自転車のヘッドセット

ヘッドセットとは
ねじ付きヘッドセット
ねじ無しヘッドセット
ヘッドセットの寸法
操縦管長さ
ヘッドセットの圧こん
ヘッドセットの点検
工具

ヘッドセットとは

フレーム頭部にある頭管(ヘッドパイプまたはヘッドチューブ)の上下に付いているフォーク操縦管用の玉軸受の組をヘッド小物またはヘッドセットという。

この軸受によってハンドルを軽く回すことができと同時にトレイルの機能を円滑に発揮することができる。ヘッドセットには、伝統的なねじ付き形および歴史の新しいねじ無し形があるが、次の2点は共通。

1. いずれも操縦管の外径が呼び寸法となる(表1参照)。
2. ステムは外から見えるが、操縦管は外から見えない。

参考: ハンドル」、フォーク及びトレイル

ねじ付きヘッドセット

概要

ねじ付きヘッドセットは昔からある最も一般的なヘッドセットで、シティ車などに採用されているので圧倒的に多い。単にヘッドセットといえば、ねじ付きヘッドセットを指す。フォークの操縦管の上部に上玉押しおよび固定ナットをねじ込むねじが切られていることから、ねじ付きヘッドセットと呼ばれる。ノーマルヘッドセットとも呼ばれる。

構成

頭管の上部に付く上部軸受および頭管の下部に付く下部軸受で構成する。上部軸受は上玉押し、玉保持器、玉(鋼球)及び上わんでできている。下部軸受は下玉押し、玉保持器、玉(鋼球)及び下わんでできている。ハンドルを回すと、鋼球は玉押しとわんの間で転がるので、ハンドルは軽く回る。操縦管の外径は25.4mmで上部にBC1山24のねじが切ってある。操縦管は頭管およびヘッドセットの中にあるので外からは見えない。操縦管に差し込まれて固定されているハンドルのステムは外から見えている。

上玉押しと玉の隙間の調整方法

操縦管上部に切ったねじに上玉押しをねじ込んで調節する。頭管の下部にある下玉押しも操縦管を通して同時に調節される。

操縦管へのステムの固定方法

ステムを操縦管内に差込み先端のうすを引上げボルトで引上げて管内壁に圧着して固定する。

取付位置

ヘッドセットの取付位置は次の通り。

• 上わん : その圧入部を頭管内径の上部に圧入する。
• 上玉押し : 操縦管の上部のねじにねじ込む。
• 固定ナット: 操縦管の上部のねじにねじ込み上玉押しを固定する。
• 下わん : その圧入部を頭管内径の下部に圧入する。
• 下玉押し : 操縦管の下部(フォーククラウン上部)に圧入する。

上部軸受

左から：玉保持器・上わん、上玉押し、座金、固定ナット

下部軸受

左から：玉保持器・下わん、下玉押し

ねじ無しヘッドセット

概要
外部ヘッドセット
内部ヘッドセット
テーパーヘッドセット
ヘッドセットスペーサー
ステムライザー
ハイライズステム
イクスパンダー

概要

概要

ねじの無い頭管に付けるヘッドセットは、ねじ無しヘッドセットという。大きく分けると、軸受が頭管の外にある外部ヘッドセットおよび軸受を頭管に入れる内部ヘッドセットに分かれる。内部ヘッドセットは、軸受座のための頭管の内部加工を必要とする加工ヘッドセットおよび加工を必要としない(頭管によってはリーマー加工を必要とする)非加工ヘッドセットがある。

長所および短所

ねじ無しヘッドセットを使ったハンドルは高さ調整が出来ないという欠点がある。利点は全体として軽くなること。後でハンドルを高くするにはヘッドセットスペーサー、ステムライザー(ステムレイザー)またはハイライズステムを使う必要がある(後記)。

