パワーステアリング

パワーステアリングは、動力源を利用してステアリングを補助することで、自動車のハンドルを回す際の運転者の労力を軽減するシステムである。[ 1 ]

油圧式または電動式のアクチュエーターは、ステアリング機構に制御されたエネルギーを加えることで、通常の速度で走行している際のドライバーのステアリングホイール操作力を軽減し、停車時や低速走行時のステアリングホイール操作に必要な物理的な力を大幅に軽減します。パワーステアリングは、操舵輪に作用する力の人工的なフィードバックを提供するように設計することもできます。

自動車用油圧パワーステアリングシステムは、サーボシステムの一部であるアクチュエータ（油圧シリンダー）を介して操舵力を増強します。これらのシステムは、ステアリングホイールと車輪を操舵するステアリングリンケージを直接機械的に接続しています。つまり、操舵力を増強するパワーステアリングシステムが故障した場合でも、手動操作だけで車両を操舵することが可能です。

電動パワーステアリングシステムは、油圧システムの代わりに電動モーターを用いてステアリングをアシストします。油圧式と同様に、アクチュエータ（この場合はモーター）への電力は、パワーステアリングシステムの他の部分によって制御されます。

その他のパワーステアリングシステム（大型のオフロード建設車両に搭載されているものなど）は、ステアリングリンケージに直接機械的に接続されておらず、電力を必要とします。この種のシステムは機械的接続がないため、航空業界の「フライ・バイ・ワイヤ」に倣って、「ドライブ・バイ・ワイヤ」または「ステア・バイ・ワイヤ」と呼ばれることがあります。ここで言う「ワイヤ」とは、電力とデータを伝送する電気ケーブルを指し、細いワイヤーロープのような機械的な制御ケーブルではありません。

一部の建設車両は、中央に頑丈なヒンジを備えた2つの部分からなるフレームを備えています。このヒンジにより、前車軸と後車軸が非平行になり、車両の操舵が可能になります。対向する油圧シリンダーがフレームの2つの部分を相対的に動かすことで、操舵が行われます。

歴史

車両に初めてパワーステアリングシステムが取り付けられたのは1876年で、フィッツという姓の男性によってだったようですが、彼については他にほとんど何も分かっていません。[ 2 ]次のパワーステアリングシステムは1903年にコロンビアの5トントラックに搭載され、独立した電動モーターが運転手の前輪の回転を補助しました。[ 2 ] [ 3 ]

ペンシルベニア州ピッツバーグ在住のロバート・E・トワイフォードは、1900年4月3日に発行された最初の四輪駆動システムに関する特許（米国特許646,477）[ 4 ]の一部として機械式パワーステアリング機構を組み込んでいました。[ 5 ]

ピアース・アロー社のトラック部門のエンジニアであったフランシス・W・デイビスは、ステアリング操作を容易にする方法を模索し始め、1926年に最初の実用的なパワーステアリングシステムを発明し、実証しました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]デイビスはゼネラルモーターズに移り、油圧式パワーステアリングシステムを改良しましたが、自動車メーカーは製造コストが高すぎると計算しました。[ 7 ]その後、デイビスは自動車メーカー向け部品メーカーであるベンディックス社と契約しました。第二次世界大戦中、大型車両のステアリング操作を容易にしたいという軍事的ニーズから、イギリス軍とアメリカ軍の装甲車や戦車回収車にパワーステアリングの需要が高まりました。[ 7 ]

クライスラー社は、 1951年型クライスラー・インペリアルに「ハイドラガイド」という名称で、乗用車用パワーステアリングシステムとして初めて市販された。 [ 9 ]クライスラー社のシステムは、デイビス氏の失効した特許の一部に基づいていた。ゼネラルモーターズは、デイビス氏が約20年前に同社で行った研究を基に、1952年型キャデラックにパワーステアリングシステムを搭載した。

デトロイトのチャールズ・F・ハモンドは、1958年にカナダ知的財産庁にパワーステアリングの改良に関する特許をいくつか申請した。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

