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操舵とは、運動の方向を制御すること[ 1 ]、またはその制御を可能にする構成要素を制御すること[ 2 ]である。操舵は、飛行機の補助翼、ボートの舵、ヘリコプターのローターの周期的な傾斜[ 3 ]など、さまざまな仕組みによって実現される。
航空機の飛行制御システムは、通常、飛行中は補助翼、スポイラー、またはその両方を使用して機体を旋回させることで操縦されます。方向舵も機体を旋回させるために使用できますが、通常は直接旋回させる手段としてではなく、逆ヨーを最小限に抑えるために使用されます。地上では、航空機は一般的に、低速では前輪または尾輪を回転させる（ティラーまたは方向舵ペダルを使用）か、差動ブレーキによって操縦され、高速では方向舵によって操縦されます。ミサイル、飛行船、大型ホバークラフトは通常、方向舵、推力偏向、またはその両方によって操縦されます。小型スポーツホバークラフトには同様の方向舵がありますが、操縦は主にパイロットが体重を左右に移動させてスカート下のより強力な揚力のバランスを崩すことによって行われます。ジェットパックと飛行プラットフォームは推力偏向のみによって操縦されます。
ヘリコプターの飛行制御は、メインローターの推力ベクトルを変化させるサイクリック制御と、通常はテールローターによって提供されるアンチトルク制御によって行われる。
従来の自動車の操舵機構では、運転者は運転席前方に配置された手動式のステアリングホイールを操作して前輪の方向を操り、車両の進行方向を制御します。ステアリングホイールはステアリングコラムに取り付けられており、ステアリングコラムはロッド、ピボット、ギアと連結され、運転者が前輪の方向を変更できます。この機構には、ステアリングホイールを数回転させることで大きな直線変位に変換するラックアンドピニオン機構が含まれる場合があります。あるいは、ボール循環式システムを使用することもできます。この機構は、通常、油圧または電気によって動力アシストされます。
可変ラック（通常のピニオンを使用）の使用は、車両の応答性を向上させ、特に高速走行時のステアリング操作をより快適にするために、1970年代にアーサー・アーネスト・ビショップ[ 4 ]によって発明されました。彼はまた、ラックを製造するための低コストのプレス鍛造プロセスを開発し、ギアの歯を機械加工する必要をなくしました。
車両の種類によっては、他の方式が採用されている場合もあります。例えば、ティラー式操舵や後輪操舵などです。ブルドーザーや戦車などの履帯式車両は通常、差動操舵を採用しており、クラッチとブレーキを用いて履帯を異なる速度または逆方向に動かすことで方向転換を行います。
一般的なステアリングシステムの構成部品は以下のとおりです。
ステアリングの基本的な目的は、車両を必要な方向に動かすために、車輪が目的の方向を向くようにすることです。これは通常、一連のリンク機構、ロッド、ピボット、およびギアによって実現されます。基本的な概念の1つに、キャスター角があります。各車輪は、車輪の前方にあるピボットポイントで操舵され、これによりステアリングは進行方向に対して自動的に中央に保たれる傾向があります。
ステアリングボックスとホイールを接続するステアリングリンケージは、通常、アッカーマンステアリングジオメトリの変形に準拠しています。これは、旋回時に内側のホイールが外側のホイールよりも半径の小さい経路を走行するため、直進走行に適したトー角が旋回には適さないという事実を考慮したものです。ホイールが垂直面で形成する角度（キャンバー角）も、タイヤと同様にステアリングダイナミクスに影響を与えます。
ステアリングホイールの回転角度は、通常、ロック・トゥ・ロック（ハンドルを左右いっぱいに回す動作）に必要な360度回転数で測定されます。これは、ステアリング入力機構が、右折の停止位置から左折の停止位置まで、機械的な限界で拘束された状態を指します。
