机械效率
机械效率(Mechanical Efficiency)
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什么是机械效率[1]
机械效率是指有用功跟总功的比值。如果用η表示机械效率(常用百分数来表示)，那么η=W有用/W总×100％。
机械效率的特点[2]
(1)没有单位。
(2)由于摩擦和机械本身重量的存在，所以额外功是不可避免的，所以机械效率总是小于1。
(3)它的大小只跟物体重量和机械重量有关．同一机械所挂物体越重，效率越高；提同一重物，机械重量越轻、摩擦越小，机械效率越高，它的大小跟物体上升高度及绳子股数无关。
机械效率的计算[3]
机械的输出功与输入功之比称为机械效率，根据不同的已知量，可分别用下述几种形式来计算机械效率。
(1)功形式：η=输出功÷输入功=
(2)功率形式：η=输出功率÷输入功率=
(3)力形式：η=理想驱动力÷实际驱动力=
(4)力矩形式：η=理想驱动力矩÷实际驱动力矩=
对于由许多机器组成的机组，它的总效率计算可按下述三种不同的情况进行。
(1)串联(图1)
和总的输出功率
，最后按下式计算：
有关机械效率中三种功的计箕方法[4]
(1)有用功W有：
①当使用简单机械匀速举高物体时，所做的有用功为W有=Gh；
②当使用简单机械水平匀速拉动物体时，所做的有用功为克服地面摩擦力f而做的功W有=Fs，因F=f，即W有=fs(f为物体与地面间的摩擦力，s是物体被拉动的距离)；
③当已知总功与机械效率时，W有=W总·η；
④当已知总功和额外功时，W有=W总-W额。
(2)额外功W额：
①当已知总功和有用功时，W额=W总-W有；
②当知道总功和机械效率时，W额=W总(1-η)；
③用简单机械提升物体在无摩擦时，W额=G机械h(G机械为连同物体一同被提高的机械重，h为物体被提升的高度)．
(3)总功W总：
①使用简单机械时，总功等于人或动力所做的功，即W总=F·s；
②总功等于有用功与额外功的和，即W总=W有+W额；
③使用简单机械时，总功等于机械的总功率与时间的乘积；
④已知有用功和机械效率时，W总=W有/η。
机械效率的意义[1]
机械效率的意义：
①机械效率是标志机械做功性能好坏的物理量，机械效率越高，这个机械的性能越好。
②机械效率的高低并不决定使用机械是省力还是费力，效率高只说明有用功在总功里所占的比例大；省力还是费力是指做一定的有用功时，所用动力的大小，机械效率高不一定省力。
机械效率的影响因素[5]
发动机的运转因素、结构因素以及机内外的状态条件等都对机械效率有不同程度的影响。现就影响较大的因素分述如下。
1．转速(活塞平均速度)的影响
所有发动机的机械效率ηm都随转速n或活塞平均速度vm的上升而下降。这是因为在负荷不变而转速上升时：
(1)运动件摩擦副的相对速度增加，摩擦阻力加大；
(2)曲柄、连杆、活塞等运动件的惯性力加大，活塞侧压力及轴承负荷上升，摩擦阻力加大；
(3)进、排气流动损失加大，即泵气损失加大；
(4)辅助机械的摩擦阻力和所需功率增加；
(5)缸内压力上升，引起摩擦阻力加大，但由于在某些相位，作用于活塞的缸内压力与惯性力相互抵消，情况较为复杂。
上述各因素都使ηm随规上升而呈下降趋势，如图3所示。这正是单靠提高转速来强化发动机输出功率的作法受到限制的主要原因之一。
2．负荷的影响
根据机械效率的定义，ηm = 1 − Pm / (Pe + Pm)。此式表明，负荷Pe愈小，Pm愈低。怠速时，Pe = 0，故ηm = 0。虽然负荷减小时，缸内压力下降，会使活塞及轴承摩擦阻力下降，但相比负荷对ηm的影响，缸内压力的影响几乎可略去。
图4为常见的发动机ηm随负荷Pe变化的曲线。由图可以看出，低负荷时的ηm很低。对于经常在城市工况行驶的汽车，其发动机大部分时间是在中、低负荷下运行，ηm较低，因此，提高发动机工作时的负荷率以及降低中、低负荷的机械损失，对整车和发动机节能具有十分重要的意义。
与原型非增压发动机相比，虽然增压发动机的Pm因气缸压力上升以及存在机械增压器的机械损失而略有增加，但因Pe上升很多，大多数情况下其ηm仍比原型机高。由此推论，增压中冷使进气温度下降，Pe上升更大，ηm会更高。这是增压中冷可以节能的主要原因之一。
3．润滑条件的影响
机件相对运动的摩擦损失占总机械损失的大部分，因此，改善机械相对运动面上的润滑条件可以显著提高ηm。
发动机的润滑系统除具有减小摩擦损失的功能外，还可防止机件磨损，加强气缸的密封性，清除机内杂质以及对活塞等高温件进行冷却。这些对维持发动机长期、正常的运行，都有重要的作用。
