Come viene calcolata la forza di serraggio SOLIDWEDGE™
La forza di serraggio è il risultato di un meccanismo wedgelock e determina due dei requisiti di prestazione più critici in un sistema VPX raffreddato per conduzione: la ritenzione meccanica sotto urti e vibrazioni, e la qualità del contatto termico all'interfaccia con la parete fredda del telaio. Ma la forza di serraggio non è una semplice funzione di quanto si stringa la vite di azionamento. La geometria del cuneo, il numero di interfacce a rampa e l'attrito su ogni superficie di contatto interagiscono tutti per determinare il risultato finale. Questo articolo illustra la meccanica dietro i wedgelock SOLIDWEDGE™ e dimostra come stimare la forza di serraggio per una configurazione data.
Perché la forza di serraggio è importante?
In un telaio VPX robusto, il wedgelock è la connessione strutturale primaria tra il modulo e lo slot della parete fredda. Deve svolgere due compiti simultaneamente.
Il primo è la ritenzione meccanica. Quando un sistema subisce urti o vibrazioni, la forza di serraggio è ciò che mantiene il modulo posizionato nello slot. Una forza di serraggio insufficiente permette alla scheda di muoversi, il che può causare usura dei connettori, guasti intermittenti e fatica meccanica. Le applicazioni militari e aerospaziali specificano abitualmente ambienti con urti severi e vibrazioni ad alta g, e la forza di serraggio del wedgelock deve essere sufficiente a mantenere il modulo durante tali eventi con margine.
Il secondo aspetto è stabilire un percorso termico efficiente dal modulo al telaio. Una forza di serraggio maggiore crea una pressione di contatto più elevata all'interfaccia wedgelock-parete fredda, riducendo la resistenza termica interfaciale e migliorando il trasferimento di calore. Per moduli ad alta potenza che dissipano da 50 a 100 watt o più, una forza di serraggio insufficiente porta direttamente a temperature elevate dei componenti e a una ridotta affidabilità del sistema. La stessa forza che trattiene meccanicamente la scheda guida anche il raffreddamento per conduzione.
Come genera forza di serraggio un Wedgelock?
Un wedgelock trasforma la coppia rotazionale della vite in una forza di serraggio laterale tramite un sistema di interfacce a rampa angolata. Quando la vite di azionamento viene serrata, essa tira il cuneo di azionamento assialmente lungo la lunghezza del wedgelock. Il cuneo di azionamento scorre contro superfici inclinate a rampa condivise con segmenti di cuneo adiacenti. Man mano che il cuneo di azionamento avanza, queste superfici inclinate spingono i segmenti del cuneo verso l'esterno, premendoli contro la parete fredda del telaio da un lato mentre il telaio termico della scheda entra in contatto diretto dall'altro.
L'angolo del cuneo e le condizioni di attrito a ogni interfaccia determinano l'efficienza con cui la forza di ingresso assiale si converte in forza di serraggio laterale in uscita. Questa conversione non è 1:1, e comprenderla quantitativamente è necessario per prevedere le prestazioni reali in condizioni di superficie e specifiche di coppia variabili.
Conversione della coppia della vite di azionamento in forza assiale
Prima di analizzare le rampe del cuneo, la coppia della vite di azionamento deve essere convertita in una forza di ingresso assiale. La relazione tra coppia e forza assiale dipende dal diametro della vite e dall'attrito tra la vite e il cuneo di azionamento:
FIN = Tk × D
- T = Coppia applicata alla vite di azionamento (in·lb)
- k = Coefficiente di attrito tra vite e cuneo di azionamento (≈ 0,25 per hardware tipico)
- D = Diametro maggiore della vite (in)
Per una vite di azionamento #6-32 (D = 0,138 in) serrata a 10 in·lb:
FIN = 100.25 × 0.138 = 290 lb
Questo è l'ingresso assiale al sistema della rampa del cuneo. Nota che un diametro della vite maggiore riduce FIN per la stessa coppia perché l'attrito della filettatura agisce su un braccio di momento più lungo. Le specifiche della coppia devono tenere conto della dimensione della vite per raggiungere una forza di serraggio target.
L'equilibrio delle forze della rampa del cuneo
Con FIN stabilita, la meccanica di un singolo interfaccia a rampa del cuneo determina la relazione tra ingresso assiale e forza di serraggio laterale in uscita. Il sistema di forze è rappresentato in due diagrammi del corpo libero.
Il primo mostra il cuneo di azionamento stesso. La forza di ingresso assiale FIN la spinge in avanti lungo il corpo del wedgelock. Sulla superficie inclinata della rampa, la forza normale FN agisce perpendicolarmente alla faccia e alla forza di attrito della rampa Ff2 (coefficiente μ2) agisce lungo di essa. L'attrito sulla parete fredda Ff1 (coefficiente μ1) agisce alla base. La reazione combinata di queste forze è la forza di serraggio laterale FOUT.