現代の多くの自動車には、ラックアンドピニオンと呼ばれるステアリング機構が採用されています。ステアリングホイールを回すとピニオンギアが回転し、ラックが前後に動くことで車輪が操舵されます。この機構は、ステアリングホイールの回転運動を直線運動に変換し、タイロッドとステアリングナックルを介して車の車輪に伝達します。
ラックアンドピニオン式ステアリングには、ダイレクトなステアリングフィールなど、いくつかの利点があります。これは、ドライバーが路面状況をより正確に感じ取り、車の動きをより精密に制御できることを意味します。
BMWは1930年代にラックアンドピニオン式ステアリングシステムを採用した最初のメーカーの1つであり、他の多くのヨーロッパのメーカーもそれに続いた。アメリカの自動車メーカーは1974年のフォード・ピントでラックアンドピニオン式ステアリングを採用し始めた。[ 5 ]
古い設計では、ウォームアンドセクター機構とスクリューアンドナット機構という2つの主要な原理が用いられています。どちらのタイプも摩擦を低減することで改良されており、スクリューアンドナット機構の場合は、トラックや商用車に今でも見られるボール循環機構が採用されています。ステアリングコラムが大きなスクリューを回転させ、ボールがナットと噛み合います。ナットがギアのセクターを動かし、スクリューが回転するとセクターが軸を中心に回転します。セクターの軸に取り付けられたアームがピットマンアームを動かし、ピットマンアームはステアリングリンケージに接続されて車輪を操舵します。この機構のボール循環バージョンでは、スクリューとナットの間に大きなボールベアリングを配置することで、かなりの摩擦を低減しています。機構の両端では、ボールは2つの部品の間からボックス内部のチャネルに出て、装置のもう一方の端に接続されます。このようにして、ボールは「循環」します。
ボール循環機構は、ドライバーに大きな機械的利点をもたらすため、大型で重量のある車両に採用されてきました。一方、ラックアンドピニオンは、当初は小型で軽量な車両に限定されていました。しかし、パワーステアリングがほぼ普遍的に採用されたため、これはもはや重要な利点とは見なされなくなり、新しい車ではラックアンドピニオン機構の使用が増加しています。ボール循環設計には、センターに目に見える遊び、つまり「デッドスポット」があり、ステアリングホイールをどちらの方向にもわずかに回してもステアリング装置が動きません。これは、ステアリングボックスの端にあるネジで摩耗に合わせて簡単に調整できますが、完全に除去することはできません。なぜなら、他の位置で過剰な内部力が発生し、機構が非常に早く摩耗してしまうからです。この設計は、ステアリングの速さやダイレクトな感触よりも堅牢性、メンテナンス性、機械的利点が重要なトラックやその他の大型車両で今でも使用されています。
ウォームとセクターを用いた機構は、ウィリスやクライスラーの車両、フォード・ファルコン（1960年代）などで使用されていた旧式の設計である。摩擦を低減するため、セクターはロッカーシャフトアーム上のローラーまたは回転ピンに置き換えられている。
一般的に、旧型の車両はボール循環式ステアリング機構を採用しており、新型車両のみがラックアンドピニオン式ステアリングを採用している。しかし、この区分は厳密なものではなく、1950年代半ばの英国製スポーツカーにもラックアンドピニオン式ステアリングシステムが見られ、一部のドイツ自動車メーカーは1990年代初頭までボール循環式技術を使い続けていた。
ステアリングには他にもシステムが存在するが、道路車両では一般的ではない。子供のおもちゃやゴーカートでは、ステアリングコラムとステアリングアームの間に直接取り付けられたベルクランク（ピットマンアームとも呼ばれる）という非常に直接的なリンク機構がよく使われる。また、ソープボックスカーやリカンベント三輪車などの自作車両では、ケーブルで操作するステアリングリンク機構（例えば、キャプスタンとボウストリング機構）も使用されている。
