机械设计必须攻克的三个技术关键点

在机械行业，螺栓、轴承、齿轮是三个最基本的元素，重要性位列所有机械零部件中的前三甲。其中螺栓应用最广，几乎所有机械都离不开螺栓，所有机械传动都离不开轴承，大部分机械传动都离不开齿轮。因此从重要性来说螺栓是当之无愧的机械之王。

一、某齿轮箱各零部件之间逻辑关系

齿轮负责传动，轴承负责支撑，螺栓负责联接，各司其责。但是为了让这三个零件更好地发挥作用人们发明了一些服务于这三个机械元素的辅助机械元素：为了实现服务于齿轮的正常传动功能，出现了轴；为了支持轴的转动，需要轴承；为了轴承的正常运转，出现了润滑油或润滑脂；为了维持油脂量不变，出现了密封；同时为了维持齿轮和轴承的正常运转，出现了冷却。但是各个机械元素之间的联系不是随意的，是需要按照力学规律和产品要求来实现的，具体来说就是常用的标准，某齿轮箱的各零部件之间逻辑关系如下图。

以上图齿轮箱零部件关系为例，实际上需要用到的标准还要更多，但是无论对于工程师还是企业来说，我们完全不需要也不可能面面俱到地都掌握，我们只需要掌握其核心。所谓核心就是触碰到知识底层、以力学和数学为工具的计算方法，我习惯称其为学科，如螺栓联结设计计算学科VDI2230，过盈配合计算学科DIN7190, 应力结果评价标准FKM，轴设计学科DIN743，而不是直接查阅就能得到结果的标准如顶尖工艺孔标准DIN 332，紧固件材料标准DIN 898-1。恰如计算机产业，美国的芯片生产的很好，印度的机箱生产的很好。美国没有机箱大不了计算机敞着用，但是印度没有美国的芯片那就彻底停机，没得用。

二、机械行业也是高科技行业

记得我上大学的时候，学的是机械工程及自动化。当时我们专业的同学自己倒是从来没有完整概念，但是其它专业同学，如电气和计算机专业的，却是认为我们学机械的没有前途。为什么会有这种感觉呢？我也是大概七、八年前才悟出来：因为人都有一种天性，就是对自己不熟悉的、陌生的事物有一种仰视或至少是不敢轻视，而对自己很熟悉的领域，都不太当回事的。

中国现在是制造业中心，大到工业的机械设备，小到家里厨房的厨具，无所不在，大家再熟悉不过，因此没有人感觉机械是高科技。曾经有个非常有知识的人跟我说：“风力发电机不就是三个叶片转起来发电吗？应该很简单”，但是我们内行的都知道，风力发电机绝对是高科技，因为它汇集了机械、材料、热处理、电气、通信的等学科，涉及到力学、电磁学、计算机、控制工程、空气动力学，难道还不够高深？

但是我们内行了解肯定不够，需要让别人认可才是最关键的。如果连一个普通外行人都认为你的工作内容没有什么高深的，那你的领导可想而知也不会真心认可你。那既然看得见的、摸得着的、知识壁垒低的内容附加值不高，那我们就需要反其道而行之。

要想让设计出的产品好，就要把设计的重点从看得见、摸得着的画图、校核尺寸转移到原始创新、数学和力学计算、国外先进设计方法的应用和升级上。这就是我们从制造业大国迈向制造业强国的关键标志，也是我们个人价值最大化发挥的必经之路。

三、机械人必须掌握“看不见”的深奥技术

我根据我个人在机械行业十几年的折腾吧，悟出了一点心得，分享给大家。我们可以分三个方向：

第一、熟练掌握那些所谓“看不见、摸不着”深奥的技术，比如螺栓设计计算学科VDI2230，过盈压配计算学科DIN7190，应力评价学科FKM。这些内容，不像普通标准一样直接查阅就能得到结果，需要至少力学和数学为基础并深入理解，还需要长期实践积累案例才能融会贯通。因此，属于所谓的“看不见、摸不着”的高深玩意。

我有一个朋友跟领导参加方案技术讨论会，因为总工是机械出身，所以，每到机械内容讨论的时候，总工就滔滔不绝，员工在展示方案的时候每句话他都要打断然后发表自己的看法。但是轮到电气同事展示电气方案的时候，这位总工就老老实实地一言不发了。说明他不懂，产生了敬畏之心。因此，我推荐大家学习上述三门学科。

下面我举几个例子。前几年曾经有个风力发电机塔筒倒塌的事故，当时主机厂技术主管直接认为就是螺栓预紧力矩打得过小了，但是最后调查得出的结论是预紧力过大造成的，如下图所示：

