本书围绕轨道车辆用高强度紧固件连接计算与工程应用展开,系统介绍轨道车辆常用连接工艺,高强度螺栓和环槽铆钉的结构特点、失效模式及设计校核方法,重点解读VDI 2230、DVS EFB 3435-2等标准中关于紧固件柔度、被夹紧件柔度、载荷系数、预加载荷、应力与强度校核等关键内容。书中将机械设计算法与标准算法进行对比分析,并给出编程计算思路和典型轨道车辆工程实例,便于读者理解标准条文并掌握实际计算流程。

本书特色在于标准解读与工程案例相结合,理论分析与计算方法相结合,具有较强的工程实用性和可操作性。适合轨道车辆结构设计、强度校核、紧固件连接设计及可靠性评估相关工程技术人员使用,也可供车辆工程、机械设计、结构强度等专业研究生和科研人员参考。

1　引论

1.1　轨道车辆中连接工艺概述 001

1.1.1　螺纹连接 001

1.1.2　键连接 004

1.1.3　无键连接 008

1.1.4　铆接 010

1.1.5　焊接 011

1.1.6　胶接 012

1.1.7　过盈连接 013

1.2　轨道车辆常用高强度紧固件类型与特点 015

1.2.1　环槽铆钉 016

1.2.2　高强度螺栓 019

1.2.3　高强度螺栓的连接工艺 022

1.3　高强度紧固件连接的失效分析与研究现状 023

1.3.1　失效分析 023

1.3.2　研究现状 025

1.4　本书的研究目的、内容与结构安排 026

1.4.1　研究目的 026

1.4.2　研究内容 026

1.4.3　本书的结构安排 027

1.5　本章小结 028

2　高强度紧固件基础知识及其校核标准

2.1　紧固件的制备工艺 029

2.1.1　冷拔工艺 029

2.1.2　成形工艺 030

2.1.3　螺纹加工工艺 030

2.2　高强度螺栓连接技术 030

2.2.1　工作原理与装配工艺 030

2.2.2　失效模式 034

2.3　高强度环槽铆钉连接技术 038

2.3.1　工作原理与装配工艺 038

2.3.2　失效模式 038

2.4　主流设计与校核标准概述 039

2.4.1　VDI 2230：2015 标准概述 040

2.4.2　DVS EFB 3435-2 标准概述 041

2.5　本章小结 043

3　紧固件受力与变形分析及设计计算原则

3.1　机械设计中单紧固件连接的设计计算 044

3.1.1　仅受预加载荷的紧螺栓连接 044

3.1.2　受预加载荷和轴向工作载荷的紧螺栓连接 046

3.1.3　单螺栓连接的设计计算 049

3.2　紧固件连接的受力分析与设计计算原则 050

3.2.1　单螺栓连接受力与变形 050

3.2.2　同心夹紧单紧固件连接 053

3.2.3　偏心夹紧单紧固件连接 053

3.2.4　单紧固件连接设计计算原则 056

3.3　两种方法对比分析 057

3.4　本章小结 060

4　紧固件连接系统的柔度

4.1　紧固件的柔度 061

4.1.1　高强度螺栓的柔度 061

4.1.2　高强度环槽铆钉的柔度 064

4.2　等效变形锥与被夹紧件的柔度 065

4.2.1　被夹紧件压应力作用域等效形体的引入 065

4.2.2　等效变形锥 067

4.2.3　被夹紧件柔度计算 067

4.3　柔度的编程计算 077

4.3.1　紧固件柔度编程计算 077

4.3.2　被夹紧件柔度编程计算 079

4.4　本章小结 088

5　载荷系数和附加螺栓载荷

5.1　紧固件系统的轴向工作载荷 089

5.2　载荷引入系数 090

5.2.1　载荷引入系数的基本原理 091

5.2.2　载荷引入系数的确定步骤 094

5.3　载荷引入系数编程计算 097

5.4　载荷系数的定义 099

5.4.1　机械设计算法中的螺栓相对刚度系数 099

5.4.2　VDI 算法中的载荷系数——相对柔度系数 100

5.5　不同夹紧状态和加载状态下的载荷系数 101

5.6　不同夹紧状态和加载状态下的附加载荷 102

5.7　偏心加载情况下不同连接的剥离线 104

5.8　载荷系数编程计算 108

5.9　本章小结 110

6　预加载荷

6.1　机械设计算法中预加载荷的分析计算 111

6.2　VDI 算法中预加载荷的分析计算 113

6.2.1　最小夹紧载荷 113

6.2.2　预加载荷的变化 114

6.2.3　装配预加载荷和拧紧扭矩 115

6.2.4　液压无摩擦和无扭矩拧紧 119

6.2.5　最小装配预加载荷 119

6.3　VDI 算法中预加载荷编程计算 120

6.4　本章小结 124

7　应力与强度校核

7.1　机械设计算法中的应力和强度校核 125

7.1.1　装配应力 125

7.1.2　工作应力 126

7.1.3　交变应力 126

7.1.4　连接零部件的表面压力 127

7.1.5　螺纹旋合长度 127

