ABSTRAK Makalah ini menyajikan desain spesifikasi roda gigi secara langsung dan alternatif metode analisis, untuk mencapai kinerja terbaik dari sebuah produk dan aplikasi.

PENDAHULUAN Latar Balakang Insinyur jaman dulu berhasil menggunakan desain langsung roda gigi. Mereka tahu rasio gigi yang diinginkan dari jarak pusat dari sumber daya yang tersedia (misal: arus air, angin, tenaga kuda). Parameter tersebut digunakan untuk menentukan diameter, jumlah dan bentuk gigi. Mereka memproduksi dan mengukir gigi dengan menggunakan bahan yang tersedia.

Gambar 1. Desain langsung roda gigi kuno Selama revolusi teknologi dari abad 19, proses menghasilkan roda gigi menggunakan rak profil gigi dan pinion mesh dengan kekosongan gigi.

Gambar 2. Aksesoris hobbing 1

Hobbing gigi menghasilkan gerakan yang akurat sehingga sangat produktif. Mesin hobbing gigi rumit dan mahal dengan parameter pemotongan (menghasilkan rak) seperti sudut, pitch, addendum dan dedendum, sudah standard (tidak common dan hanya untuk menghasilkan 1 gigi). Hal ini membuat desain roda gigi terbatas pada parameter alat potong. Tujuan Menghasilkan desain roda gigi dengan penekanan utama untuk memaksimalkan kinerja dan efisiensi biaya, tanpa terbatas pada parameter tertentu. Ruang Lingkup Pembahasan dibatasi pada: Aksesoris mesh sintetis. Pemodelan, pembebanan dan perhitungan tegangan. Efisiensi. Optimasi fillet profil

PEMBAHASAN 1. GEAR MESH SINTETIS 1.1. Gigi Roda gigi Desain spesifikasi roda gigi secara langsung mendefinisikan gigi tanpa manggunakan parameter rak untuk menghasilkan perhitungan diameter modul atau sudut tekan. dua involute lingkaran dasar db , jarak lingkar Sb , diameter luar da , sebagai batas ketinggian gigi untuk menghindari ujung gigi runcing dan menghasilkan ujung ketebalan Sa

Gambar 3. Parameter gigi 1.2. Mesh Roda gigi 2

Gambar 4. Parameter mesh Parameter dari mesh rodagigi dw1 dan dw2 Sw1 dan Sw2 w = Diameter operasi (diameter putaran murni dan nol geser) = Ketebalan daerah operasi = Sudut diameter daerah operasi = Hubungan rasio

Dalam desain roda gigi langsung, tekanan terjadi pada parameter mesh (jarak pusat). Jika parameter mesh berubah maka sudut tekanan juga berubah. 1.3. Konversi Mesh Roda gigi Untuk mengoptimalkan geometri roda gigi, biasanya gigi diubah menjadi bentuk virtual sepanjang roda gigi. Rumus berikut digunakan untuk mendefinisikan virtual jumlah gigi: 1.3.1. Roda gigi Helic Nv = N/cos() N = Jumlah gigi = sudut operasi roda gigi helic 1.3.2. Roda gigi bevel lurus Nv = N/cos() N = Jumlah gigi = sudut kerucut operasi roda gigi bevel 1.3.3. Roda gigi bevel spiral 3

Nv = N/cos()/cos() 1.3.4. Roda gigi cacing Nwv = Nw/cos(90-) dan Nwgv = Nwg/cos() Nw = awal gigi cacing Nwg = Jumlah gigi roda gigi cacing 1.4. Input data desain roda gigi Tidak seperti desain roda gigi tradisional (dimana data input berdasarkan parameter alat potong), dalam spesifikasi roda gigi langsung data input menggambarkan ukuran fisik roda gigi, yaitu: - Sudut tekan operasi Untuk roda gigi dengan gigi asimetris sudut tekan operasi berbeda, antara sisi satu dengan sisi sebaliknya. - Koefisien batas atas untuk drive dan driven Koefisien batas atas adalah batas atas nominal dikalikan pitch operasi nominal atau dibagi dengan operasi nominal modul (untuk roda gigi metric). - Rasio kontak nominal Digunakan untuk menentukan koefisien batas atas gigi. - Rasio ketebalan gigi Adalah rasio antara pinion dan ketebalan gigi roda gigi pada diameter pitch nominal. Parameter ini mempengaruhi ukuran dan distribusi antara pinion dengan driven. Atau rasio ketebalan gigi dapat juga didefinisikan tegangan bengkok gigi. - Koefisien radius puncak untuk driven dan pinion Adalah nominal radius puncak dikalikan dengan pitch atau dibagi dengan modul (untuk roda gigi metric). Sifat material, kondisi gesekan dan beban, parameternya meliputi: Modulus elastisitas dan koefisien gesek torsi pinion. 1.5. Data output desain roda gigi langsung Data output menyajikan semua geometri roda gigi (diameter, sudut profil, ketebalan gigi, dll), kecepatan sliding, efisiensi gigi dan data geometri beban untuk FEA. File output meliputi toleransi minimum dan maksimum dari spesifikasi gambar parameter roda gigi. 2. PEMODELAN FEA, PEMBEBANAN DAN PERHITUNGAN TEGANGAN 4

Desain roda gigi secara langsung hasil pendekatan dari beberapa profil gigi yang tergantung pada kinerja drive roda gigi. Untuk itu, persamaan Lewis dan eksperimen tegangan digunakan sebagai faktor untuk menghitung tegangan bengkok gigi. FEA merupakan tool untuk menghitung tegangan bengkok dan defleksi. Beban pada gigi didistribusikan pada lengkungan antar gigi yang digunakan untuk menghitung tegangan lentur.