上玉押しと玉の隙間の調整方法

操縦管の中に圧入した特殊ナットに玉押しのキャップに付けた調整ボルトをねじ込んで調節する。調整ボルトは六角穴付きボルトで5mmの六角レンチで回す。調整前にはステムの横に付いているステム固定ボルトは緩めておく。

操縦管へのステムの固定方法

専用ステムを操縦管外に差込み横から2本の固定ボルトで一体に締めて固定する。

外部ヘッドセット

軸受が頭管の外部に付くヘッドセット。次のように、六角レンチだけで調整ができる構造となっている。

上軸受の調整ボルトをねじ込むための専用ナット(スターファングルナット、略してスターナットと呼ばれる)を操縦管の上から15mmほどの位置に圧入する。スターナットはナットの上下全周に、メーカーがスターファングルと名付けた花びら状の金属薄板の付いた専用特殊ナット。ねじ無しヘッドセット用に作られたもので、操縦管内に固定するため、花びらの外径は管内径より少し大きい。このスターナットにステムキャップから調整ボルトをねじ込み、玉押しが鋼玉を押す力を調整する。

この調整ボルトは軸受の固定用ではないので締付けすぎてはならない。固定は2本のステム固定ボルトで行う。玉押しと玉の間にすき間があると、がたつきを起こす。締め付けすぎると、ハンドルの回転がやや重くなりかつ軸受の磨耗が早まる。玉押しの大きさによっても異なるが、調整ボルトの締め付けトルクの標準は2.5Nm前後が多い。調整する時はステム固定ボルトを緩める。

軸受を構成する玉押し、玉保持器、玉(鋼球)及びわんの組み付けは、基本的にねじ付きヘッドセットと同じである。

グリースの充填も必要。上わんは締まりばめによって、頭管に固定する。下玉押しは締まりばめによって、操縦管下部(フォーククラウンの上部)に固定する。スターナットは取外しが出来るように設計されていないので、新しいものを取り付ける場合は、古いものを押し込んで新しいものを付ける。取り外したい場合は、ドリルでナットを削り取り花びらを引上げる。再使用できる特殊ナットとしてはイクスパンダーがある。

上部軸受

左から：玉保持器・上わん、上玉押し、スリーブ、スターナット

下部軸受

左から：玉保持器・下わん、下玉押し

内部ヘッドセット

性能ではなく、フレーム頭部の外観(意匠)を変える意図の下、軸受を頭管の内部に入れたねじ無しヘッドセットの構造を内部(インターナル)ヘッドセットという。軸受けは密閉形のアンギュラ軸受を使っている。

段付き形(加工形)および段無し形(非加工形)がある。

段付き形

頭管の上部および下部は密閉軸受を支持するように段付き加工をしている。加工によって頭管の肉厚が薄くならないよう、頭管の上下は膨らんでいる(外径が大きくなっている)。軸受と頭管が一体という意味で、インテグレーティッド ヘッドセットと呼ばれることがある。

段無し形

軸受カップ(ヘッドセットカップ)を頭管に圧入して、カップで軸受を支持する。

調整ボルトをねじ込むためのスターナットを操縦管の上から圧入する。調整方法はねじ無しヘッドセットと同じ。頭管の上下軸受間の距離が長い方が、前輪に対する路面およびブレーキ掛けによる衝撃に対して振れが少ない。

内部ヘッドセットは頭管を長くしないと、軸受間距離が短くなる。内部ヘッドセットの密閉軸受の外径は41mmのものが多いが、標準化されておらず各メーカーまちまちで互換性が無く、生産中止になれば他社のものは使えない。

カンパニョーロは内部ヘッドセットをヒドゥンセットと呼んでいる。

ヒドゥンセット

左から：下わん、軸受、下玉押し、上わん、軸受、ダストキャップ、上キャップ・調整ボルト、組立

テーパーヘッドセット

下部軸受が上部軸受よりも大きいヘッドセット。上部軸受は標準的な28.6mm(1-1/8")であるのに対して、下部軸受は31.8mm(1-1/4")又は38.1mm(1.5")と太くしている。立ち漕ぎなどにおけるフレームおよび操縦管の強度と剛性を上げることなどを意図している。テーパーの付いた頭管(テーパーヘッドチューブ)及びテーパーの付いた操縦管(テーパーステアラー)との組み合わせで使う。

