Значок сайта Алюдекастинг

Кронштейны для багажника на крышу: Проектирование, изготовление и эксплуатационные характеристики

Кронштейны для багажника на крышу:

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.  

Кронштейны для багажника на крышу автомобиля представлены в широком ассортименте, начиная от универсальных и заканчивая конкретной маркой и моделью автомобиля. Все они имеют форму, обеспечивающую плотное прилегание, выдерживающую вес груза и подвергающую его воздействию элементов. Кронштейны для багажника на крышу на заказ - идеальное решение для тех, кому нужны более прочные кронштейны или адаптация под конкретный автомобиль. Они могут быть установлены точно, выдерживать большую нагрузку и оснащаться специальным оборудованием.

В следующей статье мы рассмотрим материалы и конструкцию на уровне усталостных испытаний и реальных примеров.

Кронштейны для багажника на крышу

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 вид кронштейна и материал вызывают серьезные опасения.

Практическое разделение и использование

1. OEM пользовательские кронштейны

Кронштейны производителя оригинального оборудования (OEM) - это кронштейны, предназначенные для конкретного автомобиля. Они удобны и, в большинстве случаев, недостаточно мощны или недостаточно универсальны для использования в более серьезных работах. Кронштейны для багажника на крышу, напротив, изготавливаются с учетом конкретных задач, и можно смело менять размер, марку материала, а также способ крепления.

2. Кронштейны для багажника на крышу автомобиля Примеры использования

Кронштейны для багажников на крышу автомобиля относятся к легкому и среднему классу и включают в себя тенты на крышу, багажники для велосипедов и багажные боксы. Уровень кастомизации в этом случае ориентирован на распределение веса, аэродинамику, а также на возможность легкой установки без нарушения конструкции автомобиля.

Используемый материал и механические свойства

Конструкция кронштейнов для багажника на крышу и автомобильных багажников во многом зависит от выбора используемого материала. От материала также зависит прочность кронштейна, а от материала - вес, коррозионная стойкость, усталостная долговечность и работа при различных тепловых и механических нагрузках.

Наиболее часто используемые материалы, их механические свойства и пригодность для применения представлены ниже.

1. Алюминиевый сплав 6061-T6

Наиболее предпочтительным сплавом для изготовления кронштейнов багажника на крышу является алюминиевый сплав 6061-T6, так как он очень прочный, но легкий по весу, не подвержен коррозии, поддается механической обработке или сварке.

Механические свойства:

Преимущества

Ограничения:

Приложения:

Он использовался для внедорожных и сухопутных применений, где кронштейны багажника считались бы заказными, но должны были выдерживать динамические нагрузки до 120 кг и более 500 000 циклов вибрационной усталости без постоянной деформации (пластичности).

2. Нержавеющая сталь (304/316)

Применение нержавеющей стали, когда жесткость и устойчивость к коррозии важнее веса, находит применение в кронштейнах автомобильных багажников. Наиболее распространенными являются марки 304 и 316.

Механические свойства (304):

Марка 316 обычно используется в среде, богатой хлоридами, так как содержит дополнительный молибден, который обеспечивает материалу повышенную стойкость.

Преимущества:

Также может использоваться в условиях высоких нагрузок, когда вес груза, который должен поддерживаться кронштейнами автомобильного багажника, должен превышать 150 кг.

Ограничения:

Мягкая сталь

Мягкая сталь очень часто используется в недорогих конструкциях, где требуется прочность и не требуется длительный срок службы без какого-либо другого покрытия, например, в кронштейнах автомобильных багажников.

Механические свойства:

Преимущества:

Ограничения:

Пример использования:

Применяется в автомобильных парках и прицепах, где кронштейны багажника на крышу производятся серийно, а затем покрываются порошковым покрытием на эпоксидной основе с 500 или более часов стойкости к солевому туману (стандарт ASTM B117).

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

Кронштейны для багажника на крышу из углепластика иногда производятся для высококлассного использования, хотя и в небольших объемах, и в основном для автоспорта или экстремального использования веса.

Свойства:

Преимущества:

Ограничения:

Сравнительная таблица материалов

Недвижимость Алюминий 6061-T6 Нержавеющая сталь 304 Мягкая сталь CFRP
Предел текучести (МПа) 276 215 250 600+
UTS (МПа) 310 585 370 1200
Плотность (г/см³) 2.70 7.9 7.85 1.6
Устойчивость к коррозии Умеренный Превосходно Низкий Превосходно
Тепловой предел (°C) 150 870 500+ ~150
Сопротивление усталости Умеренный Высокий Низкий Очень высокий
Обрабатываемость Превосходно Умеренный Высокий Низкий

 

Выбор материала

Материал кронштейнов для багажника на крышу или автомобильного багажника на крышу выбирается с учетом конструктивных требований, условий окружающей среды, допустимой весовой нагрузки и стоимости.

