Что такое дифференциальный двигатель ткани

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

Следуя современным веяниям в сфере автомобилестроения, крупнейшие производители стремятся сделать конструкцию авто как можно легче. Это позволит увеличить мощность и соблюсти все нормы экологических предписаний. Основной деталью автомобиля, конечно же, был и остается его двигатель. Для изготовления «сердец автомобилей» используются новые материалы, о которых мы и поговорим далее.

Современные автомобильные двигатели

Важно понимать, что процесс создания двигателя для авто как раньше, так и сейчас – довольно консервативная отрасль в машиностроении.

Большая часть агрегатов серийного производства изготавливается с применением таких материалов как:

• Чугун;
• Сталь;
• Алюминиевые сплавы.

Из чего состоят двигатели современных авто

Сегодня, благодаря появлению новых материалов и технологий, применяются, казалось бы, совсем неподходящие для этих целей компоненты.

Активно внедряются пластмассы. Изготовленные из пластика узлы систем впуска и охлаждения сейчас уже никого не удивляют. Отличие современных моторов от аналогов прошлых лет состоит в том, что для их создания производители используют весьма неожиданные материалы. Рост внедрения маслостойких и теплоустойчивых пластиков дал возможность создать такие детали как:

• Пластмассовые картеры ДВС;
• Клапанные крышки;
• Корпуса внутренних конструкций двигателя.

В надёжности современных двигателей авто сомневаться не приходится. Они, как и прежде, делятся на три основные категории: бензиновые, дизельные и электрические. Примерно так классифицируются автомобильные двигатели, которые применяются на современном автомобильном производстве и по сей день.

Металлы двигателей автомобилей

Можно упомянуть титановые сплавы, которые стремятся использовать в конструкции машин. Для двигателей этот прочный, легкий и достаточно эластичный материал с уникальной химической стойкостью используется неохотно, т.к. стоимость его достаточно высока.

Металлокерамическая матрица также весьма оригинальный материал. В процессе её производства используется технология Nicasil, которая подразумевает применение гальванического метода, а основой матрицы служит твёрдый никель.

Выводы

Область применяемости новейших решений в сфере двигателестроения имеет чёткий вектор, который ориентирован на снижение массы и улучшение прочих характеристик автомобиля в целом. Суперматериалы либо не нужны вовсе, либо их внедрение не представляется возможным из-за физико-химической специфики свойств, применяемых для создания двигателей материалов.

Современное автомобилестроение все больше склоняется в сторону электротехнологий, заменяя вредные для окружающей среды дизельные и бензиновые моторы.

Что такое дифференциальный двигатель ткани

Дифференциальные уравнения. Тезисы. Примеры применений.

Тип публикации: Тезисы

Язык: Русский

Enter the password to open this PDF file:

