自転車用ヘッドセットの完全ガイド

Jul 21, 2023

この重要な自転車コンポーネントについて知っておくべきことすべて

このコンテストは終了しました

ベネディクト・フェンダー著

公開日: 2023 年 4 月 23 日午前 10:00

ヘッドセットは、バイクのヘッドチューブに取り付けられたコンポーネントで、バイクの操縦を可能にし、フォークを所定の位置に保持します。

通常、常にではありませんが、バイクのヘッドチューブに圧入する別のコンポーネントで構成されます。 フォークのクラウンとヘッドチューブの底部、およびヘッドチューブの上部とステムの間に位置します。

自転車の種類とほぼ同じ数のヘッドセットのバリエーションがあり、自分の自転車がどのヘッドセットを使用しているか、どのように機能するか、交換用のヘッドセットを購入する方法を理解するのは簡単な作業ではありません。

ここでは、このシンプルなヘッドセットを使いこなすためのガイドをご紹介します。

利用可能なヘッドセットにはいくつかの異なるタイプがありますが、それらはすべて同様に機能します。

ヘッドチューブの両端にある 2 つのベアリングが機能します。 伝統的に、これらはプレスされた「カップ」に保持されていましたが、最新のバイクではベアリングがフレームに直接取り付けられています。

カップ (または統合アセンブリ) は、フレーム内のベアリングの位置を特定するインターフェイスを提供します。

フォークステアラーはこれらのベアリングにスライドします。

ステアラーのベースにあるクラウン レースがボトム ベアリングと嵌合します。

レースの円錐形はフォークステアラーを中心に配置されています。 これは、ベアリング上で自動センタリングが行われることを意味し、予圧が適用されると、角度を付けた形状により軸方向荷重と横方向荷重の両方を確実にサポートします。 トップレースは、上部ベアリングに対応する役割を果たします。

ライディング中にフォークが受ける軸方向荷重のほとんどすべては、下部ベアリングによって支えられます。これは、下部ベアリングがフォークの上に効果的に配置されているためです。

トップベアリングは、フォークを所定の位置にしっかりと保持するために適用されるプリロードによって加えられるアキシアル荷重のみを支えます。

ちなみに、ベアリングとフォークの界面をレース（クラウンレース、トップレース）と呼ぶのは、元々はヘッドセット内のベアリングボールが直接転動する軌道の役割を果たしていたためです。

ただし、このコンポーネントを現代のバイクのレースとして説明するのは、厳密に言えば間違いです。

カートリッジ ベアリング (すべての回転要素を含む密閉ユニット) が普及しているということは、カートリッジ ベアリングを「シート」または「合わせ面」としてより正確に定義する必要があることを意味します。

カートリッジベアリングは事前に組み立てられたユニットとして提供されるため、クラウンレースはボールベアリングをサポートする必要がなく、ボールベアリングはベアリングアセンブリ自体の内部に含まれています。

最後に、すべてが確実に固定され、所定の位置に留まるように、ベアリングに予圧を加える必要があります。 一般的なルールとして、プリロードは、フォークが自由に回転できるようにしながら、ステアリング チューブの揺れや動きを防ぐのに十分である必要があります。

最近では、低価格バイク、一部のトラックバイクやツーリングバイク、またはレトロなバイク以外では、ネジ付きヘッドセットを見つけることはほとんどありません。 しかし、長年にわたって標準であったことを考えると、今でも話題にする価値はあります。

ネジ付きヘッドセットでは、ベアリングはヘッド チューブの上部と下部に圧入されたカップ内に収まります。 レースがフォーククラウン上に配置され、ヘッドチューブの底部のベアリングアセンブリが完成します。

フォークのステアラー チューブにはネジが切られており、ネジ付きレースがフォークの上部にねじ込まれて上部ベアリングにぴったりと固定されています。

トップレースには通常、ベアリングをゴミや風雨から守るためのシール付きベアリングキャップが組み込まれています。 これを締めることでプリロードを設定することができます。 次に、このアセンブリをロックナットで固定し、フォークを所定の位置に保持します。

