1.3 机械零件的设计准则
1.3.1 机械零件的主要失效形式
机械零件由于某些原因不能在既定的工作条件和使用期限内正常工作，即丧失工作能力或达不到设计功能的现象，称为失效。机械零件的主要失效形式有以下几种。
1.3.1.1 整体断裂
零件在承受过大载荷时，某一危险截面的应力超过零件的强度极限时，会发生断裂，这种断裂称为过载断裂；若零件受变应力长期作用而发生的断裂，称为疲劳断裂。疲劳断裂是多数机械零件的主要失效形式。整体断裂是零件的严重失效形式，它不仅使零件丧失工作能力，而且还会造成严重的人身和设备事故，应力求避免。
1.3.1.2 零件的表面破坏
由于机器中各零件接合面之间都是静和动的接触关系，载荷作用于接合表面，就在接合表面产生摩擦，环境介质也包围于零件工作表面，故零件的损伤与破坏常发生于零件工作表面。零件的表面失效主要有腐蚀、磨损、接触疲劳等。
腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象，其结果是零件表面发生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏。磨损是两个零件的接触表面在作相对运动的过程中零件表面物质丧失或转移，致使零件不能正常工作。对于承受变应力的零件，会造成零件表面的疲劳腐蚀破坏。
1.3.1.3 过大的残余变形
零件在工作中发生严重过载，即零件承受的应力超过零件材料的屈服极限时，零件将产生塑性变形，这不仅会改变零件的尺寸和形状，破坏零件间的配合关系，也会使零件丧失工作能力。
1.3.1.4 破坏正常工作条件而引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，如带传动，只有在传递的有效圆周力小于带与带轮之间的临界摩擦力时才能正常地工作，否则就会发生打滑失效。
1.3.2 机械零件的工作能力计算准则
进行机械零件设计时，必须根据零件的失效形式分析失效的原因。在不发生失效的条件下零件所能安全工作的限度，称为机械零件的工作能力或承载能力。对于具体的零件，其失效形式取决于该零件受载情况、结构特点和工作条件等因素。针对不同失效形式建立的判定零件工作能力的条件，称为机械零件的工作能力计算准则，主要包括以下几种。
1.3.2.1 强度准则
强度是零件抵抗整体断裂、塑性变形和表面失效（磨粒磨损及腐蚀除外）的能力。强度准则就是指零件中（或表面）的最大应力不得超过允许的极限值。零件强度的计算条件为：
σ≤[σ]或τ≤[τ]（1-1）
式中：σ——零件危险截面的最大计算正应力，MPa；
τ——零件危险截面的最大计算切应力，MPa；
[σ]——零件的许用正应力，MPa；
[τ]——零件的许用切应力，MPa。
1.3.2.2 刚度准则
刚度是零件承受载荷后抵抗弹性变形的能力。刚度准则是指零件在载荷作用下产生的最大弹性变形量y小于或等于机器工作性能所允许的极限变形量[y]。零件刚度的计算条件为：
y≤[y]（1-2）
式中：y——零件工作时的最大弹性变形量；
[y]——零件工作时的许用变形量。
1.3.2.3 耐磨性准则
机械中凡是具有相对运动或相对运动趋势的接触表面都存在摩擦。摩擦表面物质在相对运动中不断损耗，造成形状和尺寸逐渐改变的现象称为磨损。一般情况下，零件的磨损过程大致可以分为三个阶段：第一阶段是磨合磨损阶段，当新机器在运转初期，通过逐渐增大载荷，快速磨去零件制造时表面遗留下来的波峰尖部，随着波峰的降低，接触面的实际面积增大，磨损速度逐渐减缓，零件进入稳定磨损阶段；第二阶段是稳定磨损阶段，零件的磨损是缓慢而稳定的，其对应的时间就是零件的使用寿命；第三阶段是剧烈磨损阶段，组成运动副的零件之间的间隙明显增大，温升剧增，机械效率大幅度下降，并伴有异常的振动和噪声，此时应立即检修，更换零件。
按照破坏机理机械磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损（也称胶合）、表面疲劳磨损（又称疲劳点蚀）和腐蚀磨损四种基本类型。
机械零件耐磨性是指做相对运动的零件工作表面抵抗磨损的能力。由于机械零件磨损破坏机理复杂，除表面疲劳磨损外，其他类型的机械磨损目前尚无公认的定量计算方法，一般采用条件性计算。例如，对于非液体摩擦，为了防止接触表面油膜破坏而产生过度磨损，通常用限制工作表面的压强值的方法，即：
P≤[P]（1-3）
式中：P——零件工作表面的压强，MPa；
[P]——零件工作表面材料的许用压强，MPa。
对有些相对滑动速度较大的摩擦表面，为了防止摩擦面温升过高，需要限制摩擦发热量（摩擦功耗），即：
Pv≤[Pv]（1-4）
