1.3　機械零件的設計準則

1.3.1　機械零件的主要失效形式

機械零件由于某些原因不能在既定的工作條件和使用期限內正常工作，即喪失工作能力或達不到設計功能的現象，稱為失效。機械零件的主要失效形式有以下幾種。

1.3.1.1　整體斷裂

零件在承受過大載荷時，某一危險截面的應力超過零件的強度極限時，會發生斷裂，這種斷裂稱為過載斷裂；若零件受變應力長期作用而發生的斷裂，稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是多數機械零件的主要失效形式。整體斷裂是零件的嚴重失效形式，它不僅使零件喪失工作能力，而且還會造成嚴重的人身和設備事故，應力求避免。

1.3.1.2　零件的表面破壞

由于機器中各零件接合面之間都是靜和動的接觸關系，載荷作用于接合表面，就在接合表面產生摩擦，環境介質也包圍于零件工作表面，故零件的損傷與破壞常發生于零件工作表面。零件的表面失效主要有腐蝕、磨損、接觸疲勞等。

腐蝕是發生在金屬表面的一種電化學或化學侵蝕現象，其結果是零件表面發生銹蝕，從而使零件表面遭到破壞。磨損是兩個零件的接觸表面在作相對運動的過程中零件表面物質喪失或轉移，致使零件不能正常工作。對于承受變應力的零件，會造成零件表面的疲勞腐蝕破壞。

1.3.1.3　過大的殘余變形

零件在工作中發生嚴重過載，即零件承受的應力超過零件材料的屈服極限時，零件將產生塑性變形，這不僅會改變零件的尺寸和形狀，破壞零件間的配合關系，也會使零件喪失工作能力。

1.3.1.4　破壞正常工作條件而引起的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，如帶傳動，只有在傳遞的有效圓周力小于帶與帶輪之間的臨界摩擦力時才能正常地工作，否則就會發生打滑失效。

1.3.2　機械零件的工作能力計算準則

進行機械零件設計時，必須根據零件的失效形式分析失效的原因。在不發生失效的條件下零件所能安全工作的限度，稱為機械零件的工作能力或承載能力。對于具體的零件，其失效形式取決于該零件受載情況、結構特點和工作條件等因素。針對不同失效形式建立的判定零件工作能力的條件，稱為機械零件的工作能力計算準則，主要包括以下幾種。

1.3.2.1　強度準則

強度是零件抵抗整體斷裂、塑性變形和表面失效（磨粒磨損及腐蝕除外）的能力。強度準則就是指零件中（或表面）的最大應力不得超過允許的極限值。零件強度的計算條件為：

σ≤[σ]或τ≤[τ]（1-1）

式中：σ——零件危險截面的最大計算正應力，MPa；

τ——零件危險截面的最大計算切應力，MPa；

[σ]——零件的許用正應力，MPa；

[τ]——零件的許用切應力，MPa。

1.3.2.2　剛度準則

剛度是零件承受載荷后抵抗彈性變形的能力。剛度準則是指零件在載荷作用下產生的最大彈性變形量y小于或等于機器工作性能所允許的極限變形量[y]。零件剛度的計算條件為：

y≤[y]（1-2）

式中：y——零件工作時的最大彈性變形量；

[y]——零件工作時的許用變形量。

1.3.2.3　耐磨性準則

機械中凡是具有相對運動或相對運動趨勢的接觸表面都存在摩擦。摩擦表面物質在相對運動中不斷損耗，造成形狀和尺寸逐漸改變的現象稱為磨損。一般情況下，零件的磨損過程大致可以分為三個階段：第一階段是磨合磨損階段，當新機器在運轉初期，通過逐漸增大載荷，快速磨去零件制造時表面遺留下來的波峰尖部，隨著波峰的降低，接觸面的實際面積增大，磨損速度逐漸減緩，零件進入穩定磨損階段；第二階段是穩定磨損階段，零件的磨損是緩慢而穩定的，其對應的時間就是零件的使用壽命；第三階段是劇烈磨損階段，組成運動副的零件之間的間隙明顯增大，溫升劇增，機械效率大幅度下降，并伴有異常的振動和噪聲，此時應立即檢修，更換零件。

按照破壞機理機械磨損可分為磨粒磨損、黏著磨損（也稱膠合）、表面疲勞磨損（又稱疲勞點蝕）和腐蝕磨損四種基本類型。

機械零件耐磨性是指做相對運動的零件工作表面抵抗磨損的能力。由于機械零件磨損破壞機理復雜，除表面疲勞磨損外，其他類型的機械磨損目前尚無公認的定量計算方法，一般采用條件性計算。例如，對于非液體摩擦，為了防止接觸表面油膜破壞而產生過度磨損，通常用限制工作表面的壓強值的方法，即：

P≤[P]（1-3）

式中：P——零件工作表面的壓強，MPa；

[P]——零件工作表面材料的許用壓強，MPa。

對有些相對滑動速度較大的摩擦表面，為了防止摩擦面溫升過高，需要限制摩擦發熱量（摩擦功耗），即：

Pv≤[Pv]（1-4）

式中：v——零件工作表面的相對滑動速度，m/s；

[Pv]——零件工作表面材料的摩擦發熱量許用值，MPa·m/s。

1.3.2.4　振動穩定性準則

如果機器或零件的固有頻率等于或接近于激振源的強迫振動頻率時，將會產生共振。共振不僅影響機器的正常工作，產生噪聲，而且還可能造成破壞性事故。振動穩定性準則是指防止高速運轉的機器及其零件發生共振，使其轉速避開共振區域。通常應保證以下條件：

