汽車底盤緊固件粘滑效應研究

王 遠 王 強 殷平玲

(上海匯眾汽車制造有限公司， 上海 200122)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車行業(yè)的發(fā)展一直備受關(guān)注。對于汽車安全舒適度的要求不斷提高，因此對于生產(chǎn)設(shè)計的要求也在不斷地提高，對于從如何提高汽車安全性能，一直是汽車行業(yè)不斷面臨的重要挑戰(zhàn)[1]。

2019年在中國召回700萬輛汽車，汽車設(shè)計人員所關(guān)注的重點在于召回事件發(fā)生的次數(shù)，而不僅僅是汽車召回的數(shù)量，需要的是找出問題所在，調(diào)控生產(chǎn)質(zhì)量。700多萬輛車共分為222批分別召回，其中由于緊固件扭矩問題造成的召回的比例占比12%，使得越來越多的生產(chǎn)廠家不得不重視緊固件扭矩的嚴格控制。

2020年2月12日美國特斯拉公司召回1.5萬輛Model X，召回的原因在于其中的齒輪箱的鋁螺栓在承受極寒的條件時，可能發(fā)生腐蝕斷裂，導致駕駛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力輔助失效。一般的轎車平均每車用緊固件大約在500種4 000個，一輛重型車上平均約需要7 100個緊固件，其中高強度緊固件約占1/3，一臺汽車上的緊固件費用約占整車的2.5%，占總車基礎(chǔ)零件總數(shù)的40%，對于一條汽車裝配生產(chǎn)線上，緊固連接的工作量約占70%[2]。因此緊固件對于汽車的安全性能起著至關(guān)重要的影響。而黏滑效應一直是汽車緊固件擰緊過程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。

1 研究現(xiàn)狀及問題

上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師曾繁龍指出減少擰緊步驟，降低擰緊速度可以消除擰緊過程中的黏滑，擰緊黏滑是一個系統(tǒng)的問題，每一種擰緊黏滑產(chǎn)生的原因都可能不一樣，所以需要單獨對待[3]。廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院工程師吳至軒指出擰緊轉(zhuǎn)速和摩擦副對黏滑影響較大[4]，螺栓擰緊過程中經(jīng)常出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，目前的研究指出黏滑效應的影響因素很多，主要集中在轉(zhuǎn)速、表面電泳、摩擦系數(shù)等多方面的影響，但是對于轉(zhuǎn)速以及摩擦系數(shù)具體的影響機理沒有深入研究。

目前的裝配方法有三種。扭矩法裝配：擰緊軸在達到預設(shè)目標扭矩后停下，但該螺紋連接并未正確裝配。給定的目標扭矩可位于陡峭的扭矩增加曲線中的任何位置，但始終存儲的是最大扭矩，扭矩值存在巨大的散差。

轉(zhuǎn)角法裝配：理論上來講，角度傳感器即使存在黏滑效應的情況下也可以準備監(jiān)控角度，預緊力也可以有效地實施。在角度監(jiān)控的裝配工藝中，因為有起始扭矩和扭矩監(jiān)控窗口，意味著峰值扭矩將經(jīng)常會超過最高扭矩限。給定的起始扭矩可能會發(fā)生基本誤差，而轉(zhuǎn)角自此開始計數(shù)。由于靜摩擦產(chǎn)生的扭矩值高得多，因此可以盡早識別出起始點。在這種情況下，轉(zhuǎn)角計數(shù)也會提前，且最終目標角度未達到扭矩/角度圖中的預期點，導致比預定的夾緊力低。過早地達到預設(shè)的起始扭矩，開始計算角度，這樣實際擰緊達到的角度低于設(shè)計的角度，導致預緊力不足。

屈服點法裝配：通扭矩角度曲線計算斜率來確定屈服點，計算的前提是扭矩持續(xù)穩(wěn)定地增加。一旦發(fā)生黏滑效應，過裝配結(jié)果必然失效。

2 試驗

本文試驗通過改變摩擦系數(shù)和擰緊速度研究黏滑效應，試驗設(shè)備采用德國Schatz公司的緊固件模擬裝配分析系統(tǒng)，型號：5413-2777。試驗用螺栓為M14×1.5的內(nèi)六角法蘭螺栓，性能的等級為10.9級，試驗均加載至螺栓保證載荷的75%，分別在10 L/min, 20 L/min, 30 L/min，40 L/min, 50 L/min不同的轉(zhuǎn)速下進行擰緊試驗。

圖1 試驗設(shè)備

3 結(jié)果與討論

通常正常使用工具擰緊時，扭矩持續(xù)增加，直到達到預定扭矩角度或者屈服點。在某一擰緊過程中會出現(xiàn)扭矩有規(guī)律地跳動，此現(xiàn)象稱為黏滑效應。

圖2試驗設(shè)定轉(zhuǎn)速10 L/min，不同的摩擦系數(shù)下加載載荷均為54.8 kN。從軸力轉(zhuǎn)角曲線圖中可以觀察到，出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象的軸力曲線會有輕微異常波動。同樣的加載條件下不同摩擦系數(shù)下的扭矩軸力曲線圖，從圖中可以看出當轉(zhuǎn)速設(shè)為10 r/min時，19組的試驗數(shù)據(jù)中僅兩組出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，且摩擦系數(shù)值分別為0.38和0.39。

圖2 10 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數(shù)

