Меню Закрыть

Наиболее высокий кпд у передачи: фрикционные, ременные, цепные, зубчатые, червячные – Ассоциация EAM

Содержание

Примерные значения КПД различных передач — Студопедия

Вид передачи Закрытая Открытая
Цилиндрическая зубчатая передача 0.96…0.98 0.93…0.95
Коническая зубчатая передача 0.95…0.97 0.92…0.94
Червячная передача — самотормозящая z1=1 — несамотормозящая z1=1 z1=2 z1=4   0.45 0.68…0.72 0.73…0.78 0.78…0.84   0.40 0.52…0.62 0.62…0.72  
Цепная передача 0.95…0.97 0.90…0.93
Плоскоременная передача —— 0.93…0.95
Клиноременная передача —— 0.94…0.96
Фрикционная передача 0.90…0.96 0.70…0.80
Одна пара подшипников качения 0.990…0.995
Муфта
0.98…0.99

Примечание:рекомендуется брать среднее значение в указанном интервале.

Таблица 2

Рекомендуемые передаточные числа различных передач

  Вид передачи Среднее передаточное число Максимально возможное передаточное число
Открытая цилиндрическая зубчатая передача 3…7
Закрытая цилиндрическая зубчатая передача 3…6
Закрытая коническая зубчатая передача 2…3
Открытая червячная передача 10…60
Закрытая червячная передача 10…40
Открытая цепная передача 2…6
Открытая плоскоременная передача 2…5
Открытая клиноременная передача 2…5

Примечание:рекомендуется брать среднее значение в указанном интервале.

Таблица 3

Стандартные значения передаточных чисел u

1 ряд 1,00 1,25 1,6 2,00 2,50 3,15 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0 12,5 16,0 20,0 31,5
2 ряд 1,12 1,40 1,8 2,24 2,8 3,55 4,5 5,6 7,1 9,0 11,2 14,0 18,0 22,4 35,5

Примечание: Лучше округлять до ближайшего значения из любого ряда, при равных условиях следует предпочитать первый ряд.


Таблица 4

Параметры асинхронных электродвигателей

Тип электродвигателя Pэд, кВт nэд, мин-1 Тпикном Масса, кг

Синхронная частота вращения 3000

4А71А2У3 1,1 2,0 12,0
4А80А2У3 1,5 2,0 14,0
4А80В2У3 2,2 2,0 16,0
4А90L2У3 3,0 2,0 25,0
4A100S2У3 4,0 2,0 34,0
4A100L2У3 5,5 2,0 60,0
4A112M2У3 7,5 2,0 71,0
4A132M2У3 11,0 2,0
4A160S2У3 15,0 2,0
4A160M2У3 18,5 1,9
4A180S2У3 22,0 1,9

Синхронная частота вращения 1500

4A80A4У3 1,1 2,0 14,0
4A80B4У3 1,5 2,0 17,2
4A90L4У3 2,2 2,0 25,0
4A100S4У3 3,0 2,0 26,0
4A100L4У3 4,0 2,0 34,0
4A112M4У3 5,5 2,0 62,0
4A132SУ3 7,5 2,0 73,0
4A132M4У3 11,0 2,0
4A1604SУ3 15,0 2,0
4A160M4У3 18,5 1,9
4A180S4У3 22,0 1,9

Таблица 4


(продолжение)

Синхронная частота вращения 1000

4A80B6У3 1,1 1,9 15,6
4A90L6У3 1,5 1,9 24,0
4A100L6У3 2,2 1,9 33,0
4A112MA6У3 3,0 1,9 54,0
4A112MB6У3 4,0 1,9 66,0
4A132S6У3 5,5 1,9 72,0
4A132M6У3 7,5 1,8
4A160S6У3 11,0 1,8
4A160M6У3 15,0 1,8
4A180M6У3 18,5 1,8
4A200M6У3 22,0 1,8

Синхронная частота вращения 750

4A90LB8У3 1,10 1,8 26,3
4A100L8У3 1,50 1,8 31,0
4A112MA8У3 2,20 1,8 53,0
4A112MB8У3 3,00 1,8 65,0
4A132S8У3 4,00 1,8 85,0
4A132M80У3 5,50 1,8 95,0
4A160S8У3 7,50 1,7
4A160M8У3 11,0 1,7
4A180M8У3 15,0 1,7
4A200M8У3 18,5 1,7
4A200L8У3 22,0 1,7

ЛИТЕРАТУРА

1. Детали машин: Учебник для машиностроительных специальностей вузов/ М.Н. Иванов, В.А. Финогенов – 8-е изд.,испр.– М.: Высш. шк., 2003.– 408с.: ил.

2. Детали машин/ К.И. Заблонский.– К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.– 518с.

3. Дунаев П.Р., Леликов О.П. Конструирование деталей и узлов машин. М.: Высшая школа, 2001. – 447с.

4. Дьяконов В. Mathcad 2001: Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002.– 832с.: ил.

5. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11.- СПб.: БХВ-Петербург, 2003.- 560с.: ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Кинематический расчет привода 4

1.1. Выбор электродвигателя 4

Разбивка передаточного числа 5

Определение параметров вращения валов привода 5

2. ПРИМЕР КИНЕМАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРИВОДА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО ДВЕ СТУПЕНИ 6

2.1. Выбор электродвигателя 7

2.2. Разбивка передаточного числа 7

2.3. Оптимизация разбивки передаточного числа 8

Определение параметров вращения валов привода 8

3. ПРИМЕР КИНЕМАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРИВОДА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО ТРИ СТУПЕНИ 10

3.1. Выбор электродвигателя 10

Разбивка передаточного числа 11

Определение параметров вращения валов привода 12

ПРИЛОЖЕНИЕ 14

ЛИТЕРАТУРА 17


Передачи и корпусные детали

Передачи трением по сравнению с передачами зацеплением имеют…. большую плавность, меньший шум

Редуктор должен обладать свойством самоторможения. Следует применить передачу…червячную однозаходную

Под передачами с гибкой связью понимают… ремённую.

Сила трения относится к движущим силам у … ремённой передачи

Важнейшим параметром оптимизации для цепной передачи является…шаг цепи

Открытую цилиндрическую зубчатую передачу проектируют по критерию работоспособности…изгибная прочность

Тепловой расчет следует обязательно выполнять для передачи….червячной.

