Over de technische achtergronden van de fiets - the technical background of the bicycle
Home » 17

 Over het spaken van wielen 

   We beschrijven hier het traditionele gespaakte wiel. Er zijn wel variaties op deze manier van werken. Als u een bepaalde beschrijving volgt, houdt dan vast aan die methode; meer beschrijvingen tegelijk volgen, leidt tot verwarring en fouten.

   Er zijn veel nieuwe wielontwerpen geweest afgelopen 30 jaar, maar uiteindelijk is er toch weinig  van al die vernieuwingen over gebleven. De trend naar stijvere velgen en minder spaken is wel duidelijk. De stappen naar schijfremmen en bredere velgen en banden, leveren wat zwaardere wielen op. De levensduur van het wiel zal toenemen door eliminatie van de velgslijtage. Doordat de remkrachten nu van naaf naar velg lopen, is het radiaal spaken van wielen voorbij.

   Het aantal spaakgaten varieert van 12 voor een kinderfietsje, tot 48 voor een tandem. Omdat het aantal spaken links en rechts gelijk is, en er evenveel binnenste als buitenste spaken zijn, is het aantal spaakgaten een veelvoud van vier. De oude standaard is 36 gaats.

De nippelgaten in een velg zitten gewoonlijk uit het midden; er ontstaan t.o.v. het ventielgat twee patronen. Bij FIG.1a staat het nippelgaatje boven het ventielgat LINKS uit het midden. Bij FIG.1b staat  RECHTS uit het midden. Het heeft geen zin de velg om te draaien! N.B. We kijken in het velgbed.

De naaf van een wiel heeft twee flenzen waardoor de spaken gestoken worden. De eerste serie spaken wordt van buiten naar binnen gestoken (zie spaak nummer 1 in FIG.2a ; we noemen dit de binnenste spaken). De tweede serie van de binnenkant van het wiel naar buiten gestoken (zie spaak nummer 2 in FIG.2a: de buitenste spaken). De sterkste spaken in het wiel, zijn de spaken die van binnen naar buiten gestoken worden. Deze spaken staan verder uit elkaar, waardoor ze extra belasting beter aankunnen. De flenzen op de naaf staan verdraaid t.o.v. elkaar (zie FIG.2b). Let op de hartlijn tussen voorste en achterste flens. De spaakgaten in de flenzen verspringen dus; dit is bij het vlechtwerk belangrijk!

N.B. Bij het vlechten beginnen we altijd met de binnenste spaken.

De velgen met het patroon 1a zien we vooral in (semi)racefietsen. De spaken in een racewiel die het zwaarst belast worden, zijn de spaken die de aandrijfkrachten overbrengen. Bij het voorwiel maakt het niet uit; bij het achterwiel wel. De tandwielen draaien het wiel rechtsom (met de klok mee). De trekkracht van de ketting verloopt via de buitenste spaken!
Het patroon 1b zien we in gewone toer- en sportfietsen met een remnaaf. De remkrachten van een naafrem of schijfrem zijn groter dan de aandrijfkrachten! De buitenste spaken, die het sterkst zijn, moeten hier de remkracht opnemen: deze draait tegen de klok in (linksom). De binnenste spaken moeten dus de aandrijfkracht opnemen (rechtsom). Dit is de reden waarom de velgen met schijfremmen en remnaven RECHTS worden uitgevoerd en rechtsom gespaakt! Het spaakgat op de velg boven het ventiel zit dan rechts uit het midden (zie FIG.1b).  We zullen dus een verschuiving gaan zien in de komende tijd, naar het velgtype 1b

De spaak kan door rekken en het zetten van de spaakkop in het gaatje van de naafflens, wel 2 mm langer worden, maar door de dikte van de nippel boven het velgbed niet mee te rekenen, compenseert zich dit. Voor 36 spaaks wielen zijn 3x en 4x kruisend geschikte spaakpatronen. Het 4X kruisen levert problemen op met een lage flens naaf, omdat de spaken over elkaar gaan lopen. Bij hoge flenzen gaat het prima. Een hoge flens geeft bovendien een veel lagere spaakbelasting dan een lage flens;als de flens twee maal zo hoog is, wordt de spaakbelasting door aandrijving gehalveerd. Naarmate meer spaken in het wiel zitten, kunnen we vaker kruisen. Een 48 of 44 spaaks wiel, kan 5x gekruist worden; een 40 of 36 spaaks wiel kan max. 4x gekruist worden. Een 32 of 28 spaaks wiel 3x; 24 of 20 2x, een 16 spaaks 1x.

