🧮 在线计算器:《VDI 2230-1 单螺栓连接计算》 — 完整 14 步计算链(R0~R13),含六项强度校核。按文末「在计算器里复现」一节的输入,可以逐项复算本例。

完整计算实例:通孔连接 (DSV)

本篇把前 7 篇的理论串成一条完整的计算链:用一个自拟的通孔连接(DSV)算例,按 VDI 2230 的 R0~R13 逐步算下来,对应本站的 VDI 2230-1 单螺栓连接计算器。全部输入列在文末「在计算器里复现」,可以对照复算。

工程问题描述

一个钢制法兰连接,使用单颗螺栓固定盖板。设计要求如下:

参数 数值 说明
连接类型 DSV(通孔) 螺栓穿过两块板,用螺母紧固
外部轴向力 $F_A = 20\,000$ N(静态) 沿螺栓轴线方向的工作载荷
外部横向力 $F_Q = 5\,000$ N(静态) 垂直于螺栓轴线,靠分界面摩擦传递
夹紧长度 $l_K = 40$ mm 两块被连接件各厚 20 mm
被连接件外径 $D_A = 44$ mm 分界面处的等效外径
被连接件材料 S355 JO,$E_P = 205\,000$ MPa $E_P$ 与极限面压 $p_G = 760$ MPa 均取自 VDI 2230:2015, Tabelle A9
工作温度 室温(无热效应) $\Delta F'_{Vth} = 0$
分界面摩擦系数 $\mu_T = 0.12$ 分界面钢-钢
螺纹摩擦系数 $\mu_G = 0.12$
支承面摩擦系数 $\mu_K = 0.12$ 螺栓头、螺母支承面
分界面数 $q_F = 1$(单剪)
载荷导入系数 $n = 0.5$ 力在分界面附近导入
拧紧方法 扭矩扳手控制,目标扭矩经试验确定 对应 $\alpha_A$ 见 R1

R0 — 初步选径

基于经验或快速预选(参见螺栓预选第一篇 ),初步选定:

  • 螺栓:M12 × 1.75,强度等级 10.9
  • 螺纹几何(DIN 13-1):$d = 12$ mm,$d_2 = 10.863$ mm,$d_3 = 9.853$ mm,$P = 1.75$ mm
  • 截面积:$A_S = 84.3$ mm²,$A_{d_3} = 76.2$ mm²,$A_N = 113.1$ mm²
  • 螺栓头:六角头,支承面外径 $d_W = 17.0$ mm(本站计算器六角头的默认值)
  • 通孔直径(DIN EN 20273,中等):$d_h = 13.5$ mm
  • 材料性能(DIN EN ISO 898-1):$R_{p0.2\min} = 940$ MPa,$R_m = 1040$ MPa

极限尺寸 $G$:本例为中心夹紧、中心加载。(R0/1) 的 $G = h_{\min} + d_W$ 是偏心夹紧或偏心受载工况的有效性门槛,本例不需要校核 (VDI 2230:2015, R0)。顺带一提,式中的 $h_{\min}$ 是两块板中较薄那块的厚度(这里是 20 mm),不是夹紧长度 $l_K$ (VDI 2230:2015, §5.1.2.2, Gl.(54))。

[!note] 换成计算器的设计模式会怎样 本站计算器的设计模式按 Tabelle A7 估径,对本例给出 M14。但 M14 同样过不了 R7:$F_{Mzul} = 86\,869$ N,小于 $F_{M\max} = 101\,767$ N,滑移安全系数 $S_G$ 也只有 0.78。所以下文从 M12 直接升到 M16,中间的 M14 不用再试。


R1 — 拧紧系数

扭矩扳手控制拧紧、目标扭矩经试验确定,Tabelle A8 这一档给出 $\alpha_A = 1.4 \sim 1.6$ (VDI 2230:2015, Tabelle A8)。本例偏安全取上限:

$$ \alpha_A = 1.6 $$

R2 — 所需最小夹紧力

本例有横向力需通过摩擦传递 (Eq. R2/1):

$$ F_{KQ} = \frac{F_{Q\max}}{q_F \cdot \mu_{T\min}} = \frac{5\,000}{1 \times 0.12} = 41\,667 \text{ N} $$

