Tech Corner La serie sterzo

Danybiker88

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Bentrovati all’appuntamento settimanale con il Tech Corner, rubrica di approfondimento tecnico, per voi in esclusiva su mtb-forum.it!

Quest’oggi parleremo della serie sterzo, elemento fondamentale in una MTB in quando costituisce il punto di giunzione tra forcella e telaio.

Da cosa è composta?


Nonostante esistano diversi tipi di serie sterzo, ad oggi su praticamente tutte le MTB di livello discreto, oramai anche su modelli entry level si utilizza il cossi detto modello threadless (non filetatte, anche conosciute con il nome commerciale aheadset). Le serie sterzo tradizionali con cannotto filettato (threaded) non esistono praticamente più e di conseguenza non ce ne occuperemo.

Pur rimanendo nell’ambito delle serie sterzo threadless, esistono sul mercato MTB 3 diverse tipologie: la serie sterzo di tipo tradizionale o a calotte esterne, la serie sterzo semi-integrata e la serie sterzo integrata.
L’unica differenza tra le tre tipologie sono le calotte, il resto è esattamente identico. Per questo motivo possiamo analizzare le varie parti che le compongono indipendentemente dal tipo.

Facendo riferimento a questo disegno, in una serie sterzo distinguiamo, partendo dall’alto vero il basso:

1- Vite di tensionamento: il compito di questa vite è quello di tensionare la serie sterzo. Vedremo più avanti come funziona il meccanismo di tensionamento.
2- Tappo superiore: il tappo superiore presenta al suo interno un incavo al cui interno è allogiata la testa della vite di tensionamento. Il tappo superiore non è a contatto con il cannotto, ma vi è una seppur piccola luce tra i due. Il tappo poggia invece sulla pipa e/o sui distanziali, che a loro volta poggiano sull’anello (#3). Al di sotto del tappo superiore e prima dell’anello (#3) sono presenti (non obbligatoriamente) la pipa e i distanziali
3- Anello con funzione di sigillo: compito di questo anello è duplice. Da un lato deve evitare che entri lo sporco all’interno della serie sterzo (solitamente è presente anche una guarnizione a tale scopo), dall’altro svolge un compito importante durante il tensionamento, andando a comprimere l’anello di compressione (#4).
4- Anello di compressione: si tratta di un anello conico, più stretto vero il basso e più largo verso l’alto. La sua inclinazione è la medesima del cuscinetto. Durante l’operazione di tensionamento, questo anello penetrare all’interno del cuscinetto facendolo allargare ed eliminando eventuali giochi. L’anello svolge anche la funzione di appoggio del cuscinetto ed è opportunamente rettificato in modo da garantire un appoggio omogeneo.
5- Cuscinetto sigillato: nel caso della serie sterzo in questione si tratta di un cuscinetto sigillato, ma potrebbero esserci dei cuscinetti a sfere di tipo non sigillato. In tal caso la pista di scorrimento interna è costituita dall’anello (#4), quella esterna è sulla calotta. Il cuscinetto, se di tipo sigillato, presenta inoltre uno svaso al suo interno, della stessa inclinazione dell’anello interno in modo che vadano a contatto su una superficie piana. Esternamente invece il cuscinetto può presentare un altro svaso (presente sulle serie sterzo semi-intergrate e integrate) per appoggiarsi su una sede conica all’interno della calotta o del telaio oppure può essere ad angolo retto (alcune serie sterzo a calotte esterne). Generalmente vengono utilizzati cuscinetti a sfere, ma talvolta su serie sterzo pensate per essere molto robuste, si utilizzano anche cuscinetti a rulli.
6- Calotte: le calotte sono presenti sia nelle serie sterzo di tipo tradizionale, sia nelle serie sterzo di tipo semi-integrato. Le calotte vengono inserite a pressione all’interno della scatola sterzo e svolgono la funzione di interfaccia tra cuscinetto e telaio. Compito delle calotte è quindi quelli di distribuire la sollecitazione su una superficie più ampia di quella del cuscinetto, riducendo lo stress del telaio. La profondità di infissione varia a seconda dei modelli. Generalmente i modelli per usi più gravosi presentano una profondità di infissione maggiore.
7- Spider o ragnetto: il ragnetto è semplicemente un expander con all’interno una boccola filettata che si inserisce all’interno del cannotto forcella. Il suo compito è quello di costituire un punto di ancoraggio per la vite (#1). Nelle forcelle con cannotto in carbonio il ragnetto con le ali in acciaio armonico va sostituito da un expander con interfaccia in gomma, per evitare di danneggiare il carbonio stesso (rottura del cannotto).
8- Vedi 6
9- Vedi 5
10- Pista inferiore: la pista inferiore si inserisce a pressione sul cannotto fino a che non va in battuta con la testa delal forcella. La sua funzione è la medesima dell’anello di compressione (#4).