Het is vaak moeilijk weinig gebruikte spaakmaten te krijgen; weliswaar is het meeste te bestellen (per 100 of per gros!), maar vanwege levertijd en leverbaarheid, moeten we soms spaken
kopen die iets afwijken van de gewenste maat. Tussen te kort en te lang zit 4mm. Als de spaken door de nippels naar buiten komen hadden we 2mm korter moeten nemen, en als we nog schroefdraad op de spaak kunnen zien, 2mm langer. De draad op de spaak is gerold d.w.z. het materiaal uit de "dalen vormt de "heuvels"; de draad is dus het dikste deel van de spaak! De schroefdraad is engels b.v. 14xWW 1/56 (dus 1/14 inch WhitWorth met 56 gangen per inch).
Omdat veel velgen alleen geschikt zijn voor 14-er nippels, zijn er tegenwoordig ook wel 14-er nippels met een 13-er draad; de wanddikte is echter minimaal; deze nippels raken snel beschadigd. Er zijn ook 13-er spaken waar een 14-er draad op zit, een beetje betere oplossing, mits de spaken niet te lang zijn; deze draad is namelijk gesneden: de nippel loopt vast op de spaak en er is een kans op breuk in de nippel, omdat de schroefdraad het zwakste punt is! De nippels zijn meestal van vernikkeld messing; dure nippels zijn van sterk aluminium. Goedkope spaken zijn van koolstofstaal, tegen roest beschermd door verzinken, vernikkelen of verchromen. Kwaliteitsspaken zijn van chroomstaal als X30Cr13 (Hoshi) of chroomnikkelstaal zoals X5CrNi18-8 (Sapim en Alpina) en X5CrNi18-10 (DT). Rijke grammenjagers kunnen zelfs titanium spaken kopen bij DT. Voor speciale wielen zijn er kunststof spaken verkrijgbaar o.a. Vectran spaken voor Spox wielen en carbon van het Taiwanese CN-spokes. Mavic gebruikt voor de Ksyrium SL aluminium spaken van Zicral (AA7075). Al deze speciale spaken zijn duur, soms € 5  per stuk en ze passen vaak slechts in een merk wielen of zelfs slechts in een type wiel van dat merk.

Begin alle vlechtpatronen steeds vanaf het ventielgat. Anders ontstaat soms er een kruising van spaken boven het ventiel, hetgeen oppompen van de band moeilijk maakt. Het vlechtwerk voor alle spaakpatronen is nagenoeg identiek. Bij een bepaalde spaaklengte + naaf + velg, ligt het spaakpatroon feitelijk vast. Een ervaren wielenbouwer weet welke spaaklengte bij een bepaalde naaf/velg combinatie en vlechtpatroon hoort. Bij weinig gebruikte combinaties kan hij tabellen gebruiken, of de spaaklengte berekenen. Onderaan deze pagina staat een formule om spaaklengtes te berekenen en een app in Excel.
Een voorwiel zonder remnaaf of schijfrem kunnen we op alle mogelijke manieren spaken. Het lichtst, het sterkst en het stijfst, zijn radiaal gespaakte wielen. In deze wielen kunnen we gerust minder spaken gebruiken. Bij achterwielen is de zaak gecompliceerder. We zouden ernaar moeten streven het parapluspaken te vermijden. Dit kan door brede naven en achtervorken te nemen, of door asymmetrische frames te bouwen. Voor een 36 of 32 spaaks wiel is 3 x gekruist gewenst. Bij kleine wielen, zoals 20 inch, neem ik met minder kruisen en minder spaken genoegen. De spaak komt anders te schuin in de velg (gevaar voor spaakbreuk in de nippel). Kleine wielen zijn sowieso sterker en stijver; ze hebben bovendien een lagere spaakbelasting (kleinere aandrijfkracht, meer toeren per minuut).                                                        

 HET VLECHTEN (?) : 0x en 1x

Er is feitelijk weinig verschil tussen het vlechten van een voorwiel of een achterwiel. In een
voorwiel zonder remnaaf of schijfrem, kunnen we elk vlechtpatroon gebruiken. Bij een achterwiel dient minstens een scherm, liefst meerdere malen, gekruist te zijn; dit is afhankelijk van het aantal spaken zoals we net gezien hebben.

