De onbezongen helden van de fiets, we denken dat het tijd wordt dat spaken het respect krijgen dat ze verdienen
Deze dunne draadstrengen voeren een meedogenloos zware taak uit en worden herhaaldelijk uitgerekt en samengedrukt bij elke omwenteling van onze wielen. Ze dragen ook de versnellingskrachten van het trappen van de naaf naar de velg en brengen ook de remkrachten over. Hun rol in het feit dat we überhaupt kunnen fietsen, is bijna magisch - zulke dunne strengen ondersteunen zulke enorme lasten. Dus we vonden dat het de hoogste tijd was dat de nederige sprak wat eer kreeg, waar een hele lading moet worden betaald.
'Het geniale van het spaakwiel is dat het de vaak zeer grote krachten die door de berijder, de fiets en verschillende wegoppervlakken worden gecreëerd, kan overbrengen naar deze dunne staven, die elk systematisch worden samengedrukt terwijl het wiel draait en de belastingen worden overgedragen van de een sprak met de ander, en zo gaat het maar door', zegt professor Mark Miodownik, directeur van het Institute of Making aan University College London, auteur van Stuff Matters, tv-presentator en fervent wielrenner. Hij vervolgt: 'Het is een prachtige manier om het gewicht, de kosten en de prestaties van een wiel te optimaliseren.'
Spaken, eenmaal onder spanning, verstevigen in wezen de velg met behulp van de naaf als centraal anker. In een perfect-wereldscenario trekt elke spaak met gelijke spanning om de belasting gelijkmatig over het wiel te verdelen, terwijl de velg ook rond en rond blijft. De spaken moeten het wiel ondersteunen tegen zijdelingse buiging en vervorming van de velg en ook bestand zijn tegen het effectief platdrukken van het wiel door verticale belasting (radiale compressie). Geen kleine taak. Het is geen wonder dat er sinds de komst van het wiel maar heel weinig andere oplossingen zijn onderzocht.
Spaakspanning
Nu begint het technisch te worden, en je zult niet de enige zijn als wat volgt een beetje verwarrend en contra-intuïtief is. Er is sterke onenigheid over de vraag of een fiets in feite aan de bovenste spaken hangt (die boven de naaf als je de fiets vanaf de zijkant bekijkt) of liever wordt ondersteund door de lagere, die zich als kleine pilaren gedragen.'De laatste mening, hoe vreemd het ook lijkt, is absoluut het geval', zegt Jim Papadopoulos van het Northeastern University's College of Engineering in Boston, VS, en de co-auteur van Bicycling Science.
Hoewel het gemakkelijk te geloven is dat een fietsspaak gewoon zou bezwijken onder het gewicht van de fiets en de berijder, legt hij verder uit dat de spanning die in een spaak ontstaat tijdens het wielbouwproces ('voorspanning' genoemd) waardoor de onderste spaken de belasting kunnen dragen zonder te knikken, zoals ze zouden doen als er geen voorspanning was. ‘Elke spaak op het onbelaste wiel heeft een spanning in de orde van grootte van 100 pond [445N]. Wanneer de as met een kracht van 100 lb naar de grond wordt gedrukt, is het enige significante effect op de spaakspanningen het verminderen van die direct onder de naaf - meestal vermindert men tot ongeveer 50 lb en spaken aan elke kant van die spanning verminderen tot ongeveer 75 lb. Dit is precies wat je zou zien met massief houten spaken zoals een oud wagenwiel - de onderste zou 50 pond dragen en die aan weerszijden ervan zouden 25 pond dragen. Het verschil met draadspaakwielen is dat een draadspaak geen compressiebelasting kan dragen - hij zal bezwijken. Zo zijn alle spaken ingenieus voorgespannen. Een draad kan geen compressiebelasting van 50 lb dragen, behalve wanneer deze al een trekbelasting draagt die dat overschrijdt.
