WEDGELOCK THERMISCHE UND KLEMMKRAFT LEBENSZYKLUSTESTMETHODE

Jeder SolidWedge wird einem 100-Zyklen-Test unterzogen, der aus vier thermischen Tests und 96 Spannungsanalysetests (Klemmkraft) besteht. Nachfolgend wird beschrieben, wie WaveTherm diese Tests durchführt. 

Thermische Testmethodik

Thermische Tests werden durchgeführt, um den gesamten thermischen Widerstand über die Kontaktflächen einer Testplatte und eines Keilschlosses an einer kalten Wand zu bestimmen. 

Wenn Wärmeenergie über die Kontaktfläche zweier Oberflächen fließt, entsteht ein messbarer Temperaturabfall. Durch Messen des Temperaturunterschieds zwischen den beiden Oberflächen und Kenntnis der in die Testplatte eingebrachten Wärmeenergie kann eine Berechnung des Wärmewiderstands der Verbindung berechnet werden.


Parallele Widerstandstheorie
Es gibt drei Möglichkeiten, wie die Wärme von der Prüfplatte abgeführt werden kann. Von den dreien sind zwei parallele Pfade bei der Berechnung des gesamten thermischen Widerstands der Testplatte und des Keilschlosssystems zu berücksichtigen:

• Es wird davon ausgegangen, dass die Wärmeleitung zur kalten Wand 70 % der Wärmeabgabe von der Testplatte ausmacht.
• Es wird angenommen, dass die Wärmeleitung durch das Keilschloss zur kalten Wand 30 % der Wärmeabgabe von der Testplatte ausmacht.
• Konvektions- und Strahlungsverluste von der Testplatte werden aufgrund der im Einrichtungsverfahren beschriebenen Isolierung und der Luftströmungsabschirmung, die während des Testvorgangs um das zu testende Gerät herum angebracht werden kann, als vernachlässigbar angenommen.

Terminologie

Die folgenden Begriffe werden in diesem Testverfahren verwendet:

• Wedgelock – Die mechanische Vorrichtung, die einen Wärmerahmen oder eine Leiterplatte in einer kalten Wand verriegelt und die erforderliche Klemmkraft bereitstellt, um die Wärmeübertragung zu erleichtern und einer Verschiebung aufgrund von Stößen oder Vibrationen zu widerstehen
• Wärmerahmen – Eine Metallplatte oder ein Metallrahmen, der an einer Leiterplatte befestigt wird und dafür ausgelegt ist, Wärmeenergie von den aktiven Komponenten auf der Leiterplatte (im Folgenden als Leiterplatte bezeichnet) abzuleiten.
• Testplatte – Ein repräsentativer Wärmerahmen mit einer Keilverriegelung an einer Kante, Thermoelementen neben der Keilverriegelung und darauf montierten Widerständen, um die Wirkung aktiver Komponenten auf eine PCB/Wärmerahmen-Kombination zu simulieren.
• Kalte Wand – Ein Kühlkörper mit einem oder mehreren darin ausgebildeten Kartenkantenkanälen, um den Wärmerahmen zu stützen, und der aktive Kühlung verwendet, um die von der Leiterplatte/dem Wärmerahmen erzeugte Wärmelast abzuleiten.
• Prüfvorrichtung – Eine repräsentative Kaltwand mit aktiver Kühlung, typischerweise gerippten Kühlkörpern und Lüftern.
• Thermoelement – Ein Paar unterschiedlicher Drähte, die verwendet werden, um eine Temperatur an seinem Kontaktpunkt zu bestimmen.
• Data Reader – Ein Analog-Digital-Wandler, der die von einem Thermoelement erzeugten Mikrospannungen in Temperaturwerte umwandelt.

Ausstattungsanforderungen

Kalte Wand
Die kalte Wand ist ausreichend groß, damit die Kombination aus Kühlrippen und Lüfter die während des Tests abzuführende Wattleistung effektiv kühlen kann. In die kalte Wand ist ein Schlitz eingearbeitet, der nach einer geeigneten Spezifikation entsprechend der zu testenden Keilschlossprobe (VITA 48, VITA 78 usw.) hergestellt wird. Die Kaltwandschlitz-Kontaktflächen haben eine Oberflächenrauheit von 16 µin (RMS) oder besser. Auf jeder Seite des Schlitzes sind Thermoelemente platziert, um die Temperatur der kalten Wand neben dem Schlitz zu bestimmen. Die Kaltwand ist gemäß MIL-C-5541m Klasse 3 durchsichtig chromatiert, um ein typisches Chassis darzustellen.

