Kuinka SOLIDWEDGE™-puristusvoima lasketaan

Puristusvoima on kiilalukkomekanismin tuotos, ja se ohjaa kahta kriittisintä suorituskykyvaatimusta johtavuusjäähdytetyssä VPX-järjestelmässä: mekaanista kiinnitystä iskun ja tärinän aikana sekä lämpökontaktin laatua rungon kylmän seinämän rajapinnassa. Mutta puristusvoima ei ole yksinkertainen funktio siitä, kuinka kovaa kiristät käyttöruuvia. Kiilan geometria, ramppipintojen määrä ja kitka jokaisella kosketuspinnalla vaikuttavat kaikki lopulliseen tulokseen. Tämä artikkeli käy läpi SOLIDWEDGE™ kiilalukkojen mekaniikan ja osoittaa, miten puristusvoima arvioidaan tietylle kokoonpanolle.

Miksi puristusvoimalla on merkitystä?

Kestävässä VPX-rungossa kiilalukko on moduulin ja kylmän seinämän liuskan ensisijainen rakenteellinen yhteys. Sen on suoritettava kahta tehtävää samanaikaisesti.

Ensimmäinen on mekaaninen kiinnitys. Kun järjestelmä kokee iskua tai tärinää, puristusvoima pitää moduulin paikallaan liusassa. Riittämätön puristusvoima sallii kortin liikkua, mikä voi aiheuttaa liitinten kulumista, ajoittaisia vikoja ja mekaanista väsymistä. Sotilas- ja ilmailusovelluksissa vaaditaan usein ankaria isku- ja korkean g:n tärinäympäristöjä, ja kiilalukon puristusvoiman on oltava riittävä pitämään moduuli näiden tapahtumien läpi varmuusmarginaalilla.

Toinen on tehokkaan lämpöpolun luominen moduulista runkoon. Korkeampi puristusvoima luo enemmän kontaktipainetta kiilalukon ja kylmän seinämän rajapinnassa, mikä vähentää rajapinnan lämpövastusta ja parantaa lämmönsiirtoa. Korkean tehon moduuleille, jotka hajottavat 50–100 wattia tai enemmän, riittämätön puristusvoima johtaa suoraan kohonneisiin komponenttilämpötiloihin ja heikentyneeseen järjestelmän luotettavuuteen. Sama voima, joka pitää kortin mekaanisesti paikallaan, myös ohjaa johtavuusjäähdytystä.

Miten kiilalukko tuottaa puristusvoiman?

Kiilalukko muuntaa pyörivän ruuviväännön sivuttaiseksi puristusvoimaksi kaltevien ramppipintojen järjestelmän kautta. Kun käyttöruuvia kiristetään, se vetää käyttökiilaa aksiaalisesti kiilalukon pituussuunnassa. Käyttökiila liikkuu kaltevilla ramppipinnoilla, jotka ovat yhteisiä vierekkäisille kiilasegmenteille. Kun käyttökiila etenee, nämä kaltevat pinnat työntävät kiilasegmenttejä ulospäin, painaen niitä rungon kylmää seinämää vasten toisella puolella, kun taas kortin lämpökehys on suorassa kontaktissa toisella puolella.

Kilven kulma ja kitkaolosuhteet jokaisessa liitoksessa määräävät, kuinka tehokkaasti aksiaalinen sisääntulovoima muuttuu sivuttaiseksi puristusvoimaksi. Tämä muunnos ei ole 1:1, ja sen kvantitatiivinen ymmärtäminen on välttämätöntä todellisen suorituskyvyn ennustamiseksi vaihtelevissa pintaolosuhteissa ja vääntömomenttivaatimuksissa.

Vetoruuvin vääntömomentin muuntaminen aksiaaliseksi voimaksi

Ennen kilpiramppien analysointia vetoruuvin vääntömomentti on muunnettava aksiaaliseksi sisääntulovoimaksi. Väännön ja aksiaalivoiman välinen suhde riippuu ruuvin halkaisijasta ja kitkasta ruuvin ja vetokilven välillä:

F_IN = Tk × D

• T = Sovellettu vetoruuvin vääntömomentti (in·lb)
• k = Kitkakerroin ruuvin ja vetokilven välillä (≈ 0,25 tyypilliselle laitteistolle)
• D = Ruuvin suurin halkaisija (tuumina)

#6-32 vetoruuville (D = 0,138 tuumaa), joka on kiristetty 10 in·lb vääntömomenttiin:

F_SISÄÄN = 100.25 × 0.138 = 290 lb

Tämä on aksiaalinen sisääntulo kilpirampin järjestelmään. Huomaa, että suurempi ruuvin halkaisija pienentää F_SISÄÄN saman väännön vuoksi, koska kierteiden kitka vaikuttaa pidemmällä momenttivarrella. Vääntömomenttivaatimuksissa on otettava huomioon ruuvin koko halutun puristusvoiman saavuttamiseksi.