‘Natuurlijk zal een fietswiel instorten als de bovenste of horizontale spaken worden verwijderd’, voegt Papadopoulos toe. ‘Maar dat komt vooral omdat de gewijzigde constructie een heel ander lastpad heeft en bovendien niet de benodigde voorspanning kan leveren. We kunnen die ineenstorting niet gebruiken om te concluderen dat het typische wiel belasting door de bovenste spaken draagt.’ Als je hoofd daardoor gaat tollen, ben je niet de enige. Dus laten we verder gaan met het meer rechttoe rechtaan gebied van spaakmateriaal.
Stalen Spaken
Spaken zijn voornamelijk gemaakt van staal, een materiaalkeuze die, zoals Miodownik ons vertelt, 'in feite neerkomt op het vermogen om een betrouwbare schroefdraad te hebben. Staaldraad is geweldig, want zelfs met een heel klein bevestigingsgebied, zoals waar de nippel de spaak bij de velg vasthoudt, kun je er behoorlijk wat spanning op zetten zonder de draad te strippen. Roestvrij staal is het ideale materiaal omdat het de juiste mix van hoge sterkte en een laag gewicht heeft, terwijl het ook betaalbaar is.'
Roestvrij staal is sinds het einde van de 19e eeuw het favoriete metaal voor spaken vanwege de hoge treksterkte, waardoor de spaken relatief dun en licht van gewicht blijven terwijl ze bestand zijn tegen de krachten die erop worden uitgeoefend. ‘Zachtstalen spaken zouden twee keer zo zwaar en dik moeten zijn’, zegt Chris Hornzee-Jones, directeur bij bouwkundig ingenieurs Aerotrope. Hij ontwierp de baanbrekende Lotus carbon mountainbike en werkte aan een van de grootste wielen met spanspaken ooit gemaakt - de structuur met een diameter van 60 m die onder het dak van de Millennium Dome hangt en wordt gebruikt als platform voor luchtartiesten. 'Door chroom en molybdeen toe te voegen aan het ijzer en koolstof van zacht staal, is de resulterende roestvrijstalen legering veel beter bestand tegen vermoeidheid.’
Vermoeidheid is de aartsvijand van een spaak. Als je denkt dat je quads herhaaldelijk onder druk worden gezet door de herhaling van je pedaalslagen, heb dan medelijden met je spaken, die worden geteisterd bij elke wielomwenteling. Elke spaak in het wiel wordt slechts gedurende een fractie van een seconde onder druk belast dat deze zich direct onder de naaf bevindt, en op dat moment wordt hij samengedrukt voordat de druk wegv alt en kan hij terugkeren naar zijn normale lengte. Het is een meedogenloze cyclus die letterlijk een slecht gebouwd wiel ongedaan kan maken.
'Een wiel is als een vermoeiende loopband voor spaken, die voor hen des te moeilijker wordt doordat er aan het ene uiteinde een draad is toegevoegd en [in de meeste gevallen] een bocht en/of kop aan het andere, ' zegt Hornzee-Jones. 'De draad is een concentrator van spanning en de belastingoverdracht vindt meestal plaats via de eerste paar draden. Bovendien is de nippel relatief stijf en omdat hij loodrecht op de velg probeert te zitten, komt hij zelden perfect overeen met de hoek waarin de spaak komt, wat de oorzaak kan zijn van extra geconcentreerde spanning. Aan het andere uiteinde buigt de J-bocht minutieus door en na honderdduizenden normale wielrotaties kunnen kleine oppervlaktefouten, slechts micron diep en volledig onmerkbaar voor het menselijk oog, zich beginnen te openen. Het is in het begin een langzaam proces, maar zal uiteindelijk leiden tot een spaakbreuk.'
Aluminium Spaken
Staal is echter niet het enige materiaal dat voor spaken wordt gebruikt. Mavic en Campagnolo (evenals Campagnolo's zusterbedrijf Fulcrum) zijn al lang voorstanders van aluminium spaken. Aluminium heeft een derde van de dichtheid van staal, maar ook ongeveer een derde van de stijfheid, dus spaken moeten dikker zijn, wat betekent dat ze mogelijk minder aerodynamisch zijn, nippels met een grotere diameter nodig hebben en vervolgens grotere gaten in de velgen, die kunnen verminderen velg sterkte en stijfheid. Aluminium spaken hebben ook de neiging om een straight-pull-ontwerp te gebruiken, omdat een J-bocht in aluminium zeer waarschijnlijk zal falen onder stress.
