汽車零件加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計

王凱 王旭

（一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司）

在汽車零件結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，不可避免地會遇到需要對零件強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)的情況。正確適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)筋設(shè)計可以大幅提升零件的強(qiáng)度，不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計有可能產(chǎn)生適得其反的結(jié)果。文章選取了4 種常見的汽車零件受載荷類型，分類進(jìn)行研究。借助軟件進(jìn)行計算分析，對比各種常見的加強(qiáng)件設(shè)計方案在受同一載荷時的加強(qiáng)效果，從而判定其在該載荷下的有效性。進(jìn)而得出在受各種載荷下，最優(yōu)的加強(qiáng)筋設(shè)計方案。文章通過研究，整理歸納出加強(qiáng)筋設(shè)計的一般規(guī)律，用于今后的設(shè)計工作中。

1 提高面剛性

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

圖1 汽車盒類零件加強(qiáng)筋示意圖

1.1 提高面剛性的加強(qiáng)筋的排布方向

為驗證加強(qiáng)筋的排布方向，建立2 個盒裝結(jié)構(gòu)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(jìn)行2 種方案的加強(qiáng)筋布置。方案1，布置高度為5 mm 的十字形加強(qiáng)筋；方案2，布置高度為5 mm 的X 形交叉加強(qiáng)筋。通過借助軟件分析計算，結(jié)果歸納如表1所示。

表1 提高面剛性的加強(qiáng)筋布置的剛性質(zhì)量比計算結(jié)果

由表1可以看出，2 種模型均為布置十字形加強(qiáng)筋方案的剛性質(zhì)量比較高。即在使用相同質(zhì)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(chǎn)生縮痕，要盡量減少在造型面后布置加強(qiáng)筋。在無法避免的情況下，優(yōu)先選擇十字形加強(qiáng)筋。由于X 形交叉加強(qiáng)筋四角處的模具有尖角，模具易發(fā)生損壞，并且四角處的塑料厚度大，易發(fā)生縮痕[1]，原則上不推薦使用。

1.2 提高局部面剛性的加強(qiáng)筋的排布方法

為驗證更有效的提高局部面剛性的加強(qiáng)筋排布方法，建立壁厚均為1 mm，加強(qiáng)筋高度均為10 mm 的3 種模型進(jìn)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(qiáng)筋排布方法的3 種模型示意圖

通過借助軟件分析計算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同載荷分布的3 種加強(qiáng)筋模型剛性質(zhì)量比計算結(jié)果

由表2可以看出，在零件局部排布加強(qiáng)筋形成格子形狀，當(dāng)被加強(qiáng)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(jié)果，在布置加強(qiáng)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(qiáng)筋，提升零件在加強(qiáng)筋高度方向上的彎曲剛性，如圖3所示。

圖3 支撐梁加強(qiáng)筋示意圖

2.1 提高彎曲剛性的加強(qiáng)筋的排布方向

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

圖4 2 種排布方向的加強(qiáng)筋側(cè)受力圖

2.2 提高彎曲剛性的加強(qiáng)筋的高度

截面系數(shù)與加強(qiáng)筋高度的二次方成正比，如果想實(shí)現(xiàn)等應(yīng)力，需要將加強(qiáng)筋的高度設(shè)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(qiáng)筋模型及力矩分布示意圖

然而，將加強(qiáng)筋的頂面設(shè)定為曲面時，模具會難于加工，進(jìn)而增加模具成本。使用機(jī)械加工，曲線加強(qiáng)筋的加工成本通常是直線加強(qiáng)筋的2 倍；使用放電加工，曲線加強(qiáng)筋的加工成本通常是直線加強(qiáng)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(qiáng)筋高度的分布。

2.3 提高彎曲剛性的加強(qiáng)筋的排布方法

為對比其他方案的加強(qiáng)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(qiáng)筋；模型2，布置縱向加強(qiáng)筋；模型3，布置X 形交叉加強(qiáng)筋。分別采用以下2 種方式進(jìn)行加載，如圖6所示。

