スマートカーのステアバイワイヤ技術の詳細な説明

電動化とインテリジェント化という2つの大きな発展の流れの下、わが国は機能車からスマート車への転換点にあり、数え切れないほどの新興技術が大きく進歩しました。自動車のワイヤー制御シャーシ技術は、インテリジェント運転の主な担い手として、新たな未来を切り開きます。将来的には、ワイヤー制御シャーシをベースにした高度な自動運転が実現されるでしょう。

有線制御技術とは、従来の機械接続装置の「ハード」接続に代わる、「有線」または電気信号を使用して制御を伝送する技術を指します。ドライブバイワイヤ シャーシは、ステアリング、ブレーキ、サスペンション、ドライブ、シフトの 5 つの主要システムで構成されています。コントロールバイワイヤシステムは、かさばり精度の低い空気圧、油圧、機械接続を排除し、電気信号で駆動するセンサー、制御ユニット、電磁アクチュエータに置き換えます。そのため、コンパクトな構造、優れた制御性、高速応答速度などの利点があります。今日はまずステア・バイ・ワイヤ技術についてご紹介します。

商用車のステアリング技術は、乗用車と比較して、重い荷重、長いホイールベース、多軸ステアリングなどの困難を克服する必要があります。現在、商用車のステアリングシステムの主な機能はステアリングアシストを提供することですが、速度に応じたステアリングアシストの調整、自動セルフセンタリング、アクティブステアリング制御、アシストモードの自動調整などの高度な機能はまだ研究開発と試験導入の段階にあり、大量に適用されていません。商用車のパワーステアリングは主に油圧式であり、解決すべき多くの問題に直面しています。

（１）高圧油回路が存在するため、騒音が発生する。

（２）パワーアシスト特性の調整ができず、運転感覚が悪くなる。

（３）電気制御・ワイヤー制御機能なし

電子制御とインテリジェント技術の発展に伴い、商用車のステアリングシステムは電子ステアリング技術とワイヤー制御ステアリング技術へと移行しています。現在、電動油圧パワーステアリング（EHPS）システム、電動パワーステアリング（EPS）システム、その他の新しいステアリングギア技術があります。これらの新しい商用車用電子ステアリング システムは、従来の油圧パワー ステアリング システムに固有の欠点を解決するだけでなく、車両のステアリング性能を大幅に向上させ、アクティブ制御機能を備えているため、運転の安全性と運転体験が向上します。

1 電動油圧パワーステアリングシステム

図1に示すように、油圧パワーステアリング（HPS）とモーターで構成されており、元の車両のHPSシステムへのインターフェースアクセスをサポートします。 EHPS システムは、小型トラック、中型トラック、大型トラック、中型・大型バスに適しています。新エネルギー商用車（公共交通、物流、衛生など）の急速な発展に伴い、従来の油圧ステアリングシステムの油圧ポンプの動力源はエンジンからモーターに変わり、車両の高電圧バッテリーシステムにより高出力電動ポンプの使用が可能になりました。ここでいうEHPSシステムとは、高出力電動ポンプを使用した油圧パワーステアリングシステムを指します。

国が新エネルギー車の安全性と品質にさらに注意を払うにつれて、2020年5月12日に強制的な国家標準「GB38032-2020電気バス安全要求」が発行されました。第4.5.2条では、運転中のパワーステアリングシステムの制御に対する要求が追加されました。つまり、車両が走行中にBレベルの高電圧停電の異常な状況にある場合、ステアリングシステムはパワーステアリング状態に維持されるか、少なくとも車速が5 km/hを超える場合は30秒間ステアリングをパワーステアリング状態に保つ必要があります。

そのため、現在、電気バスのほとんどの電動ポンプは、規制要件を満たすためにデュアルソース電源制御モードを使用しています。その他の電気商用車は、「GB 18384-2020 電気自動車の安全要求」に準拠する必要があります。商用車用EHPSシステムの構成を図2に示します。現在、イーウェイの排気量4.5トン以上の全モデルにHPSシステムを採用しており、自社開発のシャシーにはEHPSレイアウト用のスペースを確保している。

2 電動パワーステアリングシステム

小型商用車用電動パワーステアリング（EPS）システムは、主に電動循環ボールステアリングギアを使用しています（図3参照）。EHPSシステムと比較すると、電動油圧ポンプやオイル貯蔵タンクなどの部品が省略されており、システムがシンプルで、質量が小さく、応答が速く、制御が正確であるなどの利点があります。ステアリングアシストを従来の油圧アシストから電動アシストに変更し、コントローラーがモーターを直接制御してアシストを発生させます。運転者がハンドルを回すと、センサーは角度とトルクの信号をコントローラーに送信します。コントローラーは角度トルク信号などの情報を受け取った後、制御信号を計算して出力し、モーターを制御してパワーアシストを生成します。ステアリングホイールが回されていないと、パワーステアリングコントロールユニットから信号が送られず、パワーステアリングモーターは作動しません。一般的な電動循環ボールステアリングシステムの構成を図4に示します。現在、Yiwei が独自に開発した小トン数モデルでは EPS ソリューションが採用されています。

