Roda gigi dan gearbox: jenis, rasio, torsi, efisiensi, gaya gigi, pelumasan, panas, dan kerusakan gigi

Konveyor mesin pencuci piring di dapur sebuah hotel digerakkan motor-gearbox kecil. Rumah gearbox terasa sangat panas, oli merembes dari segel poros keluaran, dan rak berjalan tersendat sebelum tiba-tiba melompat maju. Teknisi menambahkan oli mesin mobil yang ada di gudang sampai rembesan terlihat dari lubang pengisi, lalu menaikkan setelan kopling slip agar konveyor tidak sering berhenti. Seminggu kemudian gearbox berbunyi menderu dan poros keluarannya terasa longgar.

Tiga keputusan dalam kasus ini memperburuk keadaan. Gearbox cacing memerlukan oli yang ditetapkan pabriknya, dan oli lain dapat merusak roda cacing perunggu. Isi oli ditentukan oleh posisi pasang gearbox, bukan oleh lubang yang kebetulan dibuka. Kopling slip melindungi gearbox dari beban macet, sehingga menaikkan setelannya memindahkan beban macet ke gigi. Bab ini menjelaskan cara roda gigi dan gearbox bekerja dan cara memeriksanya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas roda gigi lurus, miring, payung, cacing, dan planet; modul, rasio, torsi, efisiensi, gaya gigi, faktor layanan, pelumasan, panas, kerusakan gigi, dan pemeriksaan lapangan pada gearbox dan motor-gearbox mesin laundry, dapur, pompa, dan konveyor.

Definisi rasio reduksi dan hubungan torsi ideal ada di Bab 1 tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya; konveyor dan kopling slip di Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak; bantalan di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur; kopling dan kelurusan di Bab 5 tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros; pemilihan motor di Bab 43 · Kelistrikan & Kendali tentang memilih motor untuk beban; dan spektrum getaran di Bab 22 · Fisika tentang getaran paksa dan analisis spektrum. Rasio, torsi izin, faktor layanan, jenis dan jumlah oli, serta interval penggantian diambil dari pabrik gearbox. Angka kisaran yang disebut di bab ini adalah angka tipikal untuk memahami cara kerja, bukan nilai untuk gearbox tertentu.

Jenis roda gigi

Roda gigi (gear) adalah roda bergigi yang memindahkan putaran dan torsi ke roda gigi lain lewat gigi yang saling bertaut. Gearbox adalah rumah tertutup berisi satu atau beberapa pasangan roda gigi beserta poros, bantalan, dan pelumasnya. Jenis yang sering dijumpai:

1. Roda gigi lurus (spur gear) mempunyai gigi sejajar sumbu. Sederhana dan efisien, tetapi lebih bising pada putaran tinggi karena gigi masuk dan keluar sekaligus.
2. Roda gigi miring (heliks) (helical gear) mempunyai gigi miring terhadap sumbu, sehingga gigi masuk berangsur, lebih halus, dan lebih tenang. Kemiringan gigi menimbulkan gaya aksial yang harus ditahan bantalan.
3. Roda gigi payung (bevel gear) menghubungkan dua poros yang berpotongan, biasanya tegak lurus.
4. Roda gigi cacing (worm gear) terdiri dari cacing berulir dan roda cacing, menghubungkan dua poros bersilangan tegak lurus dengan rasio besar dalam satu tingkat. Roda cacing biasanya perunggu dan cacingnya baja yang dikeraskan. Gesekan luncur di antara keduanya membuat efisiensinya lebih rendah daripada jenis lain.
5. Roda gigi planet (planetary gear) terdiri dari roda matahari, beberapa roda planet, dan cincin bergigi dalam. Rasionya besar dalam ruang kecil dan bebannya dibagi beberapa planet.
6. Batang bergigi dan pinion (rack and pinion) mengubah putaran menjadi gerak lurus.

Motor-gearbox (gearmotor) adalah motor dan gearbox yang dirakit menjadi satu unit. Manual mesin pencuci piring konveyor milik pemilik mencantumkan motor konveyor berupa motor-gearbox 0,20 kW, dan menjelaskan bahwa daya diteruskan ke mekanisme transport rak melalui kopling yang menghentikan motor bila rak macet. Gearbox berasio lebar juga dipakai pada kendaraan, tanda bahwa satu rumah gearbox dapat berisi beberapa pasangan gigi.

