أيقونة الموقع الأوديكاستينج

حوامل رف السقف: الهندسة والتصنيع والأداء

ستيف يانغ
حوامل رف السقف:

About the vehicle modification and utility addition, the term custom Roof rack brackets has become common in the groups of outdoor enthusiasts, overlanders, and commercial fleet managers as an accessory they cannot do without. Those brackets form the structural connection point of a vehicle roof with whatever is mounted to it cargo baskets, rooftop tents, solar panels, or jerry cans. The real world demands that roof rack brackets must be capable of supporting both static and dynamic load, be it and preparing a 4×4 to go bang on trail or just the need to carry more cargo with a daily driver.  

تتوفر حوامل رفوف سقف السيارة في مجموعة متنوعة من الأنواع، بدءاً من الملاءمة العامة إلى طراز وطراز السيارة المحدد. وجميعها مصممة لتناسبها بشكل مريح، وتدعم وزن الحمولة وتعرضها للعناصر. تبين أن حوامل رفوف السقف المخصصة هي الحل المثالي للأفراد الذين يحتاجون إلى حوامل أقوى أو تكييف خاص بالمركبة. قد يتم وضعها بدقة، وتكون ذات أحمال أكبر، ويمكن تزويدها بمعدات خاصة.

تخوض المقالة التالية في هندسة المواد والتصميم على مستوى اختبار الإعياء ودراسات الحالة الحقيقية.

حوامل رف السقف

Roof rack brackets are structural support items used to mount racks, baskets, and accessories to the roof of a vehicle. Load-bearing systems are built on these brackets, which make them highly utilize in cargo transportation, overlanding, and industrial use. Regarding the issue of fitting a utility van or even coming up with a custom-made 4×4 system, the نوع من الأقواس التي سيتم استخدامها والمواد ذات أهمية كبيرة.

التقسيمات العملية والاستخدام العملي

1. أقواس مخصصة للمعدات الأصلية

أقواس الشركة المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) هي أقواس خاصة بالمركبة. وهي مريحة، وفي معظم الحالات، ليست قوية بما فيه الكفاية أو ليست متعددة الاستخدامات بما يكفي لاستخدامها في أعمال أكثر جدية. على الجانب الآخر، يتم تصنيع أقواس رفوف السقف المخصصة على الجانب الآخر مع أخذ بعض التطبيقات في الاعتبار، ويمكن للمرء أن يشعر بالحرية في تغيير الحجم ودرجة المواد وطريقة التثبيت أيضاً.

2. حالات استخدام حوامل رف سقف السيارة

تتنوع حوامل رفوف سقف السيارة من خفيفة إلى متوسطة التحمل وتتضمن الخيام الموجودة على السطح ورفوف الدراجات وصناديق المرافق. ويرتكز مستوى التخصيص في هذه الحالة على توزيع الوزن والديناميكية الهوائية، ويمكن تركيب التخصيص بسهولة دون إحداث ثني هيكل السيارة.

المواد المستخدمة والخصائص الميكانيكية

يعتمد تصميم حوامل رفوف السقف المخصصة وحوامل رفوف سقف السيارة إلى حد كبير على اختيار المواد المستخدمة. وتحدد المادة المستخدمة أيضاً قوة الحامل، ولكن الوزن ومقاومة التآكل وعمر التعب والأداء في ظل الأحمال الحرارية والميكانيكية المختلفة يعتمد على المادة المستخدمة.

فيما يلي المواد المستخدمة في الغالب وخصائصها الميكانيكية ومدى ملاءمتها للتطبيق.

1. سبائك الألومنيوم 6061-T6

السبيكة الأكثر تفضيلاً في تصنيع حوامل حاملة السقف هي سبيكة الألومنيوم 6061-T6 لأنها قوية جداً وخفيفة الوزن وغير قابلة للتآكل ويمكن تشغيلها آلياً أو لحامها.

الخواص الميكانيكية:

المزايا

القيود:

التطبيقات:

واستخدمت في التطبيقات على الطرق الوعرة والبرية حيث تعتبر حوامل رفوف السقف مصنوعة خصيصاً ولكنها تحتاج إلى تحمل أحمال ديناميكية تصل إلى 120 كجم وأكثر من 500,000 دورة من إجهاد الاهتزاز دون تشوه دائم (اللدونة).