润滑油(也称机油)的黏度是影响ηm最重要的润滑因素。发动机在冷起动和低温工况下运行时，不允许润滑油的黏度过高；而在发动机已充分暖机后，又不允许润滑油的黏度过低，以免破坏机件表面的油膜而出现干摩擦状态，同时也避免气密状态的恶化，而增大润滑油消耗量。
保持发动机正常的水温和油温以及保持正常的传热条件，对保持润滑油合适的黏度非常重要。正常水温受沸点限制，一般以80～95℃为宜；正常润滑油温度则在85～110℃范围内为宜，高品质润滑油可允许在更高的温度下工作。
发动机润滑油选用的原则是：在保证各种环境和工况均能可靠润滑的前提下，尽量选用低黏度的润滑油以减小摩擦损失，改善发动机的起动性能。为了人们更好地选用润滑油，下面对发动机润滑油的分类进行简单介绍。
发动机润滑油分类涵盖黏度等级和质量等级两方面，也就是说，描述一种润滑油既要说明它的黏度等级，又要说明它的质量等级。
我国从2007年1月1日起实施与国际接轨的汽油机油标准(GB11121—2006)和柴油机油标准(GB11122—2006)。国标机油的黏度等级等同于美国汽车工程师协会(SAE)标准SAEJ300，而质量等级参照美国石油协会(API)和国际润滑油标准化认可委员会(ILSAC)的标准制定。汽油机油可分为SE，SF，SG，SH/GF—1，SJ/GF—2，SL/GF—3，SM/GF—4等多个质量等级，首字母“S”代表汽油机油，第2个字母愈靠后表示机油等级愈高。ILSAC从1992年开始发布有节能和环保要求的“GF”系列汽油机油，与API的“S”系列机油有一定的对应关系。柴油机油可分为CC，CD，CE，CF，CF—4，CG—4，cH—4，CI—4，CI—4 + ，CJ—4等多个质量等级，首字母“C”代表柴油机油，第2个字母愈靠后表示机油等级愈高。
机油的黏度等级反映了机油的低温动力黏度、边界泵送温度、高温运动黏度以及高温高剪切黏度等特性，也决定了其使用温度范围。黏度等级通常用“数字”或“数字+W”表示，其中纯数字如“30”表示夏季用油，“数字+w”如“10W”表示冬季用油。同时满足冬季用油的低温黏度要求和夏季用油的高温黏度要求的机油，称为多级油，它可以四季通用，用两组数字来标识，如“10W/40”。带w的第一组数字相当于冬季用油标准，W前的数值越小，适用的环境温度越低；第二组纯数字相当于夏季用油标准，数值越大，适用的环境温度越高。由于多级油具有较低的低温黏性和良好的低温泵送性，一般认为采用多级油可节省燃料消耗3％～5％，同时还可免除季节换机油的损失。
常用黏度等级的发动机润滑油使用环境温度范围见表1。
表1 常用发动机润滑油黏度等级与使用环境温度范围
| SAE黏度等级 | 使用环境温度范围／℃ | SAE黏度等级 | 使用环境温度范围／℃ |
|---|---|---|---|
| 0W | -45～15 | 30 | 0～30 |
| 5W | -40～10 | 40 | 10～40 |
| 1OW | -35～5 | 5W／40 | -35～30 |
| 15W | -25～O | 10W／40 | -30～30 |
| 20W | -20～5 | 15W／40 | -20～40 |
| 25W | -15～10 | 20W／40 | -10～40 |
| 20 | -10～30 |
机械效率与功率的区别[6]
功率的大小只能代表做功的快慢，与机械效率的大小无关，而机械效率是有用功占总功的比值，所以不能说机械效率高的功率大。
例题一：[2]
(1)求拉力的大小及拉力的功率。
(2)若动滑轮的重为12 N(不计绳重和摩擦)，计算滑轮组的机械效率。
答案：(1)拉力作用端移动距离为
s=2sA=2×8 m=16m．
因为W总=F·s，
所以拉力 F=W总÷s=1 280J÷16m=80N,
拉力的功率为 P=W总÷t=1 280J÷40s=32W。
(2)克服动滑轮重力所做的额外功为
W额=G动H=12N×8m=96J,
所以克服地面对A的摩擦力所做的有用功为
W有=W总-W额=1 280J-96J=1 184J。
所以此滑轮组的机械效率为
η=W有÷W总×100％=1 184J÷1 280J×100％=92.5％。
- ↑ 1.0 1.1 薛金星主编.第一编 基础知识 初中物理基础知识手册 第8次修订.北京教育出版社,2010.03.
- ↑ 2.0 2.1 陈荣华,马传渔主编.第二部分 物理 初中数理化生公式定理大全.南京大学出版社,2011.07.
- ↑ 李滨城,李纯金主编.第三章 机械中的摩擦和机械效率 机械原理学习指导与解题范例.北京师范大学出版社,2011.02.
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