汽车机械基础模块1.pdf

基本理论知识】 力学性能是指金属材料受到不同性质的载荷(分为 拉力、压力、转矩等)的作用所表现出的性能，包括强 度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等指标 1.强度 金属在载荷作用下，抵抗塑性变形和不受损坏的能力 称为强度 按所受载荷的不同强度分为抗拉、抗压、抗剪、抗扭、抗弯曲几 种材料单位面积上的作用力叫应力 金属在外载荷作用下，变形一般可分为三个阶段：弹性变形、塑性变形和 断裂对应的力学性能的强度指标： 弹性极限、屈服极限、强度极限 以上三个强度指标有重要的实际意义例如：汽车上 许多零件都不允许过量的塑性变形，如气缸盖的螺栓就是 以屈服极限为设计依据 2.硬度 硬度是指金属抵抗外物压入其表面的能力 应用最广泛的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度 (1)布氏硬度布氏硬度是用直径为D的淬硬圆钢球以载荷 FP压入被测材料表面，保持一定时间，卸除载荷，测量被 测材料表面压痕直径d，算出压痕球面积A，再计算出FP/A 的大小作为材料的硬度指标，用符号HBW表示 布氏硬度只适用于硬度较低、尺寸较大的金属材料 ，广泛应用于退火或调质后的钢件、灰铸铁和有色金属等 较软的材料的测量 3.塑性 塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被 破坏的能力。

材料具有良好的塑性有利于冷冲压成形加工 ，如汽车外壳、车厢板、油箱等就应选择塑性良好的材料 衡量塑性好坏的指标是伸长率和断面收缩率 4.韧度 汽车运行时，许多零件如发动机曲轴、弹簧钢板、 大梁等在汽车起动、制动及速度突然改变时都会受到突然 施加的外力作用，这种突然施加的外力称为冲击载荷此 时，零件不仅要有较高的强度和硬度，还要有足够的冲击 韧度，以防止零件受冲击载荷而损坏目前，衡定材料韧 度的方法是摆锤式一次能量冲击实验和小能量多次冲击实 验 5.疲劳 许多汽车零件，如齿轮、钢板弹簧、曲轴等在工作 时承受的载荷所产生的应力大小、方向呈周期性变化， 此应力称为交变应力在其交变应力长期作用下，有时 甚至在低于屈服极限时就突然断裂，这种现象称为金属 的疲劳或疲劳断裂 金属的疲劳主要是由于材料的表面或内部缺陷(如加 工刀痕、裂纹、软点、夹杂、夹角等应力集中源)造成的 ，也和交变应力的大小、循环次数有关系 【基本理论知识】 1.碳素钢的基本知识 以铁(Fe)为基础的铁碳合金统称为钢铁材料，它是 由许多元素组成的多成分复杂合金，但最基本是由铁和 碳两种元素组成 碳的质量分数低于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简 称碳钢；碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸造生 铁。

碳钢的力学性能可以满足许多零件和工具的要求， 又有良好的工艺性能，而且生产方便、价格低廉，因此 在汽车、拖拉机行业得到广泛应用 2.碳钢的分类 (1)按碳的质量分数分类碳是决定钢性能的主要元 素，当钢中碳的质量分数低于0.77%时，含碳量越高，钢 的强度和硬度越高，塑性和韧度越低当碳的质量分数超 过1.0%以后，钢的硬度仍将上升，但强度、塑性、韧度都 将显著下降，脆性也增大 低碳钢：碳的质量分数低于0.25%，在建筑上应用很广， 如钢筋、普通型钢等 中碳钢：碳的质量分数介于0.25%0.60%之间，可用于制 造传动零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等 高碳钢：碳的质量分数高于0.60%(一般不高于1.30%)，主 要用于制造工具，如锉刀、锯等 (2)按钢的品质分类即根据钢中有害杂质元素(硫S、磷 P)的质量分数多少分类碳钢通常分为： 普通碳素钢：钢中S、P质量分数不高于0.055%和0.045% 优质碳素钢：钢中S、P质量分数均小于0.035% 高级优质碳素钢：钢中S、P质量分数不高于0.020%和0.030% (3)按钢的用途分类碳素结构钢，主要用于制造机械零 件和工程构件(如齿轮、轴、螺钉、桥梁、建筑等的构件 )，其碳的质量分数在0.70%以下。