Kilpirampin voimatasapaino

Kun F_SISÄÄN on vakiintunut, yksittäisen kilpirampin liitoksen mekaniikka määrittää aksiaalisen sisääntulon ja sivuttaisen puristusvoiman välisen suhteen. Voimajärjestelmä on esitetty kahdessa vapaakappalediagrammissa.

Ensimmäinen kuva näyttää vetokilven itsessään. Aksiaalinen sisääntulovoima F_SISÄÄN työntää sitä eteenpäin kilpilukon rungon suuntaisesti. Kaltevalla rampin pinnalla normaalivoima F_N vaikuttaa kohtisuoraan pintaa vastaan ja rampin kitkavoima F_f2 (kerroin μ₂) vaikuttaa sen suuntaisesti. Kylmän seinän kitka F_f1 (kerroin μ₁) vaikuttaa pohjassa. Näiden voimien yhdistetty reaktio on sivuttaissuuntainen puristusvoima F_ULOS.

Toinen kuva näyttää parittuvan kilpisegmenttiparin. Jokainen segmentti saa aksiaalisen sisääntulon yhdeltä pinnalta ja tuottaa puristusvoiman F_ULOS kohtisuoraan alustan kylmää seinää vasten. Kitkavoima F_f1 vaikuttaa jokaisella kylmän seinän kosketuspinnalla, vastustaen molempien segmenttien sivuttaislaajenemista.

Voimien summaaminen kylmän seinän kohtisuoraan suuntaan

Kun kaltevan pinnan pinta on kallistettu kulmaan θ, voimien summaaminen kylmän seinän kohtisuoraan suuntaan:

F_ULOS + μ₂F_Nsinθ − F_Ncosθ = 0

F_N = F_ULOScosθ − μ₂sinθ

Voimien summaaminen kiilan akselin suuntaisesti

Voimien summaaminen kiilan akselin suuntaisesti:

F_SISÄÄN − μ₁F_ULOS − F_N(sinθ + μ₂cosθ) = 0

Kahden yhtälön yhdistäminen

Yhdistämällä nämä yhtälöt:

F_ULOS = F_SISÄÄN × cosθ − μ₂sinθsinθ + μ₁cosθ + μ₂cosθ − μ₁μ₂sinθ

Yksinkertaistetussa muodossa:

F_ULOS = F_SISÄÄN × 1 − μ₂tanθtanθ + μ₁ + μ₂(1 − μ₁tanθ)

Tämä on puristusvoiman osuus yhdestä kaltevasta rajapinnasta. Suhde F_ULOS / F_SISÄÄN on yhden kaltevan pinnan mekaaninen hyötysuhde, ja se määräytyy täysin kiilan kulman ja kahden kosketuspinnan kitkakertoimien perusteella.

Täydellinen SOLIDWEDGE™ puristusvoimayhtälö

SOLIDWEDGE™ wedgelockissa on useita kaltevia rajapintoja, ja kukin niistä vaikuttaa itsenäisesti kokonaipuristusvoimaan. Kertomalla yksittäisen rajapinnan tulos N:llä, kaltevien rajapintojen lukumäärällä, saadaan koko wedgelockin kokonaipuristusvoima:

F_ULOS = N × F_SISÄÄN × 1 − μ₂tanθtanθ + μ₁ + μ₂(1 − μ₁tanθ)

Kun μ₁ ja μ₂ ovat yhtä suuret (kohtuullinen likiarvo, kun kaikki kosketuspinnat ovat samanlaisia materiaaleja ja viimeistelyjä) ja θ = 45° (joten tanθ = 1), yhtälö yksinkertaistuu muotoon:

F_ULOS = N × F_SISÄÄN × 1 − μ1 + 2μ − μ²

Tätä yksinkertaistettua muotoa on helppo arvioida mille tahansa kitkakertoimelle ja rampin määrälle.