无密封要求,无弯矩 → $F_{KP} = 0$,$F_{KA} = 0$

$$ F_{Kerf} = F_{KQ} = 41\,667 \text{ N} \tag{R2/4} $$

R3 — 弹性柔度与力比

螺栓柔度

螺栓构成:头部 + 光杆 20 mm + 自由螺纹 20 mm + 旋合螺纹段 + 螺母区域。

段 长度 截面积 $\delta_i$ (mm/N)
头部 $\delta_{SK}$ $0.5 \times 12 = 6$ mm $A_N = 113.1$ $2.53 \times 10^{-7}$
光杆 $\delta_1$ 20 mm $A_N = 113.1$ $8.42 \times 10^{-7}$
自由螺纹 $\delta_{Gew}$ 20 mm $A_{d_3} = 76.2$ $1.249 \times 10^{-6}$
旋合螺纹 $\delta_G$ $0.5 \times 12 = 6$ mm $A_{d_3} = 76.2$ $3.75 \times 10^{-7}$
螺母 $\delta_M$ $0.4 \times 12 = 4.8$ mm $A_N = 113.1$ $2.02 \times 10^{-7}$
$$ \delta_S = (2.53 + 8.42 + 12.49 + 3.75 + 2.02) \times 10^{-7} = 2.92 \times 10^{-6} \text{ mm/N} $$

被连接件柔度

先计算锥角 (Eq. 43, 44, 45)。本例没有另给基本体外径,取 $D_A' = D_A$:

$$ \beta_L = l_K / d_W = 40 / 17.0 = 2.353 $$$$ y = D_A' / d_W = 44 / 17.0 = 2.588 $$$$ \tan\varphi_D = 0.362 + 0.032 \ln(2.353/2) + 0.153 \ln(2.588) = 0.362 + 0.0052 + 0.1455 = 0.5127 $$

限界直径 (Eq. 39, $w = 1$ for DSV):

$$ D_{A,Gr} = 17.0 + 1 \times 40 \times 0.5127 = 37.5 \text{ mm} $$

$D_A = 44 \text{ mm} \geq D_{A,Gr} = 37.5$ mm,没有变形套筒,用 Eq. 40(纯锥体):

$$ \delta_P = \frac{2 \ln\left[\frac{(17.0+13.5)(17.0+1 \times 40 \times 0.5127-13.5)}{(17.0-13.5)(17.0+1 \times 40 \times 0.5127+13.5)}\right]}{1 \times 205\,000 \times \pi \times 13.5 \times 0.5127} $$$$ = \frac{2 \ln\left[\frac{30.5 \times 24.01}{3.5 \times 51.01}\right]}{4\,458\,000} = \frac{2 \ln(4.102)}{4\,458\,000} = \frac{2 \times 1.411}{4\,458\,000} = 6.33 \times 10^{-7} \text{ mm/N} $$

力比 Φ

中心夹紧、中心加载,用 (R3/3)。DSV 时 $w=1$,按 Gl.(81) $\delta_{PZu}=(w-1)\delta_M=0$,(R3/3) 退化为:

$$ \Phi_n = n \cdot \frac{\delta_P}{\delta_S + \delta_P} = 0.5 \times \frac{6.33 \times 10^{-7}}{2.92 \times 10^{-6} + 6.33 \times 10^{-7}} = 0.5 \times \frac{6.33}{35.54} = 0.0891 $$

力比 $\Phi = 0.0891$ — 螺栓只分担外力的 8.9%!

