1 汽车钣金加强筋概况

加强筋条普遍使用于制造行业中。在汽车上，除了有特殊要求的外观面外，大部分汽车车身钣金上都会设计加强筋。加强筋一般用来进行提升局部区域的强度刚度，改善NVH性能等。除关键部位外，一般设计的加强筋对整车的性能影响不大，故加强筋的设计及作用在汽车车身领域的研究并不如碰撞性能、轻量化等研究样受到较多重视。同时，汽车钣金上的加强筋，由于跨越了汽车性能与机械性能，其在各类汽车及机械书籍中提及较少，故汽车业内对加强筋的使用虽广泛，但研究并不深入。

然而，在实际的汽车钣金设计、制造及实车检验过程中可以发现，加强筋对汽车的作用并不简单。加强筋的正确设计及使用，可以对汽车性能、制造工艺等有好的改善作用，性能改进的成本非常低；同时在不适当的地方设计了加强筋，会造成开裂等失效情况，影响整车性能。所以说，对汽车钣金加强筋的研究还是非常有必要的。

本文将会从汽车钣金加强筋的作用、设计要点等做一个简要介绍。

2 汽车钣金加强筋的作用

2.1 提升NVH性能

汽车噪声是当今社会主要噪声源之一。车身应给驾驶员提供良好的操作条件。噪声、振动与声振粗糙度（NVH）是衡量汽车质量的一个综合性指标。车辆的问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。其中，降低前隔板辐射功率及其对乘员舱的振动辐射噪声是NVH的一项要求。加强筋的合理设计可改善此项性能值。如图1所示，某车型前围板中部和左右两侧轮罩区域增加了加强筋后，驾驶员耳旁辐射声压级值由130db/N降至71db/N，有效地改善了前隔板的辐射功率级及对驾驶员耳旁噪声的辐射声压级。前围板声辐射分析结果见表1。

图1 前围板示意图

表1 前围板声辐射分析结果

提升NVH性能是汽车钣金加强筋较常规的应用点。

2.2 提升强度性能

强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂三个连续的阶段闭。在应力达到屈服极限时，材料出现明显塑性变形；当应力到强度极限时，材料会断裂。在合适的位置增加加强筋，可使局部强度增大，降低失效风险。图2所示为某车汽车前地板中央通道截面图及其分析结果：当地板加强板与前地板之间通过设计加强筋并形成腔体后(方案二)，在施加相同力的情况下，有筋条方案的应力值有效降低（方案二），钣金局部强度得到提高，材料开裂风险降低。

图2 前地板中部改进分析

2.3 提升刚度性能

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力弯曲件有回弹现象，在设计弯曲件时应加强其变形部位的刚性，如在转弯部位增加加强筋等，可增加冲压件的强度和刚性，减小回。如图3所示，支架增加加强筋后，零件刚度提升，回弹最减小。

图3 支架设计中的三角筋

对一些大平面的汽车饭金件，如前、后地板，项盖等都会增加或横或纵的加强筋条以减小零件运输搬运时的变形。如图4所示，大平面零件在搬运移动时易变形，这类零件都要做提升刚度的处理。通过增加筋条提升刚度已是汽车钣金设计中较常用的方式。

图4 大板件无加强筋易变形

2.4 轻量化作用

大量研究表明，汽车在拥有良好的刚度、强度等性能的同时也能追求较低的车身质量。现代汽车设计应在确保足够的车身性能的同时、拥有最小的车身质量。在注重节能减排的今天，轻量化车身已是众多厂家的研究重点。轻量化主要通过结构设计、材料选择、制造工艺优化、减薄料厚等方式实施。加强筋的作用主要在减薄料厚的范畴中。如：t=1.2mm料厚的零件，通过在合适的部分增加合适的加强筋可将料厚减薄到t=1.0mm，达到减重的效果。这类做法使用已比较广泛，此处不再赘述，需要关注的是：减料厚的零件适宜在结构灵敏度分析中低敏感区选取。