Mitkä muuttujat ohjaavat puristusvoimaa?

Puristusvoiman yhtälö paljastaa neljä itsenäistä muuttujaa, joihin insinöörit voivat vaikuttaa suunnittelu- ja asennusvalinnoilla. Jokaisella on oma selkeä fysikaalinen tulkintansa.

Rampin rajapintojen määrä (N)

N esiintyy suorana kertoimena ilman vuorovaikutustekijöitä. Rampin rajapintojen lisääminen kasvattaa kokonaispuristusvoimaa suhteessa. SOLIDWEDGE™-kiilalukot on suunniteltu tiettyjen rampin määrien mukaan saavuttamaan tavoitepuristusvoimat standardivääntömomentilla, ja kiilalukkojen vertaaminen rampin määrän perusteella on yksi suorimmista tavoista vertailla niiden puristuskykyä.

Sovelluksiin, jotka tarvitsevat enemmän puristusvoimaa ilman vääntömomentin muutosta, SOLIDWEDGE™ SW7 7-segmenttiset kiilalukot tuottavat suuremman puristusvoiman kuin SW5-mallit, joissa on vähemmän segmenttejä. Lisätyt kaltevat rajapinnat tarkoittavat suoraan suurempaa sivuttaisvoimaa kylmälle pinnalle samalla ruuvin syötöllä.

Kiilakulma (θ)

Matalampi kiilakulma lisää mekaanista vipuvoimaa per rajapinta. Arviointitaulukon N = 5, θ = 35° sarake näyttää kertoimia, jotka ovat 40–50 % korkeammat kuin N = 5, θ = 45° sarakkeessa koko kitkakertoimen alueella. Kuitenkin matalammat kulmat vaativat enemmän aksiaalista liikettä tiettyä sivuttaislaajenemaa varten, mikä asettaa geometrisia rajoituksia kiilalukon rungon suunnittelulle.

WaveThermin SOLIDWEDGE™ Max Force ja Magnum Force -sarjan wedgelocks-kiinnikkeet käyttävät kauttaaltaan 30° kaltevuuksia, tuottaen merkittävästi suuremman puristusvoiman kuin tavalliset 45°-mallit samalla vääntömomentilla. Sovelluksissa, joissa maksimaalinen puristusvoima on ensisijainen ja geometria sen sallii, matalampi kaltevuuskulma on yksi tehokkaimmista vipuvarren muodoista.

Kitkakerroin (μ)

Kitka on muuttuja, jolla on eniten todellista vaihtelua, ja sillä on suurin käytännön vaikutus puristusvoimaan. Kun μ = 0 (kitkaton), 4-rajapintainen kiila 45° kulmassa tuottaa kertoimen 4,00. Kun μ = 0,25, sama kiila tuottaa kertoimen 2,09. Tämä on lähes 48 %:n vähennys puristustehokkuudessa pelkän kitkan vuoksi.

Pintakäsittely ja puhtaus vaikuttavat suoraan μ-arvoon. Kuluneet tai likaiset pinnat lisäävät kitkaa ja vähentävät puristusvoimaa alle sen, mitä vääntömomenttivaatimus ennustaisi. Tästä syystä asennuksen pintakunnolla on merkitystä, ja miksi kentällä kulunut laitteisto voi kehittää pidätyskyvyn ja lämmönhallinnan puutteita, vaikka vääntömomenttivaatimus täyttyisikin.

SOLIDWEDGE™ wedgelocks -kiinnikkeet ovat saatavilla pintakäsittelyvaihtoehdoilla, jotka on valittu erityisesti kitkan minimoimiseksi ja pitkäaikaisen kulumisen vähentämiseksi. BA (musta anodisoitu), BH (musta anodisoitu karkaistu) ja EN (elektrolyyttivapaa nikkeli) ovat parhaat vaihtoehdot matalan kitkan ylläpitämiseen kiinnityspintojen välillä toistuvien asennuskertojen aikana, mikä auttaa säilyttämään puristuskyvyn kenttäjärjestelmissä.