圖3設(shè)定轉(zhuǎn)速20 L/min，不同的摩擦系數(shù)下加載載荷均為54.8 kN。從軸力曲線圖中可以觀察到，出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象的軸力曲線也會有輕微異常波動。同樣的加載條件下不同摩擦系數(shù)下的扭矩軸力及扭矩轉(zhuǎn)角曲線圖，從圖中可以看出當轉(zhuǎn)速設(shè)為20 L/min時，本組進行10組測試其中4組出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，且摩擦系數(shù)值分別為0.21、0.24、 0.24和0.25,當摩擦系數(shù)值大于0.21的時候均出現(xiàn)黏滑效應。

圖3 20 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數(shù)

圖4為轉(zhuǎn)速30 r/min，不同的摩擦系數(shù)下加載載荷同樣為54.8 kN。從軸力曲線圖中可以觀察到，出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象的軸力曲線會有輕微異常波動。同樣的加載條件下不同摩擦系數(shù)下的扭矩軸力及扭矩轉(zhuǎn)角曲線圖，從圖中可以看出當轉(zhuǎn)速設(shè)為30 L/min時，本組進行10組測試其中5組出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，且摩擦系數(shù)值分別為0.23、0.27、0.30、0.29和0.30。當摩擦系數(shù)值大于0.23的時候均出現(xiàn)黏滑效應。

圖4 30 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數(shù)

圖5為轉(zhuǎn)速40 r/min，不同的摩擦系數(shù)下加載載荷均54.8 kN。從圖中可以看出當轉(zhuǎn)速設(shè)為40 L/min時，本組進行10組測試其中5組出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，當摩擦系數(shù)值大于0.20的時候均出現(xiàn)黏滑效應。

圖5 40 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數(shù)

圖6為轉(zhuǎn)速50 r/min，不同的摩擦系數(shù)下加載載荷均為54.8 kN。同樣的加載條件下不同摩擦系數(shù)下的扭矩軸力及扭矩轉(zhuǎn)角曲線圖，從圖中可以看出當轉(zhuǎn)速設(shè)為50 L/min時，本組進行10組測試其中5組出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，當摩擦系數(shù)值大于0.19的時候均出現(xiàn)黏滑效應。

圖6 50 L/min軸力扭矩曲線圖及摩擦系數(shù)

綜合5組不同的試驗可以看出，當轉(zhuǎn)速在10 L/min時一定范圍的摩擦系數(shù)下，幾乎不出現(xiàn)黏滑效應。而當轉(zhuǎn)速調(diào)至20 L/min至50 L/min時，轉(zhuǎn)速對于黏滑效應的產(chǎn)生影響較小，不同的轉(zhuǎn)速下當摩擦系數(shù)大于0.20時均開始出現(xiàn)黏滑效應。綜合數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速大于20 L/min后黏滑效應的出現(xiàn)與摩擦系數(shù)相關(guān)，當摩擦系數(shù)大于0.20時易產(chǎn)生黏滑效應。

黏滑效應相當于兩個表面相互粘貼又相互滑動，轉(zhuǎn)動開始前摩擦力是靜摩擦力，而當轉(zhuǎn)動開始后，摩擦力立即由靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦力。通常來說，靜摩擦力大于動摩擦力。當轉(zhuǎn)動力矩足夠大克服靜摩擦力時，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。

這里以30 L/min的一組黏滑效應曲線為例，從此圖可以看出，黏滑效應隨著時間的推移，當驅(qū)動軸停止時，扭矩會從較低的點開始增加，夾緊力保持在最后值上。當扭矩克服摩擦力而達到峰值扭矩時，驅(qū)動軸跳躍1.5°左右。之后，驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)能量丟失，驅(qū)動軸再次停止轉(zhuǎn)動。電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩增加，直到達到峰值扭矩值。

圖7 扭矩-軸力-角度關(guān)系曲線圖

摩擦模型根據(jù)數(shù)學形式表達，目前可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種摩擦模型。一般通過微分方程將動態(tài)摩擦模型描述為相對速度和位移的函數(shù)，通過微分方程對摩擦現(xiàn)象的描述更為真實準確。Li和Pavelescu[5]提出了一種多項式模型，摩擦的動態(tài)模型采用這個多項式函數(shù)進行表達，為了使模型的準確性提高，通過分段函數(shù)的方法進行處理，當相對速度大的時候引入新函數(shù)。表達式如下：

μs為最大靜摩擦系數(shù)，μm為最小動摩擦系數(shù)，相對速度vm與最小動摩擦系數(shù)相對應。表達式表達了摩擦系數(shù)與相對速度的關(guān)系。在相對較小的速度范圍內(nèi)隨著相對速度的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)負斜率特性，后趨于平緩。Duan Chongwu[6]和Rajondra Singh[7]也在文章中指出摩擦系數(shù)的負斜率特性就是導致黏滑現(xiàn)象的主要原因。負斜率效應主要用于描述低速摩擦時的摩擦特性，指的是相對速度較低的區(qū)間內(nèi)摩擦力的大小會隨著相對速度的增加出現(xiàn)一定程度的下降，在相對速度較小時不容易出現(xiàn)黏滑效應。

4 結(jié)論

本文通過對汽車底盤緊固件黏滑效應研究，發(fā)現(xiàn)擰緊速度降低到一定的值時，一定程度上可以消除黏滑效應的產(chǎn)生，擰緊速度超過一定值之后，主要受摩擦系數(shù)的影響，摩擦系數(shù)值大于0.20后易出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，在確定的裝配擰緊速度下，可以通過控制摩擦系數(shù)在0.20以下來防止黏滑效應的產(chǎn)生。