Spaakspanning

De techniek van wielen is pure mechanica

Wielen worden door mij met de grootste zorgvuldigheid in elkaar gezet.

Hier een voorbeeld van een prachtig mooie set wielen van Vision Type T30, 24 spaken achter type aero, bouwjaar 2011, 4000 km gereden. De berijder weegt 85 kg.

Dit wiel was redelijk recht (uitslag 0-0,5 mm) zowel in hoogte als radiaal. Toch was er iets mis en reed dit wiel niet prettig. Een meting wijst uit wat er aan de hand is.

Ten eerste waren er aan de niet aangedreven kant spaken die een heel kleine treksterkte hadden van tussen 0 en 5 kg. Uiteraard kon je dit ook met hand voelen. Dat is erg laag als je bedenkt dat dit minstens rond de 45 tot 50 kg zou moeten zijn.

Daarnaast was de trekkracht aan de aangedreven kant ongeveer 130kg. Dit is weer aan de hoge kant. Het probleem hierbij is ook dat het verschil tussen beide zijden veel te groot is.
Zoals je kunt zien zijn de trekkrachten aan de cassette zijde redelijk op orde. Sterkte is redelijk constant maar hoog. Al met al een heel slap wiel.
De spaken zijn weer zo gelijkmatig mogelijk op spanning gezet en de eigenaar heeft het advies gekregen om toch uit te zien naar een andere set wielen die beter bij zijn gewicht en gebruik passen.

De afstelling zoals in het onderste plaatje van de 2 was hier de oplossing.

Met een goede balans tussen links en rechts en de juiste treksterkte krijg je stevige, stijve en stabiele wielen. Belangrijk hierbij is ook de keuze van velg, naaf en spaken.

Zie ook het artikel over wielstijfheid verder beneden op deze pagina.

Voorbeelden

Hier een voorbeeld van hoe een mooie set wielen bij mij binnen kwam. De rijder had toch wat problemen.
Van het achterwiel waren inmiddels een paar spaken gebroken. Het voorwiel was nog heel maar voelde vreemd aan.
Door het in de bok te plaatsen kon ik meten hoe recht het was en hoe het met de spaakspanning was gesteld.
Onderstaand cirkeldiagram geeft aan hoe het wiel dat prima recht was op spanning stond.

Het gaat om een voorwiel met 36 spaken en een ATB velg. De spaakspanning was helaas niet geheel wat het zijn moet.

90,61 komt overeen met 53 kg , 92 komt overeen met 55 kg. Een voorwiel zou voor dit type velg met dit aantal spaken en dit gewicht van de rijder ongeveer op 80-90 kg moeten staan. Dat is 25 kg minder en dat is bijna 30% te laag.

Na alles los te hebben gehaald en opnieuw opgespannen te hebben zag het wiel er zo uit:

De rode en de blauwe lijn liggen nagenoeg over elkaar. Kleine afwijkingen zijn geen probleem zolang deze niet te groot zijn. Dit heeft te maken met de velg. Daar waar deze aan elkaar gemaakt is zit meestal wat meer materiaal waardoor de treksterkte van de spaken op die plek vaak wat groter moet zijn om alles in balans te krijgen. Tegenover de lasnaad zit het ventielgat waar sprake is van het tegenovergestelde: iets minder materiaal.

In de nieuwe situatie is de trekkracht ongeveer overal gelijk en is de afwijking tussen de spaken onderling minimaal.
108 komt overeen met met 88 kg.

Hier nog een voorbeeld van een fabriekswiel Easton EA70 met aan de aandrijfzijde messing nippels en aan de niet aangedreven zijde aluminium nippels.
Je kunt duidelijk zien waar het probleem met dit wiel zit: aan de niet aangedreven zijde. Waarom? omdat men aluminium nippels gebruik heeft in een niet voorbewerkte velg waardoor minstens 4 koppen van de nippels afgebroken waren in de velg.
Allen vervangen door messing nippels en de velgrand aan de binnenzijde bewerkt zodat het geen scheermes meer is.
Dus ook aan zogenaamde Handbuilt wielen wordt niet de aandacht gegeven die de tekst op de velg doet vermoeden.

Hieronder een verdere uitleg over wat de krachten doen met een wiel.
Voor techneuten is de uitleg waarschijnlijk goed te volgen. Ik hoop dat minder technisch onderlegde lezers het ook verder goed kunnen volgen.

Bij het ronddraaien van wielen veert het vlak dat in direct contact is met de weg een beetje naar binnen in. Hierdoor neemt de trekkracht van de spaken, die in dit deel van de velg geplaatst zijn (zie tekening, rode pijl), iets af. Een fractie later is dat door de rollende beweging van de band en velg weer een andere spaak aan de beurt. De spaken naast de spaken waar de kracht afneemt krijgen juist de originele spaakspanning (zie tekening blauwe pijlen) weer terug die dus hoger is dan kort daarvoor. Hierdoor ontstaat dus een dynamisch belastings-patroon op de spaak waardoor deze op den duur kan breken. Een wiel zou juist gebaat zijn bij een statische belasting en dat is dus niet het geval.
Per omwenteling van het wiel krijgt dus elke spaak een keer te maken met deze wisseling in trekkracht (vaak noemt men dit de wisseling in spaakspanning, terwijl het een verlaging van de trekkracht is). Onderstaande grafiek geeft aan wat er dan gebeurt.

