螺紋緊固連接粘滑現象分析與解決方案

吳至軒

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

1 引言

當兩個物體相互滑動時可能發生的自發的震動可稱為粘滑現象。生活以及自然界中粘滑現象多種多樣，汽車或者火車的剎車聲音；汽車行駛時輪胎與地面產生的噪音；在籃球場籃球橡膠鞋底與木質地板粘滑摩擦發出的“呲呲”音；利用粘滑摩擦發出聲音的蚱蜢等。通過摩擦顯微鏡我們也可以原子尺度上觀察到粘滑現象。

少部分粘滑會給我們帶來好處，而對于機械系統來說，粘滑現象往往帶來不良影響。本文從擰緊試驗問題著手，研究了粘滑現象的機理，闡述了粘滑對擰緊試驗及生產的危害影響，最后分析了影響粘滑的主要因素并給出了一種解決方案。

2 問題提出

螺栓（或螺母）擰緊過程中時常出現粘滑現象。圖1為傳祺某車型底盤副車架與下擺臂連接點，在擰緊試驗中設定擰緊到屈服，連續兩次擰緊，扭矩值出現震蕩，即產生了粘滑現象。同時伴隨螺母發出“嘎嘎”的尖刺聲，以及擰緊設備產生強烈的振動，直到設備基于自動保護停止擰緊。產生的擰緊曲線如圖2。

圖1

3 機理研究

從工程角度分析，粘滑如同兩個相互粘在一起又互相滑動的表面，此時摩擦力產生相應的變化。在滑動開始前，摩擦力為靜摩擦力，當滑動開始后摩擦力轉為動摩擦力。一般來說，靜摩擦力會大于動摩擦力。假設對物體施加一個力，當力足夠大到克服靜摩擦力，動靜轉換瞬間摩擦力會突然減小，螺栓（或螺母）相對被連接件轉動速度突然上升。基于此分析，一種常見的解釋是摩擦因素隨螺栓（或螺母）相對轉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，這通常被認為是主要原因。

圖2

對于螺紋連接，粘滑擰緊往往出現在表面處理為非電解鋅片涂層高強螺栓（或螺母）在擰緊過程中與表面處理為電泳漆面被連接件（支撐面）之間。由于電泳漆摩擦因素遠大于螺栓（或螺母）摩擦因素，且電泳漆耐磨性比非電解鋅片涂層要差，涂層易被破壞；零件在電泳漆噴涂過程中很難避免表面產生缺陷或者顆粒等不良現象，從而進一步加劇表面質量的不穩定。高速轉速裝配下短時間內產生大量的熱量，破壞螺栓支撐面和其接觸表面的涂層特性，摩擦因素發生快速改變。如圖3所示摩擦因素的測試中，發生粘滑時的摩擦因素在0.06～0.22之間變化。

根據QC/T 518-2013《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》，基于緊固扭矩與預緊力的關系，見算式1。

其中，

在本案例中，螺栓公稱直徑d=14mm、螺距P=1.5mm、螺紋摩擦系數μs=0.13、螺栓中徑d2=13.03、支撐面摩擦系數μw=0.06-0.22、支撐面摩擦扭矩的等效直徑Dw=22mm。通過算式1和算式2計算可得：

當μw=0.06時，Tmin=1.88F

擰緊過程的瞬時變化，F為定值，從而我們可得扭矩波動比值Tmax /Tmin=1.94。在圖2中兩個擰緊曲線扭矩波動比約為2，實際現象和理論推導是一致的。

4 粘滑現象的危害

粘滑會對擰緊設備造成沖擊。特別是扭矩傳感器和擰緊電機會在瞬時受到交變載荷的沖擊。忽高忽低的扭矩易引發設備急停，從而對擰緊設備壽命造成危害，嚴重的會直接損壞扭矩傳感器或者是擰緊電機。

圖3

圖4

圖5

發生粘滑擰緊會影響擰緊質量。在試驗過程中將發生粘滑擰緊的連接點拆下，發現零件表面涂層被破壞，涂層破壞導致摩擦系數的失控。在生產過程中，重要連接點都會有扭矩和角度監控要求。發生粘滑擰緊的連接點，最終扭矩和角度都無法落在監控窗口中，從而引起生產報警。同時連接點夾緊力也遠低于設計要求。

5 解決方案

5.1 降低擰緊轉速

副車架與下擺臂連接點擰緊試驗，試驗設定擰緊到屈服，將擰緊轉速由20rpm降為10rpm。如圖4，十次擰緊試驗產生一次粘滑現象，可見降低轉速會有效減少粘滑現象，但僅降低轉速并不能消除粘滑現象。而對于生產現場來說，較低的轉速會降低生產效率影響生產節拍。

5.2 改變摩擦副

在螺栓支撐面與被連接件表面之間增加平墊片，以控制摩擦因素。此時螺栓支撐面與被連接件表面接觸，由非電解鋅片涂層/電泳漆接觸改為非電解鋅片涂層/非電解鋅片涂層接觸，接觸狀態變更后的試驗結果見圖5，整個試驗過程不再出現粘滑現象，且擰緊一致性非常理想。

6 結語

本文從擰緊試驗中暴露出的粘滑現象著手，進行了有效的分析并提出了相應的解決方案。分析結果表明粘滑主要原因為：轉速過高會導致表面涂層摩擦因素劇烈變化、非電解鋅片涂層與電泳漆兩種零件表面接觸。提出通過增加平墊片來改變摩擦副狀態的方案，從而消除粘滑現象，解決了汽車產品開發中典型的連接問題。