Um zu verhindern, dass der zu testende Wärmerahmen den „Boden“ des Kanals berührt und somit eine dritte Oberfläche zur Übertragung von Wärmeenergie bereitstellt, ist ein etwa 0,5 Zoll breiter und etwa 0,040 Zoll dicker Abstandshalter aus einem nicht wärmeleitenden Kunststoff vorhanden B. ABS oder ähnliches, und an der Basis oder der nicht kontaktierenden Seite des Kaltwandschlitzes platziert. Dieser Abstandshalter wird entfernt, nachdem die Testplatte eingerastet ist.

Abbildung 1: Kalte Wand für die thermische Analyse
Testplatte
Die Testplatte ist lang genug, um das zu testende Keilschloss aufzunehmen, und ungefähr 2,50 Zoll breit, um die zu verwendenden Widerstandselemente aufzunehmen. Die Dicke der Keilschloss-Befestigungskante wird durch die Keilschlosshöhe und den Kaltwandschlitz bestimmt:

𝑇𝑒𝑠𝑡 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠 = 𝐶𝑜𝑙𝑑 𝑊𝑎𝑙𝑙 𝑆𝑙𝑜𝑡 𝐻𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 - 𝑊𝑒𝑑𝑔𝑒𝑙𝑜𝑐𝑘 𝐻𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 - 𝑊𝑒𝑑𝑔𝑒𝑙𝑜𝑐𝑘 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐸𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝐸𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛

Hier ist eine Beispielrechnung unter Verwendung einer Standard-VITA 48-Kaltwand mit einem 0,225 Zoll hohen Keilschloss, das eine Nenndehnung von 0,025 Zoll hat:

𝑇𝑒𝑠𝑡 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒 𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠 = 0,525 – 0,225 – 0,025 = 0,275

Das Material sowohl für die kalte Wand als auch für die Testplatten ist 6061-T6-Aluminium mit einer Oberflächenbeschaffenheit, die als 16 µin (RMS) in den Kontaktbereichen mit dem Keilschloss und zwischen der Testplatte und der kalten Wand angegeben ist.
Abbildung 2: Testplatte für die thermische Analyse
Temperatur messung
Zur Berechnung des gesamten Wärmewiderstands sind drei Temperaturen erforderlich:
  • Testplatte (TP) – Die Testplattentemperatur wird durch Mittelung von vier Thermoelementmesswerten bestimmt. Die Thermoelementpositionen sind gleichmäßig über die Länge der Testplatte verteilt, mindestens 1 Zoll (1,0 Zoll) von jedem Ende entfernt. Die Thermoelemente befinden sich zwischen der Wärmequelle und der Keilverriegelung, so nah wie möglich an der Keilverriegelung (normalerweise 0,100 – 0,200 Zoll von der Mitte des Thermoelementlochs bis zur Kante der Keilverriegelung).

    • Kaltwandrahmenseite (TCWF) – Die Temperatur der Kaltwandrahmenseite wird durch Mittelung zweier Thermoelementmesswerte bestimmt. Die Thermoelementpositionen sind entlang der Länge der kalten Wand zentriert, mindestens einen Zoll (1,0") von jedem Ende entfernt. Die Thermoelemente befinden sich so nah wie möglich an der Schnittstelle zwischen Rahmen und kalter Wand (normalerweise 0,100 – 0,200 Zoll von der Mitte des Thermoelementlochs bis zur angegebenen Schnittstelle).

    • Kaltwandkeilseite (TCWW) – Die Kaltwandkeilseitentemperatur wird durch Mittelung zweier Thermoelementmesswerte bestimmt. Die Thermoelementpositionen sind entlang der Länge der kalten Wand zentriert, mindestens einen Zoll (1,0") von jedem Ende entfernt. Das Thermoelement befindet sich so nah wie möglich an der Schnittstelle zwischen Keilschloss und kalter Wand (normalerweise 0,100 – 0,200 Zoll von der Mitte des Thermoelementlochs bis zur angegebenen Schnittstelle).
    Berechnung

    Um den Gesamtwiderstand des Systems zu berechnen, wird zunächst der Wärmewiderstand jedes Pfads separat berechnet. Der Gesamtwiderstand des Systems kann dann nach der gleichen Methode wie Parallelwiderstände in einem Stromkreis berechnet werden:

    • Rahmenseitiger Wärmewiderstand (RF) – Der Wärmewiderstand von der Testplatte zur Rahmenseite der kalten Wand kann als Temperaturunterschied zwischen der Testplatte und der Rahmenseite der kalten Wand geteilt durch die Menge an Verlustleistung berechnet werden dieser Weg.