Передачами, к основным характеристикам которых относятся высокая нагрузочная способность, большая долговечность и надежность, высокий КПД, постоянство передаточного отношения, являются…. зубчатые цилиндрические

Наиболее широко для передачи вращения применяются цепи….приводные роликовые

Наивысшим КПД обладает передача….зубчатая

Натяжные устройства ремённых передач предназначены для… получения постоянства передаточного отношения

К основным деталям планетарной передачи относятся… водило и сателлиты

Цепная передача по сравнению с ременной может обеспечить… меньшие габариты, меньшие нагрузки на валы, отсутствие проскальзывания

Передачи применяют для… согласования параметров движения

Передаточное число червячной передачи не должно быть меньше…7

При одинаковых размерах, материалах и прочных равных условиях коническая передача по сравнению с цилиндрической обладает…. меньшей нагрузочной способностью

Механической передачей является…механизм

Основными элементами ременной передачи являются…. шкивы и ремень

КПД червячной передачи может достигать….0,9

Технические характеристики конической зубчатой передачи по сравнению с цилиндрической… хуже

Винтовая передача в основном применяется для… соединения валов с перекрещивающимися осями

Если действующие контактные напряжения в зубчатой передаче больше допускаемых, то необходимо …

увеличить диаметры зубчатых колес

Если принято решение применить в приводе цепную передачу, то для ее проектирования необходимо …

подобрать стандартную приводную цепь

Конические передачи применяют, когда необходимо передать…вращение между валами с пересекающимися осями

Коробка скоростей предназначена для … ступенчатого изменения частоты вращения

КПД одноступенчатой зубчатой передачи может достигать…0,98

Минимальная толщина литого чугунного корпуса редуктора должна быть… больше или равно 6 мм

Необходимо спроектировать зубчатую передачу. Следует поступить так … подобрать материалы и рассчитать на прочность

Необходимо спроектировать червячную передачу. Следует поступить так … подобрать материалы и рассчитать на прочность

Основными элементами цепной передачи являются…звездочки и цепь

Рекомендуемый диапазон чисел зубьев шестерни для прямозубой передачи без смещения … -17 … 40

Шкив предназначен для работы с … ремнем

Наклон зубьев (правый или левый) шестерни колеса в цилиндрической передаче — различный

Параметр «Скорость скольжения» присущ для передачи — червячной

Какое минимальное число зубьев у немодифицированных без смещения цилиндрических колес прямозубой передачи- 17

Наиболее распространены зубчатые передачи со степенями точности — с 6 по 9

Как изменяется мощность Р в механическом приводе с зубчатыми передачами при передачи энергии от двигателя к рабочему валу?- Р уменьшается пропорционально потерям (к.п.д.)

Как изменяется частота вращения n в механическом приводе с зубчатыми передачами при передаче энергии от двигателя к рабочему валу?- n уменьшается пропорционально передаточному числу передач

Какое минмиальное число зубьев должно иметь прямозубое зубчатое колесо, чтобы при нарезании не было подрезания ножки зуба…Z=17

В какой зубчатой передаче будет выше несущая способность по контактной прочности, если известна поверхностная твердость зубьев колес?- Н=50HRC.

Какой вид термообработки для зубчатых колес позволяет обеспечить высокую контактную прочность в передаче… поверхностная закалка ТВЧ

Какая из передач способна передавать большие вращающие моменты (при одинаковых размерах) — зубчатая цилиндрическая.

С действием каких напряжений связано усталостное выкрашивание поверхности зубьев в зубчатых передачах? — контактных напряжений.

С действием каких напряжений связаны поломки зубьев в зубчатых передачах?- изгибных напряжений

Определить основные критерии работоспособности закрытых зубчатых передач….прочность по контактным и изгибным напряжениям.

Сколько степеней точности предусмотрено при изготовлении цилиндрических зубчатых колес — 12 (двенадцать)

Как нужно изменить твердость поверхности зубьев колес цилиндрической передачи, чтобы увеличить допускаемые контактные напряжения…увеличить твердость зубьев колеса и шестерни

Наивысшее передаточное число имеет передача…червячная

Оси каких передач перекрещиваются?- червячная

В какой зубчатой передаче зубья колес будут лучше прирабатываться, если известна их поверхностная твердость?- Н=250НВ

Укажите правильное обозначение приводной втулочной цепи…ПВ

Наиболее широко для передачи вращения применяют цепи…приводные роликовые

Основные геометрические характеристики цепи…шаг и ширина шарнира

Основным критерием работоспособности приводной цепи является…износостойкость ее шарниров

Какая из цепей наиболее сложна по конструкции… зубчатая

Составной частью машины, полученной без сборочных операций, является…деталь

Составной частью машины, полученной из группы деталей общего функционального назначения, является…

узел

Группу деталей образуют…вал, шайба, шестерня

Группу узлов образуют… подшипник качения; компенсирующая муфта; червячное колесо с бронзовым венцом;

Свойством детали выполнять свои функции в течение заданного времени, сохраняя эксплуатационные показатели, является…надежность

Дополнительная химико-термическая обработка детали позволяет повысить…прочность

Дополнительная химико-термическая обработка применяется для… стали

Передачи применяют для …согласования параметров движения

Передачи зацеплением по сравнению с передачами трением имеют…меньшие размеры, большую точность движения, надёжность.

Передачи трением по сравнению с передачами зацеплением имеют…большую плавность, меньший шум

Наиболее долговечной передачей является…зубчатая.

Редуктор имеет мощность на быстроходном валу 10 кВт и КПД — 0,95. Тогда потерянная мощность в 0,5 кВт будет потрачена на нагрев.

КПД одноступенчатой зубчатой передачи может достигать…0,98

Конические передачи применяют, когда необходимо передать… вращение между валами с пересекающимися осями

Технические характеристики конической зубчатой передачи по сравнению с цилиндрической…хуже

Если действующие контактные напряжения в зубчатой передаче больше допускаемых, то необходимо…

увеличить диаметры зубчатых колёс

КПД червячной передачи может достигать… 0,9

Главными критериями работоспособности редуктора с червячной передачей являются… прочность, износостойкость, теплостойкость

Винтовая передача в основном применяется для…преобразования вращательного движения в поступательное

На нагрев следует обязательно рассчитывать передачу… червячную

Основными характеристиками фрикционных передач являются… низкий шум, плавность работы

Фрикционные передачи с постоянным передаточным отношением в основном применяют в …

малонагруженных, кинематических механизмах

Для обеспечения надёжности работы фрикционной передачи катки необходимо…сильнее прижимать друг к другу

Увеличению долговечности ремня способствует …увеличение диаметров шкивов

Для уменьшения неравномерности движения цепной передачи необходимо…уменьшить шаг

Если принято решение применить в приводе цепную передачу, то для её проектирования необходимо …

подобрать стандартную приводную цепь

К основным деталям планетарной передачи относятся… водило и сателлиты

По сравнению с цилиндрическими зубчатыми передачами планетарные… имеют меньшие габариты и массу, большие кинематические возможности

Для выбора и расчёта чисел зубьев колёс планетарной передачи необходимо выполнить условия… соосности, симметричности, соседства

Основными элементами волновой зубчатой передачи являются…жёсткое и гибкое зубчатые колёса и генератор волн.

По сравнению с другими зубчатыми передачами волновые имеют…меньшие габариты, массу и шум, более высокую кинематическую точность

Как определяется модуль зубчатого колеса, если известен шаг p…. p/π

Какая сила в зацеплении зубчатой цилиндрической передачи действует по касательной к начальной окружности и направлена по направлению вращения?- окружная сила колеса

Какая сила в цилиндрической зубчатой передаче определяется? – окружная

Как называются устройства с понижающими передачами (передаточное число u > 1; n1 > n2) — редукторы

Как называются устройства с повышающими передачами (передаточное число u < 1; n1 < n2)?

— мультипликатор.

Делительный диаметр d зубчатого колеса с модулем m и числом зубьев z равен:

Коэффициент полезного действия 💡, формула КПД в физике. Как найти КПД⚡

Автор Даниил Леонидович На чтение 7 мин. Просмотров 17.7k. Опубликовано

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.

Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.

формула КПД

Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.

Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.

формула

Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.

Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж

Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.

