ตัวขยายแรงบิด (Torque amplifier ) ​​เป็นอุปกรณ์เชิงกลที่ขยายแรงบิดของเพลาหมุนโดยไม่ส่งผลกระทบต่อความเร็วในการหมุน ในทางกลศาสตร์แล้วมันมีความเกี่ยวข้องกับกว้าน (capstan)ที่พบเห็นได้ในเรือ การใช้งานที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือในระบบพวงมาลัยเพาเวอร์ของรถยนต์ อีกหนึ่งการใช้งานคือในเครื่องวิเคราะห์เชิงอนุพันธ์ (differential analyser ) ซึ่งใช้เพื่อเพิ่มแรงบิดเอาต์พุตของตัวรวมสัญญาณแบบลูกบอลและแผ่นดิสก์ (ball-and-disk integrator ) ที่มีข้อจำกัด คำนี้ยังใช้กับเกียร์ บางประเภท ที่ใช้ในรถแทรกเตอร์ด้วย แม้ว่าจะไม่เกี่ยวข้องกันก็ตาม มันแตกต่างจากตัวแปลงแรงบิด (torque converter ) ซึ่งความเร็วในการหมุนของเพลาเอาต์พุตจะลดลงเมื่อแรงบิดเพิ่มขึ้น

เครื่องขยายแรงบิดที่ใช้พลังงานไฟฟ้าเครื่องแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1925 โดย Henry W. Nieman จากบริษัท Bethlehem Steel Company แห่งเมือง Bethlehem รัฐเพนซิลเวเนีย^{[ 1 ]} มีจุดประสงค์เพื่อให้สามารถควบคุมอุปกรณ์หนักด้วยตนเองได้ เช่น เครนอุตสาหกรรม ปืนใหญ่ เป็นต้น Vannevar Bushใช้เครื่องขยายแรงบิดของ Nieman เป็นส่วนหนึ่งของโครงการเครื่องวิเคราะห์เชิงอนุพันธ์ ของเขาที่ MITในช่วงต้นทศวรรษ 1930 ^{[ 2 ]} Lord Kelvinได้หารือเกี่ยวกับการสร้างเครื่องคำนวณดังกล่าวที่เป็นไปได้ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1880 แล้ว แต่ติดขัดอยู่กับแรงบิดเอาต์พุตที่จำกัดของ เครื่องรวมแบบลูกบอลและ แผ่นดิสก์^{[ 3 ]}เครื่องรวมเหล่านี้ใช้ตลับลูกปืนที่ถูกกดระหว่างพื้นผิวของเพลาหมุนและแผ่นดิสก์ โดยส่งแรงหมุนของเพลาไปยังแผ่นดิสก์ โดยการเคลื่อนลูกบอลไปตามเพลา ความเร็วของแผ่นดิสก์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างราบรื่น แรงบิดบนเพลาส่งออกถูกจำกัดด้วยแรงเสียดทานระหว่างแบริ่งและแผ่นดิสก์ และเนื่องจากชิ้นส่วนเหล่านี้โดยทั่วไปทำจากโลหะที่จำกัดแรงเสียดทาน เช่นบรอนซ์เพื่อให้การเคลื่อนที่ราบรื่น แรงบิดส่งออกจึงค่อนข้างต่ำ อุปกรณ์คำนวณบางชนิดสามารถใช้เอาต์พุตได้โดยตรง และเคลวินและคนอื่นๆ ได้สร้างระบบหลายระบบ แต่ในกรณีของเครื่องวิเคราะห์เชิงอนุพันธ์ เอาต์พุตของตัวรวมสัญญาณตัวหนึ่งจะขับเคลื่อนอินพุตของตัวรวมสัญญาณตัวถัดไป หรือเอาต์พุตสำหรับการสร้างกราฟ ตัวขยายแรงบิดเป็นความก้าวหน้าที่ทำให้เครื่องจักรเหล่านี้ทำงานได้