Ukuran gigi: modul, diameter, dan jarak sumbu

Modul (module) $m$ adalah ukuran gigi metrik, yaitu diameter jarak bagi dibagi jumlah gigi, dinyatakan dalam mm. Diameter jarak bagi roda gigi lurus adalah

$d = m \, z$

dengan $z$ jumlah gigi. Dua roda gigi hanya dapat bertaut bila modul dan sudut tekannya sama; sudut tekan (pressure angle) yang umum adalah 20°. Jarak sumbu dua roda gigi luar

$a = \frac{m \, (z_1 + z_2)}{2}$

dengan $a$ dalam mm bila $m$ dalam mm (Contoh 2). Pada sistem inci, ukuran gigi dinyatakan dengan diametral pitch, yaitu jumlah gigi per inci diameter. Roda gigi pengganti dipesan dengan modul atau diametral pitch, jumlah gigi, sudut tekan, lebar, dan bentuk naf yang sama; dua roda gigi yang tampak mirip tetapi berbeda modul akan cepat rusak.

Celah gigi (backlash) adalah gerak bebas kecil antara gigi yang bertaut. Celah ini diperlukan untuk lapisan oli dan pemuaian. Celah yang terlalu kecil membuat gigi panas dan macet; celah yang membesar setelah lama dipakai menunjukkan gigi aus atau bantalan longgar.

Rasio, torsi, dan efisiensi

Rasio reduksi (reduction ratio) satu pasangan roda gigi luar adalah $i = z_2 / z_1$, perbandingan jumlah gigi roda yang digerakkan terhadap roda penggerak, sesuai definisi di Bab 1 tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya. Putaran keluaran $n_2 = n_1 / i$. Gearbox bertingkat mengalikan rasio setiap tingkat:

$i_{\text{total}} = i_1 \times i_2 \times \cdots$

Efisiensi (efficiency) gearbox $\eta$ adalah perbandingan daya keluaran terhadap daya masukan, dari 0 sampai 1. Torsi keluaran nyata lebih kecil daripada torsi ideal karena ada kerugian:

$T_2 = T_1 \, i \, \eta$

dengan $T_1$ torsi masukan dan $T_2$ torsi keluaran (N·m). Torsi masukan dihitung dari daya dan putaran motor dengan $T_1 = 9.550\,P/n_1$, dengan $P$ dalam kW dan $n_1$ dalam rpm, bentuk yang dipakai Bab 43 · Kelistrikan & Kendali tentang memilih motor untuk beban. Satu tingkat roda gigi lurus atau miring yang baik mempunyai efisiensi sekitar 97 sampai 99 persen, sehingga gearbox tiga tingkat masih sekitar 94 persen. Gearbox cacing jauh berbeda: efisiensinya dapat sekitar 90 persen pada rasio kecil dan turun di bawah 50 persen pada rasio sangat besar, dan saat dingin atau baru dijalankan efisiensinya lebih rendah lagi. Pelat nama gearbox biasanya mencantumkan rasio, putaran keluaran, dan torsi keluaran izin; torsi keluaran itulah yang dibandingkan dengan beban, bukan daya motor.

Mengunci sendiri (self-locking). Gearbox cacing berasio besar sering sulit atau tidak dapat diputar balik dari poros keluaran. Sifat ini bergantung pada sudut ulir, gesekan, pelumasan, dan getaran, sehingga tidak dapat diandalkan sebagai rem. Beban yang tergantung atau pegas yang tertekan tetap ditahan dengan rem atau penahan mekanis saat pekerjaan dilakukan.

Gaya pada gigi dan bantalan

Torsi pada roda gigi diteruskan sebagai gaya di lingkaran jarak bagi. Gaya keliling (tangential force)

$F_t = \frac{2T}{d}$

dengan $T$ torsi pada roda gigi itu (N·m) dan $d$ diameter jarak baginya (m), dan pada roda gigi lurus dengan sudut tekan $\alpha$, gigi juga saling mendorong menjauh dengan gaya radial $F_r = F_t \tan\alpha$. Pada roda gigi miring dengan sudut heliks $\beta$, muncul gaya aksial $F_a = F_t \tan\beta$. Semua gaya ini ditahan bantalan poros gearbox, sehingga bantalan rol tirus atau bantalan kontak sudut sering dipakai pada gearbox roda gigi miring dan cacing. Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur menjelaskan beban dan umur bantalan.

