Велосипедная рулевая колонка: устройство, типы и установка.

Введение

Наушники – это набор компонентов велосипеда, обеспечивающий вращающийся интерфейс между вилкой велосипеда и рулевым стаканом рамы велосипеда. Труба, через которую проходит рулевая труба вилки, называется рулевым стаканом. Типичный набор наушников состоит из двух чашек, запрессованных в верхнюю и нижнюю части рулевого стакана. Внутри этих чашек находятся подшипники, обеспечивающие малый коэффициент трения между чашкой подшипника и рулевой трубой.

Типы

Существует несколько различных типов рулевых колонок, которые можно различить по способу фиксации подшипников (с помощью контргайки или зажимного штока) или по их расположению (внутри или снаружи рулевого стакана).

Шнуровые

Нарезные рулевые гарнитуры используются с вилками, имеющими нарезную рулевую трубу и являющимися традиционным типом (как показано на изображении выше). Рулевой гарнитуры с резьбой состоит из восьми частей (снизу вверх): коронная чашка, нижние подшипники, нижняя чашка рулевой трубы (на изображении обозначена как "нижняя раса рулевой трубы"), верхняя чашка рулевой трубы (на изображении обозначена как "верхняя раса рулевой трубы"), верхние подшипники, верхняя чашка или конус, шайба, контргайка. Ниже представлен порядок установки типичного рулевого гарнитуры. Рулевая труба обрезается производителем вилки велосипеда до соответствующей длины, а верхняя часть рулевой трубы нарезается резьбой методом прокатки. Этот процесс обеспечивает отсутствие потерь материала и предотвращает ослабление рулевой трубы, что могло бы произойти при использовании метчика или токарного станка. Вилки с резьбой требуют, чтобы резьба на рулевой трубе располагалась только в верхней части, поэтому вилки продаются разной длины. Если вилка слишком длинная, то есть резьба на рулевой трубе вилки не доходит до нужной глубины, велосипедный механик может использовать метчик для ее удлинения. Однако это не рекомендуется, если необходимо нарезать резьбу более чем на дюйм. Следует помнить, что не следует пытаться нарезать резьбу на не нарезной рулевой трубе после изготовления, так как это ослабит рулевую трубу. Резьба обычно соответствует стандарту ISO 1″ 24 TPI (25.4×1.058 мм), но существуют и другие стандарты. Рулевая труба может быть подготовлена (выровнена), а затем чашки запрессовываются в рулевую трубу с помощью специального пресса, обеспечивающего их перпендикулярность и правильное положение. Корона вилки может быть также подготовлена, после чего коронная чашка запрессовывается на корону вилки с помощью специального пресса, который также обеспечивает ее перпендикулярность и правильное положение. Затем подшипники устанавливаются поверх коронной чашки, после чего рулевая труба вставляется в рулевую трубу рамы. Верхние подшипники помещаются в верхнюю чашку, а верхняя чашка прикручивается к рулевой трубе. На верхнюю чашку помещается шайба, часто с выступом (ключом), и сверху на нее закручивается контргайка. Регулировка рулевого гарнитуры для устранения люфта производится следующим образом: верхняя чашка или конус закручивается до соприкосновения с подшипниками в верхней чашке. Небольшая предварительная нагрузка создается поворотом верхнего конуса на дополнительный 1/8 или 1/4 оборота. Затем затягивается контргайка и проверяется отсутствие люфта и плавность хода рулевого гарнитуры. При необходимости производится повторная регулировка. Вынос руля, типа "клин", крепится к рулевой трубе вилки с помощью экспандера, который проходит через вынос сверху, имея клин внизу. Вынос помещается внутрь рулевой трубы и может быть отрегулирован по высоте без нарушения настройки рулевого гарнитуры. Чтобы освободить вынос для регулировки, ослабьте болт на вершине выноса на пару оборотов и слегка ударьте по болту, чтобы отсоединить клин.