Григоренко М.Н., Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург Дифференциальные уравнения и их применение Изучая разделы математики можно рассматривать решение задач с использованием математического аппарата, например таких как, методы расчета рисковых оптимального временного ситуаций, использования ряда [2]. Более выбор оптимального ресурсов, анализ подробно портфеля, и задачи прогнозирование рассмотрим применение дифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения — раздел математики, изучающий теорию и способы решения уравнений, содержащих искомую функцию и ее производные различных дифференциальные) или порядков одного нескольких аргумента аргументов (обыкновенные (дифференциальные уравнения в частных производных) [1]. В самом уравнении участвует не только неизвестная функция, но и различные ее производные. Дифференциальным уравнением описывается связь между неизвестной функцией и ее производными. Такие связи отыскиваются в различных областях знаний: в механике, физике, химии, биологии, экономике и др. Дифференциальные уравнения применяются для математического описания природных явлений. Так, например, в биологии дифференциальные уравнения применяются для описания популяции; в физике многие законы можно описать с помощью дифференциальных уравнений. Широкое применение находят дифференциальные уравнения и в моделях экономической динамики. В данных моделях отражается не только зависимость переменных от времени, но и их взаимосвязь во времени. Рассмотрим одну из задач макроэкономической динамики [1]. Например, пусть y(f) — объем продукции некоторой отрасли, реализованной к моменту времени t. Будем полагать, что вся производимая отраслью продукция реализуется по некоторой фиксированной цене р, т.е. выполнено условие ненасыщаемости рынка. Тогда доход к моменту времени t составит Y (t )  py(t ) Обозначим через I(t) величину инвестиций, направляемых на расширение производства. В модели естественного роста полагают, что скорость выпуска продукции (акселерация) пропорциональная величине инвестиций, т.е. y’ (t )  lI (t ) , где 1/l – норма акселерации. (Здесь мы пренебрегаем временем между окончанием производства продукции и ее реализацией, то есть считаем, что инвестиционный лаг равен нулю). Полагая, что величина инвестиций I(t) составляет фиксированную часть дохода, получим I (t )  mY (t )  mpy(t ) , где коэффициент пропорциональности m (так называемая норма инвестиций) — постоянная величина ( 0  m  1 ). Подставляя последнее выражение для I(t) в y’ (t )  lI (t ) приходим к уравнению y’  ky , где k  mpl . Полученное дифференциальное уравнение — с разделяющимися переменными. Решая его, приходим к функции y(t )  y0 e k ( t t0 ) , где y0  y(t 0 ) . Заметим, что уравнение y’  ky описывает также рост народонаселения, динамику роста цен при постоянной инфляции, процесс радиоактивного распада и др. Модель роста в условиях роста конкурентного рынка имеет вид y’ mlp( y) y . Научный руководитель Кныш А.А., старший преподаватель Список литературы: 1. Высшая математика для экономического бакалавриата: учебник и практикум / Н. Ш. Кремер, Б. А. Путко, И. М. Три-шин, М. Н. Фридман; под ред. Н. Ш. Кремера. – М.: Издательство Юрайт; ИД Юрайт, 2012. — 909 с. 2. Кныш А.А. Примеры реализации межпредметных связей на занятиях математики в экономическом вузе // Новая наука: от идеи к результату. — Стерлитамак: АМИ, 2017. — №2 (2) – С. 55 – 57.

Цилиндрический линейный двигатель. Эволюция в движении

Линейные двигатели стали широко известны как высокоточная и энергоэффективная альтернатива обычным приводам, преобразующим вращательное движение в поступательное. За счет чего это стало возможным?

Итак, давайте обратим внимание на шарико-винтовую пару, которая в свою очередь может считаться высокоточной системой преобразования вращательного движения в поступательное. Обычно КПД ШВП составляет порядка 90%. При учете КПД серводвигателя (75–80%), потерь в муфте или ременной передаче, в редукторе (в случае его использования) получается, что лишь около 55% мощности затрачивается непосредственно на совершение полезной работы. Таким образом, несложно догадаться, почему линейный двигатель, который напрямую передает объекту поступательное движение, более эффективен.

Кинематическая схема привода подачи на основе ШВП

Кинематическая схема привода подачи на основе линейного двигателя

КПД привода подачи на основе ШВП

Обычно самым простым объяснением его конструкции является аналогия с обычным двигателем вращательного движения, который разрезали по образующей и развернули на плоскости. На самом деле именно такой и была конструкция самых первых линейных двигателей. Плоский линейный двигатель с сердечником первым вышел на рынок и занял свою нишу как мощная и эффективная альтернатива прочим приводным системам. Несмотря на то, что в общем их конструкция оказалась недостаточно эффективной из-за значительных потерь на вихревые токи, недостаточной плавности и пр. они все равно выгодно отличались с точки зрения КПД. Хотя вышеперечисленные недостатки неблагоприятно сказывались на высокоточной «натуре» линейного двигателя.

Принципиальная схема линейного двигателя

U-образный линейный двигатель

U-образный линейный двигатель, конструктивно выполненный без сердечника, разработан с целью устранения недостатков классического плоского линейного двигателя. С одной стороны это позволило решить ряд проблем, таких как потери на вихревые токи в сердечнике и недостаточную плавность перемещения, но с другой — привнесло несколько новых аспектов, ограничивающих его использование в областях, требующих ультрапрецизионных перемещений. Это значительное снижение жесткости двигателя и еще большие проблемы с тепловыделением.

