德国工程师都知道这个秘密——完美解决螺栓/轴承/齿轮/过盈配合问题

一、理论分析方法

理论分析方法就是以数学和力学为工具，进行理论推导、计算的方法。英文中的机械设计就是mechanical engineering，就是力学工程的意思，即力学和数学在工程实际中的应用。这是一种传统的、普适的方法，没有使用限制条件，可以追溯到五百年前开始的欧洲人开创的材料力学。比如德国机械研究委员会FKM在2020年发布的最新版的《机械零件应力强度分析评价导则》更是集中体现了机械设计理论的重大创新和完善。而德国工程师协会的关于螺栓联结设计计算的经典理论《VDI2230-1》在2015年也进行了更新，除此，协会更是在2024年发布了关于螺栓预紧方法、工具、实现手段的全新学科《VDI2230-3》，如图一。因此，可以说，分析方法，尤其是德国研究的关于机械设计的理论是历史悠久、与时俱进、精确度高、通用性强，经过数百年实践验证的最好的方法，是人类理性思考的成果，是人类文明程度的代表。因此，产品的设计、研发当然首选分析方法。

图一 德国工程师协会2024年发布的VDI2230-3学科

二、实验验证方法

虽然理论分析方法是最有效和准确的方法，但是它有的时候也需要实验方法作为其补充。因为人的思维是有限的，无法解决无限的产品问题。这个时候就需要用实验来获得理论分析方法还没有覆盖的一些知识领域。但是，需要明确的是，实验方法只可以作为辅助手段，而不能作为指导思想。因为实验结果受实验条件、产品个体差异的影响而千差万别，不具备普适性。并且，实验成本高昂，无法大规模开展。

比如现在的各行各业都遇到一个问题，产品开发是否一定要进行实验呢？先不说实验成本极高，实验的结果是否具有代表性，有些实验根本无法进行。

现在德国的VDI2230、FKM、DIN7190、轴承设计理论里面已经包含了大量的欧美国家工程实际得到的实验数据、结论，我们只需要学习并熟练、灵活使用VDI2230、FKM、DIN7190、轴承设计理论即可，无需再重复进行无效的实验了。因此，相比于理论分析方法，实验方法次之。

螺栓计算，你用有限元工业软件？还是德国VDI2230标准规范？

三、查询标准方法

标准方法，是理论方法的副产品。如果把理论用数学学科来代表，软件就是计算器，而标准就是乘法口诀。和软件一样，标准自身不会产生任何理论，更不会创新。即使标准年年更新，那也是在用户使用的体验上进行优化，在对结果有影响的功能上，标准上不会有更新，至少在理论分析有创新之前软标准的功能和精确性不会有更新。因此，相对于分析方法的发展，标准永远是滞后的。可以将理论比作渐近线，标准比作曲线，标准的每次更新都是朝着渐近线更进一步而已。

因此，理论分析解决不了的问题，任何标准包括DIN, EN, ISO, GB, ANSI也是无能为力。而标准解决不了的问题，理论分析通常是可以解决的。但是前提是工程师对理论分析方法掌握的熟练、精深而且可以灵活运用。

以新能源汽车电池包上铜排和PCB板之间的自攻螺钉为例，无论使用任何商业软件，如果工程师对螺栓的理解仅仅停留在通过几何模型、尺寸、材料、载荷就要得出安全系数和预紧力矩的层面，或是按照非自攻螺钉对待去计算，那按着软件或者标准的表格查询当然也会出结果，只不过是错误的结果，工程师无法识别到的完全错误的结果。但是标准的优势就是效率高，对工程师的能力要求比较低，类似于查字典即可

以螺栓为例，不是所有的螺栓都需要根据VDI2230进行理论计算。德国企业的通常做法是将螺栓根据其失效可能造成的后果来划分风险等级，进行区别对待。如果螺栓失效会造成人员伤亡和系统功能失效等重大财产损失，则归为风险等级为高，记为H(或德文G)，如轨道交通齿轮箱的上、下箱体的四个主合箱螺栓、高铁车轴的轴端压盖螺栓、汽车轮毂和轮辋之间的联结螺栓、风力发电机叶轮和偏航轴承联结螺栓、风力发电机轮毂和主轴承联结螺栓、塔筒螺栓等都是一旦发生一颗螺栓失效可以遇见会造成车毁人亡或是整个风机倒塔、掉头等恶性事故，这样的螺栓就要归为H级，就必须采用VDI2230进行详细计算。

对于不重要的机械零件部位，或是危险等级不高的螺栓，如机舱罩螺栓、扶手螺栓、这些都是不会造成人员伤亡，不会造成整机的报废或停机，因此，归为低风险等级，记为L，或者在图纸上不做标记，这种情况可以不进行计算或是使用标准进行粗略查询一个推荐值的。对于重要性介于两者之间的螺栓，推荐进行VDI2230计算，但是不是强制，这种螺栓记为M，如下图二所示。

在德企工作过的工程师一般都了解，对于螺栓、轴承、齿轮、过盈配合，这些都是有成熟的、经典且现代化的理论来完美解决的，不会靠标准，标准只能解决常规问题。比如ISO 281这个轴承标准，其实只是用来校核滚子轴承的滚子的滚动面或者球轴承的球表面是否会发生疲劳失效。对于轴承的其它失效，如内外圈开裂、端面微动腐蚀、温升过高、保持架断裂等任何标准都是无能为力的。

图二 新能源汽车PCB板用自攻螺钉在塑料后盖中安装

关于标准，其实是理论分析方法的副产品，可以偶尔使用，不能作为依据。唯一的依据就是数学、力学、定理定律。比如，如果想知道普通粗牙规格M12，强度等级8.8级，摩擦系数0.2的螺栓需要打多大的预紧力，很多工程师朋友就是直接按照VDI2230-1的附表中查询到的117Nm的力矩值来设计，这导致产品出现螺栓失效的危险。那么是VDI2230附表错误了吗？当然不是，错误在于我们将VDI2230系列作为标准使用。大家可能注意到了，我在给VDI2230，FKM, DIN7190进行归类的时候都是把它们归为学科，而不是标准。那么既然是学科就要按照学科的学习方法而不能简单的采用标准的查询方法。这就是工程师常犯的错误根源。包括这个案例中的这个螺栓为什么不能直接采用117 Nm的力矩的众多机械设计中的工程师常见的理解误区，我会在后续的仿真秀这个渠道所发一系列文章中详细讨论指出。

图三 VDI2230附表截取

比如，这颗螺栓在工作时受到载荷100 kN, 那么螺栓实际受力就是38 kN+X100 kN=38+0.1x100=48 kN，超出40 kN的螺栓极限承载能力了。至于为什么不能直接查询这个表格使用力矩值或是如何正确使用，我在线下公开课会讲到。因此，标准的使用要有严格的限制，要理解背后的理论，要进行分析，才能起到如虎添翼的效果。

四、如何报名我的VDI2230线下培训

为了帮助学员更好的理解并掌握VDI2230螺栓连接结构设计计算能力，仿真秀联合平台 独家讲师螺栓设计老张于2025年5月17-18日，为大家带来为期两天的《VDI2230 螺栓连接结构设计计算培训》，欢迎各位莅临,一起线下探讨交流。

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来源：仿真秀App