碳素工具钢：主要用于制造刀具、量具、模具此 类钢均为高碳钢，一般质量分数在0.70%1.35%之间 3.碳素结构钢在汽车中的应用 碳素结构钢按其品质不同可分为普通碳素结构钢和 优质碳素结构钢 (1)普通碳素结构钢的应用普通碳素结构钢含硫、磷及 其他杂质较多，但价格低廉、产量高，所以大量用于金属 结构或汽车上要求不高的零件 (2)优质碳素结构钢的应用优质碳素结构钢含硫、磷 及其他杂质较低，既保证钢的化学成分,又保证钢的力学 性能此类钢多经过热处理后使用，用于制造要求较高的 零件 4.铸钢在汽车中的应用 铸钢的力学性能有些已达到或接近轧制碳素钢的性 能，且可以用铸造的方法生产形状复杂、尺寸大的工件 牌号用“铸钢”两字汉语拼音的首字母“ZG”和两组 数字表示屈服强度和抗拉强度 5.钢的热处理 热处理是将钢加热到一定温度，保温一定时间，然 后以选定的冷却速度和方法冷却，改变钢的内部组织结构 ，从而改善钢的性能的一种工艺方法热处理是强化钢材 ，使其发挥潜在能力的重要工艺措施汽车工业中70%8 0%的零件需要经过热处理工序 钢的热处理分为普通热处理和表面热处理两类普 通热处理根据加热温度和冷却速度不同又分为退火、正火 、回火和淬火；表面热处理又分为表面淬火和化学热处理 。

具体热处理工艺见表13-4 【基本理论知识】 1.合金钢的基本知识 合金钢就是在碳钢的基础上，为提高钢的力学性能 或为获得某些特殊的物理化学性能而特意加入含量在一定 范围的一种或多种合金元素而形成的一类钢 合金元素在合金钢中的作用是非常复杂的，且各种不 同元素对合金钢性能的影响也不相同 但是，大部分合金钢，特别是含碳量及合金元素含量 较高时，合金钢的脆性增大，其工艺性能不如碳素钢 2.合金钢的分类与牌号 (1)按用途分类 1)合金结构钢：主要用于重要的机械零件和工程结构采用“两位数字 (碳的质量的万分数)+元素符号+数字(合金元素的百分数，质量分数小 于1.5%时不标)”来表示 2)合金工具钢：主要用于重要的工模具、量具、刃具等合金工具钢的 牌号和合金结构钢的区别仅在于含碳量的表示方法碳的质量分数小于 1.0%时，首部用一位数字表示含碳量的千分数，大于等于1.0%时，不标 3.合金结构钢在汽车中的应用 在生产实际中应用最广的合金结构钢，按用途可分 为低合金结构钢(工程用钢)和机械制造用钢两类后者 常用的有：合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚 动轴承钢 低合金结构钢在汽车上的应用见表13-5。

【基本理论知识】 铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金 1.铸铁的基本知识 (1)灰铸铁此类铸铁中碳大部或全部以强度极低、很软 的石墨形式存在，断口呈暗灰色抗拉强度、疲劳强度低 ，塑性、韧性很差，但有良好的切削加工性能、耐磨性、 润滑性和减振性还有良好的铸造性 牌号用“灰铁”两字汉语拼音的首字母“HT”和一组数字 表示，数字表示抗拉强度(MPa) 2.铸铁在汽车中的应用 1)灰铸铁是应用最广泛的一种铸铁，对于力学性能要求不高而形状复杂的零件 ，如气缸体、气缸盖、变速器箱体等均可用灰铸铁制造灰铸铁在汽车上的应 用见表13-9 2)可锻铸铁适用于制造一些形状复杂、强度和韧性要求较高的薄截面零件，如 后桥壳、轮毂、制动踏板、钢板弹簧支架等可锻铸铁在汽车上的应用见表13 -10 3)球墨铸铁性能与钢相似，价格又比钢便宜，所以在汽车中应用广泛球墨铸 铁在汽车上的应用见表13-11 【基本理论知识】 通常把铁和铁碳合金称为黑色金属，把黑色金属以 外的金属及其合金称为有色金属汽车上一些零件必须 用有色金属材料制造，以满足其特殊要求汽车上常用 的有色金属主要有铝、铜及其合金。