Threaded headsets are used with forks that have a threaded steerer tube and are the traditional type (as shown in the above picture). There are eight parts in a threaded headset (from bottom to top): crown race, lower bearings, lower frame cup (pictured as "lower head tube race"), upper frame cup (pictured as "upper head tube race"), upper bearings, upper race or cone, washer, locknut. The order of installation of a typical headset follows. The steerer tube is cut to the appropriate length by the bicycle fork manufacturer and the top of the steerer is threaded using a rolling process. This process assures that no material is lost and the steerer would not be weakened as with a die or lathe cutting. Threaded forks necessitate that the threads on the steerer only use the top , therefore the forks are sold in varying lengths. If there is a need to use a fork that is too long, meaning the fork steerer is not threaded down far enough, a bicycle mechanic can use a die to extend the threads. This is not recommended if the threads need to be cut farther than an inch or so. As a side note, one should never try to thread an unthreaded steerer after manufacturing as this will weaken the steerer tube. The threads are normally of the ISO standard 1″ 24 TPI (25.4×1.058 mm), but other standards exist. The headtube may be faced and then the cups are pressed into the headtube using a special press that ensures they are square and true. The fork crown may be faced and then the crown race is pressed on to the fork crown with a special press that also makes sure that it is square and true. Then the bearings are placed on top of the crown race, after which the steerer tube is inserted into the headtube. The upper bearings are placed in the upper cup, and the upper race is screwed onto the steerer. A washer, frequently a keyed washer, is placed on top of the upper race and a locknut is screwed on top of that. The adjustment of the headset to remove play is as follows: the upper race or cone is screwed down until it contacts the bearings in the upper cup. A slight preload is applied by turning the upper cone and additional 1/8 or 1/4 of a turn. The locknut is then tightened and the headset is checked for play and smooth operation. Readjustment takes place as necessary. The stem, of the quill variety, is attached to the fork's steerer tube using an expander bolt which fits through the stem from the top with a wedge at the bottom, the stem fits inside the steerer tube and can be adjusted to the correct height without disturbing the headset. To free the stem for adjustment, undo the bolt on the top of the stem a couple of turns and give the bolt a sharp tap to disengage the wedge.

Внутренние

Как и безрезьбовые рулевые колонки, рулевые колонки с резьбой также могут быть внутренними. В конструкции с внутренним расположением чашки и конусы впрессовываются в рулевую трубу, создавая аккуратный и обтекаемый внешний вид. Между короной вилки и рулевой трубой не видно никаких компонентов, за исключением, возможно, пластикового кольца, и только контргайка выступает из верхней части рулевой трубы. На изображении рулевого узла Brodie Quantum 2016 года контргайка скрыта пластиковой крышкой. Расширенные верхняя и нижняя части рулевой трубы содержат подшипники. В рулевую трубу вставляется вынос типа "клин".

