Backlash pada kotak gearbox, permainan yang terjadi antara gigi gearbox yang saling bertautan, dapat berdampak signifikan pada kinerja dan umur sistem gearbox. Backlash yang berlebihan menyebabkan berkurangnya akurasi, peningkatan kebisingan dan getaran, percepatan keausan, dan penurunan efisiensi. Kegagalan mengatasi masalah ini dapat mengakibatkan kegagalan komponen dini dan waktu henti yang mahal.
Dokumen ini menguraikan penyebab, efek, dan teknik pengukuran backlash pada kotak gearbox, serta strategi untuk meminimalkan atau menghilangkannya guna memastikan kinerja dan keandalan sistem yang optimal.
Apa itu Backlash Gearbox
Backlash kotak gearbox mengacu pada jarak bebas atau permainan yang ada di antara gigi-gigi yang saling bertautan di dalam kotak gearbox atau rangkaian gearbox. Sedikit ruang antara gigi gearbox penggerak dan yang digerakkan ini memungkinkan satu gearbox berputar sedikit tanpa menyebabkan gearbox lainnya bergerak.
Backlash terwujud sebagai penundaan sesaat atau "kehilangan gerakan" yang terjadi saat arah transmisi daya berbalik. Misalnya, saat poros input kotak gearbox mengubah arah putaran, poros output tidak akan langsung merespons. Sebaliknya, poros input akan berputar dalam jarak yang kecil, menerima backlash, sebelum gigi sepenuhnya terhubung dan mengirimkan gerakan ke poros output.
American Gear Manufacturers Association (AGMA) memberikan definisi formal tentang backlash gearbox sebagai jumlah ruang gigi gearbox yang melebihi ketebalan gigi yang terlibat pada lingkaran pitch. Dengan kata lain, ini mengukur ruang kosong antara dua gigi gearbox yang saling bertautan.
Jenis-jenis Backlash Gearbox
- Reaksi Balik Melingkar (jt): Juga dikenal sebagai backlash tangensial, ini adalah jenis pengukuran backlash yang paling umum, terutama untuk gearbox poros paralel seperti gearbox lurus dan heliks. Ini didefinisikan sebagai panjang busur pada lingkaran pitch di mana sebuah gearbox dapat berputar sementara gearbox pasangannya tetap diam. Backlash melingkar mewakili kelonggaran rotasi antara gigi yang saling berpasangan pada titik kontak teoritisnya.
- Reaksi Balik Normal (jn): Jenis backlash ini diukur sebagai jarak terpendek antara permukaan non-penggerak dari dua gigi gearbox yang saling bertautan saat permukaan penggeraknya bersentuhan. Backlash normal diukur sepanjang garis tegak lurus terhadap permukaan gigi pada titik kontak, yang memberikan indikasi langsung tentang jarak bebas aktual antara gigi.
- Reaksi Sudut (jθ): Backlash sudut adalah sudut maksimum yang dapat dilalui oleh satu gearbox tanpa menggerakkan gearbox yang sesuai. Biasanya dinyatakan dalam derajat atau radian. Untuk sejumlah backlash linier tertentu, gearbox dengan radius yang lebih kecil akan memiliki backlash sudut yang lebih besar daripada gearbox yang lebih besar.
- Reaksi Radial (jr): Celah radial berlaku untuk gearbox sumbu paralel seperti gearbox lurus dan gearbox heliks. Ini mewakili perubahan jarak pusat antara dua gearbox saat keduanya tetap saling terkait. Jumlah celah radial dapat disesuaikan dengan mengubah jarak pusat antara gearbox.
- Reaksi Aksial (jx): Kelonggaran aksial paling relevan untuk gearbox bevel dan gearbox cacing. Kelonggaran aksial didefinisikan sebagai jarak sepanjang sumbu rotasi yang dapat ditempuh oleh satu gearbox tanpa menyebabkan pergerakan pada gearbox pasangannya. Pada gearbox bevel, kelonggaran aksial dapat disesuaikan dengan menambahkan atau mengurangi shim untuk mengubah jarak pemasangan antar gearbox.
Dampak Backlash pada Kinerja Sistem Mekanik
- Hilangnya Gerakan dan Berkurangnya Akurasi: Bila kotak gearbox dengan reaksi balik yang berlebihan mengalami pembalikan arah masukan atau beban, ada penundaan sebelum keluaran merespons. Masukan harus berputar cukup untuk mengatasi reaksi balik sebelum gigi bergerak dan mengirimkan gerakan. Gerakan yang hilang ini mengurangi akurasi dan respons sistem secara keseluruhan.
