1.3 機械零件的失效形式及設計準則

一個機械零件可能有多種失效方式，防止失效是保證機械零件正常工作的主要措施。了解零件的失效形式，設計者在設計時就可以預先估計所設計零件可能的失效形式，用計算的方法使機械零件的工作負擔控制在其承載能力允許范圍之內，從而避免失效。計算所依據的條件稱為設計準則。

1.失效形式

機械零件喪失工作能力或達不到設計要求，稱為失效。失效并不意味著損壞。

常見的失效形式有：因強度不足而斷裂；過大的彈性變形或塑性變形；摩擦表面的過度磨損、打滑或過熱；連接松動；壓力容器、管道等的泄漏；運動精度達不到要求等。

注意

對于同一種零件，由于工作形式或環(huán)境的不同，其失效形式也是不同的。例如，齒輪的失效可能有：齒面黏著磨損和膠合、磨粒磨損；齒面疲勞點蝕和剝落；輪齒疲勞折斷和過載折斷；齒面或齒體塑性變形等。在開式傳遞中，齒輪的失效形式主要是齒面磨粒磨損；而在潤滑良好的閉式傳遞中，疲勞點蝕則是主要失效形式。

2.設計準則

機械零件雖然有很多失效形式，但歸納起來，最主要的是強度、剛度、耐磨性、溫度對工作能力的影響及振動穩(wěn)定性、可靠性等方面的問題。

（1）強度

強度不足是零件在工作中斷裂或產生過量殘余變形的直接原因，一般來說，除了預定過載時應當斷裂的安全裝置中的零件外，其余所有的機械零件都應該滿足強度條件。

提高零件的強度可以從結構和制造工藝兩方面著手。如合理布置零件，減少所受載荷；降低載荷集中，均勻分布載荷；選用合理截面，減小應力集中；選用高強度的材料；適當增大零件的尺寸；采用改善材料力學性能的熱處理等。

（2）剛度

剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。

例如，車床、銑床、磨床等金屬切削機床的主軸在切削力作用下若產生過度彈性彎曲或扭轉變形，將導致加工精度的下降以致工件超差，故對這類機床的主軸在其滿足強度的同時還需進行剛度計算。

機床床身也應有足夠剛度，以保證整機的穩(wěn)定性和精度。對于重要的機械零件，應將零件工作時的彈性變形限制在一定的范圍內，如果彈性變形影響機器正常工作時，需進行剛度校核。通常對于精密機械中的主要零件需考慮剛度要求。

（3）耐磨性

相互接觸且有相對運動的兩個機械零件表面之間，因摩擦的存在會導致零件表面材料的逐漸損失，這稱為磨損。

在新機器正式投入使用之前，逐級施加小于額定工作載荷的輕載荷，使機器作短期試運轉，以達到消除切削加工刀痕、減小運動副表面粗糙度的良好效果；經跑合的零件在工作壽命期限內將長期維持緩慢而平穩(wěn)的正常運轉狀態(tài)；此后零件的磨損速度將變快，因相對運動表面的破壞和間隙增大而引起額定的動載荷，出現噪聲和振動，導致機器無法正常工作。

注意

提高零件表面質量或硬度、采取良好的潤滑措施等可以提高零件的耐磨性。

（4）振動穩(wěn)定性

零件發(fā)生周期彈性變形的現象稱為振動。振幅和頻率是描述振動現象的兩個參數。振幅尺寸雖然很小，但當機器或零件的自振頻率與周期性外力的變化頻率相等或接近時，就要出現共振。這時，振幅將急劇增大，這種現象稱為失穩(wěn)，即喪失振動穩(wěn)定性。

引起振動的周期性外力有：往復運動零件產生的慣性力和擺動零件產生的慣性力矩；轉動零件的不平衡產生的離心力；周期性作用的外力。

減輕振動可以采取下列措施：對轉動零件進行平衡；利用阻尼作用消耗引起振動的能量；設置隔振零件（如彈簧、橡膠墊等）。

注意

共振在短期內使零件損壞，因此對零件或機器來說，為保證振動穩(wěn)定性，應避開在鄰近共振頻率區(qū)域內工作。

（5）可靠性

按傳統(tǒng)強度設計方法設計的零件，由于材料強度、外載荷和加工尺寸等存在離散性，有可能出現達不到預定工作時間而失效的情況，因此，希望將出現這種失效情況的概率限制在一定程度之內，這就是對零件提出的可靠性要求。

可靠性是指產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力?？煽慷仁侵府a品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率。

例如，對于總數為N=1 000的一批相同型號的滾動軸承，在相同的環(huán)境和載荷條件下，進行疲勞試驗，經過一段時間（也就是軸承壽命）的運轉后，其中有100件疲勞失效，而其余的900件仍可以繼續(xù)正常工作，說明該型號軸承的可靠度為90%。

（6）標準化

標準化是指對零件的特征參數及其結構尺寸、檢驗方法和制圖等的規(guī)范化要求。標準化是縮短產品設計周期、提高產品質量和生產效率、降低生產成本的重要途徑。

（7）其他要求

設計機械零件時在滿足上述要求的前提下，還應力圖減小其質量，以減少材料消耗和慣性載荷，提高經濟效益。此外，還需考慮諸如耐高溫或低溫、耐腐蝕、表面裝飾和造型美觀等要求。

3.機械零件的疲勞破壞

在機械設計中，通常認為在機械零件整個工作壽命期間應力變化次數小于103的通用零件，均按靜應力強度進行設計，而在交變應力作用下，零件將產生疲勞破壞。

（1）應力類型

① 靜應力：應力的大小和方向不隨時間而變化或變化緩慢的應力。零件相應的失效形式為塑性變形或斷裂。

② 交變應力：應力的大小和方向隨時間作周期性變化的應力。零件相應的失效形式為疲勞破壞。例如，火車輪軸以及齒輪輪齒的彎曲應力等。

（2）疲勞破壞的特征

① 零件的最大應力在遠小于靜應力的強度極限時，就可能發(fā)生破壞。

② 即使是塑性材料，在沒有明顯的塑性變形下就可能發(fā)生突然的脆性斷裂。

（3）疲勞破壞的原因

材料內部的缺陷、加工過程中的刀痕或零件局部的應力集中等導致產生了微觀裂紋，稱為裂紋源，在交變應力作用下，隨著循環(huán)次數的增加，裂紋不斷擴展，直至零件發(fā)生突然斷裂。