De meest eenvoudige manier van wielen spaken is radiaal (0x gekruist). Het kan op drie manieren:

1. Allemaal buitenste spaken (alle spaakkoppen binnen) 2. Allemaal binnenste spaken (alle spaakkoppen buiten) 3. Om en om.

Voor de derde methode zou ik geen enkel argument weten. De tweede methode is volgens sommigen mooier. De eerste methode is het beste; het wiel is ongeveer 10% stijver, omdat de spaken verder uit elkaar staan en de spaakkop wordt beter gesteund door de flens, waardoor hij minder kan werken. Dit is een zwak punt bij radiale wielen; niet alleen spaken breken, maar ook naafflenzen! Deze worden bij radiaal spaken zwaar belast. Een radiaal wiel is echter aerodynamisch, superlicht en superstijf. N.B. Shimano geeft geen garantie op de standaard naven bij radiaal spaken! Het maakt niet uit of de velg links of rechts is uitgevoerd. Het plaatje bij FIG.3 is toevallig LINKS; bij een rechtse velg overal waar LINKS staat RECHTS lezen. Steek de spaken van binnen naar buiten door flens A. Begin alle vlechtpatronen steeds vanaf het ventielgat. Steek de eerste spaak LINKS naast het ventiel (a1). Vervolgens naar LINKS a2, a3 enz., tot we weer terug zijn bij het ventiel. We kijken nu langs spaak a1 naar flens B (zie FIG.3), en we kiezen het spaakgat LINKS van a1 op flens B. Hierdoor steken we de eerste spaak van binnen naar buiten. We monteren deze spaak LINKS van a1 in de velg tussen a1 en a2 in het gaatje b1. Nu steken we de overige spaken in de flens, en monteren deze in b2, b3 enz., tot we weer bij het ventiel zijn. Als alles goed uitkomt, kunnen we het wieltje opspannen en uitrichten.
Ook het vlechtpatroon 1x kruis, kan met uitsluitend buitenste spaken gevlochten worden. Uitgaande van FIG.3, steken we gewoon de eerste spaak bij a2 naar binnen, en de tweede bij a1. Zo gaan we de hele velg weer rond. Natuurlijk dient aan de andere zijde de eerste spaak bij b2 naar binnengestoken te worden, en de tweede bij b1. Bij een 1x gekruist vlechtpatroon, slaan we op de velg een gaatje over (bij voorbeeld b1 tussen a1 en a2). We kunnen nu zeggen dat het lage kruis één spaakgat op de velg omvat. Naarmate er vaker gekruist wordt, neemt dit aantal toe. Bij 2x zijn het vijf spaakgaten op de velg, bij 3x negen, en bij 4x dertien.

 

                                                                         WIELTJES VLECHTEN: 2x,3x,4x EN 5x GEKRUIST


Het vlechtwerk voor al deze spaakpatronen is nagenoeg identiek. Bij een bepaalde spaaklengte + naaf + velg, ligt het spaakpatroon feitelijk vast. We gaan uit van een 36 spaaks naaf (hiermee vervalt 5x gekruist!) en een LINKSE velg. Hebben we een rechtse velg, dan waar LINKS staat, rechts lezen! Het wiel bovendien met de klok mee spaken. Als het wiel geschikt is voor een cassette of freewheel, moeten de spaken aan de aandrijfzijde korter zijn; gewoonlijk scheelt dit 2mm. Deze spaken komen onder een 40 tot 50% hogere spanning te staan.

BIJ EEN ACHTERNAAF BEGINNEN WE AAN DE AANDRIJFZIJDE. De flens waaraan we beginnen noemen we flens A.