    •  Thermischer Widerstand auf der Keilseite (RW) – Der thermische Widerstand von der Testplatte zur Keilseite der kalten Wand kann als Temperaturdifferenz zwischen der Testplatte und der Keilseite der kalten Wand geteilt durch die Menge an Verlustleistung berechnet werden dieser Weg. 


    • Gesamter thermischer Widerstand (RT) – Der gesamte thermische Widerstand der beiden parallelen Pfade kann auf die gleiche Weise berechnet werden wie zwei parallele Widerstände in einer Schaltung.
              Diese Berechnung ergibt die Einheit °C/W. 

    Anfangstemperaturen
    Die Systemleistung versorgt den oder die Kühlkörperlüfter oder andere Kühlvorrichtungen und das Datenerfassungssystem mit Energie. Alle Kanäle stabilisieren sich auf Raumtemperatur, bevor der Test beginnt. Die Kanäle werden so eingestellt, dass der numerische Mittelwert der vier Messwerte auf der kalten Wand innerhalb von 0,2 °C des numerischen Mittelwerts der vier Messwerte auf der Testplatte liegt. Hinweis: Eine genaue absolute Temperatur ist nicht erforderlich, da alle Messwerte vom gleichen bekannten Startwert stammen und nur die Differenztemperatur zur Berechnung der Testergebnisse verwendet wird. 

    Leistungsstufen
    Testdaten werden in Intervallen von 20 Watt erfasst, bis zu 100 Watt in Intervallen von 20 Watt. Für jede Leistungsstufe wird die Stromversorgung angepasst, um die gewünschte Wattzahl auf der Testplatte bereitzustellen. Alle Thermoelementmesswerte stabilisieren sich, dann werden die Testplatten- und Kaltwand-Thermoelementmesswerte in einer formatierten Excel-Datei aufgezeichnet. Stabilität ist definiert als keine Temperaturänderung von mehr als 1 °C über einen Zeitraum von fünf Minuten.

    Klemmkrafttest

    Abstrakt

    Klemmkrafttests werden am WaveTherm SolidWedge sowie an anderen verschiedenen Keilschlössern durchgeführt, um die durch ein bestimmtes Eingangsdrehmoment erzeugte Ausgangskraft zu vergleichen. Die Keilschlösser werden auf ihren entsprechenden Montageplatten befestigt und die Montageplatte wird in die Spannkraftprüfanordnung eingesetzt. Wägezellen in der Baugruppe werden verwendet, um die Klemmkraft des Geräts bei einem bestimmten Drehmoment abzulesen. Es gibt eine spezielle Software, die mit dem verwendeten Datenlesegerät gekoppelt ist (OM-DAQ-USB-2401, Omega Data Acquisition Module), das die auf die Wägezellen der Prüfvorrichtung aufgebrachten Pfund zu Beginn des Tests grafisch darstellt.

     Versuchsaufbau

    Der Testaufbau erfordert eine Testplatte mit den richtigen Abmessungen, die der Größe des Testmusters und der Testhalterung entsprechen, wie unten gezeigt. In Kombination müssen der Prüfling und die Prüfplatte 0,525 Zoll groß sein. Die Breite der Prüfvorrichtung mit dem Standard-Lastübertragungsblock beträgt 0,600 Zoll. Die Klemmkraftprüfvorrichtung soll ein echtes Fahrwerk simulieren. Der Drehmomentschlüssel wird verwendet, um die reale Anwendung von a nachzuahmen SwarINKante, die innerhalb eines eingebetteten Systems angewendet wird. Jede Probe sollte einen Zyklus von 2–24, 26–49 und 51–99 Klemmkraftzyklen für insgesamt 96 Zyklen aufweisen. Die 1., 25., 50. und 100. Zyklen sind die thermischen Tests. Alle Daten für jeden Test werden in separaten Excel-Dateien gesammelt und dann in einer Gesamttabelle zusammengefasst. 

    Abbildung 3: Belastungsanalysevorrichtung