Comment la force de serrage SOLIDWEDGE™ est calculée
La force de serrage est le résultat d'un mécanisme de verrou à coin, et elle répond à deux des exigences de performance les plus critiques dans un système VPX refroidi par conduction : la rétention mécanique sous choc et vibration, et la qualité du contact thermique à l'interface paroi froide du châssis. Mais la force de serrage n'est pas une fonction simple de la force avec laquelle vous serrez la vis de commande. La géométrie du coin, le nombre d'interfaces en rampe et le frottement à chaque surface de contact interagissent tous pour déterminer le résultat final. Cet article explique la mécanique derrière les verrous SOLIDWEDGE™ et montre comment estimer la force de serrage pour une configuration donnée.
Pourquoi la force de serrage est-elle importante ?
Dans un châssis VPX robuste, le verrou à coin est la connexion structurelle principale entre le module et le slot de la paroi froide. Il doit remplir deux fonctions simultanément.
Le premier est la rétention mécanique. Lorsqu'un système subit un choc ou des vibrations, la force de serrage est ce qui maintient le module en place dans le slot. Une force de serrage insuffisante permet à la carte de bouger, ce qui peut provoquer des frottements sur les connecteurs, des défauts intermittents et une fatigue mécanique. Les applications militaires et aérospatiales spécifient régulièrement des environnements de choc sévère et de vibrations élevées, et la force de serrage du verrou à coin doit être suffisante pour maintenir le module durant ces événements avec une marge de sécurité.
Le second point est d'établir un chemin thermique efficace du module vers le châssis. Une force de serrage plus élevée crée une pression de contact plus importante à l'interface verrou à coin-paroi froide, ce qui réduit la résistance thermique interfaciale et améliore le transfert de chaleur. Pour les modules haute puissance dissipant 50 à 100 watts ou plus, une force de serrage insuffisante conduit directement à des températures de composants élevées et à une fiabilité système réduite. La même force qui maintient mécaniquement la carte assure également le refroidissement par conduction.
Comment un verrou à coin génère-t-il la force de serrage ?
Un verrou à coin convertit le couple de rotation de la vis en force de serrage latérale grâce à un système d'interfaces en rampe inclinée. Lorsque la vis de commande est serrée, elle tire axialement le coin de commande le long de la longueur du verrou à coin. Le coin de commande glisse contre des surfaces de rampe inclinées partagées avec des segments de coin adjacents. À mesure que le coin de commande avance, ces surfaces inclinées poussent les segments de coin vers l'extérieur, les pressant contre la paroi froide du châssis d'un côté tandis que le cadre thermique de la carte entre en contact direct de l'autre.
L'angle du coin et les conditions de friction à chaque interface déterminent l'efficacité de la conversion de la force d'entrée axiale en force de serrage latérale de sortie. Cette conversion n'est pas de 1:1, et la comprendre quantitativement est nécessaire pour prédire la performance réelle selon les conditions de surface et les spécifications de couple variables.
Conversion du couple de la vis d'entraînement en force axiale
Avant d'analyser les rampes de coin, le couple de la vis d'entraînement doit être converti en force d'entrée axiale. La relation entre le couple et la force axiale dépend du diamètre de la vis et de la friction entre la vis et le coin d'entraînement :
FIN = Tk × D
- T = Couple appliqué à la vis d'entraînement (in·lb)
- k = Coefficient de friction entre la vis et le coin d'entraînement (≈ 0,25 pour le matériel typique)
- D = Diamètre majeur de la vis (in)
Pour une vis d'entraînement #6-32 (D = 0,138 in) serrée à 10 in·lb :
OrangeENTRÉE = 100.25 × 0.138 = 290 lb
Ceci est l'entrée axiale au système de rampe de coin. Notez qu'un diamètre de vis plus grand réduit FENTRÉE pour le même couple car la friction du filetage agit sur un bras de levier plus long. Les spécifications de couple doivent tenir compte de la taille de la vis pour atteindre une force de serrage cible.
L'équilibre des forces de la rampe de coin
Avec FENTRÉE établie, la mécanique d'une interface de rampe de coin unique détermine la relation entre l'entrée axiale et la force de serrage latérale de sortie. Le système de forces est représenté dans deux diagrammes de corps libre.
Le premier montre le coin d'entraînement lui-même. Force d'entrée axiale FENTRÉE la pousse vers l'avant le long du corps du verrou de coin. À la surface inclinée de la rampe, la force normale FN agit perpendiculairement à la face et force de friction de rampe Ff2 (coefficient μ2) agit le long de celle-ci. Friction du mur froid Ff1 (coefficient μ1) agit à la base. La réaction combinée de ces forces est la force de serrage latérale FSORTIE.