Vääntömomentti ja ruuvin halkaisija (T ja D)

F_SISÄÄN skaalaa lineaarisesti vääntömomentin kanssa ja kääntäen ruuvin halkaisijan kanssa. Vääntömomenttivaatimuksen kasvattaminen lisää syöttövoimaa suhteessa. Suuremman ruuvin halkaisijan käyttäminen vähentää syöttövoimaa samalla vääntömomentilla, koska kierteiden kitka vaikuttaa pidemmän momenttivarren kautta. Kiilalukon mitoittamisessa puristusvoimavaatimukseen on arvioitava vääntömomentti, ruuvin koko ja kaltevuus yhdessä, eikä käsitellä mitään yksittäistä parametria erillään.

WaveThermin Magnum Force -kiilalukot käyttävät #10-kokoista ruuvia, ja useat SOLIDWEDGE™-variantit käyttävät #8-kokoista ruuvia, jotka molemmat ovat suurempia kuin #6-32-standardi. Vaikka suurempi ruuvin halkaisija yksinään vähentäisi F_IN:ää kiinteällä vääntömomentilla, nämä mallit on yhdistetty korkeampiin vääntömomenttivaatimuksiin, jotka kompensoivat tämän enemmän kuin tarpeeksi, tuottaen suuremman aksiaalisen syöttövoiman ja korkeamman kokonaispuristusvoiman.

Puristusvoiman kertoimen viitettaulukko

Alla oleva taulukko antaa puristusvoiman kertoimen (F_ULOS / F_SISÄÄN) yleisille SOLIDWEDGE™-kokoonpanoille eri kitkakertoimilla. Kerro taulukon arvo lasketulla F-arvolla_SISÄÄN arvioimaan kokonaispuristusvoima.

μ	N = 2 θ = 45°	N = 3 θ = 45°	N = 4 θ = 45°	N = 5 θ = 45°	N = 5 θ = 35°
0	2.00	3.00	4.00	5.00	7.14
0.05	1.73	2.60	3.46	4.33	6.04
0.10	1.51	2.27	3.03	3.78	5.21
0.15	1.33	2.00	2.66	3.33	4.55
0.20	1.18	1.76	2.35	2.94	4.01
0.25	1.04	1.57	2.09	2.61	3.57
0.30	0.93	1.39	1.85	2.32	3.19
0.35	0.82	1.24	1.65	2.06	2.87
0.40	0.73	1.10	1.46	1.83	2.59

Esimerkki

Harkitse SOLIDWEDGE™-kokoonpanoa, jossa on 4 rampin rajapintaa kulmassa θ = 45°, #6-32 kiertokierre ruuvi kiristettynä 10 in·lb vääntömomentilla ja tyypilliset kuivat kosketuspinnat (μ ≈ 0.3).

Vaihe 1: Laske F_SISÄÄN

F_IN = Tk × D = 100.25 × 0.138 = 290 lb

Vaihe 2: Etsi kerroin

Taulukosta: N = 4, θ = 45°, μ = 0.30 antaa kertoimen 1.85.

Vaihe 3: Laske kokonaispuristusvoima

F_OUT = 1.85 × 290 lb = 536 lb

Nuo 536 lb on kokonaispuristusvoima, joka painaa kiilasegmenttejä kylmää seinämää vasten, jakautuen wedgelockin kosketuspituudelle. Tämä voima varmistaa samanaikaisesti moduulin dynaamisen kuormituksen kestävyyden ja luo kosketuspainetta, joka ohjaa johtumisjäähdytystä.

Mitä tämä tarkoittaa suunnittelullesi

Rampin lukumäärä, kiilan kulma ja kitkakerroin vaikuttavat kaikki puristusvoiman tuottoon. Kun tarvitaan enemmän voimaa, rampin lukumäärän lisääminen tai kiilan kulman pienentäminen ovat suorimmat tavat parantaa puristuskykyä, ja koska suurempi puristusvoima parantaa sekä johtumisen jäähdytystä että pitoa iskussa ja tärinässä, yhden vaatimuksen optimointi parantaa samalla myös toista.

SOLIDWEDGE™ wedgelocks on suunniteltu tiettyjen kaltevuuksien ja kulmien mukaan saavuttamaan ennustettava puristusvoima määritellyllä vääntömomenttialueella. Insinööreille, jotka tarvitsevat varmistaa pidon marginaalit tai lämmönsiirtokyvyn, tässä kuvattu mekaniikka tarjoaa analyyttisen perustan näille laskelmille. Tarkempaa tietoa puristusvoiman kääntymisestä mitatuksi lämmönvastukseksi löydät artikkelistamme kuinka wedgelockin lämmönsiirtokyky mitataan.