粘滑擰緊的研究與優化

曾繁龍

摘要：一量汽車在裝配線上的緊固連接的工作量約占70%，而采用螺栓連接占整車連接超過50%，螺栓擰緊質量直接關系到車輛安全性能。當使用自動擰緊軸進行擰緊時出現粘滑現象造成設備故障率提升，嚴重擰緊影響擰緊質量且較差的人機工程。通過對粘滑產生的原因進行分析，并優化擰緊過程消除粘滑，為其他擰緊過程粘滑改進提供了借鑒和參考。

關鍵詞：擰緊；粘滑；優化

1.引言

摩擦是一種自然界普遍存在的物理現象，存在于有相互運動趨勢和相對運動的兩個物體間。而粘滑作為摩擦中一種典型的摩擦現象，廣泛存在各種相對運動之中，引發機械系統出現顫振。除了少部分粘滑給我們生活帶來好處（如小鋼琴優美的琴聲），大部分給機械系統帶來不良影響（如鉆柱失效）。本文通過分析粘滑產生的原理，粘滑對電動擰緊工具的影響，并通過調整擰緊過程消除粘滑，解決方案已在生產現場得到應用，效果明顯。

2.現狀分析及背景調查

自從CN系列車型批量上線后，在不到2個月時間內，底盤的某一設定值160Nm的擰緊軸就損壞8個傳感器，極大增加了設備維護成本。而且在使用擰緊軸擰緊的過程中螺栓都發出“嘎嘎”刺耳的尖叫聲，對此，員工抱怨極大。

通過對擰緊過程調查，發現導致傳感器頻繁故障及擰緊過程中發出刺耳的尖叫聲都是因為擰緊過程出現粘滑現象導致。從擰緊曲線（圖1）看出，在擰緊過程中，扭矩曲線不斷上線震蕩，該現象稱為粘滑擰緊。

3.粘滑擰緊

粘滑是兩物體相對運動摩擦引起的自激共振現象，運動系統的不穩定性和振動是產生的主要致因。其中最為常見的一種是由摩擦系數隨相對滑動速度的增加而降低導致的負阻尼現象，此時摩擦力與時間關系曲線為鋸齒狀，這通常被認為是摩擦引起振動的主要原因。另外一種不穩定性機理就是模態耦合，即使摩擦系數為定常值，也可以破壞系統穩態滑動的穩定性而發生自激振蕩，其主要條件是摩擦力與法向力的耦合。產生粘滑具有隨機性，并未找到完全合理的解釋，但由摩擦導致系統自激振動和模態耦合機理得到廣泛的認同。

粘滑既可以重復出現，也可以隨機發生，如果動摩擦因數隨著滑動速度的變化斜率在某個速度下為負值，那么就出現諧振現象。在擰緊過程中扭矩隨著角度的變化忽高忽低，而且在擰緊扭矩合格后，往往會發現零件的夾緊力并沒有達到要求。

粘滑擰緊常見的來源：1、工件表面粗糙；2、螺紋摩擦系數高；3、擰緊過程中發熱嚴重；4、擰緊速度過高。

4.粘滑擰緊對擰緊工具的影響

目前，常用的電動擰緊工具扭矩傳感器主要有兩種類型：電渦流式扭矩傳感器與應變片式扭矩傳感器。

電渦流式扭矩傳感器：電定子、轉子、傳感器軸和輔助電路組成。轉子包括線圈固定在傳感器軸上，定子永久磁鐵固定在傳感器外殼上，定、轉子上都有相等的齒和槽。使用兩個完全相同的傳感器，它們的轉子分別固定在被測軸的兩端，而定子用支架固定。一個傳感器的定子齒和轉子齒相對，另一個則定子槽和轉子槽相對。當兩個傳感器輸出線組內感應出電勢大小相等，頻率相同時，相位是相差差180°的近似正弦波，而當扭矩作用在扭轉軸上時，兩個繞組內感應電熱相位差將不再是180°，而是扭轉角與定（轉）子齒數的積。在彈性限度內，材料扭矩與扭轉角成正比，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉角轉換成相位差的電信號，從而測出扭轉角也就得到了扭矩的值。這種扭矩傳感器反應較電阻應變式傳感器反應靈敏，但抗干擾能力較弱，對應用場所的電磁強度有較高要求。

應變片式扭矩傳感器：依據虎克定律當金屬受外力作用時它的電阻值會發生變化的原理，利用特殊金屬應變片組成了電橋，在力的作用下使應變片發生形變從而導致金屬電阻值的增加或減小，當輸入端加上直流電壓后，輸出端就可以得到隨所施力大小而改變的電壓信號。再經過相關的信號處理計算即可得出扭矩。

在粘滑擰緊過程中，扭矩隨著時間的增加忽高忽低不斷的振蕩，這樣工具也會受到高低不斷變幻的交變載荷。同時，傳感器內部電子元件還需承受電流不斷變大變小的沖擊。根據不同扭矩傳感器的原理電渦流扭矩傳感器較應變片式傳感反應更靈敏，干擾能力較弱，對應用場所的電磁強度要求更高。故粘滑擰緊對電渦流扭矩傳感器沖擊更高。

5.粘滑擰緊優化

通過研究擰緊系統中摩擦導致粘滑的機理，從粘滑運動特性人手，尋找消除或減少擰緊粘滑的解決方法。由粘滑是一種共振現象，降低擰緊的速度錯開共振的頻率，可以有效減少粘滑運動。根據圖2，在擰緊步驟的3，4，5中出現粘滑現象。根據現場實際情況修正擰緊速度，改的如表1，表2：

螺紋副高摩擦系數也是誘發擰緊的主要原因，采用開槽自攻螺栓可以減少螺紋副中的摩擦或刮去圖層，避免擰緊中粘滑的現象。

6.結語

（1）粘滑擰緊工具承受不斷變幻的交變載荷，壽命嚴重下降，電渦流傳感器尤其敏感。

（2）減少擰緊步驟，降低擰緊速度可以消除擰緊過程中的粘滑。

擰緊粘滑是一個系統的問題，每一種擰緊粘滑產生的原因都可能不一樣，所以需要單獨對待。本文主要針對現場生產較容易實現的措施進行考慮，為解決類似的粘滑現象提供思路和參考。