パワーステアリングは、エンジンの動力の一部をステアリング軸を中心に操舵輪の回転を補助することで、車両の操縦を補助するシステムです。車両が重くなり、特にネガティブオフセットジオメトリを採用した前輪駆動への移行が進むにつれて、タイヤの幅と直径も大きくなり、操舵軸を中心に車輪を回転させるのに必要な力は増大し、パワーステアリングがなければかなりの肉体的な労力が必要になる場合が多くなりました。この問題を解決するために、自動車メーカーはパワーステアリングシステム、より正確にはパワーアシストステアリングを開発しました。道路を走行する車両では、フェイルセーフとして機械的なリンク機構が必要となるためです。パワーステアリングシステムには、油圧式と電気/電子式の2種類があります。油圧と電気を組み合わせたハイブリッドシステムも可能です。
油圧式パワーステアリング（HPS）は、エンジン駆動ポンプから供給される油圧を利用して、ステアリングホイールを回す動作を補助します。電動パワーステアリング（EPS）は、油圧式パワーステアリングよりも効率的です。電動パワーステアリングモーターはステアリングホイールを回した時だけアシストすればよいのに対し、油圧ポンプは常に作動していなければならないからです。EPSでは、アシスト量を車種、走行速度、ドライバーの好みに合わせて簡単に調整できます。さらに、油圧パワーステアリング液の漏れや廃棄による環境汚染のリスクがなくなるという利点もあります。また、エンジンが故障したり停止したりしても電動アシストは失われませんが、油圧アシストはエンジンが停止すると作動しなくなるため、ドライバーはアシストなしで非常に重いステアリングホイールを回すだけでなく、パワーアシストシステム自体も操作しなければならなくなり、ステアリング操作が二重に重くなります。
速度感応式ステアリングは、低速時には操縦性を高めるためにステアリングを強くアシストし、高速時には安定性を高めるためにステアリングを軽くアシストします。この機能を最初に搭載した車両は、1970年にフランスで初めて販売されたDIRAVIシステムを搭載したシトロエンSMでした。 [ 6 ]油圧式ステアリングシステムは、センタリングカムに力を加え、ステアリングラックとホイールを直進位置に戻します。センタリング力は速度とともに増加し、速度が速いほどホイールを回すのに必要な力が大きくなります。[ 7 ]
現代の速度感応型パワーステアリングシステムは、車速の上昇に伴って機械的または電気的なアシストを減らし、よりダイレクトなフィーリングを実現します。この機能は徐々に普及しつつあります。例えば、2023年には量産型ピックアップトラックであるテスラ・サイバートラックに採用されました。[ 8 ] [ 9 ]： 51:28
四輪操舵は、一部の車両に採用されているシステムで、操舵応答性の向上、高速走行時の車両安定性の向上、または低速走行時の旋回半径の縮小を目的としています。
アクティブ4輪操舵システムでは、ドライバーが操舵すると4輪すべてが同時に回転します。ほとんどのアクティブ4輪操舵システムでは、後輪はコンピューターとアクチュエーターによって操舵されます。[ 10 ]後輪は一般的に前輪ほど大きく回転することはできません。後輪操舵をオフにするコントロールや、前輪とは独立して後輪のみを操舵するオプションがあります。低速時（駐車時など）には、後輪は前輪とは逆方向に回転し、旋回半径を小さくします。これは、大型トラック、トラクター、トレーラー付き車両、ホイールベースの大きい乗用車にとって重要な場合があります。一方、高速時には、前輪と後輪の両方が同じように回転し（電子制御）、車両のヨーが少なく、横加速度の蓄積が改善され、直進安定性が向上するため、車線変更がしやすくなります。[ 10 ] [ 11 ]