クイルステムとして知られるステムは、ステアラーチューブ内でスライドしながら個別に取り付けられます。 上部のボルトを締めることによって固定され、ベースの拡張ウェッジと係合してステムを所定の位置にクランプします。

クイルの長さに応じて、ステアラー内でステムをさらに上下にスライドさせ、正しい位置に固定することで、ステムの高さを簡単に調整できます。

ただし、ねじ込み設計にはいくつかの複雑な問題が伴います。

フォークは、フレームのヘッド チューブの長さに正確に一致する必要があります。フォークのステアラーが、ロックナットがステアラーの上部で底に突き当たることなく、ロックナットのネジ山に十分にかみ合うのに十分な長さであることが重要です。

ネジ付きヘッドセットの調整には、ネジ付きレースとロックナット (の大きな寸法) に合わせたサイズの特定のスパナも必要ですが、必ずしも乗り物に持ち込む必要があるものではありません。

ネジ付きヘッドセットは、歳差運動として知られる現象により、自然に元に戻ってしまう迷惑な傾向がある場合があります。 定期的なケアとメンテナンスでこの問題に対処できますが、それでも問題になる可能性があります。

ネジ付きヘッドセットは複数の重なり合うコンポーネントで構成されているため、現在ではより一般的となっている最新のネジなし設計に比べて重量が増加しています。

しかし、ネジ付きヘッドセットのエレガントなラインが失われたことを嘆く、目を曇らせたロマンチストも何人かいるでしょう。 この懐かしさの結果、ネジ付きヘッドセットがカスタム バイク市場で少し復活しつつあります。

スレッドレス ヘッドセットは、はるかにシンプルで間違いなく優れたデザインです。 修理は標準ツール (ほとんどの場合、六角レンチまたはトルクス キー) を使用して行うことができるため、より迅速かつ簡単です。

ネジ式ヘッドセットと同様に、ヘッドチューブの上下にベアリングが取り付けられています。 クラウン レースはステアラー チューブの底にあり、下部ベアリングと噛み合います。

ただし、ネジ付きデザインとは異なり、フォークはヘッドセットに固定されておらず、ヘッド チューブを通って伸びるステアラーにクランプされたステムによってのみ所定の位置に保持されます。

ステムはステアラーチューブの外側にクランプされており、スペーサーで高さを調整できます。

ステムを締める前に、ステアラーチューブの内側に固定されたスターナットまたは栓を「引っ張る」ボルトを使用して、トップキャップを通してプリロードを適用する必要があります。

スターナットは実際に金属製のステアラーチューブでのみ使用されます。 2 列の「星型」歯は湾曲しているため、ステアラーに押し込まれると曲がりますが、予圧がかかると所定の位置に食い込み、歯の方向に逆らって引っ張られます。

カーボンフォーク (カーボンステアラー付き) の場合は、エクスパンダー (バングとも呼ばれます) が取り付けられており、ステアラー内のより広い領域に荷重を分散します。

エキスパンダーは、ステムが所定の位置にクランプされたときにカーボンをサポートするための「固体」要素を提供するため、カーボンステアラーの圧壊損傷も軽減します。

プリロード力はステム (およびスペーサー) を介して伝達され、ステム (およびスペーサー) は上部のステアラー チューブからわずかに突き出た位置 (約 2 ～ 3 mm のギャップが理想的) でステアラー チューブを「引っ張り」、プリロードを適用してフォークを適切に固定します。ベアリングの中。

円錐形のクラウン レースは、ヘッド チューブの基部の下部ベアリングに対してステアラーの位置を決めます。

上部ベアリングは、スロット付きの円錐形圧縮リングと接続します。 プリロードが適用されると、コンプレッション リングがトップ ベアリングとステアラー チューブの間に効果的に挟み込まれ、プリ​​ロードが適用されてスロットが閉じるとステアラーの周囲が締め付けられます。

これにより、ステアリング チューブが上部ベアリングに対して固定されます。 ねじレースがステアリングチューブと直接接続するねじ付きステアラーとは異なり、ここでは圧縮リングがステアラーとベアリングの間の「傾斜」を吸収する必要があります。

