粘滑拧紧的研究与优化

曾繁龙

摘要：一量汽车在装配线上的紧固连接的工作量约占70%，而采用螺栓连接占整车连接超过50%，螺栓拧紧质量直接关系到车辆安全性能。当使用自动拧紧轴进行拧紧时出现粘滑现象造成设备故障率提升，严重拧紧影响拧紧质量且较差的人机工程。通过对粘滑产生的原因进行分析，并优化拧紧过程消除粘滑，为其他拧紧过程粘滑改进提供了借鉴和参考。

关键词：拧紧；粘滑；优化

1.引言

摩擦是一种自然界普遍存在的物理现象，存在于有相互运动趋势和相对运动的两个物体间。而粘滑作为摩擦中一种典型的摩擦现象，广泛存在各种相对运动之中，引发机械系统出现颤振。除了少部分粘滑给我们生活带来好处（如小钢琴优美的琴声），大部分给机械系统带来不良影响（如钻柱失效）。本文通过分析粘滑产生的原理，粘滑对电动拧紧工具的影响，并通过调整拧紧过程消除粘滑，解决方案已在生产现场得到应用，效果明显。

2.现状分析及背景调查

自从CN系列车型批量上线后，在不到2个月时间内，底盘的某一设定值160Nm的拧紧轴就损坏8个传感器，极大增加了设备维护成本。而且在使用拧紧轴拧紧的过程中螺栓都发出“嘎嘎”刺耳的尖叫声，对此，员工抱怨極大。

通过对拧紧过程调查，发现导致传感器频繁故障及拧紧过程中发出刺耳的尖叫声都是因为拧紧过程出现粘滑现象导致。从拧紧曲线（图1）看出，在拧紧过程中，扭矩曲线不断上线震荡，该现象称为粘滑拧紧。

3.粘滑拧紧

粘滑是两物体相对运动摩擦引起的自激共振现象，运动系统的不稳定性和振动是产生的主要致因。其中最为常见的一种是由摩擦系数随相对滑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，这通常被认为是摩擦引起振动的主要原因。另外一种不稳定性机理就是模态耦合，即使摩擦系数为定常值，也可以破坏系统稳态滑动的稳定性而发生自激振荡，其主要条件是摩擦力与法向力的耦合。产生粘滑具有随机性，并未找到完全合理的解释，但由摩擦导致系统自激振动和模态耦合机理得到广泛的认同。

粘滑既可以重复出现，也可以随机发生，如果动摩擦因数随着滑动速度的变化斜率在某个速度下为负值，那么就出现谐振现象。在拧紧过程中扭矩随着角度的变化忽高忽低，而且在拧紧扭矩合格后，往往会发现零件的夹紧力并没有达到要求。

粘滑拧紧常见的来源：1、工件表面粗糙；2、螺纹摩擦系数高；3、拧紧过程中发热严重；4、拧紧速度过高。

4.粘滑拧紧对拧紧工具的影响

目前，常用的电动拧紧工具扭矩传感器主要有两种类型：电涡流式扭矩传感器与应变片式扭矩传感器。

电涡流式扭矩传感器：电定子、转子、传感器轴和辅助电路组成。转子包括线圈固定在传感器轴上，定子永久磁铁固定在传感器外壳上，定、转子上都有相等的齿和槽。使用两个完全相同的传感器，它们的转子分别固定在被测轴的两端，而定子用支架固定。一个传感器的定子齿和转子齿相对，另一个则定子槽和转子槽相对。当两个传感器输出线组内感应出电势大小相等，频率相同时，相位是相差差180°的近似正弦波，而当扭矩作用在扭转轴上时，两个绕组内感应电热相位差将不再是180°，而是扭转角与定（转）子齿数的积。在弹性限度内，材料扭矩与扭转角成正比，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号，从而测出扭转角也就得到了扭矩的值。这种扭矩传感器反应较电阻应变式传感器反应灵敏，但抗干扰能力较弱，对应用场所的电磁强度有较高要求。

应变片式扭矩传感器：依据虎克定律当金属受外力作用时它的电阻值会发生变化的原理，利用特殊金属应变片组成了电桥，在力的作用下使应变片发生形变从而导致金属电阻值的增加或减小，当输入端加上直流电压后，输出端就可以得到随所施力大小而改变的电压信号。再经过相关的信号处理计算即可得出扭矩。

在粘滑拧紧过程中，扭矩随着时间的增加忽高忽低不断的振荡，这样工具也会受到高低不断变幻的交变载荷。同时，传感器内部电子元件还需承受电流不断变大变小的冲击。根据不同扭矩传感器的原理电涡流扭矩传感器较应变片式传感反应更灵敏，干扰能力较弱，对应用场所的电磁强度要求更高。故粘滑拧紧对电涡流扭矩传感器冲击更高。

5.粘滑拧紧优化

通过研究拧紧系统中摩擦导致粘滑的机理，从粘滑运动特性人手，寻找消除或减少拧紧粘滑的解决方法。由粘滑是一种共振现象，降低拧紧的速度错开共振的频率，可以有效减少粘滑运动。根据图2，在拧紧步骤的3，4，5中出现粘滑现象。根据现场实际情况修正拧紧速度，改的如表1，表2：

螺纹副高摩擦系数也是诱发拧紧的主要原因，采用开槽自攻螺栓可以减少螺纹副中的摩擦或刮去图层，避免拧紧中粘滑的现象。

6.结语

（1）粘滑拧紧工具承受不断变幻的交变载荷，寿命严重下降，电涡流传感器尤其敏感。

（2）减少拧紧步骤，降低拧紧速度可以消除拧紧过程中的粘滑。

拧紧粘滑是一个系统的问题，每一种拧紧粘滑产生的原因都可能不一样，所以需要单独对待。本文主要针对现场生产较容易实现的措施进行考虑，为解决类似的粘滑现象提供思路和参考。