Для рынка ультрапрецизионного оборудования линейные двигатели были как послание с небес, неся в себе обещания бесконечно точного позиционирования и высокого КПД. Однако суровая реальность проявила себя, когда тепло, выделяемое вследствие недостаточной эффективности конструкции в обмотках и сердечнике, напрямую передавалось в рабочую зону. В то время, как все больше расширялась область использования ЛД, термические явления, сопутствующие значительному тепловыделению сделали позиционирование с субмикронными точностями весьма сложным, чтобы не сказать невозможным.

Для повышения КПД, эффективности линейного двигателя необходимо было вернуться к самим его конструктивным основам, и через максимально возможную оптимизацию всех их аспектов получить наиболее энергоэффективную приводную систему с максимально возможной жесткостью.

Фундаментальное взаимодействие, лежащее в основе конструкции линейного двигателя — это проявление Закона Ампера — наличие силы, воздействующей на проводник с током в магнитном поле.

Следствием из уравнения для силы Ампера является то, что максимальное усилие, развиваемое двигателем, равно произведению силы тока в обмотках на векторное произведение вектора магнитной индукции поля на вектор длины провода в обмотках. Как правило, для повышения КПД линейного двигателя необходимо уменьшать силу тока в обмотках (т.к. потери на нагрев проводника прямо пропорциональны квадрату силы тока в нем). Сделать это при постоянной величине выходного усилия привода возможно лишь при увеличении прочих составляющих, входящих в уравнение Ампера. Именно так и поступили разработчики Цилиндрического Линейного Двигателя (ЦЛД) вместе с некоторыми производителями ультрапрецизионного оборудования. Фактически в ходе последнего исследования в Университете Вирджинии (UVA) было установлено, что ЦЛД потребляет на 50% меньше энергии для осуществления той же работы, при тех же выходных характеристиках, что и аналогичный U-образный линейный двигатель. Чтобы понять, каким образом достигнуто столь значительное повышение эффективности работы, давайте отдельно остановимся на каждой составляющей вышеупомянутого уравнения Ампера.

Векторное произведение B×L. Используя, например, правило левой руки несложно понять, что для осуществления линейного перемещения оптимальный угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции составляет 90°. Обычно у линейного двигателя ток в 30–80% длины обмоток протекает под прямым углом к вектору индукции поля. Остальная часть обмоток, по сути, выполняет вспомогательную функцию, при этом в ней возникают потери на сопротивление и даже могут появляться силы, противоположные направлению перемещения. Конструкция ЦЛД такова, что 100% длины провода в обмотках находится под оптимальным углом в 90°, а все возникающие усилия сонаправлены с вектором перемещения.

Относительное расположение линий индукции и линий тока в ЦЛД

Длина проводника с током (L). При задании этого параметра возникает своего рода дилемма. Слишком большая длина приведет к дополнительным потерям в связи с увеличением сопротивления. В ЦЛД соблюден оптимальный баланс между длиной проводника и потерями в связи с приростом сопротивления. Например, в ЦЛД, тестированном в Университете Вирджинии длина провода в обмотках была в 1,5 раза больше, чем в его U-образном аналоге.

Вектор индукции магнитного поля (B). Притом, что в большинстве линейных двигателей осуществляется перенаправление магнитного потока при помощи металлического сердечника, в ЦЛД используется запатентованное конструктивное решение: сила магнитного поля естественно увеличивается благодаря отталкиванию одноименных магнитных полей.

Величина силы, которую можно развить при данной структуре магнитного поля, есть функция плотности потока магнитной индукции в промежутке между подвижным и неподвижным элементами. Так как магнитное сопротивление воздуха приблизительно в 1000 раз больше, чем у стали и прямо пропорционально величине зазора, его минимизация уменьшит и магнитодвижущую силу, нужную для создания поля необходимой силы. Магнитодвижущая сила в свою очередь прямо пропорциональна силе тока в обмотках, поэтому при уменьшении ее необходимой величины, можно уменьшить и величину тока, что в свою очередь позволить снизить потери на сопротивление.

Как можно видеть, каждый конструктивный аспект ЦЛД был продуман с целью максимально возможного увеличения эффективности его работы. Но насколько это полезно с практической точки зрения? Давайте обратим внимания на два аспекта: тепловыделение и стоимость эксплуатации.

