9-1設計機械零件的基本要求、步驟和方法
設計機械零件的基本要求可概括為：在保證實現必要功能的前提下，既工作可靠、又成本低廉。功能是指零件的用途和作用，工作可靠是要求零件必要功能實現的程度（性能）和持續性（可靠性）良好。成本低廉則是在實現零件必要功能的前提下，花費最少的資源。為此，在機械零件設計中，必須正確選擇材料，合理規定精度等級，采用先進的結構和製造工藝，並盡可能選用標準件。
不同機械零件的設計步驟，因其種類、用途、工作條件等不同，必然會存在一定的差異。但是，歸納起來，不外乎如何按順序實現下述幾個內容：（1）選擇零件的類型和結構型式；（2）擬定簡化的力學模型；（3）分析零件的受力與失效形式；（4）選擇材料與熱處理方法；（5）確定工作能力計算準則，進行工作能力計算，確萣其基本參數或主要幾何尺寸；（6）進行零件的結構設計；（7）繪製零件工作圖、編寫技術文件。
須強調的是，上述設計步驟是相互聯係的統一體。在設計過程中，往往需要互為基礎，交叉進行；而且，常需多次反複斟酌，不斷修改，即便零件製成裝入整機，仍需根據製造，裝配、使用中發現的問題做必要的修改，使之不斷地臻於完善。
機械零件的設計方法有傳統設計方法和現代設計法之分。傳統設計方法又分為如下幾種：
1.理論設計根據長期實踐總結出來的設計理論和實驗數據進行設計的方法，稱為理論設計。此法的計算過程又有兩種方式。一種是根據零件工作情況和工作能力計算準則擬定其安全工作藥條件，通過計算求得零件的關鍵性尺寸或幾何參數；然後，根據結構、製造工藝性要求及尺寸協調原則使結構具體化，其計算過程稱為設計計算。另一種是根據已有的實物；圖紙、經驗數據，初步擬定零件如結構和尺寸；然後，根據其工作能力計算準則核驗零件的安全與可靠程度，其計算過程稱為校核計算。理論設計適用於能夠通過簡化的力學模型進行設計或能夠用現有應力、應變分析方法進行計算的零件。
2．經驗設計按照已有零件長期積累的設計與使用驗經而歸納的經驗公式或數據、或者采用類比法進行設計的方法，稱為經驗設計。此法適用於那些使用情況變化不大，而結構又已經典型化的零件，如箱體、機架類零件等。
3．模型實驗設計這是一種出現較早的設計方法。但是，對於大型、結構複雜以及比較重要的零件設計仍然是目前常用的方法。通常為提高設計的可靠性，常按一定比例關係設計製造出較小的模型。通過實驗檢定其各方麵的特性，發現原始設計中的薄弱環節，加以修正。從而使設計趨於安全可靠，又不失於笨重。這樣的設計過程稱為模型實驗設計。
近代，伴隨科學技術的進步，尤其是計算機技術的迅猛發展，相繼出現了優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計等新的現代設計方法。其特點可以說是動態化、精確化、優化和計算機化，使得設計更如符合事物發展變化的屬性。當然，由於零件自身的特點和対其要求的不同，傳統設計方法仍有其應用之地，且可作為現代設計方法的輔助或先行。因此，本書仍以傳統設計方法為主介紹各種零件的設計方法。
9-2機械零件的失效形式與工作能力計算準則
一、機械零件的主要失效形式
機械零件喪失工作能力或達不到設計要求的性能時，便稱為失效。失效並不單純意味著破壞，有比破壞更廣泛的含意。常見的零件失效形式有如下幾類。
1.斷裂
斷裂不僅會使零件喪失正常工作能力，有時還會造成重大事故。因此，它是零件的一種嚴重的失效形式，必須防止。
按照零件工作應力的種類不同，斷裂可分為靜強度斷裂（一次性斷裂）和疲勞斷裂。前者發生在靜應力作用下的零件上，是因危險剖麵處的工作應力超過其材料的強度極限、致使零件發生突然性斷裂。後者則發生在變應力作用下的零件上，它不同於靜強度斷裂，危險剖麵處的工作應力遠低於材料的強度極限，甚至低於屈服極限；而且無論是脆性材料還是塑性材料，其斷口均無明顯的塑性變形。它發生的原因和過程是，在變應力作用下，零件的高局部應力區的較弱晶粒處首先萌生初始裂紋；而後隨應力循環次數的增加，逐漸發展成宏觀裂紋，並不斷地擴展。當剩餘剖麵中最大工作應力超過其材料的強度極限時，導致零件的最終突然斷裂。顯然，斷裂形成的過程就是損傷積累的過程，是與應力循環次數有關的。斷口的形態清楚地表明了這種情況，斷口明顯分為兩區，一是在變應力循環作用下，裂紋的兩斷麵相互擠壓摩擦形成的表麵光滑區，一是最終發生突然斷裂的粗糙粒狀區。
2.變形
受到載荷作用的機械零件，必定會產生或大或小的彈、塑性變形，結果導致零件的位置、形狀和尺寸發生改變。變形過大，就會破壞零件間、部件間的相互位置或配合關係，造成零、部件D至機器的工作性能降低。此外，過度的彈性變形還會引起振動、噪聲、失穩等問題，嚴重時會導致零件或機器的工作能力喪失。如電動機軸的彎曲彈性變形過大，就會改變轉子與定子的間隙，輕者降低電動機的電氣性能，嚴重時會燒毀電動機。過度的殘餘變形屬不可逆的變形，會導致零件喪失工作能力。如化工容器的法蘭聯接螺栓，當產生過大的殘餘變形就會降低設備的密封性能，使工作介質泄漏、造成經濟浪費或嚴重事故。
高溫下工作的零件會產生熱應力和熱變形；同時，還可能發生時間變形，即應力值保持不變，而變形隨時間繼續增加，常稱蠕變。
3.表麵失效
表麵失效機械零件最常見、占零件失效比例最大（約占失效零件的805^）的一種，常見的表麵失效形式有磨損、接觸疲勞、膠合、腐蝕等。無論上述表麵失效形式中哪種發生，都將使零件的表麵狀態、幾何形狀和尺寸發生改變，導致摩擦和磨損劇烈，能耗、衝擊、振動和噪聲增大，直至使零件喪失工作能力。此後各章將結合具體零件闡述。
4．破壞正常工作條件的失效形式
某些零件須在一定條件下才能正常工作。例如液體摩擦滑動軸承隻有形成完整的承載油膜才能正常工作；帶傳動或摩擦輪傳動隻有所需傳遞的有效周力不大於臨界摩擦力時，才能正常工作；高速轉動的透平壓縮機軸係的臨界轉速與軸的工作轉速應避開一個適當的間隔，才能正常工作。否則，一旦這些必備條件遭到破壞，則滑動軸承會因過熱、膠合、磨損等而失效；帶傳動與摩擦輪傳動將會發生打搰而喪失工作能力；透平壓縮機軸便會發生共振失穩，導致軸或整機破壞。