1.3 機械零件的主要失效形式和設計準則

1.3.1 機械零件的主要失效形式

機械零件在規(guī)定的時間內和規(guī)定的條件下不能完成規(guī)定功能的現(xiàn)象，稱為失效。機械零件的主要失效形式有以下幾種。

1．斷裂

在載荷的作用下，當某一危險截面上的應力超過零件的強度極限時，零件就會發(fā)生過載斷裂；零件在循環(huán)變應力的長期作用下會發(fā)生疲勞斷裂。疲勞斷裂是零件的主要失效形式。

2．表面失效

表面失效發(fā)生在機械零件的工作表面上，其主要形式有磨損、疲勞點蝕和腐蝕，它們都是隨工作時間的延續(xù)而逐漸發(fā)生的失效。作相對運動的零件接觸表面都有可能發(fā)生磨損；在交變接觸應力作用下工作的零件表面都有可能發(fā)生疲勞點蝕；處于潮濕空氣中或與水、氣以及其他腐蝕性介質相接觸的金屬零件，均有可能發(fā)生腐蝕。表面失效會影響零件表面精度，改變零件表面尺寸和形狀，使運動性能降低，摩擦增大，能耗增加，嚴重時會導致零件喪失工作能力。

3．過量變形

機械零件受載荷作用時，必然會發(fā)生彈性變形。在允許范圍內的微小彈性變形，對機器影響不大；但過量的彈性變形會使零件或機器不能正常工作，有時還會造成較大振動，使零件損壞。如果作用于零件上的應力超過了材料的屈服強度，零件將產(chǎn)生塑性變形，這會造成零件的尺寸和形狀改變，破壞零件間的相互位置和配合關系，使零件和機器不能正常工作。

4．非正常工作條件而引起的失效

有些零件只有在一定的條件下才能正常工作，否則就會引起失效。如V帶傳動，只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常地工作，否則帶傳動將發(fā)生打滑失效。

1.3.2 機械零件的設計準則

為了保證所設計的機械零件能安全、可靠地工作，在進行設計工作之前，應建立相應的設計準則。設計準則的確定應該與零件的失效形式緊密聯(lián)系起來。同一種零件可能有不同的失效形式，對應于各種失效形式就會有不同的工作能力。根據(jù)不同的失效形式建立起來的工作能力的判定條件，稱為設計準則。機械零件的設計準則主要有以下幾種。

1．強度準則

強度是機械零件首先應滿足的基本要求。為了保證零件具有足夠的強度，應使零件在載荷作用下其危險截面或工作表面上的工作應力σ或τ不超過零件的許用應力[σ]或[τ]，有

2．剛度準則

為了保證零件具有足夠的剛度，設計時應使零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量y小于或等于機器工作性能所允許的極限值，即許用變形量[y]，有

3．耐磨性準則

耐磨性是指零件抵抗磨損的能力。零件過度磨損會改變其結構形狀和尺寸，削弱其強度，降低精度和效率，以致零件失效。因此，設計時應使零件的磨損量不超過允許值。有關磨損的計算，常采用條件性計算，即使接觸表面上的正壓力p與pv值小于或等于許用值[p]和[pv]，有

式中，v為零件工作表面的相對滑動速度。

4．散熱性準則

在兩零件發(fā)生劇烈摩擦處會產(chǎn)生大量的熱。若散熱不良，零件溫度升高，則會改變兩零件的結合性質，破壞正常潤滑條件，使零件不能正常工作，甚至導致金屬局部熔融而產(chǎn)生膠合或引起燃燒。要滿足散熱性準則，就應對發(fā)熱較大的零部件（如蝸桿傳動、滑動軸承等）進行熱平衡計算，其工作溫度t不超過許用工作溫度[t]，有

5．振動穩(wěn)定性準則

機器在運轉中一般都會有振動，輕微的振動并不妨礙機器的正常工作，但劇烈的振動將影響機器的正常運轉，甚至會造成破壞性事故。機器中存在著很多周期性變化的激振源，如齒輪的嚙合、滾動軸承的振動、彈性軸的偏心轉動等，如果某一零件本身的固有頻率與激振源的頻率重合或成整數(shù)倍關系，這些零件就會發(fā)生共振，其振幅將急劇增大，以致零件被破壞或整個機器工作失常。振動穩(wěn)定性準則就是防止高速運轉的機器發(fā)生共振，從而使其轉速避開共振區(qū)域。

6．可靠性準則

衡量零件可靠性的指標是可靠度R。在規(guī)定時間內（或作用次數(shù)、距離等）和規(guī)定的使用條件下，零件無故障地發(fā)揮規(guī)定功能的概率稱為可靠度，其表達式為

式中，N0為在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定時間（壽命）內試驗零件的總數(shù)；Ns為正常工作零件數(shù)；Nf為失效零件總數(shù)，即N0=Ns+Nf。

提出可靠度要求時，要綜合考慮到實際的技術水平、對零件的工作要求和經(jīng)濟性等。

1.3.3 機械零件設計的一般步驟

機械零件是組成機器的基本要素。零件的種類不同，其具體的設計步驟也不一樣，但一般可按下列步驟進行：

（1）類型和結構選擇。根據(jù)零件功能要求、使用條件及載荷性質等選擇零件的類型和結構。

（2）受力分析。分析零件的工作情況，計算作用在零件上的載荷。

（3）選擇材料。由零件的工作條件及對零件的特殊要求等，選擇合適的材料及熱處理方法。

（4）確定設計準則。根據(jù)工作情況分析零件的失效形式，從而確定其設計準則。

（5）理論設計計算。根據(jù)設計準則計算并確定零件的主要尺寸。

（6）結構設計。根據(jù)工藝性要求及標準化等進行零件的結構設計。

（7）精確校核。對重要的零件，結構設計完成后還應進行精確的校核計算，若不合適，應對結構設計進行修改。

（8）繪制零件工作圖。零件設計的最終結果是用零件工作圖來表示。零件工作圖上不僅要標注詳細的尺寸，還要標注配合尺寸的尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度及技術條件等。（9）編寫計算說明書。將設計計算的過程整理成設計計算說明書，作為技術文件備查。