汽車零件加強筋結構設計

王凱 王旭

（一汽豐田技術開發有限公司）

在汽車零件結構設計工作中，不可避免地會遇到需要對零件強度進行加強的情況。正確適當的加強筋設計可以大幅提升零件的強度，不適當的設計有可能產生適得其反的結果。文章選取了4 種常見的汽車零件受載荷類型，分類進行研究。借助軟件進行計算分析，對比各種常見的加強件設計方案在受同一載荷時的加強效果，從而判定其在該載荷下的有效性。進而得出在受各種載荷下，最優的加強筋設計方案。文章通過研究，整理歸納出加強筋設計的一般規律，用于今后的設計工作中。

1 提高面剛性

通常在汽車內外飾板、盒類零件上布置橫縱交錯的加強筋，以提升其面剛性，如圖1所示。

圖1 汽車盒類零件加強筋示意圖

1.1 提高面剛性的加強筋的排布方向

為驗證加強筋的排布方向，建立2 個盒裝結構模型：模型 1，長 100 mm，寬 50 mm，壁厚 1 mm；模型 2，長100 mm，寬50 mm，壁厚3 mm。再分別對其進行2 種方案的加強筋布置。方案1，布置高度為5 mm 的十字形加強筋；方案2，布置高度為5 mm 的X 形交叉加強筋。通過借助軟件分析計算，結果歸納如表1所示。

表1 提高面剛性的加強筋布置的剛性質量比計算結果

由表1可以看出，2 種模型均為布置十字形加強筋方案的剛性質量比較高。即在使用相同質量材料的情況下，布置十字筋的零件剛性更高。

對于塑料零件，為了避免造型面產生縮痕，要盡量減少在造型面后布置加強筋。在無法避免的情況下，優先選擇十字形加強筋。由于X 形交叉加強筋四角處的模具有尖角，模具易發生損壞，并且四角處的塑料厚度大，易發生縮痕[1]，原則上不推薦使用。

1.2 提高局部面剛性的加強筋的排布方法

為驗證更有效的提高局部面剛性的加強筋排布方法，建立壁厚均為1 mm，加強筋高度均為10 mm 的3 種模型進行對比，如圖2所示。模型1：間隔為50 mm×50 mm 的正方形排布；模型2：間隔為25 mm×10 mm的長方形排布；模型3：間隔為底100 mm，高50 mm 的三角形排布。

圖2 驗證局部面剛性加強筋排布方法的3 種模型示意圖

通過借助軟件分析計算，結果如表2所示。

表2 不同載荷分布的3 種加強筋模型剛性質量比計算結果

由表2可以看出，在零件局部排布加強筋形成格子形狀，當被加強筋分割的格子面積相同時，長方形的排布方式效率最高。但這是僅考慮局部剛性的結果，在布置加強筋時，也要考慮整體剛性。

2 提高彎曲剛性

通常在支撐梁類的零件上布置加強筋，提升零件在加強筋高度方向上的彎曲剛性，如圖3所示。

圖3 支撐梁加強筋示意圖

2.1 提高彎曲剛性的加強筋的排布方向

零件受載荷后會發生變形，中間下沉，兩端翹起。圖4示出2 種排布方向的加強筋受力圖。從圖4可以看出，零件上表面受壓縮應力，下表面受拉伸應力。如果將加強筋布置在圖4a 中的零件上側，加強筋側受壓縮應力，受力變形，更容易吸收能量；如果將加強筋布置在圖4b 中的零件下側，加強筋側受拉伸應力，易發生拉斷現象。因此，在類似構造中應將加強筋布置在受壓縮應力一側，從而避免受力斷裂。

圖4 2 種排布方向的加強筋側受力圖

2.2 提高彎曲剛性的加強筋的高度

截面系數與加強筋高度的二次方成正比，如果想實現等應力，需要將加強筋的高度設定為力矩的平方根[2]。模型及力矩分布，如圖5所示。

圖5 提高彎曲剛性的加強筋模型及力矩分布示意圖

然而，將加強筋的頂面設定為曲面時，模具會難于加工，進而增加模具成本。使用機械加工，曲線加強筋的加工成本通常是直線加強筋的2 倍；使用放電加工，曲線加強筋的加工成本通常是直線加強筋的3 倍以上。因此需要綜合考慮性能和成本的平衡，再決定加強筋高度的分布。