Le second montre la paire de segments de coin en contact. Chaque segment reçoit une entrée axiale sur une face et produit une force de serrage de sortie FSORTIE perpendiculaire au mur froid du châssis. Force de friction Ff1 agit à chaque surface de contact du mur froid, s'opposant à l'expansion latérale des deux segments.
Somme des forces perpendiculaires à la paroi froide
Avec la surface de la rampe inclinée à l'angle θ, somme des forces perpendiculaires à la paroi froide :
OrangeSORTIE + μ2OrangeNsinθ − FNcosθ = 0
FN = FOUTcosθ − μ2sinθ
Somme des forces le long de l'axe de la cale
Somme des forces le long de l'axe de la cale :
OrangeENTRÉE − μ1OrangeSORTIE − FN(sinθ + μ2cosθ) = 0
Combinaison des deux équations
En combinant ces équations :
FOUT = FIN × cosθ − μ2sinθsinθ + μ1cosθ + μ2cosθ − μ1μ2sinθ
Sous forme simplifiée :
FOUT = FIN × 1 − μ2tanθtanθ + μ1 + μ2(1 − μ1tanθ)
Ceci est la contribution de la force de serrage d'une seule interface de rampe. Le rapport FSORTIE / FENTRÉE est l'efficacité mécanique d'une rampe, entièrement déterminée par l'angle de la cale et les coefficients de frottement aux deux surfaces de contact.
L'équation complète de la force de serrage SOLIDWEDGE™
Un verrou SOLIDWEDGE™ possède plusieurs interfaces de rampe, et chacune contribue indépendamment à la force de serrage totale. En multipliant le résultat par interface par N, le nombre d'interfaces de rampe, on obtient la force de serrage totale pour l'ensemble du verrou :
FOUT = N × FIN × 1 − μ2tanθtanθ + μ1 + μ2(1 − μ1tanθ)
Lorsque μ1 et μ2 sont égaux (une approximation raisonnable lorsque toutes les surfaces de contact sont des matériaux et finitions similaires) et θ = 45° (donc tanθ = 1), l'équation se simplifie en :
FOUT = N × FIN × 1 − μ1 + 2μ − μ²
Cette forme simplifiée est facile à évaluer pour tout coefficient de frottement et nombre de rampes.
Quelles variables contrôlent la force de serrage ?
L'équation de la force de serrage met en évidence quatre variables indépendantes que les ingénieurs peuvent influencer par des choix de conception et d'installation. Chacune a une interprétation physique distincte.
Nombre d'interfaces de rampe (N)
N apparaît comme un multiplicateur direct sans termes d'interaction. Ajouter des interfaces de rampe augmente proportionnellement la force de serrage totale. Les wedgelocks SOLIDWEDGE™ sont conçus avec un nombre spécifique de rampes pour atteindre les forces de serrage cibles aux spécifications de couple standard, et comparer les wedgelocks par nombre de rampes est l'une des façons les plus directes de comparer leur capacité de serrage.
Pour les applications nécessitant une force de serrage plus élevée sans modifier la spécification de couple, les SOLIDWEDGE™ SW7 7-segments wedgelocks produisent une force de serrage supérieure à celle de leurs homologues SW5 avec moins de segments. Les interfaces supplémentaires des rampes se traduisent directement par une force latérale plus importante au niveau de la paroi froide pour la même entrée de vis.
Angle du coin (θ)
Un angle de coin plus faible augmente l'avantage mécanique par interface. La colonne N = 5, θ = 35° dans le tableau d'estimation montre des multiplicateurs 40 à 50 % plus élevés que la colonne N = 5, θ = 45° sur toute la plage de frottement. Cependant, des angles plus faibles nécessitent un déplacement axial plus important pour une expansion latérale donnée, ce qui impose des contraintes géométriques sur la conception du corps du wedgelock.
Les séries de verrouillages à coin SOLIDWEDGE™ Max Force et Magnum Force de WaveTherm utilisent des rampes à 30° sur toute la surface, produisant une force de serrage nettement plus élevée que les conceptions standard à 45° pour le même couple d'entrée. Pour les applications où la force de serrage maximale est la priorité et que la géométrie le permet, l'angle de rampe plus faible est l'un des leviers les plus efficaces disponibles.
