汽车零件加强筋结构设计

王凯 王旭

（一汽丰田技术开发有限公司）

在汽车零件结构设计工作中，不可避免地会遇到需要对零件强度进行加强的情况。正确适当的加强筋设计可以大幅提升零件的强度，不适当的设计有可能产生适得其反的结果。文章选取了4 种常见的汽车零件受载荷类型，分类进行研究。借助软件进行计算分析，对比各种常见的加强件设计方案在受同一载荷时的加强效果，从而判定其在该载荷下的有效性。进而得出在受各种载荷下，最优的加强筋设计方案。文章通过研究，整理归纳出加强筋设计的一般规律，用于今后的设计工作中。

1 提高面刚性

通常在汽车内外饰板、盒类零件上布置横纵交错的加强筋，以提升其面刚性，如图1所示。

图1 汽车盒类零件加强筋示意图

1.1 提高面刚性的加强筋的排布方向

为验证加强筋的排布方向，建立2 个盒装结构模型：模型 1，长 100 mm，宽 50 mm，壁厚 1 mm；模型 2，长100 mm，宽50 mm，壁厚3 mm。再分别对其进行2 种方案的加强筋布置。方案1，布置高度为5 mm 的十字形加强筋；方案2，布置高度为5 mm 的X 形交叉加强筋。通过借助软件分析计算，结果归纳如表1所示。

表1 提高面刚性的加强筋布置的刚性质量比计算结果

由表1可以看出，2 种模型均为布置十字形加强筋方案的刚性质量比较高。即在使用相同质量材料的情况下，布置十字筋的零件刚性更高。

对于塑料零件，为了避免造型面产生缩痕，要尽量减少在造型面后布置加强筋。在无法避免的情况下，优先选择十字形加强筋。由于X 形交叉加强筋四角处的模具有尖角，模具易发生损坏，并且四角处的塑料厚度大，易发生缩痕[1]，原则上不推荐使用。

1.2 提高局部面刚性的加强筋的排布方法

为验证更有效的提高局部面刚性的加强筋排布方法，建立壁厚均为1 mm，加强筋高度均为10 mm 的3 种模型进行对比，如图2所示。模型1：间隔为50 mm×50 mm 的正方形排布；模型2：间隔为25 mm×10 mm的长方形排布；模型3：间隔为底100 mm，高50 mm 的三角形排布。

图2 验证局部面刚性加强筋排布方法的3 种模型示意图

通过借助软件分析计算，结果如表2所示。

表2 不同载荷分布的3 种加强筋模型刚性质量比计算结果

由表2可以看出，在零件局部排布加强筋形成格子形状，当被加强筋分割的格子面积相同时，长方形的排布方式效率最高。但这是仅考虑局部刚性的结果，在布置加强筋时，也要考虑整体刚性。

2 提高弯曲刚性

通常在支撑梁类的零件上布置加强筋，提升零件在加强筋高度方向上的弯曲刚性，如图3所示。

图3 支撑梁加强筋示意图

2.1 提高弯曲刚性的加强筋的排布方向

零件受载荷后会发生变形，中间下沉，两端翘起。图4示出2 种排布方向的加强筋受力图。从图4可以看出，零件上表面受压缩应力，下表面受拉伸应力。如果将加强筋布置在图4a 中的零件上侧，加强筋侧受压缩应力，受力变形，更容易吸收能量；如果将加强筋布置在图4b 中的零件下侧，加强筋侧受拉伸应力，易发生拉断现象。因此，在类似构造中应将加强筋布置在受压缩应力一侧，从而避免受力断裂。

图4 2 种排布方向的加强筋侧受力图

2.2 提高弯曲刚性的加强筋的高度

截面系数与加强筋高度的二次方成正比，如果想实现等应力，需要将加强筋的高度设定为力矩的平方根[2]。模型及力矩分布，如图5所示。

图5 提高弯曲刚性的加强筋模型及力矩分布示意图

然而，将加强筋的顶面设定为曲面时，模具会难于加工，进而增加模具成本。使用机械加工，曲线加强筋的加工成本通常是直线加强筋的2 倍；使用放电加工，曲线加强筋的加工成本通常是直线加强筋的3 倍以上。因此需要综合考虑性能和成本的平衡，再决定加强筋高度的分布。