四輪操舵は、狭いアリーナでの操縦性が重要なほとんどのモンスタートラックで使用されており、大型の農業用車両やトラックでも人気があります。現代のヨーロッパの都市間バスの一部も、バスターミナルでの操縦性を向上させ、道路の安定性を高めるために四輪操舵を使用しています。マツダは自動車に四輪操舵を適用するパイオニアであり、1984年のマツダMX-02コンセプトカーでそれを披露しました。このコンセプトカーでは、後輪が低速で逆操舵します。[ 12 ]マツダは、1988年にマツダ626とMX6にこの電子四輪操舵システムのバージョンを提供しました。この技術を使用した最初のラリー車両は、1988年のパイクスピーク国際ヒルクライムでデビューしたプジョー405ターボ16でした。 [ 13 ]
以前は、ホンダは1987年から2001年のプレリュードとホンダ・アスコット（1989年から1996年）のモデルで機械式四輪操舵をオプションとして提供していましたが、後に電子制御式にアップグレードしました。ゼネラルモーターズは、シルバラード/シエラとサバーバン/ユーコンにデルファイのクワドラステアを提供していました。当初はオプションとして高価で、認知度が低く需要が少なかったため、GMは2005年モデルイヤーの終わりにこの技術を廃止しました。[ 14 ]日産/インフィニティは、多くのラインナップでHICASシステムのいくつかのバージョンを標準またはオプションとして提供しています。
2000年代初頭、新世代の四輪操舵システムが市場に導入されました。2001年、BMWはE65 7シリーズに全輪操舵システム（オプションで「インテグラルアクティブステアリング」と呼ばれる）を搭載し、これは現在の5、6、7シリーズでオプションとして利用可能です[ 15 ] [ 16 ] [ 11 ] 。ルノーは2009年に「4control」と呼ばれるオプションの全輪操舵を導入し[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]、最初はラグナGTに搭載されましたが、現在はタリスマン[18] 、メガーヌ[ 17 ] 、エスパス[ 19 ]の各車両ラインで利用可能です。2013年、ポルシェは911ターボに標準装備としてシステムを導入しました[ 20 ]。2016年以降、パナメーラにはオプションの全輪操舵が提供されています。[ 21 ] 2014 年型Audi Q7 はオプションのシステムで発売されました。[ 22 ]また、日本の OEM も、Infiniti の QX70 モデル (「リアアクティブステアリング」) [ 23 ]や Lexus の GS [ 24 ]のように、全輪操舵を備えた高級セグメント車両を提供しています。イタリアのメーカーは、2016 ～ 2017 年モデルで、Ferrari F12tdf [ 25 ]、Ferrari GTC4Lusso [ 26 ]、Lamborghini Aventador S [ 27 ]でこの技術を導入しました。
クラブステアリングは、特殊なアクティブ四輪操舵の一種です。これは、すべての車輪を同じ方向、同じ角度に操舵することで作動します。クラブステアリングは、車両が直線を進みながらも角度をつけて走行する必要がある場合に使用されます。例えば、高速道路で高速走行中に車線変更を行う場合、リーチトラックで荷物を移動する場合、またはカメラドリーを使用して撮影を行う場合などです。
後輪操舵は、後輪が前輪の軌跡に沿って進まない可能性がある場合にも使用できます（例えば、移動式農機具を使用する際に土壌の圧縮を軽減する場合など）。
多くの現代の車両はパッシブリアホイールステアリングを採用しています。多くの車両では、コーナリング時に後輪がわずかに外側にステアリングする傾向があり、安定性が低下する可能性があります。パッシブステアリングシステムは、旋回時に発生する横方向の力（サスペンションジオメトリによる）とブッシュを使用してこの傾向を修正し、ホイールをわずかに内側にステアリングします。これにより、旋回中の車両の安定性が向上します。この効果はコンプライアンスアンダーステアと呼ばれ、すべてのサスペンションで発生します。