螺纹紧固连接粘滑现象分析与解决方案

吴至轩

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434

1 引言

当两个物体相互滑动时可能发生的自发的震动可称为粘滑现象。生活以及自然界中粘滑现象多种多样，汽车或者火车的刹车声音；汽车行驶时轮胎与地面产生的噪音；在篮球场篮球橡胶鞋底与木质地板粘滑摩擦发出的“呲呲”音；利用粘滑摩擦发出声音的蚱蜢等。通过摩擦显微镜我们也可以原子尺度上观察到粘滑现象。

少部分粘滑会给我们带来好处，而对于机械系统来说，粘滑现象往往带来不良影响。本文从拧紧试验问题着手，研究了粘滑现象的机理，阐述了粘滑对拧紧试验及生产的危害影响，最后分析了影响粘滑的主要因素并给出了一种解决方案。

2 问题提出

螺栓（或螺母）拧紧过程中时常出现粘滑现象。图1为传祺某车型底盘副车架与下摆臂连接点，在拧紧试验中设定拧紧到屈服，连续两次拧紧，扭矩值出现震荡，即产生了粘滑现象。同时伴随螺母发出“嘎嘎”的尖刺声，以及拧紧设备产生强烈的振动，直到设备基于自动保护停止拧紧。产生的拧紧曲线如图2。

图1

3 机理研究

从工程角度分析，粘滑如同两个相互粘在一起又互相滑动的表面，此时摩擦力产生相应的变化。在滑动开始前，摩擦力为静摩擦力，当滑动开始后摩擦力转为动摩擦力。一般来说，静摩擦力会大于动摩擦力。假设对物体施加一个力，当力足够大到克服静摩擦力，动静转换瞬间摩擦力会突然减小，螺栓（或螺母）相对被连接件转动速度突然上升。基于此分析，一种常见的解释是摩擦因素随螺栓（或螺母）相对转动速度的增加而降低导致的负阻尼现象，此时摩擦力与时间关系曲线为锯齿状，这通常被认为是主要原因。

图2

对于螺纹连接，粘滑拧紧往往出现在表面处理为非电解锌片涂层高强螺栓（或螺母）在拧紧过程中与表面处理为电泳漆面被连接件（支撑面）之间。由于电泳漆摩擦因素远大于螺栓（或螺母）摩擦因素，且电泳漆耐磨性比非电解锌片涂层要差，涂层易被破坏；零件在电泳漆喷涂过程中很难避免表面产生缺陷或者颗粒等不良现象，从而进一步加剧表面质量的不稳定。高速转速装配下短时间内产生大量的热量，破坏螺栓支撑面和其接触表面的涂层特性，摩擦因素发生快速改变。如图3所示摩擦因素的测试中，发生粘滑时的摩擦因素在0.06～0.22之间变化。

根据QC/T 518-2013《汽车用螺纹紧固件紧固扭矩》，基于紧固扭矩与预紧力的关系，见算式1。

其中，

在本案例中，螺栓公称直径d=14mm、螺距P=1.5mm、螺纹摩擦系数μs=0.13、螺栓中径d2=13.03、支撑面摩擦系数μw=0.06-0.22、支撑面摩擦扭矩的等效直径Dw=22mm。通过算式1和算式2计算可得：

当μw=0.06时，Tmin=1.88F

拧紧过程的瞬时变化，F为定值，从而我们可得扭矩波动比值Tmax /Tmin=1.94。在图2中两个拧紧曲线扭矩波动比约为2，实际现象和理论推导是一致的。

4 粘滑现象的危害

粘滑会对拧紧设备造成冲击。特别是扭矩传感器和拧紧电机会在瞬时受到交变载荷的冲击。忽高忽低的扭矩易引发设备急停，从而对拧紧设备寿命造成危害，严重的会直接损坏扭矩传感器或者是拧紧电机。

图3

图4

图5

发生粘滑拧紧会影响拧紧质量。在试验过程中将发生粘滑拧紧的连接点拆下，发现零件表面涂层被破坏，涂层破坏导致摩擦系数的失控。在生产过程中，重要连接点都会有扭矩和角度监控要求。发生粘滑拧紧的连接点，最终扭矩和角度都无法落在监控窗口中，从而引起生产报警。同时连接点夹紧力也远低于设计要求。

5 解决方案

5.1 降低拧紧转速

副车架与下摆臂连接点拧紧试验，试验设定拧紧到屈服，将拧紧转速由20rpm降为10rpm。如图4，十次拧紧试验产生一次粘滑现象，可见降低转速会有效减少粘滑现象，但仅降低转速并不能消除粘滑现象。而对于生产现场来说，较低的转速会降低生产效率影响生产节拍。

5.2 改变摩擦副

在螺栓支撑面与被连接件表面之间增加平垫片，以控制摩擦因素。此时螺栓支撑面与被连接件表面接触，由非电解锌片涂层/电泳漆接触改为非电解锌片涂层/非电解锌片涂层接触，接触状态变更后的试验结果见图5，整个试验过程不再出现粘滑现象，且拧紧一致性非常理想。

6 结语

本文从拧紧试验中暴露出的粘滑现象着手，进行了有效的分析并提出了相应的解决方案。分析结果表明粘滑主要原因为：转速过高会导致表面涂层摩擦因素剧烈变化、非电解锌片涂层与电泳漆两种零件表面接触。提出通过增加平垫片来改变摩擦副状态的方案，从而消除粘滑现象，解决了汽车产品开发中典型的连接问题。