1950年代半ば以降、アメリカの自動車メーカーはパワーステアリングをオプションまたは標準装備として提供していましたが、近年では前輪駆動、車両重量の増加、組立ラインの生産コスト削減、そして幅広タイヤといったステアリング操作に必要な力を増加させる傾向により、国際的にも現代の自動車に広く搭載されています。一部の国で一般的に見られるような重量のある車両では、低速での操縦が非常に困難になりますが、軽量の車両ではパワーステアリングが全く必要ない場合もあります。

1999年に行われたステアリングフォースフィードバックの知覚忠実度に関する研究では、現実世界の一般的なトラックや車の運転手は、速度が上昇するにつれてフィードバックトルクが増加することを自然に期待していることが判明しており、このため、そのような効果が欠けていた初期のパワーステアリングは不評でした。[ 13 ] [ 14 ]

油圧システム

パワーステアリング液リザーバーとプーリー駆動ポンプ
オシュコシュMB-5のパワーステアリングシステム

油圧式パワーステアリングシステムは、油圧システムを用いてステアリングホイールに加えられた力を車両の操舵輪（通常は前輪）に増幅することで機能します。[ 15 ]油圧は通常、車両のエンジンによって駆動されるジェロータポンプまたはロータリーベーンポンプから供給されます。複動式油圧シリンダーがステアリングギアに力を加え、ステアリングギアが操舵輪を操舵します。ステアリングホイールはバルブを操作してシリンダーへの油圧を制御します。ドライバーがステアリングホイールとコラムに加えるトルクが大きいほど、バルブがシリンダーに流す油圧が増加し、操舵輪に加わる力が大きくなります。[ 16 ]

ステアリングホイールに加えられるトルクを測定する設計の一つに、トルクセンサー（ステアリングコラムの下端にトーションバーを配置）があります。ステアリングホイールが回転すると、ステアリングコラムとトーションバーの上端も回転します。トーションバーは比較的薄く柔軟性があり、下端は通常回転に抵抗するため、加えられたトルクに比例した量だけねじれます。トーションバーの両端の位置差によってバルブが制御されます。バルブは、ステアリングアシストを提供するシリンダーへの流体の流れを制御します。トーションバーの「ねじれ」が大きいほど、力も大きくなります。

油圧ポンプは容積式であるため、吐出量はエンジン回転数に正比例します。つまり、高回転時にはステアリングの動作が低回転時よりも速くなります。これは望ましくないため、絞りオリフィスと流量制御弁によって、高回転時にはポンプの出力の一部を油圧リザーバーに戻します。圧力リリーフ弁は、油圧シリンダーのピストンがストロークエンドに達した際に危険な圧力上昇を防ぎます。

ステアリングブースターは、万が一ブースターが故障した場合でもステアリングは作動し続けるように設計されています（ただし、ホイールは重く感じられます）。パワーステアリングの故障は、車両の操縦性に重大な影響を与える可能性があります。各車両の取扱説明書には、パワーステアリングシステムのオイルレベルの点検と定期的なメンテナンスの手順が記載されています。

作動液は「油圧作動油」または「オイル」とも呼ばれ、圧力を伝達する媒体です。一般的な作動液は鉱油をベースとしており、オートマチックトランスミッションオイルと類似しており、場合によっては同じものとなることもあります。

最新のシステムには、車両の速度が上昇すると油圧供給圧力を下げる電子制御バルブも組み込まれています。これが可変アシストパワーステアリングです。

DIRAVI可変アシストパワーステアリング

DIRAVIは、今では当たり前となった速度感応ステアリングという革新的な技術を生み出しました。[ 17 ]

このパワーステアリングシステムでは、車両の高圧油圧システムから車輪への操舵力が生み出され、走行速度に関わらず常に一定です。ステアリングホイールを回すと、油圧シリンダーを介して車輪が同時に対応する角度まで動きます。人工的な操舵感覚を与えるために、ステアリングホイールをセンター位置に戻そうとする別の油圧作動システムが搭載されています。適用される圧力は走行速度に比例するため、低速ではステアリングが非常に軽く、高速ではセンターから少し離れた位置までしか動かすことができません。