2. الفولاذ المقاوم للصدأ (304/316)

توجد تطبيقات الفولاذ المقاوم للصدأ وحيث تكون الصلابة ومقاومة التآكل ذات أهمية أكبر من الوزن في الاستخدام على حوامل رفوف سقف السيارة. والأكثر شيوعاً هي الدرجتان 304 و316.

الخواص الميكانيكية (304):

عادةً ما يتم استخدام الرتبة 316 في بيئة غنية بالكلوريد نظرًا لاحتوائها على موليبدينوم إضافي، مما يوفر للمادة مقاومة فائقة.

المزايا:

يمكن استخدامه أيضاً في الاستخدامات عالية التحمل، حيث يجب أن يكون وزن الحمولة التي يجب أن تدعمها حوامل حامل سقف السيارة أكثر من 150 كجم.

القيود:

الفولاذ الطري

يعتبر الفولاذ الطري شائعًا جدًا في الهياكل منخفضة التكلفة حيث يتطلب قوة ولا يتطلب عمرًا طويلاً دون أي طلاء آخر، مثل حوامل رف سقف السيارة.

الخواص الميكانيكية:

المزايا:

القيود:

حالة الاستخدام:

تُستخدم على أنظمة أسطول المركبات أو المقطورات متعددة الاستخدامات حيث يتم إنتاج حوامل رف سقف السيارة بكميات كبيرة، ثم يتم طلاؤها بمسحوق طلاء مسحوق قائم على الإيبوكسي مع 500 ساعة أو أكثر من مقاومة رش الملح (معيار ASTM B117).

3. Composite Materials (Carbon Fibre Reinforced Polymers – CFRP)

يتم تصنيع حوامل رفوف السقف المصنوعة من البلاستيك المقوى بألياف الكربون المخصصة، في بعض الأحيان في الاستخدامات الراقية، وإن كان ذلك بأحجام منخفضة، وبشكل أساسي في رياضة السيارات، أو الاستخدامات ذات الوزن الزائد.

الخصائص:

المزايا:

القيود:

جدول مقارنة المواد

الممتلكات ألومنيوم 6061-T6 فولاذ مقاوم للصدأ 304 الفولاذ الطري البلاستيك المقوى بألياف الكربون
قوة الخضوع (MPa) 276 215 250 600+
مقاومة الصدمات الشديدة (ميجا باسكال) 310 585 370 1200
الكثافة (جم/سم مكعب) 2.70 7.9 7.85 1.6
مقاومة التآكل معتدل ممتاز منخفضة ممتاز
الحد الحراري (درجة مئوية) 150 870 500+ ~150
مقاومة التعب والإجهاد معتدل عالية منخفضة عالية جداً
قابلية التصنيع ممتاز معتدل عالية منخفضة

 

اختيار المواد

يجب اختيار مادة دعامات حامل السقف أو دعامات حامل سقف السيارة مع مراعاة المتطلبات الهيكلية والبيئة وسعة تحميل الوزن والتكلفة.

كما يجب على المهندسين والمصنعين أن يأخذوا في الاعتبار عوامل أخرى، والتي تشمل التمدد الحراري، وتغير الحمل المسبق للبراغي مع الحرارة، وتركيز الإجهاد في الانحناءات والثقوب، والتي تؤثر على الموثوقية على المدى الطويل في ظل دورات التحميل المتكررة.

عملية تصنيع حوامل رفوف السقف

إن تقنية تصنيع حوامل رفوف السقف هي عملية عمل معقدة، وتتطلب تنسيق تشكيل المواد بدقة، والربط، والتشطيب السطحي، والفحص. في كل من حوامل حوامل رفوف السقف المخصصة وحوامل رفوف سقف السيارات، فإن الأبعاد والسلامة الميكانيكية ومقاومة التآكل هي من الاعتبارات الأساسية. وفيما يلي الخطوات الرئيسية لعملية الإنتاج من البداية إلى النهاية.