Единицы измерения

Коэффициент полезного действия – величина безразмерная, то есть не нужно ставить какую-либо единицу измерения. Но эту величину можно выразить и в процентах. Для этого полученное в результате деления по формуле число необходимо умножить на 100%. В школьном курсе математики рассказывали, что процент – этот одна сотая чего-либо. Умножая на 100 процентов, мы показываем, сколько в числе сотых.

От чего зависит величина КПД

Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.

максимальное значение

А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.

Как обозначается

В русских учебниках обозначается двояко. Либо так и пишется – КПД, либо обозначается греческой буквой η. Эти обозначения равнозначны.

Символ, обозначающий КПД

Символом является греческая буква эта η. Но чаще все же используют выражение КПД.

Мощность и КПД

Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.

Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.

определение

Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.

Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

коэффициент полезного дейтсвия

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

формула

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

  • гидроэлектростанций 93-95%;
  • АЭС – не более 35%;
  • тепловых электростанций – 25-40%;
  • бензинового двигателя – около 20%;
  • дизельного двигателя – около 40%;
  • электрочайника – более 95%;
  • электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Великобритании и Израиля построили первый квантовый тепловой двигатель, эффективность которого превышает максимальную эффективность классического теплового двигателя. В качестве рабочего тела такого двигателя выступают два когерентных энергетических уровня NV-центра с наименьшей энергией, а в качестве тепловых резервуаров — возбужденные уровни. Работу, совершаемую двигателем, ученые измеряли с помощью микроволновых импульсов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Классический тепловой двигатель превращает тепло в работу, периодически нагревая и охлаждая рабочее тело. В рамках классической термодинамики можно показать, что максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) среди тепловых двигателей обладает двигатель Карно, цикл которого состоит из периодов изотермического и адиабатического расширения и сжатия. На практике эффективность тепловых двигателей, работающих при сравнимых температурах нагревателя и холодильника, значительно ниже, чем у двигателя Карно. В частности, КПД паровых машин примерно в два раза меньше максимального достижимого КПД.

Теоретически эффективность теплового двигателя можно повысить за счет квантовых эффектов, которые не учитывает классическая термодинамика. Первыми такую возможность рассмотрели около шестидесяти лет назад физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), которые связали эффективность трехуровневого мазера с эффективностью цикла Карно. А в 2015 году группа физиков под руководством Раама Уздина (Raam Uzdin) наконец разработала схему квантового двигателя, эффективность которого превышает эффективность цикла Карно. Для этого ученые рассмотрели двигатель, который работает в так называемом режиме малого действия (small-action limit), то есть совершает за цикл работу, малую по сравнению с постоянной Планка. В этом режиме корреляции между энергетическими уровнями двигателя играют важную роль, а потому могут существенно повысить его эффективность. Впрочем, подтвердить это предположение на практике физики не смогли.

Группа ученых под руководством Джеймса Клатцова (James Klatzow) наконец проверила предположение группы Уздина и построила квантовый двигатель, эффективность которого превышает эффективность классического двигателя, работающего в тех же условиях. Чтобы построить такой двигатель, физики использовали NV-центры — точечные дефекты алмаза, которые возникают при замещении атома углерода атомом азота. С одной стороны, такой центр ведет себя как водородоподобный атом; с другой стороны, заселенность его энергетических уровней удобно контролировать и измерять с помощью вспышек лазера. Во внешнем магнитном поле NV-центр можно рассматривать как когерентный магнитный двигатель, в котором два уровня с самой низкой энергией выступают в качестве рабочего тела, а возбужденные уровни моделируют тепловые резервуары с разными температурами. Чтобы связать рабочее тело с тепловыми резервуарами и извлечь из него работу, ученые светили на NV-центр оптическим и микроволновым лазером. Кроме того, ученые контролировали когерентность двух квантовых состояний рабочего тела в начале каждого цикла, изменяя продолжительность «теплового» лазерного импульса.

Схема эксперимента (a) и фотография установки (b)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Схема квантового теплового двигателя, основанного не NV-центре во внешнем магнитном поле

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

В этой схеме ученые реализовали три типа квантовых тепловых двигателей: непрерывный, двухфазный и четырехфазный. В двигателе первого типа передача тепла и связь с тепловыми резервуарами происходит одновременно и непрерывно; этот режим больше всего напоминает квантовый двигатель Сковила-Шульца. В двигателе второго типа извлечение работы отделено от передачи тепла, однако связь с холодным и горячим резервуарами происходит в одно и то же время. Наконец, в двигателе третьего типа все операции производятся последовательно (как в двигателе Карно). В классическом пределе это устройство переходит в двигатель Отто. Все три двигателя работали в режиме малого действия, то есть произведение продолжительности цикла и средней работы, которая в течение него производилась, было много меньше постоянной Планка.

Схема непрерывного, двухфазного и четырехфазного двигателей. Красные и синие стрелки обозначают связь с «горячим» и «холодным» тепловым резервуаром, оператор U — извлечению работы

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Наконец, физики измерили мощность квантовых двигателей и среднее количество работы, которое они совершали за один цикл. Оказалось, что в режиме малого действия и когерентных энергетических уровней рабочего тела все три двигателя были термодинамически эквивалентны, то есть совершали одинаковое количество работы. Более того, их эффективность превышала предельную эффективность классического теплового двигателя, который работал в тех же условиях. По оценкам ученых, расхождение между КПД, измеренном в этом режиме, и «максимальным» КПД составляло 2,4 сигма (p-value

Мощность когерентного двухфазного двигателя (a) и средняя работа, совершаемая за цикл (b), в зависимости от длины «тепловой» фазы, разрушающей когерентное состояние. Красными точками отмечены данные эксперимента, красной линией — теоретическая зависимость. Для сравнения приведены теоретические ограничения на аналогичные параметры классического теплового двигателя (синяя линия)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Авторы статьи замечают, что построенный ими квантовый тепловой двигатель пока еще очень сложно применять на практике. В частности, потому, что совершаемая им работа «пропадает впустую» и измеряется только косвенно. Тем не менее, физики надеются, что их работа заинтересует других исследователей, которые построят более совершенные квантовые тепловые двигатели. Кроме того, ученые надеются, что их статья поможет разобраться, как работают природные микроскопические тепловые двигатели, например фотосинтетический аппарат.

Стоит отметить, что на архив электронных препринтов физики выложили работу еще в октябре 2017 года. Поэтому, несмотря на то, что до рецензируемого журнала она добралась только на этой неделе, ее уже успели процитировать в 13 новых статьях.

В ноябре 2017 года физики из Бразилии и Германии обнаружили, что корреляции между квантовыми состояниями могут «нарушить» второй закон термодинамики. Для этого ученые скоррелировали спины двух атомов, находящихся в тепловых состояниях с разными температурами, и показали, что в такой системе тепло течет от «холодного» атома к «горячему», а энтропия системы уменьшается. Впрочем, второй закон термодинамики это не нарушает, поскольку взаимная информация атомов в ходе процесса уменьшается, а «суммарная разупорядоченность» в целом растет.

Дмитрий Трунин

расчёт(формулы) и от чего зависит

КПД – коэффициент полезного действия, одна из важнейших характеристик, определяющая эффективность работы устройства, относящее к трансформаторам. Рассмотрим особенности определения указанного показателя трансформатора с учётом принципа работы, конструкции данного электрооборудования и факторов, влияющих на эффективность эксплуатации.