เครื่องขยายแรงบิดโดยพื้นฐานแล้วคือลูกรอกสองตัวที่เชื่อมต่อกัน ลูกรอกประกอบด้วยดรัมที่เชื่อมต่อกับแหล่งหมุนที่มีกำลังสูง โดยทั่วไปคือเครื่องยนต์ไอน้ำของเรือ หรือมอเตอร์ไฟฟ้าในตัวอย่างสมัยใหม่ ในการใช้งานอุปกรณ์นี้ เชือกจะถูกพันรอบดรัมสองสามรอบ โดยปลายด้านหนึ่งติดกับน้ำหนักบรรทุก และปลายอีกด้านหนึ่งจับไว้ด้วยมือของผู้ใช้ ในตอนแรกเชือกจะมีความตึงน้อยและลื่นได้ง่ายเมื่อดรัมหมุน อย่างไรก็ตาม หากผู้ใช้ดึงที่ปลายเชือกด้านที่ตนจับ ความตึงจะเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดแรงเสียดทานระหว่างเชือกกับดรัมมากขึ้น ตอนนี้แรงบิดทั้งหมดของคนขับจะถูกส่งไปยังปลายเชือกอีกด้านหนึ่ง ดึงน้ำหนักบรรทุก หากผู้ใช้ไม่ทำอะไร ลูกรอกจะดึงน้ำหนักบรรทุกเข้าหาตัวเองชั่วครู่ ทำให้เชือกคลายตัวและหยุดการเคลื่อนที่ต่อไป หากผู้ใช้ดึงเชือกให้ตึง ความตึงจะคงอยู่และน้ำหนักบรรทุกจะถูกดึงต่อไป ด้วยวิธีนี้ ผู้ใช้สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของน้ำหนักบรรทุกขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย^{[ 4 ​​]}

ตัวอย่างเครื่องขยายแรงบิดประกอบด้วยลูกรอกสองตัวที่วางต่อกันตามแนวการหมุนร่วมกัน ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นแนวนอน แหล่งแรงบิดเดียวจะถูกจ่าย โดยทั่วไปมาจากมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งมีเกียร์เพื่อขับเคลื่อนดรัมทั้งสองให้หมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม เชือกเส้นเดียว (หรือแถบ) จะถูกพันรอบดรัมทั้งสอง หากมีการใช้แรงดึงที่ปลายด้านหนึ่งของเชือก ลูกรอกจะดึงเชือกนั้น ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดึงที่เอาต์พุต เช่นเดียวกับลูกรอกเดี่ยว การเคลื่อนที่จะเริ่มต้นและหยุดทันทีที่ใช้หรือปล่อยแรงดึง แต่โดยทั่วไปการเคลื่อนที่จะราบรื่นโดยมีแรงบิดที่แตกต่างกันไปเมื่อใช้กับอินพุต^{[ 4 ]}

ตรงกลางของดรัมมีเพลาแยกกันสองอัน สำหรับอินพุตและเอาต์พุต ปลายทั้งสองข้างมีแขนงอที่ยึดปลายเชือกไว้ หากเพลาอินพุตหมุน แขนจะดึงเชือก ทำให้เชือกจับดรัมอินพุต ดรัมนี้จะออกแรงดึงเชือกมากขึ้น ทำให้เชือกจับดรัมเอาต์พุตแน่น ส่งผลให้เชือกบนดรัมเอาต์พุตดึงลูกเบี้ยวบนเพลาเอาต์พุต ทำให้เพลาเอาต์พุตหมุน ทันทีที่แรงตึงที่อินพุตถูกปล่อย เมื่อดรัมตามทันการเคลื่อนที่ของเพลาอินพุต แรงตึงจะถูกปล่อยและการเคลื่อนที่ทั้งหมดจะหยุดลงอีกครั้ง ด้วยวิธีนี้ เพลาเอาต์พุตจะสะท้อนการเคลื่อนที่ของอินพุตอย่างใกล้ชิด แม้ว่าแรงบิดที่ใช้กับมันจะเป็นแรงบิดของมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนระบบ ซึ่งแตกต่างจากแรงบิดที่ใช้กับเพลาอินพุต ในทางปฏิบัติจะใช้เชือกแยกกันสองเส้นที่เชื่อมต่อกับแท่งทั่วไป ซึ่งติดอยู่กับและหมุนไปพร้อมกับเพลาเอาต์พุต^{[ 4 ]}

ระบบ ควบคุมการบินอัตโนมัติ รุ่น แรกๆที่ออกแบบโดยเอลเมอร์ แอมโบรส สเปอร์รีใช้ตัวขยายสัญญาณเชิงกลโดยใช้สายพานพันรอบดรัมหมุน การเพิ่มความตึงของสายพานเพียงเล็กน้อยจะทำให้ดรัมเคลื่อนที่ตามสายพาน ชุดขับเคลื่อนแบบคู่ที่ทำงานตรงข้ามกันจะประกอบเป็นตัวขยายสัญญาณหนึ่งตัว ซึ่งจะขยายความผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ของไจโรสโคปให้กลายเป็นสัญญาณที่ใหญ่พอที่จะควบคุมพื้นผิวการบินของเครื่องบินได้

กลไกที่คล้ายกันนี้ถูกนำมาใช้ในเครื่องวิเคราะห์ความแตกต่าง ของ Vannevar Bush

• เซอร์โวกลไก
• ทอร์คคอนเวอร์เตอร์