2.3 提高彎曲剛性的加強筋的排布方法

為對比其他方案的加強筋排布方法的效果，建立框尺寸為700 mm×70 mm×45 mm，壁厚為3 mm 的3 種模型。模型1，無加強筋；模型2，布置縱向加強筋；模型3，布置X 形交叉加強筋。分別采用以下2 種方式進行加載，如圖6所示。

圖6 提高彎曲剛性的加強筋模型的2 種加載方式示意圖

通過借助軟件分析計算，結果歸納如表3所示。

表3 加強筋模型在2 種加載方式下的剛性質量比計算結果

由表3可以看出，零件受彎曲載荷時，當受載荷方向與加強筋方向一致時，使用垂直縱向加強筋效率最高，當受載荷方向垂直于加強筋方向時，X 形交叉加強筋的效率最高。另外，對塑料件布置加強筋時，X 形交叉筋易產生縮痕，要注意是否會在造型面上產生縮痕。

3 提高扭轉剛性

通常對塑料制踏板布置網格狀加強筋，以有效提高抗扭轉剛性和強度，如圖7所示。

圖7 塑料制踏板布置加強筋示意圖

3.1 提高扭轉剛性的加強筋的排布方法

當零件受扭轉載荷時，在載荷的45°方向上產生主應力。因此針對該方向布置加強筋，來提升零件剛性和強度，如圖8所示。

圖8 零件受扭轉載荷時加強筋布置方式示意圖

為驗證和對比其他方案的效果，沿用文章2.3 中使用的3 種模型，并施加扭轉載荷，通過借助軟件分析計算，結果歸納如表4所示。

表4 受扭轉載荷的加強筋模型剛性質量比計算結果

由表4可以看出，45°交叉加強筋明顯優于其他方案。另外，對塑料件布置加強筋時，交叉筋易產生縮痕，要注意是否會在造型面上產生縮痕。

踏板在通常情況下受彎曲載荷，因此采用X 形交叉加強筋。但是，當踩踏位置偏離中心位置時，踏板也受扭轉載荷，因此針對扭轉載荷，布置45°方向的加強筋確保剛性。

3.2 提高扭轉剛性的加強筋的形狀

零件如果在中心位置受載荷會發生扭轉變形，對強度和剛性都不利，因此盡量將零件設定為對稱形狀，使之僅產生彎曲變形，如圖9所示。

圖9 零件中心位置受載荷發生扭轉變形情況

4 提高結合部的強度

對于零件結合部位，例如螺栓孔基座，通過在應力集中部位布置加強筋，來緩和應力集中并提高剛性，如圖10所示。

圖10 螺栓孔基座布置加強筋示意圖

4.1 結合部加強筋的中間部分凹回

如果將結合部的加強筋設定為直線，加強筋的剛性過高，加強筋和結合部之間的斷面發生急劇變化，會產生應力。將結合部加強筋的中間部分凹回，使斷面漸變，從而使應力緩和。2 種情況示意圖，如圖11所示。

圖11 結合部加強筋設定示意圖

4.2 包圍螺栓孔

如果將加強筋布置到螺栓孔前截止，從螺栓傳遞來的力無法有效傳遞，在加強筋的端部產生應力集中；如果使加強筋包圍螺栓孔，將充分加強螺栓孔部位強度，有效傳遞力。設計時考慮到制造公差，加強筋要超過孔心以外螺栓孔半徑1/2 的距離。2 種情況示意圖，如圖12所示。

圖12 加強筋與螺栓孔的包圍情況示意圖

5 結論

文章通過對零件受載荷方式進行分類研究，分別得出了各種載荷條件下，最有效的加強筋設計方案，同時給出了一些其他需要注意的關鍵點，為今后類似的加強筋設計工作提供參考，從而能夠快速判斷最有效的設計方案，減少在加強筋設計方面的時間，提升設計效率。文章對加強筋在各類加工工藝條件下的受制約條件研究較少，希望今后能進一步完善補充，提供更加全面的參考建議。