Il secondo mostra la coppia di segmenti a cuneo accoppiati. Ogni segmento riceve un ingresso assiale su una faccia e produce una forza di serraggio in uscita FOUT perpendicolare alla parete fredda del telaio. Forza di attrito Ff1 agisce su ogni superficie di contatto della parete fredda, opponendosi all'espansione laterale su entrambi i segmenti.
Somma delle forze perpendicolari alla parete fredda
Con la superficie della rampa inclinata di un angolo θ, somma delle forze perpendicolari alla parete fredda:
FOUT + μ2FNsinθ − FNcosθ = 0
FN = FOUTcosθ − μ2sinθ
Somma delle forze lungo l'asse del cuneo
Somma delle forze lungo l'asse del cuneo:
FIN − μ1FOUT − FN(sinθ + μ2cosθ) = 0
Combinando le due equazioni
Combinando queste equazioni:
FOUT = FIN × cosθ − μ2sinθsinθ + μ1cosθ + μ2cosθ − μ1μ2sinθ
In forma semplificata:
FOUT = FIN × 1 − μ2tanθtanθ + μ1 + μ2(1 − μ1tanθ)
Questo è il contributo della forza di serraggio da una singola interfaccia a rampa. Il rapporto FOUT / FIN è l'efficienza meccanica di una rampa, ed è interamente determinata dall'angolo della cuneo e dai coefficienti di attrito sulle due superfici di contatto.
L'equazione completa della forza di serraggio SOLIDWEDGE™
Un wedgelock SOLIDWEDGE™ ha molteplici interfacce a rampa, e ciascuna contribuisce indipendentemente alla forza totale di serraggio. Moltiplicando il risultato per interfaccia per N, il numero di interfacce a rampa, si ottiene la forza totale di serraggio per l'intero wedgelock:
FOUT = N × FIN × 1 − μ2tanθtanθ + μ1 + μ2(1 − μ1tanθ)
Quando μ1 e μ2 sono uguali (una ragionevole approssimazione quando tutte le superfici di contatto sono materiali e finiture simili) e θ = 45° (quindi tanθ = 1), l'equazione si semplifica in:
FOUT = N × FIN × 1 − μ1 + 2μ − μ²
Questa forma semplificata è facile da valutare per qualsiasi coefficiente di attrito e numero di rampe.
Quali variabili controllano la forza di serraggio?
L'equazione della forza di serraggio rende visibili quattro variabili indipendenti che gli ingegneri possono influenzare attraverso scelte di progettazione e installazione. Ognuna ha una distinta interpretazione fisica.
Numero di interfacce di rampa (N)
N appare come un moltiplicatore diretto senza termini di interazione. Aggiungere interfacce di rampa aumenta proporzionalmente la forza totale di serraggio. Le wedgelock SOLIDWEDGE™ sono progettate con un numero specifico di rampe per raggiungere le forze di serraggio target alle specifiche standard di coppia, e confrontare le wedgelock in base al numero di rampe è uno dei modi più diretti per confrontarne la capacità di serraggio.
Per applicazioni che necessitano di una forza di serraggio maggiore senza modificare la specifica della coppia, SOLIDWEDGE™ SW7 wedge lock a 7 segmenti producono una forza di serraggio superiore rispetto ai loro corrispondenti SW5 con meno segmenti. Le interfacce aggiuntive della rampa si traducono direttamente in una maggiore forza laterale sulla parete fredda per lo stesso input della vite.
Angolo del cuneo (θ)
Un angolo della cuneo più basso aumenta il vantaggio meccanico per interfaccia. La colonna N = 5, θ = 35° nella tabella di stima mostra moltiplicatori dal 40 al 50% più alti rispetto alla colonna N = 5, θ = 45° su tutta la gamma di attrito. Tuttavia, angoli più bassi richiedono un maggiore spostamento assiale per una data espansione laterale, il che impone vincoli geometrici sul design del corpo della wedgelock.
Le serie di wedge lock SOLIDWEDGE™ Max Force e Magnum Force di WaveTherm utilizzano rampe a 30° su tutta la superficie, producendo una forza di serraggio significativamente superiore rispetto ai design standard a 45° con la stessa coppia in ingresso. Per applicazioni in cui la forza massima di serraggio è la priorità e la geometria lo consente, l’angolo di rampa più basso è una delle leve più efficaci disponibili.