1. تصميم CAD والتحليل الهندسي

قبل إنتاج الدعامة في العالم الحقيقي، سيقوم المهندس بتصميم نموذج لها على أحد برامج CAD (التصميم بمساعدة الحاسوب) التي تشمل Solid Works أو Auto CAD أو Fusion 360. يحتوي هذا النموذج على مواقع فتحات التثبيت وخطوط الانحناء ومواقع التركيب. عادةً ما يتم إجراء تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتحقيق محاكاة سلوك الحامل فيما يتعلق بالأحمال الثابتة والديناميكية. في الحالات التي تنطوي على أقواس رف السقف المخصصة، يمكن استخدام FEA لاكتشاف مواقع تركيز الإجهاد التي لم تكن لتحل إلا بعد تحسين سُمك المادة أو تقوية الجزء.

تعتبر معلمات التصميم التالية مهمة:

2. المواد- القطع بالليزر أو بالنفث المائي

عند التوصل إلى اتفاق على التصميم، يتم بعد ذلك قطع الصفائح المعدنية الخام إلى شكلها باستخدام ماكينات القطع بالليزر عالية الدقة باستخدام الحاسب الآلي أو ماكينات النفث المائي. وتوفر هذه الإجراءات دقة أبعاد فائقة وتشطيبات نهائية فائقة.

إن القطع بالليزر مرغوب فيه لأنه يمكن أن يقطع الفولاذ الطري أو الفولاذ المقاوم للصدأ، الذي يُطلق عليه اسم حوامل رف سقف السيارة، في وقت قصير. ومع ذلك، لا ينطوي القطع بنفث الماء للألومنيوم لأقواس حوامل رفوف السقف المخصصة على التواء أو تشققات دقيقة مرتبطة بالحرارة.

3. الثني والتشكيل باستخدام الحاسب الآلي

ثم يتم كبس الصفائح المعدنية الفارغة في شكلها باستخدام مكابح الضغط الهيدروليكية أو مكابح الضغط الكهربائية المؤازرة. ويرتبط الثني باستخدام الحاسب الآلي بقابلية التكرار الكبيرة والتفاوتات الزاويّة الصغيرة التي تكون صغيرة.

يمكن أن تكون حوامل رفوف السقف المخصصة ذات أشكال معقدة مثل شكل Z أو شكل C، مع العديد من الانحناءات فيها، والتي لا يمكن ضمان اتساقها إلا من خلال الثني باستخدام الحاسب الآلي.

4. اللحام والربط

عندما تكون هناك حاجة إلى أكثر من قطعة واحدة، على سبيل المثال، حوامل رفوف السقف المخصصة متعددة المكونات، يجب استخدام اللحام. معظم عمليات اللحام المستخدمة هي:

من المهم في الألومنيوم، على وجه الخصوص، إدارة المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) لتجنب الالتواء. يتم طحن طبقات اللحام الأرضي بعد اللحام لتنعيم الحواف الحادة ومرتفعات الإجهاد، لجعلها آمنة وخالية من الإجهاد.

سيشمل الفحص العادي بعد اللحام ما يلي:

يتم تطبيق المعالجات السطحية بعد التشكيل واللحام لتعزيز مقاومة التآكل والمظهر والعمر الافتراضي. إنها خطوة جيدة، خاصة مع حوامل رف سقف السيارة، وهي عناصر خارجية.

5. تطبيقات الطلاء الشائعة

6. اختبار الحمولة وفحص الجودة

يتم فحص كل شحنة من الحوامل بالرجوع إلى الجودة قبل إرسالها. حوامل رفوف السقف المخصصة للحمولة العالية، ويجب أن يتم اختبارها قبل تحميلها.

فقط عندما تجتاز حوامل رفوف سقف السيارة جميع الاختبارات، يمكن السماح بطرحها في السوق.

7. التعبئة والتغليف والتتبع

يتم تنظيف الأقواس النهائية وتوسيمها وحشوها بفواصل رغوية أو بلاستيكية لتجنب إتلاف الأسطح. يتم توسيم كل وحدة أو دفعة بـ:

مع حوامل رفوف السقف المخصصة، حيث يتم استخدامها في أسطول عامل أو مناقصة حكومية، يتم توفير وثائق التتبع الكاملة، مع شهادات المصنع، وسجلات اللحام، وتقارير فحص الطلاء.