Gaya dari luar ikut membebani bantalan keluaran: puli, sproket, atau roda gigi yang dipasang di poros keluaran menarik poros ke samping. Katalog gearbox mencantumkan beban samping (overhung load) izin pada poros keluaran; puli kecil dengan sabuk kencang atau sproket yang dipasang jauh dari rumah gearbox dapat melampaui batas itu walaupun torsinya kecil.

Memilih gearbox: faktor layanan dan kapasitas panas

Gearbox dipilih dari torsi keluaran yang diperlukan, putaran, jenis beban, jam kerja per hari, dan jumlah start. Faktor layanan (service factor) menaikkan torsi rancangan untuk beban kejut, start sering, dan kerja panjang: torsi izin gearbox harus sekurang-kurangnya torsi beban dikali faktor layanan (Contoh 5). Angka faktor layanan diambil dari tabel pabrik gearbox. Manual sebuah pompa selang menegaskan bahwa tabel dan grafik pemilihan harus dipakai bersama untuk memilih gearbox yang tepat, dan bahwa rasio lain tersedia dengan biaya lebih tinggi dan waktu kirim lebih lama.

Selain torsi, gearbox mempunyai kapasitas panas (thermal capacity): daya yang dapat diteruskan terus-menerus tanpa oli menjadi terlalu panas. Batas ini penting pada gearbox cacing yang kerugiannya besar. Gearbox yang memenuhi torsi tetapi bekerja terus-menerus di ruang panas dapat melampaui kapasitas panasnya.

Pelumasan gearbox

Kebanyakan gearbox industri dilumasi oli secara celup dan percik (splash lubrication): roda gigi terbawah tercelup oli dan memercikkannya ke gigi dan bantalan lain. Beberapa motor-gearbox kecil diisi gemuk atau oli seumur pakai dari pabrik; manual mesin pencuci piring yang sama menulis bahwa motornya tidak memerlukan pelumasan, sehingga yang dilakukan teknisi adalah memeriksa rembesan dan bunyi, bukan menambah pelumas.

Hal yang ditentukan pabrik dan diperiksa teknisi:

1. Jenis dan kekentalan oli. Gearbox roda gigi lurus dan miring biasanya memakai oli gigi mineral atau sintetis dengan kelas kekentalan tertentu. Gearbox cacing sering memakai oli khusus untuk pasangan baja dan perunggu. Oli berbahan dasar sintetis jenis tertentu, misalnya poliglikol, tidak boleh dicampur dengan oli mineral karena keduanya tidak bercampur baik dan dapat merusak segel. Oli mesin kendaraan dirancang untuk kebutuhan lain.
2. Jumlah oli menurut posisi pasang. Gearbox yang dapat dipasang dalam beberapa posisi mempunyai sumbat pengisi, sumbat level, sumbat kuras, dan lubang napas yang letaknya berubah menurut posisi itu. Oli yang terlalu sedikit membuat gigi atas kering; oli yang terlalu banyak menambah panas aduk dan menekan segel.
3. Lubang napas (breather). Udara di dalam gearbox memuai saat panas. Lubang napas yang tersumbat atau dipasang di posisi bawah menaikkan tekanan dan mendorong oli keluar lewat segel, seperti rembesan pada kasus pembuka.
4. Interval penggantian dari pabrik, biasanya penggantian pertama setelah masa jalan awal karena serpihan dari pengasaran gigi baru, lalu interval yang lebih panjang.

Bab 8 tentang pelumasan dan tribologi membahas kekentalan dan kontaminasi lebih dalam, dan Bab 9 tentang segel, paking, dan perapat membahas segel poros.

Mengganti oli gearbox: urutan kerja

1. Isolasi daya dan amankan beban seperti di kondisi berhenti.
2. Kuras saat hangat, setelah gearbox berjalan sebentar dan dimatikan, karena oli hangat lebih encer dan membawa serpihan keluar. Hati-hati dengan rumah dan oli yang panas.
3. Tampung dan periksa oli bekas dalam wadah bersih: warna, bau, air, dan serpihan; periksa juga sumbat kuras bermagnet bila ada.
4. Bersihkan sumbat dan lubang napas; ganti cincin perapat sumbat bila pabrik memintanya.
5. Isi dengan oli yang ditetapkan sampai sumbat level untuk posisi pasang itu, dengan corong dan wadah bersih.
6. Catat tanggal, jam kerja, jenis dan jumlah oli, keadaan oli bekas, dan suhu rumah setelah dijalankan.