- Kebisingan dan Getaran: Saat gearbox berubah arah dan gigi saling berbenturan untuk menghilangkan serangan balik, gaya benturan pun tercipta. Benturan tiba-tiba ini menghasilkan suara dan getaran yang dapat menyebar ke seluruh sistem mekanis, yang berpotensi menyebabkan gangguan atau kerusakan pada komponen lain.
- Peningkatan Keausan: Meskipun diperlukan sedikit reaksi balik, jarak bebas yang berlebihan antara gigi gearbox dapat memperbesar gaya benturan yang dialami selama pembalikan arah. Seiring waktu, gaya yang meningkat ini menyebabkan percepatan keausan, pengelupasan, pengelupasan, dan bahkan fraktur gigi, sehingga mengurangi masa pakai kotak gearbox secara keseluruhan.
- Mengurangi Efisiensi: Gerakan yang hilang terkait dengan backlash merupakan hilangnya efisiensi transmisi energi. Selama waktu yang dibutuhkan input untuk berputar dan menghilangkan backlash, tidak ada pekerjaan yang berguna yang dilakukan pada output. Gerakan yang terbuang ini mengakibatkan penurunan efisiensi gearbox secara keseluruhan.
Penyebab Backlash pada Gearbox
- Toleransi Manufaktur: Gearbox yang sempurna dengan backlash nol secara praktis tidak mungkin dibuat. Akan selalu ada beberapa variabilitas dalam ketebalan gigi, profil, pitch, dan dimensi lainnya karena keterbatasan yang melekat dalam proses pembuatan. Variasi kecil ini terakumulasi, menghasilkan backlash antara gigi yang berpasangan.
- Keausan Perlengkapan: Saat gearbox beroperasi dan mengalami siklus beban, permukaan giginya secara bertahap akan aus. Keausan ini mengubah profil gigi dan meningkatkan jarak bebas antara gigi yang saling berhubungan, yang menyebabkan peningkatan reaksi balik selama masa pakai kotak gearbox.
- Kesalahan Perakitan: Ketidakselarasan selama proses perakitan, seperti poros yang tidak sejajar, jarak gearbox yang salah, atau pemasangan yang tidak tepat, dapat menimbulkan reaksi balik tambahan ke dalam sistem.
- Deformasi Elastis: Saat gearbox menyalurkan daya, gigi gearbox mengalami deformasi di bawah beban. Reaksi balik memberikan ruang bagi deformasi ini terjadi tanpa menyebabkan gangguan atau konsentrasi tegangan yang berlebihan.
- Ekspansi termal: Saat kotak gearbox beroperasi dan memanas, gearbox dan rumah gearbox mengembang. Backlash memungkinkan pertumbuhan termal ini tanpa menyebabkan gearbox terikat atau macet.
- Persyaratan Pelumasan: Celah antara gigi-gigi gearbox diperlukan untuk pelumasan. Ruang backlash memungkinkan pelumas masuk, menciptakan lapisan film yang memisahkan permukaan dan mengurangi gesekan dan keausan.
Metode Pengukuran Backlash Gearbox yang Akurat
Metode Pengukuran Manual
Metode Indikator Dial
Metode dial indicator merupakan salah satu teknik yang paling banyak digunakan untuk mengukur backlash kotak gearbox, terutama untuk rangkaian gearbox yang lebih kecil. Metode ini melibatkan penguncian poros input untuk mencegah rotasi dan penempatan dial indicator dengan probe-nya yang bersentuhan dengan gigi gearbox output pada garis pitch.
Prosedurnya adalah sebagai berikut:
- Dengan gearbox pada posisi netral, nolkan indikator dial untuk menetapkan titik referensi.
- Putar gearbox keluaran dengan perlahan ke satu arah hingga gigi di satu sisi terpasang sepenuhnya. Catat pembacaan indikator dial.
- Putar gearbox keluaran ke arah yang berlawanan hingga gigi yang berlawanan saling bertautan sepenuhnya. Sekali lagi, catat pembacaan indikator dial.
- Perbedaan antara dua pembacaan tersebut menunjukkan jumlah total reaksi melingkar pada diameter pitch, biasanya dinyatakan dalam mikron atau seperseribu inci.
Metode ini memberikan pengukuran langsung reaksi balik fungsional dalam kondisi tanpa beban.
Metode Tuas
Untuk gearbox yang lebih besar, di mana pemasangan indikator putar mungkin tidak praktis, metode tuas menawarkan alternatif yang sesuai. Lengan tuas yang panjang dipasang pada salah satu poros gearbox, menyediakan pegangan yang nyaman untuk menerapkan gaya.