FIG.3a

 

We steken spaak A1 (zie FIG.3a) van buiten naar binnen en bevestigen deze in het spaakgat in de velg LINKS naast het ventielgat. We slaan nu een gaatje op de naaf over en steken de tweede spaak (A2) van buiten naar binnen. Op de velg slaan we nu drie gaatjes over, en monteren de nippel in het vierde spaakgat LINKS van het ventiel. Zo gaan we door tot kant A vol is: negen spaken! Zoals we in FIG.3a zien liggen de spaakgaten op de andere flens (B) iets verschoven. We trekken een denkbeeldige lijn door het gaatje in de naafflens A waarin A1 zit. In het gaatje op naafflens B dat LINKS van A1 zit, steken we een volgende spaak (B1) van buiten naar binnen. We monteren spaak B1 LINKS van A1. Voor montage van B2, slaan we weer een gaatje op flens B over, en drie gaatjes op de velg. B2 komt LINKS van A2 enz., tot ook in flens B negen spaken zitten.

We houden kant A voor ons, en draaien nu de naaf LINKSOM. Steek nu de eerste spaak LINKS naast A1 in de naaf, van binnen naar buiten. Draai deze spaak naar LINKS, zodat hij 2, 3, of 4 spaken van scherm A kruist. Dit is afhankelijk van het vlechtpatroon, dat u gekozen heeft!! We halen deze spaak onder de laatste door, en monteren hem in het juiste nippelgat in de velg (A zijde!). Zo gaan we door tot flens A vol is. Als we goed gewerkt hebben, staan de spaken nu in keurige groepjes van drie. We steken nu de spaken van binnen naar buiten door flens B. Ook hier weer kruisen en onder de laatste spaak doorhalen. Er is slechts één juiste montage mogelijk, komt het niet uit, dan is ergens een fout gemaakt; dit betekent vaak opnieuw beginnen.

 

                                                                  HET OPSPANNEN


We beginnen alle nippels aan te draaien met een schroevendraaier tot er nog één draadgang zichtbaar is op de spaak. Mogelijk staat er dan al spanning op de spaken. Zoniet alle spaken, ronde na ronde, een halve slag draaien, tot er spanning op komt. We werken altijd vanaf het ventiel! Als er zeer veel rondes komen, zijn de spaken te lang en zullen ze door de nippel naar buiten komen. Dit veroorzaakt lekke banden, dus kortere spaken gebruiken, of de spaken afknippen en afvijlen. Zodra er spanning op de spaken komt, ruilen we de schroevendraaier in voor een goede nippelspanner. Als alle spaken even ver zijn aangedraaid en de velg was volkomen rond, zal het wiel ook volkomen rond zijn; dit is het vaak niet. Als er erg veel zijwaartse slag is, dan haal ik deze er eerst globaal uit. Als de velg naar rechts moet, de rechter spaken over het betreffende stuk een halve- of kwart slag vaster zetten, en de linker spaken een halve- of kwart slag losser. N.B. Wanneer we alleen de rechter spaken vaster zetten, introduceren we feitelijk een hoogteslag!
Als het wiel een beetje recht is, gaan we op hoogteslagen controleren. "Deuken" zijn er lastiger uit te halen als "hobbels". Bedenk dat de naaf de krachten op de spaken door geeft naar de andere kant van het wiel. Terwijl je zowel links als rechts, de spaken bij een hobbel aantrekt, moeten de ertegenover liggende spaken losser; anders is de kans groot dat we van een "eivormig" naar een "ellipsvormig" wiel gaan. Bij een deuk zet je bij voorbeeld 2 rechtse en 2 linkse spaken een halve slag losser, en alle andere een kwartslag vaster. Bij de las (vaak door een sticker gecamoufleerd) kan soms toch een vervorming blijven. We nemen nu een wielnaafuitlijner en kijken of de velg in het midden staat. Dit is een eenvoudige beugel met een stelschroef in het midden; eerst aan de ene kant tegen de velg houden en de stelschroef tot aan de naaf draaien. Daarna aan de andere kant houden: de stelschroef moet nu weer precies aan de naaf raken. Als dit niet het geval is: alle spaken aan de kant waar de velg naartoe moet, vaster zetten, en de andere kant evenredig losser. Zodra de hoogteslagen eruit zijn, gaan we de restanten van de zijslagen eruit halen. Heeft de velg geen hoogteslag en geen zijslag meer, en staat hij ook nog in het midden, dan brengen we de spaken op eindspanning. Hoe strak is dat nu? Strak! Knijp maar eens in een wieltje van een goede vakman. Er zijn spaakspanningsmeters verkrijgbaar om het proces beter te controleren

Bij de berekening van spaaklengtes gebruiken we ouderwetse meetkunde!  De hoek α is hoofdzakelijk afhankelijk van het aantal spaken en het gekozen vlechtpatroon.