Ecco qui uno schema riassuntivo che rappresenta la serie sterzo montata:




LA REGOLAZIONE DELLA SERIE STERZO.

Vediamo ora come funziona l’operazione di tensionamento (Regolazione) della serie sterzo.

L’operazione è semplice da eseguire: si allentano le viti della pipa e si chiude la vite #1 con una coppia tale che non ci sia gioco ma la serie sterzo sia libera di muoversi.

La vite fa presa all’interno del ragnetto o spider (#7) inserito all’interno del cannotto forcella e tende ad avvicinare spider e tappo superiore (#2). Poiché il tappo non appoggia sul cannotto (dev’essere presente una seppur minima distanza tra i due) ma sui distanziali che a loro volta appoggeranno sull’anello (#3), si ottiene l’effetto di compressione di tutta la serie sterzo. La pista inferiore (#10) e l’anello di compressione (#4) entrambi conici vengono infissi all’interno dei rispettivi cuscinetti, dilatandoli ed eliminando eventuali giochi.

Un eccessivo tensionamento farà lavorare i cuscinetti con un eccessivo carico. Questi non presenteranno attrito durante la rotazione e si consumeranno precocemente.

Qui è presente un video che illustra come procedere con l’operazione di regolazione (in inglese):
YouTube - Threadless Headset Adjustment


Per chi non fosse pratico con l'inglese, può fare riferimento a questo altro video:
http://www.mtb-forum.it/community/photoalbum/showphoto.php/photo/2590/cat/680

Lunghezza della forcella e sollecitazione.


La serie sterzo costituisce in pratica un vincolo per forcella che viene ancorata al telaio. Da un punto di vista meccanico la serie sterzo deve opporre due reazioni vincolari: deve resistere al momento flettente imposto dalla forcella e deve resistere alla traslazione verticale e laterale (sollecitazione minima). Per consentire la sterzata la serie sterzo deve permettere una rotazione a basso attrito della forcella attorno all’asse passante per il centro del cannotto, per questo scorre su cuscinetti.

La principale sollecitazione a cui la serie sterzo è sottoposta tuttavia è il momento flettente orientato secondo l’asse longitudinale della bici. Questo momento si genera prevalentemente in fase di frenata e quando la ruota anteriore impatta contro un ostacolo.
Schematizzando possiamo rappresentare la configurazione nel seguente modo:
rappresentiamo con F la forza conseguente di una frenata o dall’impatto contro un ostacolo, considerando naturalmente la risultante applicata nell’asse del mozzo. M sarà il momento flettente applicato nella serie sterzo.

Il momento M sarà dato da:

M=F*l

dove l è il braccio, ovvero la lunghezza della forcella.

Risulta quindi evidente che a parità di sollecitazione F il momento cresce proporzionalmente con la lunghezza della forcella. Ne consegue che andando a montare una forcella più lunga, aumentano le sollecitazioni sul telaio e sulla serie sterzo.
Non a caso telai che supportano escursioni generose devono montare serie sterzo più robuste e devono avere una scatola sterzo sufficientemente robusta che sia in grado di resistere al maggiore momento M che deriva sia da un uso più gravoso, sia dal maggiore braccio.

Si tratta di un analisi semplificata, in realtà durante la frenata si genera un momento al piede della forcella (disco e attacco pinza non sono in asse). In questo caso, visto che non ci interessa l’andamento del momento all’interno della forcella e la sua deformazione, consideriamo la sollecitazione imposta dalla frenata in maniera semplificata come la risultante del vettore aderenza applicata nel mozzo. Ai nostri fini è un’approssimazione lecita, visto che consideriamo solo gli effetti nella zona sterzo e non la deformazione della forcella.

I vari tipi di serie sterzo.


Vediamo ora di analizzare i 3 tipi di serie sterzo più diffusi sul mercato e che nel mondo della MTB costituiscono praticamente le soluzioni offerte dal mercato. Ricordiamoci che le differenze tra le varie tipologie sono esclusivamente nelle calotte e nei cuscinetti (cambiano gli angoli di svasatura) mentre tutto il resto è invariato.

LA SERIE STERZO TRADIZIONALE (A CUSCINETTO ESTERNO).