Общие сведения о трансформаторах

Трансформатором называют электромагнитное устройство, преобразующим переменный ток с изменением значения напряжения. Принцип работы прибора предполагает использование электромагнитной индукции.

Аппарат состоит из следующих основных элементов:

  • первичной и вторичной обмоток;
  • сердечника, вокруг которого навиты обмотки.
Принцип работы трансформатораПринцип работы трансформатора

Изменение характеристик достигается за счёт разного количества витков в обмотках на входе и выходе.

Ток на выходной катушке возбуждается за счёт создания магнитного потока при подаче напряжения на входные контакты.

Что такое КПД трансформатора и от чего зависит

Коэффициентом полезного действия (полная расшифровка данной аббревиатуры) называют отношение полезной электроэнергии к поданной на прибор.

Кроме энергии, показатель КПД может определяться расчётом по мощностным показателям при соотношении полезной величины к общей. Эта характеристика очень важна при выборе аппарата и определяет эффективность его использования.

Величина КПД зависит от потерь энергии, которые допускаются в процессе работы аппарата. Эти потери существуют следующего типа:

  • электрического – в проводниках катушек;
  • магнитного – в материале сердечника.

потери

Величина указанных потерь при проектировании устройства зависит от следующих факторов:

  • габаритных размеров устройства и формы магнитной системы;
  • компактности катушек;
  • плотности составленных комплектов пластин в сердечнике;
  • диаметра провода в катушках.

Снижение потерь в агрегате достигается в процессе проектирования устройства, с применением для изготовления сердечника магнито-мягких ферромагнитных материалов. Электротехническая сталь набирается в тонкие пластины, изолированные друг относительно друга специальным слоем нанесённого лака.

В процессе эксплуатации эффективность аппарата определяется:

  • поданной нагрузкой;
  • диэлектрической средой – веществом, использованным в качестве диэлектрика;
  • равномерностью подачи нагрузки;
  • температурой масла в агрегате;
  • степенью нагрева катушек и сердечника.

Если в ходе работы агрегат постоянно недогружать или нарушать паспортные условия эксплуатации, помимо опасности выхода из строя это ведёт к снижению эффективности устройства.

Трансформатор, в отличие от электрических машин, практически не допускает механических потерь энергии, поскольку не включает движущихся узлов. Незначительный расход энергии возникает за счёт температурного нагрева устройства.

Методы определения КПД

КПД трансформатора можно подсчитать, с использованием нескольких методов. Данная величина зависит от суммарной мощности устройства, возрастая с увеличением указанного показателя. Значение эффективности колеблется в пределах от 0,8 до 0,92 при значении мощности от 10 до 300 кВт.

Зная величину предельной мощности, можно определить значение КПД, используя специальные таблицы.

Непосредственное измерение

Формула для вычисления данного показателя может быть представлена в нескольких выражениях:

ɳ = (Р2/Р1)х100% = (Р1 – ΔР)/Р1х100% = 1 – ΔР/Р1х100%,

в которой:

  • ɳ – значение КПД;
  • Р2 и Р1 – соответственно величина полезной и потребляемой сетевой мощности;
  • ΔР – величина суммарных мощностных потерь.

Из указанной формулы видно, что значение показателя КПД не может превышать единицу.

После поэтапного преобразования приведённой формулы с учётом использования значений электротока, напряжения и угла между фазами, получается такое соотношение:

ɳ = U2хI2хcosφ2/ U2хI2хcosφ2 + Робм + Рс,

в которой:

  • U2 и I2 – соответственно, значение напряжения и тока во вторичной обмотке;
  • Робм и Рс – величина потерь в обмотках и сердечнике.

Представленная формула содержится в ГОСТе, описывающем определение данного показателя.

кпдРасчёты КПД

Определение косвенным методом

Для приборов, обладающих большой эффективностью работы, при величине КПД, превышающем 0,96, точный расчёт не всегда оказывается возможным. Поэтому данное значение определяется при помощи косвенного метода, предполагающего оценку мощностных показателей в первичной катушке, вторичной и допущенных потерь.

косвенным методом

Оценивая характеристики трансформатора, следует отметить высокую эффективность использования указанного оборудования, обусловленную его конструктивными особенностями.

Более подробно про КПД трансформатора можете прочитать здесь(откроется в новой вкладе, читать со страницы 14): Открыть файл

Коэффициент полезного действия (КПД) насосов

КПД насосов позволяет повысить энергоэффективность производства и сэкономить деньги. В статье рассмотрено из чего складывается КПД насосов, что на него влияет и как его посчитать. Приводится информация по центробежным (в т.ч. с магнитной муфтой), винтовым, импеллерным и мембранным пневматическим насосам.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности системы (устройства или машины) в отношении преобразования или передачи энергии, которая показывает совершенство его конструкции и экономичность эксплуатации. Так как насосы перекачивают жидкость посредством преобразования одного вида энергии в другой вид энергии, то они идеально подходят под данное правило, а значит, обладают собственным коэффициентом полезного действия.

Формула

Коэффициент полезного действия не имеет системы измерений и обозначается обычно в процентах. Общий КПД жидкостного насоса определяется произведением КПД его привода (электродвигатель, пневмодвигатель, гидродвигатель) и КПД насосной части. Ƞ = ƞпр * ƞнч

КПД привода насоса это не что иное, как отношение мощности, которую мы получаем на выходном валу двигателя к потребляемой двигателем мощности. Нужно сразу уточнить, что данное отношение не может быть больше единицы, так как потребляемая двигателем мощность всегда больше мощности на выходе. Это обуславливается тем, что в процессе преобразования энергии всегда присутствуют тепловые и механические потери. Ƞпр = P2 / P1

Расчет КПД

Потребляемая мощность зависит от вида и характеристик собственного источника. Если насос имеет электрический привод – электродвигатель, то потребляемая мощность электрическая, если пневмодвигатель, значит потребляемая мощность это мощность нагнетаемого воздуха. Электрическая потребляемая мощность это произведение напряжения на силу тока.

Мощность на выходном валу двигателя, это мощность механическая, полученная вследствие преобразования подведенного электрического или пневматического вида энергии. Данную мощность нужно рассматривать как отношение работы к единице времени.

Так как насосная часть состоит из деталей, узлов и механизмов, а во время её работы происходят различные процессы и присутствуют разные физические явления, то её коэффициент полезного действия необходимо рассматривать как произведение трёх составляющих: механический КПД, гидравлический КПД и объёмный КПД. Ƞнч = ƞм * ƞг * ƞо

Механический КПД

Механический КПД во многом зависит от качества изготовления насоса, от его конструктивных особенностей. Механические потери связанные с работой трущихся частей (в подшипниках, в механическом торцевом уплотнении, в сальниковом уплотнении, в проточной части) снижают данный КПД.

Гидравлический КПД

Гидравлический КПД определяется течением жидкости внутри проточной части насоса, а если точнее гидравлическими потерями, которые возникают во время работы насоса. Например, если шероховатость поверхности стенок насоса увеличена, то жидкости станет сложнее преодолеть сопротивление трения, а значит, скорость течения жидкости будет ниже. Многое зависит и от вида течения жидкости. Возникающий в проточной части насоса турбулентный (вихревой) поток жидкости увеличивает гидравлические потери.

Отношение количества жидкости поступившей в насос через всасывающий патрубок, к количеству жидкости вышедшей из него через напорный патрубок является объёмным КПД насосной части. Объёмный КПД ещё называют КПД подачи, так как его можно рассмотреть как отношение производительностей, действительной к теоретической.

