1 汽車鈑金加強筋概況
加強筋條普遍使用于制造行業中。在汽車上，除了有特殊要求的外觀面外，大部分汽車車身鈑金上都會設計加強筋。加強筋一般用來進行提升局部區域的強度剛度，改善NVH性能等。除關鍵部位外，一般設計的加強筋對整車的性能影響不大，故加強筋的設計及作用在汽車車身領域的研究并不如碰撞性能、輕量化等研究樣受到較多重視。同時，汽車鈑金上的加強筋，由于跨越了汽車性能與機械性能，其在各類汽車及機械書籍中提及較少，故汽車業內對加強筋的使用雖廣泛，但研究并不深入。
然而，在實際的汽車鈑金設計、制造及實車檢驗過程中可以發現，加強筋對汽車的作用并不簡單。加強筋的正確設計及使用，可以對汽車性能、制造工藝等有好的改善作用，性能改進的成本非常低；同時在不適當的地方設計了加強筋，會造成開裂等失效情況，影響整車性能。所以說，對汽車鈑金加強筋的研究還是非常有必要的。
本文將會從汽車鈑金加強筋的作用、設計要點等做一個簡要介紹。
2 汽車鈑金加強筋的作用
2.1 提升NVH性能
汽車噪聲是當今社會主要噪聲源之一。車身應給駕駛員提供良好的操作條件。噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）是衡量汽車質量的一個綜合性指標。車輛的問題是國際汽車業各大整車制造企業和零部件企業關注的問題之一。其中，降低前隔板輻射功率及其對乘員艙的振動輻射噪聲是NVH的一項要求。加強筋的合理設計可改善此項性能值。如圖1所示，某車型前圍板中部和左右兩側輪罩區域增加了加強筋后，駕駛員耳旁輻射聲壓級值由130db/N降至71db/N，有效地改善了前隔板的輻射功率級及對駕駛員耳旁噪聲的輻射聲壓級。前圍板聲輻射分析結果見表1。
圖1 前圍板示意圖
表1 前圍板聲輻射分析結果
提升NVH性能是汽車鈑金加強筋較常規的應用點。
2.2 提升強度性能
強度是指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。金屬在外力作用下的變形可分為彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個連續的階段閉。在應力達到屈服極限時，材料出現明顯塑性變形；當應力到強度極限時，材料會斷裂。在合適的位置增加加強筋，可使局部強度增大，降低失效風險。圖2所示為某車汽車前地板中央通道截面圖及其分析結果：當地板加強板與前地板之間通過設計加強筋并形成腔體后(方案二)，在施加相同力的情況下，有筋條方案的應力值有效降低（方案二），鈑金局部強度得到提高，材料開裂風險降低。
圖2 前地板中部改進分析
2.3 提升剛度性能
剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力彎曲件有回彈現象，在設計彎曲件時應加強其變形部位的剛性，如在轉彎部位增加加強筋等，可增加沖壓件的強度和剛性，減小回。如圖3所示，支架增加加強筋后，零件剛度提升，回彈最減小。
圖3 支架設計中的三角筋
對一些大平面的汽車飯金件，如前、后地板，項蓋等都會增加或橫或縱的加強筋條以減小零件運輸搬運時的變形。如圖4所示，大平面零件在搬運移動時易變形，這類零件都要做提升剛度的處理。通過增加筋條提升剛度已是汽車鈑金設計中較常用的方式。
圖4 大板件無加強筋易變形
2.4 輕量化作用
大量研究表明，汽車在擁有良好的剛度、強度等性能的同時也能追求較低的車身質量。現代汽車設計應在確保足夠的車身性能的同時、擁有最小的車身質量。在注重節能減排的今天，輕量化車身已是眾多廠家的研究重點。輕量化主要通過結構設計、材料選擇、制造工藝優化、減薄料厚等方式實施。加強筋的作用主要在減薄料厚的范疇中。如：t=1.2mm料厚的零件，通過在合適的部分增加合適的加強筋可將料厚減薄到t=1.0mm，達到減重的效果。這類做法使用已比較廣泛，此處不再贅述，需要關注的是：減料厚的零件適宜在結構靈敏度分析中低敏感區選取。
2.5 碰撞中引導壓饋
通過合理的設計，加強筋能提高剛度，而在設計成與傳力路徑垂直時，加強筋還有加速變形的作用。如汽車碰撞時，為吸收較多的沖擊能量，工程師在縱梁的前端設計一些壓饋筋(如圖5所示)，使得受沖擊擠壓時，該加強筋處能能引導大梁前端隆起變形或呈現折疊式彎曲，局部弱化，使整車剛度的分配符合設計原則和能量吸收曲線圖，最終滿足碰撞要求。
圖5 前縱梁上的壓饋筋
2.6 減輕沖壓起皺
拉深工序是沖壓工藝里的關鍵工序，直接影響零件質量、材料利用率、生產效率和制造成本。如果設計的零件深度不均勻，不對稱，壓料面積小時，應考慮設計一些拉深筋來加大進料阻力，以便有效防止起皺和拉裂。如圖6所示，前輪罩板在沖壓CAE分析中發現局部起皺，在增加加強筋后重新分析，起皺情況減輕。即當零件存在沖壓起皺時，可通過合理增加筋條來解決問題。
