1 汽車鈑金加強(qiáng)筋概況
加強(qiáng)筋條普遍使用于制造行業(yè)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(shè)計加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋一般用來進(jìn)行提升局部區(qū)域的強(qiáng)度剛度，改善NVH性能等。除關(guān)鍵部位外，一般設(shè)計的加強(qiáng)筋對整車的性能影響不大，故加強(qiáng)筋的設(shè)計及作用在汽車車身領(lǐng)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(qiáng)筋，由于跨越了汽車性能與機(jī)械性能，其在各類汽車及機(jī)械書籍中提及較少，故汽車業(yè)內(nèi)對加強(qiáng)筋的使用雖廣泛，但研究并不深入。
然而，在實(shí)際的汽車鈑金設(shè)計、制造及實(shí)車檢驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)筋對汽車的作用并不簡單。加強(qiáng)筋的正確設(shè)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(jìn)的成本非常低；同時在不適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)計了加強(qiáng)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(qiáng)筋的研究還是非常有必要的。
本文將會從汽車鈑金加強(qiáng)筋的作用、設(shè)計要點(diǎn)等做一個簡要介紹。
2 汽車鈑金加強(qiáng)筋的作用
2.1 提升NVH性能
汽車噪聲是當(dāng)今社會主要噪聲源之一。車身應(yīng)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(zhì)量的一個綜合性指標(biāo)。車輛的問題是國際汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)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(qiáng)筋的合理設(shè)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(cè)輪罩區(qū)域增加了加強(qiáng)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(jié)果見表1。
圖1 前圍板示意圖
表1 前圍板聲輻射分析結(jié)果
提升NVH性能是汽車鈑金加強(qiáng)筋較常規(guī)的應(yīng)用點(diǎn)。
2.2 提升強(qiáng)度性能
強(qiáng)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(xù)的階段閉。在應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，材料出現(xiàn)明顯塑性變形；當(dāng)應(yīng)力到強(qiáng)度極限時，材料會斷裂。在合適的位置增加加強(qiáng)筋，可使局部強(qiáng)度增大，降低失效風(fēng)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(jié)果：當(dāng)?shù)匕寮訌?qiáng)板與前地板之間通過設(shè)計加強(qiáng)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(yīng)力值有效降低（方案二），鈑金局部強(qiáng)度得到提高，材料開裂風(fēng)險降低。
圖2 前地板中部改進(jìn)分析
2.3 提升剛度性能
剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力彎曲件有回彈現(xiàn)象，在設(shè)計彎曲件時應(yīng)加強(qiáng)其變形部位的剛性，如在轉(zhuǎn)彎部位增加加強(qiáng)筋等，可增加沖壓件的強(qiáng)度和剛性，減小回。如圖3所示，支架增加加強(qiáng)筋后，零件剛度提升，回彈最減小。
圖3 支架設(shè)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(qiáng)筋條以減小零件運(yùn)輸搬運(yùn)時的變形。如圖4所示，大平面零件在搬運(yùn)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(shè)計中較常用的方式。
