關(guān)于螺紋緊固件擰緊粘滑現(xiàn)象的分析與研究

徐海東 魏鵬程 肖俊

摘 要：在整車裝配過程中，時常出現(xiàn)螺栓擰緊粘滑現(xiàn)象，該現(xiàn)象不僅會對螺栓連接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響還會降低工具壽命。文章結(jié)合整車裝配過程中的實際問題及粘滑現(xiàn)象的基本機理，分析了粘滑現(xiàn)象的不良影響進行分析并通過優(yōu)化擰緊轉(zhuǎn)速、控制螺紋連接副摩擦系數(shù)減少了該現(xiàn)象的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：螺紋連接;粘滑現(xiàn)象;擰緊技術(shù)

中圖分類號：V229+.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-158-03

Abstract： During the assembly process of the whole vehicle， the stick-slip of bolt tightening phenomenon often occurs. This phenomenon not only adversely affects the quality of the bolt connection， but also reduces the tool life. This paper combines the actual problems in the assembly process of the vehicle and the basic mechanism of stick-slip phenomenon， analyzes the adverse effects of stick-slip phenomenon and analyzes it. By optimizing the tightening speed and controlling the friction coefficient of the threaded joint， the phenomenon is reduced.

Keywords： Threaded connection; Stick-slip phenomenon; Tightening technology

CLC NO.： V229+.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-158-03

引言

螺紋緊固件雖小，但由于其裝配方便、零件拆卸便利、標準化程度高等優(yōu)點，螺紋連接已成為是汽車連接技術(shù)中最基礎、應用最廣泛的連接技術(shù)。螺紋連接技術(shù)在汽車裝配過程中的廣泛使用，也導致其對整車質(zhì)量的影響越來越大，一旦出現(xiàn)螺紋緊固件失效，將造成眾多車輛零部件松動、異響等問題，甚至造成嚴重的安全事故。

摩擦是一種自然界普遍存在的物理現(xiàn)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(xiàn)象，是發(fā)生在兩個相互滑動物體間的一種自激跳躍運動。螺紋緊固件擰緊過程中發(fā)生粘滑現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為在擰緊時扭矩會隨著角度的增加忽高忽低，并伴隨著“吱吱”的尖叫聲，這種現(xiàn)象將對擰緊質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。本文以汽車裝配過程中的實際問題出發(fā)，分析該問題產(chǎn)生的影響及解決方案。

1 產(chǎn)生機理

從發(fā)生機理上看，粘滑屬于摩擦引起的自激振蕩，其產(chǎn)生機理有很多。其中，摩擦系數(shù)隨相對滑動速度的增加而降低導致負阻尼現(xiàn)象，被廣泛認為是該現(xiàn)象產(chǎn)生的一種主要原因[1]。

螺紋緊固件擰緊過程中產(chǎn)生粘滑現(xiàn)象的主要原因有：（1）摩擦系數(shù)過高;（2）擰緊轉(zhuǎn)速過快;（3）擰緊過程中溫度過高;（4）螺栓頭部與被連接之間接觸面不平整等[2]。

2 粘滑現(xiàn)象的危害

螺栓擰緊過程的粘滑現(xiàn)象作為一種不良擰緊現(xiàn)象，將造成許多危害，其中包括：夾緊力不足、擰緊合格率低、損壞工具等。

2.1 夾緊力不足

扭矩法擰緊過程中，通過扭矩與螺栓預緊力的關(guān)系來控制螺紋連接結(jié)構(gòu)最終的夾緊力。在最終擰緊階段一旦發(fā)生了發(fā)生了粘滑現(xiàn)象，摩擦阻力驟然增大，會導致“假扭矩”的產(chǎn)生，螺栓實際上并沒有獲得目標的夾緊力，進而導致行駛過程中異響、螺栓松脫等問題發(fā)生。某SUV后扭力梁固定點，使用相同螺栓，在相同扭矩設定值擰緊情況下，進行了擰緊過程是否發(fā)生粘滑的螺栓夾緊力測試數(shù)據(jù)對比。從表1中數(shù)據(jù)可見，螺栓擰緊過程中發(fā)生粘滑現(xiàn)象，靜態(tài)扭矩檢測符合要求甚至偏大，但夾緊力測試結(jié)果，該點軸向力低于設計要求，路試時也產(chǎn)生了異響問題。