Questo tipo di serie sterzo presenta le calotte inserite a pressione nella scatola sterzo e i cuscinetti all’esterno, alloggiati nella parte sporgente della calotta. I vantaggi di questo sistema sono che consente un’elevata profondità di infissione della calotta all’interno della scatola sterzo, con una migliore distribuzione delle sollecitazioni, di contro è più pesante.

LA SERIE STERZO SEMI-INTEGRATA (A CUSCINETTO INTERNO).

Anche questo tipo, come il tradizionale, utilizza delle calotte al cui interno alloggiare i cuscinetti. L’unica differenza è che le calotte sono a scomparsa, ovvero rientrano quasi completamente nel telaio e il cuscinetto si trova quindi all’interno della scatola sterzo.

Questo tipo di serie sterzo ha moltissimi nomi: può chiamarsi low-profile, zero-stack, integrata con calotte, semi-integrata, o serie sterzo interna. Cane Creek la chiama ZS o Zero Stack, mentre FSA la chiama Orbit Z.



Le calotte hanno una flangia superiore che ne impedisce un eccessivo inserimento. La calotta si inserisce a pressione, ma la superficie di contatto con la scatola sterzo del telaio è molto limitata e le sollecitazioni sono distribuite su una superficie minore.

Per poter alloggiare al suo interno il cuscinetto, la scatola sterzo dovrà necessariamente avere dimensioni maggiori, attorno ai 50mm.

LA SERIE STERZO INTEGRATA (A CUSCINETTO INTERNO).

Questo tipo di serie sterzo può essere facilmente scambiato con il tipo semi-integrato, per il fatto che in entrambi i casi non si vedono le calotte dall’esterno.



Come è possibile vedere dalla figura, in questo caso la sede del cuscinetto è ricavata direttamente nel telaio. Non sono quindi presenti calotte infilate a pressione, semplicemente la sede del cuscinetto è ricavata nel telaio. All’interno del telaio è presente una flangia lavorata con un’inclinazione di 45° o 36° a seconda dello standard su cui alloggia il cuscinetto che presenta un incavo della stessa inclinazione.

Esistono 2 standard:
- Cane Creek: diametro cuscinetti 41,00mm con angolo 45° (cuscinetti marcati generalmente come 45°-45°)
- TH o ED36: diametro cuscinetti 41,5mm con angolo 36° (cuscinetti marcati generalmente come 36°-36°), molto poco diffuso.

QUAL’È LA MIGLIORE?

Come sempre ogni tipologia presenta i suoi lato positivi e quelli negativi.

Per quanto riguarda la distribuzione delle sollecitazioni, senza ombra di dubbio il tipo tradizionale è il migliore, grazie alla maggiore superficie di contatto calotta-telaio. In una posizione intermedia troviamo il tipo semi-integrato e per ultimo il tipo integrato.

Per quanto riguarda i pesi invece le posizioni si invertono: il tipo integrato è il più leggero, seguito dal semi-intergato e poi dal tipo tradizionale.

Per quanto riguarda la facilità di installazione, bisogna sottolineare che per garantire un corretto montaggio, le serie sterzo con calotte (semi integrate e tradizionali) necessiterebbero della fresatura della scatola sterzo. Le serie sterzo integrate invece, essendo la serie sterzo già rettificata, garantisce una maggiore facilità di installazione: basta semplicemente inserire il cuscinetto.

C’è poi da aggiungere una considerazione. Nelle serie sterzo di tipo semi-integrato e integrato, poiché il cuscinetto appoggia su due superfici inclinate, durante forti sollecitazioni questo tende a ruotare (Si genera un momento tra appoggio interno e appoggio esterno) causando usura delle sedi stesse. Naturalmente questo è un aspetto negativo per quanto riguarda le serie sterzo integrate, non avendo la possibilità di sostiuire le calotte.
Per chi volesse approfondire l’argomento, consiglio questo articolo di Chris King: http://chrisking.com/files/pdfs/Int2...sExplained.pdf

La manutenzione della serie sterzo.


La serie sterzo, come ogni parte in movimento della bicicletta, richiede manutenzione.

La manutenzione della serie sterzo è piuttosto semplice, soprattutto per quanto riguarda le serie sterzo threadset. Specialmente nei modelli a cuscinetti sigillati poi l’oerazione è quasi banale.

Vediamo come procedere.

Teniamo sempre sotto mano questa figura per avere un riferimento delle parti:



1)
Rimozione tappo, stem e distanziali: svitiamo la vite di tensionamento (#1) e rimuoviamo il tappo.

Successivamente rimuoviamo la pipa e i distanziali.


2) Rimozione cannotto: a questo punto il cannotto dovrebbe uscire tirando verso il basso. Se non dovesse uscire agevolmente dare qualche colpetto con un martello di gomma per sbloccarlo.