圖6 提高彎曲剛性的加強(qiáng)筋模型的2 種加載方式示意圖

通過借助軟件分析計算，結(jié)果歸納如表3所示。

表3 加強(qiáng)筋模型在2 種加載方式下的剛性質(zhì)量比計算結(jié)果

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

3 提高扭轉(zhuǎn)剛性

通常對塑料制踏板布置網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋，以有效提高抗扭轉(zhuǎn)剛性和強(qiáng)度，如圖7所示。

圖7 塑料制踏板布置加強(qiáng)筋示意圖

3.1 提高扭轉(zhuǎn)剛性的加強(qiáng)筋的排布方法

當(dāng)零件受扭轉(zhuǎn)載荷時，在載荷的45°方向上產(chǎn)生主應(yīng)力。因此針對該方向布置加強(qiáng)筋，來提升零件剛性和強(qiáng)度，如圖8所示。

圖8 零件受扭轉(zhuǎn)載荷時加強(qiáng)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(zhuǎn)載荷，通過借助軟件分析計算，結(jié)果歸納如表4所示。

表4 受扭轉(zhuǎn)載荷的加強(qiáng)筋模型剛性質(zhì)量比計算結(jié)果

由表4可以看出，45°交叉加強(qiáng)筋明顯優(yōu)于其他方案。另外，對塑料件布置加強(qiáng)筋時，交叉筋易產(chǎn)生縮痕，要注意是否會在造型面上產(chǎn)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(qiáng)筋。但是，當(dāng)踩踏位置偏離中心位置時，踏板也受扭轉(zhuǎn)載荷，因此針對扭轉(zhuǎn)載荷，布置45°方向的加強(qiáng)筋確保剛性。

3.2 提高扭轉(zhuǎn)剛性的加強(qiáng)筋的形狀

零件如果在中心位置受載荷會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，對強(qiáng)度和剛性都不利，因此盡量將零件設(shè)定為對稱形狀，使之僅產(chǎn)生彎曲變形，如圖9所示。

圖9 零件中心位置受載荷發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形情況

4 提高結(jié)合部的強(qiáng)度

對于零件結(jié)合部位，例如螺栓孔基座，通過在應(yīng)力集中部位布置加強(qiáng)筋，來緩和應(yīng)力集中并提高剛性，如圖10所示。

圖10 螺栓孔基座布置加強(qiáng)筋示意圖

4.1 結(jié)合部加強(qiáng)筋的中間部分凹回

如果將結(jié)合部的加強(qiáng)筋設(shè)定為直線，加強(qiáng)筋的剛性過高，加強(qiáng)筋和結(jié)合部之間的斷面發(fā)生急劇變化，會產(chǎn)生應(yīng)力。將結(jié)合部加強(qiáng)筋的中間部分凹回，使斷面漸變，從而使應(yīng)力緩和。2 種情況示意圖，如圖11所示。

圖11 結(jié)合部加強(qiáng)筋設(shè)定示意圖

4.2 包圍螺栓孔

如果將加強(qiáng)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(qiáng)筋的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中；如果使加強(qiáng)筋包圍螺栓孔，將充分加強(qiáng)螺栓孔部位強(qiáng)度，有效傳遞力。設(shè)計時考慮到制造公差，加強(qiáng)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(qiáng)筋與螺栓孔的包圍情況示意圖

5 結(jié)論

文章通過對零件受載荷方式進(jìn)行分類研究，分別得出了各種載荷條件下，最有效的加強(qiáng)筋設(shè)計方案，同時給出了一些其他需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)，為今后類似的加強(qiáng)筋設(shè)計工作提供參考，從而能夠快速判斷最有效的設(shè)計方案，減少在加強(qiáng)筋設(shè)計方面的時間，提升設(shè)計效率。文章對加強(qiáng)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(jìn)一步完善補(bǔ)充，提供更加全面的參考建議。