Инженеры и изготовители должны учитывать и другие факторы, в том числе терморасширение, изменение предварительного натяжения болтов под воздействием тепла и концентрацию напряжений в изгибах и отверстиях, которые влияют на долговременную надежность при многократных циклах нагрузки.

Процесс производства кронштейнов для багажника на крышу

Технология производства кронштейнов для багажника на крышу представляет собой сложный рабочий процесс, требующий координации точного формирования материала, соединения, обработки поверхности и контроля. При изготовлении кронштейнов для багажника на крышу и кронштейнов для багажника на крышу автомобиля первостепенное значение имеют размеры, механическая целостность и коррозионная стойкость. Основные этапы сквозного производственного процесса выглядят следующим образом.

1. Проектирование в САПР, инженерный анализ

Прежде чем кронштейн будет изготовлен в реальном мире, инженер смоделирует его в одной из программ автоматизированного проектирования (CAD), включая Solid Works, Auto CAD или Fusion 360. В этой модели указываются места расположения отверстий для крепежа, линии изгиба и места крепления. Анализ методом конечных элементов (FEA) обычно проводится для моделирования поведения кронштейна в условиях статических и динамических нагрузок. В случаях, когда кронштейны багажника изготавливаются на заказ, FEA может использоваться для обнаружения мест концентрации напряжений, которые в противном случае не были бы обнаружены до тех пор, пока не будет оптимизирована толщина материала или не будет усилена деталь.

Важны следующие параметры конструкции:

2. Материалы - лазерная или гидроабразивная резка

После достижения согласия по дизайну необработанный листовой металл разрезается на высокоточные лазерные резаки с ЧПУ или гидроабразивные станки. Эти процедуры обеспечивают превосходную точность размеров и качество обработки кромок.

Лазерная резка предпочтительна, поскольку позволяет в короткие сроки разрезать низкоуглеродистую или нержавеющую сталь, называемую кронштейнами для багажника на крышу автомобиля. Тем не менее, гидроабразивная резка алюминия для изготовления кронштейнов багажника на крышу не предполагает деформации или микротрещин, которые связаны с нагревом.

3. Гибка и формовка с ЧПУ

Затем заготовки металлических листов прессуются в форму с помощью гидравлических или сервоэлектрических листогибочных прессов. Гибка с ЧПУ связана с большой повторяемостью и малыми угловыми допусками.

Кронштейны для багажника на крышу могут иметь сложную форму, например, Z-образную или C-образную, с множеством изгибов, которые можно обеспечить только с помощью гибки на ЧПУ.

4. Сварка и соединение

Если требуется более одной детали, например, многокомпонентные кронштейны для багажника на крышу, то необходимо использовать сварку. В основном используются следующие виды сварки:

В частности, для алюминия интерес представляет управление зоной термического влияния (HAZ) во избежание коробления. Шлифовка Сварные швы после сварки шлифуются для сглаживания острых кромок и напряжений, чтобы сделать их безопасными и не подверженными усталости.

Обычный осмотр после сварки включает в себя:

Поверхностная обработка применяется после формовки и сварки для повышения коррозионной стойкости, улучшения внешнего вида и срока службы. Это хороший шаг, особенно для кронштейнов багажника на крышу автомобиля, которые являются предметами, находящимися на открытом воздухе.

5. Популярные области применения покрытий

6. Нагрузочные испытания и контроль качества

Перед отправкой каждая партия кронштейнов проверяется на качество. Кронштейны для багажника на крышу рассчитаны на высокую нагрузку и должны быть проверены нагрузочными испытаниями.

Только после того, как кронштейны автомобильных багажников пройдут все испытания, они могут быть допущены к продаже.

7. Упаковка и прослеживаемость

Готовые кронштейны очищаются, маркируются и набиваются пенопластовыми или пластиковыми прокладками, чтобы не повредить поверхность. Каждая единица или партия маркируется:

При изготовлении кронштейнов для крышных стоек на заказ, если они используются в рабочем парке или в правительственных тендерах, предоставляется полная документация по отслеживанию, включая сертификаты завода, журналы сварных швов и отчеты о проверке покрытия.