0.85　f＞fP或1.15f＜fP（1-5）

式中：f——零件的固有頻率；

fP——激振源的固有頻率。

設計機械零件時，上述各項機械零件工作能力的計算準則不必全部進行，應視具體情況而定。一般根據一個或幾個可能發生的主要失效形式，運用相應的計算準則，確定機械零件的主要參數或基本尺寸。

1.3.3　機械零件的強度

1.3.3.1　載荷

機械零件所受的載荷有力、彎矩和轉矩等。

機械零件所受的不隨時間變化或變化非常緩慢或變化幅度很小的載荷，稱為靜載荷，如零件的重力等。機械零件所受的載荷隨時間作周期性或非周期性變化的載荷，稱為變載荷。實際中，大多數機器及其零部件是在變載荷條件下工作。根據名義功率和轉速，按力學公式計算出的機械零件所受的載荷稱為名義載荷，它是零件在理想工況條件下的理想機器中所受的載荷，理想機器實際上是幾乎不存在的。考慮到實際工況條件下的實際機器中，機械零件還會受到各種附加的載荷，為此，通常采用引入載荷系數K（通常K≥1）的辦法來大致估計這些因素的影響。載荷系數與名義載荷的乘積稱為計算載荷。

1.3.3.2　應力

機械零件在載荷的作用下，零件上將產生某種應力。按照計算載荷求得的應力稱為計算應力。作用在機械零件上的應力按照其隨時間變化的情況可以分為靜應力和變應力。

表1-1中，應力不隨時間變化的或變化緩慢的應力稱為靜應力。靜應力只能由靜載荷產生，并且只有靜載荷方向和大小相對零件不變的應力，才是靜應力。隨時間顯著變化的應力稱為變應力，變載荷作用在零件上，肯定產生變應力。如果靜載荷的方向相對零件變化時，則在零件中也會產生變應力，如齒輪、帶、滾動軸承等。大多數零件都是在變應力狀態下工作的。

在變應力中，周期、應力幅度和平均應力都不隨時間變化的變應力稱為穩定變應力。穩定變應力有五個參數：最大應力σmax、最小應力σmin、平均應力σm、應力幅σa和循環特性r。各參數的計算公式以及穩定變應力的三種基本類型見表1-1。

表1-1　應力基本類型

1.3.3.3　許用應力

許用應力是機械零件強度條件的尺度和判據，合理的許用應力值可以使機械零件在具有足夠的強度及壽命的前提下，尺寸小、重量輕。許用應力的確定一般采用下式進行計算：

式中：σlim——零件材料的極限正應力，MPa；

τlim——零件材料的極限切應力，MPa；

S——設計安全系數。

極限應力σlim、τlim的確定與零件經受的應力種類和其材料的性質有關。

在靜應力作用下，對于塑性材料（碳鋼、合金鋼等）制造的零件，其主要失效形式為塑性變形，故極限應力取材料的屈服極限σS和τS，即σlim=σS，τlim=τS；對于脆性材料（鑄鐵、有色金屬等）制造的零件，其主要失效形式為脆性斷裂，故極限應力取材料的強度極限σB和τB，即σlim=σB，τlim=τB。

在變應力作用下，零件的主要失效形式為疲勞腐蝕破壞，在計算變應力條件下工作的零件的許用應力時，應以零件材料的持久極限作為極限應力。

安全系數通常采用查表法確定，不同的機械制造行業或部門，經過長期實踐制訂出適合本行業或部門的安全系數或許用應力等專用規范。合理選用安全系數是十分重要的，安全系數過大，則零件尺寸大，機器笨重，成本高；安全系數過小，機器不安全。

1.3.4　機械零件設計一般步驟

當一部機器設計的總體布置和傳動方案已經確定，力學分析已基本完成時，就要進行機械零件的設計，機械零件設計的一般步驟如下。

（1）選擇零件材料。應根據零件的工作要求和條件，綜合材料的力學、物理和化學性能以及經濟因素和資源狀況，選擇合適的零件材料和熱處理方法。

（2）擬定零件的設計計算簡圖。依據零件的基本結構和作用載荷情況，建立力學模型、進行載荷分析等。

（3）工作能力計算。分析零件可能出現的失效形式，確定零件工作能力計算準則，計算和確定出零件的基本尺寸或主要參數。

（4）零件結構設計。依據零件工作能力確定出零件基本尺寸和參數，考慮加工工藝和裝配工藝等的要求，確定零件的形狀和全部尺寸。

（5）繪制機械零件工作圖并標注必要的技術條件。在以上四個步驟完成之后，繪制完成機械零件工作圖并標注必要的技術條件。

思考題與習題

1-1　說明零件與構件的區別。

1-2　舉例說明什么是專用零件，什么是通用零件。

1-3　簡述機械零件的失效主要形式和機械零件工作能力計算準則。

1-4　題圖1-1為一心軸的力學模型，其中該心軸的轉速為n、作用外力F的大小和方向都不變化，試分析作用在該軸中間剖面的應力屬于何種類型？