圖4 大板件無加強(qiáng)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(qiáng)度等性能的同時也能追求較低的車身質(zhì)量。現(xiàn)代汽車設(shè)計應(yīng)在確保足夠的車身性能的同時、擁有最小的車身質(zhì)量。在注重節(jié)能減排的今天，輕量化車身已是眾多廠家的研究重點(diǎn)。輕量化主要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制造工藝優(yōu)化、減薄料厚等方式實(shí)施。加強(qiáng)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(qiáng)筋可將料厚減薄到t=1.0mm，達(dá)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(guān)注的是：減料厚的零件適宜在結(jié)構(gòu)靈敏度分析中低敏感區(qū)選取。
2.5 碰撞中引導(dǎo)壓饋
通過合理的設(shè)計，加強(qiáng)筋能提高剛度，而在設(shè)計成與傳力路徑垂直時，加強(qiáng)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(shè)計一些壓饋筋(如圖5所示)，使得受沖擊擠壓時，該加強(qiáng)筋處能能引導(dǎo)大梁前端隆起變形或呈現(xiàn)折疊式彎曲，局部弱化，使整車剛度的分配符合設(shè)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?yán)锏年P(guān)鍵工序，直接影響零件質(zhì)量、材料利用率、生產(chǎn)效率和制造成本。如果設(shè)計的零件深度不均勻，不對稱，壓料面積小時，應(yīng)考慮設(shè)計一些拉深筋來加大進(jìn)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(fā)現(xiàn)局部起皺，在增加加強(qiáng)筋后重新分析，起皺情況減輕。即當(dāng)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(jìn)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(qiáng)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(zhuǎn)，為了防轉(zhuǎn)，有的設(shè)計是開孔配合銷來限位，也可以如圖7所示設(shè)計加強(qiáng)筋來進(jìn)行限位，此方案在實(shí)踐中經(jīng)濟(jì)有效。
圖7 設(shè)計加強(qiáng)筋進(jìn)行限位
(2)加強(qiáng)筋還可以用來進(jìn)行涂裝工藝排液。如圖8所示門檻內(nèi)板截圖，在門檻內(nèi)板底部設(shè)計2-3個截面R6的加強(qiáng)筋特征，再配合其他進(jìn)液孔即可給汽車在涂裝車間電泳時有效進(jìn)排液，使內(nèi)腔漆膜厚度增加；此應(yīng)用已較廣泛。
圖8 門檻內(nèi)板截圖
(3)加強(qiáng)筋通過合理設(shè)計還可以對焊點(diǎn)位置進(jìn)行管理，如圖9所示，通過圓形凹坑筋作為焊點(diǎn)位置，通過平行的筋條的問隙控制焊點(diǎn)間距。此設(shè)計對可有效規(guī)范制造符合設(shè)計，并且易于質(zhì)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(diǎn)位置進(jìn)行管理
3 設(shè)計要點(diǎn)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(qiáng)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(shè)計了錯誤的加強(qiáng)筋，還會使汽車性能受到較大損害。所以，在設(shè)計時，應(yīng)關(guān)注加強(qiáng)筋條正反兩面的作用，避免錯誤設(shè)計。以下是部分筋條設(shè)計的要點(diǎn)及注意事項。
3.1 設(shè)計加強(qiáng)筋時需先辨識力的傳遞方向
在需要設(shè)計加強(qiáng)筋來加強(qiáng)零件時，加強(qiáng)筋的方向應(yīng)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(jù)力的傳遞方向不同，同樣的加強(qiáng)筋起不同的作用。在需要加強(qiáng)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(qiáng)筋方案
3.2 了解結(jié)構(gòu)和整車性能要求，使所設(shè)計的加強(qiáng)筋不起反作用
(1)在門檻梁等承載梁設(shè)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(qiáng)梁腔體部位的加強(qiáng)筋不能使主要加強(qiáng)截面巨變，否則會影響性能；加強(qiáng)筋也不宜使截面變小，這會使截面的慣性矩受影響。所以內(nèi)板的加強(qiáng)筋就應(yīng)朝向車內(nèi)，而不宜朝向車外；如圖11所示。
圖11 門檻區(qū)域加強(qiáng)筋不使截面減小
