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]

油圧または電気アクチュエータは、ステアリング機構に制御されたエネルギーを加えるため、運転者は通常の速度で運転しているときに操舵輪を回すのに要する労力が少なくなり、車両が停止しているときや低速で移動しているときに操舵輪を回すために必要な物理的な労力が大幅に軽減されます。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。

自動車の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）を介してステアリング操作力を増強します。これらのシステムでは、ステアリングホイールと車輪を操舵するリンケージが直接機械的に接続されています。つまり、パワーステアリングシステムが故障しても（操作力を増強するため）、手動操作だけで車両を操舵することができます。

電動パワーステアリング システムでは、油圧システムの代わりに電動モーターを使用してアシストを行います。油圧タイプと同様に、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 システムの残り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 リンクに直接機械的に接続されておらず、電力を必要とします。機械的に接続されていないこの種のシステムは、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。この文脈では、「ワイヤ」は電力とデータを伝送する電気ケーブルを指し、細いワイヤロープの機械制御ケーブルではありません。

一部の建設車両には、中央に頑丈なヒンジが付いた 2 つの部分からなるフレームがあります。このヒンジにより、前車軸と後車軸が非平行になり、車両を操縦できます。対向する油圧シリンダーがフレームの半分を相対的に動かして操縦します。

車両に初めてパワーステアリングシステムが採用されたのは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、それ以外に彼についてはほとんど知られていません。^[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、前輪の回転を補助するために別の電動モーターが使用されました。 ^{[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含めました。^[5]

ピアス・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たが、自動車メーカーはそれを製造するにはコストがかかりすぎると計算した。^[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アシストの需要が高まった。^[7]

クライスラー社は、 1951年クライスラー 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]クライスラーのシステムは、デイビスの期限切れの特許の一部に基づいていた。ゼネラルモーターズは、デイビスがほぼ20年前に同社で行った研究を活用したパワーステアリングシステムを搭載した 1952年キャデラックを発売した。

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いくつかの特許を申請した。^{[10] [11] [12]}

1950年代半ばから、アメリカの自動車メーカーは、この技術をオプションまたは標準装備として提供し、現在では国際的にも、前輪駆動、車両重量の増加、組立ラインの生産コストの削減、および幅広のタイヤといった、必要なステアリング操作力を増加させる傾向により、現代の自動車に広く提供されるようになりました。一部の国で一般的なように、重量のある自動車は、低速での操縦が非常に困難になりますが、軽量の自動車では、パワーアシストステアリングがまった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力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、速度が上がるとフィードバックトルクが増加することを当然期待していることが判明しており、このため、そのような効果を欠いた初期のパワーステアリングは不評だった。^{[13] [14]}

油圧式パワーステアリングシステムは、油圧システムを使用して、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）に増幅します。^[15]油圧は通常、車両のエンジンで駆動されるジェロータ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、それが次にロードホイールを操舵します。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流量を制御します。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通過する流体が多くなり、ホイールを操舵するためにより大きな力が適用されます。^[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 1 つに、トルク センサー (ステアリング コラムの下端にあるトーション バー)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 バーは比較的薄くて柔軟性があり、下端は通常回転に抵抗するため、バーは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 バーの反対側の端の位置の差によってバルブが制御されます。バルブによって流体がシリンダーに流れ、ステアリングが補助されます。トーション バーの「ねじれ」が大きいほど、力が大きくなります。

油圧ポンプは容積型なので、ポンプが供給する流量はエンジン速度に正比例します。つまり、エンジン速度が高い場合、ステアリングは当然、エンジン速度が低い場合よりも速く作動します。これは望ましくないため、制限オリフィスと流量制御バルブにより、エンジン速度が高いときにポンプの出力の一部を油圧リザーバに戻します。圧力リリーフバルブは、油圧シリンダーのピストンがストロークの終わりに達したとき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、ブースターが故障してもステアリングが機能し続けるように配置されています (ただし、ホイールが重く感じられます)。パワー ステアリングが故障すると、車両のハンドリングに重大な影響が出る可能性があります。各車両のオーナーズ マニュアルには、パワー ステアリング システムの液体レベルの検査と定期的なメンテナンスに関する指示が記載されています。

作動液は「油圧流体」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にしています。

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た。^[17]

このパワーステアリング システムでは、車輪を操舵する力は車の高圧油圧システムから得られ、道路の速度に関係なく常に同じです。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に移動します。人工的なステアリング感覚を与えるために、ステアリング ホイールを中央位置に戻そうとする別の油圧作動システムがあります。適用される圧力の量は道路の速度に比例するため、低速ではステアリングは非常に軽く、高速では中心から少し以上動かすことは非常に困難です。

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で初めて導入され、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「手首ひねりインスタントステアリング」を備えたマーキュリーパークレーンの車両群の実験を行った。^{[18] [19]}

1988 年、スバル XT6には、車両の速度に応じてアシスト 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 世代のMR2 を発表しました。これにより、エンジン (MR2 では運転席の後ろにありました) からステアリング ラックまで油圧ラインを配線する必要がなくなりました。

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エコマティックを生産した。これは、燃料を節約する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することを意味した。^[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、マツダの一部の車に搭載されている。

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を使用して車両のドライバーを支援します。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、コンピューター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補助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量の補助を適用できます。したがって、エンジニアはステアリングギアの応答を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ドライバー支援機能を追加することもできました。これには、レーンアシスト、風ドリフト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支援の量を調整できますが、他のほとんどのEPSシステムには可変アシストがあります。これらは、車両が減速するとより多くの支援を提供し、高速にな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リンクが保持されます。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、機械的なリンク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を切るのに大きな力が必要になる状況に遭遇します。この大きな力は、油圧ステアリングアシストシステムが機能しなくなった場合の力に似ています^[要出典]。運転状況、運転技術、ドライバーの力量によっては、ステアリングアシストが失われても衝突につながるかどうかはわかりません。パワーステアリングが機能しなくなった場合のステアリングの難しさは、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悪化します。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、アシストが必要かどうかに関わらず常に稼働しているベルト駆動油圧ポンプがないため、燃費の面で有利であり、これが電動システム導入の主な理由である。もう1つの大きな利点は、ベルト駆動エンジンアクセサリと、エンジンに取り付けられた油圧ポンプとシャーシに取り付けら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ある。これにより、製造とメンテナンスが大幅に簡素化される。電子安定制御を組み込むことで、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更し、ドライバーの修正操作を支援することができる。^[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日本国内でのみ販売した。^[26] 1988年にはスズキ・セルボに量産乗用車用としては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、このシンプルな方式は、低速走行時に危険回避のために急操舵をしたときや、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モードに戻るときに、モーターの慣性により不自然な操舵感が生じることから、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。それ以来、一般車両用のラックタイプではブラシ付きモーターからブラシレスモーター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、フィアットプント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。

このシステムは様々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一般的に適用されています^[要出典]。

2000年、ホンダS2000タイプVは、初の電動可変ギア比ステアリング（VGS）システムを採用した。^[28] 2002年、トヨタはレクサス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変更する電子安定制御システムも組み込んだ。2003年、BMWは5シリーズに「アクティブステアリング」システムを導入した。^[29]

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度の関数としてのみ変化するシステムと混同しないでください。これらはより正確には非線形タイプと呼ばれます（例：メルセデスベンツが提供するダイレクトステア）。ステアリングホイールの位置と車軸ステアリング角度のプロットは、徐々に曲線（および対称）になります。

• サーボ機構
• ステアリングエンジン
• ダイレクトドライブ シミュレーション レーシング ホイール

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