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汽车机械基础 授课 樊和朋 项目一力学基础 项目四汽车常用机构 项目三汽车金属制造工艺 项目二汽车常用工程材料 项目五汽车常用联接 汽车机械基础 课件首页 项目六汽车常用传动 项目七汽车常用零部件 项目八公差与配合 项目九液压与液力传动 知识目标 1掌握平面汇交力系 多个力 合成的几何法2对合力投影定理有清晰的理解 掌握汇交力系合成的解析法和平衡方程3理解力对点之矩的概念 并能熟练地计算4深入理解力偶和力偶矩的概念 掌握平面力偶的性质和平面力偶的合成5了解约束与约束反力的常见类型6理解和掌握平面一般力系的等效与简化 力系的主矢与主矩 最简力系 刚体等基本概念7理解平衡方程各种形式 掌握各种力系的独立平衡方程数目 物体或物系的平衡问题的解题步骤和技巧8 了解摩擦概念以及考虑摩擦时的平衡问题 项目一静力学基础 平面汇交力系与力偶系 活动一 平面汇交力系及其合成活动二 平面力偶系 项目一静力学基础 平面汇交力系与力偶系 力 是物体间的相互机械作用 这种作用使物体的运动状态或形状发生改变 物体间的相互机械作用可分为两类 一类是物体间的直接接触的相互作用 另外一类是物和物体间的相互作用 力的两种作用效应为 1 外效应 也称为运动效应 使物体的运动状态发生改变 2 内效应 也称为变形效应 使物体的形状发生变化 静力学研究物体的外效应 力的三个要素 力的大小 方向和作用点 力的作用线 力的方向是指静止物体在该力作用下可能产生的运动 或运动趋势 的方向 沿该方向画出的直线 力的方向包含力的作用线在空间的方位和指向 活动一平面汇交力系及其合成 项目一静力学基础 1基本概念 等效力系 两个力系对物体的作用效应相同 则称这两个力系互为等效力系 当一个力与一个力系等效时 则称该力为力系的合力 而该力系中的每一个力称为其合力的分力 把力系中的各个分力代换成合力的过程 称为力系的合成 反过来 把合力代换成若干分力的过程 称为力的分解 平衡力系 若刚体在某力系作用下保持平衡 在平衡力系中 各力相互平衡 或者说 诸力对刚体产生的运动效应相互抵消 可见 平衡力系是对刚体作用效应等于零的力系 活动一平面汇交力系及其合成 项目一静力学基础 2 平面汇交力系的合成方法1 几何法首先回顾用几何法合成两个汇交力 如图1 1 1a 设在物体上作用有汇交于点的两个力F1和F2 根据力的平行四边形法则 可知合力R的大小和方向是以两力F1和F2为邻边的平行四边形的对角线来表示 合力R的作用点就是这两个力的汇交点 也可以取平行四边形的一半即利用力的三角形法则求合力如图1 1 1b所示 活动一平面汇交力系的合成方法 项目一静力学基础 刚体 在受力作用后而不产生变形的物体 刚体是对实际物体经过科学的抽象和简化而得到的一种理想模型 而当变形在所研究的问题中成为主要因素时 如在材料力学中研究变形杆件 一般就不能再把物体看作是刚体了 平衡 指物体相对于地球保持静止或作匀速直线运动的状态 显然 平衡是机械运动的特殊形态 因为静止是暂时的 相对的 而运动才是永衡的 绝对的 力系 作用在物体上的一组力 按照力系中各力作用线分布的不同形式 力系可分为 1 汇交力系2 力偶系3 平行力系4 一般力系 活动一平面汇交力系及其合成 项目一静力学基础 对于由多个力组成的平面汇交力系 可以连续应用力的三角形法则进行力的合成 设刚体上作用有一个平面汇交力系F1 F2 Fn 各力汇交于A点 图1 1 2a 根据力的可传性 可将这些力沿其作用线移到A点 从而得到一个平面共点力系 图1 1 2b 故平面汇交力系可简化为平面共点力系 连续应用力的平行四边形法则 可将平面共点力系合成为一个力 在图1 1 2b中 先合成力F1与F2 图中未画出力平行四边形 可得力FR1 即FR1 F1 F2 再将FR1与F3合成为力FR2 即FR2 FR1 F3 依此类推 最后可得 FR F1 F2 Fn Fi 项目一静力学基础 图1 1 2 活动一平面汇交力系及其合成 活动一平面汇交力系的合成方法 项目一静力学基础 因此 平面汇交力系的合成结果是一个合力 合力的作用线通过汇交点 其大小和方向由力系中各力的矢量和确定 需要指出的是 利用几何法对力系进行合成 对于平面汇交力系 并不要求力系中各分力的作用点位于同一点 因为根据力的可传性原理 只要它们的作用线汇交于同一点即可 解析法 求解平面汇交力系合成的另一种常用方法是解析法 这种方法是以力在坐标轴上的投影为基础建立方程的 活动一平面汇交力系的合成方法 项目一静力学基础 图1 1 3力在坐标轴上的投影 设刚体上作用有一个平面汇交力系F1 F2 Fn 据式 2 1 有FR F1 F2 Fn F将上式两边分别向x轴和y轴投影 即有上式即为合力投影定理 力系的合力在某轴上的投影 等于力系中各力在同一轴上投影的代数和 若进一步运算 即可求得合力的大小及方向为 项目一静力学基础 活动一平面汇交力系的合成方法 项目一静力学基础 活动二平面汇交力系的合成方法 平面汇交力系平衡的条件是 1 力对点之矩用扳手拧螺母时 图1 1 4 螺母的转动效应除与力F的大小和方向有关外 还与点O到力作用线的距离h有关 距离h越大 转动的效果就越好 且越省力 反之则越差 显然 当力的作用线通过螺母的转动中心时 则无法使螺母转动 项目一静力学基础 活动二平面力偶系 图1 1 4图1 1 5 可以用力对点的矩这样一个物理量来描述力使物体转动的效果 其定义为 力F对某点O的矩等于力的大小与点O到力的作用线距离h的乘积 记作Mo F Fh 2 7 式中 点O称为矩心 h称为力臂 Fh表示力使物体绕点O转动效果的大小 而正负号则表明 Mo F 是一个代数量 可以用它来描述物体的转动方向 通常规定 使物体逆时针方向转动的力矩为正 反之为负 力矩的单位为牛顿 米 N m 根据定义 图2 6中所示的力F1对点O的矩为Mo F1 F1h1 F1hsin 由定义知 