汽车底盘紧固件粘滑效应研究

王 远 王 强 殷平玲

(上海汇众汽车制造有限公司， 上海 200122)

0 引言

随着全球经济的快速发展，汽车行业的发展一直备受关注。对于汽车安全舒适度的要求不断提高，因此对于生产设计的要求也在不断地提高，对于从如何提高汽车安全性能，一直是汽车行业不断面临的重要挑战[1]。

2019年在中国召回700万辆汽车，汽车设计人员所关注的重点在于召回事件发生的次数，而不仅仅是汽车召回的数量，需要的是找出问题所在，调控生产质量。700多万辆车共分为222批分别召回，其中由于紧固件扭矩问题造成的召回的比例占比12%，使得越来越多的生产厂家不得不重视紧固件扭矩的严格控制。

2020年2月12日美国特斯拉公司召回1.5万辆Model X，召回的原因在于其中的齿轮箱的铝螺栓在承受极寒的条件时，可能发生腐蚀断裂，导致驾驶系统的转向助力辅助失效。一般的轿车平均每车用紧固件大约在500种4 000个，一辆重型车上平均约需要7 100个紧固件，其中高强度紧固件约占1/3，一台汽车上的紧固件费用约占整车的2.5%，占总车基础零件总数的40%，对于一条汽车装配生产线上，紧固连接的工作量约占70%[2]。因此紧固件对于汽车的安全性能起着至关重要的影响。而黏滑效应一直是汽车紧固件拧紧过程中经常出现的现象。

1 研究现状及问题

上汽通用五菱汽车股份有限公司工程师曾繁龙指出减少拧紧步骤，降低拧紧速度可以消除拧紧过程中的黏滑，拧紧黏滑是一个系统的问题，每一种拧紧黏滑产生的原因都可能不一样，所以需要单独对待[3]。广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院工程师吴至轩指出拧紧转速和摩擦副对黏滑影响较大[4]，螺栓拧紧过程中经常出现黏滑现象，目前的研究指出黏滑效应的影响因素很多，主要集中在转速、表面电泳、摩擦系数等多方面的影响，但是对于转速以及摩擦系数具体的影响机理没有深入研究。

目前的装配方法有三种。扭矩法装配：拧紧轴在达到预设目标扭矩后停下，但该螺纹连接并未正确装配。给定的目标扭矩可位于陡峭的扭矩增加曲线中的任何位置，但始终存储的是最大扭矩，扭矩值存在巨大的散差。

转角法装配：理论上来讲，角度传感器即使存在黏滑效应的情况下也可以准备监控角度，预紧力也可以有效地实施。在角度监控的装配工艺中，因为有起始扭矩和扭矩监控窗口，意味着峰值扭矩将经常会超过最高扭矩限。给定的起始扭矩可能会发生基本误差，而转角自此开始计数。由于静摩擦产生的扭矩值高得多，因此可以尽早识别出起始点。在这种情况下，转角计数也会提前，且最终目标角度未达到扭矩/角度图中的预期点，导致比预定的夹紧力低。过早地达到预设的起始扭矩，开始计算角度，这样实际拧紧达到的角度低于设计的角度，导致预紧力不足。

屈服点法装配：通扭矩角度曲线计算斜率来确定屈服点，计算的前提是扭矩持续稳定地增加。一旦发生黏滑效应，过装配结果必然失效。

2 试验

本文试验通过改变摩擦系数和拧紧速度研究黏滑效应，试验设备采用德国Schatz公司的紧固件模拟装配分析系统，型号：5413-2777。试验用螺栓为M14×1.5的内六角法兰螺栓，性能的等级为10.9级，试验均加载至螺栓保证载荷的75%，分别在10 L/min, 20 L/min, 30 L/min，40 L/min, 50 L/min不同的转速下进行拧紧试验。

图1 试验设备

3 结果与讨论

通常正常使用工具拧紧时，扭矩持续增加，直到达到预定扭矩角度或者屈服点。在某一拧紧过程中会出现扭矩有规律地跳动，此现象称为黏滑效应。

图2试验设定转速10 L/min，不同的摩擦系数下加载载荷均为54.8 kN。从轴力转角曲线图中可以观察到，出现黏滑现象的轴力曲线会有轻微异常波动。同样的加载条件下不同摩擦系数下的扭矩轴力曲线图，从图中可以看出当转速设为10 r/min时，19组的试验数据中仅两组出现黏滑现象，且摩擦系数值分别为0.38和0.39。

