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機械結構優化是在滿足功能需求的前提下,通過調整結構形態、尺寸與連接方式,實現 “輕量化、高強度、低損耗” 的目標,減少設計缺陷,提升產品競爭力,需遵循三大核心策略。 結構形態優化可降低應力集中與重量。應力集中是零件斷裂的主要誘因,設計時需避免尖銳棱角,如軸肩處采用圓角過渡(圓角半徑根據軸徑大小確定,通常為軸徑的 1/10-1/5),減少局部應力;對于承受彎曲或扭轉的零件,可采用空心結構(如空心軸),在保證強度的同時減輕重量,如汽車傳動軸多為空心設計,既節省材料又降低能耗。此外,仿生結構設計也成為優化方向,如借鑒蜂巢結構設計機械框架,提升整體剛度的同時減少材料用量。 尺寸優化需精準匹配性能需求。通過參數化設計與仿真分析,確定零件的優尺寸:如設計齒輪時,在滿足承載能力的前提下,適當減小模數與齒數,降低齒輪重量與加工成本;設計彈簧時,根據所需彈力與變形量,優化彈簧絲直徑、圈數與自由長度,避免彈簧過軟或過硬。同時,需預留合理的公差與配合間隙,如軸承與軸的配合選用過渡配合(如 H7/k6),保證裝配精度且便于安裝拆卸。 連接方式優化影響結構穩定性與維護性。機械連接分為可拆卸連接(如螺栓連接、鍵連接)與不可拆卸連接(如焊接、鉚接):螺栓連接需根據受力大小選擇螺栓規格與數量,采用防松措施(如彈簧墊圈、鎖緊螺母),避免振動導致松動;鍵連接常用于軸與輪轂的傳動,需根據扭矩計算鍵的寬度與高度,確保傳遞動力可靠。對于需頻繁維護的部件,優先選擇可拆卸連接;對于受力大、空間有限的部位,可采用焊接(如鋼結構框架)提升連接強度。此外,優化潤滑結構(如在軸承處設計油槽、油孔),能減少摩擦損耗,延長零件壽命。
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