附加螺栓力和板卸载力:

$$ F_{SA} = 0.0891 \times 20\,000 = 1\,782 \text{ N} $$$$ F_{PA} = (1 - 0.0891) \times 20\,000 = 18\,218 \text{ N} $$

R4 — 预紧力变化

沉陷损失

沉陷(Setzen)量 $f_Z$ 查 Tabelle 5。本例分界面粗糙度 $R_z < 10\ \mu$m;横向力靠分界面摩擦传递,按剪切载荷那一行取值。DSV 有螺栓头和螺母两个支承面、1 个内部分界面:

$f_Z$ = 螺纹 3 μm + 头支承面 3 μm + 螺母支承面 3 μm + 1 个内部分界面 2 μm = 11 μm (VDI 2230:2015, §5.4.2.1, Tabelle 5)

$$ F_Z = \frac{f_Z}{\delta_S + \delta_P} = \frac{0.011}{3.554 \times 10^{-6}} = 3\,095 \text{ N} \tag{R4/1} $$

热膨胀

室温工况 → $\Delta F'_{Vth} = 0$


R5 — 最小装配预紧力

$$ F_{M\min} = 41\,667 + (1 - 0.0891) \times 20\,000 + 3\,095 + 0 = 62\,980 \text{ N} \tag{R5/1} $$

R6 — 最大装配预紧力

$$ F_{M\max} = 1.6 \times 62\,980 = 100\,768 \text{ N} \tag{R6/1} $$

R7 — 装配应力校核

许用装配预紧力 (Eq. R7/2, $\nu = 0.9$, $d_0 = d_S = (d_2 + d_3)/2 = 10.358$ mm, $A_0 = \frac{\pi}{4} d_0^2 = 84.26$ mm²):

$$ F_{Mzul} = 84.26 \times \frac{0.9 \times 940}{\sqrt{1 + 3\left[\frac{3}{2} \times \frac{10.863}{10.358}\left(\frac{1.75}{\pi \times 10.863} + 1.155 \times 0.12\right)\right]^2}} $$$$ = 84.26 \times \frac{846}{\sqrt{1 + 3 \times [1.573 \times (0.0513 + 0.1386)]^2}} $$$$ = 84.26 \times \frac{846}{\sqrt{1 + 3 \times 0.0892}} = 84.26 \times \frac{846}{\sqrt{1.268}} = 84.26 \times 751.4 = 63\,315 \text{ N} $$

Tabelle A1–A4 的表值 $F_{MTab}$ 就是按这个式子、以 90% 屈服利用率算出来的(舍入误差不超过 ±2.5%),所以 $\nu = 0.9$ 时 $F_{Mzul}$ 可以直接取表值 (VDI 2230:2015, §5.5.1)。

校核 (Eq. R7/3):

$$ F_{Mzul} = 63\,315 \text{ N} \quad \text{vs} \quad F_{M\max} = 100\,768 \text{ N} $$$$ 63\,315 < 100\,768 \;\Rightarrow\; F_{Mzul} < F_{M\max} $$

❌ 不满足:M12 拧到许用预紧力,也覆盖不了拧紧散布上限。


迭代:升级为 M16

M12 不够,升级为 M16 × 2.0,强度等级 10.9:

参数 M16 × 2.0 值 来源
$d_2$ 14.701 mm DIN 13-1
$d_3$ 13.546 mm DIN 13-1
$A_S$ 157 mm² DIN 13-1
$A_{d_3}$ 144.1 mm² $\pi/4 \times 13.546^2$
$A_N$ 201.1 mm² $\pi/4 \times 16^2$
$d_W$ 22.5 mm 本站计算器六角头默认值
$d_h$ 17.5 mm DIN EN 20273
$F_{Mzul}$ 118 928 N 同上 R7/2 式,$\mu_G = 0.12$

重新从 R2 开始计算($F_{Kerf}$ 不变):

δS(M16):

段 长度 截面积 $\delta_i$
头部 $0.5 \times 16 = 8$ mm $A_N = 201.1$ $1.89 \times 10^{-7}$
光杆 16 mm $A_N = 201.1$ $3.79 \times 10^{-7}$
自由螺纹 24 mm $A_{d_3} = 144.1$ $7.93 \times 10^{-7}$
旋合螺纹 $0.5 \times 16 = 8$ mm $A_{d_3} = 144.1$ $2.64 \times 10^{-7}$
螺母 $0.4 \times 16 = 6.4$ mm $A_N = 201.1$ $1.52 \times 10^{-7}$
合计 $1.777 \times 10^{-6}$

δP(M16):

