Nettstedsikon Aludiecasting

Takstativbraketter: Konstruksjon, produksjon og ytelse

Takstativbraketter:

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.  

Takstativbrakettene er tilgjengelige i et bredt utvalg av typer, fra universalmontering til et spesifikt bilmerke og en spesifikk bilmodell. De er alle formet for å passe godt, støtte vekten av lasten og utsette dem for elementene. De tilpassede takstativbrakettene viser seg å være den ideelle løsningen for personer som trenger brakettene som er sterkere eller kjøretøyspesifikk tilpasning. De kan plasseres presist, ha større belastninger og kan utstyres med spesialutstyr.

Denne artikkelen tar for seg material- og konstruksjonsteknikk på nivå med utmattingstesting og reelle casestudier.

Takstativbraketter

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 type brakett som skal brukes, og materialet er av stor betydning.

Praktisk inndeling og bruk

1. OEM tilpassede braketter

Originalutstyrsprodusentens (OEM) braketter er kjøretøyspesifikke braketter. De er praktiske og i de fleste tilfeller ikke kraftige nok eller ikke allsidige nok til å brukes i mer seriøst arbeid. Tilpassede takstativbraketter er derimot produsert med tanke på visse bruksområder, og man kan gjerne endre størrelse, materialkvalitet og festemetode.

2. Bruksområder for takstativbraketter til bil

Takstativ til bil er lette til middels tunge og omfatter takmonterte telt, sykkelstativ og verktøykasser. Tilpasningsnivået i dette tilfellet vil være fokusert på vektfordeling og aerodynamikk, og tilpasningen kan enkelt monteres uten å knekke bilens struktur.

Materialbruk og mekaniske egenskaper

Utformingen av takstativbraketter og takstativbraketter for bil er i stor grad avhengig av materialvalget. Materialet som brukes, bestemmer også brakettens styrke, men også vekt, korrosjonsbestandighet, utmattingslevetid og ytelse under ulike termiske og mekaniske belastninger avhenger av materialet.

De mest brukte materialene, deres mekaniske egenskaper og deres egnethet for bruk er som følger.

1. Aluminiumslegering 6061-T6

Den mest foretrukne legeringen til takstativbrakettene er aluminiumslegeringen 6061-T6, siden den er svært sterk, men lett i vekt, ikke korroderende og kan bearbeides maskinelt eller sveises.

Mekaniske egenskaper:

Fordeler

Begrensninger:

Bruksområder:

Og ble brukt i offroad- og terrenganvendelser der takstativbrakettene ble ansett som skreddersydde, men måtte tåle dynamiske belastninger på opptil 120 kg og mer enn 500 000 sykluser med vibrasjonsutmatting uten permanent deformasjon (plastisitet).

2. Rustfritt stål (304/316)

Bruksområder for rustfritt stål der stivhet og korrosjonsbestandighet er viktigere enn vekt, er beslag til takstativ på biler. De vanligste er kvalitet 304 og 316.

Mekaniske egenskaper (304):

Grad 316 brukes vanligvis i kloridrike miljøer siden det inneholder ekstra molybden, noe som gir materialet overlegen motstandskraft.

Fordeler:

Kan også brukes i bruksområder med høy belastning, der vekten av lasten som skal bæres av takstativbrakettene bør være over 150 kg.

Begrensninger:

Mildt stål

Mildt stål er svært vanlig i rimelige konstruksjoner der det kreves styrke og ikke lang levetid uten noe annet belegg, som f.eks. takstativbraketter til biler.

Mekaniske egenskaper:

Fordeler:

Begrensninger:

Brukssak:

Brukes på flåtekjøretøy eller tilhengere der takstativbrakettene er masseprodusert og deretter pulverlakkert med epoksybasert pulverlakk med minst 500 timers motstand mot salttåke (ASTM B117-standard).

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

CFRP Custom takstativbraketter produseres av og til i avanserte bruksområder, men i små volumer, og hovedsakelig innen motorsport eller for bruk med ekstrem vekt.

Egenskaper:

Fordeler:

Begrensninger:

Sammenligningstabell for materialer

Eiendom 6061-T6 aluminium 304 rustfritt stål Mildt stål CFRP
Strekkfasthet (MPa) 276 215 250 600+
UTS (MPa) 310 585 370 1200
Tetthet (g/cm³) 2.70 7.9 7.85 1.6
Motstandsdyktighet mot korrosjon Moderat Utmerket Lav Utmerket
Termisk grense (°C) 150 870 500+ ~150
Motstandsdyktighet mot utmattelse Moderat Høy Lav Svært høy
Bearbeidbarhet Utmerket Moderat Høy Lav

 

Valg av materiale

Takstativbrakettene eller materialet til takstativbrakettene skal velges med tanke på strukturelle krav, miljø, vektbelastningskapasitet og kostnad.