Чтобы потребитель имел возможность определить КПД насоса в конкретной рабочей точке, многие производители насосного оборудования прилагают к диаграммам рабочих характеристик насоса диаграммы с графиками характеристик КПД.

График КПД насоса на примере насоса с магнитной муфтой Argal TMR 10.15

График эффективности насоса на примере Argal TMR 10.15

КПД промышленных насосов

В данной статье косвенно рассмотрим коэффициент полезного действия насосов различных видов: центробежных, винтовых, импеллерных, мембаранно-пневматических.

Центробежный насос

КПД самых распространенных центробежных насосов во многом зависит от режима их работы и конструктивных особенностей. Максимальным КПД обладают центробежные насосы с приводом большой мощности и высокими рабочими характеристиками. Их эффективность может достигать 92-95 %. Значение мощности двигателя таких центробежных насосов обычно начинается от 10кВт, а насосная часть имеет высокое качество изготовления.

Насос с магнитной муфтой

Насосы с магнитной муфтой имеют схожий КПД. Для данного типа насоса очень важно, чтобы герметичная задняя крышка насоса, располагающаяся между ведущим и ведомым магнитом, была изготовлено из токонепроводящих материалов. Иначе, будут возникать вихревые токи, которые вызывают потерю мощности и снижают общий КПД насоса.

Винтовой насос

Винтовые насосы имеют высокие механические потери. Они в первую очереди связаны с трениями, которые возникают в подшипниковом узле, а также между ротором и статором, но благодаря высоким рабочим характеристикам (расход, напор) данный тип насосов может иметь КПД колеблющийся от 40 до 80 %.

Импеллерный насос

Импеллерные насосы бережно перекачивают жидкость, создавая равномерный ламинарный поток и высокое давление на выходе, но высокие механические потери обусловленные трением гибких лопастей импеллера о внутреннюю поверхность корпуса не позволяет данному типу насосов быть лидером по эффективности.

Мембранно-пневматический насос

Мембранно-пневматические насосы не имеют двигателя и работают от поданного на него сжатого воздуха. Так как требуется дополнительное превращение электрической энергии в энергию сжатого воздуха, то КПД мембранно-пневматического насоса во многом зависит от КПД воздушного компрессора. Обычно КПД поршневых компрессоров составляет 80-92%, лопастных 90-96%. Кроме этого, в самом насосе, в той или иной мере, присутствуют все виды потерь. Гидравлические потери возникают, когда жидкость через небольшое всасывающее отверстие поступает в рабочую камеру насоса и выходит через отверстие подачи под определенным углом. Здесь поток жидкости сталкивается с внезапным расширением сечения при последующем резком повороте. Механические потери связаны с тем, что основная втулка насоса является парой трения скольжения. Кроме этого имеет место трение жидкости с деталями насоса: клапана, коллектора, мембрана, стенки боковой крышки. Объемные потери определяются отношением количества жидкости поступившего в насос и количеством жидкости вышедшего из него за два такта (всасывание – нагнетание).

Вывод

Подводя итог данной статьи можно сказать, что эффективность перекачивающих насосов во многом зависит от мощности двигателя насоса, а также от качества изготовления деталей и узлов самого насоса. Среди рассмотренных типов насосов наибольшим КПД обладают высокопроизводительные и высоконапорные центробежные насосы. Наименьшая эффективность у мембранно-пневматических насосов.

Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q1.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Эффективность передачи (передача данных и сети)

Одной из целей сети передачи данных является передача максимально возможного объема точной информации по сети. Чем выше объем, тем выше эффективность сети и ниже стоимость. На эффективность сети влияют характеристики цепей, такие как частота ошибок и максимальная скорость передачи, а также скорость передающего и принимающего оборудования, методология обнаружения ошибок и управления, а также протокол, используемый на уровне канала передачи данных.

Каждый рассмотренный нами протокол использует несколько битов или байтов для определения начала и конца каждого сообщения и контроля ошибок. Эти биты и байты необходимы для передачи, но они не являются частью сообщения. Они не добавляют ценности пользователю, но учитывают общее количество битов, которые могут быть переданы.

Каждый протокол связи имеет как информационные, так и служебные биты. Информационные биты — это биты, которые используются для передачи значения пользователя.Служебные биты используются для таких целей, как проверка ошибок и маркировка начала и конца символов и пакетов. Бит четности, используемый для проверки ошибок, является служебным, потому что он не используется для отправки данных пользователя; если вас не заботят ошибки, бит проверки служебных ошибок можно опустить, и пользователи все равно смогут понять сообщение.

Эффективность передачи определяется как как общее количество информационных битов (т. Е. Битов в сообщении, отправленном пользователем), деленное на общее количество битов при передаче (т.е.е., информационные биты плюс служебные биты). Например, давайте посчитаем эффективность асинхронной передачи. Предположим, мы используем 7-битный ASCII. У нас есть 1 бит для контроля четности, 1 стартовый бит и 1 стоповый бит. Следовательно, в каждой букве 7 бит информации, но общее количество битов на букву равно 10 (7 + 3). Эффективность асинхронной системы передачи составляет 7 бит информации, разделенных на 10 битов, или 70 процентов.

Другими словами, с асинхронной передачей, пользователю доступно только 70 процентов скорости передачи данных; 30 процентов используется протоколом передачи.Если у нас есть канал связи, использующий модем коммутируемого доступа, принимающий 56 Кбит / с, пользователь видит эффективную скорость передачи данных (или пропускную способность) 39,2 Кбит / с. Это очень неэффективно.

Мы можем повысить эффективность , уменьшив количество служебных битов в каждом сообщении или увеличив количество информационных битов. Например, если мы удалим стоповые биты из асинхронной передачи, эффективность возрастет до 7/9, или 77,8 процента. Пропускная способность модема с коммутируемым доступом при 56 Кбит / с увеличится на 43.6 Кбит / с, что немного, но хотя бы немного лучше.

Та же самая основная формула может быть использована для расчета эффективности синхронной передачи. Например, предположим, что мы используем SDLC. Количество информационных битов рассчитывается путем определения количества информационных символов в сообщении. Если часть кадра, содержащая сообщение, содержит 100 информационных символов, и мы используем 8-битный код, то имеется 100 x 8 = 800 бит информации. Общее количество битов составляет 800 информационных битов плюс служебные биты, которые вставляются для разграничения и контроля ошибок.На рисунке 4.9 показано, что SDLC имеет начальный флаг (8 бит), адрес (8 бит), поле управления (8 бит), последовательность проверки кадра (предположим, что мы используем CRC-32 с 32 битами) и конечный флаг. (8 бит). Это всего 64 бита служебной информации; таким образом, КПД составляет 800 / (800 + 64) = 92,6 процента. Если схема обеспечивает скорость передачи данных 56 Кбит / с, то эффективная скорость передачи данных, доступная пользователю, составляет около 51,9 Кбит / с.

Этот пример показывает, что синхронные сети обычно более эффективны, чем асинхронные сети, а некоторые протоколы более эффективны, чем другие.Чем длиннее сообщение (1000 символов вместо 100), тем эффективнее протокол. Например, предположим, что сообщение в примере SDLC было 1000 байтов. Эффективность здесь будет 99,2 процента, или 8000 / (8000 + 64), что дает эффективную скорость передачи данных около 55,6 Кбит / с.

