即将直播：德国标准VDI2230、FKM在高铁列车设计中的应用

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：正值仿真秀和北京东方所联合举办《2022轨道交通技术学习月-先进的轨道交通设计标准、试验和仿真》系列报告即将开讲，11月22日19时30分（周二），笔者受邀在首场讲座给轨道交通行业研发工程师（同行）和理工科学子带来《德国标准在高铁列车设计中的应用》报告——这是笔者对德国标准的学习、使用方法与对国内产品设计的经验总结，详情见后文。

一、写在文前

大家好，我仿真秀专栏作者-螺栓设计老张，从事齿轮箱研发设计工作，擅长螺栓计算VDI2230、过盈压配DIN7190、零件应力强度分析评价导则FKM、圆柱滚子轴承设计等。师从德国齿轮箱大师Hans-Jürgen Linder和Michael, Bachmann，为其两个关门**之一。

在深得日耳曼人精益求精的钻研精神的同时也兼具中国传统知识分子的家国情怀。于2016年冲破德国人的重重阻挠，从德国回国后，一直在仿真秀推广《德国工程师协会螺栓设计计算学科VDI2230》、《过盈压配标准DIN7190》、《机械零部件应力强度分析评价导则FKM》这三门学科，并取得小小的成绩，得到广大业内同行的认可和厚爱，不胜感叹！目前，线上课付费观看人次突破50000+人次，线下多次受邀赴中国中车集团、多所985高校、航天科工集团、中广核集团、上海电气、某大型汽车企业、国家某机械研究所、某德国企业在中国分公司、某齿轮箱制造业央企等近20家企事业单位进行授课培训。为数家风力发电企业进行螺栓断裂失效分析及解决方案咨询。

一、轨交行业专业术语解读

首先，介绍常用轨道交通装备术语的英文或德文固定翻译。

OEM 主机厂, 也可以用“train builder”，这两个词都可以代表主机厂。如果老外是轨道交通行业的，直接说CRRC他们也都明白。主机厂是整车的的制造商或组装厂，而终端用户是业主end user，如各路局。

Bogie转向架，Drehgestelle德语的“转向架，因为机械行业无疑是德国最强，那么有些德语单词还是需要认识的，否则有些只有德语而没有翻译成英语的文献我们无法看懂。大家如果去过慕尼黑的德意志博物馆就会发现，很多精彩的内容都没有英文释义。但是这些单词我们只需要认识，不需要会用。

转向架为火车专用名词，其作用于汽车底盘chassis类似，但是又有所区别：货车只有一级减震，客车一般都是两级减震。

一系悬挂以下部：即轮对wheelset，这个位置的部件直接与钢轨刚性接触，它的重量被称为簧下重量或死重量。由于簧下零件还没有经过任何减震，因此运行中轮和轨道之间会有较大的冲击振动直接作用，导致轨道损坏和车辆部件损坏。特别是对于高速机车车辆，簧下重量越小越好。

一、二系悬挂之间部分：即转向架构架，也就是下图中标注所示，这个位置的部件经过了一系悬挂的缓冲，同样的重量产生的冲击振动和作用力比簧下重量产生的要明显变小。

二系悬挂以上部分：车体，也叫车厢，由于经过了两系悬挂的缓冲，其冲击振动和作用力状况就进一步改善了，为车上乘客提供了较好的舒适性。

Coupler这个专指车钩，即联结两节火车厢用的装置，理论上只受拉压作用力，设计的时候要分别校核其在疲劳工况和极限工况的拉力和压力的安全系数。疲劳工况包括列车启停，极限工况包括列车故障、紧急刹车、撞车等。

而coupling则专指联轴器。其受载荷离不开扭矩，因此，联轴器的外形的横截面都必须是圆形的，这个我们根据力学规律不难推导出。但是为什么联轴器的法兰螺栓也都是圆周排布呢？这个在我的线下课里面有详细的推导和解释。