2.3 提高弯曲刚性的加强筋的排布方法

为对比其他方案的加强筋排布方法的效果，建立框尺寸为700 mm×70 mm×45 mm，壁厚为3 mm 的3 种模型。模型1，无加强筋；模型2，布置纵向加强筋；模型3，布置X 形交叉加强筋。分别采用以下2 种方式进行加载，如图6所示。

图6 提高弯曲刚性的加强筋模型的2 种加载方式示意图

通过借助软件分析计算，结果归纳如表3所示。

表3 加强筋模型在2 种加载方式下的刚性质量比计算结果

由表3可以看出，零件受弯曲载荷时，当受载荷方向与加强筋方向一致时，使用垂直纵向加强筋效率最高，当受载荷方向垂直于加强筋方向时，X 形交叉加强筋的效率最高。另外，对塑料件布置加强筋时，X 形交叉筋易产生缩痕，要注意是否会在造型面上产生缩痕。

3 提高扭转刚性

通常对塑料制踏板布置网格状加强筋，以有效提高抗扭转刚性和强度，如图7所示。

图7 塑料制踏板布置加强筋示意图

3.1 提高扭转刚性的加强筋的排布方法

当零件受扭转载荷时，在载荷的45°方向上产生主应力。因此针对该方向布置加强筋，来提升零件刚性和强度，如图8所示。

图8 零件受扭转载荷时加强筋布置方式示意图

为验证和对比其他方案的效果，沿用文章2.3 中使用的3 种模型，并施加扭转载荷，通过借助软件分析计算，结果归纳如表4所示。

表4 受扭转载荷的加强筋模型刚性质量比计算结果

由表4可以看出，45°交叉加强筋明显优于其他方案。另外，对塑料件布置加强筋时，交叉筋易产生缩痕，要注意是否会在造型面上产生缩痕。

踏板在通常情况下受弯曲载荷，因此采用X 形交叉加强筋。但是，当踩踏位置偏离中心位置时，踏板也受扭转载荷，因此针对扭转载荷，布置45°方向的加强筋确保刚性。

3.2 提高扭转刚性的加强筋的形状

零件如果在中心位置受载荷会发生扭转变形，对强度和刚性都不利，因此尽量将零件设定为对称形状，使之仅产生弯曲变形，如图9所示。

图9 零件中心位置受载荷发生扭转变形情况

4 提高结合部的强度

对于零件结合部位，例如螺栓孔基座，通过在应力集中部位布置加强筋，来缓和应力集中并提高刚性，如图10所示。

图10 螺栓孔基座布置加强筋示意图

4.1 结合部加强筋的中间部分凹回

如果将结合部的加强筋设定为直线，加强筋的刚性过高，加强筋和结合部之间的断面发生急剧变化，会产生应力。将结合部加强筋的中间部分凹回，使断面渐变，从而使应力缓和。2 种情况示意图，如图11所示。

图11 结合部加强筋设定示意图

4.2 包围螺栓孔

如果将加强筋布置到螺栓孔前截止，从螺栓传递来的力无法有效传递，在加强筋的端部产生应力集中；如果使加强筋包围螺栓孔，将充分加强螺栓孔部位强度，有效传递力。设计时考虑到制造公差，加强筋要超过孔心以外螺栓孔半径1/2 的距离。2 种情况示意图，如图12所示。

图12 加强筋与螺栓孔的包围情况示意图

5 结论

文章通过对零件受载荷方式进行分类研究，分别得出了各种载荷条件下，最有效的加强筋设计方案，同时给出了一些其他需要注意的关键点，为今后类似的加强筋设计工作提供参考，从而能够快速判断最有效的设计方案，减少在加强筋设计方面的时间，提升设计效率。文章对加强筋在各类加工工艺条件下的受制约条件研究较少，希望今后能进一步完善补充，提供更加全面的参考建议。