Все линейные двигатели нагреваются из-за потерь в обмотках. Выделившееся тепло должно куда-то отводиться. И первый побочный эффект тепловыделения — это сопутствующие процессы термического расширения, например элемента, в котором закреплены обмотки. Кроме того происходит дополнительный нагрев танкеток направляющих, смазки, датчиков, находящихся в зоне работы привода. С течением времени циклические процессы нагрева и охлаждения могут негативно воздействовать и на механические и на электронные компоненты системы. Тепловое расширение также приводит к увеличению трения в направляющих и т.п. В том же исследовании, проведенном в UVA было установлено, что ЦЛД передавал на смонтированную на нем плиту приблизительно на 33% меньше тепла, чем аналог.

При меньшем потреблении энергии снижается и стоимость эксплуатации системы в целом. В среднем в США 1 кВч стоит 12,17 центов. Таким образом, среднегодовая стоимость эксплуатации U-образного линейного двигателя составит $540,91, а ЦЛД $279,54. (При цене 3,77 руб. за кВч получается 16768,21 и 8665,74 руб. соответственно)

Сравнение годовых затрат на электроэнергию U-образного линейного двигателя и ЦЛД

При выборе реализации приводной системы список вариантов действительно велик, однако при разработке системы, предназначенной для нужд ультрапрецизионной станочной техники, высокая эффективность ЦЛД может обеспечить значительные преимущества.

Вкладыши для двигателя – детали критические

На первый взгляд вкладыши – это просто штамповка. Но впечатление обманчиво: подшипники скольжения представляют собой высокотехнологические изделия из сложного композитного материала, имеющие специфическую геометрию и точные размеры. И, что немаловажно – они являются критическими деталями двигателя, отказ которых ведет к его остановке и очень дорогому ремонту.

Функции подшипников

Вращающиеся компоненты двигателей внутреннего сгорания оборудованы подшипниками скольжения, которые выполняют разные функции:

• коренные вкладыши поддерживают коленчатый вал и обеспечивают его вращение. Устанавливаются в блоке цилиндров. Каждый вкладыш состоит из верхней и нижней половин. На внутренней поверхности верхней половины, как правило, есть канавка для смазки и отверстие для подачи масла.

• шатунные вкладыши обеспечивают вращение шейки шатуна, который, в свою очередь, вращает коленвал. Устанавливаются в нижней головке шатуна.

• упорные кольца предотвращают осевое движение вала. Часто упорные кольца являются частью одного из коренных вкладышей – такие комбинированные подшипники называются буртовыми или фланцевыми вкладышами.

• втулки верхней головки шатуна обеспечивают вращение поршневого пальца, соединяющего поршень с шатуном.

• вкладыши распредвала поддерживают распредвал и обеспечивают его вращение. Устанавливаются в верхней части головки блока цилиндров (или в блоке цилиндров – у двигателей с нижним расположением распредвала).

Биметаллические (а) и триметаллические подшипники со свинцовистым покрытием (б, в)

Подшипники скольжения смазываются моторным маслом, постоянно подающимся к их поверхности и обеспечивающим гидродинамический режим трения.

Непосредственный контакт между трущимися в гидродинамическом режиме поверхностями отсутствует – благодаря масляной пленке, которая образуется в сходящемся зазоре (масляном клине) между поверхностями подшипника и вала.

Условия работы подшипников скольжения

Масляная пленка предотвращает локальную концентрацию нагрузки. Однако при определенных условиях гидродинамический режим трения сменяется на смешанный. Это происходит, если имеются:

• недостаточный поток масла;

• низкая вязкость масла;

• перегрев масла, дополнительно снижающий его вязкость;

• высокая шероховатость поверхностей подшипника и вала;

• деформация и геометрические дефекты подшипника, его гнезда или вала.

В смешанном режиме трения возникает непосредственный физический контакт поверхностей, чередующийся с гидродинамическим трением. А это может привести к задирам, повышенному износу подшипника и даже к схватыванию с валом.

ДВС характеризуются циклическими нагрузками подшипников, об­условленными переменным давлением в цилиндрах и инерционными силами, вызванными движущимися частями. И эти циклические нагрузки на подшипник могут привести к его разрушению. Отсюда – высочайшие требования к материалам, из которого он производится.

Структура подшипников скольжения

Материалы подшипников скольжения

Материалы, из которых делают подшипники, должны обладать многими, иногда противоречивыми, свойствами.