Een andere beperking is dat aluminium een draad niet zo gemakkelijk vasthoudt. De oplossing van Mavic is om de nippels rechtstreeks in de velg te draaien, in plaats van op de spaak. Campagnolo suggereert dat het aluminium spaken kiest die hetzelfde wegen als stalen versies, maar in vergelijking het rijgevoel van de wielen verbeteren, maar dit is een grotendeels subjectieve kwestie waarin spaken slechts een rol spelen, met banden, velgen en naven ook belangrijke spelers, laat staan de rest van de fiets.
Gezien de verschillende spanningen die spaken ondergaan, lijkt koolstofvezel misschien helemaal geen waarschijnlijke keuze, maar Mavic heeft, samen met verschillende andere high-end wielmerken, zoals Lightweight en Reynolds om er maar twee te noemen, manieren gevonden om zijn treksterkte in spaken te benutten, met duidelijke gewichtsbesparingen voor het grijpen. Mavic's R-Sys SLR maakt bijvoorbeeld gebruik van holle koolstofbuizen om stijfheid onder spanning en weerstand tegen compressie te bieden.'De spaakrek is veel lager dan die van staal of legering omdat koolstof stijver is', zegt Michel Lethenet van Mavic. "Omdat ze buizen zijn, zijn ze bestand tegen compressie, wat helpt om de stijfheid van het wiel te behouden, hoewel er enkele metalen onderdelen nodig zijn, die aan elk uiteinde zijn verbonden om de bevestigingen aan de velg en de naaf te maken." Een alternatieve methode wordt gebruikt in Mavic's Cosmic Carbone Ultiem, waarbij koolstofspaken met bladen van de ene kant van het wiel naar de andere gaan, verbinding maken met de naafflens en onderweg andere spaken kruisen.
Truth from spin
Er zijn nog een paar andere ontvangen fietswijsheden met betrekking tot spaken die Peter Marchment, materiaalwetenschapper en directeur van Hunt Bike Wheels, graag wil verdrijven. 'Een wiel met een diepere velg met kortere spaken wordt vaak gezien als 'sterker', maar dit komt meestal door de inherente extra stijfheid in de velg', zegt hij.‘Ook denken veel mensen dat je met een hogere spaakspanning een stijver wiel krijgt, maar dat is niet het geval. Wielstijfheid wordt door veel andere zaken beïnvloed dan alleen de spanning, waaronder het aantal spaken, de verstevigingshoek en de velgdiepte.
In feite zal een spaak bij belasting even lang uitrekken, ongeacht de toegepaste voorspanning, wat betekent dat het verhogen van de spaakspanning het wiel niet stijver maakt.' Marchment vervolgt: 'Spaken onder de juiste spanning zetten is cruciaal. Bij extreem hoge spanningen zijn de velg en spaken meer vatbaar voor beschadiging, omdat ze effectief met een hoge kracht worden voorgespannen. Maar lage spaakspanningen zijn ook een probleem omdat de nippel eerder loskomt [afwikkelen] wanneer ze worden ontlast door stoten of trillingen van de weg, waardoor het wiel loskomt.'
Wat de spanning en het patroon ook is, er is een breed scala aan spaken waaruit u kunt kiezen, om nog maar te zwijgen van de vele variaties in de kwaliteit van de draad waaruit ze zijn gemaakt. Sapim, een van de toonaangevende spaakfabrikanten, produceert 300 miljoen spaken per jaar en winkelt in de buurt om de kwaliteit te behouden en concurrerend te blijven in het hele productassortiment. 'Zestig tot 70 procent van de prijs van een gewone spaak kan in het materiaal zitten, dus het is belangrijk om dat goed te krijgen, maar het belangrijkste voor al onze spaken is de prestatie van de draad', zegt de verkoopmanager van Sapim, Klaus Gruter. 'We zijn op zoek naar een draad die helder en glanzend is en een treksterkte heeft van 1.000 tot 1.050 N/mm2 met goede vermoeiingsgegevens en, belangrijker nog, uitstekende corrosieweerstand.'
