Jeu de direction

EN COURS DE RÉVISION

Écorché d'un jeu de direction fileté. Les deux guidages par roulements à billes sont visible à gauche et à droite.

Description

Le jeu de direction (headset) a pour fonction de guider la rotation de la fourche par rapport à la douille de direction du cadre. Il est constitué de deux guidages par roulement.

Variantes

Le jeu de direction varie suivant l’extrémité supérieure du pivot de la fourche : filetée ou lisse et suivant le type de tube de direction qui détermine l’emplacement des roulements : cuvettes externes (EC dans le standard SHIS), cuvettes internes (ZS) ou intégrées (IS). Il peut aussi dépendre du diamètre externe du pivot de la fourche et du diamètre interne de la douille de direction, et éventuellement du filetage si le pivot est fileté. Il peut y avoir des types différents en haut et en bas du tube de direction, notamment lorsque le pivot et la douille sont coniques, avec un diamètre plus large en bas qu’en haut.

Cônes et cuvettes

À l’exception des jeux de direction intégrés, les cuvettes sont frettées aux extrémités supérieures et inférieures de la douille de direction comme le cône de fourche qui est lui aussi fretté sur la partie basse du pivot de fourche. Le frettage ou ajustement serré (press fit ou interference fit) consiste à faire entrer en force un élément ou une partie de l'élément dans un autre. Les deux parties mâles et femelles doivent avoir un diamètre légèrement différent, de l’ordre du dixième de millimètre, pour que la pièce soit bien maintenue sur son assise.

Les cuvettes peuvent être démontées à l’aide d’un chasse-cuvette, mais on peut aussi les enlever à coup de marteau en s’aidant d’un tube, un cintre droit par exemple, en tapant à différents endroits dans le pourtour du tube de direction. Ils doivent être montés à l’aide d'un presse-cuvette. Les cônes de fourches peuvent être démontés à coup de marteau avec un burin, en tapant là aussi à différents endroits. Ils doivent être montés à l’aide d’un emmanche-cône, tubes de différents diamètres adaptés à celui du cône à installer.

Roulements

Billes libres

Sur les vélos anciens, les jeux de direction étaient équipés de billes libres (loose bearing). Il faut donc être attentif à ne pas les perdre lors du démontage de la fourche d’une vieille bicyclette. La taille et le nombre des billes dépendent du diamètre et de la forme de la surface de roulement du cône. La taille la plus courante est de 5/32" (3,969 mm) mais on peut aussi rencontrer des billes de 3/16" (4,762 mm). Si on n’est pas certain du nombre de billes à monter, il ne faut pas chercher à remplir tout l’espace : il faut laisser au moins la place de deux billes, mais parfois la place d’une seule bille suffit. Si les billes sont trop serrées, le roulement pourra être freiné lorsqu’on actionne le guidon et il n’y aura plus assez d’espace disponible pour que la graisse lubrifiante puisse jouer son rôle protecteur. Il y a pas mal de controverses sur les avantages et inconvénients des billes libres par rapport aux cages à billes. Les billes libres sont notamment réputées pour causer moins de problèmes lorsque les surfaces de roulements sont billées, notamment en cas de direction indexée. Leur principal défaut est qu'elles ont tendance à s'ovaliser avec le temps à force de s'entrechoquer entre-elles, surtout lorsqu'elles sont en surnombre.

Cages

Maintenant on utilise plutôt des cages à billes (bearing retainer) lorsque le jeu de direction est équipé de cuvettes simples. Le grand avantage des cages est de faciliter le montage et le démontage du jeu de direction. Leur principal défaut est qu’elles détruisent souvent les surfaces de roulement des cônes et cuvettes lorsque la cage se casse suite à un accident ou un jeu excessif. Les cages à billes doivent être montées dans le bon sens : le côté fermé (courbe ample) face à la cuvette et le côté ouvert (courbe serrée ou forme en crochet) face au cône. Si le montage a été inversé, on sentira un frottement important lors du réglage ou celui-ci semblera impossible (présence simultanée d’un jeu et d’un frottement). Le diamètre des cages à billes doit être légèrement inférieur à celui des cuvettes pour éviter que les vibrations subies par les fourreaux ne viennent biller la partie avant du jeu de direction.