• Усталостная прочность (максимальная нагрузка) – максимальная циклическая нагрузка, которую подшипник выдерживает в течение неограниченного числа циклов. Превышение этой нагрузки приводит к образованию усталостных трещин в материале.

• Сопротивление схватыванию (совместимость) – способность материала подшипника сопротивляться свариванию с материалом вала во время прямого физического контакта между ними.

• Износостойкость – способность материала подшипника сохранять свои размеры несмотря на присутствие абразивных частиц в масле, а также в условиях механического контакта с валом.

• Прирабатываемость – способность материала подшипника компенсировать небольшие геометрические дефекты вала и гнезда за счет незначительного локального износа или пластической деформации.

• Абсорбционная способность – способность материала подшипника захватывать мелкие чужеродные частицы, циркулирующие с маслом.

• Коррозионная стойкость – способность материала подшипника сопротивляться химическим воздействиям окисленных или загрязненных масел.

• Кавитационная стойкость – способность материала подшипника выдерживать ударные нагрузки, производимые схлопывающимися кавитационными пузырьками (пузырьки образуются в результате резкого падения давления в текущем масле).

Эксцентриситет подшипника скольжения

Соответственно длительная и надежная работа подшипника скольжения достигается соединением высокой прочности (усталостной прочности, износостойкости, кавитационной стойкости) с мягкостью (прирабатываемостью, сопротивлением схватыванию, абсорбционной способностью).

То есть материал должен быть одновременно и прочным, и мягким. Это звучит парадоксально, однако существующие подшипниковые материалы соединяют эти противоположные свойства – правда, с определенным компромиссом.

Для достижения этого компромисса используются композитные структуры, которые могут быть или слоистыми (мягкое покрытие, нанесенное на прочное основание) или дисперсными (мягкие частички, распределенные внутри прочной матрицы).

Биметаллические подшипники имеют стальное основание, обеспечивающее жесткость и натяг в тяжелых условиях повышенной температуры и циклических нагрузок.

Второй слой материала состоит из антифрикционного сплава. Его толщина относительно велика: она составляет около 0,3 мм. Толщина антифрикционного слоя – важная характеристика биметаллических подшипников, способных прирабатываться и приспосабливаться к относительно большим геометрическим дефектам. Биметаллический подшипник также обладает хорошей абсорбционной способностью, поглощая как мелкие, так и крупные включения в масле.

Обычно рабочий слой делают из алюминия, содержащего 6–20% олова в качестве твердого смазочного материала: именно олово обеспечивает антифрикционные свойства. Кроме этого, сплав часто содержит 2–4% кремния в виде мелких включений, распределенных в алюминии. Твердый кремний упрочняет сплав и обладает способностью полировать поверхность вала – поэтому его присутствие особенно важно при работе с валами из ковкого чугуна. Сплав может быть дополнительно упрочнен небольшими добавками меди, никеля, марганца, ванадия и других элементов.

Триметаллические подшипники, помимо стального основания, имеют промежуточный слой из медного сплава, содержащего 20–25% свинца в качестве твердой смазки и 2–5% олова для упрочнения меди.

Третий слой представляет собой покрытие на основе свинца, которое также содержит около 10% олова, повышающего коррозионную стойкость сплава и несколько процентов меди для упрочнения. Толщина покрытия составляет всего 12–20 мкм. Низкая толщина покрытия повышает его усталостную прочность, однако снижает антифрикционные свойства (прирабатываемость, абсорбционную способность, сопротивление схватыванию), особенно если мягкое покрытие было подверг­нуто износу. Между промежуточным слоем и свинцовистым покрытием наносится очень тонкий (1–2 мкм) слой никеля, служащий барьером, предотвращающим диффузию олова из покрытия в промежуточный слой.

Измерение высоты выступа стыка подшипника

Инновационные материалы для подшипников скольжения постоянно разрабатываются производителями подшипников. Это новые материалы, способные работать в тяжело нагруженных двигателях (дизельные двигатели с непосредственным впрыском топлива, двигатели с турбонаддувом), а также в гибридных и старт-стоп двигателях, в том числе:

• высокопрочные алюминиевые биметаллические материалы;

• прочные металлические покрытия для триметаллических подшипников;

• полимерные композитные покрытия, содержащие частицы твердых смазочных мате­риалов;

• бессвинцовые экологически чистые безвредные материалы.