Una volta sbloccato lo estraiamo tirando verso il basso.


3) Pulizia e ingrassaggio: a questo punto, rimossa la forcella estraiamo le varie parti, le puliamo rimuovendo il grasso vecchio con uno sgrassatore (attenzione ai sigilli di gomma) e rimontiamo le varie parti ingrassando abbondantemente.

4) Rimontaggio forcella, anello di tensionamento e anello di sigillo: inseriamo il cannotto della forcella all’interno del cuscinetto inferiore (#9) precedentemente inserito e ingrassato (attenzione al verso di inserimento e a non inserire il cuscinetto al contario!). Inserito il cannotto e con il cuscinetto inferiore (#9) a contatto con la pista inferiore (#10), inseriamo nella parte superiore il cuscinetto superiore (#5) e l’anello di compressione (#4). Posizioniamo poi l’anello di sigillo (#3), facendo attenzione che si posizionata correttamente l’eventuale guarnizione.

5) Rimontaggio distanziali, pipa tappo e vite di tensionamento:
rimontiamo a questo punto i distanziali e la pipa, appoggiamo il tappo superiore (#2) e inseriamo la vite di tensionamento (#1).

6) Tensionamento serie sterzo: facendo riferimento all’apposito capitolo, tensioniamo la serie sterzo. rimontiamo a questo punti i distanziali e la pipa, appoggiamo il tappo superiore (#2) e inseriamo la vite di tensionamento (#1).

Sul forum è stato anche realizzato un video che illustra in modo piuttosto chiaro come procedere nella pulizia e nella lubrificazione della serie sterzo:

cliccare sull'immagine per vedere il video

Anche i Pro cadono
 

 

BeerMaster

Biker immensus
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Una con le ruote
Per quanto riguarda la distribuzione delle sollecitazioni, senza ombra di dubbio il tipo tradizionale è il migliore, grazie alla maggiore superficie di contatto calotta-telaio. In una posizione intermedia troviamo il tipo semi-integrato e per ultimo il tipo integrato.
ciao Dany, ottimo lavoro!

Mi chiedevo se nell'affermare che la SS tradizionale è più robusta in via di una maggiore superficie di contatto hai tenuto in considerazione che le semi integrate comunque hanno un diametro decisamente maggiore...
Cioè a conti fatti non so quanto sia vero che la superficie di contatto sia così inferiore... ma con la matematica non ci vado d'accordo :smile:
 

Danybiker88

Redazione
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ciao Dany, ottimo lavoro!

Mi chiedevo se nell'affermare che la SS tradizionale è più robusta in via di una maggiore superficie di contatto hai tenuto in considerazione che le semi integrate comunque hanno un diametro decisamente maggiore...
Cioè a conti fatti non so quanto sia vero che la superficie di contatto sia così inferiore... ma con la matematica non ci vado d'accordo :smile:
Dipende da modello a modello....
Se riuscissi a trovare la profondità di inserimento delle calotte di una SS semi-integrata, sapendo che il diametro interno della scatola sterzo dove vanno inserite le calotte è di 33.9mm per le SS tradizionali e di 44mm per le zero stack, è facile fare i conti.
Comunque

Qui c'è una tabella con le varie caratteristiche delle principali serie sterzo di tipo tradizionale:

LEGENDA:
Unten: inferiore
Oben: superiore
Gewicht= peso
Einbauhohe= lo stack, ovvero l'altezza della calotta oltre il tubo sterzo (
Einpresstiefe=profondità inserimento calotta
Material= materiale
Farbe= colore

Se supponiamo di prendere in considerazione una SS di tipo tradizionale con profondità di inserimento di 22mm, otteniamo una superficie di contatto Sc di:
Sc = 22 x 2 π x 33.9 = 4686 mm2

Una calotta di una SS zero stack, per avere parità di superficie di contatto deve avere una profondità di inserimento H:
H = 4689 / (2 π x 44) = 17mm
 
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phenix

Biker superis
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10/6/09
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Firenze-Venezia
Ciao e ottimo lavoro come sempre!!non so se siamo OT ma volevo chiederti se esiste un metodo preciso per allineare la pipa manubrio alla ruota o se anche voi andate ad occhio/sensazione...
Grazie mille e buon lavoro!!
 

FreeRoby

Biker popularis
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Roma
grazie Danybiker88, pure quest'articolo (come gli altri d'altronde) è veramente utilissimo..

Per la serie sterzo delle forcelle conificate è tutto uguale o c'è qualche altra cosa da prendere in considerazione per la manutenzione?