 

Een rekenprogramma voor de berekening van de juiste SPAAKLENGTE met Excel, kunt u hieronder downloaden.

Verder kunt u de vijfde druk (2006) van het boekje "Het ABC van wieltjes spaken" downloaden, maar u kunt het ook gewoon lezen in het venster .

 

SPAAKLENGTE
Excel – 53.9 KB 225 downloads
abc5
PDF – 534.2 KB 311 downloads

   De hier beschreven spaakmethode is niet de enige mogelijkheid om wielen te bouwen. In diverse video's en beschrijvingen door anderen, worden soms variaties op mijn manier van werken gebruikt. 

   Er zijn meer goede oplossingen, maar er worden ook foute keuzes gemaakt. Bij dit wiel in FIG.5 met een Nuvinci traploze versnellingsnaaf, kiest de bouwer voor een te groot aantal kruisingen; hierdoor maakt de spaak een scherpe hoek met de velg en zal de nippel eenzijdige druk op de draad van de spaak uitoefenen. Die buiging versterkt de kerfwerking en leidt tot spaakbreuk in de nippel. 

Je kunt dit soort problemen een beetje opvangen door een knik in de spaak te maken, op 20mm van de draad; maar dat is een paardenmiddel en erg lelijk bovendien.

  Spaakdiktes waren door de jaren heen redelijk gestandaardiseerd. Helaas is aan deze praktijk een einde gekomen en zien we nu ook wel 2,16mm  als spaakdikte uit China komen (met 3,6mm nippels) ; een gruwel, is dan niets meer heilig?

 

FIG.5 Een voorbeeld dat ik niet aanraad!

 10.25 Over nippels, spaken en schroefdraad (About spokes nipples and threads).                                  21.07 Een rondleiding by DT Swiss. (A tour in the factory of DT Swiss).

  19.57  Een kort verhaal over wieltjes spaken. (A short story about building wheels).                          1.54.56  Een lang verhaal over wieltjes spaken. (A very long story about building wheels).

 De automatisering van het wielen spaken.

 

   In de jaren zeventig en daarvoor, was het spaken van fietswielen een toets tijdens het examen van de opleiding rijwielhersteller. De kandidaat kreeg een velg, een naaf, spaken en nippels, en een half uur de tijd om er wat van te maken. Maar de beoordeling door de examinator en de demontage van het wieltje, gingen van die tijd af; de volgende kandidaat gebruikte het zelfde materiaal. Het was destijds in de fietsenhandel gebruikelijk om per wiel een half uur montagekosten in rekening te brengen.

   In de fietsenindustrie waren er mensen de hele dag wielen aan het spaken. De toevoer van materialen en de afvoer van de wielen werd geregeld. Het waren grote series met dezelfde componenten. Deze werknemers waren vaak zeer bedreven, zes wielen per uur was geen uitzondering; het was wel saai werk. Met het stijgen van de loonkosten en de toename van mechanisering van de arbeid, gaat men ook nadenken over het bouwen van een machine of een robot, die wielen kan spaken en richten.

   Technisch is het al een hele opgave om een dergelijke opstelling te bedenken. Maar de machine moet concurreren met een bestaand proces d.w.z. de fabrikant moet aantonen en/ of garanderen dat het economisch voordeel heeft, om die machine toe te gaan passen. De benadering om niet "alles in een keer" te willen doen, blijkt voor de commerciële ontwikkeling van deze machines gunstig te zijn. Het rijgen van het wiel, dat wil zeggen het steken van spaken in de naafflenzen, bleef nog lang handwerk. Ook het vlechten van de wielen, dat wil zeggen het onder elkaar door halen van de spaken bij de laatste kruising, heeft nog vaak menselijke input nodig. Deze deze bewerking kost wat meer tijd en de productiesnelheid daalt hierdoor. Veel beperkingen uit de beginjaren zijn inmiddels opgelost. In het algemeen zullen de spaakspanningen bij robot gespaakte wielen hoger liggen, soms 20-25%. 