محاكاة الإجهاد واختبار الحمل

اختبار الحمل الساكن

تقبل الأقواس أحمالاً ثابتة رأسية بوزن 150 - 300 كجم لكل نقطة تركيب. يتم تحميل جهاز الاختبار في خطوات بوزن 10 كجم، ويتم قراءة الانحراف في كل خطوة باستخدام مقاييس الإزاحة الرقمية.

اختبار الاهتزاز الديناميكي واختبار الإعياء

يتم إجراء اختبار ديناميكي على حوامل رف السقف المخصص مع مليون دورة عند 2 -5 هرتز لإعادة إنتاج ظروف القيادة الفعلية مع القيادة على الطرق الوعرة.

الاختبار الحراري

لاختبار الأقواس في مواجهة التغيرات المناخية الشديدة، يتم تعريض الأقواس لدورات على مدار 24 ساعة في غرف تتراوح درجة حرارتها من -440 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية.

اعتبارات تصميم قوس حامل السقف

يطرح التصميم النظري لأقواس حوامل رفوف السقف العديد من الأمور المهمة بشأن التحميل الهيكلي وسلوك المواد وتكامل السيارة. يجب أن تكون كل من حوامل رفوف السقف المخصصة وحوامل رفوف سقف السيارة قادرة على التعامل مع الضغوط في العالم الحقيقي دون أن تفشل، كما يجب أن تكون قادرة على التناسب مع أنواع مختلفة من الأسقف.

قدرة الإجهاد وقدرة الوزن

يجب أن تكون الأقواس قادرة على حمل الوزن الساكن، مثل الأمتعة أو البضائع، وعادة ما يتراوح وزنها بين 50 و150 كجم. تتضخم القوى الديناميكية عندما تكون السيارة في حالة حركة؛ وينجم ذلك عن التسارع والكبح والانعطاف. يمكن أن تكون الأوزان الديناميكية ضعف أو حتى ثلاثة أضعاف الوزن الساكن. يجب أن تكون الأقواس قادرة على تحمل أحمال الصدمات التي تصل إلى خمسة أضعاف السعة المقدرة في ظروف القيادة القاسية. وهذا أمر ضروري بشكل خاص في حالة حوامل رفوف السقف المخصصة، حيث يتم تخصيصها عادةً لتكون مخصصة للطرق الوعرة أو التجارية. عادةً ما يستخدم المهندسون عامل أمان يبلغ 2.0 أو أعلى في التصميم.

تحسين شكل المواد وسماكتها

تتأثر القوة والصلابة بسُمك المادة. في حالة الفولاذ، يكون سمك 4-6 مم نموذجيًا. وفي حالة الألومنيوم، يكون سمك 2 - 3 مم شائعاً في حالة الألومنيوم لتوفير الوزن. كثيراً ما يتم استخدام الأشكال المشكّلة مثل الأشكال المشكّلة على شكل حرف C أو الأقواس على شكل حرف Z في حوامل حاملة السقف المخصصة لإضافة صلابة دون زيادة الحجم. تضيف التصاميم المحاطة بصناديق مزيداً من المقاومة للانحناء والالتواء. يتم إجراء التحسين الأمثل للهندسة وتوزيع الإجهاد بمساعدة برنامج FEA. تنطبق هذه الطريقة على حوامل رفوف سقف السيارة، وخاصةً على الإنتاج الضخم.

محاذاة التركيب وملاءمة المركبة

يجب أن تتحمل الأقواس اهتزازات المطبات على الطريق والرياح. قد تؤدي هذه الضغوط إلى تعطلها مع مرور الوقت، ما لم يتم اتخاذ التدابير اللازمة. يجب أن يتجنب المصممون الزوايا الحادة والمرتفعات الضاغطة. تقضي الحواف المخففة والانتقالات على مخاطر التشققات. يتم اختبار حوامل رفوف السقف المخصصة المطبقة في حالات الطرق الوعرة لعدة دورات في البيئة المعملية. وهذا من شأنه أن يوفر السلامة والمتانة على المدى الطويل.