Моделирование стресса и нагрузочное тестирование

Испытание статической нагрузкой

Кронштейны принимают вертикальные статические нагрузки 150-300 кг на каждую точку крепления. Испытательный стенд нагружается с шагом 10 кг, а прогиб считывается на каждом шаге с помощью цифровых измерителей смещения.

Динамические вибрационные испытания и испытания на усталость

Динамические испытания проводятся на кронштейнах багажника Custom Roof с 1 миллионом циклов при частоте 2 -5 Гц для воспроизведения реальных условий движения по бездорожью.

Тепловые испытания

Для проверки кронштейнов на устойчивость к резким изменениям климата их подвергают 24-часовым циклам в камерах с температурой от -440 до 85 градусов С. В ходе испытаний контролируется расширение материала и сохранение момента затяжки болтов.

Конструкция кронштейна для багажника на крыше

Концептуальный дизайн кронштейнов для багажника на крышу включает в себя несколько важных моментов, касающихся структурной нагрузки, поведения материалов и интеграции с транспортным средством. Кронштейны для багажников на крышу и автомобильные кронштейны для багажников на крышу должны быть способны выдерживать реальные нагрузки, не выходя из строя, а также должны подходить для различных типов крыш.

Нагрузочная способность и весовая нагрузка

Кронштейны должны выдерживать статический вес, например, багажа или груза, и обычно составляют от 50 до 150 кг. Динамические силы увеличиваются, когда автомобиль находится в движении; это происходит при ускорении, торможении и прохождении поворотов. Динамический вес может вдвое или даже втрое превышать статический. Кронштейны должны выдерживать ударные нагрузки, в пять раз превышающие номинальную мощность в тяжелых условиях движения. Это особенно важно при изготовлении кронштейнов для багажника на крышу, так как они обычно изготавливаются по индивидуальному заказу для внедорожников или коммерческих целей. При проектировании инженеры обычно используют коэффициент безопасности 2,0 или выше.

Оптимизация формы и толщины материалов

Прочность и жесткость зависят от толщины материала. Для стали типична толщина 4-6 мм. В случае с алюминием для экономии веса обычно используется 2 -3 мм. Сформированные формы, такие как C-профили или Z-образные кронштейны, часто используются в кронштейнах для багажника на крышу, чтобы добавить жесткости без увеличения массы. Коробчатые конструкции повышают устойчивость к изгибу и кручению. Оптимизация геометрии и распределения напряжений осуществляется с помощью программного обеспечения FEA. Этот метод применим к кронштейнам автомобильных багажников, особенно в серийном производстве.

Выравнивание креплений и посадка на автомобиль

Кронштейны должны выдерживать вибрации от неровностей дороги и ветра. Эти нагрузки со временем могут привести к усталостному разрушению, если не принять меры. Проектировщики должны избегать острых углов и напряженных участков. Смягченные края и переходы исключают риск появления трещин. Кронштейны для багажника на крышу, применяемые в условиях бездорожья, проходят несколько циклов испытаний в лабораторных условиях. Это обеспечивает долгосрочную безопасность и долговечность.

Покрытие поверхности и устойчивость к воздействию окружающей среды

Они нуждаются в надежной защите от коррозии под воздействием дождя, соли и солнца. Кронштейны автомобильных багажников обычно окрашиваются порошковыми красками или оцинковываются. Порошковое покрытие запекается при температуре 180-200 о С и устойчиво к ультрафиолету и ржавчине. Обычные стальные кронштейны для багажника на крышу гальванизированы цинком, который обеспечивает жертвенную защиту. Покрытия, используемые в прибрежной или снежной среде, должны выдержать 500 часов или более испытаний в соляном тумане, чтобы считаться надежными.

Монтажные системы и совместимость

Кронштейны для багажника на крышу автомобиля представлены в трех основных стилях:

Кронштейны для крепления желобов

Применяется на старых автомобилях с водосточными трубами. Эти кронштейны обычно выдерживают вес 80 кг на пару.

Кронштейны для зажимного крепления

Применяются с прорезиненными ножками и прижимными пластинами к дверным косякам. Статическая грузоподъемность - 75 кг.

Трековые системы крепления

Кронштейны для багажников на крышу, изготовленные на заказ, крепятся к крыше с помощью болтов M8, затянутых до 1820 Нм, с уплотнительными прокладками для придания водонепроницаемости.

Тематическое исследование: Строительство внедорожной экспедиции

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.