Ingeniørene og produsentene bør også ta hensyn til andre faktorer, blant annet termoekspansjonen, endringen av boltens forspenning med varmen og spenningskonsentrasjonen ved bøyninger og hull, som påvirker den langsiktige påliteligheten under gjentatte belastningssykluser.

Produksjonsprosess for takstativbraketter

Produksjon av takstativbraketter er en kompleks arbeidsprosess som krever koordinering av nøyaktig materialforming, sammenføyning, overflatebehandling og inspeksjon. I både tilpassede takstativbraketter og biltakstativbraketter er dimensjoner, mekanisk integritet og korrosjonsbestandighet av største hensyn. De viktigste trinnene i produksjonsprosessen er som følger.

1. CAD-design, teknisk analyse

Før braketten produseres i den virkelige verden, vil en ingeniør modellere den i et av CAD-programmene (Computer-Aided Design), for eksempel Solid Works, Auto CAD eller Fusion 360. Denne modellen viser plasseringen av festehull, bøyelinjer og monteringssteder. Finite Element Analysis (FEA) utføres vanligvis for å simulere hvordan braketten oppfører seg med hensyn til statiske og dynamiske belastninger. I tilfeller der det er snakk om spesialtilpassede takstativbraketter, kan FEA brukes til å oppdage steder med spenningskonsentrasjon som ellers ikke ville ha blitt løst før materialtykkelsen er optimalisert eller delen er forsterket.

Følgende designparametere er viktige:

2. Materialer - Laser- eller vannstråleskjæring

Når man har kommet til enighet om designet, skjæres rå metallplater i form med CNC-laserskjærere eller vannjetmaskiner med høy presisjon. Prosedyrene gir suveren dimensjonal presisjon og kantfinish.

Laserskjæring er ønsket fordi det kan kutte mildt stål eller rustfritt stål, kalt biltakstativbraketter, på kort tid. Vannstråleskjæring av aluminium til takstativbraketter innebærer imidlertid ikke vridning eller mikrosprekker, som er knyttet til varme.

3. CNC-bøying og -forming

Deretter presses de blanke metallplatene i form ved hjelp av hydrauliske kantpresser eller servoelektriske kantpresser. CNC-bøying er forbundet med stor repeterbarhet og små vinkeltoleranser som er små.

Tilpassede takstativbraketter kan ha komplekse former som Z-form eller C-form, med mange bøyninger, noe som bare kan sikres ved hjelp av CNC-bøying.

4. Sveising og sammenføyning

Når det kreves mer enn ett stykke, f.eks. spesialtilpassede takstativbraketter med flere komponenter, må det brukes sveising. De fleste sveiseprosessene som brukes, er

Spesielt i aluminium er det viktig å håndtere den varmepåvirkede sonen (HAZ) for å unngå vridning. Slipte sveisesømmer slipes etter sveising for å jevne ut skarpe kanter og spenningsstigninger, slik at de blir trygge og utmattingsfrie.

Normal undersøkelse etter sveising vil omfatte:

Overflatebehandlinger påføres etter forming og sveising for å forbedre korrosjonsbestandighet, utseende og levetid. Det er et fint trinn, spesielt med takstativbraketter, som er utendørsartikler.

5. Populære bruksområder for belegg

6. Lasttesting og kvalitetskontroll

Hver sending av brakettene undersøkes med hensyn til kvaliteten før utsendelse. De tilpassede takstativbrakettene er for høy belastning, og de bør belastningstestes.

Først når takstativbrakettene har bestått alle testene, kan de tillates på markedet.

7. Emballasje og sporbarhet

De ferdige brakettene rengjøres, merkes og fylles med skum- eller plastavstandsstykker for å unngå å skade overflatene. Hver enhet eller batch merkes med:

Når det gjelder spesialtilpassede takstativbraketter som brukes i en arbeidsflåte eller i offentlige anbud, leveres det full sporbarhetsdokumentasjon med fabrikksertifikater, sveiselogger og inspeksjonsrapporter for overflatebehandling.