ハイエンドのヘッドセットでは、多くの場合、圧縮リングはヘッドセット キャップの捕捉要素であり、ヘッドセットを要素から密閉するためにヘッドセットの上部に取り付けられます。 プリロードを適用すると、ステムを締めることができ、物を所定の位置にクランプします。

ステムを締めてしまうと、トップキャップは何の役割も果たしません。 ステムがアセンブリ全体を固定する前に、初期プリロードを適用するためだけにあります。

入手可能なスレッドレス ヘッドセットにはいくつかの異なるタイプがありますが、それらはすべて同じ基本的な組み立て原理に従います。 違いは主に、ベアリングがフレームに取り付けられる方法にあります。

これはオリジナルのスレッドレスデザインです。 ベアリングは外部のベアリング カップに収まり、ベアリング カップはヘッド チューブの上部と下部に圧入されます。

ベアリングは通常、ヘッドセット カップ内にトランジション フィットで取り付けられます。 つまり、少し力を入れれば手で取り外すことができますが、シートにぴったりと収まります。

通常、ベアリングにはカップとの円錐形の境界面があり、予圧が加えられたときにベアリングをカップ内に固定して配置するのに役立ちます。

一部のメーカー (Chris King など) は、ヘッドセット カップの内側にベアリングを圧入することを選択しています。

これにより、ベアリングの安全性が向上し、動きを防止できますが、メンテナンスのためにベアリングを（正式には）取り外すことができず、その場で洗浄してメンテナンスする必要があることを意味します。

上で述べたように、ベアリングはカップの中に収まりますが、ベアリングはヘッド チューブの内側に位置しており、カップの位置を決めてヘッド チューブの内側まで押し付けられるのを防ぐために小さなリップだけが突き出ています。

ベアリングをカップ内に収容するために、ヘッドチューブの全体直径が大きくなっています。

この副作用として、より大きな直径のチューブを使用できるようになり、その結果、この領域のフレームの剛性が増加します。

一体型ヘッドセットではベアリング カップが廃止され、ベアリングはヘッド チューブの両端にあるあらかじめ成形されたシートに組み込まれており、ヘッド チューブがベアリング カップの役割を引き継ぎます。

実際、ベアリングはこれらのシート内で緩んで配置されており、圧入ボトムブラケットなどのコンポーネントに期待される圧入が行われていません。

代わりに、ヘッドチューブには円錐形のシートが開けられています。 予圧が適用されると、これらの角度付きシートによりベアリングが自動的に位置合わせされ、所定の位置に固定され、剛性の高いアセンブリが形成されます。

この構成は、メーカーに代わってコスト削減策であると主張されています。 ベアリングカップをフレームに押し込むのではなく、組み立て中にベアリングを落とし込むだけで済みます。

また、ヘッドセットを適切に取り付けるためには、2 つの穴が同心円状かつ同じ軸上に機械加工されていることが重要ですが、製造公差が若干緩和されるようです。

円錐穴の標準角度は 45 度です。 36 度は現在では時代遅れとみなされていますが、古いフレームで時々見つかることがあります。

場合によっては、シートをヘッドチューブに対して直角に機械加工し、必要な接触角でインサートを圧入することができます。

概念的には、ゼロスタックと一体型ベアリングの配置は、ネジ付きヘッドセットにも適用できる可能性があります。

ヘッドチューブによっては、異なるデザインを組み合わせて使用​​するものもあります。たとえば、下部に外部カップ、上部に半一体型のデザインがあります。

フレームとのインターフェースとは別に、ヘッドセットはステアリング チューブともインターフェースする必要があります。

フォークには伝統的に、フォークのクラウン近くにクラウン レースが取り付けられてきました。 当初、ヘッドセットにはルーズ ボール ベアリングが使用されており、これにより、ボールが転がるのに硬化され、精密に機械加工された表面が提供されました。

前述したように、今日ではカートリッジ ベアリングが一般的に使用されており、この部品は厳密に言えばシートです (レースがカートリッジ ベアリングと一体であることを考慮すると)。 ただし、「レース」という用語は引き継​​がれており、この場合はベアリングが嵌合する表面を意味します。

