操舵

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コンポーネントです。^[2]操舵は、飛行機のエルロン、船の舵、ヘリコプターのローターの周期的な傾斜など、さまざまな構成によって実現されます^[3]。

航空機の飛行制御システムは通常、空中でエルロン、スポイロン、またはその両方を使用して機体を傾けて旋回させる。ラダーを使用して機体を旋回させることもできるが、通常は旋回を直接引き起こす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る。地上では、航空機は一般に低速では前輪または尾輪を回す（ティラーまたはラダーペダルを使用）か差動ブレーキによって操縦され、高速ではラダーによって操縦される。ミサイル、飛行船、大型ホバークラフトは通常、ラダー、推力偏向、またはその両方によって操縦される。小型スポーツホバークラフトにも同様のラダーがあるが、操縦は主にパイロットが左右に体重を移動し、スカートの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る。ジェットパックと飛行プラットフォームは推力偏向によってのみ操縦される。^[要出典]

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更す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反トルク制御によって行われます。^{[引用が必要]}

従来の自動車のステアリング装置では、運転者は前方に配置された手動のステアリングホイールを使用して前輪の方向を回転させることにより、車両の方向を制御できます。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、およびギアにリンクされており、運転者はこれらを使用して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回転させて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。または、再循環ボールシステムを使用する場合もあります。この機構は、通常は油圧または電気手段によってパワーアシストされる場合があります。

可変ラック（通常のピニオンを使用）の使用は、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。これは、車両の応答性を向上させ、特に高速走行時に快適なステアリングを実現することを目的としています。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。

異なるタイプの車両には、他の配置が見られることもあります。たとえば、耕運機や後輪操舵などです。ブルドーザーや戦車などの履帯車両は通常、差動操舵を採用しており、クラッチとブレーキを使用して履帯を異なる速度または反対方向に動かして方向転換を行います。^{[引用が必要]}

一般的なステアリング システムのコンポーネントには次のものがあります。

ステアリングの基本的な目的は、車輪が希望の方向を向いていることを保証し、車両を必要に応じて動かすことです。これは通常、一連のリンケージ、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 つは、キャスター角です。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、ステアリングが移動方向に対して自己中心的になる傾向があります。

ステアリング ボックスと車輪を接続するステアリング リンク機構は、通常、アッカーマン ステアリング ジオメトリのバリエーションに準拠しています。これは、旋回時に内側の車輪が外側の車輪よりも小さい半径の経路を移動するため、直線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ためです。車輪が垂直面で作る角度 (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します。

ステアリングホイールの回転は、ロックツーロックになるまでの 360 度回転の回数で測定されることが多いです。これは、ステアリング入力機構が、右折の完全な停止位置から左折の停止位置までの機械的限界で拘束されているときです。

現代の車の多くには、ラックアンドピニオンと呼ばれるステアリング機構が備わっています。ステアリングホイールがピニオンギアを回転させ、ピニオンギアがラックを前後に動かして車輪を操舵します。この機構は、ステアリングホイールの円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輪に伝達します。

ラック アンド ピニオン ステアリングには、ダイレクトなステアリングの「感覚」など、いくつかの利点があります。つまり、ドライバーは路面をよりよく感じ、車の動きをより正確に制御できます。

BMWは1930年代にラックアンドピニオンステアリングシステムを採用した最初のメーカーの一つであり、他の多くのヨーロッパのメーカーもそれに追随した。アメリカの自動車メーカーは1974年のフォード・ピントからラックアンドピニオンステアリングを採用し始めた。^[5]

古い設計では、ウォームとセクターの設計と、スクリューとナットという 2 つの主な原理が使用されています。どちらのタイプも摩擦を減らすことで強化されました。スクリューとナットの場合は、再循環ボール機構で、これは今でもトラックやユーティリティ ビークルに使用されています。ステアリング コラムは大きなスクリューを回転させ、ボールを再循環させることでナットと噛み合わせます。ナットはギアのセクターを動かし、スクリューを回す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 アームを動かします。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、ホイールを操舵します。この装置の再循環ボール 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、かなりの摩擦を減らします。装置の両端で、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。したがって、ボールは「再循環」されます。