Платформа и требования к транспортным средствам

Используемый автомобиль - Toyota Land Cruiser 76 Series 2021 года выпуска, подвеска - цельная ось, нагрузка на крышу - 150 кг. Путешествие по суше должно было состоять из установки палаток на крыше, держателей канистр и солнечных батарей. Общая статическая нагрузка на крышу оценивается в 120 кг. Заводские рейлинги оказались недостаточными, поэтому инженеры изготовили пару кронштейнов для багажника на крышу, которые подходили для системы водосточных труб Land Cruiser. Такие кронштейны должны были выдерживать не только вес, но и экстремальные вибрации при езде по бездорожью.

Конструкция кронштейна и выбор материала

Кронштейны были конструктивно вырезаны лазером из холоднокатаной низкоуглеродистой стали толщиной 5 мм (марка CR4). Из каждого кронштейна с помощью гидравлического листогибочного станка с ЧПУ был согнут П-образный профиль с фланцами жесткости. Моделирование напряжений было проведено для проверки кронштейна с эквивалентной динамической нагрузкой 450 кг (3,75 × статическая). В критических точках напряжения кронштейны Custom Roof rack получили приваренную ластовицу", чтобы повысить жесткость на кручение и не утяжелять конструкцию. Для покрытия кронштейнов использовалось горячее цинкование, а затем матовое черное порошковое покрытие отверждалось при 190 o C / 25 мин, чтобы выдержать суровое воздействие ультрафиолета в пустыне и возможный дождь.

Загрузка и монтаж распределителя

Кронштейны были прикреплены к водосточным желобам Land Cruiser с помощью U-образных болтов M8 из нержавеющей стали и контргаек, затянутых с моментом 20 Нм. Чтобы избежать стирания краски и вибрации, между основанием кронштейна и автомобилем были проложены резиновые прокладки (неопрен толщиной 5 мм). Они были нагружены через шесть кронштейнов автомобильного багажника (по три с каждой стороны), расположенных на расстоянии 650 мм друг от друга, чтобы обеспечить наилучшее распределение нагрузки. Динамические испытания показали отсутствие смещения даже после 500 км смешанных испытаний.

В этом разделе будут рассмотрены результаты работы в экспедиции.

Анализ и коррекция после поездки

Кронштейны были демонтированы и осмотрены после поездки. Ни один из них не имел явных следов усталости или поверхностной коррозии. Испытание соляным туманом показало, что покрытие превышает стандарты 750-часовой стойкости. Отзывы специалистов вызвали необходимость внесения небольших изменений в конструкцию будущих моделей, таких как более длинные щелевые отверстия для облегчения регулировки и дополнительные отверстия для крепления аксессуаров. Следующие усовершенствования также обеспечивают лучшую универсальность кронштейнов автомобильных багажников в суровых условиях.

Заключение

При выборе кронштейна для багажника на крышу необходимо учитывать не только его размеры, но и долговечность, безопасность и производительность. Как пользовательские кронштейны для багажника на крышу, так и кронштейны для автомобильного багажника на крышу должны быть точно спроектированы, независимо от того, создаете ли вы их для суровых экспедиций или для повседневной эксплуатации. Будь то выбор материала и процедура сварки или тепловое расширение и циклические испытания - каждый аспект важен для обеспечения надежности итоговой системы. Инвестиции в высококачественные кронштейны могут показаться незначительными, однако, когда ваше снаряжение, инструменты или даже ваша Палатка на вершинеИ это становится одним из самых важных решений, которые вы можете принять.

Вопросы и ответы

Q1: Каков весовой рейтинг кронштейнов багажника на крышу?

Кронштейны багажника на крышу обычно рассчитаны на статическую нагрузку 75 150 кг в зависимости от материала и конструкции. Они должны выдерживать в 2-5 раз большую нагрузку в динамических условиях, например, при езде по бездорожью или скоростном движении. Никогда не забывайте о коэффициенте безопасности кронштейна, который должен составлять 2,0 или более.

Q2: Можно ли установить кронштейны для багажника на крышу автомобиля без внесения изменений в конструкцию автомобиля?

И да, большинство таких вещей, как кронштейны автомобильных багажников, предназначены для использования заводских точек крепления или рейлингов на крыше. Тем не менее, нестандартные кронштейны багажника на крышу могут потребовать незначительной корректировки или специальных монтажных комплектов, особенно на необычных автомобилях или экспедиционных машинах.

Вопрос 3: Какие материалы подходят для кронштейнов багажника в суровых условиях?

Обычно используются оцинкованная сталь и анодированный алюминий. Нестандартные кронштейны для багажника на крышу могут быть изготовлены из стали толщиной 4-6 мм, покрыты порошковой краской и защищены от коррозии, поэтому они могут выдерживать воздействие соли, ультрафиолета и широких температурных диапазонов.

Выход из мобильной версии