コンプライアンスアンダーステアを実現する一般的な方法は、ライブリアアクスルにワッツリンクを使用するか、トーションビームサスペンションにトーコントロールブッシュを使用することです。独立リアサスペンションでは、通常、サスペンション内のゴムブッシュのレートを変更することによって実現されます。サスペンションの中には、ホッチキス式リジッドアクスル、セミトレーリングアーム式独立懸架サスペンション、リアトーションビームなど、形状上の理由からコンプライアンスオーバーステアが発生するものがありますが、リーフスプリングやトレーリングアームのピボットポイントの変更、サスペンションリンクの追加、ブッシュの複雑な内部形状などによって軽減できる場合があります。
パッシブリアホイールステアリングは新しい概念ではなく、長年にわたって使用されてきたが、必ずしもそう認識されてきたわけではない。
関節式ステアリングは、車両を垂直ヒンジで接続された前部と後部の2つの部分に分割するシステムです。前部と後部は1つまたは複数の油圧シリンダーで接続されており、前部と後部の車軸および車輪を含む2つの部分間の角度を変更することで車両を操舵します。このシステムは、四輪操舵のようにステアリングアーム、キングピン、タイロッドなどを使用しません。垂直ヒンジを2つの車軸の中間に等距離に配置すると、前部と後部の車軸が同じ経路をたどり、同じ速度で回転するため、四輪駆動車にセンターデフが不要になります。関節式運搬車は、オフロード性能が非常に優れています。
セミトレーラー、ロードトレイン、連接バス、路面電車などの車両とトレーラーの組み合わせは、受動的に連結された車両とみなすことができる。
フォークリフト、カメラドリー、初期のペイローダー、バックミンスター・フラーのダイマクションカー、ThrustSSCなど、後輪操舵のみを使用する車両もいくつか存在する。[ 28 ]
後輪操舵は、狭い場所での操縦に特に有効です。しかし、後輪操舵を単純に実装すると、オーバーステアが発生しやすく、操舵が不安定になる可能性があります。そのため、後輪操舵は通常、フォークリフトなど、狭い場所での高い操縦性が求められる低速車両にのみ採用されています。
重量物の運搬や操縦性の向上を目的として、一部のセミトレーラーには電気油圧制御による後輪操舵装置が装備されています。後輪車軸の全部または一部の車輪を異なる角度で回転させることで、よりタイトなコーナリングが可能になり、また、同じ角度で回転させることで（カニ歩き操舵）、トレーラーの後部を横方向に移動させることができます。
ステアバイワイヤ技術の目的は、可能な限り多くの機械部品（ステアリングシャフト、ステアリングコラム、減速機構など）を完全に排除することです。従来のステアリングシステムをステアバイワイヤに完全に置き換えることには、次のような利点があります。
ステアリングコラムを使用しないステアバイワイヤは、2013年に日産インフィニティQ50で初めて市販車に採用されました。 [ 29 ]ステアバイワイヤはQX50とQX55で引き続き採用され、2022年からはインフィニティQ60クーペにも採用されています。[ 30 ]
2020年代に生産された、ステアリングコラムのないステアバイワイヤを提供するバッテリー電気自動車には、 Canoo Lifestyle Vehicle [ 31 ] 、Lexus RZ 450e [ 32 ]、REE Automotive P7モジュールベースの車両[ 33 ] 、Toyota bZ4X [ 30 ]、Tesla Cybertruck [ 34 ]などがあります。2023年現在、Lotus [ 35 ] 、 Peugeot [ 36 ]、Mercedes-Benzは、2020年代半ばから後半にかけてステアバイワイヤ車を提供する予定です。[ 37 ]
