1.机械零部件常见的失效形式

所谓失效即指机械零件因为某种原因不能正常工作。机械零件失效形式归纳如下。

2.机械零部件的设计准则

为了保证零件能正常工作，在设计零件时应首先进行零件的失效分析，预估失效的可能性，采取相应措施，其中包括理论计算。计算所依据的基本原则称为设计准则，常用的设计准如下。

（1）强度准则 零件抵抗断裂和塑性变形的能力称为强度。常用的强度设计准则是：

式中 σ——拉（压）应力；

τ——剪应力；

[σ]，[τ]——许用拉（压）应力、许用剪应力；

S_σ，S_τ——计算安全系数；

σ_b（τ_b），σ_S（τ_S）——静强度时材料的断裂极限和屈服极限；

σ_lim——极限应力。

（2）刚度准则 零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力称零件的刚度。零件的刚度可按材料力学所介绍的方法进行计算，即变形量小于许用变形量，变形量可以是挠度、偏转角或扭转角，即

γ≤[γ]，θ≤[θ]，ϕ≤[ϕ]

式中 γ，θ，ϕ——挠度、偏转角、扭转角；

[γ]，[θ]，[ϕ]——许用挠度、许用偏转角、许用扭转角。

在机械零件的计算中，轴零件的刚度计算较为常用，一般常按挠度条件判断刚度条件，而偏转角或扭转角一般不进行计算。因为轴经过结构设计后，一般直径较大，刚度足够，尤其偏转角或扭转角的安全度更大，无须进行计算。

（3）耐磨性准则 耐磨性是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力。

磨损导致机械零件表面形状被破坏，强度削弱，精度下降，产生振动、噪声，造成工作失效。工程中有80%的机械零件是由磨损造成失效的。因影响磨损的因素很多，而且比较复杂，到目前为止，磨损还没有合适的计算方法，通常采用条件性计算。滑动速度较低、载荷大时，可用限制工作表面压强的方法进行计算，即

p≤[p]

滑动速度较高时，还要限制摩擦功耗，以避免工作温度过高而使润滑失效，导致零件表面胶合失效。因发热量取决于摩擦功耗，而摩擦功耗又与µpv的值成正比，其中µ为摩擦系数，p为压强，v为相对滑动速度。因为µ可看作常数，因此摩擦功耗仅与pv有关，故工程中常用限制pv值作耐磨性计算，即

pv≤[pv]

高速时还要限制零件的滑动速度v，避免由于速度过高而加速磨损，降低零件的工作寿命，即

v≤[v]

式中 [p]、[pv]和[v]均为许用值。

（4）振动和噪声准则 高速机械或对噪声有特别要求的机械，振动是噪声产生的原因。为了保护环境，应尽量降低噪声对环境的污染。因此，为了减小振动，要求机械振动频率f_p远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率f，即

f_p＜0.85f

如不满足可采取如下措施：

1）改变机械或零件的刚度。(www.daowen.com)

2）采取有效的减振措施。

（5）热平衡准则 机械零件的温升过高会引起润滑油粘度下降，使润滑失效，造成零件之间的磨损加剧；如果零件表面的温度升高到金属材料的熔点，则金属表面会产生瞬时焊接现象，即产生胶合，导致机械零件的失效。胶合失效难以准确计算，而且计算过程复杂，为了防止胶合失效，通常用限制温升的简化方法进行计算，即

Δ_t≤[Δt]

式中 Δ——温升；

[Δt]——许用温升。

如果不满足上述条件时，可采取以下措施。

1）进一步改善润滑条件。

2）设置冷却装置。

（6）可靠性准则 按传统强度设计方法设计零件，因材料的强度、外载荷以及加工尺寸等条件存在着离散性，有可能出现达不到预期工作时间而失效的情况。欲将出现这种失效的概率控制在一定范围之内，就对零件提出了可靠性的要求。

可靠性的设计指标用可靠度R来衡量。所谓“可靠度”就是指机器或零件在一定工作环境下，在规定的使用期限内连续正常工作的概率。

N个相同零件在同样条件下同时工作，在规定的时间内有N_f个零件发生失效，剩下N_t个零件仍能继续工作，则可靠度为

失效概率为

可靠性与失效概率的关系为

R+Q=1

如果一台机器是由n个机械零件组成的串联系统，每个机械零件的可靠度分别为R₁、R₂，…，R_n，则整个机器的可靠度为

R=R₁R₂R₃…R_n

综上所述，要提高整个机器（串联方式）的可靠度，首先应提高组成机器的每个零件的可靠度，即采用高可靠度的零件；其次，组成机器的零件的可靠度应尽量相同，因为整个机器的可靠度低于组成机器中的可靠度最差的零件的可靠度。对可靠性要求较高的系统与机械必须进行可靠性设计，而机械零件可靠性水平的高低，直接影响到机械系统的可靠性。另外高可靠性的系统一般要有一些备用系统，并需经常维护、保养。

3.机械零部件的标准化

在机械设计中应尽量遵循标准化的原则。机械产品标准化的内容包括标准化、系列化和通用化三方面，简称机械产品的“三化”。

标准化是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造及修配中共同遵照使用，如螺栓、螺母、垫圈等的标准化。

系列化是指产品按主要参数分档，形成一系列的产品，以便用较少规格的产品满足不同的需要，如圆柱齿轮减速器系列。系列化是标准化的重要组成部分。

通用化是对不同规格的同类产品或不同类产品，在设计中尽量采用相同的零件或部件，如几种类型不同的轿车可以采用相同的轮胎。通用化是广义的标准化。

标准化的意义表现如下。

1）以最先进的方法对用途广泛的零件进行专业化的大规模生产，以提高质量，降低成本。

2）可以减轻设计工作量、缩短设计周期、提高设计质量及降低设计费用。

3）具有互换性，便于维修更换。

我国现行标准分为国家标准（GB）、行业标准（如JB、YB等）及企业标准等三个等级。标准又分为必须执行（如制图标准、螺纹标准等）和推荐使用（如直径标准等）两种。为了便于国际间的交流与合作，我国的国家标准现已尽可能地靠拢、符合和采用国际标准（ISO）。