Bron: Henri P. Gavin, Associate Member ASCE, Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Duke University, Durham, NC 27708-0287

Een wiel legt per omwenteling ongeveer 2 meter af. Per 10 meter krijgt elke spaak dus 5 keer te maken met zo’n trekkrachtverlies. Per kilometer is dat 500 keer.
Rijd je dus 10.000 km per jaar op je fiets dan krijgt elke spaak hier 10.000 X 500 keer mee te maken en dat is 5 miljoen keer.

Als het wiel op de juiste manier is gemaakt dan heeft deze beweging geen kwaliteitsverlies tot gevolg.
Is een wiel daarentegen niet goed gebouwd dan zal spaakbreuk op den duur het gevolg zijn.

Wat is dan de oorzaak van spaakbreuk?

Er zijn slechts 2 oorzaken van spaakbreuk:

1. Ongelijke trekkracht (spaakspanning) in de spaken. Er hoeft maar 1 spaak een te grote afwijking mbt trekkracht te hebben ten opzichte van alle anderen en het euvel gaat op den duur geschieden.
2. spaakgat in de flens te groot voor spaak

Bij reden 1 krijgt de „slappe” spaak met de lagere trekkracht naar verhouding te veel op zijn donder. Hierdoor breekt uiteindelijk waarschijnlijk de spaakkop af.
Bij reden 2 gaat de spaak als het ware jutteren in het gat. Op den duur met fatale gevolgen.

Torsie in spaken gaat er in het gebruik uit. Dat wil zeggen dat de spaak zich ontspant en dus een lagere trekkracht krijgt dan de bedoeling was. Hierdoor valt dit euvel onder 1.

Ad 1. Door een spaak die significant losser zit dan de rest krijgt deze spaak telkens als deze net voorbij het onderste punt op het wegdek komt een opdoffer doordat deze dan plots (hij was immers al niet op spanning ) op (bijna) spanning wordt getrokken. De ruimte die zo’n spaak heeft is groter dan een spaak die op met de juiste kracht is aangetrokken. Door deze speling is de bewegingsvrijheid van de spaak groter en breekt deze eerder. vergelijk dit met het lipje van een blikje wat afbreekt wanneer je er een aantal malen mee op en neer beweegt.

Ad 2.
Indien het spaakgat in de flens van de naaf te groot is voor de gebruikte spaak, krijgt de spaakkop bij belasting telkens een enorme dreun te verduren als gevolg van de speling. Uiteindelijk zal ook hier de spaakkop afbreken en spaakbreuk is een feit.
Dit kan soms voorkomen worden door het gebruik van vulringen/opvulplaatjes.

Daarnaast komt het vaak voor dat niet de spaak breekt maar dat de nippel afgebroken is. Hoe kan dat? Dat kan doordat de nippel overbelast is. Dit zie je wel eens bij aluminium nippels en zware rijders. Tot ongeveer 85 kg is het verantwoord om aluminium nippels te gebruiken. Daarboven wordt het risico op nippelbreuk groter. Wat vaker voorkomt is dat de spaak niet ver genoeg in de nippel is gedraaid. Hierdoor krijg je in de nippel een zwakpunt (een holle nippel) waardoor de kop van de nippel kan afbreken. Dit zie je vaak bij machinaal gespaakte fabriekswielen. De juiste spaaklengte is dus essentieel voor de bouw van kwaliteits wielen.

Hoe vast moeten spaken worden aangedraaid?

Deze vraag wordt ook wel eens op een andere manier gesteld:

Wat is de juiste spaakspanning?
Op welke trekkracht moet ik de spaken zetten?

Het antwoord hierop is niet eenduidig te geven. Een wiel moet zo stevig zijn dat het de krachten die het te verwerken krijgt goed kan verwerken zonder daarbij kapot te gaan. Een wiel is niet steviger dan een ander wiel omdat de trekkracht in de spaken in het ene wiel hoger is dan in het andere. Binnen een bepaalde range van trekkracht (in Newtons (N)) is alles goed, mits de trekkracht in alle spaken zo gelijk mogelijk is en het niet te laag is en niet te hoog. Spaakbreuk treedt onder andere op wanneer in 1 of meerdere spaken de trekkracht lager is dan in de rest.

Onderzoek heeft aangetoond dat de stevigheid van een wiel binnen een bepaalde range niet afneemt. Onderstaande grafiek laat zien wat er gebeurt wanneer je alle nippels van een wiel telkens een kwart slag losser draait.
Zoals u kunt zien doet het niets af aan de stevigheid van het wiel totdat je de grens bereikt waarop de spaken los komen te zitten. Ik kan niet helemaal inschatten hoeveel Newton verlies een kwartslag hier veroorzaakt maar zeker is dat 10 slagen zeker een paar honderd Newton is.

Bron: Damon Rinard’s Wheel Stifness Test

In de praktijk blijkt ook dat wielen met een goede gelijke trekkracht in alle spaken het langst meegaan ongeacht of dat bijvoorbeeld 700 N of 900 N is.