图2 10 L/min轴力扭矩曲线图及摩擦系数

图3设定转速20 L/min，不同的摩擦系数下加载载荷均为54.8 kN。从轴力曲线图中可以观察到，出现黏滑现象的轴力曲线也会有轻微异常波动。同样的加载条件下不同摩擦系数下的扭矩轴力及扭矩转角曲线图，从图中可以看出当转速设为20 L/min时，本组进行10组测试其中4组出现黏滑现象，且摩擦系数值分别为0.21、0.24、 0.24和0.25,当摩擦系数值大于0.21的时候均出现黏滑效应。

图3 20 L/min轴力扭矩曲线图及摩擦系数

图4为转速30 r/min，不同的摩擦系数下加载载荷同样为54.8 kN。从轴力曲线图中可以观察到，出现黏滑现象的轴力曲线会有轻微异常波动。同样的加载条件下不同摩擦系数下的扭矩轴力及扭矩转角曲线图，从图中可以看出当转速设为30 L/min时，本组进行10组测试其中5组出现黏滑现象，且摩擦系数值分别为0.23、0.27、0.30、0.29和0.30。当摩擦系数值大于0.23的时候均出现黏滑效应。

图4 30 L/min轴力扭矩曲线图及摩擦系数

图5为转速40 r/min，不同的摩擦系数下加载载荷均54.8 kN。从图中可以看出当转速设为40 L/min时，本组进行10组测试其中5组出现黏滑现象，当摩擦系数值大于0.20的时候均出现黏滑效应。

图5 40 L/min轴力扭矩曲线图及摩擦系数

图6为转速50 r/min，不同的摩擦系数下加载载荷均为54.8 kN。同样的加载条件下不同摩擦系数下的扭矩轴力及扭矩转角曲线图，从图中可以看出当转速设为50 L/min时，本组进行10组测试其中5组出现黏滑现象，当摩擦系数值大于0.19的时候均出现黏滑效应。

图6 50 L/min轴力扭矩曲线图及摩擦系数

综合5组不同的试验可以看出，当转速在10 L/min时一定范围的摩擦系数下，几乎不出现黏滑效应。而当转速调至20 L/min至50 L/min时，转速对于黏滑效应的产生影响较小，不同的转速下当摩擦系数大于0.20时均开始出现黏滑效应。综合数据结果可以看出，转速大于20 L/min后黏滑效应的出现与摩擦系数相关，当摩擦系数大于0.20时易产生黏滑效应。

黏滑效应相当于两个表面相互粘贴又相互滑动，转动开始前摩擦力是静摩擦力，而当转动开始后，摩擦力立即由静摩擦转换为动摩擦力。通常来说，静摩擦力大于动摩擦力。当转动力矩足够大克服静摩擦力时，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。

这里以30 L/min的一组黏滑效应曲线为例，从此图可以看出，黏滑效应随着时间的推移，当驱动轴停止时，扭矩会从较低的点开始增加，夹紧力保持在最后值上。当扭矩克服摩擦力而达到峰值扭矩时，驱动轴跳跃1.5°左右。之后，驱动轴的扭转能量丢失，驱动轴再次停止转动。电机继续转动，转矩增加，直到达到峰值扭矩值。

图7 扭矩-轴力-角度关系曲线图

摩擦模型根据数学形式表达，目前可以分为静态和动态两种摩擦模型。一般通过微分方程将动态摩擦模型描述为相对速度和位移的函数，通过微分方程对摩擦现象的描述更为真实准确。Li和Pavelescu[5]提出了一种多项式模型，摩擦的动态模型采用这个多项式函数进行表达，为了使模型的准确性提高，通过分段函数的方法进行处理，当相对速度大的时候引入新函数。表达式如下：

μs为最大静摩擦系数，μm为最小动摩擦系数，相对速度vm与最小动摩擦系数相对应。表达式表达了摩擦系数与相对速度的关系。在相对较小的速度范围内随着相对速度的增加，摩擦系数呈现负斜率特性，后趋于平缓。Duan Chongwu[6]和Rajondra Singh[7]也在文章中指出摩擦系数的负斜率特性就是导致黏滑现象的主要原因。负斜率效应主要用于描述低速摩擦时的摩擦特性，指的是相对速度较低的区间内摩擦力的大小会随着相对速度的增加出现一定程度的下降，在相对速度较小时不容易出现黏滑效应。

4 结论

本文通过对汽车底盘紧固件黏滑效应研究，发现拧紧速度降低到一定的值时，一定程度上可以消除黏滑效应的产生，拧紧速度超过一定值之后，主要受摩擦系数的影响，摩擦系数值大于0.20后易出现黏滑现象，在确定的装配拧紧速度下，可以通过控制摩擦系数在0.20以下来防止黏滑效应的产生。