Без нитей

Бесрезьбовая рулевая колонка – более современная конструкция. Патент США № 5095770 принадлежит компании Cane Creek Cycling Components и истек 29 сентября 2010 года. Рулевые колонки этого типа часто называют по зарегистрированной торговой марке Dia Compe (ныне Cane Creek) "Aheadset", и производятся по лицензии. Как и традиционная рулевая колонка, она использует два комплекта подшипников и подшипниковых чашек. В отличие от рулевой колонки с резьбой, бесрезьбовая рулевая колонка не имеет резьбовой верхней чашки рулевой колонки и не использует рулевую трубу с резьбой. Вместо этого рулевая труба простирается от вилки через рулевой стакан и выше рулевой колонки, и удерживается на месте выносом, зажатым сверху. Затяжка бесрезьбовой рулевой колонки требует затяжки предварительно натяжного болта (или болта крышки) в крышке на вершине выноса. Этот болт соединен со звездообразной гайкой, запрессованной в рулевую трубу, которая служит якорем, удерживая внутреннюю часть рулевой трубы силой направленной вниз. В некоторых конструкциях звездообразная гайка может быть заменена саморасширяющейся клиновой втулкой. Болт сжимает вынос вниз на проставочные кольца, обычно алюминиевые, которые, в свою очередь, сжимают подшипниковые чашки рулевой колонки. Предварительно натяжной болт не удерживает вилку на велосипеде; после установки предварительного натяжения необходимо затянуть болты выноса, чтобы зафиксировать вилку на месте. Регулировка должна быть выполнена таким образом, чтобы не было люфта в подшипниках, но вилка могла плавно вращаться без заеданий или чрезмерного трения. В системе бесрезьбовой рулевой колонки проставочные кольца важны для правильного позиционирования выноса и предварительно натяжного болта на рулевой трубе. Таким образом, высота выноса становится важной. Рулевая труба вилки должна быть обрезана до такой длины, чтобы над рулевой колонкой оставалось достаточно рулевой трубы для зажима выноса; если рулевая труба обрезана длиннее, чем вынос, то проставочные кольца используются для заполнения зазора между выносом и конической компрессионной шайбой. Велосипедисты, стремящиеся к максимальному перепаду высоты между седлом и рулем для улучшения аэродинамики, часто отказываются от проставочных колец и обрезают рулевую трубу так, чтобы она точно соответствовала общей высоте подшипниковых чашек рулевой колонки плюс высоте выноса. Обрезка рулевой трубы до минимальной длины препятствует переходу на более высокий вынос или на чашки рулевой колонки с большей высотой стека. Любое увеличение высоты руля после этого обрезания требует покупки новой вилки, выноса с большим углом подъема (некоторые выносы можно перевернуть для увеличения высоты) или специального адаптера, который крепится к рулевой трубе и обеспечивает более высокое положение зажима для исходного выноса. Кроме того, многие велосипедисты, которые могут быть менее гибкими, чем опытный гонщик, могут захотеть увеличить высоту руля, уменьшив перепад высоты между седлом и рулем и обеспечив более прямое и удобное положение при езде. Если владелец просто хочет заменить рулевую колонку на другую с немного большей высотой стека, возможно, велосипедная мастерская или рамный мастер сможет фрезеровать или проточить рулевой стакан, чтобы получить дополнительные 1-2 мм высоты стека без необходимости замены вилки. Многие бесрезьбовые рулевые трубы вилок обрезаются длиннее, чем необходимо, чтобы обеспечить возможность регулировки, а часть рулевой трубы над выносом укомплектована проставочными кольцами, которые можно перемещать над или под вынос для точной настройки высоты руля. Часто эти проставочные кольца изготавливаются из алюминия или углеродного волокна, но также доступны проставочные кольца из титана.

The threadless headset is a more recent design. U. S. Patent 5095770 is owned by Cane Creek Cycling Components and expired on September 29, 2010. Headsets of this type are often referred to by the Dia Compe (now Cane Creek) registered trademark "Aheadset", and are manufactured under license. Like a traditional headset, it uses two sets of bearings and bearing cups. Unlike a threaded headset, a threadless headset does not have a threaded top headset race or use a threaded steerer tube. Instead the steerer tube extends from the fork all the way through the head tube and above the headset, and is held in place by the stem clamped on top. Tightening a threadless headset requires tightening the preload bolt (or cap bolt) in the cap on the top of the stem. This bolt is connected to a star nut driven down into the steerer tube that acts as an anchor by gripping the inside of the steerer tube with a downward force. The star nut may be replaced by a self expanding wedge in some designs. The bolt compresses the stem down onto spacers, usually aluminum, which in turn compress the headset bearing cups. The preload bolt does not hold the fork onto the bike; after the preload is set, the stem bolts must be tightened to secure the fork in place. The adjustment must be made such that there is no play in the bearings, but allow the fork to turn smoothly without binding or excessive friction. In the threadless headset system, the spacers are important in placing the stem and preload bolt in the correct position on the steerer tube. Thus the stack height of the stem becomes important. The steerer tube of the fork must be cut to length such that it leaves at least enough of the steerer tube protruding above the headset for the stem to clamp on to; if the steerer tube is cut longer than the stem, then spacers are used to fill the gap between the stem and the conical compression washer. Bicycle racers seeking the greatest saddle to handlebar drop for better aerodynamics will often forego spacers and cut the steerer tube down to exactly match the headset bearing cup stack height plus the stem height. Cutting the steerer tube to its minimum length prevents switching to a taller stem or to a headset cups with a higher stack height. Any increase in handlebar height after this cut requires purchasing a new fork, a stem with more angular rise (some stems can be turned over for greater height), or a special adapter that clamps onto the steerer tube and gives a higher clamping position for the original stem. In addition, many riders who may have less flexibility than a seasoned racer may wish to gain more height on the handlebars, reducing the saddle to handlebar drop and providing a more upright and comfortable riding position. If an owner simply wishes to replace the headset with one having a slightly larger stack height, it may be possible for a bike shop or framebuilder to mill or re face the head tube to gain an extra 1 2 mm of stack height without having to replace the fork. Many threadless fork steerer tubes are cut longer than necessary to allow for adjustments and the steerer tube above the stem is stacked with spacers that can be moved above or below the stem to fine tune the handlebar height. Often these spacers are aluminum or carbon fiber, but titanium spacers are also available.

