Усилитель крутящего момента — это механическое устройство, которое усиливает крутящий момент вращающегося вала, не влияя на его скорость вращения. Механически он связан с кабестаном, который можно увидеть на кораблях. Наиболее широко известно его применение в гидроусилителях рулевого управления автомобилей. Другое применение - дифференциальный анализатор , где он использовался для увеличения выходного крутящего момента ограниченного в противном случае шарико-дискового интегратора . Этот термин также применяется к некоторым коробкам передач , используемым на тракторах , хотя это не имеет отношения к делу. Он отличается от гидротрансформатора , у которого скорость вращения выходного вала уменьшается по мере увеличения крутящего момента.
Первый усилитель крутящего момента с электрическим приводом был изобретен в 1925 году Генри В. Ниманом из Bethlehem Steel Company в Вифлееме, штат Пенсильвания. [1] Он был предназначен для обеспечения ручного управления тяжелым оборудованием; например, промышленные краны, артиллерия и т. д. Ванневар Буш использовал усилитель крутящего момента Нимана в рамках 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 остановил ограниченный выходной крутящий момент шарико -дисковых интеграторов . [3] Эти интеграторы использовали шарикоподшипник , зажатый между поверхностью вращающегося вала и диском, передавая вращающую силу 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 ограничивающих трение металлов, таких как бронза, для обеспечения плавного движения, выходной крутящий момент был довольно низким. Некоторые вычислительные устройства могли напрямую использовать выходные данные, а Кельвин и другие построили несколько систем, но в случае дифференциального анализатора выходной сигнал одного интегратора управлял входными данными следующего интегратора или выводил график. Усилитель крутящего момента стал достижением, позволившим этим машинам работать.
Усилитель крутящего момента представляет собой, по сути, два шпиля, соединенных вместе. Кабестан состоит из барабана, который соединен с мощным вращающимся источником, обычно паровым двигателем корабля или электродвигателем в современных примерах. Чтобы использовать устройство, веревку наматывают на несколько витков вокруг барабана, при этом один конец прикрепляется к грузу, а другой держится пользователем. Первоначально веревка имеет небольшое натяжение и легко скользит при вращении барабана. Однако если пользователь тянет за конец веревки, натяжение увеличивается, увеличивая трение между веревкой и барабаном. Теперь весь крутящий момент водителя приложен к другому концу веревки, тянущей груз. Если пользователь ничего не сделает, кабестан ненадолго потянет груз на себя, тем самым ослабив веревку и остановив дальнейшее движение. Если вместо этого пользователь воспользуется слабиной, 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 встык вдоль общей линии вращения, обычно горизонтальной. Подается один источник крутящего момента, обычно от электродвигателя, который приводит в движение два барабана, вращающиеся в противоположных направлениях. Два барабана обернуты одной веревкой (или лентой). Если к одному концу веревки прилагается натяжение, шпиль натягивает его, что, в свою очередь, натягивает выход. Как и в случае с одинарным кабестаном, движение начинается и прекращается, как только натяжение прикладывается или ослабляется, но в целом движение происходит плавно с различной степенью крутящего момента, прикладываемого к входному сигналу. [4]
Через середину барабанов проходят два отдельных вала: входной и выходной. Оба заканчиваются кулачком (не виден на прилагаемом рисунке), который с помощью толкателя и качающегося рычага удерживает один конец каждой веревки. Если входной вал вращается из нулевого положения, его кулачок поднимает или опускает входной толкатель, который через качающийся входной рычаг натягивает трос на одном барабане и ослабляет другой. В этом состоянии один барабан оказывает гораздо большее тяговое усилие, чем другой, в результате чего и выходной вал, и клетка, на которой установлены входной и выходной рычаги, перемещаются, отслеживая входной сигнал. Как только клетка и выходной вал переместятся в правильное положение, натяжение двух тросов восстанавливает равновесие и относительное движение прекращается. Таким образом, движение выходного вала точно повторяет движение входного вала, хотя приложенный к нему крутящий момент представляет собой крутящий момент двигателя, приводящего в движение систему, в отличие от гораздо меньшего крутящего момента, приложенного к входному валу. [4]
Ранние автопилоты , разработанные Элмером Амброузом Сперри, включали в себя механический усилитель с ремнями, обернутыми вокруг вращающихся барабанов; небольшое увеличение натяжения ремня приводило к перемещению ремня барабаном. Парный, противоположный набор таких приводов составлял единый усилитель. Это превращало небольшие ошибки гироскопа в сигналы, достаточно большие, чтобы перемещать поверхности управления самолетом.
Похожий механизм использовался в дифференциальном анализаторе Ванневара Буша .
В электростатическом барабанном усилителе использовалась лента, частично обернутая вокруг вращающегося барабана и закрепленная на ее закрепленном конце на пружине. Другой конец подключен к диффузору динамика. Входной сигнал преобразовывался в высокое напряжение и добавлялся к линии питания постоянного тока высокого напряжения. Это напряжение подавалось между барабаном и лентой. Таким образом, входной сигнал изменял электрическое поле между лентой и барабаном и, следовательно, трение между ними и, следовательно, величину бокового перемещения ремня и, следовательно, диффузора динамика.