再循環ボール機構はドライバーに大きな機械的利点を与えるため、より大型で重量のある車両で使用されていますが、ラック アンド ピニオンはもともとより小型で軽量の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ているため、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えています。再循環ボール設計には、中央に知覚できるラッシュ、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少し回してもステアリング装置が動きません。これは、摩耗を考慮してステアリング ボックスの端にあるネジで簡単に調整できますが、他の位置で過度の内部力が発生し、機構が非常に急速に摩耗するため、排除することはできません。この設計は、ステアリングの速さやダイレクト感よりも堅牢性、保守性、機械的利点が重視される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は古い設計で、ウィリスやクライスラーの車、フォード ファルコン (1960 年代) などに使用されていました。摩擦を減らすために、セクターはロッカー シャフト アームのローラーまたは回転ピンに置き換えられました。

一般的に、古い車両では再循環ボール機構が使用され、新しい車両のみがラック アンド ピニオン ステアリングを使用します。ただし、この区分はそれほど厳密ではなく、ラック アンド ピニオン ステアリング システムは 1950 年代半ばの英国のスポーツ カーに見られ、一部のドイツの自動車メーカーは 1990 年代初頭まで再循環ボール技術を放棄しませんでした。

ステアリングには他のシステムも存在するが、道路を走る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）の形で非常に直接的なリンク機構が使用されることが多く、また、ケーブル操作のステアリングリンク機構（キャプスタンとボウストリング機構など）の使用は、ソープボックスカーやリカンベント三輪車などの自家製車両にも見られる。

パワーステアリングは、エンジン出力の一部を操舵輪のステアリング軸周りの旋回に役立てることで、運転者の操舵を補助します。車両が重くなり、前輪駆動に切り替わったこと、特にネガティブオフセットジオメトリが使用されたこと、およびタイヤの幅と直径が増加したことで、ステアリング軸を中心に車輪を回転させるために必要な力が増加し、パワーアシストがなければ大きな肉体的労力が必要になる場合がよくあります。これを緩和するために、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。これは、道路を走る車両にはフェイルセーフとして機械的なリンク機構が必要であるためです。パワーステアリングシステムには、油圧式と電動式の2種類があります。油圧と電動のハイブリッドシステムも可能です。

油圧パワーステアリング (HPS) は、エンジン駆動ポンプによって供給される油圧を使用して、ハンドルの回転動作を補助します。電動パワーステアリング (EPS) は油圧パワーステアリングよりも効率的です。油圧ポンプは常時稼働している必要があるのに対し、電動パワーステアリング モーターはハンドルを回すときにのみ補助を提供すればよいからです。EPS では、補助の量を車両のタイプ、道路の速度、およびドライバーの好みに合わせて簡単に調整できます。追加の利点は、油圧パワーステアリング フルードの漏れや廃棄による環境への危険性がないことです。さらに、電動補助はエンジンが故障またはエンストしても失われませんが、油圧補助はエンジンが停止すると機能しなくなり、ドライバーは補助なしで非常に重いステアリングだけでなくパワー アシスト システム自体も回さなければならないため、ステアリングが 2 倍重くなります。

速度感応ステアリングは、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弱くアシストする。この機能を搭載した最初の車両は、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だった。 ^[6]油圧ステアリングシステムは、ステアリングラックとホイールを直進位置に戻すセンタリングカムに力を加える。センタリング力は速度とともに増加するため、より高速でホイールを回すにはより多くの力が必要になった。^[7]

現代の速度感応型パワーステアリングシステムは、車速が上昇するにつれて機械的または電気的アシストを減らし、よりダイレクトな感覚を与えます。この機能は徐々に普及しつつあります。例えば、2023年には量産ピックアップトラックの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、ステアリングの応答性を向上させ、高速操縦時の車両安定性を高め、低速時の 旋回半径を小さくするために、一部の車両で採用されているシステムです。