Gambar 5.a. Mesh FEA 3. MAKSIMALISASI EFISIENSI

Gambar 5.b. Isogram tegangan bending

Dalam transmisi roda gigi hamper semua kerugian mekanis ditransfer menjadi panas, mengurangi performa roda gigi, kehandalan dan lifetime. Hal ini penting, terutam untuk gigi plastik. Plastik tidak tahan panas seperti logam dan panas yang terakumulasi bias menyebabkan kegagalan pada roda gigi. Persamaan efisiensi roda gigi

H1 & H2 f

= Kecepatan geser maksimum gear dan pinion = Koefisien gesek = Sudut tekan

Desain roda gigi langsung memaksimalkan efisiensi gigi dengan menyamakan kecepatan geser maksimum kedua roda gigi

Gambar 6. Kecepatan geser 4. KESEIMBANGAN TEGANGAN BENGKOK 5

Singgungan antar gigi harus sama kuat. Jika dalam perhitungan tegangan bengkok antar pinion dan gear berbeda, maka harus disamakan.

Gambar 6. Keseimbangan tegangan bengkok maksimum Untuk memaksimalkan rasio ketebalan gigi, menggunakan metode FEA, diharapkan perbedaan tegangan bengkok (gear dan pinion) kurang dari 1%. Jika ada perbedaan material, maka safety faktor bengkok harus diseimbangkan sesuai dengan material masing-masing. 5. OPTIMALISASI PROFIL FILLET Desain roda gigi tradisional berdasarkan parameter alat potong yang ditentukan, sehingga fillet sesuai dengan sudut alat potong. Karakteristik alat potong menghasilkan profil fillet dengan clearance radikal karena menghindari singgungan antar akar gigi, akibatnya menghasilkan bentuk gigi tinggi dengan clearance besar dan fillet kecil sehingga pada area ini menyebabkan tegangan bengkok maksimum.

Gambar 7. Optimalisasi profil fillet (1), profil involute (2), profil inisial fillet (3), profil fillet optimal (4) Desain dengan mengoptimalkan profil fillet untuk meminimalkan tegangan bengkok. 6

Optimalisasi proses didasarkan pada metode FEA dan pencarian secara acak inisial profil fillet dangan bantuan software. Software akan menentukan center fillet, lalu akan membuat garis lurus sampai sisi gigi untuk menentukan lokasi (titik) tegangan bengkok maksimum pada gigi. Dari hal tersebut program akan membuat alternative profil fillet untuk mengurangi tegangan bengkok maksimum.

Tabel 1. Ilustrasi optimalisasi profil fillet dan menurunkan tegangan bengkok maksimum untuk produk (AGMA 201.2) gear

Gambar 8. Roda gigi dengan optimalisasi profil fillet 6. RODA GIGI DENGAN GIGI ASYMETRIS 7

Pada roda gigi asymetris, dua profil sisi gigi secara fungisonal berbeda. Beban salah satu profil sisi gigi lebih berat dan dapat digunakan dalam waktu yang lama daripada profil sisi sebaliknya.

Gambar 9. Roda gigi dengan gigi asymetris Maksud desain asymetri adalah untuk meningkatkan kinerja profil kontak sisi utama dengan menurunkan kinerja profil kontak sisi sebaliknya. Karena sisi sebaliknya relative menerima beban lebih ringan ketika roda gigi bekerja.

Gambar 10. Parameter gigi asymetris Besar sudut asymetri dan profil drive berbeda, tergantung pada penerapannya. Perbedaan gigi asymetris terletak pada 2 involute yaitu pada dbc dan dbd. Umumnya ketebalan akar gigi tidak sama pada gigi asymetris. Ketebalan gigi Sp ditentukan berdasarkan lingkaran dp. dan harus lebih besar daripada diameter dasar (dbc dan dbd).

8

Gambar 11. Mesh roda gigi asymetris Dengan roda gigi asymetris memungkinkan untuk meningkatkan rasio kontak gigi dan sudut tekan operasi yang melampaui batas roda gigi konvensional. Sebagai contoh : Jika sudut tekan maksimum secara teori untuk symetris involute sebesar 45, maka pada roda gigi asymetri sudut tekan bias 50 atau lebih besar. Dengan profil gigi asymetris juga memungkinkan untuk mengatur kekakuan gigi dan pembagian beban dengan mempertahankan sudut tekan dan kontak rasio dengan mengubah salah satu profil sisi gigi. Hasilnya, kapasitas bebean lebih tinggi dan rendah kebisingan serta getaran dibandingkan dengan roda gigi symetri konvensional.