$\beta_L = 40/22.5 = 1.778$,$y = 44/22.5 = 1.956$

$\tan\varphi_D = 0.362 + 0.032\ln(0.889) + 0.153\ln(1.956) = 0.362 - 0.0038 + 0.1026 = 0.4608$

$D_{A,Gr} = 22.5 + 40 \times 0.4608 = 40.9$ mm

$D_A = 44 \text{ mm} \geq 40.9$ mm → Eq. 40:

$$ \delta_P = \frac{2\ln\left[\frac{(22.5+17.5)(22.5+40 \times 0.4608-17.5)}{(22.5-17.5)(22.5+40 \times 0.4608+17.5)}\right]}{205\,000 \times \pi \times 17.5 \times 0.4608} = \frac{2 \ln(3.208)}{5\,194\,000} = 4.49 \times 10^{-7} \text{ mm/N} $$

Φ(M16):

$$ \Phi = 0.5 \times \frac{4.49 \times 10^{-7}}{1.777 \times 10^{-6} + 4.49 \times 10^{-7}} = 0.5 \times 0.202 = 0.1008 $$

R4(M16):$F_Z = 0.011 / (2.226 \times 10^{-6}) = 4\,941$ N

R5:$F_{M\min} = 41\,667 + (1 - 0.1008) \times 20\,000 + 4\,941 = 41\,667 + 17\,984 + 4\,941 = 64\,591$ N

R6:$F_{M\max} = 1.6 \times 64\,591 = 103\,346$ N

R7:$F_{Mzul}(\text{M16}) = 118\,928$ N

$$ 118\,928 \geq 103\,346 \;\Rightarrow\; F_{Mzul} \geq F_{M\max} $$

✅ 满足。


R8~R12 校核汇总(M16-10.9)

步骤 校核项 计算值 许用值 安全系数 结果
R8 工作应力 $\sigma_{red,B} = 811.1$ N/mm² $R_{p0.2} = 940$ N/mm² $S_F = 1.16$ ✅
R9 疲劳 静载,$\sigma_a = 0$ — — 不需校核
R10 支承面压强 不加垫圈:$p_{B\max} = 770$ N/mm² $p_G = 760$ N/mm² $S_{pB} = 0.99$ ❌
R10 支承面压强(加垫圈) $p_{M\max} = 345$ N/mm² $p_G = 760$ N/mm² $S_P = 2.20$ ✅
R11 旋合深度(也称拧入深度) DSV 用标准螺母,不适用 — — —
R12 滑移 $F_{KR\min} = 51\,405$ N $F_{KQerf} = 41\,667$ N $S_G = 1.23$(要求 ≥ 1.2) ✅

R8 — 工作应力

扭矩控制拧紧后,螺栓里留有拧紧时的扭应力,所以要按 (R8/4) 把扭应力计入对比应力。运行时扭应力按 $k_\tau = 0.5$ 折减 (VDI 2230:2015, R8):

$$ F_{S\max} = F_{Mzul} + \Phi F_A = 118\,928 + 0.1008 \times 20\,000 = 120\,945 \text{ N} \tag{R8/1} $$$$ \sigma_{z\max} = \frac{F_{S\max}}{A_0} = \frac{120\,945}{156.7} = 772.0 \text{ N/mm}^2, \qquad \tau_{\max} = \frac{M_G}{W_P} = \frac{159\,017}{553.2} = 287.5 \text{ N/mm}^2 $$$$ \sigma_{red,B} = \sqrt{\sigma_{z\max}^2 + 3(k_\tau \tau_{\max})^2} = \sqrt{772.0^2 + 3 \times (0.5 \times 287.5)^2} = 811.1 \text{ N/mm}^2 \tag{R8/4} $$$$ S_F = \frac{R_{p0.2\min}}{\sigma_{red,B}} = \frac{940}{811.1} = 1.16 \geq 1.0 $$

只有扭应力完全消失或无扭拧紧时,才可以用 $R_{p0.2} A_0 \geq F_{S\max}$ 这种只看拉应力的 (R8/6)。本例若误用它,$S_F$ 会被算高约 5%。

