Sabuk, puli, dan rantai: jenis, rasio, tegangan, kelurusan, aus, dan penggantian

Sebuah washer-extractor di laundry rumah sakit digerakkan tiga sabuk V dari motor ke puli drum. Setiap kali mesin mulai memeras, sabuk berdecit beberapa detik, dan serbuk hitam menumpuk di bawah pelindung puli. Teknisi melepas pelindung, menemukan satu sabuk yang retak, menggantinya dengan sabuk baru, lalu menambah tegangan dudukan motor. Dua minggu kemudian decit itu kembali, dan sabuk baru itu sudah terlihat lebih aus daripada dua sabuk lama di sebelahnya.

Dua keputusan dalam kasus ini membuat masalahnya berulang. Sabuk baru yang dipasang bersama sabuk lama memikul hampir seluruh beban karena lebih pendek. Serbuk sabuk yang berlebihan, menurut manual mesin pemilik, adalah tanda untuk memeriksa kelurusan dudukan motor terhadap puli, dan pemeriksaan itu tidak dilakukan. Bab ini menjelaskan cara sabuk dan rantai memindahkan daya dan cara merawatnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sabuk datar, sabuk V, sabuk bergigi, rantai rol, puli, sproket, tegangan, kelurusan, aus, dan penggantian pada mesin laundry, dapur, pompa, dan konveyor. Rasio puli dasar ada di Bab 1 tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya; gesekan dan selip di Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak; kelurusan poros dan kopling di Bab 5 tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros; beban bantalan di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur; dan getaran motor di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor.

Tegangan sabuk, batas kelurusan, batas mulur rantai, dan interval penggantian diambil dari pabrik sabuk, rantai, dan mesin. Angka kisaran yang disebut di bab ini adalah angka tipikal untuk memahami cara kerja, bukan batas untuk mesin tertentu.

Jenis sabuk dan rantai

Transmisi sabuk dan rantai (belt and chain drive) adalah susunan yang memindahkan putaran dan daya dari poros penggerak ke poros yang digerakkan lewat sabuk atau rantai yang melingkari puli atau sproket pada kedua poros. Jenis yang dibahas di sini:

1. Sabuk datar (flat belt) mencengkeram puli hanya dengan gesekan permukaan. Sabuk ini jarang dipakai pada mesin baru, tetapi masih ada pada konveyor dan mesin lama.
2. Sabuk V (V-belt) berpenampang trapesium dan duduk di alur puli. Sisi sabuk terjepit di dinding alur, sehingga cengkeramannya jauh lebih besar daripada sabuk datar dengan tegangan yang sama. Ukuran penampangnya diberi huruf, misalnya A, B, dan C untuk penampang klasik.
3. Sabuk V bergerigi (cogged V-belt) memiliki takik melintang di sisi dalamnya agar lebih lentur di puli kecil dan lebih dingin. Daftar suku cadang penggerak washer-extractor pemilik mencantumkan tiga sabuk V bergerigi penampang B untuk satu penggerak.
4. Sabuk V beralur banyak (multi-ribbed belt), yaitu satu sabuk lebar dengan beberapa rusuk V, dipakai pada pengering, motor kecil, dan alat dapur.
5. Sabuk bergigi (timing belt) atau sabuk sinkron mempunyai gigi yang masuk ke alur puli, sehingga tidak selip dan dipakai bila putaran kedua poros harus tetap sefase, misalnya pada mekanisme pengatur posisi.
6. Rantai rol (roller chain) memindahkan daya lewat rol yang masuk ke gigi sproket. Rantai tidak selip, tahan beban besar pada kecepatan rendah, dan dipakai pada konveyor dan mekanisme pengangkat, tetapi perlu pelumasan dan bunyinya lebih keras.

Susunan sabuk silang (crossed belt) dipakai untuk membalik arah putaran poros yang digerakkan.

Rasio, kecepatan sabuk, dan selip

Pada sabuk tanpa selip, kecepatan keliling kedua puli sama, sehingga putaran poros yang digerakkan adalah

$n_2 = n_1 \, \frac{d_1}{d_2}$

dengan $n_1$ dan $n_2$ putaran poros penggerak dan poros yang digerakkan (rpm), dan $d_1$ dan $d_2$ diameter jarak bagi (pitch) puli penggerak dan puli yang digerakkan, seperti di Bab 1 tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya. Kecepatan sabuk

$v = \frac{\pi \, d_1 \, n_1}{60}$

dalam m/s bila $d_1$ dalam meter dan $n_1$ dalam rpm. Kecepatan sabuk V yang umum berada di kisaran beberapa sampai sekitar 30 m/s; di atas itu gaya sentrifugal mengurangi cengkeraman.