Общее правило состоит в том, что чем больше поле сообщения , тем эффективнее протокол. Так почему бы не использовать пакеты размером 10 000 или даже 100 000 байт, чтобы действительно повысить эффективность? Ответ заключается в том, что каждый раз, когда получен кадр, содержащий ошибку, весь кадр должен быть повторно передан.Таким образом, если весь файл отправлен как один большой пакет (например, 100 КБ) и 1 бит получен с ошибкой, все 100 000 байт должны быть отправлены снова. Ясно, что это пустая трата возможностей. Кроме того, вероятность того, что кадр содержит ошибку, увеличивается с размером кадра; более крупные кадры с большей вероятностью содержат ошибки, чем более мелкие, просто из-за законов вероятности.

Frame size effects on throughput

Рисунок 4.12 Влияние размера кадра на пропускную способность

Таким образом, при разработке протокола существует компромисс между большими и маленькими кадрами.Маленькие кадры менее эффективны, но с меньшей вероятностью содержат ошибки и обходятся дешевле (с точки зрения пропускной способности канала) для повторной передачи в случае ошибки (рисунок 4.12).

Пропускная способность — это общее количество информационных битов, принимаемых в секунду, с учетом служебных битов и необходимости повторной передачи кадров, содержащих ошибки. Вообще говоря, небольшие кадры обеспечивают лучшую пропускную способность для каналов с большим количеством ошибок, тогда как более крупные кадры обеспечивают лучшую пропускную способность в сетях с меньшим количеством ошибок.К счастью, в большинстве реальных сетей кривая, показанная на рис. 4.12, очень плоская вверху, что означает, что существует диапазон размеров кадра, обеспечивающий почти оптимальную производительность. Размеры кадра сильно различаются в разных сетях, но идеальный размер кадра обычно составляет от 2 000 до 10 000 байтов.

Трубка для правильного типоразмера

ФОКУС УПРАВЛЕНИЯ

Оптимизация производительности в сети , особенно в сети клиент-сервер, может быть трудной задачей, потому что немногие сетевые менеджеры осознают важность размера кадра.Выбор правильного — или неправильного — размера кадра может иметь большее влияние на производительность, чем все, что вы могли бы сделать с сервером.

Standard Commercial , транснациональная табачная и сельскохозяйственная компания, заметила снижение производительности сети при переходе на новый сервер. Они протестировали эффекты использования размеров кадра от 500 до 32 000 байт. В их тестах размер кадра 512 байт требовал в общей сложности 455 000 байт, передаваемых по их сети для передачи тестовых сообщений.Напротив, кадры размером 32 000 байт были намного эффективнее, сократив общий объем данных на 44 процента до 257 000 байт.

Однако проблема с кадрами размером 32 000 байт заключалась в заметной задержке времени ответа, поскольку сообщения сохранялись до тех пор, пока кадры размером 32 000 байт не были заполнены перед передачей.

Идеальный размер кадра зависит от конкретного приложения и шаблона сообщений, которые оно генерирует. Для Standard Commercial идеальным размером кадра оказался от 4000 до 8000.К сожалению, не все сетевые программные пакеты позволяют администраторам сети точно настраивать размеры кадра таким образом.

Так почему же стандартные размеры Ethernet-кадров составляют около 1500 байт? Потому что Ethernet был стандартизирован много лет назад, когда ошибки были более распространенными. Размеры кадров Jumbo и Super Jumbo появились в результате использования высокоскоростных и безошибочных волоконно-оптических сетей.

Расчет фактической пропускной способности сети передачи данных является сложной задачей, поскольку она зависит не только от эффективности протокола канала передачи данных, но также от частоты ошибок и количества повторяющихся передач.Скорость передачи информационных битов (TRIB) — это мера эффективного количества информационных битов, которые передаются по цепи связи за единицу времени. Основное уравнение TRIB от ANSI показано на рисунке 4.13 вместе с примером.

Calculating TRIB (transmission rate of information bits)

рисунок 4.13 Расчет TRIB (скорость передачи информационных битов)

,

5 Коробки передач | Стоимость, эффективность и внедрение технологий экономии топлива для легковых автомобилей

Шестиступенчатая автоматическая коробка передач

Шестиступенчатые автоматические коробки передач в настоящее время широко используются на рынке, в то время как семи-, восьми- и девятиступенчатые коробки передач также находятся в производстве, хотя и с меньшей долей рынка. Типичная шестиступенчатая планетарная трансмиссия показана на рисунке 5.5 и включает преобразователь крутящего момента, планетарный ряд, муфты, героторный масляный насос и корпус клапана.Блок управления трансмиссией (TCU) используется для активации нескольких электромагнитных клапанов, которые подают гидравлическое давление через корпус клапана для приведения в действие или отпускания нескольких сцеплений и тормозов, которые включаются или отпускаются для управления передаточным числом выходных скоростей. КПД обычных автоматических трансмиссий составляет от 86 до 94 процентов, где КПД определяется как выходная мощность, деленная на входную мощность, умноженную на 100.

Восьмиступенчатая автоматическая коробка передач

Недавно представленные восьмиступенчатые трансмиссии включали трансмиссию ZF 8HP45 в некоторые продукты Chrysler, включая пикапы Ram и автомобили с задним приводом (RWD), а также многочисленные автомобили от нескольких европейских производителей.Трансмиссия General Motors 8L90 была представлена ​​в больших пикапах MY 2015, больших внедорожниках и спортивном автомобиле Chevrolet Corvette. Восьмиступенчатая коробка передач ZF, показанная на рис. 5.6, состоит из гидротрансформатора, четырех планетарных передач и пяти элементов переключения (тормоза A и B; муфты C, D и E). Использование пяти элементов переключения примечательно, так как уходящая шестиступенчатая автоматическая коробка передач также использовала пять элементов переключения.

Девятиступенчатая автоматическая коробка передач

Недавно было введено несколько девятиступенчатых автоматических коробок передач.К ним относятся передний привод (FWD) ZF 9HP, недавно представленный в Jeep Cherokee, и Mercedes 9G-Tronic, недавно представленный в Mercedes E350 с дизельным двигателем 3,0 л (Daimler 2013).

images

РИСУНОК 5.5 Типичная шестиступенчатая планетарная автоматическая коробка передач.
ИСТОЧНИК: Авторское право © 2006 ATSG (Группа обслуживания автоматических коробок передач).

Десятиступенчатая автоматическая коробка передач

Ford Motor Company и General Motors объявили в 2013 году, что они совместно разрабатывают девяти- и десятиступенчатые автоматические трансмиссии для снижения расхода топлива и повышения производительности, особенно с двигателями меньшего размера (Healey and Woodyard 2013).В 2014 году VW объявил, что планирует создать десятиступенчатую коробку передач с двойным сцеплением для большей экономии топлива.

Благодаря достижениям в оптимизации архитектуры, увеличенные отношения в этих новых передачах реализуются с минимальным увеличением размера пакета, количества компонентов и стоимости. Инструменты оптимизации программного обеспечения используются для разработки архитектур, требующих меньшего количества элементов, за счет использования некоторых элементов (например, элементов планетарной передачи) для нескольких скоростей. Однако эти новые трансмиссии требуют высоких затрат на разработку и длительных этапов проектирования и проверки.После определения подходящей компоновки на проектирование, разработку и внедрение в производство новой трансмиссии обычно уходит 5 лет.

