機械零件

機械零件（machine element）是機械的最小組成部分，單個或多個機械零件可以組成機械結構（簡稱「機構」）。

機械零件也是機械設計的基礎對象、機械故障的原因、機械維修的主要替換對象，即備件（spare part）。

失效形式

• 整體斷裂

零件在受拉、壓、彎、剪和扭等外力載荷的作用下，由於零件某一危險截面上的應力超過零件的強度極限而發生的斷裂，或者零件在受變應力作用時，危險截面上發生疲勞斷裂均屬此類。例如螺栓的斷裂、齒輪齒根部折斷等。

• 過大的變形

作用在零件上的應力會讓零件產生彈性變形和塑性變形（殘餘變形），如果作用在零件上的應力超過了材料的屈服極限，則零件會產生殘餘變形。工具機上夾持定位零件的過大殘餘變形，會降低加工的精度；高速轉子軸的殘餘撓曲變形，將增大不平衡度，進一步引起零件的變形。

• 零件的表面破壞

零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞。腐蝕是發生在零件表面的一種電化學或化學侵蝕現象。磨損是指兩個接觸表面在做相對運動的過程中表面物質喪失或轉移的現象。在接觸變應力條件下工作的零件的表面可能發生接觸疲勞。

• 破壞正常工作條件引起的失效

一些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作。例如，液體摩擦的滑動軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時才能正常工作；帶傳動和摩擦輪傳動，只有傳遞的有效圓周力小於臨界摩擦力時才能正常工作；高速轉動的零件，只有其轉速與轉動件的固有頻率避開一個適當的頻率間隔才能正常工作。

設計要求

• 強度

強度要求就是指零件中的應力不得超過允許的限度。例如：對斷裂來說，應力不超過零件材料的強度極限；對殘餘變形來說，零件不應超過材料的屈服極限。這就滿足了強度要求，不會因為以上強度原因零件失效。其代表性表達式為：

$\sigma \leqslant \sigma _{\text{lim}}$

考慮各種偶然性或難以精確分析的影響，通常右邊要除以安全係數$S$，即：

$\sigma \leqslant {\frac {\sigma _{\text{lim}}}{S}}$

• 剛度

零件剛度分為整體剛度和表面接觸剛度。零件在工作時所產生的彈性變形量$y$不超過允許的限度$[y]$。

• 壽命

零件的正常工作壽命有些零件在工作初期雖然可以滿足強度和剛度要求，但是工作一段時間後，卻可能由於某些原因而失效。這個零件正常工作延續的時間就成為零件的壽命。影響壽命的主要因素——腐蝕、磨損和疲勞。

• 振動穩定性

機器中存在很多周期性變化的激振源。當某一零件本身的固有頻率和激振源的頻率重合或成倍數關係時，這些零件就會發生共振，致使零件破壞或機器工作失常。所謂振動穩定性，就是指設計時要使得機器中受激振作用的零件的固有頻率與激振源的頻率錯開。例如，令$f$代表零件的固有頻率，$f_{\text{P}}$代表激振源的頻率，則通常要滿足以下條件：

$0.85f\geqslant f_{\text{P}}$或$1.15f\leqslant f_{\text{P}}$

• 可靠性

機械零件可靠性的衡量指標有可靠度$R(t)$、失效率$\lambda (t)$和平均工作時間。

• 經濟性要求

採用簡潔、工藝性良好的零件結構減少材料消耗、降低加工和裝配費用；採用廉價而供應充足的材料代替貴重材料，對於大型零件採用組合結構代替整體結構；另外，儘可能採用標準化的零件取代特殊加工的零件。

• 質量小要求

材料

• 黑色金屬（鋼鐵）
• 有色金屬
• 高分子材料：橡膠、塑料、纖維
• 陶瓷
• 玻璃
• 複合材料

常見的機械零件

• 齒輪
• 凸輪
• 滑輪
• 軸承
• 軸
• 螺絲
• 螺母
• 螺栓
• 彈簧