Selip (slip) adalah selisih antara putaran hitungan poros yang digerakkan dan putaran terukurnya, dinyatakan dalam persen putaran hitungan. Sabuk V selalu sedikit tertinggal karena sabuk merenggang di sisi kencang dan mengendur di sisi kendur. Selip normal kecil, sekitar satu sampai dua persen. Selip diukur dengan takometer: putaran poros yang digerakkan dibandingkan dengan putaran hitungan (Contoh 2). Selip yang lebih besar memanaskan sabuk dan puli, seperti dihitung di Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak, dan menghasilkan decit pada saat beban berat atau percepatan tinggi, misalnya saat drum mulai memeras.

Mengapa sabuk mencengkeram: sisi kencang dan sisi kendur

Sabuk yang memindahkan daya mempunyai dua sisi: sisi kencang (tight side) yang ditarik puli penggerak dengan tegangan $T_1$, dan sisi kendur (slack side) dengan tegangan $T_2$. Gaya keliling yang memindahkan daya adalah

$F_e = T_1 - T_2 = \frac{P}{v}$

dengan $F_e$ gaya keliling (N), $T_1$ dan $T_2$ tegangan sisi kencang dan sisi kendur (N), $P$ daya yang dipindahkan (W), dan $v$ kecepatan sabuk (m/s). Perbandingan tegangan paling besar sebelum sabuk selip diberikan oleh persamaan sabuk (persamaan Euler):

$\frac{T_1}{T_2} = e^{\mu \theta}$

untuk sabuk datar, dengan $\mu$ koefisien gesek dan $\theta$ sudut lilit sabuk di puli kecil dalam radian. Untuk sabuk V dengan sudut alur $\beta$, koefisien gesek efektifnya menjadi $\mu / \sin(\beta/2)$, sehingga perbandingan tegangannya jauh lebih besar (Contoh 3). Itulah sebabnya sabuk V dapat memindahkan daya yang sama dengan tegangan awal yang lebih kecil dan beban bantalan yang lebih ringan.

Sudut lilit (wrap angle) adalah sudut busur puli yang disentuh sabuk. Sudut lilit di puli kecil berkurang bila beda diameter puli besar dan jarak sumbu pendek:

$\theta \approx 180° - 2 \arcsin\!\left(\frac{d_2 - d_1}{2C}\right)$

dengan $C$ jarak sumbu kedua poros, dalam satuan yang sama dengan diameter puli. Penggerak drum washer-extractor memakai rasio besar, sehingga sudut lilit di puli motor kecil dan sabuk mudah selip bila tegangannya turun (Contoh 3). Rumus ini mengabaikan gaya sentrifugal pada sabuk dan dipakai untuk memahami kecenderungan, bukan untuk merancang penggerak.

Puli, alur, dan selongsong

Puli sabuk V dibuat dengan alur yang sesuai penampang sabuk. Sabuk yang benar duduk dengan sisi atasnya kira-kira rata dengan tepi alur, sisinya menyentuh dinding alur, dan dasarnya tidak menyentuh dasar alur. Bila dinding alur aus menjadi cekung, sabuk tenggelam, menyentuh dasar alur, dan selip walaupun tegangannya cukup; dasar alur yang mengkilap adalah tanda keadaan itu. Alur puli diperiksa dengan pengukur alur dari pabrik puli.

Selongsong tirus (taper bushing) adalah selongsong pada naf puli yang mencekam poros dengan gesekan ketika baut-bautnya ditarik bertahap. Puli dipasang di poros dengan pasak dan selongsong tirus seperti di Bab 5 tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros. Daftar suku cadang penggerak washer-extractor pemilik mencantumkan puli motor dan puli drum dengan selongsong tirus berukuran lubang berbeda. Puli yang bergoyang di poros atau berputar tidak rata diperiksa dengan jam ukur di tepi dan muka sebelum sabuk baru dipasang, karena puli yang tidak rata membuat tegangan sabuk naik turun setiap putaran.