3 ストレートロッド電動ステアリングシステム

ストレートタイロッド電動ステアリングシステムは、商用車用の新しいタイプの電動ステアリングシステムです。モーターは減速機構を介してボールねじを駆動し、ストレートタイロッドの直線的な伸縮を実現します。同時に、ストレートタイロッドはステアリングナックルに接続され、ホイールを駆動してステアリング機能を実現します。試作開発を完了した部品メーカーとしては、ドイツのZF社や日本のNSK社などがある。国内メーカーとしては、中国高速道路車両機械工場があり、特定のバスの性能検証を実施している。 2018 年 6 月 26 日、ドイツで開催された ZF テクノロジー デーで、ドイツの ZF 社は、図 5 に示すように、世界初の全電動商用車ステアリング ギア プロトタイプ ReAX EPS システムを披露し、電気トラックと電気バスの自動化開発への新たな道を開きました。 2021年4月22日、日本のNSKは上海モーターショーで商用車ステアリング用のストレートプルロッドEPSシステムを披露した。図6に示すように、「モーター+ウォームギア+ボールねじ」技術ソリューションを採用し、大きなステアリングトルク出力と精密な制御を実現し、商用車電動ステアリングの負荷要件を満たすことができる。要約すると、ストレートプルロッド電動ステアリング技術は、商用車の次世代EPSシステムにとって重要な技術的ルートです。

4 その他の新しい電動ステアリングシステム

現在、国内外の大学やメーカーも、商用車電動ステアリングの高トルク要件を満たすために、数多くの新型電動ステアリングギアを開発しており、商用車電動ステアリング技術の発展に新たなアイデアを提供しています。

遊星歯車式電動ステアリング

主な構成部品は、パワーアシストモーター、円筒歯車減速機構、遊星歯車減速機構、ウォーム歯車減速機構、ハウジング、ロッカーアーム出力軸などです。遊星歯車減速機構と円筒歯車減速機構の組み合わせにより、パワーアシストモーターの減速とトルク増大を図り、大トルクを実現。また、ウォームギア伝動機構により、ステアリングホイールの操舵トルクとホイール操舵抵抗負荷の逆フィードバックを伝達。遊星歯車式電動ステアリング装置の断面図を図７ａに示し、試作品の外観図を図７ｂに示す。

サイクロイド風車電動ステアリングギア

図8に示すように、サイクロイド風車式電動ステアリング装置は、モータ、サイクロイド風車減速機、スパイラルベベルギア減速機から構成されています。モータはサイクロイド風車減速機を介してスパイラルベベルギア減速機に接続され、ステアリング入力軸はスパイラルベベルギア減速機に接続されています。この構成は独創的な構造設計を備えており、大きなトルク出力が得られるため、商用車のステアリングが軽く敏感になります。

電磁パワーステアリング

図９に示すように、電磁パワーアシスト式電動ステアリングギアは、ステアリング入力軸にラックナットが設けられており、ラックナットアセンブリは、ハウジングアセンブリ内に設けられたギアファンロッカーアームシャフトと噛み合っている。ラックナットアセンブリには永久磁石が配置され、上部カバーアセンブリと下部カバーアセンブリにはそれぞれ永久磁石に対応する直流電磁コイルが配置されている。ステアリング入力軸にセンサーが設けられています。ステアリングギアECUは、回転角度、速度、トルクなどの情報に基づいて、DC電磁コイルに異なる方向と強さの電流を入力し、同磁極同士が反発し、異磁極同士が引き合う特性を利用してラックナットを動かし、ファンロッカーアームシャフトを回転駆動することで、パワーステアリングを実現します。

自動運転技術の発展に伴い、ワイヤー制御ステアリングの安全冗長技術がますます注目されています。現在、運用中の自動運転デモ車両では、安全性の冗長性の要件を満たすために、デュアルステアリングモーター、デュアルステアリングコントローラー、デュアルセンサー、デュアル通信回線などの使用など、ソフトウェアとハ​​ードウェアのバックアップ戦略が一般的に採用されています。同時に、国内外の大学も車両システムに基づく安全冗長設計の開発を進めており、アクチュエータ間の相互冗長の補完メカニズムを形成することで、さまざまなコンポーネントの故障状況下での車両全体の安全冗長性を実現し、システムのハードウェアコストとシステムの複雑さを軽減することができます。ただし、この技術はまだ実用化されていません。まとめると、現在の商用車のステアバイワイヤ技術は、車両の積載量、レイアウト位置の違い（1ブリッジまたは3ブリッジなど）、技術の成熟度などの要因により、依然として異なる技術ルートを使用しており、各技術ルートは電動ステアリング技術に向けて発展しています。