式中：v——零件工作表面的相对滑动速度，m/s；
[Pv]——零件工作表面材料的摩擦发热量许用值，MPa·m/s。
1.3.2.4 振动稳定性准则
如果机器或零件的固有频率等于或接近于激振源的强迫振动频率时，将会产生共振。共振不仅影响机器的正常工作，产生噪声，而且还可能造成破坏性事故。振动稳定性准则是指防止高速运转的机器及其零件发生共振，使其转速避开共振区域。通常应保证以下条件：
0.85 f＞fP或1.15f＜fP（1-5）
式中：f——零件的固有频率；
fP——激振源的固有频率。
设计机械零件时，上述各项机械零件工作能力的计算准则不必全部进行，应视具体情况而定。一般根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的计算准则，确定机械零件的主要参数或基本尺寸。
1.3.3 机械零件的强度
1.3.3.1 载荷
机械零件所受的载荷有力、弯矩和转矩等。
机械零件所受的不随时间变化或变化非常缓慢或变化幅度很小的载荷，称为静载荷，如零件的重力等。机械零件所受的载荷随时间作周期性或非周期性变化的载荷，称为变载荷。实际中，大多数机器及其零部件是在变载荷条件下工作。根据名义功率和转速，按力学公式计算出的机械零件所受的载荷称为名义载荷，它是零件在理想工况条件下的理想机器中所受的载荷，理想机器实际上是几乎不存在的。考虑到实际工况条件下的实际机器中，机械零件还会受到各种附加的载荷，为此，通常采用引入载荷系数K（通常K≥1）的办法来大致估计这些因素的影响。载荷系数与名义载荷的乘积称为计算载荷。
1.3.3.2 应力
机械零件在载荷的作用下，零件上将产生某种应力。按照计算载荷求得的应力称为计算应力。作用在机械零件上的应力按照其随时间变化的情况可以分为静应力和变应力。
表1-1中，应力不随时间变化的或变化缓慢的应力称为静应力。静应力只能由静载荷产生，并且只有静载荷方向和大小相对零件不变的应力，才是静应力。随时间显著变化的应力称为变应力，变载荷作用在零件上，肯定产生变应力。如果静载荷的方向相对零件变化时，则在零件中也会产生变应力，如齿轮、带、滚动轴承等。大多数零件都是在变应力状态下工作的。
在变应力中，周期、应力幅度和平均应力都不随时间变化的变应力称为稳定变应力。稳定变应力有五个参数：最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、应力幅σa和循环特性r。各参数的计算公式以及稳定变应力的三种基本类型见表1-1。
表1-1 应力基本类型
1.3.3.3 许用应力
许用应力是机械零件强度条件的尺度和判据，合理的许用应力值可以使机械零件在具有足够的强度及寿命的前提下，尺寸小、重量轻。许用应力的确定一般采用下式进行计算：
式中：σlim——零件材料的极限正应力，MPa；
τlim——零件材料的极限切应力，MPa；
S——设计安全系数。
极限应力σlim、τlim的确定与零件经受的应力种类和其材料的性质有关。
在静应力作用下，对于塑性材料（碳钢、合金钢等）制造的零件，其主要失效形式为塑性变形，故极限应力取材料的屈服极限σS和τS，即σlim=σS，τlim=τS；对于脆性材料（铸铁、有色金属等）制造的零件，其主要失效形式为脆性断裂，故极限应力取材料的强度极限σB和τB，即σlim=σB，τlim=τB。
在变应力作用下，零件的主要失效形式为疲劳腐蚀破坏，在计算变应力条件下工作的零件的许用应力时，应以零件材料的持久极限作为极限应力。
安全系数通常采用查表法确定，不同的机械制造行业或部门，经过长期实践制订出适合本行业或部门的安全系数或许用应力等专用规范。合理选用安全系数是十分重要的，安全系数过大，则零件尺寸大，机器笨重，成本高；安全系数过小，机器不安全。
1.3.4 机械零件设计一般步骤
当一部机器设计的总体布置和传动方案已经确定，力学分析已基本完成时，就要进行机械零件的设计，机械零件设计的一般步骤如下。
（1）选择零件材料。应根据零件的工作要求和条件，综合材料的力学、物理和化学性能以及经济因素和资源状况，选择合适的零件材料和热处理方法。
（2）拟定零件的设计计算简图。依据零件的基本结构和作用载荷情况，建立力学模型、进行载荷分析等。
（3）工作能力计算。分析零件可能出现的失效形式，确定零件工作能力计算准则，计算和确定出零件的基本尺寸或主要参数。
（4）零件结构设计。依据零件工作能力确定出零件基本尺寸和参数，考虑加工工艺和装配工艺等的要求，确定零件的形状和全部尺寸。
（5）绘制机械零件工作图并标注必要的技术条件。在以上四个步骤完成之后，绘制完成机械零件工作图并标注必要的技术条件。
思考题与习题
题图1-1