7.2　VDI 算法中的应力和强度校核 128

7.2.1　装配应力 128

7.2.2　工作应力 132

7.2.3　交变应力 136

7.2.4　螺栓头部和螺母支承面的表面压力 137

7.2.5　螺旋旋合长度 138

7.2.6　横向承载能力 140

7.3　应力与强度校核编程计算 142

7.4　本章小结 152

8　提高紧固件连接工作可靠性的方法

8.1　螺栓连接的防松脱设计 153

8.1.1　松动机理分析 153

8.1.2　提高连接可靠性的方法 154

8.2　提升螺栓连接疲劳强度的设计方法 158

8.3　装配工艺的质量控制 160

8.4　在役检测与维护策略 162

9　轨道车辆典型紧固件连接工程实例分析

9.1　某头车底架安装设备连接螺栓安装强度校核案例 163

9.1.1　连接螺栓强度评价标准 163

9.1.2　连接螺栓布置及编号 164

9.1.3　基于VDI 2230-2014 的连接螺栓强度校核 165

9.1.4　结论 175

9.2　某地铁车下制动电阻安装螺栓强度分析案例 176

9.2.1　制动电阻螺栓强度校核计算过程 176

9.2.2　结论 185

9.3　某智能城际动车组变压器设备连接螺栓安装强度校核案例 186

9.3.1　连接螺栓布置及编号 186

9.3.2　基于VDI 2230-2014 的连接螺栓强度校核 187

9.4　本章小结 205

参考文献

VDI（Verein Deutscher Ingenieure）——德国工程师协会， 成立于1856 年，是世界工程组织联合会(WFEO) 的正式成员。VDI 标准是现行最严格的标准。其中VDI 2230-1 标准Systematic calculation of highly stressed bolted joints： Part1 Joints with one cylindrical bolt（高强度螺栓连接系统计算第1 部分：单个圆柱螺栓连接）为该协会综合考虑了螺栓与被夹紧件的连接形式、具体尺寸、材料特性、装配方法、加载方式等，通过经验计算公式来设计计算螺栓连接的方法，同时也是一种考虑因素较为全面，算法较为完善，计算结果较为准确的方法。该标准已用于实践40 余年， 除在德国、欧盟、北美被广泛应用外， 在我国也已被各行业认可并引用。

VDI 2230-1 标准适用于强度等级为8.8～ 12.9 或70、80， 通过摩擦传递工作载荷的钢制螺栓（螺纹牙型角为60 °）。与我国以往的常规算法——《机械设计手册》中介绍的方法（以下称机械设计算法） 相比， VDI 2230-1 标准的主要特点有：①分别根据螺栓和被夹紧件的材料和尺寸，采用计算法确定其柔度。特别是将被夹紧件受压区域内压缩变形体的轴向柔度作为被夹紧件的轴向柔度；②考虑了螺栓头部及螺母支承面区域、旋合螺纹副负载侧面、被夹紧件之间接触界面所发生的“嵌入”和由于工作环境温度所造成的预加载荷损失；③考虑了不同拧紧方式对装配预加载荷值离散性的影响；④考虑了轴向工作载荷作用位置对传力分配比例的影响，并通过载荷引入系数将其体现于计算中。

正是由于VDI 2230-1 算法较之机械设计算法涉及的因素更多、更全面， 人们在应用中难免会遇到各种各样的问题。因此，从源头探究其计算方法的理论基础和基本原理，就显得十分必要。

从螺栓连接的弹簧模型入手，由原本比较熟悉的机械设计算法出发，依循现有的相关资料，一步步探索VDI 算法的原始依据并对其进行研读分析， 力求更好地理解并科学、合理地运用VDI 2230-1 单个螺栓连接的算法， 是我们编写此书的初衷。

各章节讨论机械设计算法时，我们尽量依据VDI 算法的顺序， 以方便对比理解。请读者参考机械设计教材或手册时加以注意。为方便读者较为连贯、系统地阅读本书，书中采用统一的符号。同时，亦考虑到读者大多熟悉我国传统的机械设计算法，且许多必需的基础知识从不同的参考文献中获得，故在必要时，我们采用了加注和对比的方法说明其相互对应关系， 以方便读者更好地理解VDI 标准。为使读者既便于理解编程的主要思路，又有发挥空间，书中没有将适用于各种情况的烦琐复杂且通用的程序列出，仅针对复杂部分（如被夹紧件柔度计算）给出框图，其他部分则视具体情况给出易读易改易拓展的小段子程序。

我国各行业的螺栓连接设计者， 在VDI 标准的使用过程中积累了丰富的经验，值得我们认真学习和借鉴。“知之愈明， 则行之愈笃； 行之愈笃， 则知之益明。” 对VDI 2230-1 的正确理解、消化和应用，需要有一个过程。多年来我们一直不断地在实践中努力探索，但由于水平有限，难免理解分析欠妥。本书抛砖引玉，望广大读者不吝赐教。

感谢导师兆文忠教授在本书的酝酿、编写过程中，所给予的鼓励、引导和帮助。另外，研究生董骁、霍英泽、罗洋洋、孙一鸣、崔学晶、李东洋、郭健超等同学热心帮助收集下载资料、输入公式、绘制插图，在此一并表示感谢。感谢关心、帮助、支持本书编著工作的所有老师、同学。

编者