摘要：在螺紋緊固連接中時(shí)常出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，粘滑現(xiàn)象會對擰緊設(shè)備造成損害同時(shí)影響擰緊質(zhì)量。本文結(jié)合擰緊試驗(yàn)開展分析，闡述了了粘滑現(xiàn)象的基本機(jī)理，認(rèn)為擰緊轉(zhuǎn)速和摩擦副是主要因素。提出增加平墊片改變摩擦副從而避免粘滑現(xiàn)象的方案。
1 引言
當(dāng)兩個物體相互滑動時(shí)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(shí)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(jī)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(yàn)問題著手，研究了粘滑現(xiàn)象的機(jī)理，闡述了粘滑對擰緊試驗(yàn)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(shí)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(diǎn)，在擰緊試驗(yàn)中設(shè)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(shí)伴隨螺母發(fā)出“嘎嘎”的尖刺聲，以及擰緊設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，直到設(shè)備基于自動保護(hù)停止擰緊。產(chǎn)生的擰緊曲線如圖2。
3 機(jī)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(shí)摩擦力產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在滑動開始前，摩擦力為靜摩擦力，當(dāng)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(shè)對物體施加一個力，當(dāng)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。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(zhuǎn)動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)為是主要原因。
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(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)一步加劇表面質(zhì)量的不穩(wěn)定。高速轉(zhuǎn)速裝配下短時(shí)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(shí)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(yù)緊力的關(guān)系，見算式1。
擰緊過程的瞬時(shí)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(shí)際現(xiàn)象和理論推導(dǎo)是一致的。
4 粘滑現(xiàn)象的危害
粘滑會對擰緊設(shè)備造成沖擊。特別是扭矩傳感器和擰緊電機(jī)會在瞬時(shí)受到交變載荷的沖擊。忽高忽低的扭矩易引發(fā)設(shè)備急停，從而對擰緊設(shè)備壽命造成危害，嚴(yán)重的會直接損壞扭矩傳感器或者是擰緊電機(jī)。發(fā)生粘滑擰緊會影響擰緊質(zhì)量。在試驗(yàn)過程中將發(fā)生粘滑擰緊的連接點(diǎn)拆下，發(fā)現(xiàn)零件表面涂層被破壞，涂層破壞導(dǎo)致摩擦系數(shù)的失控。在生產(chǎn)過程中，重要連接點(diǎn)都會有扭矩和角度監(jiān)控要求。發(fā)生粘滑擰緊的連接點(diǎn)，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(bào)警。同時(shí)連接點(diǎn)夾緊力也遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)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(diǎn)擰緊試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)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(yàn)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(shí)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(yàn)結(jié)果見圖5，整個試驗(yàn)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(yàn)中暴露出的粘滑現(xiàn)象著手，進(jìn)行了有效的分析并提出了相應(yīng)的解決方案。分析結(jié)果表明粘滑主要原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速過高會導(dǎo)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。
參考文獻(xiàn)：
[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 16823.3-2010. 緊固件轉(zhuǎn)矩- 夾緊力試驗(yàn)[S]. 北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.
[2] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.QC/T518-2013. 汽車用螺紋緊固件緊固扭矩[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2013.
[3] 劉佐民. 摩擦學(xué)理論與設(shè)計(jì)[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.
[4] 曾繁龍. 粘滑擰緊的研究與優(yōu)化[J]. 汽車技術(shù)，2017（10）：65-66.