Les cages à billes sont parfois remplacées par des cages à aiguilles (needle bearing). De forme coniques, elles nécessitent des cônes et cuvettes adaptées. Les roulements à aiguilles résistent mieux au billage que les cages à billes, notamment dans les jeux de direction qui sont soumis à des charges combinées, axiales (parallèles à l’axe de rotation) et radiales (perpendiculaires à l’axe), surtout lors du freinage.

Roulement à bague

Sur certaines cuvettes, internes surtout, le roulement peut être intégré. C’est un peu l’équivalent d’un roulement à bague (cartridge bearing), d’où la réputation d’être plus durable qu’un roulement à billes libres ou en cage. Par contre lorsqu’un tel roulement devient défectueux, il sera alors nécessaire de remplacer la cuvette, ce qui ne peut se faire qu’à l’aide d’outils adaptés. Le cône est remplacé par un cône de compression (compression ring), pièce conique, en général fendue, faisant tampon entre le roulement et l’extrémité basse ou haute du pivot de fourche.

Sur les jeux de direction intégrés, on utilise des roulements à contact angulaire (angular contact bearing). Une des faces de la bague comporte un chanfrein sur le pourtour extérieur. C’est cette surface anguleuse qui sera en contact avec la partie elle aussi chanfreinée de l’intérieur du tube de direction. Les deux angles doivent être similaires : 36° (depuis la verticale, maintenant obsolète) ou 45°. L’autre face de la bague comporte elle aussi un chanfrein mais sur le pourtour intérieur. Il sera en contact avec une pièce conique, elle aussi de même angle (36° ou 45°), en général un cône de compression en haut ou l’assise conique du bas du pivot de fourche. Les deux angles doivent être indiqués sur la bague, le premier angle pour le chanfrein intérieur et le deuxième pour l'extérieur. C’est l’un des principaux avantages du jeu de direction intégré : le contact angulaire supporte en effet des charges axiales (parallèles à l’axe de rotation) plus importantes qu’un roulement à bague radial classique. L’autre avantage est qu’ils se changent simplement à la main, sans aucun outil. Pour être pleinement efficaces, les roulements à contact angulaire doivent être montés par paire, un en haut dans un sens et l’autre en bas dans l’autre sens.

Joint et cache-poussière

Les roulements peuvent être protégés de l’extérieur à l’aide de cache-poussières et de joints pour éviter toute contamination d'humidité ou de poussières :

• Les roulements à bague sont munis d’un joint torique. Les autres roulements peuvent aussi être protégés à l’aide d’un joint souple protégeant la jonction extérieure entre la cuvette et le cône.
• Le jeu de direction supérieur peut être protégé par un cache-poussière conique en caoutchouc.
• Le capot des cuvettes internes ou des jeux de direction joue aussi le rôle de cache-poussière.
• On peut aussi protéger le roulement inférieur à l’aide d’un ruban de néoprène équipé d’un scratch ou en rajoutant un bout de chambre à air usagé sur le pourtour extérieur, lors du montage de la fourche.

Jeu de direction fileté

Avec un jeu de direction fileté (threaded headset), le pivot de fourche est fileté et peut être munie d'une rainure (groove, sur les fourches anglosaxonne) ou d'un méplat (flat, sur les fourches françaises) permettant de retenir une rondelle d'arrêt facilitant le réglage du jeu de direction.

Ces fourches sont conçues pour accueillir des potences à plongeur (quill stem), qui doivent être encastrées à l'intérieur du pivot de la fourche. Elles sont maintenues au tube de direction par les parties vissables du jeu de direction. Il est relativement simple d'ajuster le vélo à la taille d'el cycliste en changeant la potence. On peut alors modifier :

• L’angle et la hauteur de la potence (stem angle et stem height), permettant d'ajuster la position des mains d'el cycliste avec une influence sur l’inclinaison del cycliste.
• La longueur de la potence (stem reach) qui se mesure sur la partie de la potence dirigée vers l'avant. Comme la forme et l’allonge du cintre, elle influe sur la répartition du poids del cycliste mais aussi son usage : courte pour la maniabilité et le confort, mais longue pour la stabilité, le rendement et la vitesse.