Coefficiente di attrito (μ)
L'attrito è la variabile con la maggiore variabilità nel mondo reale, e ha il più grande impatto pratico sull'uscita di serraggio. A μ = 0 (senza attrito), un cuneo a 4 interfacce a 45° produce un moltiplicatore di 4,00. A μ = 0,25, lo stesso cuneo produce un moltiplicatore di 2,09. Questa è una riduzione di quasi il 48% dell'efficienza di serraggio dovuta solo all'attrito.
La finitura superficiale e la pulizia influenzano direttamente μ. Superfici usurate o contaminate aumentano l'attrito e riducono la forza di serraggio al di sotto di quanto previsto dalla specifica di coppia. Ecco perché la condizione della superficie al momento dell'installazione è importante, e perché l'hardware usurato in campo può sviluppare deficit di ritenzione e prestazioni termiche anche quando la specifica di coppia è rispettata.
I wedge lock SOLIDWEDGE™ sono disponibili con opzioni di finitura superficiale specificamente scelte per minimizzare l’attrito e ridurre l’usura a lungo termine. BA (Anodizzato Nero), BH (Anodizzato Nero Indurito) ed EN (Nichel chimico) sono le migliori opzioni per mantenere bassa l’attrito alle interfacce della cuneo durante cicli ripetuti di installazione, aiutando a preservare le prestazioni di serraggio nei sistemi in campo.
Coppia e diametro della vite (T e D)
FIN scala linearmente con la coppia e inversamente con il diametro della vite. Aumentare la specifica di coppia aumenta proporzionalmente la forza di ingresso. Usare un diametro della vite più grande riduce la forza di ingresso per la stessa coppia perché l'attrito della filettatura agisce su un braccio di momento più lungo. Quando si dimensiona un wedgelock per un requisito di forza di serraggio, coppia, dimensione della vite e configurazione della rampa devono essere valutati insieme piuttosto che trattare un parametro isolatamente.
I Magnum Force wedgelocks di WaveTherm utilizzano una vite di tipo #10, e diverse varianti di SOLIDWEDGE™ utilizzano una vite di tipo #8, entrambe più grandi dello standard #6-32. Sebbene un diametro della vite maggiore da solo ridurrebbe FIN a coppia fissa, questi progetti sono abbinati a specifiche di coppia più elevate che compensano ampiamente, producendo una forza assiale di ingresso maggiore e un'uscita di serraggio complessiva più alta.
Tabella di riferimento del moltiplicatore della forza di serraggio
La tabella sottostante fornisce il moltiplicatore della forza di serraggio (FOUT / FIN) per configurazioni comuni di SOLIDWEDGE™ su una gamma di coefficienti di attrito. Moltiplicare il valore della tabella per il F calcolatoIN per stimare la forza totale di serraggio.
| 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 |
Esempio
Considera una configurazione SOLIDWEDGE™ con 4 interfacce a rampa a θ = 45°, una vite di azionamento #6-32 serrata a 10 in·lb e superfici di contatto tipiche asciutte (μ ≈ 0.3).
Passo 1: Calcolare FIN
FIN = Tk × D = 100,25 × 0,138 = 290 lb
Passo 2: Cercare il moltiplicatore
Dalla tabella: N = 4, θ = 45°, μ = 0.30 dà un moltiplicatore di 1.85.
Passo 3: Calcolare la forza totale di serraggio
FOUT = 1,85 × 290 lb = 536 lb
Quei 536 lb sono la forza totale di serraggio che preme i segmenti della cuneo contro la parete fredda, distribuita lungo la lunghezza di contatto del wedgelock. Questa forza fissa contemporaneamente il modulo contro carichi dinamici e stabilisce la pressione di contatto che guida il raffreddamento per conduzione.
Cosa significa questo per il tuo progetto
Il numero di rampe, l'angolo della cuneo e il coefficiente di attrito influenzano tutti la forza di serraggio. Quando è necessaria più forza, aumentare il numero di rampe o ridurre l'angolo della cuneo sono le strade più dirette per ottenere una maggiore prestazione di serraggio, e poiché una forza di serraggio più elevata migliora sia il raffreddamento per conduzione sia la ritenzione sotto urti e vibrazioni, ottimizzare per un requisito migliora contemporaneamente l'altro.
I wedge lock SOLIDWEDGE™ sono progettati con un numero specifico di rampe e angoli per ottenere una forza di serraggio prevedibile in un intervallo di coppia definito. Per gli ingegneri che devono verificare i margini di ritenzione o le prestazioni del contatto termico, la meccanica descritta qui fornisce la base analitica per tali calcoli. Per un approfondimento su come la forza di serraggio si traduce nella resistenza termica misurata, consulta il nostro articolo su come si misura la prestazione termica dei wedgelock.