Интегрированные подшипниковые чашки

Относительно недавняя разработка, интегрированные рулевые колонки отказываются от верхних и нижних подшипниковых чашек в безрезьбовых рулевых колонках и вместо этого устанавливают подшипники непосредственно на рулевой стакан рамы. Иногда предпочитаемые за их эстетическую привлекательность, интегрированные рулевые колонки уменьшают количество деталей, необходимых для сборки рулевой колонки. Наиболее распространенные стандарты для интегрированных рулевых колонок включают "IS" от Cane Creek и стандарт Campagnolo, который не имеет собственного названия, кроме имени производителя. Крис Кинг, ведущий производитель рулевых колонок, приводит весомый аргумент против использования интегрированных рулевых колонок. Основа аргумента Кинга заключается в том, что рулевые стаканы с "гнездами" для подшипников далеко не всегда обрабатываются с достаточной точностью. В результате картриджные подшипники рулевой колонки сидят в рулевом стакане велосипеда несколько свободно (в отличие от плотной посадки). Во время эксплуатации подшипники, подвергаясь осевым нагрузкам, будут качаться в своих гнездах и легко повредят более мягкий материал рамы (часто алюминий, хотя некоторые титановые рамы производятся для использования с интегрированными рулевыми колонками). При достаточном повреждении рамы не останется выбора, кроме как заменить раму, особенно если она изготовлена из алюминиевого сплава (титан и сталь потенциально можно отремонтировать, но обычно это обходится потребителю дорого). Кинг также утверждает, что интегрированная рулевая колонка во многом является мерой по снижению затрат для многих крупных производителей велосипедов, поскольку она несколько дешевле и быстрее в установке.

Внутренние

Иногда называемые полуинтегрированными, внутренние гарнитуры включают в себя все компоненты стандартных безрезьбовых гарнитур, но размещают подшипники внутри рулевой трубы, а не снаружи. В отличие от интегрированных гарнитур, внутренние гарнитуры по-прежнему используют чашки между подшипниками и самой рамой. К распространенным стандартам внутренних гарнитур относятся InSet от Chris King и ZeroStack от Cane Creek. Эти конструкции используют внутренний диаметр рулевой трубы 44,0 мм.

Регулируемый угол головы

По крайней мере, один производитель, Cane Creek, предлагает комплекты подшипников рулевой колонки безрезьбового типа для установки после покупки, которые позволяют изменять угол наклона оси рулевого управления. При сохранении всех остальных параметров неизменными, это влияет на геометрический след велосипеда.