Grüter vertelt ons dat monsters in het laboratorium zijn getest op treksterkte, buiging en torsieweerstand. Eenmaal geaccepteerd, wordt de draad van de spoelen machinaal rechtgetrokken en afgesneden. Gewoon draad kan ook worden gemaakt in stompe spaken (waar het centrale gedeelte smaller is gemaakt) door de draad door een matrijs te trekken. Eenmaal gestoten, worden de kop van de spaak en de J-bocht gesmeed en wordt de draad aan het andere uiteinde gerold (niet gesneden). Afgewerkte spaken worden zowel door machinevisiesystemen als door menselijk oog en hand geïnspecteerd. Eén machine kan 20.000 stompe spaken per dag maken, wat verklaart waarom verschillende arbeidskosten weinig invloed hebben op de prijs van een afgewerkte spaak en waarom fabrikanten over de hele wereld tegen vergelijkbare prijzen kunnen verkopen.
Maar waarom zou je een spaak slaan? Jonathan Day van Strada Wheels legt uit: 'Butted-spaken zijn beter in het verwerken van koppel dan gewone meters. Ze zijn breder in het vlak van het wiel, dat is de richting van de torsiekracht, dus er is meer materiaal om het te weerstaan. Ze buigen ook iets meer in het loodrechte vlak, zodat ze de compressiebelasting beter over het wiel kunnen verdelen.'
Spaakpatroon
Het traditionele spaakpatroon van een fietswiel bestond uit 32 (of soms 36) spaken, drie keer gekruist. Het verweven patroon van de spaken in een traditioneel geregen wiel is verre van alleen een mooie caleidoscopische opstelling, maar is eigenlijk een functioneel onderdeel van het wielontwerp.
In termen van laterale stijfheid zorgen de punten waar de spaken elkaar kruisen ervoor dat elke spaak zich tegen een andere kan schrappen als deze onder spanning wordt geplaatst, en deze ook ondersteunt als deze wordt samengedrukt. De meest vitale rol van het drievoudige veterpatroon is in een achterwiel, waar de spaken de trapkracht van de naaf moeten overbrengen. In dit geval worden de spaken belast met een veel grotere torsiebelasting dankzij de torsiekracht van de aandrijflijn. Spaken aan de cassettezijde, die de naaf tangentieel verlaten, brengen een roterende kracht (koppel) over van de naaf naar de velg. Radiale spaken (die een pad volgen van het midden van de naaf rechtstreeks naar de velg, zonder een andere te kruisen) zijn veel minder in staat om dit soort belasting aan te kunnen en zouden eerder falen.
Als koppel geen probleem is, zoals bij een voorwiel met velgremmen, is het zinvol om radiale spaken te gebruiken. Dit bespaart gewicht, omdat de spaken korter kunnen zijn en er minder nodig zijn om een zijdelings stijf wiel te creëren. Het ziet er ook goed uit. Schijfremmen veroorzaken echter een aanzienlijke torsiebelasting, waardoor radiaal spaken vrijwel onmogelijk is. 'Het juiste veterpatroon is van cruciaal belang, omdat spaken de compressiebelasting delen door tegen de buren die ze kruisen te drukken, dus spaken moeten worden geregen om leiders of aanhangwagens te zijn', zegt Day. ‘Je moet ervoor zorgen dat een leidende spaak het eerst aan de aandrijfzijde wordt belast. Op een wiel met 32 spaken wil je 16 toonaangevende spaken om de belasting te delen. Als je de veter verkeerd sluit, heb je er maar acht die het werk doen.'
Opmerkelijk is dat spaakpatronen een van de minst uitdagende aspecten van wielontwerp zijn gebleven, ondanks enkele enorme sprongen voorwaarts in materialen en productietechnologie in de afgelopen decennia. Het is een echt beproefde methode en zoals het gezegde luidt, als het niet kapot is…
