozeß bilden sich zunächst in Nähe der Werkstoffoberfläche Microbereiche, in denen es zu minimalen Verschiebungen der metallischen Strukturen kommt, die auch Gleitverfestigung genannt werden. Das nun hat mit der Zeit ein Nachlassen der molekularen Bindungskräfte zur Folge (der Techniker spricht von Kohäsions-Entfestigung), die schließlich zur Bildung von Microrissen führt. Die Risse werden nach und nach größer und eines Tages reißt die Speiche.Die bruchgefährdete Stelle einer Speiche ist der Speichenbogen, da hier die Kräfte "um die Ecke" geleitet werden und nun nicht mehr hom***gen über den gesamten Speichenquerschnitt verlaufen. Es kommt vielmehr zu einer Anhäufung der in der Skizze dargestellten Kraftverlauflinien auf der Innenseite des Bogens. Hier nun wird das Material sehr hoch belastet, während die Bogenaußenbereiche kaum noch beansprucht werden. Der Bogenbereich aber wurde, wie oben ausgeführt bereits beim Anstauchen des Speichenkopfes plastisch verformt, so daß die Stauchzone bis in den späteren Bogenbereich hinein reicht. Durch die anschließende Biegung erfolgt eine weitere plastische Verformung: Das Speichenmaterial wird auf der Bogenaußenseite gestreckt und auf der Innenseite gestaucht, was dort übrigens bisweilen eine leicht körnige Oberflächen-Ausbildung zur Folge hat.Die Anhäufung der plastischen Verformungen des Bogen- und Kopfbereiches der Speichen erfolgen ja im kalten Zustand an einem bereits kalt verfestigten Draht. Folge: Während der Herstellung sind eventuelle Vorschädigungen des Speichenmateriales in Form winzigster Microrisse nicht auszuschließen. Und es kann für die Speiche sogar noch schlimmer kommen: Bei dünnen Speichenflanschen zieht sich der unter hoher Spannung stehenden Speichenbogen wieder ein Stück auf und es passiert das gleiche wie mit einem verbogenen Schraubenzieher: Im verbogenen Zustand durchaus noch belastbar, bricht der Schraubenzieher ab, wenn er wieder gerade gebogen wird.Die beste Haltbarkeit ist daher für den Speichenbogen gegeben, wenn er Speichenbogen innen glatt poliert wird (Oberflächenrauhigkeiten erhöhen das Bruchrisiko bei Biegungen drastisch) und sich innig gegen den Nabenflansch drückt. Der Bogen muß also auf Druck belastet werden. Daher ist eine weitere Voraussetzung für eine gute Dauerhaltbarkeit der Speichen ein genügend breiter Nabenflansch (mind. 3,2 mm Dicke) und nicht zu groß ausgeführte Speichenbohrungen (max. 2,4 mm Durchmesser). Aus gleichem Grunde ist es daher ratsam, bei zu schmal ausgeführten Nabenflanschen (auf jeden Fall, wenn 3 mm unterschritten werden) jeweils eine kleine M-3-Unterlegscheibe zwischen Speichenkopf und Flansch zu plazieren. Vertikal steife Felgen (Tropfen-Felgen), eine hohe Speichenspannung und die Verwendung von sogenannten DD-Speichen sorgen weiterhin dafür daß die Schwell-Lasten für die Speichen kleiner ausfallen. Doch zunächst zum Speichengewinde.Das auf die anderen Speichenenden gerollte Gewinde stellt eine weitere Schwachstelle der Speichen dar. Auch hier wird der Speichenquerschnitt nicht hom***gen belastet, es kommt zu Spannungsspitzen in den Gewinde-Einschnitten - der Techniker spricht von Kerbwirkung. Vergleichen mit dem Speichenbogen ist die Haltbarkeitsminderung durch das Gewinde allerdings relativ gering. Kommt aber beispielsweise bei Naben mir großem Flanschdurchmesser noch die nebenstehend skizzierte eine Biegebelastung zwischen Speiche und Nippel hinzu, ist die Bruchgefahr genau so groß wie die am Speichenbogen. Um diese Biegebelastung im Gewindeteil zu minimieren, sind die Speichenbohrungen in den meisten Felgen leicht schräg, also etwa in Richtung Nabenflansch orientiert.Da Speichenbogen und Speichengewinde die bruchgefährdeten Stellen der Speichen sind, kann das Speichenmittelteil dünner ausgeführt werden. Das hat einen interessanten Nebeneffekt zur Folge: Dünne Speichen längen sich bei gleicher Belastung mehr als dicke. Es handelt sich hierbei um sogenannte elastische Dehnungen, also um solche, die (wie bei einer Feder) nach Wegnehme der Belastung ohne bleibende Verformung wieder auf die Ausgangslänge zurück federt. Für die Schwell-Belastung der Speichen nun ist die Umkehrung dieses physikalischen Effektes wichtig: Werden die Speichen durch die Abflachung der Felge im Bodenbereich entlastet, geht die durch die Speichenspannung erfolgte Dehnung zurück. Bei dicken und damit unelastischeren Speichen nimmt dadurch die Speichenspannung stärker ab als bei dünnen Speichen. Hierzu wieder ein Zahlenbeispiel zur Veranschaulichung:Flacht eine Felge bei größeren Fahrbahnstößen im Bodenbereich um 0,41 mm ab, so geht damit bei einer Speiche mit einem Durchmesser von 2 mm unsere wieder einmal angenommene Speichenspannung von 900 N auf Null zurück, die Speiche entspannt sich also völlig. Eine Speiche von 1,8 mm Durchmesser verliert bei 0,41 mm Abflachung hingegen nur 733 N der Vorspannung und eine Speiche mit 1,5 mm entsprechend gar nur 506 N. Die Schwellbelastung wird also für die dünnere Speiche geringer und sie kann länger dem Auf und Ab der Belastungen widerstehen.Speichenbrüche treten im übrigen häufiger an den Speichen auf, deren Speichenbogen innen an der Nabe anliegt. Die Erklärung: Bei Seitenbelastung des Laufrades biegt sich hier der Speichenbogen leicht auf - die Folgen hatten wir bereits weiter oben beschrieben. Liegt der Bogen hingegen an der Außenseite der Nabe, so biegt er sich entsprechen zu und erhöht damit seinen Druck auf den Nabenflansch.Macht man eine Statistik der Speichenbrüche, so treten sie am Hinterrad häufiger als am Vorderrad auf, treffen dort öfters die Zahnkranzseite als die Gegenseite und schwere oder antrittsstarke Fahrer werden davon deutlich mehrfach erwischt als leichte Fahrern und natürlich schlägt der Bruch im Gelände häufiger zu als auf aalglatter Asphaltstraße.Übrigens werden beim Bruch einer Speiche die beiden Speichen zur Rechten und Linken der Gebrochenen überlastet und brechen früher oder später ebenfalls. Daher ist es bei einem Speichenbruch ratsam diese Speichen gleich mit aus zu tauschen. Aus gleichem Grunde sollte auch die Speichenerneuerung möglichst rasch erfolgen, da das Fahren mit einer gebrochenen Speiche die restlichen Speichen über Gebühr strapaziert, so daß die nächsten Speichenbrüche regelrecht serienmäßig auftreten. Unnötigen Ärger mit Speichenbrüchen kann man sich daher ersparen, wenn gleich nach den zweiten Speichenbruch eines Laufrades die gesamte Speichenkollektion ausgewechselt wird.

Gruß Mario