Composants d'un jeu de direction fileté

Composants d'un jeu de direction fileté, du bas vers le haut :

• Le cône de fourche (fork cone) est serti au bas du pivot de fourche. Attention, trouver un cône de fourche adéquat est toujours compliqué. Il vaut mieux prévoir un stock conséquent en prévision. Il se déloge au burin. Pour le sertir il faut faire attention à ne pas abîmer les portées lors de l’opération. Il existe un outil spécialisé en forme de tube, mais il faut prévoir plusieurs diamètres. Le cône doit être bien assis au-dessus de la tête de fourche, il ne doit ni bouger ni pencher.
• Parfois un joint d'étanchéité (seal ou o-ring) protégeant les roulements de la pluie.
• Les roulements sont le plus souvent sous forme de cage à billes (bearing retainer)., mais elles sont parfois à billes libres (loose bearing) sur les vieux vélos ou à aiguilles (needle bearing) sur les vélos de qualités. Les roulements à aiguilles supportent mieux la mauvaise répartition des charges propre aux jeux de direction et résistent donc mieux au billage (brinelling). Pour les cages à billes, la partie la plus incurvée doit toujours être orientée vers la cuvette. Attention, il faut bien vérifier le sens de la cage à billes qui peut être trompeur (surtout qu'en fonction des cages à billes, ça peut sembler inversé). Les billes doivent absolument toucher les deux chemins de billes sinon la cage va s'user et des bouts de métal vont finir au milieu des billes.
• La cuvette (cup) inférieure, sertie dans la douille de direction. Il se déloge à l’aide d’un chasse-cuvette (head cup remover) ; à défaut de chasse-cuvette, une simple barre en acier peut suffire. Il doit être serti à l’aide d’un presse-cuvette (headset press) ; on peut le faire au marteau et d'une planche pour éviter d’abîmer la cuvette ou la douille.
• Au dessus de la douille, on trouve en général une cuvette supérieure mais il peut s’agir d’un cône sur certains vieux vélos. Ils se délogent tous les deux au chasse-cuvette et se sertissent au presse-cuvette.
• Un roulements à billes ou à aiguilles.
• Parfois un joint d'étanchéité.
• Le cône réglable (adjustable cone), ou la cuvette réglable (adjustable cup) si la douille était munie d’un cône. Il est malaisé de distinguer un cône d’une cuvette : il faut regarder attentivement comment la partie interne remonte à proximité du cercle intérieur pour distinguer les deux types de pièces. Pour éviter toute erreur, il est préférable de toujours remonter les pièces du jeu de direction sur la fourche lors du démontage. Le cône ou la cuvette réglable est souvent moletée (knurled) pour faciliter son serrage. Lorsqu’il n’est pas moleté, il devrait y avoir des pans (en général octogonal) pour être serré avec une clef.
• Une ou plusieurs rondelles (washer). Il s'agit en général d'une rondelle d'arrêt : elle peut être munie d’un méplat si le pivot en comporte aussi, dans ce cas la rondelle et le cône réglable sont souvent crantés ; sinon les rondelles doivent avoir un ergot interne qui doit glisser dans la rainure correspondante du pivot de fourche. Une seule rondelle d'arrêt suffit. Lorsque le vélo possède des freins à tirage central (étrier ou cantilever), il faut rajouter une rondelle spéciale qui va servir de butée pour la gaine du frein avant.
• Le contre-écrou (locknut). Le plus souvent à pan octogonal pour des clefs pour jeu de direction en général de 30, 32, 36 ou 40 mm. Attention, le contre-écrou est le plus souvent muni d’une butée interne qui interdit de le serrer à fond lorsque le pivot de fourche est trop long. Dans ce cas, on risque de détériorer le filetage si on force trop. Si besoin, on peut le remplacer par un contre-écrou à encoche (notch) ou scier le haut du pivot de fourche.
• Parfois, un cache-poussière (dust cap ou dust cover) conique en caoutchouc est placé au-dessus pour protéger l'ensemble.