Sai, capita proprio a proprio a "fagiuolo" quest'articolo, questo fine settimana avevo deciso di fare un po' di manutenzione..
 

Danybiker88

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grazie Danybiker88, pure quest'articolo (come gli altri d'altronde) è veramente utilissimo..

Per la serie sterzo delle forcelle conificate è tutto uguale o c'è qualche altra cosa da prendere in considerazione per la manutenzione?

Sai, capita proprio a proprio a "fagiuolo" quest'articolo, questo fine settimana avevo deciso di fare un po' di manutenzione..

Le serie sterzo coniche e onepointfive sono identiche, cambia solo il diametro delle calotte e dei cuscinetti.
 
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schiesa

Biker tremendus
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27/7/09
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Colli Euganei
questo articolo capita proprio a fagiuolo :-)
quindi per cambiare una serie sterzo semi integrata bisogna levare anche le calotte pressate nel tubo sterzo... come si fa? basta qualche colpo col martello di gomma o c'è qualche trucco?
inoltre, in una serie sterzo (semi-integrata) con cuscinetti non sigillati (quelli in cui si vedono le sfere nella gabbia) se le sfere sono lasche è da cambiare? è una cosa che si può fare in casa o bisogna per forza fresare il tubo e quindi appoggiarsi ad un sivende? grazie
 

Walterett

Biker novus
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20/9/08
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Alba Adriatica
Perdonate la mia ignoranza ma questo e' sicuramente il posto dove posso avere una risposta!
Avendo una bici che ha la serie sterzo integrata o semi-integrata (ho ancora dei dubbi) che monta al momento una forcella con cannotto da 1-1/8', posso in qualche modo montare una nuova forcella col cannotto conico, 1-1/8' sopra e 1-1/5' sotto?
In un qualsiasi,affidabile,modo?!
Grazie per queste fantastice rubriche!
 

charly71

Biker serius
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8/9/08
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Torino
Perdonate la mia ignoranza ma questo e' sicuramente il posto dove posso avere una risposta!
Avendo una bici che ha la serie sterzo integrata o semi-integrata (ho ancora dei dubbi) che monta al momento una forcella con cannotto da 1-1/8', posso in qualche modo montare una nuova forcella col cannotto conico, 1-1/8' sopra e 1-1/5' sotto?
In un qualsiasi,affidabile,modo?!
Grazie per queste fantastice rubriche!
Direi di no. Se hai una forka da 1-1/8" ragionevolmente anche il tubo sterzo sarà dello stesso diametro, sia sopra sia sotto. Perciò la forcella con sezione inferiore da 1/5" non c'entra.

Ciao
 

sembola

Moderatur cartesiano
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27/2/03
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Siena
www.sembola.it
Bike
una nera e l'altra pure
E' tutto il sito offline per manutenzione! Appena ritornano online dovrebbe funzionare di nuovo
No, il sito funziona, è proprio il link che è "mutilato". Se copi il link sul blocco note vedi che manca una parte interna, come succede alla visualizzazione dei link lunghi postati sul forum.
 

Thomos

Biker superis
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1/3/04
352
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37
Canavese (TO)
Domanda.. se ho la serie sterzo integrata, posso montare una semi integrata o addirittura una con calotte esterne?? o l'unica è la integrata con gli angoli di serie(45-45 o 36-36)?
 

gam0319

Biker serius
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27/9/09
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Bologna
Ma se facessi una manutenzione "intermedia" e volessi aggiungere solo un pò di grasso sul cuscinetto superiore senza smontare la forcella?
Questo perchè mi si era allentato lo sterzo e ne uscito un pò (poche gocce)... ora ho tirato tutto e va tutto bene, ma se sono sicuro di non far danni lo allenterei di nuovo, infilerei un pò di grasso e tenderei di nuovo il tutto.
Faccio bene?
...Oppure seguo l'antico detto:" se va bene finchè ti basta non toccarlo sennò si guasta!" ???
 

sgamarco

Biker poeticus
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Roma EST
Bike
- IBIS Mojo 27.5 - Camber 29EVO
Non vedo pero' un dettaglio sullo smontaggio e rimontaggio della SS sul telaio. E' possibile farlo o ci sono consigli sulla sua operazione anche per chi non dispone dell'apposito attrezzo?
 

cerrotorre

Biker marathonensis
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16/5/03
4.056
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Bozen
Bike
Gravel
oooooooooohhhhhhh! Ecco l'articolo che ci voleva. Ultimamente nella sezione tecnica-officina ogni terzo topic era di serie sterzo.