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サスペンション・足回り修理・整備 [2019.07.10 UP]

パワーステアリングの仕組みと構造とは

当初は大型トラックなどに導入されたパワーステアリングだったが、次に高級乗用車に採用され、次第に普及していった。今ではステアリング機構にとって必須のメカニズムとなっているが、様々な方式が採用されている。今回はパワーステアリングの仕組みと構造を解説していく。

 ステアリング機構はステアリングホイールからの回転をステアリングシャフトによってギヤボックスに伝達し、力の方向を変えてタイロッドを左右に動かすが、減速機構という大きな意味も持っている。ステアリングシャフトの回転角に対し、タイヤも同じ角度で反応すると、鋭いステアリングとなって、通常の運転には適さず、大きな操舵力も必要となる。この2つの弊害を緩和するための機構がギヤボックスなのだ。
 入力ギヤと出力ギヤの比率がステアリングギヤ比となり、入力ギヤ数に対し、出力ギヤ数が多くなる。ボールナット式とラック&ピニオン式ではギヤの構造は異なるが、ギヤ比の概念ということでは共通している。
 一般にステアリングギヤ比は約15から20対1の範囲に設定されるが、タイヤが細い時代では、ある程度の操舵力は必要だったが、パワーアシストなしでも操作が可能だった。しかしタイヤの扁平化が進み、タイヤの幅が広がると操舵力が増え、パワーアシストは必須のメカニズムとなっていく。
 もともと乗用車用パワーステアリングは1950年代からアメリカで普及し、日本では大型ダンプカーなどにまず導入され、1960年代から、プレジデントなどの高級車に採用され、徐々に普及してきた。初期には油圧ポンプや制御機構を機械的に作動させるものが普及し、次に油圧のコントロールに電子制御が加わり、また、電動ポンプによって油圧を作り出す方式も採用された。現在は多くのクルマに、モーターでアシストする電動パワーステアリングが採用されている。

油圧式の仕組み

 油圧式は、リザーバータンク、油圧ホース、コントロールバルブ、ポンプ、バルブボディユニット、可変フォースコントロールバルブ、シリンダーパイプ、パワーピストンなどで構成されている。
 ポンプは複数の羽根を内蔵したベーンポンプで、クランクシャフトの回転が駆動ベルトによって伝えられる。ポンプにはリザーバータンクからパワーステアリングフルードが供給され、リザーバータンクにはパワーピストンから戻ったフルードが溜められる。フルードはポンプの吸入、吐出によってパワーピストンとリザーバータンクの間を、ステアリング操作に応じて常に往復を繰り返している。
 プレッシャーバルブは、ポンプからの吐出圧力を制御するもので、ポンプから吐出されたフルードは圧力のほかに流量も制御され、バルブボディユニットに送られる。
 バルブボディユニットはパワーステアリングの要ともいうべき機構だ。スライディング式、フラッパーバルブ式、ロータリーバルブ式の3種があるが、現在はロータリーバルブ式が主力となっている。ここにはステアリングの操作によって、ポンプから送られたフルードを左右のパワーシリンダーに振り分ける機能が内蔵されている。ステアリングを右に切ると、右側のパワーシリンダーへのフルード通路が広がり、左側の通路が狭くなると同時に、そこからのリターン経路のフルード通路も広がる。これによって左方向へのアシストが行われる。右方向へのアシストはこれと逆の動きとなる(これはタイロッドが前車軸の後ろ側にある場合で、前側にある場合は左右の制御はこれとは逆に作用する)。
 バルブボディにはまたフルードの減衰を行うダンピングバルブ、キックバックバルブが内蔵され、不自然なアシスト感や、過大なキックバックを防止する役目を果たしている。
 パワーシリンダーはラックと一体になったもので、パワーピストンによって左右に分離されている。右側のシリンダーのフルード圧が高くなるとパワーピストンは左に押され、左側のフルード圧が高くなるとパワーピストンは右側に押される。

油圧式パワーステアリングの構造。リザーバータンク、油圧ホース、コントロールバルブ、ポンプ、バルブボディユニット、可変フォースコントロールバルブ、シリンダーパイプ、パワーピストンなどで構成されている。電動型の普及に伴い過去のメカニズムになりつつある。

