1.3 机械零件的主要失效形式和设计准则

1.3.1 机械零件的主要失效形式

机械零件在规定的时间内和规定的条件下不能完成规定功能的现象，称为失效。机械零件的主要失效形式有以下几种。

1．断裂

在载荷的作用下，当某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时，零件就会发生过载断裂；零件在循环变应力的长期作用下会发生疲劳断裂。疲劳断裂是零件的主要失效形式。

2．表面失效

表面失效发生在机械零件的工作表面上，其主要形式有磨损、疲劳点蚀和腐蚀，它们都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效。作相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损；在交变接触应力作用下工作的零件表面都有可能发生疲劳点蚀；处于潮湿空气中或与水、气以及其他腐蚀性介质相接触的金属零件，均有可能发生腐蚀。表面失效会影响零件表面精度，改变零件表面尺寸和形状，使运动性能降低，摩擦增大，能耗增加，严重时会导致零件丧失工作能力。

3．过量变形

机械零件受载荷作用时，必然会发生弹性变形。在允许范围内的微小弹性变形，对机器影响不大；但过量的弹性变形会使零件或机器不能正常工作，有时还会造成较大振动，使零件损坏。如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服强度，零件将产生塑性变形，这会造成零件的尺寸和形状改变，破坏零件间的相互位置和配合关系，使零件和机器不能正常工作。

4．非正常工作条件而引起的失效

有些零件只有在一定的条件下才能正常工作，否则就会引起失效。如V带传动，只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常地工作，否则带传动将发生打滑失效。

1.3.2 机械零件的设计准则

为了保证所设计的机械零件能安全、可靠地工作，在进行设计工作之前，应建立相应的设计准则。设计准则的确定应该与零件的失效形式紧密联系起来。同一种零件可能有不同的失效形式，对应于各种失效形式就会有不同的工作能力。根据不同的失效形式建立起来的工作能力的判定条件，称为设计准则。机械零件的设计准则主要有以下几种。

1．强度准则

强度是机械零件首先应满足的基本要求。为了保证零件具有足够的强度，应使零件在载荷作用下其危险截面或工作表面上的工作应力σ或τ不超过零件的许用应力[σ]或[τ]，有

2．刚度准则

为了保证零件具有足够的刚度，设计时应使零件在载荷作用下产生的弹性变形量y小于或等于机器工作性能所允许的极限值，即许用变形量[y]，有

3．耐磨性准则

耐磨性是指零件抵抗磨损的能力。零件过度磨损会改变其结构形状和尺寸，削弱其强度，降低精度和效率，以致零件失效。因此，设计时应使零件的磨损量不超过允许值。有关磨损的计算，常采用条件性计算，即使接触表面上的正压力p与pv值小于或等于许用值[p]和[pv]，有

式中，v为零件工作表面的相对滑动速度。

4．散热性准则

在两零件发生剧烈摩擦处会产生大量的热。若散热不良，零件温度升高，则会改变两零件的结合性质，破坏正常润滑条件，使零件不能正常工作，甚至导致金属局部熔融而产生胶合或引起燃烧。要满足散热性准则，就应对发热较大的零部件（如蜗杆传动、滑动轴承等）进行热平衡计算，其工作温度t不超过许用工作温度[t]，有

5．振动稳定性准则

机器在运转中一般都会有振动，轻微的振动并不妨碍机器的正常工作，但剧烈的振动将影响机器的正常运转，甚至会造成破坏性事故。机器中存在着很多周期性变化的激振源，如齿轮的啮合、滚动轴承的振动、弹性轴的偏心转动等，如果某一零件本身的固有频率与激振源的频率重合或成整数倍关系，这些零件就会发生共振，其振幅将急剧增大，以致零件被破坏或整个机器工作失常。振动稳定性准则就是防止高速运转的机器发生共振，从而使其转速避开共振区域。

6．可靠性准则

衡量零件可靠性的指标是可靠度R。在规定时间内（或作用次数、距离等）和规定的使用条件下，零件无故障地发挥规定功能的概率称为可靠度，其表达式为

式中，N0为在规定的工作条件下和规定时间（寿命）内试验零件的总数；Ns为正常工作零件数；Nf为失效零件总数，即N0=Ns+Nf。

提出可靠度要求时，要综合考虑到实际的技术水平、对零件的工作要求和经济性等。

1.3.3 机械零件设计的一般步骤

机械零件是组成机器的基本要素。零件的种类不同，其具体的设计步骤也不一样，但一般可按下列步骤进行：

（1）类型和结构选择。根据零件功能要求、使用条件及载荷性质等选择零件的类型和结构。

（2）受力分析。分析零件的工作情况，计算作用在零件上的载荷。

（3）选择材料。由零件的工作条件及对零件的特殊要求等，选择合适的材料及热处理方法。

（4）确定设计准则。根据工作情况分析零件的失效形式，从而确定其设计准则。

（5）理论设计计算。根据设计准则计算并确定零件的主要尺寸。

（6）结构设计。根据工艺性要求及标准化等进行零件的结构设计。

（7）精确校核。对重要的零件，结构设计完成后还应进行精确的校核计算，若不合适，应对结构设计进行修改。

（8）绘制零件工作图。零件设计的最终结果是用零件工作图来表示。零件工作图上不仅要标注详细的尺寸，还要标注配合尺寸的尺寸公差、几何公差、表面粗糙度及技术条件等。（9）编写计算说明书。将设计计算的过程整理成设计计算说明书，作为技术文件备查。