フランスのシトロエン社によって発明されました。

このシステムは1970年にシトロエンSMに初めて導入され、英国では「VariPower」、米国では「SpeedFeel」として知られていました。

電気油圧システム

電動油圧式パワーステアリング システム (EHPS と略されることもある、または「ハイブリッド」システムと呼ばれることもある) は、標準システムと同じ油圧アシスト技術を使用しますが、油圧はエンジンの駆動ベルトではなく、電動モーターで駆動されるポンプから供給されます。

1965年、フォードは、従来の大型ステアリングホイールを2つの5インチ（127 mm）リングに置き換え、15:1の高速ギア比と、エンジンが停止した場合に備えて電動油圧ポンプを備えた「手首をひねるだけで瞬時にステアリング操作ができる」機能を備えたマーキュリーパークレーンズの実験を行った。 [ 18 ] [ 19 ]

1988 年、スバル XT6には、車両の速度に応じてアシストのレベルを変更する独自の Cybrid アダプティブ電動油圧式ステアリング システムが搭載されました。

1990年、トヨタは電動油圧式パワーステアリングを搭載した第2世代MR2を発表しました。これにより、MR2では運転席後方にあったエンジンからステアリングラックまでの油圧ラインの配線が不要になりました。

1994年、フォルクスワーゲンは電動ポンプを搭載したゴルフMk3エコマティックを製造しました。これは、燃料節約のためにコンピューターによってエンジンが停止している間も、パワーステアリングが作動し続けることを意味していました。 [ 20 ]電動油圧システムは、フォード、フォルクスワーゲン、アウディ、プジョー、シトロエン、セアト、シュコダ、スズキ、オペル、MINI 、トヨタ、ホンダ、マツダの一部の車種に搭載されています。

電気電子システム

部分的に分解されたステアリングコラムを備えたEPSモジュール

電動パワーステアリング（EPS）、またはモーター駆動パワーステアリング（ MDPS ）は、油圧システムの代わりに電動モーターと電子制御ユニット（ECU ）を使用して車両の運転者を支援します。センサーがステアリングコラム内の位置とトルクを検出し、コンピュータモジュールがステアリングギアまたはステアリングコラムに接続されたモーターを介してアシストトルクを適用します。これにより、運転状況に応じてさまざまなアシスト量を適用できます。エンジニアは、可変レートおよび可変ダンピングサスペンションシステムに合わせてステアリングギアの応答を調整し、各車両の乗り心地、ハンドリング、ステアリングを最適化できます。[ 21 ]この新しい技術的特徴により、エンジニアは新しい運転支援機能を追加することも可能になりました。これには、レーンアシスト、風偏り補正などの機能が含まれます。[ 22 ]フィアットグループの車では、2つの異なるアシストカーブを切り替える「CITY」というボタンを使用してアシスト量を調整できますが、他のほとんどのEPSシステムは可変アシストを備えています。これらは、車両の速度が低下するとより多くの支援を提供し、速度が上昇するとより少ない支援を提供します。

EPSでは、ステアリングホイールとステアリングギア間の機械的な連結が保持されます。部品の故障や停電によりアシストが機能しなくなった場合、この機械的な連結がバックアップとして機能します。EPSが故障すると、ドライバーはステアリング操作に大きな力が必要となる状況に遭遇します。この大きな力は、油圧式ステアリングアシストシステムが故障した場合と同等です。運転状況、運転技術、ドライバーの力によっては、ステアリングアシストの喪失が衝突につながる場合とつながらない場合があります。パワーステアリングが作動しない場合のステアリング操作の難しさは、アシスト付きステアリングギアと完全手動のステアリング比の選択によってさらに複雑になります。NHTSAは、故障しやすいEPSシステムのリコールに関して自動車メーカーを支援してきました。[ 23 ]

電動システムは、アシストの要否に関わらず常時稼働するベルト駆動式油圧ポンプがないため、燃費効率に優れており、これが電動パワーステアリング導入の大きな理由となっています。もう一つの大きな利点は、ベルト駆動式のエンジン補機と、エンジンに搭載された油圧ポンプとシャーシに搭載されたステアリングギア間の複数の高圧油圧ホースが不要になることです。これにより、製造とメンテナンスが大幅に簡素化されます。電子安定制御（ESC）を組み込むことで、電動パワーステアリングシステムはトルクアシストレベルを瞬時に変化させ、ドライバーの修正操作を支援することができます。[ 24 ]