従来、自動車には、激しい正面衝突時にドライバーの過度の負傷を防ぐために、衝撃吸収式ステアリングコラム（エネルギー吸収式ステアリングコラム）が備えられていました。エアバッグも一般的に標準装備されています。古い車両に搭載されていた非衝撃吸収式ステアリングコラムは、特にステアリングボックスやラックが前車軸線より前、つまりクラッシャブルゾーンの前方に取り付けられていた場合、正面衝突時にドライバーを突き刺すことが非常に多かったのです。これは、クラッシャブルゾーンのない剛性の高い独立したシャーシフレームを持つ車両で特に問題となっていました。現代の多くの車両のステアリングボックスやラックは、前車軸の後ろ、フロントバルクヘッド、つまりフロントクラッシャブルゾーンの後方に設置されています。
折りたたみ式ステアリングコラムはベラ・バレニによって発明され、1959年のメルセデス・ベンツW111フィンテールにクラッシャブルゾーンとともに導入されました。この安全機能は、ラルフ・ネーダーによる大規模かつ非常に公的なロビー活動の後、ゼネラルモーターズが製造する車に初めて搭載されました。フォードは1968年に折りたたみ式ステアリングコラムの設置を開始しました。[ 38 ]
アウディはかつて、格納式ステアリングホイールとシートベルトのテンション調整システムであるプロコンテンを採用していたが、現在はエアバッグと火薬式シートベルトプリテンショナーに取って代わられ、廃止されている。
自転車やオートバイでは、車両の慣性を打ち消すために、旋回方向に体を傾ける必要があります。そうしないと、車両は直進時に横滑りしてしまいます。二輪車を旋回方向に傾けるために、ライダーはしばしば、車輪を旋回方向から遠ざけるように、反対方向に短時間ハンドルを切ります。このプロセスは、カウンターステアリングとして知られています。[ 39 ] 低速では、旋回に必要なカウンターステアリングはほとんど気づかないほど小さいですが、一般的なオートバイの速度では、旋回を素早く完了するために、大きく意図的なカウンターステアリングが必要です。必要なカウンターステアリングの量は車両の重量にも依存し、自転車は体重移動だけで旋回を完了できる場合が多いです。[ 40 ]同様の技術は傾斜する三輪車の 操舵にも使用されますが、剛性のある非傾斜三輪車は自動車と同様に操舵され、[ 41 ]旋回方向とは反対方向を向いている車輪が旋回方向を向いている車輪よりも長い距離を進むことができるように差動装置が必要になる場合があります。
差動操舵は、戦車やブルドーザーなどの履帯式車両の操舵の主要な手段です。 [ 42 ]また、スキッドステアとして知られる特定の車輪式車両にも使用され、一部の自動車にもトルクベクタリングとして実装されており、車両に対する車輪の方向を変えることで操舵を強化します。
自転車はハンドルを回すことと、ライダーと自転車の傾きによって操縦される。[ 44 ]
船やボートは通常、舵で操舵されます。船のサイズに応じて、舵は手動で操作することも、サーボ機構、トリムタブ、またはサーボタブシステムを使用して操作することもできます。手漕ぎボートは、特定のパドルストロークを使用して操舵できます。船外機を使用するボートは、駆動ユニット全体を回転させて操舵します。船内機を使用するボートは、プロペラポッドのみを回転させて操舵する場合もあります（例：ボルボペンタIPSドライブ）。舵またはプロペラの制御には、ステアリングホイールを使用できます。ディーゼル電気駆動の現代の船舶は、アジマススラスタを使用します。オールまたはパドルで推進するボートは、旋回方向とは反対のボートの側面でより大きな推進力を発生させることによって操舵されます。ジェットスキーは、重量移動によるロールとウォータージェットの推力ベクトルによって操舵されます。
船の舵は、水がその上を通過しているときにのみ船を操舵できます。したがって、船が水に対して相対的に動いていない場合、または舵を動かすことができない場合、船は舵に反応せず、操舵不能になったと言われます。船が水中を移動することは、航行と呼ばれます。川を航行する船は、下流に向かっているときでも、操舵するために常に推進力が必要であり、舵に反応して船の方向を変えるには、舵の表面を十分な水が通過する必要があります。これを「操舵可能」と呼びます。[ 45 ]