圖6 前輪罩板改進過程
2.7 輔助類作用
汽車性能要求有很多，有的是功能要求，有的是工藝要求。加強筋可對多種汽車性能有輔助作用。
(1)限位作用。安全帶在裝配時會打轉，為了防轉，有的設計是開孔配合銷來限位，也可以如圖7所示設計加強筋來進行限位，此方案在實踐中經濟有效。
圖7 設計加強筋進行限位
(2)加強筋還可以用來進行涂裝工藝排液。如圖8所示門檻內板截圖，在門檻內板底部設計2-3個截面R6的加強筋特征，再配合其他進液孔即可給汽車在涂裝車間電泳時有效進排液，使內腔漆膜厚度增加；此應用已較廣泛。
圖8 門檻內板截圖
(3)加強筋通過合理設計還可以對焊點位置進行管理，如圖9所示，通過圓形凹坑筋作為焊點位置，通過平行的筋條的問隙控制焊點間距。此設計對可有效規范制造符合設計，并且易于質量檢查。在一些日系及高等級轎車車身中使用廣泛。
圖9 對焊點位置進行管理
3 設計要點及注意事項
在汽車鈑金上，并不是哪里都需要做筋，也不是有筋就比沒有筋好。汽車有眾多的性能要求，有時候，加強筋可改善某些性能，同時對另一些性能造成減損。如果在錯誤的位置設計了錯誤的加強筋，還會使汽車性能受到較大損害。所以，在設計時，應關注加強筋條正反兩面的作用，避免錯誤設計。以下是部分筋條設計的要點及注意事項。
3.1 設計加強筋時需先辨識力的傳遞方向
在需要設計加強筋來加強零件時，加強筋的方向應與力的方向相同；若要做局部弱化，則需做筋的方向與力的方向垂直，如壓潰筋。根據力的傳遞方向不同，同樣的加強筋起不同的作用。在需要加強鈑金時，圖10(a)方案較好，圖10(b)方案次之，圖10)(c)方案最差。
圖10 加強筋方案
3.2 了解結構和整車性能要求，使所設計的加強筋不起反作用
(1)在門檻梁等承載梁設計中，為提高其承載能力，有如下方法：降低彎矩，或者采用合理的截面形狀，提高抗彎截面模量。故加強梁腔體部位的加強筋不能使主要加強截面巨變，否則會影響性能；加強筋也不宜使截面變小，這會使截面的慣性矩受影響。所以內板的加強筋就應朝向車內，而不宜朝向車外；如圖11所示。
圖11 門檻區域加強筋不使截面減小
(2)在整車彎曲工況、單邊上跳工況及負載等工況下，較高應力區不宜做大型長型加強筋，這會使應力集中在加強筋周邊部位造成鈑金開裂。圖12(a)為某車備胎坑區域地板，原設計在備胎坑前部，左右后輪罩之間做了一個半圓弧形的加強筋條，后在整車強度CAE分析中發現，該加強筋條兩端處出現局部聚集高應力，如圖12(b)所示。將該筋條取消后，局部高應力消失。
圖12 加強筋兩端出現高應力
(3)加強筋不能做在沖壓減薄區，如備胎坑轉角部位，減薄率較高，再加加強筋，會使過薄的板金開裂風險增高。
3.3 了解加強筋的薄弱部位結語
加強筋最簡單的形狀是一條長方形的柱體以直線形式附在產品的表面上（如圖13所示），此外還有三角筋，筋上加筋，連貫筋等。實際上，不同形狀的加強筋在沖壓過程中會存在局部薄弱部位，圖14所示橢圓區域根據不同的沖壓工藝，可能出現起皺或局部減薄的情況。故若無大必要，加強筋不宜相互連接或過于復雜，不然在不同結構條件下再加上不同的制造工藝，復雜的加強筋會比簡單加強筋更容易出現開裂情況，對整車性能起反作用。在實際設計中，經沖壓CAE分析鋼板的減薄率達到20%及以上的部位不宜再加筋。
圖13 加強筋形狀
圖14 加強筋薄弱部位
實在需采用交又筋時，應考慮在交叉點容易產生應力集中，交叉點的剛性較弱，所以在交叉點要注意設計圓角過渡，圓角半徑應大于筋的寬度的兩倍。此外，加強筋的軸線為弧線時，在振動時易引起扭轉，若無必要，應使筋條軸線為直線。
3.4 加強筋負作用的彌補方法補充
加強筋的設計在注重其作用的時候，不但應了解其負面作用，而且應盡力彌補。例如：①上述第2.7條所述排液孔的設計，加強筋雖然起排液孔作用，使涂裝電泳液能方便地進出，但是其對整車氣密性有影響，須配合隔斷塊或膠塞等零件對其負作用進行彌補。②第2.7條所述控制焊點位置的加強筋有可能對涂密封膠造成不利影響，需根據實際工藝情況判斷取舍。③第2.2條所述作為加強作用的加強筋，當其處于腔體的頂面時，會因不同車廠電泳池的進車角度不同，而可能在腔體內形成氣室，導致局部無法上漆的情況（如圖15所示），設計時需根據實際情況做出優化。
圖15 加強筋處于腔體頂面局部無法上漆
4 結語
在優秀的汽車鈑金設計中，每一處細節都應有其設計原由，并綜合考慮汽車車身總成及其單件的各項性能。在日系等國外高端車上，很多細節設計都值得我們學習。汽車鈑金上的筋條雖小，但其可以對汽車的各項性能造成影響，如NVH強度、剛度、沖壓、焊接、涂裝、總裝、氣密性等。作為設計人員應對其正反作用進行充分的了解掌握，設計時做到有點方矢。
5 公司介紹
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