1.3 机械零件的失效形式及设计准则

一个机械零件可能有多种失效方式，防止失效是保证机械零件正常工作的主要措施。了解零件的失效形式，设计者在设计时就可以预先估计所设计零件可能的失效形式，用计算的方法使机械零件的工作负担控制在其承载能力允许范围之内，从而避免失效。计算所依据的条件称为设计准则。

1.失效形式

机械零件丧失工作能力或达不到设计要求，称为失效。失效并不意味着损坏。

常见的失效形式有：因强度不足而断裂；过大的弹性变形或塑性变形；摩擦表面的过度磨损、打滑或过热；连接松动；压力容器、管道等的泄漏；运动精度达不到要求等。

注意

对于同一种零件，由于工作形式或环境的不同，其失效形式也是不同的。例如，齿轮的失效可能有：齿面黏着磨损和胶合、磨粒磨损；齿面疲劳点蚀和剥落；轮齿疲劳折断和过载折断；齿面或齿体塑性变形等。在开式传递中，齿轮的失效形式主要是齿面磨粒磨损；而在润滑良好的闭式传递中，疲劳点蚀则是主要失效形式。

2.设计准则

机械零件虽然有很多失效形式，但归纳起来，最主要的是强度、刚度、耐磨性、温度对工作能力的影响及振动稳定性、可靠性等方面的问题。

（1）强度

强度不足是零件在工作中断裂或产生过量残余变形的直接原因，一般来说，除了预定过载时应当断裂的安全装置中的零件外，其余所有的机械零件都应该满足强度条件。

提高零件的强度可以从结构和制造工艺两方面着手。如合理布置零件，减少所受载荷；降低载荷集中，均匀分布载荷；选用合理截面，减小应力集中；选用高强度的材料；适当增大零件的尺寸；采用改善材料力学性能的热处理等。

（2）刚度

刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

例如，车床、铣床、磨床等金属切削机床的主轴在切削力作用下若产生过度弹性弯曲或扭转变形，将导致加工精度的下降以致工件超差，故对这类机床的主轴在其满足强度的同时还需进行刚度计算。

机床床身也应有足够刚度，以保证整机的稳定性和精度。对于重要的机械零件，应将零件工作时的弹性变形限制在一定的范围内，如果弹性变形影响机器正常工作时，需进行刚度校核。通常对于精密机械中的主要零件需考虑刚度要求。

（3）耐磨性

相互接触且有相对运动的两个机械零件表面之间，因摩擦的存在会导致零件表面材料的逐渐损失，这称为磨损。

在新机器正式投入使用之前，逐级施加小于额定工作载荷的轻载荷，使机器作短期试运转，以达到消除切削加工刀痕、减小运动副表面粗糙度的良好效果；经跑合的零件在工作寿命期限内将长期维持缓慢而平稳的正常运转状态；此后零件的磨损速度将变快，因相对运动表面的破坏和间隙增大而引起额定的动载荷，出现噪声和振动，导致机器无法正常工作。

注意

提高零件表面质量或硬度、采取良好的润滑措施等可以提高零件的耐磨性。

（4）振动稳定性

零件发生周期弹性变形的现象称为振动。振幅和频率是描述振动现象的两个参数。振幅尺寸虽然很小，但当机器或零件的自振频率与周期性外力的变化频率相等或接近时，就要出现共振。这时，振幅将急剧增大，这种现象称为失稳，即丧失振动稳定性。

引起振动的周期性外力有：往复运动零件产生的惯性力和摆动零件产生的惯性力矩；转动零件的不平衡产生的离心力；周期性作用的外力。

减轻振动可以采取下列措施：对转动零件进行平衡；利用阻尼作用消耗引起振动的能量；设置隔振零件（如弹簧、橡胶垫等）。

注意

共振在短期内使零件损坏，因此对零件或机器来说，为保证振动稳定性，应避开在邻近共振频率区域内工作。

（5）可靠性

按传统强度设计方法设计的零件，由于材料强度、外载荷和加工尺寸等存在离散性，有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况，因此，希望将出现这种失效情况的概率限制在一定程度之内，这就是对零件提出的可靠性要求。

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。

例如，对于总数为N=1 000的一批相同型号的滚动轴承，在相同的环境和载荷条件下，进行疲劳试验，经过一段时间（也就是轴承寿命）的运转后，其中有100件疲劳失效，而其余的900件仍可以继续正常工作，说明该型号轴承的可靠度为90%。

（6）标准化

标准化是指对零件的特征参数及其结构尺寸、检验方法和制图等的规范化要求。标准化是缩短产品设计周期、提高产品质量和生产效率、降低生产成本的重要途径。

（7）其他要求

设计机械零件时在满足上述要求的前提下，还应力图减小其质量，以减少材料消耗和惯性载荷，提高经济效益。此外，还需考虑诸如耐高温或低温、耐腐蚀、表面装饰和造型美观等要求。

3.机械零件的疲劳破坏

在机械设计中，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均按静应力强度进行设计，而在交变应力作用下，零件将产生疲劳破坏。

（1）应力类型

① 静应力：应力的大小和方向不随时间而变化或变化缓慢的应力。零件相应的失效形式为塑性变形或断裂。

② 交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化的应力。零件相应的失效形式为疲劳破坏。例如，火车轮轴以及齿轮轮齿的弯曲应力等。

（2）疲劳破坏的特征

① 零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏。

② 即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。

（3）疲劳破坏的原因

材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为裂纹源，在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。