電子制御油圧式の構造

油圧式のメカニズムを用い、フルードの循環に電子制御を取り入れた電子制御油圧式。バルブボディに作用する油圧、供給フルード量を電子制御し、ステアリングの重さを車速に合わせて制御する。

 油圧式の回路をそのまま用いながら、フルードの循環に電子制御を取り入れたのが電子制御油圧式パワーステアリングだ。基本構成は油圧式とまったく同じだが、バルブボディに作用する油圧、供給フルード量を電子制御し、ステアリングの重さを運転状況に合わせて制御する。
 ポンプとコントロールバルブの間にバイパス回路を設け、この部分の開閉を電子制御し、フルードの流量をコントロールするタイプのほか、リザーバータンクとバルブボディの間にコントロールバルブを設け、この部分でリターンフルードを電子制御することによってパワーシリンダーのアシスト量をコントロールするタイプもある。
 電子制御のため、コントロールの自由度は大きく、インストルメントパネル上に設けたスイッチによって、数段階に、任意の重さに調整できるようになっているものもあった。

電動式パワーステアリングの仕組みと構造

電動モーターでアシストする電動式パワーステアリング。油圧ポンプを回転させるエネルギーロスがなく、さらにモーターによって、運転状態に合わせてきめ細かくアシストできるという利点がある。コラムアシスト型、ピニオンアシスト型、 ラックアシスト型の3タイプがある。


 油圧式パワーステアリングは、エンジンが回転している間は常にポンプも回転し、その部分でエネルギーロスが発生している。またポンプ、配管、フルードタンクなどの補機類が必要で、スペースを必要とする。これを解消する方法として開発されたのが電動式パワーステアリングだ。
 世界で最初に導入したのはスズキで、軽自動車のセルボに1988年に採用した。テクノロジーの進化の帰結というより、限られた排気量のエンジン、限られたエンジンルームのスペースという、軽自動車特有である負の要素の中でパワーステアリングを実現するための苦肉の策だったといってもいい。
 電動パワーステアリングは直進中や停止時は作用せず、必要な時だけ作動するので、燃費が向上するという利点がある。また、パワーシリンダーを油圧によってアシストする代わりに、直接ステアリングシャフトをモーターの回転によってアシストするので部品点数が少なく、軽量化が図られるということもあり、その後、多くのクルマに採用されていくようになる。
 電動パワーステアリングは、電子制御によって、アシスト量の精密な制御が可能になるという大きな特徴を持ち、走行状況に応じた最適なアシストが行われるようになった。
 アシスト用のモーターにはDCブラシレスモーターが用いられるが、モーターによるアシスト部位によって以下のように分類される。

・コラムアシスト
 ステアリングコラム部分にモーターを装着し、モーターの回転軸-ジョイント-ウォームギヤ-ホイールギヤという経路で直接ステアリングシャフトの回転をアシストする。センサー、制御系とモーターを一体で設置できるという利点があり、ユニットそのものを運転席の前側の室内に設置する。このため、モーターを水、汚れ、外部の気温状況から保護できるという利点もある。小型車に多くの採用例がある。

・ピニオンアシスト型
 モーターをピニオンの横に設置し、ピニオンの回転をアシストする。モーターの回転は電磁クラッチを経て、減速用のヘリカルギヤ-ピニオンへと伝えられる。電磁クラッチは、モーター制御系にトラブルが発生した時のフェルセーフ用で、電動、油圧式に限らず、全てのパワーステアリングにはセーフ機構が設けられ、トラブルが発生した時には、通常のマニュアルステアリングとして機能するようになっている。
 このタイプはステアリングシャフトにかかる負担が少ないため、シャフトを軽量にできるという利点がある。

・ラックアシスト型
 ラック&ピニオン式ステアリングのラックを直接アシストするのがラックアシスト型。ラックアシスト型にもバリエーションがある。ステアリングシャフトにつながるメインピニオンの横にモーターが駆動するアシストピニオンが設置され、ラックの移動をアシストするのがピニオンアシスト型といわれるものだ。
 ラックと同軸にモーターを置く方式もある。ヘリカルギヤによってボールスクリューを回し、それに接続されたジョイントによってラックの移動をアシストするもののほかに、モーターの先端にボールネジ部を設け、直接ラックとかみ合わせる方式も開発され、同軸式ではこちらのほうが主流となっている。ラックアシスト型は強いアシストが可能で、幅の広い扁平タイヤを採用する上級車やスポーツカーに用いられる例が多い。

