機械效率
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機械效率(Mechanical Efficiency)
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什麼是機械效率[1]
機械效率是指有用功跟總功的比值。如果用η表示機械效率(常用百分數來表示)，那麼η=W有用/W總×100％。
機械效率的特點[2]
(1)沒有單位。
(2)由於摩擦和機械本身重量的存在，所以額外功是不可避免的，所以機械效率總是小於1。
(3)它的大小隻跟物體重量和機械重量有關．同一機械所掛物體越重，效率越高；提同一重物，機械重量越輕、摩擦越小，機械效率越高，它的大小跟物體上升高度及繩子股數無關。
機械效率的計算[3]
機械的輸出功與輸入功之比稱為機械效率，根據不同的已知量，可分別用下述幾種形式來電腦械效率。
(1)功形式：η=輸出功÷輸入功=
(2)功率形式：η=輸出功率÷輸入功率=
(3)力形式：η=理想驅動力÷實際驅動力=
(4)力矩形式：η=理想驅動力矩÷實際驅動力矩=
對於由許多機器組成的機組，它的總效率計算可按下述三種不同的情況進行。
(1)串聯(圖1)
和總的輸出功率
，最後按下式計算：
有關機械效率中三種功的計箕方法[4]
(1)有用功W有：
①當使用簡單機械勻速舉高物體時，所做的有用功為W有=Gh；
②當使用簡單機械水平勻速拉動物體時，所做的有用功為剋服地面摩擦力f而做的功W有=Fs，因F=f，即W有=fs(f為物體與地面間的摩擦力，s是物體被拉動的距離)；
③當已知總功與機械效率時，W有=W總·η；
④當已知總功和額外功時，W有=W總-W額。
(2)額外功W額：
①當已知總功和有用功時，W額=W總-W有；
②當知道總功和機械效率時，W額=W總(1-η)；
③用簡單機械提升物體在無摩擦時，W額=G機械h(G機械為連同物體一同被提高的機械重，h為物體被提升的高度)．
(3)總功W總：
①使用簡單機械時，總功等於人或動力所做的功，即W總=F·s；
②總功等於有用功與額外功的和，即W總=W有+W額；
③使用簡單機械時，總功等於機械的總功率與時間的乘積；
④已知有用功和機械效率時，W總=W有/η。
機械效率的意義[1]
機械效率的意義：
①機械效率是標誌機械做功性能好壞的物理量，機械效率越高，這個機械的性能越好。
②機械效率的高低並不決定使用機械是省力還是費力，效率高只說明有用功在總功里所占的比例大；省力還是費力是指做一定的有用功時，所用動力的大小，機械效率高不一定省力。
機械效率的影響因素[5]
發動機的運轉因素、結構因素以及機內外的狀態條件等都對機械效率有不同程度的影響。現就影響較大的因素分述如下。
1．轉速(活塞平均速度)的影響
所有發動機的機械效率ηm都隨轉速n或活塞平均速度vm的上升而下降。這是因為在負荷不變而轉速上升時：
(1)運動件摩擦副的相對速度增加，摩擦阻力加大；
(2)曲柄、連桿、活塞等運動件的慣性力加大，活塞側壓力及軸承負荷上升，摩擦阻力加大；
(3)進、排氣流動損失加大，即泵氣損失加大；
(4)輔助機械的摩擦阻力和所需功率增加；
(5)缸內壓力上升，引起摩擦阻力加大，但由於在某些相位，作用於活塞的缸內壓力與慣性力相互抵消，情況較為複雜。
上述各因素都使ηm隨規上升而呈下降趨勢，如圖3所示。這正是單靠提高轉速來強化發動機輸出功率的作法受到限制的主要原因之一。
2．負荷的影響
根據機械效率的定義，ηm = 1 − Pm / (Pe + Pm)。此式表明，負荷Pe愈小，Pm愈低。怠速時，Pe = 0，故ηm = 0。雖然負荷減小時，缸內壓力下降，會使活塞及軸承摩擦阻力下降，但相比負荷對ηm的影響，缸內壓力的影響幾乎可略去。
圖4為常見的發動機ηm隨負荷Pe變化的曲線。由圖可以看出，低負荷時的ηm很低。對於經常在城市工況行駛的汽車，其發動機大部分時間是在中、低負荷下運行，ηm較低，因此，提高發動機工作時的負荷率以及降低中、低負荷的機械損失，對整車和發動機節能具有十分重要的意義。
與原型非增壓發動機相比，雖然增壓發動機的Pm因氣缸壓力上升以及存在機械增壓器的機械損失而略有增加，但因Pe上升很多，大多數情況下其ηm仍比原型機高。由此推論，增壓中冷使進氣溫度下降，Pe上升更大，ηm會更高。這是增壓中冷可以節能的主要原因之一。
3．潤滑條件的影響
機件相對運動的摩擦損失占總機械損失的大部分，因此，改善機械相對運動面上的潤滑條件可以顯著提高ηm。
發動機的潤滑系統除具有減小摩擦損失的功能外，還可防止機件磨損，加強氣缸的密封性，清除機內雜質以及對活塞等高溫件進行冷卻。這些對維持發動機長期、正常的運行，都有重要的作用。