Catatan ini menjadi dasar tren: serpihan yang bertambah dari satu penggantian ke penggantian berikutnya lebih bermakna daripada satu pengamatan.

Panas dari kerugian

Daya yang hilang di gearbox berubah menjadi panas:

$P_{\text{rugi}} = P_{\text{masuk}} \, (1 - \eta)$

dengan $P_{\text{masuk}}$ daya masuk ke gearbox dan $P_{\text{rugi}}$ daya yang berubah menjadi panas, keduanya dalam watt. Panas ini harus dilepas lewat rumah gearbox ke udara sekitar (Contoh 4). Rumah gearbox cacing kecil yang terasa panas saat disentuh belum tentu rusak, karena kerugiannya memang besar; yang bermakna adalah suhu yang naik dari kebiasaannya, suhu yang tidak turun setelah oli diganti, atau suhu yang melewati batas pabrik. Suhu diukur dengan termometer kontak atau kamera termal di titik yang sama setiap kali, dan dibandingkan dengan suhu ruang. Rumah yang tertutup kotoran, sirip yang tertutup, dan kipas motor yang rusak mengurangi pelepasan panas.

Kerusakan gigi dan pemeriksaan lapangan

Kerusakan gigi

Bekas pada permukaan gigi menunjukkan penyebabnya:

1. Aus abrasif (abrasive wear): permukaan gigi tergores halus karena partikel keras di oli. Oli yang kotor, lubang napas tanpa saringan, dan serpihan aus mempercepatnya.
2. Aus adhesif dan goresan (scuffing): alur dan bekas sobekan searah luncur karena lapisan oli pecah akibat beban berat, oli terlalu encer, atau oli yang salah. Pada roda cacing perunggu, oli yang tidak sesuai dapat mengikis gigi dengan cepat.
3. Lubang kecil (pitting): bintik-bintik di dekat garis jarak bagi karena kelelahan permukaan setelah jutaan kali kontak. Lubang awal kecil dapat berhenti tumbuh; lubang yang meluas berarti gigi sudah lelah.
4. Patah gigi: retak di kaki gigi karena lentur berbolak-balik atau beban kejut, misalnya konveyor macet tanpa kopling slip yang bekerja.
5. Deformasi plastis: tepi gigi melipat atau gigi perunggu berubah bentuk karena beban terlalu besar.
6. Pola kontak miring: bekas kontak hanya di satu ujung gigi karena poros tidak sejajar atau bantalan aus.

Serpihan logam di oli bekas atau di sumbat kuras bermagnet memberi petunjuk: serbuk perunggu menunjukkan roda cacing aus, serpihan baja besar menunjukkan gigi atau bantalan pecah. Bunyi menderu yang naik turun mengikuti putaran poros, dan getaran pada frekuensi taut gigi, yaitu jumlah gigi dikali frekuensi putar poros, dibahas di Bab 22 · Fisika tentang getaran paksa dan analisis spektrum. Manual washer-extractor pemilik meminta komponen penggerak seperti motor, gearbox, dan bantalan yang mendengung, menggerus, berasap, atau panas tidak normal segera diselidiki.

Pemeriksaan lapangan

1. Level dan keadaan oli menurut posisi pasang: warna, bau terbakar, air (oli keruh), dan serpihan.
2. Rembesan di segel poros masukan dan keluaran, sambungan rumah, dan sumbat.
3. Suhu rumah dibandingkan dengan catatan sebelumnya.
4. Bunyi dan getaran, dicatat di titik yang sama.
5. Celah gigi diukur dengan jam ukur pada poros keluaran sambil poros masukan ditahan (Contoh 6).
6. Gerak bebas poros: poros keluaran yang dapat digoyang ke samping atau digeser searah sumbu menunjukkan bantalan aus.
7. Baut dudukan dan lengan torsi pada gearbox berporos berlubang yang dipasang langsung di poros mesin.
8. Kopling slip atau pembatas torsi pada penggerak, apakah setelannya masih sesuai pabrik.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: rasio satu tingkat. Pinion 17 gigi menggerakkan roda 51 gigi. $i = 51/17 = 3$. Motor 1.450 rpm menghasilkan $1.450/3 = 483$ rpm di poros keluaran.