 いずれの電動パワーステアリングも、ステアリングシャフトのねじれを検知するトルクセンサーを持ち、ステアリングホイールの回転角と、ラックに接続されるステアリングシャフトの最先端とのわずかな作動角度差を検知し、それを電気信号に変えて、モーターコントローラーに送り、モーターへの出力電流を制御する。これはパワーステアリングの作動スイッチとしても働き、ねじれの量が多い場合はアシスト量を増やし、ねじれの量が少ない場合は、アシストを抑える。

アシストモーター構成図。アシストモーターは定格出力500Wの永久磁石式DCブラシモーターを採用。

トルクセンサーは、操舵トルクと路面反力を検出する非接触型可変インダクタンス(自己誘導電圧)方式を採用し、操舵トルクの大きさと方向を感知する。

アシストのバリエーション

ホンダ電動アシスト式パワーステアリングのギヤボックス。アシストモーターはラックシャフトの外周を回転し、アシスト力をダイレクトにラックシャフトへ伝達している。伝達機構は、ボールスクリューを採用し、伝達効率を高めている。また、トルクセンサーはピニオンシャフトに取り付けられ、コンパクト化が図られている。


・エンジン回転数感応型
 エンジンの回転数に応じてアシストの量を制御するのがエンジン回転数感応型だ。エンジン回転数が低い時は、油圧シリンダーへのフルードの圧送量を多くし、ステアリングアシスト量を増やし、エンジン回転数が上がるとアシスト量を減らす。
 低速走行や車庫入れ、据え切り時にはステアリングは重くなり、このような状況ではエンジン回転数は低い。高速走行になるとステアリングは軽くなり、エンジン回転数は比較高い。エンジン回転数感応型は、このような状況に対処したもので、初期のパワーステアリングに多く採用された。
 しかし、エンジン回転数が高いのは、アシストが少なくて済む高速道路での走行だけではなく、ツイスティな登坂路を低い速度で走る場合にも同じ状況となる。一見、理論的でありながら、全ての走行状況に対処できないという欠点を抱えていたのがエンジン回転数感応型だった。このため、車速感応型の登場に伴って、過去のメカニズムとなっていく。

・車速感応型
 車速感応型は、車速に応じてパワーアシストを制御する方式だ。走行速度が低い時はアシスト量を増やし、走行速度が上がるにつれ、アシスト量を減らし、安定した操作感を作り出す。
 車速感応型にとって、車速センサーは必須の項目だ。採用され始めた1980年代は、まだエレクトロニクスの勃興期で、現在のような精密な車速センサーは開発されておらず、たとえば1980年代にホンダ・アコードに採用されていた車速感応型の車速検知は、スピードメーターケーブルドライブギヤの回転を活用し、それに比例して調整されるトロコイド型オイルポンプによって制御されていた。
 また同時期に、いすゞピアッツァには、車速をトランスミッションのドリブンギヤにセットされたスピードパルスジェネレーターによって電気的に取り出し、オイルポンプの流量調整オリフィスをソレノイドで駆動する方式も採用されていた。
 現在ではホイールハブに組み込まれる車速センサーは、ABSや車両安定システムのための必須のセンサー。パワーステアリングもそれからの情報を基にし、さらにエンジン回転数、操舵トルクセンサー、回転角センサーからの情報も加えて、アシスト電流を最適な状態に制御している。
 制御は、ステアリングの重さだけという単純なものではなく、操舵開始時のひきずり感をなくしたり、ステアリングを戻す時のフィーリングを自然なものにしたり、高速走行時のステアリングの収れん性を向上させるアシストも常時行われる。
 

車速感応型パワーステアリング(左)は、車速に応じてパワーアシスト量を無段階に制御。これに対し、回転数感応型パワーステアリング(右)は、エンジンの回転数に応じてパワーアシストの量を制御する。この回転数感応型パワーステアリングは、全ての走行状況に対応できないという欠点も抱えていたため、車速感応型パワーステアリングの登場によって姿を消していくこととなった。


可変ギヤレシオの仕組み。ラック&ピニオンでは、中心部分のラックの歯幅と、左右の歯幅を変え、中心付近では通常のギヤレシオ、両端に行くほど早いレシオになるように設定される。これによって、ステアリング舵角が大きくなるほどクイックな反応が得られる。

グーネットピット編集部

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