R10 — 支承面压强

支承面积按平面圆环计算,$A_{p\min} = \frac{\pi}{4}(d_{Wa}^2 - D_{Ki}^2)$ (Gl.(193))。本例没有给孔口倒角,内径 $D_{Ki}$ 取通孔直径 $d_h = 17.5$ mm;这样算出的面积偏大,结果偏不保守。

不加垫圈($d_{Wa} = d_W = 22.5$ mm,$A_{p\min} = 157.1$ mm²):

  • 装配态:$p_{M\max} = F_{Mzul}/A_{p\min} = 118\,928/157.1 = 757$ N/mm²,$S_P = 760/757 = 1.00$,刚好临界;
  • 运行态:$p_{B\max} = (F_{V\max} + F_{SA})/A_{p\min} = (118\,928 + 2\,017)/157.1 = 770$ N/mm²,$S_{pB} = 0.99$,不通过($F_{V\max}$ 保守取 $F_{Mzul}$)。

支承面超过极限面压,被连接件会在头下发生蠕变,预紧力持续流失。解决办法是在头下和螺母下各加一片厚 $h_S = 3$ mm 的淬硬垫圈,计算面压时外径取 (VDI 2230:2015, §5.5.4, Gl.(194)):

$$ d_{Wa} = d_W + 1.6\,h_S = 22.5 + 1.6 \times 3 = 27.3 \text{ mm} $$

$A_{p\min} = \frac{\pi}{4}(27.3^2 - 17.5^2) = 344.8$ mm²,$p_{M\max} = 345$ N/mm²,$S_P = 2.20$;$p_{B\max} = 351$ N/mm²,$S_{pB} = 2.17$。✅ 通过。垫圈本身也须有足够的强度和厚度 (VDI 2230:2015, §5.5.4)。

R12 — 防滑

残余夹紧力按最不利的情况算:装配预紧力取下限 $F_{Mzul}/\alpha_A$,再扣掉板卸载力和沉陷损失:

$$ F_{KR\min} = \frac{F_{Mzul}}{\alpha_A} - (1-\Phi)F_A - F_Z = \frac{118\,928}{1.6} - (1 - 0.1008) \times 20\,000 - 4\,941 = 51\,405 \text{ N} $$$$ S_G = \frac{F_{KR\min}}{F_{KQerf}} = \frac{51\,405}{41\,667} = 1.23 \geq 1.2 $$

静载时 $S_G$ 常用要求值是 1.2 (VDI 2230:2015, R12)。本例刚好过线。R12 另外两项,螺栓抗剪 $S_A = 20.2$、孔承压 $S_L = 9.18$,余量都很大,不起控制作用。


R13 — 拧紧力矩

(Eq. R13/1, M16, $\mu_G = \mu_K = 0.12$)。支承面摩擦直径 $D_{Km} = (d_W + D_{Ki})/2 = (22.5 + 17.5)/2 = 20.0$ mm:

$$ M_A = 118\,928 \times \left[0.16 \times 2.0 + 0.58 \times 14.701 \times 0.12 + \frac{20.0}{2} \times 0.12\right] $$$$ = 118\,928 \times [0.320 + 1.023 + 1.200] = 118\,928 \times 2.543 = 302\,458 \text{ N·mm} $$$$ M_A \approx 302 \text{ N·m} $$

结果汇总

项目 数值
最终选型 M16 × 2.0 — 10.9,头下与螺母下各加 3 mm 淬硬垫圈
最小装配预紧力 $F_{M\min}$ 64 591 N
最大装配预紧力 $F_{M\max}$ 103 346 N
许用装配预紧力 $F_{Mzul}$ 118 928 N
力比 $\Phi$ 0.1008
静强度安全系数 $S_F$(工作应力) 1.16
安全系数 $S_P$(支承面,带垫圈) 2.20
安全系数 $S_G$(滑移,要求 ≥ 1.2) 1.23
拧紧力矩 $M_A$ ≈ 302 N·m

