汽車底盤緊固件粘滑效應研究

王 遠 王 強 殷平玲

(上海匯眾汽車制造有限公司， 上海 200122)

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，汽車行業的發展一直備受關注。對于汽車安全舒適度的要求不斷提高，因此對于生產設計的要求也在不斷地提高，對于從如何提高汽車安全性能，一直是汽車行業不斷面臨的重要挑戰[1]。

2019年在中國召回700萬輛汽車，汽車設計人員所關注的重點在于召回事件發生的次數，而不僅僅是汽車召回的數量，需要的是找出問題所在，調控生產質量。700多萬輛車共分為222批分別召回，其中由于緊固件扭矩問題造成的召回的比例占比12%，使得越來越多的生產廠家不得不重視緊固件扭矩的嚴格控制。

2020年2月12日美國特斯拉公司召回1.5萬輛Model X，召回的原因在于其中的齒輪箱的鋁螺栓在承受極寒的條件時，可能發生腐蝕斷裂，導致駕駛系統的轉向助力輔助失效。一般的轎車平均每車用緊固件大約在500種4 000個，一輛重型車上平均約需要7 100個緊固件，其中高強度緊固件約占1/3，一臺汽車上的緊固件費用約占整車的2.5%，占總車基礎零件總數的40%，對于一條汽車裝配生產線上，緊固連接的工作量約占70%[2]。因此緊固件對于汽車的安全性能起著至關重要的影響。而黏滑效應一直是汽車緊固件擰緊過程中經常出現的現象。

1 研究現狀及問題

上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師曾繁龍指出減少擰緊步驟，降低擰緊速度可以消除擰緊過程中的黏滑，擰緊黏滑是一個系統的問題，每一種擰緊黏滑產生的原因都可能不一樣，所以需要單獨對待[3]。廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院工程師吳至軒指出擰緊轉速和摩擦副對黏滑影響較大[4]，螺栓擰緊過程中經常出現黏滑現象，目前的研究指出黏滑效應的影響因素很多，主要集中在轉速、表面電泳、摩擦系數等多方面的影響，但是對于轉速以及摩擦系數具體的影響機理沒有深入研究。

目前的裝配方法有三種。扭矩法裝配：擰緊軸在達到預設目標扭矩后停下，但該螺紋連接并未正確裝配。給定的目標扭矩可位于陡峭的扭矩增加曲線中的任何位置，但始終存儲的是最大扭矩，扭矩值存在巨大的散差。

轉角法裝配：理論上來講，角度傳感器即使存在黏滑效應的情況下也可以準備監控角度，預緊力也可以有效地實施。在角度監控的裝配工藝中，因為有起始扭矩和扭矩監控窗口，意味著峰值扭矩將經常會超過最高扭矩限。給定的起始扭矩可能會發生基本誤差，而轉角自此開始計數。由于靜摩擦產生的扭矩值高得多，因此可以盡早識別出起始點。在這種情況下，轉角計數也會提前，且最終目標角度未達到扭矩/角度圖中的預期點，導致比預定的夾緊力低。過早地達到預設的起始扭矩，開始計算角度，這樣實際擰緊達到的角度低于設計的角度，導致預緊力不足。

屈服點法裝配：通扭矩角度曲線計算斜率來確定屈服點，計算的前提是扭矩持續穩定地增加。一旦發生黏滑效應，過裝配結果必然失效。

2 試驗

本文試驗通過改變摩擦系數和擰緊速度研究黏滑效應，試驗設備采用德國Schatz公司的緊固件模擬裝配分析系統，型號：5413-2777。試驗用螺栓為M14×1.5的內六角法蘭螺栓，性能的等級為10.9級，試驗均加載至螺栓保證載荷的75%，分別在10 L/min, 20 L/min, 30 L/min，40 L/min, 50 L/min不同的轉速下進行擰緊試驗。

圖1 試驗設備

3 結果與討論

通常正常使用工具擰緊時，扭矩持續增加，直到達到預定扭矩角度或者屈服點。在某一擰緊過程中會出現扭矩有規律地跳動，此現象稱為黏滑效應。

圖2試驗設定轉速10 L/min，不同的摩擦系數下加載載荷均為54.8 kN。從軸力轉角曲線圖中可以觀察到，出現黏滑現象的軸力曲線會有輕微異常波動。同樣的加載條件下不同摩擦系數下的扭矩軸力曲線圖，從圖中可以看出當轉速設為10 r/min時，19組的試驗數據中僅兩組出現黏滑現象，且摩擦系數值分別為0.38和0.39。