Dimensions des jeux de direction fileté

Jeux de direction pour pivot fileté

	partie supérieure du pivot				potence			cuvettes		cône de fourche
	diamètre externe				diamètre externe			douille a	cuvette (partie ajustée)	assise du pivot	cône
S.H.I.S.	en pouce	en mm	Nom	Commentaires	en pouce	en mm	filetage	diamètre interne	diamètre externe	diamètre externe	diamètre interne
22.2-24tpi	7/8"	22,2	7/8" fileté	Vélos enfant			24 tpi
M23-1.0		23	23 mm français	Vélos enfant, obsolète			1 mm
M25-1.0		25	25 mm français	Vieux standard français, obsolète		22	1 mm		30,2		26,5 ou 27
25.4-24tpi	1"	25,4	1" BMX	BMX, pédalier monobloc, vieux VTT	5/6"	21,15	24 tpi		32,7 b		26,4 b
			1" J.I.S.	Vélos anciens ou bas de gamme fabriqués en asie	7/8"	22,2	24 tpi	29,75 à 29,9	30	27,1 à 27,2	27
			1" fileté ISO	Ancien standard européen (BSC) : la plupart des routiers, VTT peu récents	7/8"	22,2	24 tpi	29,9 à 30,1	30,2	26,5 à 26,7	26,4
			1" Pro Campagnolo	Obsolète	7/8"	22,2	24 tpi c		30,2 d		26,4 e
			1" Italien	Obsolète	7/8"	22,2	24 tpi c		30,2 d		26,5 ou 27 f
			1" Moulton	Moulton Mark III et antérieurs	7/8"	22,2	24 tpi		30,2 g		33
25.4-26tpi	1"	25,4	1" Raleigh		7/8"	22,2	26 tpi		30,2		26,4
25.4-30tpi	1"	25,4	1" Chater Lea	Très rare	7/8"	22,2	30 tpi		30,2		26,4
M26-1.0		26	26 mm autrichien	Rare		22	1 mm		30,8		26,7
M28-1.0		28	28 mm français	Vieux tandem français		22	1 mm
28.6-26tpi	1 1/8"	28,6	1 1/8" fileté	Nouveau standard (oversized) : la plupart des VTT, tandem, certains routiers et BMX récents	1"	25,4	26tpi	33,75 à 33,9	34	30,1 à 30,2	30
31.8-26tpi	1 1/4"	31,8	1 1/4" fileté	Quelques tandem et VTT, obsolète	1 1/8"	28,6	26tpi	36,75 à 36,9	37	33,1 à 33,2	33

• ^a L’alésage du tube de direction doit atteindre une profondeur de 15 mm ou plus.
• ^b Variable.
• ^c Les filets sont coupés à 55° mais restent compatibles avec les jeux de direction 1" ISO.
• ^d Partie supérieure du jeu de direction compatible avec le 1" ISO.
• ^e Partie inférieure du jeu de direction compatible avec le 1" ISO.
• ^f Partie inférieure du jeu de direction compatible avec le 25 mm français.
• ^g Partie haute, l’extrémité inférieure de la douille ferait 36,4 mm.

Jeu de direction non fileté

Le jeu de direction non fileté (threadless headset) est plus communément dénommé jeu de direction Aheadset qui est le nom de la marque du premier modèle de ce type conçu par Dia Compe. Le pivot de la fourche doit être lisse.

La potence est munie d'un collier à capot qui permet de la serrer sur la partie extérieure du pivot. Il est plus difficile d'ajuster le vélo à la taille d'el cycliste sur ce type de jeu de direction :

• En changeant la potence, on ne peut ajuster que l'angle et la longueur de la potence.
• Pour modifier la hauteur de potence, on a moins de solutions :
  • On peut diminuer la hauteur de potence en sciant le pivot de la fourche.
  • Pour augmenter la hauteur on est contraint de changer de fourche.

Composants d'un jeu de direction non fileté :

• Les roulements sont de trois types : externe (standard SHIS :EC), intégrés (standard SHIS :IS) ou semi-intégrés (standard SHIS:ZS). Le standard SHIS (Standardized Headset Identification System) permet de garantir la bonne compatibilité des diamètres et des roulements entre jeu de direction, fourche et cadre. Les roulements sont en général à bague à contact angulaire (angular contact cartridge bearing) dans les jeux intégrés mais il existe aussi des cuvettes internes ou externes ayant un roulement intégré ou acceptant un roulement à bague radial (radial cartridge bearing).
• À l’intérieur du pivot de fourche, il y a en général un mécanisme en forme d’étoile (étoile de compression = star nut) qu’il vaut mieux ne pas déloger. Cette étoile doit être enfoncée au marteau à 9/16" (un peu plus de 14 mm) du haut du pivot. Il existe un outil adapté permettant de l’enfoncer à la bonne profondeur.
• Au dessus de la douille de direction, on enfile dans le pivot de fourche plusieurs entretoises (spacer) en forme de rondelles de manière à ce que l'extrémité supérieure de la potence surplombe d’un millimètre ou deux le pivot de fourche. Sans ce surplomb il ne sera pas possible de régler correctement le jeu de direction et celui-ci conservera un jeu important.
• La potence (threadless stem) est munie d'un collier qui permet de la serrer sur la partie extérieure du pivot.
• Le capot (stem cover) et sa vis dont le serrage permet de régler le jeu de direction.