طلاء السطح والمقاومة البيئية

تحتاج إلى حماية عالية ضد التآكل بسبب المطر والملح والتعرض للشمس. عادةً ما يتم طلاء حوامل رف سقف السيارة بمسحوق الطلاء أو المجلفن. يتم طلاء المسحوق بالمسحوق في درجة حرارة 180-200 درجة مئوية وهو مقاوم للأشعة فوق البنفسجية والصدأ. يتم جلفنة حوامل رفوف السقف الفولاذية الشائعة والمخصصة بالزنك، مما يوفر حماية ضد الصدأ. يجب أن تتحمل الطلاءات المستخدمة في البيئات الساحلية أو الثلجية 500 ساعة أو أكثر من اختبار رش الملح حتى يمكن الاعتماد عليها.

أنظمة التركيب والتوافق

الأنماط الثلاثة الرئيسية لحاملات رفوف سقف السيارة هي:

حوامل تركيب المزراب

تطبق على السيارات القديمة ذات مزاريب المطر. يمكن لهذه الأقواس عادةً أن تتحمل وزن 80 كجم/زوج.

حوامل تثبيت المشبك

توضع بأرجل مطاطية وألواح ضغط على عضادات الباب. السعة الثابتة- 75 كجم.

أنظمة التثبيت على الجنزير

يظهر في حوامل رف السقف المخصصة، حيث يتم تثبيت مسارات الألومنيوم المبثوق على السقف بمثبتات M8 مشدودة بقوة 1820 نيوتن متر مع حشيات مانعة للتسرب لجعل التركيب مقاوماً للماء.

دراسة حالة: بناء البعثة الاستكشافية على الطرق الوعرة

An off-road trip requires some modification of a vehicle, which is not related to ordinary usage in the city. Fitting a 4×4 with stronger custom Roof rack brackets to make roof loads safe under severe conditions is one of such essential upgrades. Here in this case study, we look at a complete rig that would be used in a two-week overland expedition through rocky desert and forest roads.

المنصة ومتطلبات المركبات

السيارة المستخدمة هي سيارة تويوتا لاند كروزر الفئة 76 لعام 2021، ونظام تعليقها عبارة عن محور صلب، وحمولة سقفها 150 كجم. كان من المقرر أن تتألف الرحلة البرية من تركيب خيام على السطح وحاملات علب الجيري وتجهيزات الألواح الشمسية. كان تقدير حمولة السقف الثابتة الإجمالية 120 كجم. كانت قضبان المصنع غير كافية، ومن ثم أنتج المهندسون زوجاً من حوامل رفوف السقف المخصصة، والتي تناسب نظام مزراب المطر في لاند كروزر. كان على هذه الأقواس أن تحتفظ ليس فقط بالوزن ولكن أيضاً بالاهتزازات الشديدة للقيادة على الطرق الوعرة.

تصميم الدعامة واختيار المواد

تم قطع الأقواس هيكلياً بالليزر من الفولاذ الطري المدلفن على البارد بسمك 5 مم (درجة CR4). كما تم ثني شكل على شكل حرف U مع حواف مقواة من كل قوس باستخدام مكابح ضغط هيدروليكية باستخدام الحاسب الآلي. تم إجراء عمليات محاكاة للإجهاد للتحقق من صحة الحامل بحمل ديناميكي مكافئ بوزن 450 كجم (3.75 × ثابت). تم لحام المصطلح بلحام مجمّع عند نقاط الإجهاد الحرجة لحامل السقف المخصص للحامل المخصص للسقف" لتعزيز الصلابة الالتوائية دون أن يكون ثقيلاً للغاية. تم استخدام الجلفنة بالغمس الساخن لطلاء مجموعة الدعامات، ثم تمت معالجة طلاء المسحوق الأسود غير اللامع عند درجة حرارة 190 درجة مئوية / 25 دقيقة لتحمل الأشعة فوق البنفسجية الصحراوية الشديدة والتعرض المحتمل للمطر.