[!IMPORTANT] 从 M12 到 M16 的教训 本例表面上看 20 kN 的外力并不大,但横向力传递所需的夹紧力 $F_{KQ} = 41.7$ kN 才是设计的主导因素。M12 虽然拉力强度够,但 $F_{Mzul}$ 不足以覆盖 $F_{M\max}$。换到 M16 后,螺栓本身够了,支承面压强却刚好超限,要加垫圈才过。这正是 VDI 2230 系统化方法的价值——它能揭示直觉容易忽略的薄弱环节。


在计算器里复现

打开 VDI 2230-1 单螺栓连接计算器 ,按下表填写,未列出的输入保持默认,然后点「执行计算」。本例是自拟算例,下表给出全部输入。

输入项(界面名称) 填写 说明
计算模式 校核模式(指定规格) 设计模式会给出 M14,见 R0 的说明
连接类型 TBJ — 通孔螺栓/DSV
螺栓规格 M16 先填 M12 可复现 R7 不通过
螺栓头型 六角头 $d_W$ 取默认值 22.5 mm(M12 为 17.0 mm)
被夹件分层 两层,各厚 20 mm 每层点材料按钮,选 Tabelle A9 的 S355 JO(回填 $E_P = 205\,000$、$p_G = 760$)
分界面等效外径 $D_A$ 44 mm
通孔直径 $d_h$ 17.5 mm M12 时填 13.5
夹紧光杆段长 $l_1$ 16 mm M12 时填 20
头下垫圈厚度 $h_S$ 3 mm 留空即复现不加垫圈的 R10 结果
头侧支承面内径 $D_{Ki}$ 留空 计算器按 $d_h$ 取值,并在步骤里注明
轴向载荷 $F_A$ / 横向载荷 $F_Q$ 20 000 N / 5 000 N
载荷导入系数 $n$ 0.5
强度等级 10.9 $R_{p0,2} = 940$、$R_m = 1040$ 为默认值
螺纹 / 头部 / 分界面摩擦系数 0.12 / 0.12 / 0.12 摩擦系数等级不选
滑移分界面数 $q_F$ 1
拧紧方法 / 拧紧系数 $\alpha_A$ 扭矩控制法 / 1.6
利用率 $\nu$ 0.9
沉陷量 $f_Z$ 0.011 mm 即 R4 取的 11 μm
考虑温度影响 / 疲劳校核 否 / 否 本例静载、室温

计算结果与本文的对应关系(M16,带垫圈):

计算器输出 计算器值 本文位置
螺栓柔度 $\delta_S$ / 被连接件柔度 $\delta_P$ $1.777 \times 10^{-6}$ / $4.489 \times 10^{-7}$ mm/N 迭代 M16
力比 $\Phi$ 0.1008 迭代 M16
嵌入导致的预紧力损失 $F_Z$ 4 941 N R4
$F_{M\min}$ / $F_{M\max}$ / $F_{Mzul}$ 64 591 / 103 346 / 118 928 N R5~R7
最大螺栓力 $F_{S\max}$ / 工作等效应力 $\sigma_{red,B}$ 120 945 N / 811.1 N/mm² R8
装配态 / 运行态面压 344.9 / 350.7 N/mm² R10
最小残余夹紧力 $F_{KR\min}$ 51 405 N R12
拧紧力矩 $M_A$ 302 458 N·mm R13
$S_F$ / $S_P$ / $S_{pB}$ / $S_G$ / $S_A$ / $S_L$ 1.16 / 2.20 / 2.17 / 1.23 / 20.20 / 9.18 汇总

计算器还多给出一项:同心张开极限 $F_{Aab} = 77\,169$ N (Gl.(87)),远大于 $F_A = 20\,000$ N,分界面不会张开。


数据依据与精度声明

本文所有公式来自 VDI 2230 Blatt 1:2015-11。螺纹参数来自 DIN 13-1,通孔直径来自 DIN EN 20273,被连接件的弹性模量与极限面压取自 VDI 2230 Tabelle A9,六角头支承面外径 $d_W$ 取本站计算器的默认值。

免责声明:本文仅供工程教学参考之用。计算基于中心夹紧、中心加载的假设。实际工程应用中应根据具体工况核实所有参数。


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