アクティブ 4 輪操舵システムでは、ドライバーがハンドルを切ると 4 つの車輪がすべて同時に回転します。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]後輪は通常、前輪ほど回転できません。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 (駐車など) では、後輪が前輪と反対に回転して旋回半径が小さくなります。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、高速では、前輪と後輪の両方が同じように回転します (電子制御)。そのため、車両はヨー角が少なくなり、横方向の加速度が高まり、直線安定性が向上します。^{[10] [11]}旅行用トレーラーを牽引しながら高速道路を走行しているときに経験する「蛇行効果」は、このようにしてほぼ解消されます。^{[疑わしい–議論する]}

四輪操舵は、狭いアリーナでの操縦性が重要となるモンスタートラックで最も広く使用されていますが、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中には、バスターミナルでの操縦性を高め、道路の安定性を向上させるために四輪操舵を採用しているものもあります。マツダは自動車に四輪操舵を採用した先駆者であり、1984年のマツダMX-02コンセプトカーで、低速時に後輪が逆操舵する仕組みを披露しました。^{[12]マツダは、1988年に}マツダ626とMX6にこの電子式四輪操舵システムのバージョンを提供しました。この技術を採用した最初のラリー車両は、1988年のパイクスピーク・インターナショナル・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]

ホンダは以前、 1987～2001年のプレリュードとホンダアスコットモデル（1989～1996年）に機械式四輪操舵をオプションで提供し、後に電子制御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アドラステアを提供しました。需要が低かったため、GMは2005年モデル年末にこの技術を廃止しました。^[14]日産/インフィニティは、ラインナップの多くで、 HICASシステムの複数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年にBMWはE65 7シリーズに全輪操舵システム（オプション、「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シリーズにオプションで提供されています^{[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[17] [18] [19]}を導入し、最初はラグナGTで導入し、現在はタリスマン^[18] 、メガーヌ^[17]、エスパス^[19]の各車種で利用可能です。2013年にポルシェは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用意されています。^[21] 2014年アウディQ7はオプションシステムを搭載して発売されました。^[22]また、日本のOEMは、インフィニティのQX70モデル（「リアアクティブステアリング」）^[23]やレクサスのGSなど、全輪操舵を備えた高級セグメントの車両を提供しています。^[24]イタリアのメーカーは、2016-17年モデルでフェラーリF12tdf ^[25]、フェラーリGTC4Lusso ^[26]、ランボルギーニアヴェンタドールSでこの技術を導入しました。^[27]

クラブ ステアリングは、特殊なタイプのアクティブ 4 輪ステアリングです。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、高速道路で高速走行中に車線変更する場合、リーチ トラックで荷物を移動する場合、またはカメラ ドリーで撮影する場合など、車両が直線で斜めに進む必要がある場合に使用されます。

後輪操舵は、後輪が前輪の軌跡をたどらない可能性がある場合にも使用できます (例: ローリング農機具を使用するときに土壌の圧縮を軽減する)。

最近の^{[時期? ]}自動車の多くは、パッシブ後輪操舵を採用しています。多くの自動車では、コーナリング時に後輪がわずかに外側に操舵される傾向があり、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 ジオメトリによって) とブッシュを使用してこの傾向を修正し、車輪をわずかに内側に操舵します。これにより、旋回中の自動車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にこの効果、またはその逆が存在します。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 アクスルでワット リンクを使用するか、ツイスト ビーム サスペンションでトー コントロール ブッシングを使用することです。独立後輪サスペンションでは、通常、サスペンション内のゴム ブッシングの比率を変更することによってコンプライアンス アンダーステア​​を実現します。一部のサスペンションでは、通常、ホッチキス ライブ アクスル、セミトレーリング アーム IRS、リア ツイスト ビームなどの形状が原因でコンプライアンスオーバーステアが発生しますが、リーフ スプリングまたはトレーリング アームのピボット ポイントの修正、サスペンション リンクの追加、またはブッシングの複雑な内部形状によって、コンプライアンス オーバーステアを軽減できる場合があります。