(2)在整車彎曲工況、單邊上跳工況及負(fù)載等工況下，較高應(yīng)力區(qū)不宜做大型長型加強(qiáng)筋，這會使應(yīng)力集中在加強(qiáng)筋周邊部位造成鈑金開裂。圖12(a)為某車備胎坑區(qū)域地板，原設(shè)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(qiáng)筋條，后在整車強(qiáng)度CAE分析中發(fā)現(xiàn)，該加強(qiáng)筋條兩端處出現(xiàn)局部聚集高應(yīng)力，如圖12(b)所示。將該筋條取消后，局部高應(yīng)力消失。
圖12 加強(qiáng)筋兩端出現(xiàn)高應(yīng)力
(3)加強(qiáng)筋不能做在沖壓減薄區(qū)，如備胎坑轉(zhuǎn)角部位，減薄率較高，再加加強(qiáng)筋，會使過薄的板金開裂風(fēng)險增高。
3.3 了解加強(qiáng)筋的薄弱部位結(jié)語
加強(qiáng)筋最簡單的形狀是一條長方形的柱體以直線形式附在產(chǎn)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(shí)際上，不同形狀的加強(qiáng)筋在沖壓過程中會存在局部薄弱部位，圖14所示橢圓區(qū)域根據(jù)不同的沖壓工藝，可能出現(xiàn)起皺或局部減薄的情況。故若無大必要，加強(qiáng)筋不宜相互連接或過于復(fù)雜，不然在不同結(jié)構(gòu)條件下再加上不同的制造工藝，復(fù)雜的加強(qiáng)筋會比簡單加強(qiáng)筋更容易出現(xiàn)開裂情況，對整車性能起反作用。在實(shí)際設(shè)計中，經(jīng)沖壓CAE分析鋼板的減薄率達(dá)到20%及以上的部位不宜再加筋。
圖13 加強(qiáng)筋形狀
圖14 加強(qiáng)筋薄弱部位
實(shí)在需采用交又筋時，應(yīng)考慮在交叉點(diǎn)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，交叉點(diǎn)的剛性較弱，所以在交叉點(diǎn)要注意設(shè)計圓角過渡，圓角半徑應(yīng)大于筋的寬度的兩倍。此外，加強(qiáng)筋的軸線為弧線時，在振動時易引起扭轉(zhuǎn)，若無必要，應(yīng)使筋條軸線為直線。
3.4 加強(qiáng)筋負(fù)作用的彌補(bǔ)方法補(bǔ)充
加強(qiáng)筋的設(shè)計在注重其作用的時候，不但應(yīng)了解其負(fù)面作用，而且應(yīng)盡力彌補(bǔ)。例如：①上述第2.7條所述排液孔的設(shè)計，加強(qiáng)筋雖然起排液孔作用，使涂裝電泳液能方便地進(jìn)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(fù)作用進(jìn)行彌補(bǔ)。②第2.7條所述控制焊點(diǎn)位置的加強(qiáng)筋有可能對涂密封膠造成不利影響，需根據(jù)實(shí)際工藝情況判斷取舍。③第2.2條所述作為加強(qiáng)作用的加強(qiáng)筋，當(dāng)其處于腔體的頂面時，會因不同車廠電泳池的進(jìn)車角度不同，而可能在腔體內(nèi)形成氣室，導(dǎo)致局部無法上漆的情況（如圖15所示），設(shè)計時需根據(jù)實(shí)際情況做出優(yōu)化。
圖15 加強(qiáng)筋處于腔體頂面局部無法上漆
4 結(jié)語
在優(yōu)秀的汽車鈑金設(shè)計中，每一處細(xì)節(jié)都應(yīng)有其設(shè)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(xì)節(jié)設(shè)計都值得我們學(xué)習(xí)。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(qiáng)度、剛度、沖壓、焊接、涂裝、總裝、氣密性等。作為設(shè)計人員應(yīng)對其正反作用進(jìn)行充分的了解掌握，設(shè)計時做到有點(diǎn)方矢。
5 公司介紹
昆山廣巨精密五金有限公司成立于2013/08/09日，地址：江蘇省昆山市陸家鎮(zhèn)豐夏路10號，注冊資本：1000萬元整，總投資：4000萬元整。
公司主營：五軸三維激光切割加工，汽車金屬零部件試制加工（白車身試制/軟模件/原型樣件/DV/EV/PV工程件）精密電子電器手板打樣/小批量生產(chǎn)，超薄板精密切割加工，數(shù)控折彎加工，沖壓拉深加工，CNC加工，藍(lán)光掃描/三次元/關(guān)節(jié)臂檢測等。 有從設(shè)計開發(fā)檢討--可行性分析--軟模設(shè)計--模具制作--成型加工--三維切割--數(shù)控折彎--三次元檢測整套流程能力。
公司有一流的軟硬件及人才實(shí)力，配備進(jìn)口日本三菱三維激光切割機(jī)/二維激光切割機(jī)/超精密激光切割機(jī)共計14臺，進(jìn)口數(shù)控折彎機(jī)/加拿大愛克數(shù)控折彎機(jī)共計6臺，南通國盛數(shù)控CNC加工中心共計11臺，南通鍛壓設(shè)備共計8臺，雷頓三次元、藍(lán)光掃描、關(guān)節(jié)臂測量設(shè)備各一臺，以及各類輔助設(shè)備等。同時有經(jīng)驗(yàn)十年以上模具/產(chǎn)品設(shè)計師，鉗工師傅，數(shù)控操作師傅，檢驗(yàn)員等，公司合計70余人。是一支技術(shù)及品質(zhì)都很過硬的優(yōu)秀團(tuán)隊。（聯(lián)系人：尹經(jīng)理18963677040）
