SOLIDWEDGE™の締め付け力の計算方法

締め付け力はウェッジロック機構の出力であり、伝導冷却VPXシステムにおける最も重要な性能要件の二つ、すなわち衝撃や振動下での機械的保持とシャーシのコールドウォール接触面での熱接触品質を左右します。しかし、締め付け力はドライブスクリューをどれだけ強く締めるかだけで決まる単純なものではありません。ウェッジの形状、ランプインターフェースの数、接触面ごとの摩擦がすべて相互に作用して最終的な出力を決定します。この記事ではSOLIDWEDGE™ ウェッジロックのメカニズムを解説し、特定の構成における締め付け力の推定方法を示します。

なぜ締め付け力が重要なのか？

堅牢なVPXシャーシでは、ウェッジロックはモジュールとコールドウォールスロット間の主要な構造的接続です。二つの役割を同時に果たす必要があります。

一つ目は機械的保持です。システムが衝撃や振動を受けるとき、締め付け力がモジュールをスロットに固定します。締め付けが不十分だとカードが動き、コネクタの摩耗、断続的な故障、機械的疲労を引き起こす可能性があります。軍事および航空宇宙用途では、厳しい衝撃や高G振動環境が常に指定されており、ウェッジロックの締め付け力はそれらの状況を余裕を持って耐えられるものでなければなりません。

二つ目は、モジュールからシャーシへの効率的な熱経路を確立することです。より高い締め付け力はウェッジロックとコールドウォールの接触面での接触圧力を高め、界面の熱抵抗を減らし熱伝達を改善します。50ワットから100ワット以上を放熱する高出力モジュールでは、締め付け力が不十分だと部品温度が上昇し、システムの信頼性が低下します。カードを機械的に保持する力は、同時に伝導冷却を促進します。

ウェッジロックはどのようにして締め付け力を発生させるのか？

ウェッジロックは、角度のついたランプインターフェースのシステムを通じて、回転するねじトルクを横方向の締め付け力に変換します。ドライブスクリューを締めると、ドライブウェッジがウェッジロックの長さに沿って軸方向に引き寄せられます。ドライブウェッジは隣接するウェッジセグメントと共有する傾斜したランプ面に沿って動きます。ドライブウェッジが進むにつれて、その傾斜面がウェッジセグメントを外側に押し出し、一方の側でシャーシのコールドウォールに押し付け、もう一方の側でカードのヒートフレームが直接接触します。

ウェッジ角度と各界面の摩擦条件が軸方向入力力が横方向締付け出力にどれだけ効率的に変換されるかを決定します。この変換は1:1ではなく、異なる表面条件やトルク仕様にわたる実際の性能を予測するために定量的に理解することが必要です。

駆動ねじトルクを軸方向力に変換する

ウェッジランプを解析する前に、駆動ねじトルクを軸方向入力力に変換する必要があります。トルクと軸方向力の関係はねじ径とねじと駆動ウェッジ間の摩擦に依存します：

F_IN = Tk × D

• T = かけられた駆動ねじトルク（in·lb）
• k = ねじと駆動ウェッジ間の摩擦係数（一般的なハードウェアで約0.25）
• D = ねじの外径（インチ）

#6-32駆動ねじ（D = 0.138インチ）を10 in·lbのトルクで締めた場合：

F_中へ = 100.25 × 0.138 = 290 lb

これはウェッジランプシステムへの軸方向入力です。ねじ径が大きいほどFが減少することに注意してください。_中へ はねじ摩擦がより大きなモーメントアームで作用するため、同じトルクに対してです。トルク仕様は目標締付け力を達成するためにねじサイズを考慮する必要があります。

ウェッジランプの力の釣り合い

F_中へ が確立されると、単一のウェッジランプ界面の力学が軸方向入力と横方向締付け出力の関係を決定します。力の系は2つの自由物体図で表されます。

最初は駆動ウェッジ自体を示します。軸方向入力力F_中へ はウェッジロック本体に沿って前方に駆動します。傾斜ランプ面では法線力F_N は面に垂直に作用し、ランプ摩擦力F_f2 (係数μ₂)はそれに沿って作用します。冷却壁摩擦F_f1 (係数μ₁)は基部で作用します。これらの力の合成反力は横方向締付け出力Fです。_OUT.