2.5 碰撞中引导压馈

通过合理的设计，加强筋能提高刚度，而在设计成与传力路径垂直时，加强筋还有加速变形的作用。如汽车碰撞时，为吸收较多的冲击能量，工程师在纵梁的前端设计一些压馈筋(如图5所示)，使得受冲击挤压时，该加强筋处能能引导大梁前端隆起变形或呈现折叠式弯曲，局部弱化，使整车刚度的分配符合设计原则和能量吸收曲线图，最终满足碰撞要求。

图5 前纵梁上的压馈筋

2.6 减轻冲压起皱

拉深工序是冲压工艺里的关键工序，直接影响零件质量、材料利用率、生产效率和制造成本。如果设计的零件深度不均匀，不对称，压料面积小时，应考虑设计一些拉深筋来加大进料阻力，以便有效防止起皱和拉裂。如图6所示，前轮罩板在冲压CAE分析中发现局部起皱，在增加加强筋后重新分析，起皱情况减轻。即当零件存在冲压起皱时，可通过合理增加筋条来解决问题。

图6 前轮罩板改进过程

2.7 辅助类作用

汽车性能要求有很多，有的是功能要求，有的是工艺要求。加强筋可对多种汽车性能有辅助作用。

(1)限位作用。安全带在装配时会打转，为了防转，有的设计是开孔配合销来限位，也可以如图7所示设计加强筋来进行限位，此方案在实践中经济有效。

图7 设计加强筋进行限位

(2)加强筋还可以用来进行涂装工艺排液。如图8所示门槛内板截图，在门槛内板底部设计2-3个截面R6的加强筋特征，再配合其他进液孔即可给汽车在涂装车间电泳时有效进排液，使内腔漆膜厚度增加；此应用已较广泛。

图8 门槛内板截图

(3)加强筋通过合理设计还可以对焊点位置进行管理，如图9所示，通过圆形凹坑筋作为焊点位置，通过平行的筋条的问隙控制焊点间距。此设计对可有效规范制造符合设计，并且易于质量检查。在一些日系及高等级轿车车身中使用广泛。

图9 对焊点位置进行管理

3 设计要点及注意事项

在汽车钣金上，并不是哪里都需要做筋，也不是有筋就比没有筋好。汽车有众多的性能要求，有时候，加强筋可改善某些性能，同时对另一些性能造成减损。如果在错误的位置设计了错误的加强筋，还会使汽车性能受到较大损害。所以，在设计时，应关注加强筋条正反两面的作用，避免错误设计。以下是部分筋条设计的要点及注意事项。

3.1 设计加强筋时需先辨识力的传递方向

在需要设计加强筋来加强零件时，加强筋的方向应与力的方向相同；若要做局部弱化，则需做筋的方向与力的方向垂直，如压溃筋。根据力的传递方向不同，同样的加强筋起不同的作用。在需要加强钣金时，图10(a)方案较好，图10(b)方案次之，图10)(c)方案最差。

图10 加强筋方案

3.2 了解结构和整车性能要求，使所设计的加强筋不起反作用

(1)在门槛梁等承载梁设计中，为提高其承载能力，有如下方法：降低弯矩，或者采用合理的截面形状，提高抗弯截面模量。故加强梁腔体部位的加强筋不能使主要加强截面巨变，否则会影响性能；加强筋也不宜使截面变小，这会使截面的惯性矩受影响。所以内板的加强筋就应朝向车内，而不宜朝向车外；如图11所示。

图11 门槛区域加强筋不使截面减小

(2)在整车弯曲工况、单边上跳工况及负载等工况下，较高应力区不宜做大型长型加强筋，这会使应力集中在加强筋周边部位造成钣金开裂。图12(a)为某车备胎坑区域地板，原设计在备胎坑前部，左右后轮罩之间做了一个半圆弧形的加强筋条，后在整车强度CAE分析中发现，该加强筋条两端处出现局部聚集高应力，如图12(b)所示。将该筋条取消后，局部高应力消失。