1.铝及铝合金 纯铝因其强度低、切削性能差、焊接性能差等特点， 在汽车工业中很少应用而铝合金因其具有强度高、质量 轻等优点，得到广泛应用 铝合金就是在铝中加入适量的Si、Cu、Mg、Mn等元素 后组成的合金按其成分和工艺特点，分为变形铝合金和 铸造铝合金 (2)铸造铝合金铸造铝合金简称铸铝其种类很多，常 用的有铝-硅系、铝-铜系、铝-镁系和铝-锌系等合金 铸铝的牌号用“ZL”及三位数字表示第一位表示铝 合金的类别(1：铝-硅系2：铝-铜系3：铝-镁系4：铝-锌 系)，第二、三位表示合金的顺序号 2.铜及铜合金 纯铜呈紫红色，具有良好的导电性、导热性、耐蚀 性和塑性，但强度、硬度不高，价格贵，故一般不直接 制作构件常用的是铜合金在汽车上只有个别场合应 用纯铜，例如气缸垫、进排气管垫、轴承垫片、一些管 接头、制动管、散热管、油管和电器接头等 常用的铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类 常用的铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类 (1)黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金，又分为普通 黄铜和特殊黄铜 1)普通黄铜：仅由铜和锌两种元素组成牌号用“H”加 数字表示，数字表示铜的质量分数，其余为锌。

2)特殊黄铜：在普通黄铜中加入其他合金元素组成的合金 常加入的元素有锡、硅、锰、铅、铝等，分别称为锡黄 铜、硅黄铜、锰黄铜牌号用“H”+元素符号+若干组 数字表示，第一组数字表示铜的质量分数，第二组数字表 示主加元素的质量分数，数字间用短线分开 例如，HPb59-1表示铜的质量分数为59%，铅的质量分数为 1%的铅黄铜 3)黄铜在汽车上的应用见表13-13 (2)青铜除了黄铜和白铜(铜和镍的合金)外，所有 的铜基合金都称为青铜分为锡青铜和无锡青铜 1)锡青铜：以锡为主加元素的铜合金具有良好的强度、 硬度、耐磨性和铸造性适用于铸造形状复杂、壁厚较大 的零件 2)无锡青铜：由于锡价格贵，所以出现了在铜中不加锡， 而是添加铝、镍、锰、硅、铍、铅等元素，这些青铜称为 无锡青铜或特殊青铜无锡青铜具有高的强度、高耐磨性 及良好的耐蚀性，有的无锡青铜还有高的导电性和导热性 1. 汽车齿轮的选材 齿轮材料主要性能要求是：具有高疲劳强度和接触 疲劳强度齿心应有足够的冲击韧度，以防止轮齿受冲击 过载时断裂 汽车齿轮主要安装在变速器和差速器中，通过齿轮 改变传动比、增加扭矩、调节转速、推动汽车运行。

因此 ，汽车齿轮受力大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、 心部强度以及冲击韧度等，均要求高于机床齿轮故采用 调质钢高频淬火不能满足要求，一般选用低碳钢进行渗碳 处理来作重要齿轮应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20Cr MnTi，并经渗碳、淬火和低温回火处理 2. 汽车轴类零件 汽车上一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装在轴上， 所以轴主要起传递运动和转矩的作用轴类零件选材除主要 考虑强度外，同时也要考虑材料的冲击韧度和耐磨性轴一 般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造 碳钢经济性好，并且有一定的综合力学性能，对应力集中敏 感性小，所以一般轴类零件使用较多常用的优质碳素结构 钢有：35、40、45、50等，其中45钢最常用 合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能，但对应 力集中敏感性高、价格贵，当载荷大并且要求限制轴的外形 、尺寸和质量，或耐磨性要求高时采用合金钢常用的合金 钢有：20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等 3. 汽车弹簧材料 汽车弹簧的种类很多，使用条件和环境各不相同 按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭转弹簧)、板 弹簧、蜗卷弹簧几种。

汽车板弹簧用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力 和冲击载荷作用，需要高的屈服强度和?疲劳强度，一 般选用65Mn、60Si2Mn钢制造中型或重型汽车板弹簧 用50CrMn、55SiMnVB钢，重型载重汽车板弹簧用55SiMn MoV，55SiMnMoVNb钢制造 4. 气缸体、缸套和缸盖 气缸体工作时承受较大的机械负荷和复杂的热负荷 ，要求其具有足够的强度和刚度，减小变形，保证尺寸稳 定，且有良好的铸造性和切削性缸体常用材料有灰口铸 铁和铝合金两种铝合金密度。