Contoh 2: modul dan jarak sumbu. Modul 2 mm: $d_1 = 2 \times 17 = 34$ mm, $d_2 = 2 \times 51 = 102$ mm, dan $a = 2 \times (17 + 51)/2 = 68$ mm. Roda pengganti 51 gigi bermodul 2,5 akan berdiameter 127,5 mm dan tidak bertaut dengan pinion modul 2.

Contoh 3: motor-gearbox cacing konveyor. Motor 0,20 kW, daya motor-gearbox konveyor di manual mesin pencuci piring tadi, berputar 1.400 rpm dengan gearbox cacing rasio 40 dan efisiensi 55 persen. Putaran keluaran $1.400/40 = 35$ rpm. Torsi masukan $9.550 \times 0{,}20/1.400 = 1{,}36$ N·m dan torsi keluaran $1{,}36 \times 40 \times 0{,}55 = 30{,}0$ N·m. Daya keluarannya hanya sekitar 0,11 kW.

Contoh 4: panas yang dilepas rumah gearbox. Gearbox cacing Contoh 3 pada beban penuh: $P_{\text{rugi}} = 200 \times (1 - 0{,}55) = 90$ W, sedangkan gearbox roda gigi miring dua tingkat 0,75 kW dengan efisiensi 96 persen: $750 \times (1 - 0{,}96) = 30$ W. Rumah gearbox cacing yang jauh lebih kecil melepas tiga kali panasnya, sehingga wajar terasa lebih panas.

Contoh 5: faktor layanan. Konveyor memerlukan torsi keluaran 30 N·m dan bekerja 16 jam sehari dengan start sering. Bila tabel pabrik memberi faktor layanan misalnya 1,5 untuk keadaan itu, gearbox harus mempunyai torsi keluaran izin sekurang-kurangnya $30 \times 1{,}5 = 45$ N·m.

Contoh 6: celah gigi dari jam ukur. Poros masukan ditahan, lengan pada poros keluaran digoyang, dan jam ukur pada jari-jari 50 mm membaca gerak bebas 0,25 mm. Sudut celah $0{,}25/50 = 0{,}005$ rad, sekitar 0,29°. Bila catatan saat gearbox baru 0,10 mm pada titik yang sama, celahnya naik dua setengah kali; oli dan serpihan diperiksa sebelum diputuskan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan melanjutkan kepada penanggung jawab peralatan bila salah satu keadaan berikut terjadi:

1. Gearbox, kopling, atau konveyor akan dibuka atau disentuh sebelum daya dikunci dan diberi tanda dan sebelum beban yang tergantung atau tertahan diamankan; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
2. Pekerjaan bergantung pada gearbox cacing yang dianggap mengunci sendiri untuk menahan beban.
3. Oli bekas mengandung serpihan logam besar, air, atau bau terbakar; gearbox tidak dijalankan lagi sebelum diperiksa.
4. Gearbox akan diisi oli yang jenisnya tidak diketahui atau dicampur dengan oli lain.
5. Kopling slip atau pembatas torsi akan dinaikkan di atas setelan pabrik agar penggerak tidak berhenti.
6. Rumah gearbox retak, lengan torsi lepas, atau poros keluaran bergoyang.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya memberi definisi rasio; Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak memberi konveyor dan kopling slip; Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur memberi beban bantalan; Bab 5 tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros memberi kelurusan; dan Bab 43 · Kelistrikan & Kendali tentang memilih motor untuk beban memberi pemilihan motor.

Bab 22 · Fisika tentang getaran paksa dan analisis spektrum memberi frekuensi taut gigi, Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi kondisi berhenti, dan Bab 6 tentang sabuk, puli, dan rantai memberi perbandingan dengan penggerak sabuk. Kekentalan dan kontaminasi oli dibahas lebih dalam di Bab 8 tentang pelumasan dan tribologi, dan segel poros di Bab 9 tentang segel, paking, dan perapat.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.