预紧力BJ < 预紧力 FK，两种情况下工作外力CD=GH，相等，那么螺栓受到的拉力CL<GM。因此，在这种情况下，螺栓断裂是预紧力过大造成的。但是这也要具体问题具体分析，曾经有个丹麦的风机倒塔，那个根据螺栓断口观察以及端口的残余应力检测发现是疲劳破坏，在那种情况下，通过VDI21230分析，结论是预紧力过小导致，与这种失效原因恰恰相反。

所以说螺栓的预紧力非常有讲究，螺栓连接不仅仅是生产高质量的螺栓，更重要的是怎么高质量地使用螺栓，也就是说预紧力一定要进行计算才可以。正如一个企业招聘到一个高水平的技术专家或管理专家，这很重要，但是更重要的是企业怎么去用人才。千里马可贵，更可贵的是伯乐。那么如何合理地利用螺栓呢，这就是要精确地进行螺栓连接预紧力的计算，这部分内容需要根据VDI2230详细分析。

第二、掌握企业尤其是具有多年知识积淀的大企业的设计经验、参数选取、模型处理等，这些对企业来说是核心，当然对外人属于“看不见、摸不着”了。比如迷宫密封的间隙等，这些是非标的，但是又非常重要。

还有我们知道在VDI2230里面以及DIN7190里面有摩擦系数，那么这个摩擦系数具体数值在就是非常重要了，表面处理是达克罗还是磷化，是涂润滑油还是涂甘油，这些数值在企业内部通过大量的产品经验积累是非常宝贵的。类似的还有力矩分散系数等。

另外对于齿轮，我们知道有些主要参数我们很关注：齿根抗弯曲、齿根抗疲劳、齿面抗点蚀这些安全系数，但是我们取多大合适呢？取太大，材料利用率过低；取太小，失效的风险大。还有齿轮的重合度决定噪声和传动的平稳性，还有对两个齿轮的滑动率的要求等，这些极限值不同行业、不同产品、不同企业的产品都是千差万别，无法做到完全统一，因此企业的经验积累非常宝贵。

第三，熟练掌握一门外语，最好除了英语之外再掌握德语或法语。外语作为沟通工具的重要性自不必说，对于工程师来说，专业外语越来越起到和图纸一样的作用。工程师的语言就是图纸 标准 专业外语。比如我们说齿轮修行的时候有很多修形方式，其中一种是crowning。单从图纸上来看就是齿面在渐开线的基数上进一步凸出一个微小量，具体是以指数曲线还是抛物线突出来，图纸是看不到的。

所以如果我们知道crowning是指以一个半径很大、曲率很小的圆凸出，那就是一切迎刃而解了。后期我会以各种形式向大家分享我的积累的一些外语学习知识点，包括专业外语、日常生活的外语。我们不是外语教师，不包括常规外语内容，但是力求做到独树一帜，期待我们一起进步。

四、我的机械行业精品课

基于此，我在仿真秀平台（官网和App）线上线下同步开设了两门课程《德国螺栓设计计算学科VDI2230》,《机械行业关键零部件设计导则30讲》，囊括了上述所有内容，希望大家喜欢。

本课程以动力车为例，其机械系统是由数个子系统组成，包括车体、转向架、轮对、驱动系统、轴箱、车钩、制动、减震装置等，其中，整车的受力、轮对部分的过盈、驱动齿轮箱的设计、鼓形齿联轴器（联接电机与齿轮箱）的难点、拉杆或C型支架（联接齿轮箱与转向架）是我原创《轨道交通车辆关键零部件设计导则》课程的讲解重点，涉及到的知识点有：

• 过盈压配DIN7190
• 应力评价分析FKM
• 迷宫密封设计
• 润滑设计
• 齿轮传动

• 轨道交通车辆产品部分零部件设计

• 第一、不求面面俱到，但是讲关键的知识点纳入其中；
• 第二、与理论与实际相结合，将理论上的标准原理规范应用到具体的设计工作当中啊；

• 第三、我们取其精华加以提炼，争取让学员用最短的时间学习到最多和最实用的知识，做到学以致用。

另外我会为订阅用户提供一个答疑VIP群和答疑专栏服务，可以在答疑专栏对我进行提问，可以私问或公开提问，与课程无关内容，可接受付费咨询。

作者：螺栓设计老张，齿轮箱设计研发工程师，圆柱滚子轴承产品设计研发工程师PDE，《德国工程师协会螺栓计算VDI2230详解与实例解析16讲》作者和讲师，《机械行业关键零部件设计导则30讲》作者和讲师，《VDI2230、DIN7190、FKM线下高级培训》讲师。