  Voor de fietsfabriek zijn de storingsgevoeligheid van de robot, de afschrijving + onderhoud, en de kwaliteit van de geproduceerde wielen, uiteraard de belangrijkste factoren.

   Een patentaanvrage en een werkend prototype is hooguit een begin, maar zeker geen garantie voor commercieel succes in de industrie.

 

1951 US 2759530 Herr Equipment Corp
PDF – 1.6 MB 40 downloads
1957 GB 856691 A TI Group
PDF – 2.1 MB 32 downloads
1968 US 3507027 Motobecane
PDF – 907.8 KB 43 downloads
1969 US 3636614 Churchill Automatic Assembly
PDF – 930.1 KB 36 downloads

.Patent aanvragen is geen gemakkelijk verhaal. Tussen aanvrage en patent verlening zit in dit eerste voorbeeld zelfs vijf jaar! Het is een Amerikaans patent van de machinefabriek Herr uit Ohio, maar vermoedelijk is er nooit een fietsenfabriek geweest, die deze machine heeft toegepast. Als we de tekeningen bekijken, ziet het er ingewikkeld en dus duur uit.

 

Het Britse Patentbureau deed er 2,5 jaar over om het patent van B. Sargent & R. Dressler goed te keuren. Beide heren waren gelinkt aan Tube Investments , een firma waar Raleigh, en later ook Gazelle, deel van uitmaakten. De vakbonden hebben experimenten met automatisering in de jaren zestig tegengehouden. Raleigh stond ook niet bekend als een innovatieve firma.

 

De Franse firma Motobecane vraagt in 1968 een patent aan in de USA voor spaakrobot. Het oogt allemaal als een bedenksel, weinig concreet. Mogelijk heeft men geprobeerd het idee daar te verkopen. Of er in Frankrijk geëxperimenteerd is, weet ik niet. Er is in elk geval geen verdere ontwikkeling bekend.

 

Een USA patentaanvrage uit 1969 van "Damman et al" . De heer C. Damman is later een van de oprichters van Holland Mechanics; dit bedrijf zal een grote rol gaan spelen. Bij Gazelle gaat men als eerste fabriek daadwerkelijk van deze spaakmachines gebruik maken. Men ontwikkelt deels geautomatiseerde productielijnen, die echte besparingen opleveren. Holland Mechanics slaagt erin om in de loop der jaren uit te groeien tot marktleider met vestigingen over de hele wereld.

 

 1.13 Het automatisch rijgen van de spaken in de naaf (Hub filling station).                                                9.47  Vlechten met menselijke assistentie (Lacing wheels with human input).

  0.52 Een wielrichter met vier handjes ( A robot with four trueing hands).                                              2.52 Een wielricht-robot aan het werk. (A trueing robot working).

 

  De fabrikanten van naven, velgen, spaken en nippels, pasten hun producten in de loop der jaren aan, om de machinale verwerking van de onderdelen te verbeteren. Dit heeft onder andere tot gevolg dat de gaatjes in de naafflenzen wat groter worden. De steun van de kop van de spaak neemt hierdoor af; technisch is dat een stressraiser en kan het aanleiding zijn voor spaakbreuk bij de kop of bocht. Dit is de meest voor komende schade in fietswielen; vooruitgang is niet altijd een verbetering. Men maakt de spaakkoppen nu wat breder. 

  Bij het omhoog komen van de spaak in de nippel, als die wordt aangedraaid, wordt de kop van de schroevendraaier van de robot weggeduwd. Om dit te voorkomen zijn de spaken van robot gespaakte wielen in dit geval 1-2mm korter dan hand gespaakte wielen. Zeker bij aluminium nippels, levert dit extra kans op breuk in de nippel; om dit te ondervangen, zien we nu ook nippels met een torx of zeskantkop. In de duurdere wielen zijn de nippels voorzien van micro-capsules lijm. Tijdens het vlechten en richten, fungeert dit als smeermiddel en na uitharding als borging.