Torque amplifier

A torque amplifier is a mechanical device that amplifies the torque of a rotating shaft without affecting its rotational speed. It is mechanically related to the capstan seen on ships. Its most widely known use is in power steering on automobiles. Another use is on the differential analyser, where it was used to increase the output torque of the otherwise limited ball-and-disk integrator. The term is also applied to some gearboxes used on tractors, although this is unrelated. It differs from a torque converter, in which the rotational speed of the output shaft decreases as the torque increases.

The first electric-powered torque amplifier was invented in 1925 by Henry W. Nieman of the Bethlehem Steel Company of Bethlehem, Pennsylvania.^[1] It was intended to allow manual control of heavy equipment; e.g., industrial cranes, artillery, etc. Vannevar Bush used Nieman's torque amplifier as part of his differential analyzer project at M.I.T in the early 1930s.^[2] Lord Kelvin had already discussed the possible construction of such calculators as early as the 1880s, but had been stymied by the limited output torque of the ball-and-disk integrators.^[3] These integrators used a ball bearing pressed between the surface of a rotating shaft and a disk, transmitting the rotational force of the shaft to the disk. By moving the ball along the shaft, the speed of the disk could be smoothly varied. The torque on the output shaft was limited by the friction between the bearing and the disk, and as these were generally made out of friction-limiting metals such as bronze to allow smooth motion, the output torque was quite low. Some calculating devices could use the output directly, and Kelvin and others built several systems, but in the case of a differential analyzer, the output of one integrator drove the input of the next integrator, or a graphing output. The torque amplifier was the advance that allowed these machines to work.

トルク増幅器は、基本的に 2 つのキャプスタンが接続されたものです。キャプスタンは、強力な回転源 (通常は船の蒸気エンジン、または現代の例では電気モーター)に接続されたドラムで構成されています。この装置を使用するには、ロープをドラムの周りに数回巻き付け、一方の端を荷物に取り付け、もう一方の端をユーザーが手で持ちます。最初はロープの張力がほとんどなく、ドラムが回転すると簡単に滑ります。しかし、ユーザーがロープの自分の端を引っ張ると、張力が増し、ロープとドラムの間の摩擦が増加します。すると、ドライバーのトルク全体がロープのもう一方の端に適用され、荷物が引っ張られます。ユーザーが何もしなければ、キャプスタンは荷物を一時的に自分自身に向かって引っ張り、ロープを緩めてそれ以上の動きを止めます。ユーザーが代わりにたるみを取ると、張力が維持され、荷物は引き続き引っ張られます。このようにして、ユーザーは非常に大きな荷物の動きを簡単に制御できます。^[4]

典型的なトルク増幅器は、共通の回転線（通常は水平）に沿って端から端まで配置された 2 つのキャプスタンで構成されています。トルクの供給源は、通常は電気モーターから 1 つだけであり、2 つのドラムを反対方向に回転させる動力源として機能します。1 本のロープ（またはバンド）が 2 つのドラムに巻き付けられます。ロープの一方の端に張力がかかると、キャプスタンがロープを引っ張り、出力に張力がかかります。単一のキャプスタンと同様に、張力がかかったり解放されたりすると同時に動きが開始および停止しますが、一般に動きはスムーズで、入力にさまざまな程度のトルクが適用されます。^[4]

ドラムの中央には、入力用と出力用の 2 つの別々のシャフトが通っています。両方の端にはカム (添付のスケッチでは隠れています) があり、カムはフォロワとロッキング アームを介して各ロープの一方の端を保持します。入力シャフトがヌル位置から回転すると、カムが入力フォロワを上げたり下げたりし、ロッキング入力アームを介して一方のドラムのロープを張ってもう一方のロープを緩めます。その状態では、一方のドラムがもう一方のドラムよりもはるかに大きな牽引力をかけるため、出力シャフトと入力アームおよび出力アームを取り付けたケージの両方が入力を追跡するように動きます。ケージと出力シャフトが正しい位置に移動するとすぐに、2 本のロープの張力が平衡に戻り、相対的な動きが停止します。このように、出力シャフトの動きは入力の動きに厳密に追従しますが、出力シャフトに適用されるトルクはシステムを駆動するモーターのトルクであり、入力シャフトに適用されるトルクははるかに小さいです。^[4]

エルマー・アンブローズ・スペリーが設計した初期の自動操縦装置には、回転ドラムに巻き付けられたベルトを使用した機械式増幅器が組み込まれていました。ベルトの張力がわずかに高まると、ドラムがベルトを動かします。このような駆動装置を 2 つ、反対方向に 1 つ組み合わせて 1 つの増幅器を構成します。これにより、小さなジャイロ誤差が、航空機の操縦面を動かすのに十分な大きさの信号に増幅されました。

同様のメカニズムがヴァネバー・ブッシュ微分解析装置でも使用されました。

静電ドラム アンプは、回転ドラムの周囲に部分的に巻き付けられ、固定端がスプリングに固定されたバンドを使用します。もう一方の端はスピーカー コーンに接続されます。入力信号は高電圧に変換され、高電圧 DC 供給ラインに追加されます。この電圧はドラムとベルトの間に接続されます。したがって、入力信号によってベルトとドラム間の電界が変化し、それらの間の摩擦が変化し、ベルトとスピーカー コーンの横方向の移動量が変化しました。

• サーボ機構
• トルクコンバータ

引用

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