Типы подшипников

Подшипники велосипедных рулевых колонок обычно являются шариковыми, будь то отдельные шарики, шарики в обойме или предварительно запечатанные в картридже; также доступны роликовые подшипники. Важно различать различные стандарты картриджных подшипников в интегрированных рулевых колонках 1⅛″. Существует три несовместимых интегрированных стандарта. Цифры (45/45, 36/45, 36/36) обозначают угол, используемый в картриджном подшипнике. Все эти подшипники выглядят похоже. Стандарт Campagnolo: 45/45 (часто именуемый стандартом Campagnolo). Он распространен в рамах BMX, рамах для дёрт-джампинга, произошедших от BMX (например, Transition Trail Or Park), а также на шоссейных велосипедах. Три наиболее распространенных производителя – Campagnolo, FSA и Cane Creek. Рулевые трубы этого стандарта имеют внутренний диаметр 42,0 мм. Стандарт Cane Creek: 36/45. Очень распространен на рамах горных велосипедов и на значительном количестве шоссейных рам. Большинство рам Giant с интегрированными рулевыми трубами используют этот стандарт (что составляет большое количество велосипедов). Два основных производителя: FSA и Cane Creek. Рулевые трубы этого стандарта имеют внутренний диаметр 41,1 мм, и Cane Creek утверждает, что их рулевые колонки CC Standard подойдут в рулевую трубу стандарта Campagnolo с использованием прокладки (шима) толщиной 0,25 мм под верхней крышкой рулевой колонки. Стандарт FSA: 36/36. Этот стандарт практически не используется для полностью интегрированных рулевых колонок (подшипники расположены в раме), за исключением нескольких нишевых брендов. Подшипники 36/36 все еще широко распространены, поскольку они используются во всех полуинтегрированных (с внутренними чашками) рулевых колонках FSA, а также в некоторых их стандартных рулевых колонках.

Размеры вилки

Стандарт вилки Диаметр зажима рулевой колонки (номинальный) Диаметр посадочного места под чашку рулевой колонки (номинальный) 1″ ISO 25.4 мм 26.43 мм 1″ JIS 25.4 мм 27.03 мм 1⅛″ 28.6 мм 30.015 мм 1¼″ 31.8 мм 33.0 мм 1.5″ 38.1 мм 39.76 мм

Трубы с цилиндрической отверстием

Традиционные чашки рулевой колонки запрессовываются в цилиндрическую рулевую трубу. Некоторые стандартные размеры рулевой трубы рамы (для традиционных и полуинтегрированных/ZeroStack):

Внутренний диаметр рулевой трубы (номинальный) Стандарт рулевой трубы Тип рулевой трубы 29,9 мм 1″ JIS Традиционная 30,1 мм 1″ ISO Традиционная 33,95 мм 1⅛″ Стандартная Традиционная 36,95 мм 1¼″ Стандартная Традиционная 41,4 мм 1″ ZeroStack ZeroStack 44,0 мм 1⅛″ ZeroStack ZeroStack 49,61 мм 1.5″ Стандартная Традиционная 55,95 мм 1.5″ ZeroStack ZeroStack

Трубы для головки (с шамерами)

Рамы велосипедов с интегрированными рулевыми колонками имеют чашки, обработанные непосредственно в раме, и подшипник устанавливается непосредственно в раму, а не через отдельно устанавливаемые чашки. Требуется меньше инструментов по сравнению с традиционными подшипниковыми чашками, которые необходимо запрессовывать в раму с помощью специальных инструментов (или молотка и деревянного бруска). Внутренний диаметр рулевой трубы (номинальный) Стандарт рулевой трубы Тип рулевой трубы 38,15 мм 1″ Cane Creek Integrated Standard Integrated 41,1 мм 1⅛″ Cane Creek Integrated Standard Integrated 42,0 мм 1⅛″ Italian/Campagnolo Integrated Standard Integrated 47,0 мм 1¼″ Integrated Standard Integrated 52,1 мм 1.5″ Integrated Standard Integrated