7. TOOLING DAN PROSES DESAIN RODA GIGI LANGSUNG Desain roda gigi secara langsung disini memerlukan perkakas kustom, sehingga biaya peralatan tinggi. Penerapan desain ini harus diiringi dengan peningkatan kinerja roda gigi yang signifikan.

Gambar 12. Profil alat potong Proses profil roda gigi menggunakan tool dengan mengubah kondisi mesh seperti perbedaan diameter pitch dan sudut tekan. Proses perubahan ini harus mengacu pada diametral standar pitch atau modul gigi.

9

Untuk proses pengecoran roda gigi plastik (die casting, ) tidak mengubah parameter mesh dan penggunaan tool khusus, melainkan dengan perubahan profil cavity mold.

Gambar 13. Profil alat roda gigi mold

8. TRADISIONAL VS RODA GIGI DESAIN LANGSUNG

10

Tabel 2. Ilustrasi perbedaan prinsip dasar roda gigi desain tradisional vs langsung Pada tabel 3 (dibawah) contoh perbandingan desain roda gigi dengan sudut tekan 25. Desain roda gigi paling baik adalah dengan tegangan bengkok minimum dan efisiensi tinggi. Pada tabel menunjukkan desain roda gigi langsung, tegangan bengkok maksimum lebih rendah 30% dan rasio kontak gigi tinggi. Juga meningkatkan efisiensi dari 97% ke 98% yang artinya 33% mengurangi kerugian mekanik dan menurunkan panas, hasilnya roda gigi lebih tangguh dengan lifetime lama.

11

Tabel 3. Contoh perbandingan roda gigi desain tradisional vs langsung

KESIMPULAN Desain roda gigi secara langsung merupakan sebuah alternative pendekatan dari desain roda gigi tradisional dengan tidak dibatasi oleh parameter tool standard. Hal ini memeungkinkan untuk analisis dari berbagai parameter tools untuk menghasilkan kombinasi dalam rangka menemukan aplikasi yang paling cocok. 12

Desain roda gigi secara langsung dapat menurunkan tegangan 15-30% Penurunan ini dapat diterjemahkan menjadi: - Peningkatan kapasitas bebean 15-30% - Pengurangan dimensi dan berat roda gigi 10-20% - Lifetime bertambah - Pengurangan biaya - Meningkatkan kehandalan - Pengurangan kebisingan dan getaran - Peningkatan efisiensi - Penurunan biaya pemeliharaan. CONTOH APLIKASI Pompa medical Gigi asymetri fleksibel menghasilkan perlindungan lebih baik antara gear dan houshing, dengan menghasilkan tekanan tinggi, arus dan efisiensi

Gearbox otomatis Gearbox otomatis yang beroperasi dibawah dan di atas dengan rangae suhu -48 - 135 Idealnya desain gear dengan metal, tapi gear diubah menggunakan plastik dengan mempertimbangkan fungsi dan biaya. DAFTAR PUSTAKA EB Vulgakov, 1974, Gears dengan Peningkatan Karakteristik, Mashinostroenie, Moskow (dalam Rusia).

13

AL Kapelevich, RE Kleiss, Gear Langsung Desain untuk Spur dan Gears sukar spiral, Teknologi gigi, September / Oktober 2002, 29- 35. Townsend DP Dudley Aksesoris Handbook, McGraw-Hill, 1991. AL Kapelevich, YV Shekhtman, Gear Langsung Desain: Meminimalkan Stres Bending, Gear Teknologi, September / Oktober 2003, 44-47. EB Vulgakov, AL Kapelevich "Non-simetris Aksesoris Transmisi: Kemungkinan Perkembangan ", Vestnik Mashinostroeniya, 1987, Vol. 66, Edisi 4, hal 14 - 16 (dalam bahasa Rusia). Diterjemahkan ke Bahasa Inggris Teknik Soviet Penelitian, 1987, Vol. 6, No 4, hlm 2, 3. AL Kapelevich, "Sintesis asimetrik Sukar Gearing ", Mashinovedenie, 1987, No 1, pp 62-67 (dalam bahasa Rusia). Diterjemahkan ke Bahasa Inggris Ilmu Mesin Soviet, oleh Allerton Pers, Inc, 1987, No 1, hlm 55-59. AL Kapelevich, Geometri dan desain sukar memacu gigi dengan gigi asimetris, Mekanisme dan Teori Mesin, 35 (2000), 117-130. FL Litvin, T. Lian, AL Kapelevich, Asymmetric gigi drive diubah: pengurangan kebisingan, lokalisasi kontak, simulasi meshing dan analisis stres, Komputer Metode dalam Mekanika Terapan dan Teknik,188 (2000), 363-390. KONTAK Dr Alexander L. Kapelevich adalah pemilik konsultasi perusahaan AKGears, LLC, pengembang Desain Aksesoris Langsung metodologi dan perangkat lunak. Dia memiliki lebih dari dua puluh lima pengalaman dalam pengembangan gigi transmisi. Dia bisa dihubungi melalui e-mail di ak@akgears.com.

14