圖2 10 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數

圖3設定轉速20 L/min，不同的摩擦系數下加載載荷均為54.8 kN。從軸力曲線圖中可以觀察到，出現黏滑現象的軸力曲線也會有輕微異常波動。同樣的加載條件下不同摩擦系數下的扭矩軸力及扭矩轉角曲線圖，從圖中可以看出當轉速設為20 L/min時，本組進行10組測試其中4組出現黏滑現象，且摩擦系數值分別為0.21、0.24、 0.24和0.25,當摩擦系數值大于0.21的時候均出現黏滑效應。

圖3 20 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數

圖4為轉速30 r/min，不同的摩擦系數下加載載荷同樣為54.8 kN。從軸力曲線圖中可以觀察到，出現黏滑現象的軸力曲線會有輕微異常波動。同樣的加載條件下不同摩擦系數下的扭矩軸力及扭矩轉角曲線圖，從圖中可以看出當轉速設為30 L/min時，本組進行10組測試其中5組出現黏滑現象，且摩擦系數值分別為0.23、0.27、0.30、0.29和0.30。當摩擦系數值大于0.23的時候均出現黏滑效應。

圖4 30 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數

圖5為轉速40 r/min，不同的摩擦系數下加載載荷均54.8 kN。從圖中可以看出當轉速設為40 L/min時，本組進行10組測試其中5組出現黏滑現象，當摩擦系數值大于0.20的時候均出現黏滑效應。

圖5 40 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數

圖6為轉速50 r/min，不同的摩擦系數下加載載荷均為54.8 kN。同樣的加載條件下不同摩擦系數下的扭矩軸力及扭矩轉角曲線圖，從圖中可以看出當轉速設為50 L/min時，本組進行10組測試其中5組出現黏滑現象，當摩擦系數值大于0.19的時候均出現黏滑效應。

圖6 50 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數

綜合5組不同的試驗可以看出，當轉速在10 L/min時一定范圍的摩擦系數下，幾乎不出現黏滑效應。而當轉速調至20 L/min至50 L/min時，轉速對于黏滑效應的產生影響較小，不同的轉速下當摩擦系數大于0.20時均開始出現黏滑效應。綜合數據結果可以看出，轉速大于20 L/min后黏滑效應的出現與摩擦系數相關，當摩擦系數大于0.20時易產生黏滑效應。

黏滑效應相當于兩個表面相互粘貼又相互滑動，轉動開始前摩擦力是靜摩擦力，而當轉動開始后，摩擦力立即由靜摩擦轉換為動摩擦力。通常來說，靜摩擦力大于動摩擦力。當轉動力矩足夠大克服靜摩擦力時，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。

這里以30 L/min的一組黏滑效應曲線為例，從此圖可以看出，黏滑效應隨著時間的推移，當驅動軸停止時，扭矩會從較低的點開始增加，夾緊力保持在最后值上。當扭矩克服摩擦力而達到峰值扭矩時，驅動軸跳躍1.5°左右。之后，驅動軸的扭轉能量丟失，驅動軸再次停止轉動。電機繼續轉動，轉矩增加，直到達到峰值扭矩值。

圖7 扭矩-軸力-角度關系曲線圖

摩擦模型根據數學形式表達，目前可以分為靜態和動態兩種摩擦模型。一般通過微分方程將動態摩擦模型描述為相對速度和位移的函數，通過微分方程對摩擦現象的描述更為真實準確。Li和Pavelescu[5]提出了一種多項式模型，摩擦的動態模型采用這個多項式函數進行表達，為了使模型的準確性提高，通過分段函數的方法進行處理，當相對速度大的時候引入新函數。表達式如下：

μs為最大靜摩擦系數，μm為最小動摩擦系數，相對速度vm與最小動摩擦系數相對應。表達式表達了摩擦系數與相對速度的關系。在相對較小的速度范圍內隨著相對速度的增加，摩擦系數呈現負斜率特性，后趨于平緩。Duan Chongwu[6]和Rajondra Singh[7]也在文章中指出摩擦系數的負斜率特性就是導致黏滑現象的主要原因。負斜率效應主要用于描述低速摩擦時的摩擦特性，指的是相對速度較低的區間內摩擦力的大小會隨著相對速度的增加出現一定程度的下降，在相對速度較小時不容易出現黏滑效應。

4 結論

本文通過對汽車底盤緊固件黏滑效應研究，發現擰緊速度降低到一定的值時，一定程度上可以消除黏滑效應的產生，擰緊速度超過一定值之后，主要受摩擦系數的影響，摩擦系數值大于0.20后易出現黏滑現象，在確定的裝配擰緊速度下，可以通過控制摩擦系數在0.20以下來防止黏滑效應的產生。