1986年、日本精工は世界初となるバッテリーフォークリフト用電動パワーステアリングシステムを実用化した。[ 25 ] 1988年には光洋精工（現ジェイテクト）と日本精工が共同で軽自動車専用のコラムシステムを開発した。[ 26 ] 1988年にはスズキ・セルボに量産乗用車用としては世界初の電動パワーステアリングシステムが搭載された。 [ 27 ]しかし、この簡便な方式は、低速走行時に危険回避のために急操舵を行った場合や、高速走行時に電磁クラッチにより操舵力が小さくなり手動操舵に戻る場合に、モーターの慣性によって生じる不自然な操舵感のため、当初は他メーカーに広く採用されることはなかった。 1990年には、クラッチを介さないラックアシストのダイレクトフルコントロールシステムがホンダNSX（当初はオートマチック車のみ搭載）で実用化された。その後、一般車両用のラック型モータではブラシ付きモータからブラシレスモータへとトレンドが移行し、この方式が主流となりました。

その他の電動パワーステアリングシステム（4WSを含む）は、1990年以降にホンダNSX、1991年にホンダプレリュードとスバルSVX、1993年に日産300ZX（Z32、バージョン3以降）、シルビア、スカイライン、ローレル、1999年にMG F、FIATプントMk2、1999年のホンダS2000、2000年にトヨタプリウス、2002年にBMW Z4、2003年にマツダRX-8に搭載されました。

このシステムはさまざまな自動車メーカーで使用されており、燃料消費量と製造コストを削減するために小型車に最もよく適用されています。

2023年、レクサスはステアリングホイールと車輪の間の機械的な連結を排除したステアバイワイヤシステムを搭載したRZ 450eを導入し、パワーステアリング技術の大きな進歩を遂げました。[ 28 ]

電動可変ギア比システム

2000年、ホンダS2000タイプVは、世界初の電動パワー可変ギア比ステアリング（VGS）システムを搭載しました。[ 29 ]トヨタは2002年、レクサスLX470とランドクルーザー・シグナスに「可変ギア比ステアリング」（VGRS）システムを導入し、ステアリングギア比とステアリングアシストレベルを調整する電子安定制御システムも搭載しました。2003年、BMWは5シリーズに「アクティブステアリング」システムを導入しました。[ 30 ]

このシステムは、ステアリング比ではなくステアリングアシストトルクを変化させる可変アシストパワーステアリングや、ギア比がステアリング角に応じてのみ変化するシステムと混同しないでください。後者はより正確には非線形型（例えばメルセデス・ベンツのダイレクトステア）と呼ばれ、ステアリングホイールの位置と車軸の操舵角の関係は漸次曲線（かつ対称）となります。

参照

参考文献

  1. ^ 「車のパワーステアリングシステムとは？ - すべての事実を探る」 2022年3月7日。
  2. ^ a bシュルツ、モート（1985年5月）「ステアリング：1世紀の進歩」『ポピュラーメカニクス』162（5）：59。ISSN 0032-4558 。2014年11月8日閲覧。 
  3. ^レン、ジェームズ・A.; レン、ジェネビーブ・J. (1979). Motor Trucks of America . ミシガン大学出版局. p. 23. ISBN 9780472063130. 2015年11月8日閲覧。
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  6. ^ナニー、マルコム・ジェームズ (2006).軽・大型車両技術. エルゼビア・サイエンス. p. 521. ISBN 978-0-7506-8037-0. 2010年6月18日閲覧。
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  28. ^ 「新型レクサスRZ 450eにステア・バイ・ワイヤ搭載」 2023年3月13日。
  29. ^ 「ホンダ、世界初となる可変ギア比ステアリング（VGS）システムを搭載したS2000 Type Vを発売」 （プレスリリース）。ホンダニュース。2000年7月7日。 2015年9月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年9月8日閲覧。
  30. ^ 「BMW » First Drive: 2004 BMW 5-Series」 . CanadianDriver. 2003年6月2日. 2009年10月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年12月8日閲覧。
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