ヘッドセットスペーサー

ヘッドセットとステムの間の操縦管に入れて、ステム高さを設定する円筒状の部品(図1～図3)。

円錐スペーサーもある。

高さを低くする場合は、スペーサーを外せば低くなる。その際、操縦管をスペーサー長だけ切断して短くする。ただし、取外したスペーサーをステムの上にはめると切断する必要はない(図4)。材質はアルミ合金(図1)および炭素繊維強化樹脂(図2)。アルミ合金製は陽極酸化により着色している。内径は1in、1-1/8inおよび1-1/4in。長さはメーカーによって異なり、3、4、5、6、8、10、12、25および30mm。例えば、5、10および15mmの3種類を組み合わせると、5mmから30mmまで5mmおきの長さにできる。

ステムライザー

ステムレイザーとも言う。ハンドルを高くするために、ステム位置を高くする補助部品。ねじ付きヘッドセット用及びねじ無しヘッドセット用がある。ねじ無しヘッドセット用(写真)は操縦管(外径1-1/8)のステムを外し、ステムレイザーを付け、その上部に外したステムを付けることによってステム位置従ってハンドルを高くする。最大上げ高さは30mmおよび80mmなどがある。

ハイライズステム

ハンドルを高くするために、突き出しを斜め上方に上げたステム。ステム軸心と突き出しの角度は約50度。メーカー及び型番によって異なるが、上がる高さは50～90mm。ただし、前方への突き出し長は短くなることもある。

イクスパンダー

スターナットは内壁に傷を付けるため炭素繊維強化樹脂製の操縦管には使えないので、炭素繊維強化樹脂製の操縦管にはイクスパンダー(商品名はプレッシャーアンカー)を使う。これは専用工具を必要としない。キャップボルトを締めると、アンカーナットが分割したテーパ環を操縦管の内壁に広げ押付けて固定する。テーパ環は環状にした小さいコイルばねなどで押さえられている。スターナットは金属製の内壁に食い込み再使用できないが、イクスパンダーは再使用できるのも特徴。

ヘッドセットの寸法

ヘッドセットには5種類の呼びがある。ヘッドセットと操縦管および頭管との取り合い寸法を表1に示す。

呼び径が標準の25.4mmを超えるものはオーバーサイズと呼ばれることがある。

(表が見切れる場合は横にスクロールできます)

注: 操縦管外径の( )の中は、インチ呼びを示す。

操縦管長さ

ねじ無しヘッドセットに対応する必要操縦管長さの計算器を示す。必要操縦管長さは次式で計算できる。

必要操縦管長さ = 頭管長さ + スタック高さ + スペーサ高さ + ステム高さ - すき間 (一般に3mmとする)

操縦管長さ 計算器

頭管長さ	mm
スタック高さ	mm
スペーサ高さ	mm
ステム高さ	mm
すきま	mm
必要操縦管長さ	mm

このように、操縦管長さはスタック高さおよびステム高さなどで決まるので、これらの高さが低いものと交換する場合は操縦管を切断する必要がある。一方、高さが高いものと交換しようとしても、操縦管が短くて使えない。これはねじ無しヘッドセットの欠点の1つ。