パッシブ後輪操舵は新しい概念ではなく、長年使用されてきたものですが、^{[期間? ]}必ずしもそのように認識されているわけではありません。

アーティキュレーテッド ステアリングは、車両を前半分と後半分に分割し、垂直ヒンジで接続するシステムです。前半分と後半分は 1 つ以上の油圧シリンダーに接続され、前部と後部の車軸と車輪を含む半分間の角度を変更して、車両を操縦します。このシステムでは、4 輪ステアリング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。垂直ヒンジが 2 つの車軸の間に等距離に配置されている場合、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、4 輪駆動車の中央差動装置も不要になります。アーティキュレーテッド ダンプカーは、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、連節バス、内部輸送トロリー列車などの車両とトレーラーの組み合わせは、受動的連節車両とみなすことができます。

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・フラーのダイマキシオンカー、スラストSSCなど、後輪操舵のみを使用する車両もいくつかある。^[28]

自動車の場合、後輪操舵は不安定になりがちです。旋回時に操舵ジオメトリが変化するため、旋回半径が大きくなる (アンダーステア​​) のではなく小さくなる (オーバーステア) からです。後輪操舵は、フォークリフトなど、狭い場所での高度な操縦性を必要とする低速車両向けです。

重量物の運搬や操縦性の向上のため、一部のセミトレーラーには電気油圧式で制御され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に回転させて、よりタイトなコーナリングを可能にしたり、同じ角度 (クラブ ステアリング) で回転させてトレーラーの後部を横方向に動かしたりすることができます。

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、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と、次のようないくつかの利点があります。

• ステアリングコラムがないため、車内のデザインがシンプルになります。
• ステアリングシャフト、コラム、ギア減速機構がないため、エンジンルーム内のスペースをより有効に活用できます。
• ステアリング機構はモジュールユニットとして設計および設置できます。
• ステアリングホイールとロードホイールの間に機械的な接続がなければ、正面衝突の衝撃によってステアリングホイールがドライバーに衝突する可能性は低くなります。
• ステアリングシステムの特性を簡単に調整して、ステアリングの応答性と感触を変更できます。

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の量産車で初めて提供されました。 ^{[29]ステアバイワイヤはQX50とQX55でも引き続き提供され、2022年現在は}インフィニティQ60クーペでも提供されています。^[30]

2020年代に量産されるステアリングコラムのないステアバイワイヤを採用した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 Cyber​​truck ^[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ステアバイワイヤ車を発売する予定です。^[37]

伝統的に、自動車には折り畳み式ステアリングコラム（エネルギー吸収ステアリングコラム）が装備されており、これは正面からの激しい衝突の際に折り畳まれ、運転者の過度の負傷を防ぎます。エアバッグも一般的に標準装備されています。古い車両に装備された折り畳み式でないステアリングコラムは、特にステアリングボックスまたはラックがクラッシャブルゾーンの前部にあるフロントアクスルラインの前に取り付けられていた場合に、正面衝突で運転者が突き刺さることが非常に多かったです。これは、クラッシャブルゾーンのない剛性のある独立したシャーシフレームを備えた車両で特に問題でした。現代の車両の多くは、ステアリングボックスまたはラックがフロントバルクヘッドのフロントアクスルの後ろ、フロントクラッシャブルゾーンの後方に取り付けられています。

折りたたみ式ステアリングコラムは、ベーラ・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で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した車に初めて搭載されました^{[いつ? ]}。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、プロコンテンと呼ばれる格納式ステアリングホイールとシートベルト張力調整システムを使用していましたが、その後、エアバッグと発火式シートベルトプリテンショナーに置き換えられました。