Настройки износа и отказов

На велосипедах, особенно на тех, у которых нет крыльев, рулевые колонки подвержены воздействию воды и грязи, выбрасываемых передним колесом, что приводит к коррозии и быстрому износу. Более качественные рулевые колонки оснащаются резиновыми уплотнителями или уплотнительными кольцами (пыльником), чтобы попытаться предотвратить попадание воды, с переменным успехом. Доступны внешние неопреновые ленты с застежкой-липучкой для оборачивания и защиты нижней чашки, которые можно снимать для очистки. Некоторые велосипедисты снимают вилку и устанавливают ее с куском старой камеры поверх нижней чашки, что выполняет ту же функцию, хотя и менее удобно. На велосипедах, используемых только в сухих условиях и/или с крыльями, типичным способом поломки является постепенное появление люфта в рулевом управлении, описываемое в велосипедном мире как "индексация", вызванное выщерблением чашек или ложным завальцовыванием, хотя этот термин возник из-за неправильного понимания причины; истинное завальцовывание происходит просто при нажатии шарика осевым направлением в чашку, и практически невозможно воспроизвести это повреждение даже многократными ударами молотка по вилочной короне. Наиболее глубокие выщербления находятся спереди и сзади рулевой трубы и на самом деле вызваны изгибом вилочных перьев, который передается на рулевую трубу. Это приводит к смещению подшипников и вызывает фреттинг – движение малой амплитуды и большой нагрузки, которое вырывает металл из чашек в точках контакта с шариками. Решением является наличие в рулевой колонке 45-градусного интерфейса, который компенсирует это изгибающее движение, сохраняя относительное выравнивание чашек и позволяя шариковым подшипникам воспринимать только осевые и вращательные нагрузки. Рулевые колонки Shimano с картриджными подшипниками обеспечивают подвижность картриджей относительно запрессованных чашек, в то время как рулевые колонки Stronglight с роликовыми подшипниками и большинство рулевых колонок безрезьбового типа теперь имеют свободные верхнюю и нижнюю чашки, которые могут перемещаться относительно чашек. Поэтому современные рулевые колонки редко страдают от ложного завальцовывания. Менее распространенная поломка рулевой колонки на самом деле является поломкой рамы. Рулевая труба может растягиваться, из-за чего чашка рулевой колонки, которая должна плотно входить с натягом, становится свободной в трубе. Рамы без закладных наиболее уязвимы; в рамах с закладными закладные усиливают верхнюю и нижнюю части рулевой трубы и обычно предотвращают такое растяжение. Ослабленную чашку можно зафиксировать с помощью фиксирующего состава, такого как Loctite 660, и некоторые производители выпускают немного увеличенные чашки для решения этой проблемы. Обычно поражается нижняя чашка.

Headsets on bicycles, particularly those without fenders, are exposed to water and grit thrown off by the front tire, which causes rust and rapid wear. Better headsets use rubber lip seals or "O" rings (dirt skirt) to try to keep water out, with varying degrees of success. External Neoprene bands with a Velcro fastening are available to wrap and protect the lower race, and are removable for cleaning. Some cyclists remove the fork and reassemble with a section of old inner tube over the lower race, which performs the same function, albeit with less convenience. On bicycles ridden only in dry conditions and/or with fenders, the normal failure mode is a progressive notchiness in the steering, described as "indexing" in the bicycle world, caused by pitting of the races or false brinelling, although the term stems from a misunderstanding of the cause; true brinelling is caused merely by pressing the ball axially into the race, and it is almost impossible to replicate this damage even by striking the fork crown repeatedly with a hammer. The pits are by far deepest at the front and back of the head tube, and are actually caused by flexing of the fork blades, which is transmitted to the steerer tube. This misaligns the bearings and causes fretting, a small amplitude, large stress movement which tears metal from the races at the points where the balls rest. The solution is to have a 45 degree interface in the headset where this flexing movement can be accommodated, preserving the relative alignment of the races and allowing the ball bearings to take pure axial and rotational loads. Shimano cartridge bearing headsets do this by allowing the cartridges to move relative to the pressed in cups, while Stronglight roller bearing headsets, and most threadless headsets, now have loose upper and lower races which can move relative to the cups. Modern headsets, therefore, rarely suffer from false brinelling. A less common headset failure is really a frame failure. The head tube can stretch, allowing a headset cup, which is supposed to be a tight interference fit, to become loose in the tube. Lugless frames are most vulnerable; in a lugged frame the lug reinforces the top and bottom of the head tube and generally prevents stretching of this type. A loose cup can be fixed with a retaining compound such as Loctite 660, and some manufacturers produce slightly oversized cups to cope with this situation. It is usually the lower cup that is affected.

Дополнительные элементы

Для обеспечения фиксации троса передних консольных или центральных тормозов в рулевой колонке может быть установлена скоба, либо как часть шайбы между верхней чашкой и контргайкой в случае резьбовых рулевых колонок, либо как часть проставки между верхней чашкой и выносом в случае безрезьбовых рулевых колонок.