力对点的矩与矩心的位置有关 同一个力对不同点的矩是不同的 因此 对力矩要指明矩心 从几何上看 力F对点O的矩在数值上等于三角形OAB面积的两倍 如图1 1 5所示 活动三平面力偶系 项目一静力学基础 2 合力矩定理 项目一静力学基础 活动三平面力偶系 平面汇交力系的合力对平面上任一点之矩 等于所有各分力对同一点力矩的代数和 3 力偶的概念 图1 1 6力偶的应用 4 力偶的三要素 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 1 力偶矩的大小 2 力偶的转向 3 力偶作用面的方位 5 力偶的性质 性质1力偶对其作用面内任意点的力矩恒等于此力偶的力偶矩 而与矩心的位置无关 性质2由图1 1 8可见 力偶在任意坐标轴上的投影之和为零 故力偶无合力 力偶不能与一个力等效 也不能用一个力来平衡 力与力偶是力系的两个基本元素 项目二静力学基础 活动二平面力偶系 图1 1 8图1 1 9 项目二静力学基础 由于上述性质 所以对力偶可作如下处理 1 力偶在它的作用面内 可以任意转移位置 其作用效应和原力偶相同 即力偶对于刚体上任意点的力偶矩值不因移位而改变 2 力偶在不改变力偶矩大小和转向的条件下 可以同时改变力偶中两反向平行力的大小 方向以及力偶臂的大小 而力偶的作用效应保持不变 图1 1 9各图中力偶的作用效应都相同 力偶的力偶臂 力及其方向既然都可改变 就可简明地以一个带箭头的弧线并标出值来表示力偶 如图1 1 9d所示 6 平面力偶系的合成作用在物体上同一平面内的若干力偶 总称为平面力偶系 设在刚体某平面上有力偶M1 M2的作用 如图1 1 10a所示 现求其合成的结果 活动二平面力偶系 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 图1 1 10平面力偶系 在平面上任取一线段AB d作为公共力偶臂 并把每个力偶化为一组作用在AB两点的反向平行力 如图1 1 10b所示 根据力系等效条件 有 于是在A B两点各得一组共线力系 其合力为FR与F R 如图1 1 10c所示 且有FR F R F1 F2 FR与F R为一对等值 反向 不共线的平行力 它们组成的力偶即为合力偶 所以有M FRd F1 F2 d M1 M2若在刚体上有若干个力偶作用 采用上述方法叠加 可得合力偶矩为M M1 M2 Mn M 项目一静力学基础 活动二平面力偶系 平面力偶系合成的结果为一合力偶 合力偶矩为各分力偶矩的代数和 力偶系中各力偶矩的代数和等于零 M 0 项目一静力学基础 活动二平面力偶系 任务实施 例1 如图所示 一平面汇交力系作用于O点 已知F1 200N F2 300N各力方向如图 若此力系的合力R与F2沿同一直线 求F3与合力R的大小 方法 1 几何法方法 2 解析法 项目一静力学基础 活动二平面力偶系 例2 2 应用合力矩定理 例3 平面连杆机构在图所示位置平衡 已知OA 60cm O1B 40cm 作用在摇杆OA上的力偶矩M1 1N m 不计杆自重 求力偶矩M2的大小 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 1 受力分析2 列平衡方程3 对受力图c列平衡方程 例3 在一钻床上水平放置工件 工件上同时钻四个等直径的孔 每个钻头的力偶矩为 求工件的总切削力偶矩和A B端水平反力解 各力偶的合力偶距为由力偶只能与力偶平衡的性质 力NA与力NB组成一力偶 项目一静力学基础 活动二平面力偶系 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 拓展知识约束与约束反力自由体 在空间中可以自由运动而获得任意位移动的物体飞行中的飞机 火箭等 非自由体 位移受到某些限制的物体 如行驶中的火车受到铁轨的限制 约束 就是加在非自由体上使其位移受到一定限制的条件 约束一般是由非自由体与其周围物体相接触而构成的 因此也将这些周围物体称为约束 例如 钢轨是火车的约束 约束反力 约束能阻挡非自由体某些方向的运动 因此必然会施加力在非自由体上 这些力称为约束力或约束反力 简称反力 约束力的方向与其所限制的非自由体的运动方向或趋势相反 约束力可以是集中力 也可以是分布力系 后者通常以该力系的主矢和主矩来表达 在实际中存在着各种各样的约束 工程中一般将一些常见的约束理想化 归纳为几种基本类型 并根据各种约束的特性定性地给出其约束力的情况 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 图1 1 11柔索约束图1 1 12光滑接触面约束 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 图1 1 14固定铰链支座图1 1 15活动铰链支座 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 图1 1 16轴承约束图1 1 17光滑球铰链约束 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 图1 1 18固定端约束图1 1 19固定端约束反力 活动二平面力偶系 项目一静力学基础 物体的受力分析 物体的受力分析 就是要确定研究对象受了那些力以及每个力的作用位置和方向 这是解决静 动 力学问题重要的一步 对实际物体进行受力分析时 需要把它简化力学模型 特别是要把实际的约束简化成某些基本类型 而合理的简化往往有赖于实际工作经验 需要在长期实践中总结提高 教材中所提供的物体 都是已简化的力学模型 在进行受力分析时 常把要研究对象从周围物体中分离出来 单独画出简图 这样取出的物体称为分离体 在分离体上画出研究对象所受的全部主动力和约束力 既得到物体的受力图 通常 受力图的画法可概括为以下几个步骤 1 根据问题的要求选取研究对象 画出分离体简图 