§ 自転車のセクションを参照してください。

ディファレンシャルステアリングは、戦車やブルドーザーなどの履帯車両の操縦の主な手段です。 ^{[39] [ページが必要]また、}スキッドステアと呼ばれる特定の車輪付き車両にも使用されており、一部の自動車ではトルクベクタリングと呼ばれ、車両に対する車輪の方向を変更することでステアリングを強化します。

• 欧州連合、ロシア、日本では、国連欧州経済委員会 (UNECE) の車両規則 79 がステアリングに関連しています。
• 米国では、連邦自動車安全基準203 および 204 は、ステアリング制御システムおよびステアリング制御の後方変位による運転者への衝撃保護に関連しており、連邦規則集49 § 393.209 はステアリングホイール システムに関連しています。
• 北米では、運転者がハンドルから両手を離すことを可能にする「ハンズオフ」または「ハンズフリー」レベル2システムが導入され、法的に許可されました。ゼネラルモーターズのスーパークルーズはそのような実装です。これらの設計では、運転者が視覚的な注意をそらすと警告が出されます。^[40]
• 2023年5月現在、欧州ではUNECE規則79で依然として、ステアリングの補助システムが運転者にハンドルから手を離さないように促すことが義務付けられている。これらのシステムは「ハンズオン」システムと呼ばれている。「ハンズオン」の補助運転システムでは、英国および欧州の運転者は、補助なしの運転と同様に、システム自体によって片手または両手をハンドルに置いておくことが義務付けられている。補助ステアリングで運転しているときに、運転者がハンドルから両手を離すと、最初の15秒後に視覚的な警告が発せられ、さらに15秒後に音響による警告が発せられる。補助ステアリングはさらに30秒後に無効になる。^[40]
• 英国では、運転者は常に車両を制御する必要があり、道路交通法第160条では「可能な場合は両手でハンドルを握って運転する」ことと「製造元の指示に従って（ADASを）使用する」ことが指示されている。^[40]

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。^[41]

• ハンドルを回すと、後輪の円周面に対して前輪が回転します。前輪と地面の摩擦により、自転車を操縦する横方向の力が生まれます。現代の自転車では、前輪の接地点がステアリング軸の後ろについています。ステアリング軸は、前輪の中心を通る自転車フォークの長軸です。この後ろの接地点により、慣性と重心オフセットの影響が加わり、自転車の操縦性と自己安定性に影響を及ぼします。
• 自転車のフレームを傾けると、車輪の接地点に沿った軸に対して、ライダーと自転車の各部が移動します。重力の力によって、自転車を操縦する横方向の力が生まれます。

船やボートの操縦は、通常、舵で行います。船の大きさに応じて、舵は手動で操作することも、サーボ機構、トリムタブ、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。漕ぎは、特定のパドルストロークを使用して手漕ぎボートを操縦するために使用できます。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縦します。船内機を備えたボートは、プロペラポッドのみを回転させて操縦することがあります (例: Volvo Penta IPS ドライブ)。舵またはプロペラを制御するために、ステアリングホイールを使用する場合があります。ディーゼル電気駆動の現代の船は、方位スラスターを使用します。オールまたはパドルで駆動するボートは、ボートの旋回方向と反対側に高い推進力を発生させることで操縦されます。ジェットスキーは、体重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制御によって操縦されます。^[要出典]

船の舵は、水が船の上を通過しているときのみ船を操縦​​できる。したがって、船が水に対して動いていない、または舵を動かせない場合は、舵に反応せず、操舵を失ったと言われる。船が水の中を動くことは、進路をとることとして知られている。川を航行する船は、下流に向かっているときでも、常に推進力を得ていなければ操舵できず、舵に応じて船の方向を変えるには、舵の表面を通過するのに十分な水が必要である。これを「操舵路」があるという。^[42]

無料辞書のウィクショナリーでステアリングを調べてください。

• HowStuffWorksの自動車ステアリングの仕組み
• ラックアンドピニオンステアリングリンクの運動学的設計に関する2000年の技術論文
• 2002 ベルクランクステアリングリンクの運動学的設計に関する技術論文