Menegangkan sabuk

Tegangan yang terlalu rendah membuat sabuk selip, panas, dan aus. Tegangan yang terlalu tinggi membebani bantalan motor dan poros, memperpendek umur sabuk, dan dapat melenturkan poros motor. Ada beberapa cara menegangkan:

1. Motor digeser pada rel atau lubang lonjong dengan baut dorong, lalu dikunci.
2. Dudukan motor berpegas. Manual washer-extractor pemilik menjelaskan bahwa motor pada beberapa model duduk di pelat dudukan bertegangan pegas. Pegas menjaga tegangan saat sabuk mulur, tetapi hanya dalam rentang tertentu.
3. Selongsong penegang. Manual yang sama menyediakan selongsong yang dipasang pada poros dudukan motor untuk menambah tegangan pada sabuk yang sudah aus dan mulai selip, dan memerintahkan agar sabuk diganti bila selip lagi setelah selongsong itu dipasang. Selongsong ini memperpanjang umur sabuk aus; ia tidak memperbaiki sabuk yang rusak.
4. Puli penegang (idler pulley) pada sisi kendur, dipakai bila jarak poros tidak dapat diubah.

Mengukur tegangan. Bentang (span) adalah bagian sabuk yang bebas di antara titik singgung kedua puli. Cara lapangan yang umum adalah menekan bagian tengah bentang sabuk dengan gaya tertentu dan mengukur lendutannya. Aturan praktis yang umum adalah lendutan sekitar 1/64 panjang bentang, sedangkan gaya tekannya diambil dari tabel pabrik sabuk menurut penampang dan diameter puli (Contoh 4). Alat ukur frekuensi getar sabuk memberi hasil yang lebih dapat diulang. Sabuk baru mulur paling cepat pada jam-jam pertama, sehingga tegangannya diperiksa lagi setelah dijalankan satu hari kerja menurut pabrik sabuk.

Kelurusan puli

Kelurusan puli (pulley alignment) adalah kesejajaran letak kedua puli, sehingga sabuk masuk ke alur tanpa terpuntir. Kedua puli harus berada pada satu bidang. Ada tiga penyimpangan: puli bergeser sejajar, puli membentuk sudut di bidang mendatar, dan puli miring di bidang tegak. Akibatnya sabuk masuk ke alur dengan terpuntir, sisinya bergesek dengan dinding alur, sabuk berputar di dalam alur, dan serbuk sabuk bertambah. Manual washer-extractor pemilik menulis bahwa ketidaklurusan antara dudukan motor dan puli penggerak membuat sabuk sangat terpuntir dan tertekan sehingga umurnya sangat berkurang, dan meminta kelurusan diperiksa setiap kali serbuk penggerak berlebihan atau setiap kali penggerak diservis.

Prosedur dalam manual itu memakai siku tukang berkaki panjang:

1. Daya dikunci dan diberi tanda, lalu pelindung puli belakang dilepas.
2. Siku disetel 90° dan ditempelkan rata ke muka puli penggerak.
3. Bila tepi bawah siku tidak menempel rata ke badan motor, dicatat ujung motor yang perlu diganjal.
4. Baut yang menahan pelat dudukan motor dikendurkan secukupnya, lalu shim berbentuk U diselipkan di sekeliling baut.
5. Baut dikencangkan dan pengukuran diulang sampai tepi siku menyentuh motor di semua titik, atau sedekat mungkin dengan shim yang ada.

Cara umum lain adalah mistar panjang atau benang yang direntangkan menyentuh muka kedua puli di dua titik masing-masing, dan alat laser untuk puli. Batas sudut yang diizinkan diambil dari pabrik sabuk; sabuk bergigi dan sabuk beralur banyak lebih peka daripada sabuk V klasik.

Rantai rol dan sproket

Rantai rol terdiri dari mata rantai dalam dan luar, pin, bus, dan rol. Sproket (sprocket) adalah roda bergigi pada poros yang giginya menerima rol rantai. Ukuran rantai ditentukan oleh jarak bagi (pitch), misalnya 12,7 mm untuk rantai bernomor 40 pada sistem ANSI dan 08B pada sistem ISO. Rasio penggerak rantai dihitung dari jumlah gigi sproket:

$\frac{n_2}{n_1} = \frac{z_1}{z_2}$

dengan $z_1$ dan $z_2$ jumlah gigi sproket penggerak dan sproket yang digerakkan. Hal yang dirawat pada rantai:

1. Mulur rantai (chain elongation) adalah pertambahan panjang rantai dibandingkan panjang semestinya. Rantai memanjang karena pin dan bus aus, bukan karena pelatnya meregang. Mulur diukur dengan mengukur panjang sejumlah mata rantai yang ditarik lurus dan membandingkannya dengan jumlah pitch dikali pitch (Contoh 6). Batas penggantian berasal dari pabrik rantai; banyak pabrik memakai batas antara 1,5 dan 3 persen.
2. Kendur. Rantai yang terlalu kencang mempercepat aus pin dan bantalan; yang terlalu kendur memukul sproket dan dapat melompati gigi. Lendutan sisi kendur sering dibatasi sekitar 2 persen jarak sumbu.
3. Pelumasan. Oli harus masuk ke celah antara pin dan bus, bukan hanya membasahi luar rantai. Rantai di lingkungan basah seperti konveyor mesin pencuci piring sering memakai bahan tahan karat atau pelumas tahan air dari pabrik mesin.
4. Sproket. Gigi sproket yang aus berbentuk kait atau runcing. Rantai baru di sproket aus cepat rusak, dan sebaliknya, sehingga keduanya sering diganti bersama.
5. Kelurusan sproket diperiksa seperti puli.

Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak membahas konveyor mesin pencuci piring yang dilindungi kopling slip; bila konveyor macet, kopling itu selip sebelum rantai atau gearbox rusak.

Tanda aus dan penggantian

Tanda aus dan kerusakan

Banyak penyebab dapat dibaca dari sabuk dan puli yang dilepas:

1. Sisi sabuk mengkilap dan mengeras menunjukkan selip berulang karena tegangan rendah atau alur aus.
2. Retak melintang di sisi dalam menunjukkan sabuk tua, panas, atau puli terlalu kecil untuk penampangnya.
3. Sisi sabuk aus tidak rata atau satu sisi lebih aus menunjukkan ketidaklurusan.
4. Sabuk terbalik atau melompat dari alur menunjukkan ketidaklurusan berat, puli aus, atau beban kejut.
5. Serbuk hitam berlebihan di bawah penggerak menunjukkan selip atau ketidaklurusan; manual mesin pemilik memakai tanda ini sebagai pemicu pemeriksaan kelurusan.
6. Bantalan motor panas setelah sabuk diganti menunjukkan tegangan terlalu tinggi; Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur menjelaskan beban dan umur bantalan.

Tabel perawatan berkala washer-extractor pemilik mencantumkan pemeriksaan aus sabuk dan puli setiap bulan, dan pedoman keselamatannya meminta sabuk, puli, dan komponen aus lain diganti sebelum aus berat. Ketentuan garansi dalam manual pemasangan mesin pemilik menggolongkan sabuk sebagai bagian aus normal dengan masa garansi lebih pendek daripada komponen lain.

Penggantian sabuk dan rantai: urutan kerja

1. Isolasi. Daya dikunci dan diberi tanda di pemutus mesin, energi tersimpan dilepas, dan drum atau konveyor ditahan agar tidak berputar karena beban yang tidak seimbang. Manual mesin pemilik memperingatkan bahwa sabuk dan puli dapat menjepit dan meremukkan bagian tubuh.
2. Kendurkan, jangan mencungkil. Tegangan dilepas dengan menggeser motor atau mengangkat pelat dudukannya; manual mesin pemilik memakai balok kayu untuk menahan pelat motor saat sabuk dilepas dari puli. Sabuk yang dicungkil keluar dari alur dengan obeng merusak sabuk dan puli.
3. Ganti satu set. Penggerak bersabuk banyak memakai sabuk satu set dengan panjang yang sama. Sabuk baru dan lama tidak dicampur, karena sabuk lama sudah mulur dan sabuk baru akan memikul sebagian besar beban.
4. Periksa puli dan alurnya, selongsong, pasak, dan bantalan sebelum sabuk baru dipasang.
5. Periksa kelurusan dengan prosedur pabrik.
6. Tegangkan sesuai pabrik, putar dengan tangan beberapa putaran setelah isolasi diperiksa, lalu ukur lagi.
7. Pasang pelindung sebelum mesin dijalankan; manual mesin pemilik meminta pelindung sabuk dan puli terpasang selama prosedur yang harus dilakukan dengan mesin hidup.
8. Jalankan dan periksa ulang tegangan setelah masa jalan awal menurut pabrik sabuk.

Rantai diganti dengan urutan yang sama: rantai dan sproket diperiksa bersama, klip pegas pada mata rantai penyambung dipasang dengan ujung tertutupnya menghadap arah gerak rantai, dan rantai dilumasi sebelum dijalankan.

Contoh kerja

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

Contoh 1: putaran drum dari rasio puli. Puli motor sekitar 3,0 inci dan puli drum 25,0 inci tercantum di daftar suku cadang penggerak washer-extractor pemilik, dan motor berputar 1.450 rpm: $n_2 = 1.450 \times 3{,}0 / 25{,}0 = 174$ rpm. Rasio 8,33 menurunkan putaran dan menaikkan torsi dengan perbandingan yang sama.