2 画出分离体所受的全部主动力 3 在分离体上原来存在约束的地方 按照约束类型逐一画出约束力 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 一 平面一般力系的简化与平衡方程 1 力的平移定理 作用在刚体上A点处的力F 可以平移到刚体内任意点O 但必须同时附加一个力偶 其力偶矩等于原来的力F对新作用点O的矩 这就是力的平移定理 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 2 平面一般力系的简化 图1 2 3平面一般力系的简化1 平面汇交力系F 1 F 2 F n 可以合成为一个作用于O点的合矢量F R 如图1 2 3c所示 F R F F它等于力系中各力的矢量和 显然 单独的F R不能和原力系等效 它被称为原力系的主矢 将式 1 2 1 写成直角坐标系下的投影形式 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 因此主矢F R的大小及其与x轴正向的夹角分别为 1 2 2 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 2 附加平面力偶系M1 M2 Mn可以合成为一个合力偶矩Mo 即 Mo M1 M2 Mn Mo F 平面一般力系的简化方法 在工程实际中可用来解决许多力学问题 如固定端约束问题 图1 2 4固定端约束 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 图1 2 5固定端约束的约束反力 3 平面一般力系的合成结果 由前述可知 平面一般力系向一点O简化后 一般来说得到主矢F R和主矩Mo 但这并不是简化的最终结果 进一步分析可能出现以下四种情况 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 1 F R 0 Mo 0 说明该力系无主矢 而最终简化为一个力偶 其力偶矩就等于力系的主矩 此时主矩与简化中心无关 2 F R 0 Mo 0 说明原力系的简化结果是一个力 而且这个力的作用线恰好通过简化中心 此时F R就是原力系的合力FR 3 F R 0 Mo 0 这种情况还可以进一步简化 根据力的平移定理逆过程 可以把F R和Mo合成一个合力FR 合成过程如图1 2 6所示 合力FR的作用线到简化中心O的距离为 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 图1 2 6 4 F R 0 Mo 0 4 平面一般力系的平衡方程 1 基本形式 1 2 5 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 2 二矩式 1 2 6 3 三矩式 1 2 7 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 5 物体系统的平衡问题 外力 系统外任何物体作用于该系统的力称为这个系统的外力 内力 所研究的系统内部各物体间相互作用的力称为内力 内力总是成对地作用于同一系统上 因此 当取系统为研究对象时 不必考虑这些内力 2 静定与静不定概念静定系统 系统中所有未知量的总数小于或等于系统独立的平衡方程的总数时 称为静定系统 这类系统仅仅只需应用刚体的静力平衡条件 就可以求得全部未知量的解 静不定系统 系统中所有未知量的总数大于系统独立的平衡方程的总数时 称为静不定系统或超静定系统 这类问题仅应用刚体的静力平衡条件 不能求得全部未知量的解 3 物体系统的平衡问题常见的物体系统的平衡问题有三类 即构架 多跨静定梁 三铰拱 这三类问题都有其相应的求解特点 在求解过程中能总结归纳 在求解这三类问题时通常要注意以下情况 如固定端约束 铰上受力 分布荷载计算 二力构件等 1 外力 内力的概念 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 任务实施 a 例1 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 任务实施 例2 项目一静力学基础 任务二平面一般力系的简化与平衡方程 任务实施 例3 平面一般力系平衡问题的解题步骤 1 选取研究对象 作出研究对象的受力图 2 对所选取的研究对象 列出平衡方程 3 由平衡方程解出未知量 4 将计算结果代入不独立的平衡方程 以校核解题过程有无错误 任务描述 汽车上应用最多的是金属材料 金属材料的选用主要依据就是其使用性能和工艺性能 力学性能是最重要的使用性能 不仅是一般机械零部件在设计 制造时选择材料的主要依据 而且也是验收 鉴定材料性能的重要参数之一 项目二汽车常用工程材料 任务一金属材料的主要性能 一 金属材料的力学性能 项目二汽车常用工程材料 任务一金属材料的主要性能 金属材料的力学性能是指材料在不同环境 温度 介质 湿度 下 承受各种外加载荷 拉伸 压缩 弯曲 扭转 冲击等 时所表现出的力学特征 力学性能主要包括强度 塑性 硬度和韧性和抗疲劳性等 用来表征材料力学性能的各种临界值或规定值均称为力学性能指标 金属材料的力学性能的优劣就是用这些指标的具体数值衡量的 1强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力 任务一金属材料的主要性能 项目二汽车常用工程才料 金属材料受到载荷作用时 发生几何尺寸和形状的变化称为变形 变形一般分为弹性变形和塑性变形 所谓弹性变形 是指材料受到载荷作用时产生变形 载荷卸除后恢复原状的变形 而塑性变形则是指材料在载荷作用下发生变形 且当载荷卸除后不能恢复的变形 故也叫永久变形 当L0 10d0时 称为长试样 L0 5d0时 称为短试样 图2 1 1圆形拉伸试样图 任务一金属材料的主要性能 