Трансмиссия с двойным сцеплением

DCT

архитектурно аналогичны механическим коробкам передач, но добавляют автоматическое переключение и обычно используют два коаксиальных входных вала и две муфты для переключения между двумя входными валами, как показано на рисунке 5.7. Это позволяет DCT выполнять «переключение» сцепления, когда сцепление используемой в данный момент передачи размыкается, когда сцепление следующей включенной передачи замыкается.С точным контролем выжимной муфты и включения

images

РИСУНОК 5.6 Поперечный разрез восьмиступенчатой ​​автоматической коробки передач ZF — 8HP45.
ИСТОЧНИК: Dick et al. (2013). Перепечатано с разрешения из бумаги SAE 2013-01-1272 Copyright © 2013 SAE International.

,

3 Энергоэффективность на транспорте | Реальные перспективы энергоэффективности в США

были развернуты по всей структуре продаж. Относительный расход топлива для легковых и легких грузовиков сопоставим. Эти цифры относятся к автомобилям с такими же уровнями производительности и внутренними размерами, как у современных новых автомобилей, и с уменьшением веса автомобиля на 20 процентов, коэффициентом лобового сопротивления на 25 процентов и снижением трения качения в шинах на 33 процента. коэффициент.Такое снижение относительного расхода топлива указывает на то, чего в среднем можно было бы достичь в транспортных средствах с помощью этих улучшений и изменений в силовой передаче и технологиях транспортных средств.

Взятые вместе, эти усовершенствования двигателя и трансмиссии, снижение веса и другие улучшения, не связанные с двигательной установкой, могут снизить потребление топлива бензиновым автомобилем с ДВС примерно на 35 процентов примерно к 2035 году.

Хотя современные автомобили с дизельным двигателем имеют 20-процентное преимущество в потреблении топлива в эквиваленте бензина по сравнению с современными автомобилями с бензиновым двигателем ICE, этот разрыв, вероятно, сократится (например,g., до 15 процентов к 2035 году), так как бензиновый двигатель имеет больший потенциал усовершенствования.

Поскольку их технология является относительно новой и, таким образом, может обеспечить более глубокое сокращение расхода топлива транспортными средствами, HEV и PHEV имеют больший потенциал для снижения расхода топлива (например, 47 процентов и 73 процента соответственно), чем силовые агрегаты ICE. Однако обратите внимание, что они по-прежнему зависят от нефти или другого жидкого топлива.

Сокращение выбросов парниковых газов от бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания, дизельных двигателей высокого давления и PHEV пропорционально сокращению потребления нефти.Дальнейшее сокращение выбросов парниковых газов может быть достигнуто за счет автомобилей, если эффективное содержание углерода в топливе будет снижено за счет добавления биотоплива с низким чистым выбросом углерода (NAS-NAE-NRC, 2009b).

BEV и HFCV — это две долгосрочные технологии, которые не обязательно зависят от нефти или альтернативного углеводородного топлива и могут иметь нулевые выбросы из выхлопных труб критериальных загрязнителей и CO. 2.

Для PHEV, BEV и HFCV выбросы от скважины к резервуару, возникающие при производстве электроэнергии и водорода, определяют полный потенциал этих транспортных технологий по сокращению выбросов парниковых газов.Повышение эффективности самих транспортных средств вместе с производством электроэнергии и водорода с низким или нулевым уровнем выбросов, которые им необходимы, открывают потенциал для значительного сокращения общих выбросов парниковых газов. В случае реализации эти улучшения могли бы дать PHEV преимущество перед HEV с точки зрения снижения потребления нефти и выбросов парниковых газов.

Комиссия считает, что оценки, приведенные в Таблице 3.2, могут быть реализованы, если

,

Потери трансмиссии (эффективность) — x-engineer.org

Трансмиссия (также называемая трансмиссией ) представляет собой сумму компонентов, которые передают мощность двигателя на колеса. Например, на автомобиле с задним приводом (RWD) трансмиссия состоит из: сцепления (или преобразователя крутящего момента), коробки передач (ручной или автоматической), карданного вала, дифференциала и приводных валов.

Эффективность трансмиссии оказывает значительное влияние на общую эффективность автомобиля.Чем выше эффективность трансмиссии, тем ниже расход топлива транспортного средства (также меньше CO 2 ).

Изображение: Архитектура трансмиссии (Audi A6 quattro) и основные компоненты
Кредит: Audi

В статье Что такое эффективность? подробно объясняется, как рассчитывается механический КПД .

Данная статья разделена на две основные части. В первой части, чтобы понять концепцию эффективности, мы рассчитаем эффективность простой передачи , функцию входной / выходной мощности и крутящего момента, а во второй части мы рассчитаем эффективность каждого компонента трансмиссии. и общая эффективность трансмиссии .

Эффективность зацепления шестерен

Простой зубчатый механизм имеет входную шестерню и выходную шестерню, сцепленные вместе. Входной крутящий момент и угловая скорость преобразуются через передаточное число в выходной крутящий момент и угловую скорость.

Изображение: Простая шестерня входной выход

где:

T дюймов [Нм] — входной крутящий момент
ω дюймов [рад / с] — входная скорость
i [-] — передаточное число
T out [Нм] — выходной крутящий момент
ω вых [рад / с] — выходная скорость

Мы можем рассчитать входную мощность P в [Вт] и выходную мощность P на выходе [Вт] как:

\ [ P_ {in} = \ omega_ {in} \ cdot T_ {in} \ tag {1} \]
\ [P_ {out} = \ omega_ {out} \ cdot T_ {out} \ tag {2} \]

Эффективность определяется как отношение выходной мощности к входной:

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta = \ frac {P_ {out}} {P_ {in}}} \ tag {3 } \]

Любой механический компонент / система, в которой есть движущиеся части, имеет трение.Трение преобразует часть энергии в тепло, которое рассеивается в окружающей среде и, следовательно, теряется. Общее трение можно определить как потерю мощности компонентов / системы. Выходная мощность — это разница между входной мощностью и потерями мощности P потеря [Вт]:

\ [P_ {out} = P_ {in} — P_ {loss} \ tag {4} \]

Замена (4 ) в (3):

\ [\ eta = \ frac {P_ {out}} {P_ {in}} = \ frac {P_ {in} — P_ {loss}} {P_ {in}} = \ frac { P_ {in}} {P_ {in}} — \ frac {P_ {loss}} {P_ {in}} = 1 — \ frac {P_ {loss}} {P_ {in}} \]

дает выражение эффективность функция входной мощности и потерь мощности:

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta = 1 — \ frac {P_ {loss}} {P_ {in}}} \ tag {5} \]

Механический КПД простой передачи можно также рассчитать как функцию входного и выходного крутящего момента.