图12 加强筋两端出现高应力

(3)加强筋不能做在冲压减薄区，如备胎坑转角部位，减薄率较高，再加加强筋，会使过薄的板金开裂风险增高。

3.3 了解加强筋的薄弱部位结语

加强筋最简单的形状是一条长方形的柱体以直线形式附在产品的表面上（如图13所示），此外还有三角筋，筋上加筋，连贯筋等。实际上，不同形状的加强筋在冲压过程中会存在局部薄弱部位，图14所示椭圆区域根据不同的冲压工艺，可能出现起皱或局部减薄的情况。故若无大必要，加强筋不宜相互连接或过于复杂，不然在不同结构条件下再加上不同的制造工艺，复杂的加强筋会比简单加强筋更容易出现开裂情况，对整车性能起反作用。在实际设计中，经冲压CAE分析钢板的减薄率达到20%及以上的部位不宜再加筋。

图13 加强筋形状

图14 加强筋薄弱部位

实在需采用交又筋时，应考虑在交叉点容易产生应力集中，交叉点的刚性较弱，所以在交叉点要注意设计圆角过渡，圆角半径应大于筋的宽度的两倍。此外，加强筋的轴线为弧线时，在振动时易引起扭转，若无必要，应使筋条轴线为直线。

3.4 加强筋负作用的弥补方法补充

加强筋的设计在注重其作用的时候，不但应了解其负面作用，而且应尽力弥补。例如：①上述第2.7条所述排液孔的设计，加强筋虽然起排液孔作用，使涂装电泳液能方便地进出，但是其对整车气密性有影响，须配合隔断块或胶塞等零件对其负作用进行弥补。②第2.7条所述控制焊点位置的加强筋有可能对涂密封胶造成不利影响，需根据实际工艺情况判断取舍。③第2.2条所述作为加强作用的加强筋，当其处于腔体的顶面时，会因不同车厂电泳池的进车角度不同，而可能在腔体内形成气室，导致局部无法上漆的情况（如图15所示），设计时需根据实际情况做出优化。

图15 加强筋处于腔体顶面局部无法上漆

4 结语

在优秀的汽车钣金设计中，每一处细节都应有其设计原由，并综合考虑汽车车身总成及其单件的各项性能。在日系等国外高端车上，很多细节设计都值得我们学习。汽车钣金上的筋条虽小，但其可以对汽车的各项性能造成影响，如NVH强度、刚度、冲压、焊接、涂装、总装、气密性等。作为设计人员应对其正反作用进行充分的了解掌握，设计时做到有点方矢。

5 公司介绍

昆山广巨精密五金有限公司成立于2013/08/09日，地址：江苏省昆山市陆家镇丰夏路10号，注册资本：1000万元整，总投资：4000万元整。
公司主营：五轴三维激光切割加工，汽车金属零部件试制加工（白车身试制/软模件/原型样件/DV/EV/PV工程件）精密电子电器手板打样/小批量生产，超薄板精密切割加工，数控折弯加工，冲压拉深加工，CNC加工，蓝光扫描/三次元/关节臂检测等。 有从设计开发检讨--可行性分析--软模设计--模具制作--成型加工--三维切割--数控折弯--三次元检测整套流程能力。
公司有一流的软硬件及人才实力，配备进口日本三菱三维激光切割机/二维激光切割机/超精密激光切割机共计14台，进口数控折弯机/加拿大爱克数控折弯机共计6台，南通国盛数控CNC加工中心共计11台，南通锻压设备共计8台，雷顿三次元、蓝光扫描、关节臂测量设备各一台，以及各类辅助设备等。同时有经验十年以上模具/产品设计师，钳工师傅，数控操作师傅，检验员等，公司合计70余人。是一支技术及品质都很过硬的优秀团队。（联系人：尹经理18963677040）