项目二汽车常用工程材料 2 1 2低碳钢的拉伸曲线图 载荷F和伸长量 之间的关系曲线 称为拉伸曲线 如图2 1 2所示 曲线明显地分为以下几个变形阶段 弹性变形阶段 屈服阶段 强化阶段 明显塑性变形阶段 缩颈阶段 试样发生断裂 任务一金属材料的主要性能 项目二汽车常用工程材料 1 弹性极限材料不产生永久变形时所承受的最大应力 以 e表示 即 Fe 试样产生完全弹性变形的最大载荷 N 2 屈服极限表示在外力作用下 材料刚开始产生塑性变形时的最小应力值 以 表示 即 A0 试样原始横截面积 mm2 式中 e 弹性极限 MPa Fs 试样产生完全弹性变形的最大载荷 N 式中 s 屈服极限 MPa 任务一金属材料的主要性能 3 抗拉强度材料在断裂前所承受的最大拉应力 以 b表示 即 式中Fb 试样断裂前所承受的最大拉伸力 N 2 塑性 塑性是金属在外力作用下 断裂前产生永久变形而不被破坏的能力 其大小用材料在断裂前的最大变形量来衡量 金属材料的塑性指标为伸长率与断面收缩率 它们同样可通过拉伸试验测定 1 断后伸长率试样拉断后标距长度的伸长量与其原始标距之比值的百分率 用符号 表示 项目二汽车常用工程材料 任务一金属材料的主要性能 即 式中L1 试样拉断后的标距长度 mm L0 试样的原始长度 mm 2 断面收缩率试件拉断后断口处 缩紧处 横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 用符号 表示 即 式中A0 试样的原始截面积 mm2 A1 试样拉断后的截面积 mm2 项目二汽车常用工程材料 任务一金属材料的主要性能 项目二汽车常用工程材料 3 硬度 硬度是衡量软硬程度的指标 表示抵抗局部变形和破坏的能力 是重要的力学性能指标之一 汽车制造和维修常用压入法测定硬度 硬度指标分三种 洛氏硬度 布氏硬度和维氏硬度 其中应用最广泛的是洛氏硬度和布氏硬度 4韧度强度 塑性 硬度等都是在静载荷作用下的力学性能 汽车上许多零件在工作时要受冲击载荷 所谓冲击载荷就是以很大的速度作用于零件上的负荷 如汽车的悬挂机构 在汽车起步 制动或改变速度是 钢板弹簧 钢板吊耳均要受到冲击 刹车愈急 起步愈猛冲击力愈大 任务一金属材料的主要性能 项目二汽车常用工程材料 韧性实际上是材料强度和塑性的综合反映 韧性与脆性是对立的 且能互相转化 因为冲击韧度值与试验时的温度有关 随试验温度下降而降低 a 试样安放b 装置示意图图2 1 5冲击实验装置示意图 5疲劳强度 项目二汽车常用工程材料 任务一金属材料的主要性能 疲劳是指零件在交变应力作用下 过早发生破坏的现象 所谓交变应力 是指应力的大小 方向或大小和方向都呈周期性变化的应力 疲劳破坏事先没有明显的征兆 具有很大的突发性和危险性 往往会造成严重事故 如汽车的轴颈 缸盖 齿轮 弹簧等零件的损坏失效 大部分属于疲劳破坏 疲劳强度是指材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力值 钢铁材料应力循环次数为107次 有色金属应力循环次数为108次 任何材料发生脆断 都是材料中微小裂纹突然失稳扩展的结果 为提高材料的疲劳强度 一般可从以下几个方面考虑 1 设计方面 尽量使零件避免尖角 缺口和截面突变 以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹 2 材料方面 减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当而引起的缺陷 如疏松 气孔和表面氧化等 3 机械加工方面 要降低零件表面的表面粗糙度值 表面刀痕 碰伤和划痕都是疲劳裂纹源 二金属材料的工艺性能 项目二汽车常用工程材料 任务一金属材料的主要性能 1 冲压性能 2 焊接性能 3 铸造性能 4 切削加工性能 5 热处理性能 4 零件表面强度方面 可采用化学热处理 表面淬火 喷丸处理和表面涂层等 在零件表面造成压应力 以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 一 碳钢1 杂质元素对钢性能的影响碳钢是工业上用量最多的金属材料 碳钢中除了含有铁元素和碳元素之外 还含有少量的杂质元素 如Si Mn S P等元素 他们对钢的性能都有一定的影响 钢铁材料是现代汽车工业中应用最为广泛的材料 占汽车用材总量的65 70 同时为了减重节能 实现汽车轻量化 铝 镁等有色金属合金也得到了广泛的应用 纯铁的强度 硬度都很低 生产上很少用纯铁制造零件 通常都是用铁碳合金 以铁和碳为主要组成元素的合金 统称为铁碳合金 含碳量在0 0218 2 11 范围内的铁碳合金叫碳素钢 简称碳钢 含碳量大于2 11 的铁碳合金称为铸铁 含碳量低于0 0218 的铁碳合金称为工业纯铁 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 硫磷 锰硅 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 2 碳钢的分类1 按碳含量分类 低碳钢含碳量wc 0 25 中碳钢含碳量wc 0 25 0 6 高碳钢含碳量wc 0 6 2 按质量分类 主要根据有害杂质硫 磷的含量分类 普通碳素钢含硫量wS 0 05 含磷量wP 0 045 优质碳素钢含硫量wS 含磷量wP均 0 035 高级优质碳素钢含硫量wS 0 02 含磷量wP 0 03 3 按冶炼时的脱氧程度 沸腾钢 F 脱氧不完全的钢 镇静钢 Z 脱氧较完全的钢 半镇静钢 B 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 4 按用途或使用特性 结构钢主要用于制造工程结构 桥梁 建筑结构和机器零件等 一般为低 中碳钢 工具钢主要用于制造各种刃具 模具和量具 一般为高碳钢 活动二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 3 常用碳钢的牌号 性能及主要用途1 碳素结构钢 这类钢的牌号由代表屈服点的字母 Q 屈服点值 单位MPa 质量等级 分为A B C D四级 A级质量最低 D级质量最高 脱氧方法符号 F为沸腾钢 Z为镇静钢 B为半镇静钢 按顺序排列组成 例如Q235 AF 表示屈服强度为235MPa的A级质量的碳素结构钢 属于沸腾钢 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 3 碳素工具钢碳素工具钢的含碳量在0 7 1 4 其牌号以 T 后面加数字表示钢中平均含碳量的千分数 若是高级优质碳素工具钢 则在数字后面加 A 如T10A等 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 1 合金钢的分类合金钢的种类繁多 分类方法有多种 常见的分类方法有以下两种 1 按其合金元素总含量的多少分类 低合金钢 合金元素总含量 5 0 中合金钢 合金元素总含量5 0 10 0 高合金钢 合金元素总含量 10 0 2 按用途分类 合金结构钢 用于制造各种机械零件合工程结构件 合金工具钢 用于制造各种工具 特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能井可在特殊环境下工作的钢 如不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 2 合金结构钢合金结构钢用于制造重要工程构件和机器零件 是合金钢中用途最广 用量最大的一种钢 按用途的不同 合金结构钢可以分为以下四种 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 1 合金渗碳钢合金渗碳钢属于低碳钢 含碳量 0 25 渗碳层有高的硬度 优良的耐磨性和抗疲劳性 心部具有良好的塑性和韧性 如 万向节十字轴 半轴齿轮 2 合金调质钢合金调质钢属于中碳钢 含碳量0 25 0 50 具有良好的综合力学性能 主要用于制造承受较大循环载荷与冲击载荷或在各种复合应力下工作 具有高强度 高韧性和高塑性的零件如 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 任务实施 连杆万向节叉 3 合金弹簧钢合金弹簧钢属于高碳钢 含碳量0 5 0 7 具有高的抗拉强度 高疲劳强度 足够的塑性和韧性 易成形 气门弹簧 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 4 滚动轴承钢滚动轴承钢用于制造各种滚动轴承的滚动体和内外圈 由于滚动轴承钢的化学成分和主要性能特点与低合金工具钢相近 喷油泵柱塞 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 3 合金工具钢 1 合金刃具钢合金刃具钢主要是制造切削金属用的刀具材料 具有高硬度 高耐磨性 足够的强度和韧性 高的热硬性 合金刃具钢一般可分为低合金刃具钢和高速钢两类 a 丝锥 b 板牙车刀钻头 2 合金模具钢合金模具钢主要用于制造各种金属成型用的工 模具 一般分为冷变形模具钢和热变形模具钢 冷变形模具钢具有高的强度 硬度和耐磨性并有足够的韧性 以及热处理时变形小 主要用于使金属在冷态下变形的模具 如冷冲模 冷挤压模等 常用的低合金模具钢有9SiCr Mn2V CrWMn等 热变形模具钢不仅具有高的强度和硬度 而且还具有一定的韧性和耐热疲劳性 主要用于使金属在高温下成型的模具 如热锻模 压铸模等 常采用5CrNiMo 5CrMnMo制作热锻模 用3Cr2W8V制作热挤压模和热铸模 项目二汽车常用工程材料 任务二汽车常用金属材料 合金量具钢合金量具钢应具有高硬度 高耐磨性和高的尺寸稳定性及足够的韧性 还要有良好的磨削加工性 主要用于制造各种量具 如游标卡尺 千分尺 塞规 样板等 如图2 2 6所示 常用的量具钢有CrMn和CrWMn等 a 游标卡尺 b 千分尺 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 三 铸铁 1 白口铸铁 白口铸铁性能特点是硬而脆 切削加工非常困难 一般不用于制造零件 一些具有高硬度和耐磨性要求的零件 如轧辊 球磨机的磨球等 以及可锻铸铁的毛坯件 1 2灰铸铁灰铸铁断口呈暗灰色 是使用最广泛的一种铸铁 因为其铸造性能 切削加工性 耐磨性能和减振性等都优于其他铸铁 且生产方便 成品率高 成本低 图2 2 7发动机汽缸体 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 3 球墨铸铁 球墨铸铁是力学性能最好的一种铸铁 与钢接近 如疲劳强度与中碳钢接近 屈服强度比钢还高 此外 球墨铸铁还可以通过热处理 使机械性能进一步提高 因此 通常用来代替碳钢 合金钢制造一些形状复杂 性能要求较高的零件 如柴油机曲轴 凸轮轴 齿轮 连杆 见图2 2 8 球墨铸铁的牌号由球铁 QT 加两组数字表示 两组数字分别表示最低抗拉强度 MPa 和最小伸长率 如QT400 18表示最低抗位强度为400MPa和最小伸长率18 的球墨铸铁 球墨铸铁的牌号 性能 用途如表2 2 6所示 表2 2 6球墨铸铁的牌号 性能及用途 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 4 可锻铸铁由于可锻铸铁具有一定的塑性变形的能力 故得名可锻铸铁 实际上可锻铸铁并不能锻造 由于可锻铸铁生产周期长 成本较高 其应用已逐渐为球墨铸铁所替代 可锻铸铁分为黑心可锻铸铁和白口可锻铸铁两种 其牌号分别用KTH KTB加两组数字表示 其两组数字分别表示抗拉强度和伸长率的最小值 例如 KTH350 10表示 抗拉强度不低于350MPa 延伸率不低于10 的黑心可锻铸铁 常用可锻铸铁中 KTH350 10和KTH370 12强度较高 能承受一定冲击力 适用于造汽车 拖拉机的前后轮壳 轴壳 差速器壳 弹簧钢板支座 支架等 见图2 2 9 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 5 蠕墨铸铁蠕墨铸铁的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间 强度接近于球墨铸铁 具有一定的韧性 较高的耐磨性 同时又具有灰铸铁所具有的良好性能 是一种新型铸铁 蠕墨铸铁的牌号用蠕铁两汉字拼音字首 RuT 与一组数字表示 数字代表最低抗拉强度 如RuT380表示最低抗拉强度为380MPa的蠕墨铸铁 蠕墨铸铁广泛应用于生产中 如RuT380 RuT420主要用于制造汽车刹车鼓 活塞环 汽缸套 制动盘等 RuT340可用于制造汽车刹车鼓 飞轮 汽缸盖等 RuT260可制造汽车 拖拉机的某些底盘零件等 见图2 2 10 任务二汽车常用金属材料 项目二汽车常用工程材料 四 铝及铝合金当前 全球汽车工业的发展趋势是减重节能 因此 为了实现汽车轻量化 各汽车制造厂家都扩大了铝 镁合金和塑料的应用 铝及铝合金的密度小 属轻金属 有关试验测定 若采用铝合金制造汽车的缸体和车身 整个汽车的自重可减轻40 这样 汽车的速度和载重增大了 而蚝油量却能相应的减小 任务三汽车材料的热处理 项目二汽车常用工程材料 一 普通热处理 任务三汽车材料的热处理 项目二汽车常用工程材料 二 表面热处理有些零件如齿轮 销轴等 使用时希望它的心部保持一定的韧性 又要求表面层具有耐磨性 抗蚀性 抗疲劳性 这些性能可通过表面热处理来得到 表面热处理按处理工艺特点可分为表面淬火和表面化学热处理两大类 1 表面淬火 钢的表面淬火是通过快速加热 将钢件表面层迅速加热到淬火温度 不等热量传到工件内层就予以快速冷却下来的热处理工艺 1 火焰加热表面淬火其工艺方法是利用可燃气体 如乙炔 的火焰将工件表面快速加热到淬火温度 然后立即用水喷射冷却 通过控制火焰喷嘴的移动速度可获得不同厚度的淬硬层 此法适用于单件或小批量零件的表面淬火 2 感应加热表面淬火是利用在交变电磁场中工件表面产生的感生电流将工件表面快速加热 并淬火冷却的一种热处理工艺 项目二汽车常用工程材料 图2 3 2感应加热表面淬火原理示意图 任务三汽车材料的热处理 项目二汽车常用工程材料 任务四汽车非金属材料 汽车常见非金属材料 一 塑料 表2 4 1汽车常用塑料的种类 特性及用途 塑料在汽车上的应用发展很快 从最初的内饰件和小机件 发展到可代替金属制造各种配件 近年来 全塑料车身汽车也已问世 仅用塑料代替金属 既可获得汽车轻量化的效果 还可改善汽车某些性能 如耐磨 防腐 避振 减少噪声等 因此 随着汽车工业的不断发展 塑料越来越受到人们的重视 任务四汽车非金属材料 项目二汽车常用工程才料 二 橡胶 1 天然橡胶2合成橡胶 任务四汽车非金属材料 项目二汽车常用工程材料 三 汽车玻璃 1 钢化玻璃2 区域钢化玻璃3 夹层玻璃 四 陶瓷材料陶瓷是各种无机非金属材料的通称 是现代工业中很有发展前途的一类材料 传统陶瓷 亦称普通陶瓷 是以天然的硅酸盐矿物质 高岭土 长石和石英等 为原料配制成的 传统陶瓷质地坚硬 有良好的抗氧化性 耐蚀性和绝缘件 能耐一定高温 它成本低 生产工艺简单 广泛应用于日用 电气 化工 建筑等部门 如装饰瓷 餐具 绝缘子 耐蚀容器 管道 设备等 新型陶瓷 亦称特种陶瓷 是以化工原料 氧化物 氮化物 碳化物等 经配料 成形 烧结而成 它可分为氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 这类陶瓷在汽车上的应用包括两个方面 一方面用于功能材料 如氧传感器 水温传感器等 如图2 4 3所示 另一方面用于结构性的部件 如火花塞 隔热板 活塞等 陶瓷具有很高的抗压强度和硬度 优良的耐高温 耐磨损 抗氧化性 隔热性和耐腐蚀性等一系列有点 但质脆 受力后不易产生塑性变形 韧性低 成型加工时间长 急冷急热时性能较差等缺点 任务四汽车非金属材料 项目二汽车常用工程材料 五 复合材料 1 复合材料的特性 1 比强度和比刚度较高 2 抗疲劳性能良好 3 能耐高温 4 安全性好 5 成型工艺简单 六 粘结剂粘结剂 亦称粘合剂 它用于材料的粘结或填补零件的裂纹 孔洞及其他缺陷 粘结剂具有较高的粘结强度和良好的耐水 耐油 密封性 耐蚀性和绝缘性等性能 由于利用粘结剂进行汽车零件的修复具有工艺简单 效果可靠 成本低 不会使零件变形及组织发生变化等优点 故在汽车维修中得到广泛的应用 七 石棉制品 八 纸板制品 任务四汽车非金属材料 项目二汽车常用工程材料 任务描述 汽车上很多零部件都是通过铸造 焊接 锻压等工艺成型的 这三种也是金属材料成型的主要方法 进一步了解和学习铸造 焊接 锻压的特点和工艺过程 对我们提高汽车的技术性能和使用寿命有着重要的作用 知识准备 一 铸造1 铸造基础铸造是熔炼金属 制造铸型 并将液态金属浇注到铸型型腔中 待其冷却凝固后 获得一定形状和性能的毛坯或零件的成形方法 铸件表面比较粗糙 尺寸精度不高 一般作为毛坯 需经切削加工方能制成零件 少数精密铸件也可直接使用 例如用特种铸造的方法生产的某些零件 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 铸造生产具有以下特点 1 铸造可以制成形状复杂 特别是内腔形状复杂的零件毛坯 如汽车发动机的缸体 缸盖 变速箱壳体 进排气支管 驱动桥壳体 机床车身等 见图3 1 1 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车金属制造工艺 a 发动机缸体 缸盖 b 变速箱壳体 c 进排气支管图3 1 1常见汽车铸件 2 铸件的质量大小范围很宽铸件的质量轻则几克 重则数百吨 壁厚可以从0 5mm到几百毫米 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车金属制造工艺 3 铸造材料应用广泛常用的金属材料都可用于铸造 对于那些塑性很差的合金 生铁 青铜 铸铝合金等 铸造是制造零件毛坯的唯一发法 4 铸造成本低铸造一般都不需要昂贵的设备 铸造毛坯的形状和尺寸接近于零件 节约金属 减少切削加工量 铸造材料来源广泛 可以回收报废几件 废钢和切屑等 5 铸造生产工艺复杂 生产周期长 铸件力学性能较差 劳动强度大 且易造成对环境的污染 铸造的缺陷较多 质量难以控制 废品较多 2 合金的铸造性能 金属或合金的铸造性能主要指金属或合金的流动性和收缩性 这些性能对于是否容易获得优质铸件是至关重要的 1 金属或合金的流动性 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车金属制造工艺 2 铸件的凝固与收缩 液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩 凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩 液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因 固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩 固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大 是铸造应力 变形和裂纹等缺陷产生的基本原因 3 砂型铸造 砂型铸造是指用型砂紧实成形的铸造方法 其生产过程主要由配砂 造型 制芯 合箱 熔炼 浇注和清理和检验 例如 套筒铸件的生产过程如图3 1 2所示 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车金属制造工艺 图3 1 2套筒铸件的生产过程 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车金属制造工艺 4 特种铸造 与砂型铸造不同的其他铸造方法称为特种铸造 常用的特种铸造方法如下 1 熔模铸造 图3 1 4熔模铸造工艺过程 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车金属制造工艺 2 金属型铸造 3 压力铸造 4 离心铸造 图3 1 5离心铸造示意图 项目三汽车金属制造工艺 二 焊接 焊接是通过加热或加压 或者两者并用 使两个分离的金属达到原于结合 连接成一个整体的加工方法 焊接是一种不可拆连接 它不仅可以连接各种同类的金属 也可以连接各种不同类金屈 焊接的方法很多 按焊接的结合特点可分为熔焊 压焊和钎焊三大类 1 熔焊 熔焊是指焊接过程中将工件接头加热至熔化状态 不加压力完成焊接的方法 其是最基本的焊接方法 在焊接生产中占主导地位 常见的熔焊方法有气焊 电弧焊 电渣焊等 2 压力焊 压焊是指焊接过程中对工件施加压力 加热或不加热 完成焊接的方法 压焊只适用于塑性较好的金属材料的焊接 常见的压焊方法有电阻焊 摩擦焊等 任务一金属材料的铸造与焊接 项目三汽车常用工程材料 任务一金属材料的铸造与焊接 3 钎焊 钎焊是将比母材 被焊接的材料的总称 熔点低的填充金属 钎料 熔化之后填充工件接头间隙 并与固态母材相互扩散实现连接的焊接方法 1 手工电弧焊 手工电弧焊是电弧焊中的一种 手工电弧焊是利用电弧放电时产生的热量 温度高达3600 来熔化母材金属和焊条 从而获得牢固接头的焊接过程 手工电弧焊设备简单 使用灵活 方便 适用于任意空间位置的焊接 但生产率低 劳动强度大 焊接质量决定于焊工的技术水平 图3 1 6手工电弧焊 a 交流电焊机 b 直流电焊机 图3 1 7电焊机 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 图3 1 8电焊条 2 手工电弧常用设备与工具 电弧焊机 图3 1 7电焊机 常用工具除了弧焊机外 手工电弧焊还常用到电焊钳 面罩 手锤 焊条保温筒 钢丝刷 皮手套 皮足盖 绝缘胶鞋等防护用具 焊条 图3 1 8电焊条 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 3 手工电弧焊的基本操作 手工电弧焊的焊接步骤一般包括引弧 运条 接头 收尾和焊后清理等几个环节 图3 1 9常用的运条方法 4 焊接工艺 焊接的基本接头形式有对接 搭接 角接和T形接四种 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 a 对接 b 搭接 c 角接 d T形接 图3 1 10常见焊接接头形式 图3 1 11对接接头坡口形式 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 图3 1 12焊缝的空间位置 焊条直径焊条直径主要根据焊件厚度来选择 焊接厚板时应选较粗的焊条 表3 1 1为平焊时焊条直径与焊件厚度的关系 表3 1 1焊条直径与焊件厚度的关系 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 图3 1 13气焊气割装置图 2 气焊与气割 利用可燃气体与助燃气体混合物燃烧所释放出的热量来熔化焊件和焊丝的一种焊接方法称为气焊 气割是使气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后 喷出高速切割气流 使其燃烧并放出热量实现切割的方法 其加热的原理与气割相同 气焊与气割使用的可燃气体目前大多是乙炔气 助燃气体是氧气 它的设备与工具主要有氧气瓶 乙炔瓶 减压器 焊炬 割炬等 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 3 汽车常用其它焊接方法 1 二氧化碳气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳作为保护气体的一种电弧焊方法 它通过焊件和焊丝作电极 产生焊接电弧 并通入已干燥和预热的二氧化碳气体对焊接区进行保护而焊接的 图3 1 14二氧化碳气体保护焊图3 1 15氩弧焊过程原理图 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 2 氩弧焊氩弧焊是以氩气作为保护气体的电弧焊方法 氩气是惰性气体 它与焊缝金属既不发生化学反应 又不溶于液态金属 且密度比空气大 可有效地保护熔池 焊缝无渣壳 表面光洁 焊接质量稳定可靠 因氩气是单元子气体 且导热系数小 高温时不分解吸热 电弧热量损失小 所以氩弧一旦引燃 电弧就很稳定 由于氩弧焊是明弧焊接 便于观察熔池 进行控制 可进行各种位置的焊接 且易于实现自动控制 但氩气价格贵 焊接成本高 氩弧焊主要分为不熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊 3 电阻焊电阻焊又称接触焊 是电流通过焊件接头处的接触面及其临近区域产生的电阻热 将焊件加热到塑性状态或局部熔化状态 同时施加机械压力进行焊接的一种加工方法 这种焊接方法是电阻热起着最主要的作用 故称电阻焊 又因在焊接过程中两工件间的接触起着重要作用 故又称接触焊 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 4 常用金属材料的焊接 电阻焊的主要特点是 低电压 1 12V 大电流 几千至几万安培 完成一个焊接接头的时间极短 0 01秒至几秒 所以生产率很高 加热时 对接头施加机械压力 接头在压力的作用下焊合 焊接时 不需要填充金属和焊药 1 铸铁 2 碳钢 3 铝及铝合金 4 铜及铜合金 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 5 常见的焊接缺陷 在焊接过程中 由于结构设计不合理 材料不符合要求 焊前准备工作不仔细 焊接工艺或操作不当等因素 焊接接头会产生不符合设计或工艺要求的缺陷 主要有气孔 夹渣 裂纹 未焊透 焊瘤 咬边等 a 气孔 b 夹渣 c 裂纹 d 未焊透 图3 1 16常见焊接缺陷 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 e 焊瘤 f 咬边图3 1 16常见焊接缺陷 6 焊接应力与变形 1 焊接应力 a 加热状态下的应力 b 冷却状态下的应力 图3 1 17平板对焊时的应力 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 2 焊接变形的形式 焊接时 在任何情况下焊接应力总是存在的 当焊接应力超过该材料相应温度的屈服应力时 焊件将产生变形 超过材料的断裂应力时 焊件将会产生裂纹甚至断裂 焊接变形的基本形式有角变形 弯曲变形 波浪变形 收缩变形 扭曲变形 错边变形等 见图3 1 18 图3 1 18焊接变形 项目三汽车金属制造工艺 任务一金属材料的铸造与焊接 平板对接焊 角焊 图3 1 19反变形法 3 减少焊接变形的措施 反变形法 见图3 1 19 锤击焊缝法 选择合理的焊接工艺 刚性夹持法 项目三汽车金属制造工艺 任务二金属材料的压力加工 知识准备 金属压力加工是在外力的作用下 使金属坯料产生塑性变形来获得满足形状 尺寸和力学性能要求的零件或毛坯的加工方法 压力加工在现代工业中占有非常重要的地位 被广泛地应用于工业生产的各个领域 例如 各种原材料 运输车辆与交通工具 电气设备等 金属压力加工具有以下工艺特点 1 制件组织致密 力学性能高压力加工能使原始铸态组织的晶粒细化 使内部缺陷 如缩松 气孔 微小裂纹等 被压合 从而组织变的致密 提高了力学性能 2 具有较高的生产率 3 精密压力加工能实现少或无切削加工 节省金属材料 4 与铸造和焊接相比 金属压力加工设备复杂且难以生产形状复杂的零件 项目三汽车金属制造工艺 任务二金属材料的压力加工 自由锻造是用冲击力或压力使金属材料在上下两个砧块之间产生塑性变形 以获得所需形状和尺寸锻件的工艺方法 金属坯料在抵铁间受力变形时 除打击方向外 朝其他方向的流动基本不受限制 锻件形状和尺寸由锻工的操作技术来保证 一 锻造 锻造是汽车零件的生产制造中不可缺少的重要加工方法之一 例如汽车发动机所使用的曲轴 连杆 凸轮轴 前桥所需的前梁 转向节 后桥使用的半轴 半轴套管 桥箱内的传动齿轮等 如图3 2 1所示 a 转向节 b 半轴套管 c 连杆 d 转向节臂 图3 2 1汽车常用锻件 1 自由锻造 项目三汽车金属制造工艺 任务二金属材料的压力加工 图3 2 2空气锤 1 镦粗 镦粗是使毛坯高度减小 而横截面增大的锻造工艺方法 这种工序常用于锻造齿轮坯和其他圆盘形类锻件 镦粗主要有以下三种形式 见图3 2 3 完全镦粗 端部镦粗 中间镦粗 a 完全墩粗 b 一端墩粗 c 中间墩粗 图3 2 3墩粗 项目三汽车金属制造工艺 任务二金属材料的压力加工 2 拔长 拔长是使坯料的长度增加 截面减小的锻造工序 图3 2 4 通常用来生产轴类件毛坯 如车床主轴 连杆等 a 平砧上拔长 b 在芯轴上拔长 图3 2 4拔长 3 冲孔 3 冲孔 冲孔是指在毛坯上冲出透孔或不透孔的锻造工艺方法 项目三汽车金属制造工艺 任务二金属材料的压力加工 图3 2 5单面冲孔 图3 2 6双面冲孔 4 弯曲 弯曲是将毛坯弯成所规定外形的锻造工艺方法 图3 2 7 a 角度弯曲 b 角度弯曲 c 成形弯曲 图3 2 7弯曲 项目三汽车金属制造工艺 任务二金属材料的压力加工 图3 2 8切割 5 切割 切割是将毛坯分割成几部分或切除余料的锻造工艺方法 图3