Выходная скорость равна входной скорости, деленной на передаточное число:

\ [\ omega_ {out} = \ frac {\ omega_ {in}} {i} \ tag {6} \]

Замена (1) и (2) в (3) дает выражение функции эффективности входного и выходного крутящего момента и скорости:

\ [\ eta = \ frac {P_ {out}} {P_ {in}} = \ frac {\ omega_ { out} \ cdot T_ {out}} {\ omega_ {in} \ cdot T_ {in}} \ tag {7} \]

Замена (6) в (7) дает:

\ [\ eta = \ frac {\ frac {\ omega_ {in}} {i} \ cdot T_ {out}} {\ omega_ {in} \ cdot T_ {in}} \]

, из которого мы можем записать окончательное выражение функции эффективности ввода / выходной крутящий момент и передаточное число :

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta = \ frac {T_ {out}} {i \ cdot T_ {in}}} \ tag {8} \]

КПД коробки передач

Подвижные части коробки передач состоят из шестерен (простых или планетарных), синхронизаторов, валов и подшипников.Общий КПД коробки передач в основном зависит от КПД зубчатой ​​передачи и подшипников.

Изображение: Компоненты шестиступенчатой ​​механической коробки передач.
Кредит: ZF

В зависимости от архитектуры коробка передач имеет как минимум два вала (входной и выходной) и несколько простых шестерен. Каждый вал поддерживается как минимум двумя шарикоподшипниками, по одному на каждом конце. Следовательно, при включенной передаче имеются подшипники 4 и по меньшей мере 1 зубчатого зацепления как источники потерь мощности.

Общий КПД коробки передач можно рассчитать как:

\ [\ eta_ {gbx} = \ eta_ {brg} ^ {N_ {brg}} \ cdot \ eta_ {grm} ^ {N_ {grm}} \ tag {9} \]

где:

η gbx [-] — КПД редуктора
η brg [-] — КПД подшипника
η grm [-] — КПД зубчатого зацепления
N brg [-] — количество подшипников
N grm [-] — количество зубчатых зацеплений

КПД шарикового подшипника составляет около 0.{1} = 0,941 \]

На самом деле КПД коробки передач не постоянный, а зависит от температуры и частоты вращения вала. Минимальный КПД обычно достигается при низкой температуре (высокая вязкость масла) и высокой частоте вращения вала. Максимальный КПД достигается при высокой температуре (низкая вязкость масла) и низкой частоте вращения вала.

КПД карданного вала

Карданный вал передает крутящий момент от коробки передач на задний мост. Поскольку коробка передач и задний мост должны перемещаться относительно друг друга при передаче крутящего момента, для карданного вала требуется не менее 2 универсальных («U») шарниров , по одному на каждом конце.{N_ {uj}} \ tag {10} \]

где:

η prs [-] - КПД карданного вала
η brg [-] - КПД подшипника
η uj [-] - универсальный КПД шарнира
N brg [-] - количество подшипников
N uj [-] - количество карданных шарниров

Для нашего примера мы будем считать, что карданный вал является неразъемным, имеет 2 универсальные шарниры без центрального подшипника. КПД универсального шарнира составляет около 0.{2} = 0,98 \]

В действительности КПД карданного шарнира не постоянный, а зависит в основном от смещения (угла) между передней и задней осью. Чем меньше смещение, тем выше эффективность.

Эффективность дифференциала

Дифференциал выполняет окончательное понижение передачи и распределяет крутящий момент между правым и левым колесами. Если автомобиль движется по прямой, потери мощности добавляют только главная передача и подшипники. Подшипники 3 (один на ведущей шестерне, один на левом выходном валу и один на правом выходном валу) и спирально-коническая шестерня 1 .{N_ {brg}} \ cdot \ eta_ {grm} \ tag {11} \]

где:

η diff [-] - дифференциальный КПД
η brg [-] - КПД подшипника
η грм [-] - КПД зацепления шестерни
Н brg [-] - количество подшипников

КПД шарикоподшипника составляет около 0,99 , а зубчатого зацепления спирально-конической зубчатой ​​передачи - около 0,96 . С этими числами мы можем рассчитать общую эффективность дифференциала .

\ [\ eta_ {dif} = 0.{3} \ cdot 0.96 = 0.931 \]

На самом деле КПД дифференциала непостоянен, но зависит от температуры и скорости вала. Минимальный КПД обычно достигается при низкой температуре (высокая вязкость масла) и высокой частоте вращения вала. Максимальный КПД достигается при высокой температуре (низкая вязкость масла) и низкой частоте вращения вала.

КПД карданного вала

Карданный вал передает крутящий момент от дифференциала на колесо. Каждое колесо имеет собственный приводной вал.На каждом конце приводного вала есть шарниры равных угловых скоростей (CVJ), которые необходимы из-за относительного движения между дифференциалом и колесом.

Изображение: Компоненты приводного вала (шарниры равных угловых скоростей)

Общий КПД карданного вала можно рассчитать как:

\ [\ eta_ {drs} = \ eta_ {trp} \ cdot \ eta_ {rzp} \ tag {12} \]

где:

η drs [-] - КПД карданного вала
η trp [-] - КПД трипода
η rzp [-] - КПД rzeppa

Внутренний CVJ ( со стороны дифференциала) обычно представляет собой шарнир типа Tripod , а внешний CVJ представляет собой шарнир типа Rzeppa .Эффективность этих соединений составляет около 0,99 . С этими числами мы можем рассчитать общий КПД карданного вала .

\ [\ eta_ {drs} = 0.99 \ cdot 0.99 = 0.98 \]

На самом деле КПД шарнира равных угловых скоростей не постоянный, а зависит в основном от смещения (угла) между дифференциалом и колесом. Чем меньше смещение, тем выше эффективность.

Общий КПД трансмиссии

Теперь, когда у нас есть общий КПД каждого компонента, мы можем рассчитать общий КПД трансмиссии (трансмиссии) как:

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta_ {drv } = \ eta_ {gbx} \ cdot \ eta_ {prs} \ cdot \ eta_ {dif} \ cdot \ eta_ {drs}} \ tag {13} \]

Замена значений, полученных для каждого компонента, дает:

\ [ \ eta_ {drv} = 0.941 \ cdot 0.98 \ cdot 0.931 \ cdot 0.98 = 0.841 \]

Исходя из наших параметров и методологии, мы получили общий КПД трансмиссии 84,1%. Это означает, что около 15,9% мощности двигателя теряется через трансмиссию. Эффективность может быть еще ниже для полноприводных (4WD) автомобилей с центральным дифференциалом.

Посмотрим, сколько мы получим на колесах P из и каковы потери мощности трансмиссии P потери , если мощность двигателя на сцеплении P в составляет 150 кВт, а КПД трансмиссии - 0 ,841 .

Из (3) мы можем рассчитать мощность на колесах (выходная мощность):

\ [P_ {out} = \ eta_ {drv} \ cdot P_ {in} = 0.841 \ cdot 150 = 126.15 \ text {кВт} \]

Из (4) мы можем рассчитать мощность, потерянную в трансмиссии:

\ [P_ {loss} = P_ {in} - P_ {out} = 150 - 126,15 = 23,85 \ text {kW} \]

Числа показывают, что общая эффективность трансмиссии оказывает значительное влияние на динамические характеристики транспортного средства, поскольку значительная часть мощности двигателя теряется.Кроме того, чем ниже КПД трансмиссии, тем выше расход топлива двигателем.

Передний привод (FWD) автомобили обычно имеют наивысший КПД трансмиссии , главным образом потому, что они не содержат карданного вала. На противоположном конце находятся автомобили с полным приводом (AWD ) и с полным приводом (4WD) , с самым низким КПД трансмиссии (из-за большего количества компонентов).

Вы также можете проверить свои результаты, используя калькулятор ниже.

Калькулятор эффективности трансмиссии

Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться!

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *