Mencapai rasio reduksi yang tinggi dalam transmisi daya secara tradisional memerlukan beberapa tahap gearbox, yang menghasilkan sistem mekanis yang besar, rumit, dan mahal. Solusi yang tidak memadai menyebabkan inefisiensi energi, kegagalan komponen prematur, dan kebutuhan akan mekanisme pengereman tambahan.
Sistem gearbox cacing mengatasi tantangan ini dengan menyediakan rasio reduksi yang luar biasa dalam satu tahap kompak sekaligus menawarkan kemampuan penguncian otomatis bawaan yang menghilangkan kebutuhan akan komponen pengereman tambahan.
Apa itu Gearbox Cacing
Sistem gearbox cacing, yang sering disebut sebagai penggerak cacing, merupakan kategori pengaturan gearbox yang berbeda dalam teknik mesin. Pada dasarnya, sistem ini terdiri dari dua komponen utama yang saling berinteraksi: poros yang memiliki ulir heliks seperti sekrup, yang dikenal sebagai 'cacing', yang menyatu dengan dan menggerakkan roda bergigi, yang disebut 'roda cacing' atau terkadang hanya disebut 'roda'. Sistem ini tergolong sebagai jenis gearbox poros stagger, yang secara khusus dirancang untuk mentransmisikan gerakan dan daya antara dua poros yang diposisikan di ruang sedemikian rupa sehingga keduanya tidak sejajar atau berpotongan.
Komponen Gearbox Cacing
Cacing (Sekrup)
Cacing biasanya merupakan komponen penggerak dalam sistem gearbox cacing. Secara struktural, cacing adalah poros yang menggabungkan satu atau lebih ulir heliks kontinu, sehingga tampilannya mirip dengan sekrup mesin standar. Cacing dapat diproduksi baik sebagai bagian integral dari poros masukan atau sebagai komponen terpisah dengan lubang tengah yang dirancang untuk dipasang ke poros.
Beberapa parameter kunci menentukan karakteristik geometris cacing:
Lead (L) merupakan jarak aksial yang ditempuh ulir selama satu putaran cacing, mirip dengan bagaimana sekrup kayu bergerak maju saat diputar. Untuk cacing multi-start, L = p * Z₁, di mana p merupakan pitch aksial, dan Z₁ merupakan jumlah start. Anggaplah "start" sebagai jumlah ulir independen yang berjalan di sepanjang cacing – seperti bagaimana beberapa sekrup memiliki ulir ganda untuk pemasangan yang lebih cepat.
Sudut heliks (γ) adalah sudut antara garis singgung ke heliks ulir pada diameter lingkaran pitch dan bidang tegak lurus terhadap sumbu cacing. Sudut ini secara langsung memengaruhi efisiensi dan sifat penguncian otomatis sistem gearbox – sudut yang lebih curam umumnya memberikan efisiensi yang lebih tinggi.
Roda Cacing (Gearbox)
Gearbox cacing adalah komponen penggerak dalam sistem, yang dirancang khusus untuk berpasangan secara akurat dengan ulir cacing. Meskipun menyerupai gearbox lurus atau heliks dalam bentuk dasarnya, gigi gearbox cacing biasanya memiliki kelengkungan atau sudut tertentu (sudut heliks) yang dirancang untuk sesuai dengan profil ulir cacing, sehingga memaksimalkan kontak.
Pada desain berleher yang lebih umum (tunggal atau ganda), permukaan gigi roda cacing memiliki kelengkungan cekung yang jelas, yang dikenal sebagai "leher". Geometri berleher ini memungkinkan roda untuk membungkus cacing sebagian, sehingga secara signifikan meningkatkan area kontak dibandingkan dengan gearbox silinder sederhana yang menyatu dengan cacing.
Jenis-jenis Gearbox Cacing
Gearbox Cacing Tanpa Tenggorokan
Ini merupakan bentuk gearbox cacing yang paling sederhana. Gearbox ini terdiri dari cacing silinder standar dengan ulir lurus seperti sekrup yang disambungkan dengan gearbox pacu konvensional atau gearbox heliks yang belum dibuat khusus agar sesuai dengan cacing. Pada dasarnya, konfigurasi ini dapat dilihat sebagai sepasang gearbox heliks sumbu silang di mana satu bagian (cacing) memiliki sudut heliks yang sangat tinggi dan biasanya sangat sedikit gigi (awal).
Gearbox Cacing Berleher Tunggal (Single Enveloping)
Ini adalah jenis gearbox cacing yang paling banyak digunakan untuk aplikasi transmisi daya. Gearbox ini memiliki cacing silindris (lurus), mirip dengan jenis tanpa alur, tetapi berpasangan dengan roda cacing yang telah dirancang khusus dengan gigi cekung. Cekungan ini, yang dikenal sebagai "alur", dikerjakan di sepanjang lebar permukaan roda cacing, menciptakan profil yang sebagian melingkari atau menyelubungi diameter cacing.
Gearbox Cacing Berleher Ganda (Double Enveloping / Globoid)
Dalam sistem berleher ganda, baik cacing maupun roda cacing memiliki profil cekung yang dirancang untuk saling membungkus. Cacing itu sendiri tidak berbentuk silinder tetapi berbentuk jam pasir, yang sering disebut cacing globoid atau kerucut. Diameternya biasanya paling kecil di bagian tengah dan bertambah ke arah ujung. Roda cacing juga berleher, mirip dengan tipe berleher tunggal, tetapi kelengkungannya dirancang agar sesuai dengan profil pembungkus cacing globoid.
Bagaimana Cara Kerja Roda Cacing
Prinsip pengoperasian dasar sistem gearbox cacing melibatkan pemindahan gerakan dan daya dari cacing masukan ke roda cacing keluaran melalui pengikatan ulir dan gigi masing-masing. Saat Anda memutar cacing, ulir heliksnya bertindak seperti sekrup yang bergerak maju melalui mur, mendorong gigi roda cacing yang saling bertautan dan menyebabkannya berputar.
Interaksi mekanis ini menciptakan karakteristik transmisi daya yang unik: untuk setiap putaran cacing yang lengkap, roda cacing bergerak maju hanya dengan jumlah gigi yang sesuai dengan jumlah awal pada cacing. Dalam kasus umum cacing dengan satu awal, roda bergerak maju hanya dengan satu gigi per putaran cacing, sehingga menghasilkan rasio reduksi yang sangat tinggi.
Menghitung Rasio Gearbox
Rasio gearbox (i), yang mewakili rasio kecepatan masukan (kecepatan cacing) terhadap kecepatan keluaran (kecepatan roda cacing), ditentukan oleh hubungan sederhana antara jumlah gigi pada roda cacing (Z₂) dan jumlah ulir (atau awalan) pada cacing (Z₁). Rumusnya adalah:
i = Z₂ / Z₁Untuk kasus umum cacing dengan satu putaran awal (Z₁ = 1), rasio gearbox disederhanakan menjadi sama dengan jumlah gigi pada roda cacing (i = Z₂). Misalnya, cacing dengan satu putaran awal yang menyatu dengan roda cacing yang memiliki 40 gigi menghasilkan rasio gearbox 40:1. Ini berarti cacing harus menyelesaikan 40 putaran agar roda cacing menyelesaikan satu putaran.
Penggunaan ulir cacing multi-start memberikan cara langsung untuk mencapai rasio reduksi yang lebih rendah sambil berpotensi menggunakan gearbox cacing yang sama dan mempertahankan jarak pusat yang serupa. Misalnya, jika gearbox cacing 40 gigi yang sama dipasangkan dengan ulir cacing dua-start (Z₁ = 2), rasio gigi menjadi 40/2 = 20:1. Dengan ulir cacing empat-start (Z₁ = 4), rasionya akan menjadi 40/4 = 10:1.
Mengunci Diri
Penguncian otomatis menggambarkan kondisi di mana sistem gearbox cacing, ketika torsi diterapkan pada poros keluaran (roda cacing), mencegah rotasi poros masukan (cacing). Hal ini terjadi ketika gaya gesekan internal yang menahan gerakan di dalam jalinan gearbox lebih besar daripada gaya tangensial yang mencoba menyebabkan gerakan mundur.
Penguncian Otomatis Statis
Penguncian otomatis menggambarkan kondisi saat sistem gearbox cacing, saat torsi diterapkan ke poros keluaran, mencegah rotasi poros masukan. Hal ini terjadi saat gaya gesekan internal yang menahan gerakan di dalam jaring gearbox lebih besar daripada gaya tangensial yang mencoba menyebabkan gerakan mundur.
Penguncian Otomatis Dinamis (atau Pengereman Otomatis)
Penguncian otomatis dinamis menggambarkan ketahanan kotak gearbox terhadap gerakan mundur saat sedang bergerak, atau kecenderungannya untuk melambat dengan cepat dan berhenti saat penggerak masukan dilepas saat berada di bawah beban keluaran.
Bahan Umum Gearbox Cacing
Pasangan Standar: Cacing Baja Keras + Roda Cacing Perunggu
Kombinasi ini mewakili standar industri untuk sebagian besar aplikasi gearbox cacing transmisi daya.
- Bahan Cacing: Pilihan umum meliputi baja pengerasan casing (seperti AISI 1020, 8620, 4320, 16MnCr5Eh) atau baja paduan pengerasan menyeluruh (seperti SCM440, 4140, 4150). Baja tahan karat (misalnya, SUS303) dapat digunakan jika ketahanan korosi sangat penting.
- Bahan Roda (Perunggu)Paduan perunggu spesifik dipilih berdasarkan kebutuhan beban dan kecepatan:
- Perunggu Fosfor (misalnya, C90700, CAC502): Ketahanan aus yang sangat baik dan sifat gesekan yang baik, banyak digunakan untuk keperluan umum dan sering dipilih untuk kecepatan geser yang lebih tinggi.
- Perunggu Aluminium (misalnya, C95400, CAC702): Menawarkan kekuatan yang lebih tinggi, kekerasan, dan ketahanan korosi yang baik, membuatnya cocok untuk beban yang lebih berat, kecepatan yang lebih rendah, dan lingkungan yang menantang.
- Perunggu Mangan (misalnya, C86300): Memberikan kekuatan yang sangat tinggi untuk aplikasi beban ekstrem.
- Perunggu Bertimbal (misalnya, C93200): Menawarkan kemampuan mesin yang lebih baik dan beberapa sifat pelumas sendiri karena kandungan timbal, tetapi umumnya memiliki kekuatan yang lebih rendah.
Pasangan Alternatif
- Cacing Baja + Roda Besi Cor: Pilihan berbiaya rendah yang cocok untuk aplikasi dengan beban dan kecepatan geser yang lebih rendah (biasanya di bawah 3 m/s untuk besi abu-abu). Menawarkan daya tahan yang cukup baik tetapi gesekan dan keausan yang lebih tinggi dibandingkan dengan perunggu. Besi ulet memungkinkan kecepatan yang sedikit lebih tinggi.
- Cacing Baja + Roda Polimer: Material seperti nilon cor (MC901) atau asetal (POM) memberikan keuntungan seperti kebisingan rendah, ketahanan terhadap korosi, pelumasan bawaan, dan biaya yang lebih rendah. Namun, penggunaannya terbatas pada beban yang sangat ringan dan kecepatan rendah karena batas kekuatan dan suhu yang lebih rendah.
- Cacing Baja + Roda Baja: Jarang digunakan karena risiko tinggi terjadinya goresan dan kejang (galling) akibat kontak geser baja dengan baja. Memerlukan pelumasan yang luar biasa dan desain yang cermat, biasanya digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan baja yang tinggi untuk kedua komponen.
Pelumasan Gearbox Cacing
Tindakan menggeser membuatnya sulit untuk membuat dan mempertahankan lapisan pelumasan hidrodinamik yang stabil dan penuh – kondisi ideal di mana lapisan oli yang kontinu memisahkan permukaan yang bergerak sepenuhnya. Akibatnya, gearbox cacing sering beroperasi dalam rezim pelumasan batas atau campuran, di mana terdapat kontak logam-ke-logam yang terputus-putus atau sebagian.
Metode Pelumasan untuk Gearbox Cacing
Pelumasan Grease
Metode ini umumnya hanya cocok untuk gearbox cacing berkecepatan rendah (biasanya di bawah kecepatan tangensial 3-6 m/s), beban ringan, atau yang beroperasi secara berkala. Metode ini dapat digunakan dalam sistem terbuka dan tertutup. Konsistensi gemuk yang lengket membantu gemuk tetap menempel pada gigi gearbox dan tidak terlepas karena gaya sentrifugal.
Pelumasan Percikan (Mandi Minyak)
Ini adalah metode yang paling umum untuk kotak gearbox cacing tertutup yang beroperasi pada kecepatan sedang (biasanya memerlukan kecepatan tangensial minimum sekitar 3 m/s agar efektif, hingga mungkin 15 m/s). Gearbox yang berputar (biasanya roda cacing, atau cacing jika diposisikan di bawah roda) masuk ke dalam reservoir oli (bak) dan memercikkannya ke komponen dan bantalan yang saling bertautan.
Sirkulasi Paksa / Pelumasan Semprot
Metode ini digunakan untuk aplikasi kecepatan tinggi (kecepatan tangensial biasanya di atas 10-12 m/s) atau dalam sistem kritis yang memerlukan pelumasan dan pendinginan yang konsisten. Oli diambil dari bak oli oleh pompa dan disemprotkan atau diarahkan secara aktif ke rangka gearbox, sering kali menargetkan titik tempat cacing memasuki kontak dengan roda.
Jenis Pelumas untuk Gearbox Cacing
Minyak Mineral Campuran
Oli mineral campuran menggabungkan oli mineral konvensional dengan 3-10% asam lemak alami yang meningkatkan daya lumas dan kekuatan lapisan. Aditif ini membantu pelumas melekat pada permukaan logam dan menahan tekanan.
Oli Gearbox Mineral Tekanan Ekstrim (EP)
Oli mineral ini mengandung aditif kimia (biasanya berbahan dasar sulfur-fosfor) yang dirancang untuk bereaksi dengan permukaan logam di bawah tekanan dan suhu tinggi, membentuk lapisan pengorbanan pelindung yang mencegah pengelasan, pengikisan, dan keausan parah selama pelumasan batas.
Oli Gearbox Sintetis (PAO dan PAG)
- Polialfaolefin (PAO): Ini adalah oli dasar sintetis yang paling umum. Oli ini menawarkan stabilitas termal dan oksidatif yang sangat baik (memungkinkan suhu operasi yang lebih tinggi, hingga ~125°C), sifat suhu rendah yang baik, dan kompatibilitas dengan oli mineral dan sebagian besar seal/cat. Oli ini sering mengandung aditif anti-aus atau EP.
- Polialkilena Glikol (PAG): PAG sering dianggap sangat cocok untuk aplikasi gearbox cacing karena koefisien gesekannya yang rendah dan sifat pelumasannya yang sangat baik. PAG memiliki VI yang sangat tinggi (sering kali >200, hingga 280), yang memungkinkan penggunaan tingkat viskositas awal yang lebih rendah sambil mempertahankan ketebalan lapisan yang memadai pada suhu operasi, yang selanjutnya mengurangi gesekan internal dan meningkatkan efisiensi.
