关于螺纹紧固件拧紧粘滑现象的分析与研究

徐海东 魏鹏程 肖俊

摘 要：在整车装配过程中，时常出现螺栓拧紧粘滑现象，该现象不仅会对螺栓连接质量产生不良影响还会降低工具寿命。文章结合整车装配过程中的实际问题及粘滑现象的基本机理，分析了粘滑现象的不良影响进行分析并通过优化拧紧转速、控制螺纹连接副摩擦系数减少了该现象的发生。

关键词：螺纹连接;粘滑现象;拧紧技术

中图分类号：V229+.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）06-158-03

Abstract： During the assembly process of the whole vehicle， the stick-slip of bolt tightening phenomenon often occurs. This phenomenon not only adversely affects the quality of the bolt connection， but also reduces the tool life. This paper combines the actual problems in the assembly process of the vehicle and the basic mechanism of stick-slip phenomenon， analyzes the adverse effects of stick-slip phenomenon and analyzes it. By optimizing the tightening speed and controlling the friction coefficient of the threaded joint， the phenomenon is reduced.

Keywords： Threaded connection; Stick-slip phenomenon; Tightening technology

CLC NO.： V229+.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）06-158-03

引言

螺紋紧固件虽小，但由于其装配方便、零件拆卸便利、标准化程度高等优点，螺纹连接已成为是汽车连接技术中最基础、应用最广泛的连接技术。螺纹连接技术在汽车装配过程中的广泛使用，也导致其对整车质量的影响越来越大，一旦出现螺纹紧固件失效，将造成众多车辆零部件松动、异响等问题，甚至造成严重的安全事故。

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，是发生在两个相互滑动物体间的一种自激跳跃运动。螺纹紧固件拧紧过程中发生粘滑现象，通常表现为在拧紧时扭矩会随着角度的增加忽高忽低，并伴随着“吱吱”的尖叫声，这种现象将对拧紧质量产生负面影响。本文以汽车装配过程中的实际问题出发，分析该问题产生的影响及解决方案。

1 产生机理

从发生机理上看，粘滑属于摩擦引起的自激振荡，其产生机理有很多。其中，摩擦系数随相对滑动速度的增加而降低导致负阻尼现象，被广泛认为是该现象产生的一种主要原因[1]。

螺纹紧固件拧紧过程中产生粘滑现象的主要原因有：（1）摩擦系数过高;（2）拧紧转速过快;（3）拧紧过程中温度过高;（4）螺栓头部与被连接之间接触面不平整等[2]。

2 粘滑现象的危害

螺栓拧紧过程的粘滑现象作为一种不良拧紧现象，将造成许多危害，其中包括：夹紧力不足、拧紧合格率低、损坏工具等。

2.1 夹紧力不足

扭矩法拧紧过程中，通过扭矩与螺栓预紧力的关系来控制螺纹连接结构最终的夹紧力。在最终拧紧阶段一旦发生了发生了粘滑现象，摩擦阻力骤然增大，会导致“假扭矩”的产生，螺栓实际上并没有获得目标的夹紧力，进而导致行驶过程中异响、螺栓松脱等问题发生。某SUV后扭力梁固定点，使用相同螺栓，在相同扭矩设定值拧紧情况下，进行了拧紧过程是否发生粘滑的螺栓夹紧力测试数据对比。从表1中数据可见，螺栓拧紧过程中发生粘滑现象，静态扭矩检测符合要求甚至偏大，但夹紧力测试结果，该点轴向力低于设计要求，路试时也产生了异响问题。

2.2 拧紧合格率降低

在生产过程中，重要连接点都会有扭矩和角度监控要求。扭矩法发生粘滑拧紧，在拧紧结束时，会导致扭矩提前达到目标值，从而发生角度低报警。而对于扭矩转角法的拧紧策略，粘滑现象容易导致转到目标角度后，扭矩超出上限，而产生扭矩高报警。这些报警导致拧紧合格率显著降低，作业员工需对螺栓重新打紧，增加了作业工时，降低了生产效率。

2.3 损坏工具

在粘滑拧紧过程中，扭矩大小会随着角度的增加不断震荡的交变载荷，进而导致电动拧紧工具内部的电子元件承受电流大小不断交替变化的冲击。长期如此将对工具内部的扭矩传感器造成损伤，导致工具损坏。

3 解决措施

3.1 降低转速

根据产生粘滑的机理及原因，可以通过降低最终拧紧转速减少粘滑现象的发生。某车型副车架前部固定螺母，在拧紧过程中出现了大量拧紧粘滑现象，拧紧粘滑发生率高达90%，针对这一问题现场优化了电动拧紧工具的拧紧程序，采用不同的拧紧转速，各进行十台车验证。结果表明，拧紧转速降低后，粘滑现象发生率明显降低。从曲线中可以清楚看到最终拧紧转速为20rpm时（见图1），螺栓拧紧到40Nm后发生了严重的拧紧粘滑现象，扭矩-转角曲线发生了强烈的上下波动，在粘滑过程中，拧紧速度也发生了剧烈波动。当最终拧紧速度调整至10rpm后（见图2），螺栓拧紧过程未出现粘滑现象，扭矩-转角曲线光滑上升，拧紧转速也十分平稳，拧紧状态良好。但过分降低拧紧转速来减少粘滑现象的发生，将会导致工具发热量增大损伤工具，并会在一定程度上影响生产节拍，应根据实际情况合理选择拧紧转速。

3.2 控制摩擦系数

控制螺纹的摩擦系数是解决拧紧粘滑现象的另一个有效途径。针对上一案例，经测试原使用螺母摩擦系数为0.20- 0.25，摩擦系数较高。后要求供应商优化螺母表面处理方式，将摩擦系数控制在0.12-0.18之间，采用原拧紧策略进行拧紧测试，无粘滑现象发生。由螺栓拧紧力矩与夹紧力关系公式可知（见公式1），对于扭矩法拧紧策略，摩擦系数降低后，在相同目标扭矩下降获得更大的夹紧力[3]。故对于扭矩法，通过降低摩擦系数减少粘滑现象的发生要对连接副强度进行重新校核，防止出现连接副发生拧紧断裂。

3.3 优化接触面

对于一些螺栓头部接触面不平整，工件表面粗糙度较大的连接副可以通过增加平垫优化螺栓头部接触面以降低粘滑现象的发生。

4 结语

螺纹连接作为汽车装配过程中一项重要的连接方式，螺纹连接件的拧紧质量将直接影响整车装配质量。本文根据汽车总装装配过程的实际问题研究了螺纹拧紧过程中经常出现的一种不良拧紧现象——“粘滑拧紧”，阐述了该现象的不良影响。并针对该问题提出并验证了降低转速和控制连接副的摩擦系数都是行之有效的解决方案，解决了螺栓拧紧过程中的问题。

参考文献

[1] 刘丽兰，刘宏昭，赵会荣，姚美倩.机械系统中粘滑摩擦研究进展[J]. 机械科学与技术，2016，35（5）：662-671.

[2] 曾繁龙.粘滑拧紧的研究与优化[J].时代汽车，2017（10）：65-66.

[3] 叶又，黄平.汽车紧固件实用技术手册[M].北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2018.