Stresssimulering og belastningstesting

Statisk belastningstesting

Brakettene tåler 150-300 kg vertikal statisk belastning per monteringspunkt. Testriggen belastes i trinn på 10 kg, og nedbøyningen avleses i hvert trinn med digitale forskyvningsmålere.

Dynamisk vibrasjonstesting og utmattingstesting

Dynamisk testing utføres på Custom takstativbrakettene med 1 million sykluser ved 2-5 Hz for å gjenskape de faktiske kjøreforholdene ved terrengkjøring.

Termisk testing

For å teste brakettene mot de kraftige klimaendringene, utsettes brakettene for 24-timers sykluser i kamre som varierer fra -440 grader C til 85 grader C. Testen overvåker materialutvidelse og boltenes dreiemoment.

Hensyn ved utforming av takstativbraketter

Den konseptuelle utformingen av takstativbraketter stiller flere viktige krav til strukturell belastning, materialoppførsel og kjøretøyintegrasjon. Både spesialtilpassede takstativbraketter og takstativbraketter til biler må kunne tåle påkjenninger i den virkelige verden uten å svikte, og de må også kunne monteres på ulike typer tak.

Belastningskapasitet og vektkapasitet

Konsollene skal kunne holde statisk vekt, for eksempel bagasje eller last, og er vanligvis på mellom 50 og 150 kg. Dynamiske krefter forsterkes når bilen er i bevegelse, for eksempel ved akselerasjon, bremsing og svingkjøring. De dynamiske vektene kan være dobbelt eller tre ganger så store som den statiske vekten. Konsollene må kunne tåle støtbelastninger som er opptil fem ganger den nominelle kapasiteten under tøffe kjøreforhold. Dette er spesielt viktig når det gjelder spesialtilpassede takstativbraketter, ettersom disse vanligvis er tilpasset offroad- eller kommersiell bruk. En sikkerhetsfaktor på 2,0 eller høyere brukes normalt av ingeniører ved design.

Optimalisering av form og tykkelse på materialer

Styrke og stivhet påvirkes av materialtykkelsen. For stål er 4-6 mm typisk. For aluminium er 2-3 mm vanlig for å spare vekt. Formete former som C-profiler eller Z-braketter brukes ofte i spesialtilpassede takstativbraketter for å øke stivheten uten å gjøre dem tyngre. De boksformede designene gir større motstand mot bøying og vridning. Optimalisering av geometri og spenningsfordeling utføres ved hjelp av FEA-programvare. Denne metoden kan brukes på takstativ til biler, og spesielt ved masseproduksjon.

Justering av montering og tilpasning av kjøretøyet

Konsollene må tåle vibrasjoner fra ujevnheter i veien og vind. Disse påkjenningene kan føre til utmattingsbrudd over tid, med mindre det iverksettes tiltak. Skarpe hjørner og spenningsstigninger bør unngås av konstruktørene. Avdempede kanter og overganger eliminerer risikoen for sprekker. De tilpassede takstativbrakettene som brukes i offroad-situasjoner, er testet i flere sykluser i laboratoriemiljø. Dette gir langsiktig sikkerhet og holdbarhet.

Overflatebelegg og miljøbestandighet

Den trenger god beskyttelse mot korrosjon på grunn av regn, salt og soleksponering. Takstativbrakettene er vanligvis pulverlakkert eller galvanisert. Pulverlakkeringen bakes ved 180-200 °C og er UV- og rustbestandig. De vanlige takstativbrakettene i stål er galvanisert med sink, noe som gir offerbeskyttelse. Belegg som brukes i kyst- eller snødekte miljøer, må overleve 500 timer eller mer med salttåketesting for å anses som pålitelige.

Monteringssystemer og kompatibilitet

De tre hovedtypene av takstativbraketter for bil er

Braketter for montering av takrenner

Brukes på eldre biler med takrenner. Disse brakettene tåler normalt en vekt på 80 kg/par.

Braketter for klemmemontering

Monteres med gummierte føtter og trykkplater på dørkarmene. Kapasitet statisk - 75 kg.

Systemer for skinnemontering

Vises i tilpassede takstativbraketter, der ekstruderte aluminiumsskinner boltes fast på taket med M8-fester strammet til 1820 Nm med tetningspakninger for å gjøre monteringen vanntett.

Casestudie: Bygging av offroad-ekspedisjon

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.