2番目は嵌合するウェッジセグメントペアを示します。各セグメントは一方の面に軸方向入力を受け、締付け出力Fを生成します。_OUT シャーシの冷却壁に垂直です。摩擦力F_f1 は各冷却壁接触面で作用し、両セグメントの横方向膨張に対抗します。

冷壁に垂直な力の合計

ランプ面が角度 θ に傾いている場合、冷壁に垂直な力の合計：

F_OUT + μ₂F_Nsinθ − F_Ncosθ = 0

F_N = F_OUTcosθ − μ₂sinθ

ウェッジ軸に沿った力の合計

ウェッジ軸に沿った力の合計：

F_中へ − μ₁F_OUT − F_N(sinθ + μ₂cosθ) = 0

2つの方程式を組み合わせる

これらの方程式を組み合わせると：

F_OUT = F_IN × cosθ − μ₂sinθsinθ + μ₁cosθ + μ₂cosθ − μ₁μ₂sinθ

簡略化した形：

F_OUT = F_IN × 1 − μ₂tanθtanθ + μ₁ + μ₂(1 − μ₁tanθ)

これは単一のランプインターフェースからの締付力の寄与です。比率 F_OUT / F_中へ は1つのランプの機械効率であり、ウェッジ角度と2つの接触面の摩擦係数によって完全に決まります。

完全な SOLIDWEDGE™ 締付力の方程式

SOLIDWEDGE™ ウェッジロックは複数のランプインターフェースを持ち、それぞれが独立して総締付出力に寄与します。ランプインターフェースの数 N を掛けることで、ウェッジロック全体の総締付力が得られます：

F_OUT = N × F_IN × 1 − μ₂tanθtanθ + μ₁ + μ₂(1 − μ₁tanθ)

μ の場合₁ および μ₂ 等しい（すべての接触面が類似の材料と仕上げである場合の合理的な近似）かつ θ = 45°（したがって tanθ = 1）のとき、式は簡略化されます：

F_OUT = N × F_IN × 1 − μ1 + 2μ − μ²

この簡略化された形は、任意の摩擦係数とランプ数に対して簡単に評価できます。

締付力を制御する変数は何ですか？

締付力の方程式は、設計や設置の選択によってエンジニアが影響を与えられる4つの独立変数を明示します。それぞれが明確な物理的解釈を持ちます。

ランプインターフェースの数（N）

Nは相互作用項なしの直接的な乗数として現れます。ランプインターフェースを追加すると、総締付力が比例して増加します。SOLIDWEDGE™ウェッジロックは標準トルク仕様で目標締付力を達成するために特定のランプ数で設計されており、ランプ数でウェッジロックを比較することは締付能力を比較する最も直接的な方法の一つです。

トルク仕様を変えずにより大きな締付力が必要な用途には、SOLIDWEDGE™ SW7 7セグメントウェッジロックが、より少ないセグメントのSW5モデルよりも高い締付力を発揮します。追加のランプインターフェースは、同じねじ入力で冷却壁に対するより大きな横方向力に直接つながります。

ウェッジ角度（θ）

浅いウェッジ角度はインターフェースごとの機械的有利を高めます。推定表のN = 5、θ = 35°の列は、摩擦範囲全体でN = 5、θ = 45°の列より40〜50％高い乗数を示しています。ただし、浅い角度は同じ横方向の拡張に対してより多くの軸方向移動を必要とし、ウェッジロック本体設計に幾何学的制約を課します。

WaveThermのSOLIDWEDGE™ Max ForceおよびMagnum Forceシリーズのウェッジロックは、全体に30°のランプを使用しており、同じトルク入力で標準的な45°設計よりもはるかに高い締付力を生み出します。最大締付力が優先され、形状が許す場合、浅いランプ角度は最も効果的なレバーの一つです。