ヘッドセットの圧こん

圧こん(圧痕)は、玉軸受において、玉(ボール)に与えられた静的な力または振動力によるレース(軸受の内輪および外輪)のへこみ。

圧こん(ブリネリング )は軸受一般の用語であるので、自転車の軸受にも使われる。ヘッドセットの玉軸受は一回転せず、左右に少し回すだけなので圧こんが生じる可能性がある。設計・製作の悪いヘッドセットにおいてごく稀に生じる(右の拡大写真)。特に、潤滑不良かつ与圧が大きすぎ、直線走行でハンドルの動きがないと長時間かけて進行することがある。逆に言えば、グリース潤滑および与圧が適切であれば、圧こんを生じることはない。圧こんが生じると、ハンドルは円滑には動かなくなる。

ヘッドセットの点検

ヘッドセットの非分解点検は次のように行う。

• 前輪にブレーキをかけた状態でハンドルを前後に動かし、がたつき及び遊びがないか調べる。
• ハンドルを上下に動かし、がたつき及び遊びがないか調べる。
• 上管(トップチューブ)を持って前輪を路面より上げ、ハンドルをゆっくり回し滑らかに回るか調べる。

ヘッドセット軸受にはグリースが封入されているので、注油してはならない。

工具

ヘッドセットレンチ

ねじ付きヘッドセットのロックナットを回すレンチ。片口と両口がある。両口の口寸法は30/32mm、32/36mmおよび36/40mmがある。フォーク操縦管の外径に応じて寸法は異なる。32mmは1(25.4mm)用、36mmは1-1/8(28.58mm)用そして40mmは1-1/4(31.75mm)用。ヘッドスパナまたはヘッドセットスパナとも呼ばれる。

スターナット取付け工具

ねじ無し(スレッドレス)ヘッドセットにおいて、スターナット(スターファングルナット)をフォークの操縦管に装着するための工具。
メーカーによって、スレッドレスナットセッター(Park Tool)またはスターナットセッター(ﾎｰｻﾞﾝ)と呼んでいる。いずれも基本的な機能は同じ。

スレッドレスナットセッター

スターナットの外径は操縦管内径よりわずかに大きい。スターナットの凹み側を工具のねじに取付け操縦管に水平に入れて、金槌で軽くたたいて押し込む。操縦管上端から約15mmの位置まで押し込むと工具の段付き部が操縦管の上端に当たり、それ以上は押し込めないようになっている。この位置で十分な圧着力が得られる。

スターナットセッター

スターナットの凹み側を工具(写真右)のねじに取付け、案内管(写真左)に入れて操縦管に接続し、工具を金槌で軽くたたいて押し込む。案内管によって容易に水平に挿入できる。

ヘッドセットプレス

フレームの頭管に、ヘッドセットの上下のカップ(わん)を圧入するための工具。

圧入操作は次のように行う。位置決めレバーを押して下板を外す。圧入する上カップをフレームの頭管の上に置く。上カップ案内を付けた六角軸(又は丸軸)を上から差し込む。下カップ案内を下板の上に置き、圧入する下カップをその案内に入れる。案内と下カップを下から六角軸(又は丸軸)に入れ最も上の位置決め溝まで持っていき、位置レバーを離すとそこで位置決めされる。手でハンドルを回して圧入する。手で回らなければ、何らかの問題がある。なお、カートリッジ軸受が付いているカップには、カップ案内を使わず、直接に上板および下板で押す。

圧入できるカップの寸法は、25.4mm(1")、28.6mm(1-1/8")、31.8mm(1-1/4")および38.1mm(1.5")。

カップリムーバー

ヘッドセットのカップを取り出す工具。工具を頭管の中に入れて、リムーバーの頭を金槌で叩いてカップを打ち出す。標準およびオーバーサイズのヘッドセットのいずれにも使える。

• 頭管フェーシング工具
  

頭管の端面の仕上げをするための切削工具。上下の端面の軸との直角を出す。頭管のリーマーを兼ねている。カッターと芯出し円錐で頭管を挟み、張力調整ナットを回してカッターの切削圧力を調整する。張力調整ナットはクイックリリースとなっている。切削油(潤滑油は好ましくない)を付けて切削する。頭管フェーシングカッターとも呼ばれる。