Усилитель крутящего момента — это механическое устройство, которое усиливает крутящий момент вращающегося вала, не влияя на скорость его вращения. Он механически связан с кабестаном, который можно увидеть на кораблях. Его наиболее широко известное применение — в усилителе рулевого управления на автомобилях. Другое применение — в дифференциальном анализаторе , где он использовался для увеличения выходного крутящего момента в противном случае ограниченного шарового и дискового интегратора . Этот термин также применяется к некоторым коробкам передач, используемым на тракторах , хотя это не связано. Он отличается от гидротрансформатора , в котором скорость вращения выходного вала уменьшается по мере увеличения крутящего момента.
Первый электрический усилитель крутящего момента был изобретен в 1925 году Генри В. Ниманом из компании Bethlehem Steel Company из Бетлехема, штат Пенсильвания. [1] Он был предназначен для ручного управления тяжелым оборудованием; например, промышленными кранами, артиллерией и т. д. Ванневар Буш использовал усилитель крутящего момента Нимана как часть своего проекта дифференциального анализатора в Массачусетском технологическом институте в начале 1930-х годов. [2] Лорд Кельвин уже обсуждал возможную конструкцию таких калькуляторов еще в 1880-х годах, но его останавливал ограниченный выходной крутящий момент интеграторов с шаровым диском . [3] Эти интеграторы использовали шарикоподшипник, зажатый между поверхностью вращающегося вала и диском, передавая вращательное усилие вала на диск. Перемещая шарик вдоль вала, можно было плавно изменять скорость диска. Крутящий момент на выходном валу ограничивался трением между подшипником и диском, и поскольку они обычно изготавливались из металлов, ограничивающих трение, таких как бронза, чтобы обеспечить плавное движение, выходной крутящий момент был довольно низким. Некоторые вычислительные устройства могли использовать выход напрямую, и Кельвин и другие построили несколько систем, но в случае дифференциального анализатора выход одного интегратора управлял входом следующего интегратора или графическим выходом. Усилитель крутящего момента был достижением, которое позволило этим машинам работать.
Усилитель крутящего момента по сути представляет собой два соединенных вместе кабестана. Кабестан состоит из барабана, который соединен с мощным вращающимся источником, как правило, паровым двигателем корабля или электродвигателем в современных примерах. Для использования устройства веревка обматывается несколькими оборотами вокруг барабана, один конец которого прикреплен к грузу, а другой удерживается рукой пользователя. Первоначально веревка имеет небольшое натяжение и легко проскальзывает при вращении барабана. Однако, если пользователь тянет за свой конец веревки, натяжение увеличивается, увеличивая трение между веревкой и барабаном. Теперь весь крутящий момент водителя прикладывается к другому концу веревки, тянущему груз. Если пользователь ничего не делает, кабестан на короткое время потянет груз на себя, тем самым ослабляя веревку и останавливая дальнейшее движение. Если пользователь вместо этого выбирает слабину, натяжение сохраняется, и груз продолжает тянуться. Таким образом, пользователь может легко контролировать движение очень большого груза. [4]
Типичный усилитель крутящего момента состоит из двух кабестанов, расположенных вплотную друг к другу вдоль общей линии вращения, как правило, горизонтальной. Подается один источник крутящего момента, как правило, от электродвигателя, который приводит в действие два барабана для вращения в противоположных направлениях. Один канат (или лента) обматывается вокруг двух барабанов. Если натяжение приложено к одному концу каната, его кабестан тянет его, что, в свою очередь, натягивает выход. Как и в случае с одним кабестаном, движение начинается и останавливается, как только натяжение прикладывается или снимается, но, как правило, движение плавное с различной степенью крутящего момента, приложенного к входу. [4]
Через середину барабанов проходят два отдельных вала, для входа и выхода. Оба заканчиваются кулачком (затененным на приложенном эскизе), который через толкатель и качающийся рычаг удерживает один конец каждого каната. Если входной вал вращается из нулевого положения, его кулачок поднимает или опускает входной толкатель, который через качающийся входной рычаг натягивает канат на одном барабане и ослабляет другой. В этом состоянии один барабан прикладывает гораздо большее тяговое усилие, чем другой, в результате чего как выходной вал, так и клетка, устанавливающая входной и выходной рычаги, движутся, чтобы отслеживать вход. Как только клетка и выходной вал переместятся в правильное положение, натяжение двух канатов восстановит равновесие, и относительное движение прекратится. Таким образом, движение выходного вала точно отслеживает движение входа, хотя крутящий момент, приложенный к нему, является крутящим моментом двигателя, приводящего систему в движение, в отличие от гораздо меньшего крутящего момента, приложенного к входному валу. [4]
Ранние автопилоты , разработанные Элмером Эмброузом Сперри, включали механический усилитель, использующий ремни, обернутые вокруг вращающихся барабанов; небольшое увеличение натяжения ремня заставляло барабан перемещать ремень. Спаренный, противоположный набор таких приводов составлял единый усилитель. Это усиливало небольшие ошибки гироскопа в сигналы, достаточно большие, чтобы перемещать поверхности управления самолетом.
Похожий механизм использовался в дифференциальном анализаторе Ванневара-Буша .
Электростатический барабанный усилитель использовал ленту, частично обернутую вокруг вращающегося барабана и закрепленную на своем закрепленном конце пружиной. Другой конец был соединен с конусом динамика. Входной сигнал был преобразован до высокого напряжения и добавлен к высоковольтной линии питания постоянного тока. Это напряжение было подключено между барабаном и ремнем. Таким образом, входной сигнал изменял электрическое поле между ремнем и барабаном, и, следовательно, трение между ними, и, следовательно, величину бокового перемещения ремня и, следовательно, конуса динамика.