摩擦係数（μ）

摩擦は実際の変動が最も大きい変数であり、締め付け出力に最も大きな実用的影響を与えます。μ=0（摩擦なし）では、45°の4接触面くさびは乗数4.00を生み出します。μ=0.25では同じくさびが乗数2.09を生み出します。これは摩擦だけで締め付け効率がほぼ48%減少することを意味します。

表面仕上げと清浄度はμに直接影響します。摩耗や汚染された表面は摩擦を増加させ、トルク仕様が示すよりも締め付け力を低下させます。これが取り付け時の表面状態が重要である理由であり、トルク仕様を満たしていても現場で摩耗したハードウェアが保持力や熱性能の低下を引き起こす理由です。

SOLIDWEDGE™ ウェッジロックは、摩擦を最小限に抑え、長期的な摩耗を軽減するために特別に選ばれた表面仕上げオプションで提供されています。BA（ブラックアノダイズド）、BH（ブラックアノダイズド硬化処理）、EN（無電解ニッケル）は、繰り返しの取り付けサイクルでウェッジの接触面の低摩擦を維持し、現場での締付性能を保つのに最適な選択肢です。

トルクとスクリュー径（TとD）

F_中へ はトルクに比例し、スクリュー径に反比例します。トルク仕様を上げると入力力は比例して増加します。スクリュー径が大きいと、同じトルクでもねじの摩擦がより大きなモーメントアームに作用するため入力力は減少します。締め付け力の要件に合わせてwedgelockを選定する際は、トルク、スクリューサイズ、ランプ構成を個別に扱うのではなく、すべてを総合的に評価する必要があります。

WaveThermのMagnum Force wedgelocksは#10ドライブスクリューを使用し、いくつかのSOLIDWEDGE™バリアントは#8ドライブスクリューを使用しています。どちらも標準の#6-32より大きいです。スクリュー径が大きいだけでは一定トルクでF_INは減少しますが、これらの設計はより高いトルク仕様と組み合わされており、それが補償を超えて軸方向の入力力を増加させ、全体の締め付け出力を高めています。

締め付け力乗数参照表

以下の表は締め付け力の乗数（F）を示しています_OUT / F_中へ) さまざまな摩擦係数にわたる一般的なSOLIDWEDGE™構成のためのものです。表の値に計算されたFを掛けてください_中へ 総締付力を推定するために。

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

例

θ = 45°の4つのランプインターフェースを持つSOLIDWEDGE™構成、#6-32ドライブスクリューを10 in·lbのトルクで締め付け、典型的な乾燥接触面（μ ≈ 0.3）を考慮します。

ステップ1：Fを計算する_中へ

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

ステップ2：乗数を調べる

表から：N = 4、θ = 45°、μ = 0.30 は乗数1.85を与えます。

ステップ3：総締付力を計算する

F_OUT = 1.85 × 290 lb = 536 lb

536ポンドは、ウェッジセグメントを冷却壁に押し付ける総締付力であり、wedgelockの接触長さに沿って分布しています。この力はモジュールを動的荷重から同時に固定し、伝導冷却を促進する接触圧力を確立します。

設計における意味

ランプ数、ウェッジ角度、摩擦係数はすべて締付出力に影響します。より大きな力が必要な場合、ランプ数を増やすかウェッジ角度を減らすことが、より高い締付性能への最も直接的な方法です。締付力が高まることで伝導冷却と衝撃や振動下での保持力の両方が向上するため、ある要件に最適化すると同時にもう一方も改善されます。

SOLIDWEDGE™ ウェッジロックは、特定のランプ数と角度で設計されており、定義されたトルク範囲内で予測可能な締付力を実現します。保持マージンや熱接触性能を検証する必要があるエンジニアのために、ここで説明する力学はそれらの計算の解析的基礎を提供します。締付力が測定された熱抵抗にどのように変換されるかを詳しく知りたい方は、ウェッジロックの熱性能の測定方法に関する記事をご覧ください。