Un amplificador de par es un dispositivo mecánico que amplifica el par de un eje giratorio sin afectar su velocidad de rotación. Está relacionado mecánicamente con el cabrestante que se ve en los barcos. Su uso más conocido es la dirección asistida de automóviles. Otro uso es en el analizador diferencial , donde se utilizó para aumentar el par de salida del integrador de bola y disco, que de otro modo sería limitado . El término también se aplica a algunas cajas de cambios utilizadas en tractores , aunque esto no tiene relación. Se diferencia de un convertidor de par , en el que la velocidad de rotación del eje de salida disminuye a medida que aumenta el par.
El primer amplificador de par eléctrico fue inventado en 1925 por Henry W. Nieman de Bethlehem Steel Company de Bethlehem, Pensilvania. [1] Estaba destinado a permitir el control manual de equipos pesados; por ejemplo, grúas industriales, artillería, etc. Vannevar Bush utilizó el amplificador de par de Nieman como parte de su proyecto de analizador diferencial en el MIT a principios de la década de 1930. [2] Lord Kelvin ya había discutido la posible construcción de tales calculadoras ya en la década de 1880, pero se había visto obstaculizado por el par de salida limitado de los integradores de bolas y discos . [3] Estos integradores utilizaban un rodamiento de bolas presionado entre la superficie de un eje giratorio y un disco, transmitiendo la fuerza de rotación del eje al disco. Moviendo la bola a lo largo del eje, se podía variar suavemente la velocidad del disco. El par en el eje de salida estaba limitado por la fricción entre el cojinete y el disco y, como generalmente estaban hechos de metales que limitaban la fricción, como el bronce , para permitir un movimiento suave, el par de salida era bastante bajo. Algunos dispositivos de cálculo podían usar la salida directamente, y Kelvin y otros construyeron varios sistemas, pero en el caso de un analizador diferencial, la salida de un integrador impulsaba la entrada del siguiente integrador, o una salida gráfica. El amplificador de par fue el avance que permitió funcionar a estas máquinas.
Un amplificador de torsión consiste esencialmente en dos cabrestantes conectados entre sí. Un cabrestante consta de un tambor que está conectado a una potente fuente giratoria, normalmente la máquina de vapor del barco, o un motor eléctrico en los ejemplos modernos. Para utilizar el dispositivo, se enrolla una cuerda unas cuantas vueltas alrededor del tambor, con un extremo sujeto a una carga y el otro sostenido con la mano por el usuario. Inicialmente la cuerda tiene poca tensión y se desliza fácilmente a medida que gira el tambor. Sin embargo, si el usuario tira del extremo de la cuerda, la tensión aumenta, aumentando la fricción entre la cuerda y el tambor. Ahora todo el par del conductor se aplica al otro extremo de la cuerda, tirando de la carga. Si el usuario no hace nada, el cabrestante tirará brevemente de la carga hacia sí mismo, aflojando así la cuerda y deteniendo el movimiento. Si, en cambio, el usuario toma la holgura, la tensión se mantiene y se continúa tirando de la carga. De esta forma, el usuario puede controlar fácilmente el movimiento de una carga muy grande. [4]
Un amplificador de torsión típico consta de dos cabrestantes colocados de un extremo a otro a lo largo de una línea de rotación común, generalmente horizontal. Se suministra una única fuente de torque, generalmente desde un motor eléctrico, que está diseñado para impulsar los dos tambores para que giren en direcciones opuestas. Una sola cuerda (o banda) se enrolla alrededor de los dos tambores. Si se aplica tensión a un extremo de la cuerda, su cabrestante tira de ella, lo que a su vez tensa la salida. Al igual que el cabrestante simple, el movimiento comienza y se detiene tan pronto como se aplica o libera la tensión, pero generalmente el movimiento es suave y se aplican diversos grados de torsión a la entrada. [4]
A través del centro de los tambores hay dos ejes separados, para entrada y salida. Ambos terminan con una leva (oculta en el boceto adjunto), que a través de un seguidor y un balancín sujeta un extremo de cada cuerda. Si el eje de entrada gira desde la posición nula, su leva sube o baja el rodillo de entrada, que a través del brazo de entrada oscilante tensa el cable en un tambor y afloja el otro. En ese estado, un tambor aplica una tracción mucho mayor que el otro, lo que hace que tanto el eje de salida como una jaula que monta los brazos de entrada y salida se muevan para seguir la entrada. Tan pronto como la jaula y el eje de salida se han movido a la posición correcta, la tensión en las dos cuerdas recupera el equilibrio y el movimiento relativo se detiene. De esta manera, el movimiento del eje de salida sigue de cerca el movimiento del eje de entrada, aunque el par que se le aplica es el par del motor que impulsa el sistema, a diferencia del par mucho menor aplicado al eje de entrada. [4]
Las primeras unidades de piloto automático diseñadas por Elmer Ambrose Sperry incorporaban un amplificador mecánico que utilizaba correas enrolladas alrededor de tambores giratorios; un ligero aumento en la tensión de la correa hizo que el tambor moviera la correa. Un conjunto emparejado y opuesto de tales unidades formaba un único amplificador. Esto amplificó pequeños errores giroscópicos en señales lo suficientemente grandes como para mover las superficies de control de los aviones.
Se utilizó un mecanismo similar en el analizador diferencial Vannevar Bush .
El amplificador de batería electrostático utilizaba una banda enrollada parcialmente alrededor de un tambor giratorio y fijada en su extremo anclado a un resorte. El otro extremo conectado a un cono de altavoz. La señal de entrada se transformó a alto voltaje y se agregó a una línea de suministro de CC de alto voltaje. Este voltaje estaba conectado entre el tambor y la correa. Así, la señal de entrada variaba el campo eléctrico entre la correa y el tambor y, por tanto, la fricción entre ellos y, por tanto, la cantidad de movimiento lateral de la correa y, por tanto, del cono del altavoz.