Свойства подшипниковых материалов

Свойства материалов подшипников, характеризующие прочность и мягкость, сочетаются в различных пропорциях у разных материалов.

Отличные мягкие антифрикционные свойства триметалла ограничены толщиной покрытия (12 мкм). Если геометрический дефект или чужеродные частицы превышают толщину покрытия, ее антифрикционные свойства резко падают.

Мягкие свойства биметалла несколько ниже, чем у триметалла, однако они не ограничены толщиной покрытия, поэтому биметаллические подшипники способны прирабатываться к относительно крупным несоосностям и другим геометрическим дефектам. С другой стороны, усталостная прочность (максимальная нагрузка) биметаллических подшипников ниже (40–50 МПа), чем у триметаллических материалов (60–70 МПа). Также биметаллические подшипники без кремния хуже работают с чугунным валом.

Геометрические характеристики подшипников скольжения

Масляный зазор – это основной геометрический параметр подшипников скольжения. Он равняется разнице между внутренним диаметром подшипника и диаметром вала (внут­ренний диаметр подшипника измеряется под углом 90° к линии, разделяющей верхний и нижний вкладыши).

Величина масляного зазора – очень важный показатель. Большой зазор приводит к увеличению потока масла, что снижает его нагрев в подшипнике, однако вызывает неоднородное распределение нагрузки (она концентрируется на меньшей площади поверхности и увеличивает вероятность разрушения вследствие усталости). Также большой зазор производит значительную вибрацию и шум. А слишком маленький зазор вызывает перегрев масла и резкое падение его вязкости.

Типичные величины масляного зазора С: для пассажирских автомобилей Cмин = 0,0005D, Cмакс = 0,001D, для гоночных автомобилей Cмин = 0,00075D, Cмакс = 0,0015D (где D – диаметр вала).

Эксцентриситет является мерой, определяющей некруглость подшипника. Действительно, внутренняя поверхность подшипника не является абсолютно круглой. Она имеет форму, напоминающую лежащий на боку лимон. Это достигается за счет переменной толщины стенки подшипника, имеющей максимальное значение (Т) в центральной части и постепенно уменьшающейся в направлении стыка.

Принято измерять минимальное значение толщины (Te) на определенной высоте h для того, чтобы исключить зону выборки в области стыка. Разница между максимальным и минимальным значениями толщины называется эксцентриситетом: Т – Те.

Эксцентриситет, образованный переменной толщиной стенки вкладыша, добавляется к эксцентриситету, вызванному смещением вала относительно центра подшипника. Наличие эксцентриситета позволяет стабилизировать гидродинамический режим смазки за счет создания масляного клина с большим углом схождения. Рекомендуемые величины эксцентриситета: для пассажирских автомобилей 5–20 мкм, для гоночных автомобилей 15–30 мкм.

Посадочный натяг необходим для обеспечения надежной посадки подшипника в гнезде. Прочно посаженный подшипник имеет равномерный контакт с поверхностью гнезда – это предотвращает смещение подшипника во время работы, обеспечивает максимальный отвод тепла из области трения и увеличивает жесткость гнезда. Поэтому наружный диаметр подшипника и его периметр всегда больше диаметра гнезда и его периметра.

Поскольку прямое измерение наружного периметра подшипника – трудная задача, обычно измеряется другой параметр: высота выступа стыка (выступание). Высота выступа стыка равна разнице между наружным периметром половины подшипника и периметром половины гнезда.

Проверяемый вкладыш устанавливают в измерительный блок и прижимают с определенным усилием F, величина которого пропорциональна площади сечения стенки подшипника. Оптимальная величина высоты выступа стыка зависит от диаметра подшипника, жесткости и теплового расширения гнезда и температуры. Типичные значения высоты выступа стыка для подшипников диаметром 40–65 мм: для пассажирских автомобилей 25–50 мкм, для гоночных автомобилей 50–100 мкм.

Несмотря на самые совершенные конструкцию, материалы и технологии, в эксплуатации ДВС встречаются случаи износов и повреждений подшипников. Чтобы найти и устранить их причины, знание конструкции подшипников необходимо, но недостаточно. Об этом – в следующей статье.