クラウン レースは多くの場合、ヘッドセット固有のものであり、正確な寸法とベアリングとのインターフェースにさまざまなバリエーションがあります。 したがって、ヘッドセットを交換する場合は、おそらくフォークのクラウン レースを交換する必要があります。

カートリッジベアリングにより、分割クラウンレースの使用も可能になり、取り付けが容易になります。 クラウンレースが座の役割を果たしているため、悪影響を与えることなく溝を入れることができ、着脱時に開いて嵌合を緩めることができます。

カートリッジベアリングの使用により、一体型クラウンレースの開発も可能になりました。 荷重はベアリングの外側のシートによって分散されるため (硬いベアリング ボールがシート上で直接転がるのではなく)、「レース」の構築にカーボンファイバーなどのより柔らかい素材を使用できます。

一体型クラウン レースは、ヘッドセット ベアリングのアウター レースと正確に嵌合するように成形された単なるステアリング チューブです。 これは、以前に設置されていたクラウン レースの役割を引き継ぎます。

一体型クラウンレースには通常、36 度または 45 度の 2 つの異なる角度があります。

考慮すべきもう 1 つの重要な部分は、ステアラーの直径です。 標準サイズは、1 インチ、1 1/8 インチ、1.25 インチ、1.5 インチのステアラーです。

1 インチのスレッドレス ステアラーは時々見かけますが、このサイズのネジ付きステアラーを見つける可能性が高くなります。 ただし、1 1/8 インチのネジ付きステアラーは非常に一般的です。

テーパー状のステアラー チューブは、現代のバイクで最も一般的な配置です。 これは、ステアリング剛性を向上させる幅広のクラウンと、重量を少し節約するテーパー状のトップセクションという、両方の長所を提供することを目的としています。 これはマウンテンバイクとロードバイクの両方に見られます。

対応するヘッド チューブの形状 (工学界では「錐台」として知られています) により、下部セクションが大きくなり、ダウン チューブと接続する表面積が大きくなり、フレーム設計を最適化することもできます。

これにより、設計者はここで剛性を高めることができ、トップチューブは比較的薄く保たれ、乗り心地が向上し、重量が軽減されます。

そうすれば選択肢はたくさんあります。

ありがたいことに、ヘッドセットには、さまざまな部品をナビゲートするのに役立つ、ある種の標準があり、さらに、市場にある部品の名前も示されています。

買い物をしていると、同じヘッドセット タイプでもブランドによって名前が異なることに気づくでしょう。

SHIS (Standardized Headset Identification System) では、必要なものを見つけやすくする方法でヘッドセットを説明しています。

識別子は、ヘッドセットのタイプを 2 文字のコードで記述することから始まります。「EC」は外部カップを表します。 「ZS」はゼロスタック/内蔵ヘッドセットを表します。 「IS」は統合型ヘッドセットを表します。

ヘッドセットのタイプに続く数字は、ヘッドチューブのボア径（またはベアリング/カップの外径）を示します。 数値はミリメートル単位で示されていますが、必ずしもボアの寸法と正確に一致するとは限りません。

これはさまざまなサイズのコードとして考慮する必要があり、各番号はヘッドチューブの直径を一意に識別します。

外部ヘッドセットの穴の深さは少なくとも 15 mm である必要があります。

ゼロスタック ヘッドセットのボアの深さは少なくとも 12.5 mm である必要があります。

一体型ベアリングを表す SHIS 用語は、ヘッド チューブとの接触角が 45 度であることを指します。 36度は現在では時代遅れと考えられています。

ヘッドセットの寸法は、ヘッド チューブの上部と下部にあるフォーク ステアラーの直径を識別するコードによってさらに定義されます。

ステアラーの上部セクションは直径によって識別され、ネジ付きステアラーの場合はそのステアラーに使用されるネジによって識別されます。

下部セクションはフォーク クラウン レースの直径によって識別されます。これは、クラウン レースの内径 (mm) にほぼ対応する別の番号コードです。

これらすべてを組み合わせて、ヘッドセットの上部および下部ベアリングの正確な仕様を定義できます。クラウン レースの角度は、括弧内に指定された角度によってさらに特定される場合もあります。 これは、角度が 36 度または 45 度に固定されている一体型クラウン レースに特に関係します。

例として、ストレート ステアラーを備えた従来の 1-1/8 インチ外部スレッドレス ヘッドセットは次のように定義されます。

ヘッドセット メーカーは、「H」の後にミリメートル単位のスタック高さを追加することで、上部および下部ベアリング スタックのスタック高さを指定することもできます。

私たちの経験では、この測定値はヘッドセットの設計間で大きく異なる可能性は低く、差異は無視できる程度であると考えられます。

SHIS コードを定義すると、バイクに適合するヘッドセットの種類がわかりますが、追加の選択もいくつかあります。

専用ヘッドセットは乗り心地を大きく変えることができるため、ジオメトリを調整する安価な方法としてマウンテン バイクで人気が高まっています。

Cane Creek が AngleSet という名前で普及させたこのヘッドセットを使用すると、バイクのヘッド角度を調整できます。

ヘッド チューブを垂直に通るステアラー チューブの代わりに、角度付きヘッドセットは内部の「空きスペース」を利用して、ステアラーを最大 2 度角度付けることができます。

この方法でヘッド角度を緩めると、マウンテン バイクのハンドリングが向上します。また、オフセット ショック ブッシュの場合のようにシート角度やボトムブラケットの高さに影響を与えることはありません。

同様に、リーチ調整ヘッドセットを使用すると、自転車のリーチを微調整できます。 ステアラーの角度を調整するのではなく、ステアラー全体がヘッドチューブ内でオフセットされます。

私たちが見つけた興味深いヘッドセットの 1 つは、Cane Creek の ViscoSet です。 これは減衰ステアリングを提供し、BikeRadar のジャック ルークは、タンデムでのハンドリングがリラックスし、速度のふらつきがなくなることに気づきました。

ヘッドセットにもっとお金を投資してもそれほど多くのお金が得られなくなるという、収益逓減点が確実に存在します。

価格が上がると、ベアリングの品質が向上し、シールのレベルが向上しますが、ある時点では、大幅なパフォーマンスの向上のために追加料金を支払う必要はなくなります。

一部のメーカーは、ヘビーデューティ用途向けに過剰なヘッドセットを提供していますが、たとえマウンテンバイク用であっても、これはやりすぎであると感じます。 サスペンションは、ヘッドセットに加わる力を軽減するのに十分な減衰を提供します。

そうは言っても、十分な密閉性、スペアパーツの入手しやすさ、そしてそれが重要な場合は軽量であることを探す必要があります。

ベアリングには 2 つの種類があります。

以前は、緩んだボールがベアリングケージ内に保持されることがありました。 それは変わり、現在ではほとんどのヘッドセットがカートリッジ ベアリングを使用しています。

ハイエンドのカートリッジ ベアリングも修理できますが、多くの場合、新しいものと交換するのと同じくらい簡単です。 ベアリング アセンブリが 1 つのユニットに含まれているため、簡単にドロップイン交換できます。ヘッドセットは、ステアラーの軸に沿って横方向に力が伝達される複雑な負荷に対処する必要があるため、アンギュラ コンタクト ベアリングを取り付ける必要があります。これらの両方向の荷重をサポートできるもの。

ヘッドセットの感触がザラザラしていたり​​ひどい場合は、ヘッドセットの修理やヘッドセットのベアリングの交換が必要な時期かもしれません。

この時点で、ヘッドチューブからフォークを取り外し、ベアリングを確認します。 交換または洗浄と再グリスアップが必要な場合があります。 あまり工具を必要としない簡単な作業です。

また、プレイ中のヘッドセットを定期的にチェックする必要があります。これは、ヘッドセットの摩耗や緩みを示している可能性があります。 フロントブレーキをかけて、フォークのクラウンをつかみながらバイクを前後に揺することをお勧めします。

ステアラー チューブ内でフォークの遊びがある場合、またはノックやカタカタというノイズがある場合は、ヘッドセットがしっかりしていないか確認してください。 それでも問題が解決しない場合は、何らかの修理が必要になる可能性があります。

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