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(fā)生的自發(fā)的震動可稱為粘滑現(xiàn)象。生活以及自然界中粘滑現(xiàn)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(chǎn)生的噪音；在籃球場籃球橡膠鞋底與木質(zhì)地板粘滑摩擦發(fā)出的“呲呲”音；利用粘滑摩擦發(fā)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(xiàn)象。

少部分粘滑會給我們帶來好處，而對于機械系統(tǒng)來說，粘滑現(xiàn)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(xiàn)象的機理，闡述了粘滑對擰緊試驗及生產(chǎn)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(xiàn)粘滑現(xiàn)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(xù)兩次擰緊，扭矩值出現(xiàn)震蕩，即產(chǎn)生了粘滑現(xiàn)象。同時伴隨螺母發(fā)出“嘎嘎”的尖刺聲，以及擰緊設備產(chǎn)生強烈的振動，直到設備基于自動保護停止擰緊。產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換瞬間摩擦力會突然減小，螺栓（或螺母）相對被連接件轉(zhuǎn)動速度突然上升?；诖朔治?，一種常見的解釋是摩擦因素隨螺栓（或螺母）相對轉(zhuǎn)動速度的增加而降低導致的負阻尼現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生缺陷或者顆粒等不良現(xiàn)象，從而進一步加劇表面質(zhì)量的不穩(wěn)定。高速轉(zhuǎn)速裝配下短時間內(nèi)產(chǎn)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(fā)生快速改變。如圖3所示摩擦因素的測試中，發(fā)生粘滑時的摩擦因素在0.06～0.22之間變化。

根據(jù)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(shù)μs=0.13、螺栓中徑d2=13.03、支撐面摩擦系數(shù)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(xiàn)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(xiàn)象和理論推導是一致的。

4 粘滑現(xiàn)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(fā)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(fā)生粘滑擰緊會影響擰緊質(zhì)量。在試驗過程中將發(fā)生粘滑擰緊的連接點拆下，發(fā)現(xiàn)零件表面涂層被破壞，涂層破壞導致摩擦系數(shù)的失控。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。發(fā)生粘滑擰緊的連接點，最終扭矩和角度都無法落在監(jiān)控窗口中，從而引起生產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速由20rpm降為10rpm。如圖4，十次擰緊試驗產(chǎn)生一次粘滑現(xiàn)象，可見降低轉(zhuǎn)速會有效減少粘滑現(xiàn)象，但僅降低轉(zhuǎn)速并不能消除粘滑現(xiàn)象。而對于生產(chǎn)現(xiàn)場來說，較低的轉(zhuǎn)速會降低生產(chǎn)效率影響生產(chǎn)節(jié)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(tài)變更后的試驗結(jié)果見圖5，整個試驗過程不再出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，且擰緊一致性非常理想。

6 結(jié)語

本文從擰緊試驗中暴露出的粘滑現(xiàn)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(jié)果表明粘滑主要原因為：轉(zhuǎn)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(tài)的方案，從而消除粘滑現(xiàn)象，解決了汽車產(chǎn)品開發(fā)中典型的連接問題。