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(guò)50%，螺栓擰緊質(zhì)量直接關(guān)系到車輛安全性能。當(dāng)使用自動(dòng)擰緊軸進(jìn)行擰緊時(shí)出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象造成設(shè)備故障率提升，嚴(yán)重?cái)Q緊影響擰緊質(zhì)量且較差的人機(jī)工程。通過(guò)對(duì)粘滑產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并優(yōu)化擰緊過(guò)程消除粘滑，為其他擰緊過(guò)程粘滑改進(jìn)提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：擰緊；粘滑；優(yōu)化

1.引言

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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體間。而粘滑作為摩擦中一種典型的摩擦現(xiàn)象，廣泛存在各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中，引發(fā)機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)顫振。除了少部分粘滑給我們生活帶來(lái)好處（如小鋼琴優(yōu)美的琴聲），大部分給機(jī)械系統(tǒng)帶來(lái)不良影響（如鉆柱失效）。本文通過(guò)分析粘滑產(chǎn)生的原理，粘滑對(duì)電動(dòng)擰緊工具的影響，并通過(guò)調(diào)整擰緊過(guò)程消除粘滑，解決方案已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，效果明顯。

2.現(xiàn)狀分析及背景調(diào)查

自從CN系列車型批量上線后，在不到2個(gè)月時(shí)間內(nèi)，底盤的某一設(shè)定值160Nm的擰緊軸就損壞8個(gè)傳感器，極大增加了設(shè)備維護(hù)成本。而且在使用擰緊軸擰緊的過(guò)程中螺栓都發(fā)出“嘎嘎”刺耳的尖叫聲，對(duì)此，員工抱怨極大。

通過(guò)對(duì)擰緊過(guò)程調(diào)查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致傳感器頻繁故障及擰緊過(guò)程中發(fā)出刺耳的尖叫聲都是因?yàn)閿Q緊過(guò)程出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象導(dǎo)致。從擰緊曲線（圖1）看出，在擰緊過(guò)程中，扭矩曲線不斷上線震蕩，該現(xiàn)象稱為粘滑擰緊。

3.粘滑擰緊

粘滑是兩物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦引起的自激共振現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和振動(dòng)是產(chǎn)生的主要致因。其中最為常見的一種是由摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的增加而降低導(dǎo)致的負(fù)阻尼現(xiàn)象，此時(shí)摩擦力與時(shí)間關(guān)系曲線為鋸齒狀，這通常被認(rèn)為是摩擦引起振動(dòng)的主要原因。另外一種不穩(wěn)定性機(jī)理就是模態(tài)耦合，即使摩擦系數(shù)為定常值，也可以破壞系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)的穩(wěn)定性而發(fā)生自激振蕩，其主要條件是摩擦力與法向力的耦合。產(chǎn)生粘滑具有隨機(jī)性，并未找到完全合理的解釋，但由摩擦導(dǎo)致系統(tǒng)自激振動(dòng)和模態(tài)耦合機(jī)理得到廣泛的認(rèn)同。

粘滑既可以重復(fù)出現(xiàn)，也可以隨機(jī)發(fā)生，如果動(dòng)摩擦因數(shù)隨著滑動(dòng)速度的變化斜率在某個(gè)速度下為負(fù)值，那么就出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。在擰緊過(guò)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(huì)發(fā)現(xiàn)零件的夾緊力并沒有達(dá)到要求。

粘滑擰緊常見的來(lái)源：1、工件表面粗糙；2、螺紋摩擦系數(shù)高；3、擰緊過(guò)程中發(fā)熱嚴(yán)重；4、擰緊速度過(guò)高。

4.粘滑擰緊對(duì)擰緊工具的影響

目前，常用的電動(dòng)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(yīng)變片式扭矩傳感器。

電渦流式扭矩傳感器：電定子、轉(zhuǎn)子、傳感器軸和輔助電路組成。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上都有相等的齒和槽。使用兩個(gè)完全相同的傳感器，它們的轉(zhuǎn)子分別固定在被測(cè)軸的兩端，而定子用支架固定。一個(gè)傳感器的定子齒和轉(zhuǎn)子齒相對(duì)，另一個(gè)則定子槽和轉(zhuǎn)子槽相對(duì)。當(dāng)兩個(gè)傳感器輸出線組內(nèi)感應(yīng)出電勢(shì)大小相等，頻率相同時(shí)，相位是相差差180°的近似正弦波，而當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)繞組內(nèi)感應(yīng)電熱相位差將不再是180°，而是扭轉(zhuǎn)角與定（轉(zhuǎn)）子齒數(shù)的積。在彈性限度內(nèi)，材料扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)，從而測(cè)出扭轉(zhuǎn)角也就得到了扭矩的值。這種扭矩傳感器反應(yīng)較電阻應(yīng)變式傳感器反應(yīng)靈敏，但抗干擾能力較弱，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)所的電磁強(qiáng)度有較高要求。

應(yīng)變片式扭矩傳感器：依據(jù)虎克定律當(dāng)金屬受外力作用時(shí)它的電阻值會(huì)發(fā)生變化的原理，利用特殊金屬應(yīng)變片組成了電橋，在力的作用下使應(yīng)變片發(fā)生形變從而導(dǎo)致金屬電阻值的增加或減小，當(dāng)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(hào)。再經(jīng)過(guò)相關(guān)的信號(hào)處理計(jì)算即可得出扭矩。

在粘滑擰緊過(guò)程中，扭矩隨著時(shí)間的增加忽高忽低不斷的振蕩，這樣工具也會(huì)受到高低不斷變幻的交變載荷。同時(shí)，傳感器內(nèi)部電子元件還需承受電流不斷變大變小的沖擊。根據(jù)不同扭矩傳感器的原理電渦流扭矩傳感器較應(yīng)變片式傳感反應(yīng)更靈敏，干擾能力較弱，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)所的電磁強(qiáng)度要求更高。故粘滑擰緊對(duì)電渦流扭矩傳感器沖擊更高。

5.粘滑擰緊優(yōu)化

通過(guò)研究擰緊系統(tǒng)中摩擦導(dǎo)致粘滑的機(jī)理，從粘滑運(yùn)動(dòng)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(xiàn)象，降低擰緊的速度錯(cuò)開共振的頻率，可以有效減少粘滑運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圖2，在擰緊步驟的3，4，5中出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況修正擰緊速度，改的如表1，表2：

螺紋副高摩擦系數(shù)也是誘發(fā)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(xiàn)象。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）粘滑擰緊工具承受不斷變幻的交變載荷，壽命嚴(yán)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(guò)程中的粘滑。

擰緊粘滑是一個(gè)系統(tǒng)的問(wèn)題，每一種擰緊粘滑產(chǎn)生的原因都可能不一樣，所以需要單獨(dú)對(duì)待。本文主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)較容易實(shí)現(xiàn)的措施進(jìn)行考慮，為解決類似的粘滑現(xiàn)象提供思路和參考。