2.2 擰緊合格率降低

在生產(chǎn)過程中，重要連接點都會有扭矩和角度監(jiān)控要求。扭矩法發(fā)生粘滑擰緊，在擰緊結(jié)束時，會導致扭矩提前達到目標值，從而發(fā)生角度低報警。而對于扭矩轉(zhuǎn)角法的擰緊策略，粘滑現(xiàn)象容易導致轉(zhuǎn)到目標角度后，扭矩超出上限，而產(chǎn)生扭矩高報警。這些報警導致擰緊合格率顯著降低，作業(yè)員工需對螺栓重新打緊，增加了作業(yè)工時，降低了生產(chǎn)效率。

2.3 損壞工具

在粘滑擰緊過程中，扭矩大小會隨著角度的增加不斷震蕩的交變載荷，進而導致電動擰緊工具內(nèi)部的電子元件承受電流大小不斷交替變化的沖擊。長期如此將對工具內(nèi)部的扭矩傳感器造成損傷，導致工具損壞。

3 解決措施

3.1 降低轉(zhuǎn)速

根據(jù)產(chǎn)生粘滑的機理及原因，可以通過降低最終擰緊轉(zhuǎn)速減少粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。某車型副車架前部固定螺母，在擰緊過程中出現(xiàn)了大量擰緊粘滑現(xiàn)象，擰緊粘滑發(fā)生率高達90%，針對這一問題現(xiàn)場優(yōu)化了電動擰緊工具的擰緊程序，采用不同的擰緊轉(zhuǎn)速，各進行十臺車驗證。結(jié)果表明，擰緊轉(zhuǎn)速降低后，粘滑現(xiàn)象發(fā)生率明顯降低。從曲線中可以清楚看到最終擰緊轉(zhuǎn)速為20rpm時（見圖1），螺栓擰緊到40Nm后發(fā)生了嚴重的擰緊粘滑現(xiàn)象，扭矩-轉(zhuǎn)角曲線發(fā)生了強烈的上下波動，在粘滑過程中，擰緊速度也發(fā)生了劇烈波動。當最終擰緊速度調(diào)整至10rpm后（見圖2），螺栓擰緊過程未出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，扭矩-轉(zhuǎn)角曲線光滑上升，擰緊轉(zhuǎn)速也十分平穩(wěn)，擰緊狀態(tài)良好。但過分降低擰緊轉(zhuǎn)速來減少粘滑現(xiàn)象的發(fā)生，將會導致工具發(fā)熱量增大損傷工具，并會在一定程度上影響生產(chǎn)節(jié)拍，應根據(jù)實際情況合理選擇擰緊轉(zhuǎn)速。

3.2 控制摩擦系數(shù)

控制螺紋的摩擦系數(shù)是解決擰緊粘滑現(xiàn)象的另一個有效途徑。針對上一案例，經(jīng)測試原使用螺母摩擦系數(shù)為0.20- 0.25，摩擦系數(shù)較高。后要求供應商優(yōu)化螺母表面處理方式，將摩擦系數(shù)控制在0.12-0.18之間，采用原擰緊策略進行擰緊測試，無粘滑現(xiàn)象發(fā)生。由螺栓擰緊力矩與夾緊力關(guān)系公式可知（見公式1），對于扭矩法擰緊策略，摩擦系數(shù)降低后，在相同目標扭矩下降獲得更大的夾緊力[3]。故對于扭矩法，通過降低摩擦系數(shù)減少粘滑現(xiàn)象的發(fā)生要對連接副強度進行重新校核，防止出現(xiàn)連接副發(fā)生擰緊斷裂。

3.3 優(yōu)化接觸面

對于一些螺栓頭部接觸面不平整，工件表面粗糙度較大的連接副可以通過增加平墊優(yōu)化螺栓頭部接觸面以降低粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

螺紋連接作為汽車裝配過程中一項重要的連接方式，螺紋連接件的擰緊質(zhì)量將直接影響整車裝配質(zhì)量。本文根據(jù)汽車總裝裝配過程的實際問題研究了螺紋擰緊過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種不良擰緊現(xiàn)象——“粘滑擰緊”，闡述了該現(xiàn)象的不良影響。并針對該問題提出并驗證了降低轉(zhuǎn)速和控制連接副的摩擦系數(shù)都是行之有效的解決方案，解決了螺栓擰緊過程中的問題。

參考文獻

[1] 劉麗蘭，劉宏昭，趙會榮，姚美倩.機械系統(tǒng)中粘滑摩擦研究進展[J]. 機械科學與技術(shù)，2016，35（5）：662-671.

[2] 曾繁龍.粘滑擰緊的研究與優(yōu)化[J].時代汽車，2017（10）：65-66.

[3] 葉又，黃平.汽車緊固件實用技術(shù)手冊[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，中國標準出版社，2018.