Plattform og krav til kjøretøyene

Kjøretøyet som ble brukt, er en Toyota Land Cruiser 76-serie fra 2021, med solid akseloppheng og 150 kg taklast. Turen over land skulle bestå av montering av takmonterte telt, jerrycanholdere og solcellepaneler. Den totale statiske taklasten ble anslått til 120 kg. Fabrikkskinnene var utilstrekkelige, og ingeniørene produserte derfor et par spesialtilpassede takstativbraketter som passet til Land Cruiser-regnrennesystemet. Disse brakettene måtte ikke bare tåle vekten, men også de ekstreme vibrasjonene ved offroadkjøring.

Brakettdesign og materialvalg

Konsollene ble strukturelt laserskåret ut av 5 mm tykt kaldvalset stål (CR4-kvalitet). En U-profil med avstivede flenser ble bøyd ut av hver brakett ved hjelp av en CNC-hydraulisk kantpresse. Simuleringer av påkjenninger ble utført for å validere braketten med en 450 kg ekvivalent dynamisk belastning (3,75 × statisk). Begrepet fikk en kile sveiset på de kritiske belastningspunktene på de tilpassede takstativbrakettene" for å øke vridningsstivheten uten å være for tung. Brakettsettet ble varmgalvanisert, og deretter ble det matte, svarte pulverlakkeringen herdet ved 190 o C/25 minutter for å tåle ørkenens sterke UV-stråling og mulig eksponering for regn.

Lasting og montering av distribusjonen

Brakettene ble festet til takrennene på Land Cruiseren med M8 U-bolter i rustfritt stål og låsemuttere som ble strammet til med 20 Nm. For å unngå slitasje på lakken og vibrasjoner ble det plassert gummiputer (5 mm tykk neopren) mellom brakettfoten og kjøretøyet. Disse ble belastet gjennom seks takstativbraketter (tre på hver side) med 650 mm mellomrom for å gi best mulig fordeling av belastningen. Dynamiske tester viste ingen forskyvninger selv etter 500 km med blandet testing.

I dette avsnittet diskuterer vi resultatene av ekspedisjonen.

Analyse og korrigering etter turen

Konsollene ble demontert, og inspeksjon ble utført etter reisen. Ingen av dem hadde synlige tegn på utmatting eller overflatekorrosjon. En salttåketest viste at belegget oversteg kravene til 750-timers bestandighet. Tilbakemeldingene fra feltteamet førte til mindre designforbedringer av fremtidige modeller, for eksempel lengre hull for enklere justering og flere muligheter for montering av tilbehør. Følgende forbedringer gir også bedre allsidighet for takstativbrakettene under tøffe forhold.

Konklusjon

Når du skal velge takstativbrakett, er det ikke bare passform som teller, men også holdbarhet, sikkerhet og ytelse. Både de tilpassede takstativbrakettene og takstativbrakettene til bilen må utformes nøyaktig, enten du lager dem for å delta i tøffe ekspedisjoner eller hverdagsbruk. Enten det gjelder materialvalg og sveiseprosedyre eller termisk ekspansjon og syklustesting, er hvert aspekt viktig for å fremme påliteligheten til det resulterende systemet. Det høres kanskje ikke så mye ut å investere i braketter av høy kvalitet, men når utstyret, verktøyet eller til og med teltet er oppe på toppenblir det en av de viktigste beslutningene du kan ta.

Vanlige spørsmål

Spm. 1: Hva er vektklassifiseringen til takstativbraketter på ettermarkedet?

Tilpassede takstativbraketter har vanligvis en statisk belastning på 75-150 kg, avhengig av materiale og design. De må kunne tåle 2-5 ganger denne belastningen under dynamiske forhold, for eksempel ved terrengkjøring eller kjøring i høy hastighet. Du må aldri glemme sikkerhetsfaktoren til braketten, som bør være 2,0 eller mer.

Spm. 2: Kan takstativbraketter monteres uten å endre kjøretøyet?

Og ja, de fleste takstativ til bil er beregnet på å bruke fabrikkmonterte monteringspunkter eller takskinner. Likevel kan tilpassede takstativbraketter trenge mindre justeringer eller spesielle monteringssett, spesielt på uvanlige kjøretøy eller ekspedisjonsbiler.

Spm. 3: Hvilke materialer egner seg for takstativbraketter under tøffe forhold?

Galvanisert stål og anodisert aluminium er vanlig. Takstativbraketter for tøffe miljøer kan være laget av 4-6 mm tykt stål, pulverlakkert og korrosjonsbeskyttet, slik at de tåler salt, UV-stråling og store temperaturvariasjoner.

Avslutt mobilversjonen