Coefficient de friction (μ)
La friction est la variable avec la plus grande variabilité en conditions réelles, et elle a le plus grand impact pratique sur la force de serrage. À μ = 0 (sans friction), un coin à 4 interfaces à 45° produit un multiplicateur de 4,00. À μ = 0,25, le même coin produit un multiplicateur de 2,09. Cela représente une réduction de près de 48 % de l'efficacité de serrage due à la friction seule.
La finition de surface et la propreté affectent directement μ. Les surfaces usées ou contaminées augmentent la friction et réduisent la force de serrage en dessous de ce que la spécification de couple prédirait. C'est pourquoi l'état de surface lors de l'installation est important, et pourquoi le matériel usé sur le terrain peut développer des déficits de rétention et de performance thermique même lorsque la spécification de couple est respectée.
Les verrouillages à coin SOLIDWEDGE™ sont disponibles avec des options de finition de surface spécifiquement choisies pour minimiser la friction et réduire l'usure à long terme. BA (Anodisé Noir), BH (Anodisé Noir Durci) et EN (Nickel chimique) sont les meilleures options pour maintenir une faible friction aux interfaces du coin sur des cycles d'installation répétés, aidant à préserver la performance de serrage dans les systèmes en service.
Couple et diamètre de la vis (T et D)
OrangeENTRÉE varie linéairement avec le couple et inversement avec le diamètre de la vis. L'augmentation de la spécification de couple élève la force d'entrée proportionnellement. L'utilisation d'un diamètre de vis plus grand réduit la force d'entrée pour le même couple car la friction du filetage agit sur un bras de levier plus long. Lors du dimensionnement d'un wedgelock pour une exigence de force de serrage, le couple, la taille de la vis et la configuration de la rampe doivent tous être évalués ensemble plutôt que de traiter un paramètre isolément.
Les Magnum Force wedgelocks de WaveTherm utilisent une vis d'entraînement #10, et plusieurs variantes de SOLIDWEDGE™ utilisent une vis d'entraînement #8, toutes deux plus grandes que la norme #6-32. Bien qu'un diamètre de vis plus grand réduirait seul FIN à un couple fixe, ces conceptions sont associées à des spécifications de couple plus élevées qui compensent largement, produisant une force d'entrée axiale plus grande et une force de serrage globale plus élevée.
Tableau de référence des multiplicateurs de force de serrage
Le tableau ci-dessous donne le multiplicateur de force de serrage (FSORTIE / FENTRÉE) pour les configurations courantes de SOLIDWEDGE™ sur une gamme de coefficients de friction. Multipliez la valeur du tableau par la force F calculéeENTRÉE pour estimer la force totale de serrage.
| 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 |
Exemple
Considérez une configuration SOLIDWEDGE™ avec 4 interfaces de rampe à θ = 45°, une vis de serrage #6-32 serrée à 10 in·lb, et des surfaces de contact sèches typiques (μ ≈ 0,3).
Étape 1 : Calculer FENTRÉE
FIN = Tk × D = 100.25 × 0.138 = 290 lb
Étape 2 : Rechercher le multiplicateur
D'après le tableau : N = 4, θ = 45°, μ = 0,30 donne un multiplicateur de 1,85.
Étape 3 : Calculer la force totale de serrage
FOUT = 1,85 × 290 lb = 536 lb
Ces 536 lb représentent la force totale de serrage pressant les segments de cale contre la paroi froide, répartie le long de la longueur de contact du wedgelock. Cette force sécurise simultanément le module contre les charges dynamiques et établit la pression de contact qui favorise le refroidissement par conduction.
Ce que cela signifie pour votre conception
Le nombre de rampes, l'angle de la cale et le coefficient de friction influent tous sur la force de serrage. Lorsque plus de force est nécessaire, augmenter le nombre de rampes ou réduire l'angle de la cale sont les moyens les plus directs d'améliorer la performance de serrage, et parce qu'une force de serrage plus élevée améliore à la fois le refroidissement par conduction et la rétention sous choc et vibration, optimiser pour une exigence améliore l'autre en même temps.
Les verrouillages à coin SOLIDWEDGE™ sont conçus avec un nombre et des angles de rampes spécifiques pour obtenir une force de serrage prévisible sur une plage de couple définie. Pour les ingénieurs qui doivent vérifier les marges de retenue ou la performance du contact thermique, la mécanique décrite ici fournit la base analytique pour ces calculs. Pour un aperçu plus détaillé de la façon dont la force de serrage se traduit en résistance thermique mesurée, consultez notre article sur la mesure de la performance thermique des verrouillages à coin.