这两个极容易混淆，但是一定要注意加以区分。另外联轴器的德语是Kupplung, 看到这里大家是否感觉英语和德语长得很像，学起来不难啊！那么说到联轴器就不能不提到一种极特别的联轴器--鼓形齿联轴器，gear coupling。鼓形齿联轴器的专长是用于所联接的两根轴不但有较大的不对中，而且不对中（线性和角度不对中）量还是随着轴的旋转时刻在变化的苛刻的工况。关于这一点，它比万向联轴器效果更好（带花键的万向联轴器理论上最好是停机调节花键伸缩，但是鼓形齿联轴器可以带载、自动调节不对中量），但是由于其高昂的价格，在有些场合还是以万向联轴器代替。

EMU：electrical multi-unit电驱动动力分散式动车组，就是我们常说的动车，即在一列车上的不同车厢上安装都安装驱动电机和驱动齿轮箱。DMU：dieselmulti-unit ，与EMU唯一区别就是用柴油机为动力的动力源。虽然动力分散，但一般不是每节车厢都安装动力源，而是动车motor car和拖车trailer car进行混合编组。我们以四动四拖编组为例，见下图：

我们以列车在水平直线匀速行驶（不通过隧道工况）情况下，单节车厢受到的总的阻力为F，则动车的各个车钩①至⑦受力分别为F、0、F、0、F、0、F。

我们再看Power -centralized EMU 动力集中型列车，就是我们传统的火车，即只有火车头安装动力，其余车厢都是拖车的各车钩受力情况。俗话说，要想火车跑得快，全靠火车头带。此时车钩①至⑦受力分别为F、2F、3F、4F、5F、6F、7F。

两相比较，动车的车钩受力要远远小于传统动集中列车的车钩受力。实际上不仅仅是车钩，火车上所有零部件受力都是这个规律。因此，在相同的载客量情况下，动车的安全性就远远大于传统客车。或者说，传统客车如果想达到动车相同的安全余量则需要更强的结构、远高的材料和生产成本。

我们再看能耗情况，以V表示列车的额定持续运行速度。对于动车，各电机所需要的能耗总和大约为12FXV。而拖车所需要的能耗大约为15FXV。可见，动车相比于传统列车能够大大节约能源消耗，降低运营成本。

综上，无论是从安全性还是经济性，动车都明显优于传统列车。尤其是高速情况下优势更加明显。因此，高铁都是采用的动车，200km/h以上几乎很难见到传统列车的身影。

动力分散是技术发展的趋势，风力发电机的电缆固定装置（电缆夹）也是利用了这个原理，与动车完全一样，只是将列车运行阻力换成电缆重力，将列车驱动力换成电缆夹对电缆的摩擦力，将水平方向改为竖直方向。

动力分散是符合自然界熵增加原理的，这个规律也不仅仅适用于制造业，也不仅仅适用于自然科学。

由于轨道交通的发展欧洲走在前列，德国的轨道交通车辆也是分不同类别的。

RB：RegionalBahn,德国的区域列车（一般是一个州内的或是一个小范围特定区域内的）。这种车也是动力分散型列车，外形一般是车窗比较大，类似北京的S2线或怀密线。

RE：RegionalExpress, 德国的区域特快列车（一般是一个州内的或是一个小范围特定区域内的）；

IC：Intercity-Zug,德国的跨州际列车；

ICE：Intercity-Expresszug,德国或瑞士的跨州际特快列车；

以上集中车的驱动齿轮箱都是一级或两级平行轴形式。齿轮箱代号以SE或SZ开头。因为E为德语Eins（数字1）的意思，Z为德语Zwei（数字2）的意思。

由于篇幅的原因，关于德国标准进行高铁列车关键零部件设计实例讲解，我将在我的本周的线上研讨会详细讲解。

三、我的线上研讨会

11月22日19时30分，我将在《2022轨道交通技术交流月》第一期报告分享《德国标准在高铁列车设计中的应用》是笔者对德国标准的学习、使用方法与对国内产品设计的经验总结。例如如何根据VDI2230设计齿轮箱拉杆螺栓接头？为什么迷宫密封配合不能过松？为什么迷宫密封配合不能过紧? 从最大应力来看，实际应力已经超出零件的屈服极限了，那这个设计到底是否成功呢？

1、讲座内容：