تحميل وتركيب التوزيع وتركيبه

تم تثبيت الأقواس بمزاريب المطر في لاند كروزر باستخدام مسامير من الفولاذ المقاوم للصدأ على شكل حرف U من الفولاذ المقاوم للصدأ M8 وصواميل قفل مشدودة بقوة 20 نيوتن متر. لتجنب تآكل الطلاء والاهتزاز، تم وضع وسادات مطاطية (نيوبرين بسمك 5 مم) بين قاعدة الحامل والمركبة. تم تحميلها من خلال ستة حوامل لحامل سقف السيارة (ثلاثة على كل جانب) متباعدة في مراكز 650 مم لتوفير أفضل توزيع للضغط. وأثبتت الاختبارات الديناميكية عدم حدوث أي تغيير حتى بعد 500 كيلومتر من الاختبارات المختلطة.

ستتم مناقشة الأداء في البعثة في هذا القسم.

تحليل وتصحيح بعد الرحلة

تم تفكيك الأقواس وإجراء الفحص بعد الرحلة. لم يكن على أي منها أي علامة واضحة للإجهاد أو التآكل السطحي. أثبت اختبار الضباب الملحي أن الطلاء تجاوز معايير مقاومة 750 ساعة. وقد أدت ملاحظات الفريق الميداني إلى إدخال تحسينات طفيفة على تصميم الطرازات المستقبلية، مثل الثقوب المشقوقة الأطول للسماح بتعديل أسهل وأحكام إضافية لتركيب الملحقات. كما توفر التطورات التالية أيضًا تنوعًا أفضل في استخدام حوامل حامل سقف السيارة في الظروف القاسية.

الخاتمة

عند اختيار قوس حامل السقف، لا يعتبر التركيب هو الاعتبار الوحيد؛ فهناك المتانة والسلامة والأداء التي يجب مراعاتها. يجب أن يتم تصميم كل من حوامل رفوف السقف المخصصة وحوامل رفوف سقف السيارة بدقة، سواءً كنت تقوم بتصميمها لحضور الرحلات الاستكشافية الوعرة أو للاستخدام اليومي. وسواء كان الأمر يتعلق باختيار المواد وإجراءات اللحام أو التمدد الحراري واختبار الدورة، فإن كل جانب مهم لتعزيز موثوقية النظام الناتج. قد لا يبدو الاستثمار في الأقواس عالية الجودة أمرًا كبيرًا؛ ومع ذلك، عندما تكون معداتك أو أدواتك أو حتى الخيمة في الأعلى، يصبح أحد أهم القرارات التي يمكنك اتخاذها.

الأسئلة الشائعة

س1: ما هو تصنيف وزن حوامل حوامل السقف ما بعد البيع؟

تتمتع حوامل رفوف السقف المخصصة عموماً بمعدل حمولة ثابتة يبلغ 75 150 كجم، حسب المادة والتصميم. يجب أن تكون قادرة على تحمل 2-5 أضعاف هذا الحمل في ظل الظروف الديناميكية مثل القيادة على الطرق الوعرة أو السفر بسرعة عالية. لا تغفل أبداً عامل الأمان للحامل، والذي يجب أن يكون 2.0 أو أكثر.

س2: هل يمكن تركيب حوامل رف سقف السيارة دون تغيير السيارة؟

ونعم، غالبية الأشياء مثل حوامل رف سقف السيارة مخصصة للاستفادة من نقاط التثبيت المثبتة في المصنع أو قضبان السقف. ومع ذلك، قد تحتاج حوامل رفوف السقف المخصصة إلى تعديلات طفيفة أو أطقم تثبيت خاصة، خاصة في السيارات غير العادية أو سيارات الرحلات الاستكشافية.

س3: ما هي المواد المناسبة لأقواس حوامل السقف في الظروف القاسية؟

الفولاذ المجلفن والألومنيوم المؤكسد أمر معتاد. قد تكون حوامل رفوف السقف المخصصة للبيئة القاسية مصنوعة من الفولاذ بسمك 4 -6 مم، ومغلفة بمسحوق ومقاومة للتآكل حتى تتحمل الملح والأشعة فوق البنفسجية ودرجات الحرارة العالية.

الخروج من إصدار الهاتف المحمول