潤滑油(也稱機油)的黏度是影響ηm最重要的潤滑因素。發動機在冷起動和低溫工況下運行時，不允許潤滑油的黏度過高；而在發動機已充分暖機後，又不允許潤滑油的黏度過低，以免破壞機件錶面的油膜而出現乾摩擦狀態，同時也避免氣密狀態的惡化，而增大潤滑油消耗量。
保持發動機正常的水溫和油溫以及保持正常的傳熱條件，對保持潤滑油合適的黏度非常重要。正常水溫受沸點限制，一般以80～95℃為宜；正常潤滑油溫度則在85～110℃範圍內為宜，高品質潤滑油可允許在更高的溫度下工作。
發動機潤滑油選用的原則是：在保證各種環境和工況均能可靠潤滑的前提下，儘量選用低黏度的潤滑油以減小摩擦損失，改善發動機的起動性能。為了人們更好地選用潤滑油，下麵對發動機潤滑油的分類進行簡單介紹。
發動機潤滑油分類涵蓋黏度等級和質量等級兩方面，也就是說，描述一種潤滑油既要說明它的黏度等級，又要說明它的質量等級。
我國從2007年1月1日起實施與國際接軌的汽油機油標準(GB11121—2006)和柴油機油標準(GB11122—2006)。國標機油的黏度等級等同於美國汽車工程師協會(SAE)標準SAEJ300，而質量等級參照美國石油協會(API)和國際潤滑油標準化認可委員會(ILSAC)的標準制定。汽油機油可分為SE，SF，SG，SH/GF—1，SJ/GF—2，SL/GF—3，SM/GF—4等多個質量等級，首字母“S”代表汽油機油，第2個字母愈靠後表示機油等級愈高。ILSAC從1992年開始發佈有節能和環保要求的“GF”系列汽油機油，與API的“S”系列機油有一定的對應關係。柴油機油可分為CC，CD，CE，CF，CF—4，CG—4，cH—4，CI—4，CI—4 + ，CJ—4等多個質量等級，首字母“C”代表柴油機油，第2個字母愈靠後表示機油等級愈高。
機油的黏度等級反映了機油的低溫動力黏度、邊界泵送溫度、高溫運動黏度以及高溫高剪切黏度等特性，也決定了其使用溫度範圍。黏度等級通常用“數字”或“數字+W”表示，其中純數字如“30”表示夏季用油，“數字+w”如“10W”表示冬季用油。同時滿足冬季用油的低溫黏度要求和夏季用油的高溫黏度要求的機油，稱為多級油，它可以四季通用，用兩組數字來標識，如“10W/40”。帶w的第一組數字相當於冬季用油標準，W前的數值越小，適用的環境溫度越低；第二組純數字相當於夏季用油標準，數值越大，適用的環境溫度越高。由於多級油具有較低的低溫黏性和良好的低溫泵送性，一般認為採用多級油可節省燃料消耗3％～5％，同時還可免除季節換機油的損失。
常用黏度等級的發動機潤滑油使用環境溫度範圍見表1。
表1 常用發動機潤滑油黏度等級與使用環境溫度範圍
| SAE黏度等級 | 使用環境溫度範圍／℃ | SAE黏度等級 | 使用環境溫度範圍／℃ |
|---|---|---|---|
| 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 |
機械效率與功率的區別[6]
功率的大小隻能代表做功的快慢，與機械效率的大小無關，而機械效率是有用功占總功的比值，所以不能說機械效率高的功率大。
例題一：[2]
(1)求拉力的大小及拉力的功率。
(2)若動滑輪的重為12 N(不計繩重和摩擦)，計算滑輪組的機械效率。
答案：(1)拉力作用端移動距離為
s=2sA=2×8 m=16m．
因為W總=F·s，
所以拉力 F=W總÷s=1 280J÷16m=80N,
拉力的功率為 P=W總÷t=1 280J÷40s=32W。
(2)剋服動滑輪重力所做的額外功為
W額=G動H=12N×8m=96J,
所以剋服地面對A的摩擦力所做的有用功為
W有=W總-W額=1 280J-96J=1 184J。
所以此滑輪組的機械效率為
η=W有÷W總×100％=1 184J÷1 280J×100％=92.5％。
- ↑ 1.0 1.1 薛金星主編.第一編 基礎知識 初中物理基礎知識手冊 第8次修訂.北京教育出版社,2010.03.
- ↑ 2.0 2.1 陳榮華,馬傳漁主編.第二部分 物理 初中數理化生公式定理大全.南京大學出版社,2011.07.
- ↑ 李濱城,李純金主編.第三章 機械中的摩擦和機械效率 機械原理學習指導與解題範例.北京師範大學出版社,2011.02.
- ↑ 鐘山主編.第一篇 基礎知識解題方法篇 圖解中國學生解題方法全書初中物理.遼寧教育出版社,2011.03.
- ↑ 王建昕,帥石金編著.第三章 工作迴圈與能量利用 汽車發動機原理.清華大學出版社,2011.03.
- ↑ 陳俊志,趙嫦娥主編.第三章 力學 初中理化學考必備用書修訂本.湖南大學出版社,2011.07.
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