Lorsque le pivot de fourche est fait d'un matériau fragile comme les fibres de carbone. L'étoile de compression, le capot et sa vis sont remplacés par un expandeur (expander plug) qui joue le même rôle : régler le jeu de direction. Attention, les termes expandeur comme expander désignent aussi l'écrou conique d'une vis de plongeur de potence.

Réparations

Diagnostic

Le diagnostic le plus simple est de vérifier le jeu de roulement : Le guidon doit tourner librement, sans gêne et sans jeu. Si il y a du jeu, on doit resserrer le système. Et inversement, si il y a une gêne dans le mouvement on doit le desserrer. Paradoxalement, il est dangereux de rouler avec une direction trop serrée: en effet, si la roue avant n'est pas totalement libre de pivoter, il est impossible de garder son équilibre sur le vélo lorsqu'on lâche les mains.

• On vérifie d’abord le serrage du jeu de direction : contre-écrou d’un jeu à cône et cuvette, vis du capot ou de l'expandeur du jeu de direction s'il n'est pas fileté. Si le serrage est insuffisant, il y a automatiquement un jeu.
• On peut ensuite freiner à fond à l’avant et faire bouger le guidon d’avant en arrière. Attention, une sensation de jeu (play) peut aussi être due à l’écrasement du pneu contre le sol, à la suspension ou au frein proprement dit. Attention, ne jamais utiliser cette méthode si le frein est à tirage central (cantilever ou étrier).
• En dernier lieu, on peut essayer de faire bouger la potence ou la tête de fourche d’avant en arrière. Cela demande un peu de pratique.
• Ensuite, on vérifie la présence d’un frottement (friction) en tournant le guidon dans les deux sens. Pour une meilleure perception, la roue ne doit pas toucher le sol. Parfois le frottement n'apparait que dans un seul sens.

Lorsque le frottement est inégal ou si on détecte à la fois jeu et frottement, il faut ouvrir la bête : enlever tout le cambouis, nettoyer soigneusement billes et portées, vérifier l’état des billes et la présence de billage sur les portées, changer les pièces défectueuses, graisser, remonter et régler le roulement. Si le cambouis était rouge brique, il faut remplacer les billes qui doivent toujours être dépourvues de toute rouille. S'il s'agit d'un roulement à bague, celui-ci doit être changé.

Réglage du jeu de direction

Le juste milieu du serrage est assez minutieux à obtenir, plusieurs tentatives par tâtonnements sont nécessaires pour avoir le bon réglage.

Réglage d'un jeu de direction fileté

Cette opération doit être réalisée lorsqu’un jeu a été détecté ou lorsque la fourche vient d’être remontée. Il n’est pas nécessaire de démonter la fourche pour régler le jeu de direction.

Le réglage peut se faire potence montée ou démontée. Lorsque la potence n’est pas très haute (tige de potence trop courte), il est parfois plus simple d’effectuer le réglage potence démontée.

• On serre la cuvette ou le cône réglable à la main jusqu’à ce qu’on sente une résistance.
• On verrouille ensuite le jeu de direction en maintenant la cuvette ou le cône réglable à l’aide d’une pince multiprise tout en serrant le contre-écrou avec une clé pour jeu de direction. On serre assez fort, la rondelle d'arrêt facilite le verrouillage : elle prévient le resserrage de la cuvette ou du cône réglable lors du verrouillage.
• On vérifie ensuite le bon réglage du jeu de direction et on l’ajuste si nécessaire.

Lorsque il est impossible d'obtenir un bon réglage, il faut se poser d'autre questions concernant la qualité des roulements et des cuvettes en place. Les cuvettes doivent être régulières, si elles présentent des traces de billage, elles sont bonnes pour la ferraille. Les billes doivent également être régulières.

Réglage d'un jeu de direction non fileté

La potence doit être montée pour que le réglage soit possible. Son extrémité supérieure doit surplomber d’un millimètre ou deux le pivot de fourche.

• On s’assure d’abord que les vis qui maintiennent la potence sur le pivot soient bien desserrées.
• On serre ensuite la vis du capot ou de l'expandeur jusqu’à ce qu’on sent une résistance.
• On vérifie ensuite le bon réglage du jeu de direction et on l’ajuste si nécessaire.
• À la fin, ne pas oublier de resserrer les vis de la potence et de la recentrer.