机械零件的计算原则

为保证零件在预定的期间内正常工作，设计时应针对可能出现的失效形式，相应地确定零件工作能力的判定条件。这些判定条件就是机械零件的设计准则，如果所设计的零件满足这些判定条件，则说明它们在工作中是安全的。主要的准则有：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性和耐热性。它们是计算并确定零件基本尺寸的主要依据，故称为计算准则。

1.强度准则

强度表明了零件抵抗断裂、点蚀及塑性变形等失效的能力。具备足够的强度是保证机械零件工作能力的最基本要求。强度的计算准则通常采用比较应力大小的方式来表达，即强度的计算准则为：工作应力≤许用应力，即σ≤［σ］，τ≤［τ］。上述的前三种失效形式均适合用强度的计算准则来判定。

2.刚度准则

刚度反映了零件抵抗弹性变形的能力。刚度准则设立的目的是防止零件发生过大的弹性变形，即刚度的计算准则为：实际变形量≤许用变形量，即y≤［y］，θ≤［θ］。

3.耐磨性

在各种机械中，凡是具有相对运动趋势的接触表面间都存在摩擦。其摩擦将导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移，即形成磨损。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。据统计，世界上约有1/3的能源消耗在摩擦上；在各种报废的机械零件中，约有80%是由于磨损而引起的。因此，在设计时就应预先考虑如何避免或减轻磨损，以保证机器达到设计寿命，这就要求零件有抗磨损的能力，即耐磨性。

一个零件的磨损过程大致可分为如图1－3所示的三个阶段，即磨合磨损阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。

磨合磨损阶段是新机器或刚大修完的机器在运转初期，通过逐渐增加载荷，迅速磨去零件制造时遗留下来的波峰尖部。随着波峰高度的逐渐降低，摩擦副的实际接触面积加大，磨损速度逐渐减缓，零件进入稳定磨损阶段。

稳定磨损阶段是零件在平衡而缓慢的速度下磨损，它标志着摩擦条件保持相对恒定。这个阶段的长短代表零件使用寿命的长短。

剧烈磨损阶段是零件经过稳定磨损阶段后，零件的表面遭到破坏，两摩擦零件间的间隙增大，出现噪声和振动。这样就不能保证良好的润滑状态，使摩擦副的温升急剧增大，磨损速度也急剧增大，此时必须停机，更换零件。

上述三个阶段是正常情况下零件的磨损阶段。在设计和使用机器时，要力求缩短磨合磨损期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损期的到来，对延长机器的使用寿命有着十分重要的意义。

图1－3　机件的磨损量与工作时间的关系（磨损曲线）

磨损按其见解的不同可分为两种：一种是根据磨损结果着重对磨损表面外观的描述，如点蚀磨损、胶合磨损、擦伤磨损等；另一种则是根据磨损机理来分类，主要有磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、液体侵蚀磨损等。(www.xing528.com)

（1）磨粒磨损　硬质颗粒进入摩擦表面，或硬表面上的凸峰在摩擦过程中引起表层材料脱落的现象称为磨粒磨损。

（2）粘着磨损（胶合）　摩擦表面的接触实际上是高低不平的微凸体接触。高速轻载时温升使得接触区润滑油膜破裂，低速重载时也不易形成润滑油膜，这都将导致接触处发生粘着。在此情况下，两表面相对滑动，粘着撕脱，材料从一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损，也称为胶合。

（3）疲劳磨损（疲劳点蚀）　疲劳点蚀产生在零件表层，属于表面磨损范畴，故也称疲劳磨损。

（4）腐蚀磨损　在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损。

（5）流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）　由液流或气流冲蚀作用引起的机械磨损称为流体侵蚀磨损。

磨损是一个相当复杂的现象，影响的因素也很多，除疲劳磨损外，目前尚无可靠的计算方法，通常采取下列措施减少磨损：

第一，选用减摩、耐磨性能较好的材料；

第二，对摩擦表面进行润滑；

第三，进行耐磨性计算。摩擦表面的耐磨性计算也是条件性的，实用的计算是限制摩擦面间的压强p和pv值（详见第10章）；

第四，提高零件的加工精度和表面质量；

第五，完善密封，正确使用和维护等。

当然，对于其他的失效形式，还可以确定相应的工作能力判定准则。如振动稳定性准则等，在此不一一赘述。设计机械零件时，并不需要用到所有的判定准则，而是针对零件可能发生的主要失效形式，选用一个或几个相应的判定准则来确定零件的主要尺寸或参数。例如，对于轴的设计，当它的主要失效形式是断裂时，应采用强度准则进行设计；主要失效形式是弹性变形时，则采用刚度准则。由于强度准则是机械设计中经常遇到的问题，下面将对它做进一步的讨论。