Contoh 2: selip dari takometer. Takometer membaca drum 168 rpm, sedangkan hitungan Contoh 1 adalah 174 rpm. Selip $(174 - 168)/174 = 3{,}4$ persen, di atas kisaran normal satu sampai dua persen; tegangan, alur, dan sabuk diperiksa.

Contoh 3: sudut lilit puli motor dan tegangan yang diperlukan. Jarak sumbu 500 mm, dengan puli Contoh 1 sebesar 76,2 mm dan 635 mm: $\theta = 180° - 2 \arcsin(558{,}8 / 1.000) = 112°$, atau 1,96 rad. Dengan $\mu = 0{,}3$ dan sudut alur 38°, koefisien gesek efektif sabuk V adalah $0{,}3 / \sin 19° = 0{,}92$, sehingga perbandingan tegangan sabuk V turun menjadi $e^{0{,}92 \times 1{,}96} = 6{,}1$. Bila motor memberi 2,2 kW ke penggerak pada kecepatan sabuk $v = \pi \times 0{,}0762 \times 1.450 / 60 = 5{,}79$ m/s, $F_e = 2.200 / 5{,}79 = 380$ N untuk seluruh set, sekitar 127 N per sabuk bila tiga sabuk berbagi rata. Dengan gaya itu, $T_2 = 127 / (6{,}1 - 1) = 25$ N dan $T_1 = 152$ N. Sabuk datar pada sudut yang sama ($e^{0{,}3 \times 1{,}96} = 1{,}80$) memerlukan $T_2 = 159$ N dan $T_1 = 286$ N, sehingga beban bantalan jauh lebih besar.

Contoh 4: lendutan uji. Panjang bentang sabuk di Contoh 3 $\sqrt{500^2 - 279{,}4^2} = 415$ mm. Dengan aturan 1/64 bentang, lendutan uji sekitar $415/64 = 6{,}5$ mm pada gaya tekan dari tabel pabrik sabuk.

Contoh 5: kelurusan dengan siku panjang. Siku sepanjang 1.220 mm ditempelkan ke muka puli drum, dan celah di ujung lain terhadap motor 6 mm. Sudutnya $\arctan(6/1.220) = 0{,}28°$. Bila batas dari pabrik sabuk misalnya 0,5°, kelurusan masih dalam batas, tetapi bila serbuk sabuk tetap berlebihan, sebab lain seperti alur aus diperiksa.

Contoh 6: mulur rantai. Rantai bernomor 40 dengan pitch 12,7 mm. Panjang 20 pitch semestinya $20 \times 12{,}7 = 254{,}0$ mm, dan hasil ukur 259,1 mm. Mulur $(259{,}1 - 254{,}0)/254{,}0 = 2{,}0$ persen. Dengan batas misalnya 3 persen, rantai masih dipakai, tetapi pengukuran diulang lebih sering dan sproket diperiksa.

Kondisi berhenti

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

1. Sabuk, rantai, atau puli akan disentuh atau diukur sebelum daya dikunci dan diberi tanda, sebelum drum atau konveyor ditahan, dan sebelum energi tersimpan dilepas; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman, LOTO, izin kerja, dan kompetensi.
2. Mesin akan dijalankan dengan pelindung sabuk atau rantai dilepas, kecuali prosedur pabrik yang memerlukan mesin hidup dan pelindung tetap terpasang.
3. Tegangan sabuk akan diperiksa dengan menekan sabuk yang bergerak, atau kelurusan diperiksa sambil puli berputar.
4. Puli retak, alurnya aus, selongsong selip di poros, atau poros motor bengkok.
5. Sabuk tetap selip setelah selongsong penegang dipasang; manual mesin pemilik meminta sabuk diganti.
6. Kopling slip atau pembatas torsi pada penggerak rantai akan dikencangkan melebihi setelan agar rantai tidak berhenti.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya memberi rasio puli; Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak memberi gesekan dan panas selip; Bab 5 tentang poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros memberi kelurusan dan selongsong; Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur memberi beban bantalan; dan Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor memberi getaran motor.

Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak membahas kopling slip konveyor. Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman, LOTO, izin kerja, dan kompetensi mengatur isolasi energi, dan Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor membahas penggerak washer-extractor dari sisi proses. Rasio dan kerusakan gearbox ada di Bab 7 tentang roda gigi dan gearbox, dan pelumasan rantai di Bab 8 tentang pelumasan dan tribologi.

Latihan dan pembahasan

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