Amplificateur de couple

Un amplificateur de couple est un dispositif mécanique qui amplifie le couple d'un arbre rotatif sans affecter sa vitesse de rotation. Il est mécaniquement lié au cabestan que l'on trouve sur les navires. Son utilisation la plus connue est dans la direction assistée des automobiles. Une autre utilisation est dans l' analyseur différentiel , où il a été utilisé pour augmenter le couple de sortie de l' intégrateur à billes et à disques , par ailleurs limité . Le terme est également appliqué à certaines boîtes de vitesses utilisées sur les tracteurs , bien que cela n'ait aucun rapport. Il diffère d'un convertisseur de couple , dans lequel la vitesse de rotation de l'arbre de sortie diminue à mesure que le couple augmente.

Le premier amplificateur de couple électrique a été inventé en 1925 par Henry W. Nieman de la Bethlehem Steel Company de Bethlehem, en Pennsylvanie. Il était destiné à permettre le contrôle manuel d'équipements lourds, par exemple des grues industrielles, de l'artillerie, etc. Vannevar Bush a utilisé l'amplificateur de couple de Nieman dans le cadre de son projet d'analyseur différentiel au MIT au début des années 1930. Lord Kelvin avait déjà évoqué la construction possible de telles calculatrices dès les années 1880, mais avait été contrarié par le couple de sortie limité des intégrateurs à billes et à disque . Ces intégrateurs utilisaient un roulement à billes pressé entre la surface d'un arbre rotatif et un disque, transmettant la force de rotation de l'arbre au disque. En déplaçant la bille le long de l'arbre, la vitesse du disque pouvait être modifiée en douceur. Le couple sur l'arbre de sortie était limité par la friction entre le roulement et le disque, et comme ces derniers étaient généralement fabriqués à partir de métaux limitant la friction, comme le bronze , pour permettre un mouvement fluide, le couple de sortie était assez faible. Certains appareils de calcul pouvaient utiliser directement la sortie, et Kelvin et d'autres ont construit plusieurs systèmes, mais dans le cas d'un analyseur différentiel, la sortie d'un intégrateur entraînait l'entrée de l'intégrateur suivant, ou une sortie graphique. L'amplificateur de couple était l'avancée qui a permis à ces machines de fonctionner.

Un amplificateur de couple est essentiellement constitué de deux cabestans reliés entre eux. Un cabestan est constitué d'un tambour relié à une source rotative puissante, généralement la machine à vapeur du navire, ou un moteur électrique dans les exemples modernes. Pour utiliser l'appareil, une corde est enroulée de quelques tours autour du tambour, avec une extrémité attachée à une charge et l'autre tenue à la main par l'utilisateur. Au début, la corde a peu de tension et glisse facilement lorsque le tambour tourne. Cependant, si l'utilisateur tire sur son extrémité de la corde, la tension augmente, augmentant la friction entre la corde et le tambour. Maintenant, tout le couple du conducteur est appliqué à l'autre extrémité de la corde, tirant la charge. Si l'utilisateur ne fait rien, le cabestan tirera brièvement la charge vers lui, desserrant ainsi la corde et arrêtant tout mouvement ultérieur. Si l'utilisateur prend plutôt le mou, la tension est maintenue et la charge continue d'être tirée. De cette façon, l'utilisateur peut facilement contrôler le mouvement d'une très grande charge.

Un amplificateur de couple typique est constitué de deux cabestans placés bout à bout le long d'une ligne de rotation commune, généralement horizontale. Une seule source de couple est fournie, généralement par un moteur électrique, qui est conçu pour alimenter les deux tambours afin qu'ils tournent dans des directions opposées. Une seule corde (ou bande) est enroulée autour des deux tambours. Si une tension est appliquée à une extrémité de la corde, son cabestan tire dessus, ce qui à son tour tend la sortie. Comme le cabestan simple, le mouvement démarre et s'arrête dès que la tension est appliquée ou relâchée, mais généralement le mouvement est régulier avec différents degrés de couple appliqués à l'entrée.

Au milieu des tambours se trouvent deux arbres distincts, l'un pour l'entrée, l'autre pour la sortie. Les deux se terminent par une came (masquée dans le schéma ci-joint), qui, par l'intermédiaire d'un suiveur et d'un bras oscillant, maintient une extrémité de chaque câble. Si l'arbre d'entrée tourne à partir de la position nulle, sa came soulève ou abaisse le suiveur d'entrée, qui, par l'intermédiaire du bras d'entrée oscillant, tend le câble sur un tambour et relâche l'autre. Dans cet état, un tambour applique une traction beaucoup plus grande que l'autre, ce qui fait que l'arbre de sortie et une cage supportant les bras d'entrée et de sortie se déplacent pour suivre l'entrée. Dès que la cage et l'arbre de sortie sont déplacés vers la bonne position, la tension dans les deux câbles retrouve son équilibre et le mouvement relatif s'arrête. De cette façon, le mouvement de l'arbre de sortie suit de près le mouvement de l'entrée, bien que le couple qui lui est appliqué soit le couple du moteur entraînant le système, par opposition au couple beaucoup plus faible appliqué à l'arbre d'entrée.

Les premiers systèmes de pilotage automatique conçus par Elmer Ambrose Sperry incorporaient un amplificateur mécanique utilisant des courroies enroulées autour de tambours rotatifs ; une légère augmentation de la tension de la courroie faisait bouger le tambour. Un ensemble de ces entraînements opposés constituait un seul amplificateur. Cela amplifiait les petites erreurs gyroscopiques en signaux suffisamment importants pour déplacer les surfaces de contrôle des avions.

Un mécanisme similaire a été utilisé dans l’ analyseur différentiel Vannevar Bush .

L' amplificateur électrostatique à tambour utilisait une bande enroulée partiellement autour d'un tambour rotatif et fixée à son extrémité ancrée sur un ressort. L'autre extrémité était reliée à un cône de haut-parleur. Le signal d'entrée était transformé en haute tension et ajouté à une ligne d'alimentation CC haute tension. Cette tension était connectée entre le tambour et la courroie. Ainsi, le signal d'entrée faisait varier le champ électrique entre la courroie et le tambour, et donc le frottement entre eux, et donc la quantité de mouvement latéral de la courroie et donc du cône du haut-parleur.