Berikut adalah cara kerjanya:
- Dengan poros input terkunci, berikan gaya kecil yang konsisten pada lengan tuas ke satu arah hingga gigi gearbox terpasang sepenuhnya. Anggap ini sebagai titik nol.
- Terapkan gaya ke arah berlawanan hingga gigi pada sisi lain saling bertautan sepenuhnya.
- Ukurlah perpindahan sudut lengan tuas di antara kedua titik ini menggunakan busur derajat atau alat pengukur sudut yang sesuai. Perpindahan sudut ini menunjukkan jumlah reaksi balik yang terjadi.
Meskipun metode tuas mungkin tidak setepat penggunaan indikator dial, metode ini memungkinkan perkiraan cepat dan kasar mengenai reaksi balik pada sistem gearbox yang lebih besar.
Metode Pengukur Rasa
Saat menangani pasangan gearbox yang terbuka, pengukur celah terkadang dapat dimasukkan langsung di antara permukaan yang tidak bersentuhan dari dua gigi yang saling bertautan saat permukaan gigi lainnya bersentuhan. Ketebalan pengukur celah yang pas di celah ini memberikan ukuran reaksi balik yang normal.
Namun, metode ini memiliki beberapa keterbatasan:
- Ini mungkin tidak memperhitungkan reaksi tambahan yang terjadi di bawah beban operasi aktual atau selama pembalikan gerakan.
- Aksesibilitas ke jaringan gearbox merupakan prasyarat, yang tidak selalu memungkinkan pada kotak gearbox tertutup.
Pengujian Manual dengan Tangan
Untuk pemeriksaan cepat dan kualitatif terhadap reaksi balik yang berlebihan, seseorang dapat mencoba memutar poros keluaran maju mundur dengan tangan sambil menahan poros masukan dalam keadaan diam. Setiap gerakan bebas atau rotasi poros keluaran yang terlihat sebelum mulai menggerakkan masukan menunjukkan adanya reaksi balik.
Metode ini lebih merupakan pendekatan berbasis "perasaan" dan kurang memiliki ketepatan kuantitatif seperti teknik lainnya. Namun, metode ini dapat berguna untuk penilaian kondisi gearbox secara cepat.
Teknik Pengukuran Tingkat Lanjut
Pengaturan Sel Beban dan Potensiometer
Teknik ini menggabungkan sel beban untuk menerapkan dan mengukur torsi pada poros keluaran, dan potensiometer atau enkoder putar untuk melacak perpindahan sudut yang dihasilkan. Poros masukan tetap terkunci selama prosedur berlangsung.
Berikut rincian langkah demi langkah:
- Terapkan torsi yang diketahui dalam satu arah putaran menggunakan sel beban hingga gigi gearbox saling bertautan sepenuhnya.
- Tingkatkan torsi secara bertahap ke arah yang berlawanan sambil terus merekam posisi sudut poros keluaran menggunakan potensiometer.
- Gambarkan data torsi versus perpindahan sudut untuk memperoleh kurva reaksi balik.
- Rentang gerak sudut dengan transmisi torsi minimal atau tidak ada sama sekali merupakan gambaran reaksi balik pada pasangan gearbox di bawah kondisi pembebanan yang ditentukan.
Metode ini memberikan wawasan berharga mengenai perilaku dinamis dan reaksi fungsional gearbox dalam skenario pembebanan yang realistis.
Evaluasi Backlash Berbasis Encoder
Pada sistem otomatis yang dilengkapi dengan enkoder putar pada poros masukan dan keluaran, reaksi balik dapat dinilai dengan menganalisis gerakan relatif antara kedua poros.
Proses evaluasi melibatkan langkah-langkah berikut:
- Perintahkan pembalikan arah pada poros input sambil memantau jumlah enkoder di kedua poros.
- Perbedaan jumlah enkoder antara poros masukan dan keluaran sebelum gerakan apa pun tercatat pada sisi keluaran menunjukkan reaksi balik sudut dalam bentuk pulsa atau derajat enkoder.
Pendekatan berbasis encoder ini memungkinkan pemantauan dan pencatatan perilaku serangan balik secara real-time selama pengoperasian mesin sesungguhnya, menyediakan data berharga untuk pemantauan kondisi dan pemeliharaan prediktif.
Strategi untuk Meminimalkan dan Menghilangkan Backlash Gearbox
Meskipun sejumlah reaksi balik tidak dapat dihindari dan bahkan diperlukan untuk pengoperasian gearbox yang lancar, reaksi balik yang berlebihan dapat menyebabkan kesalahan posisi, getaran, kebisingan, dan percepatan keausan. Beberapa strategi dapat digunakan untuk meminimalkan atau menghilangkan reaksi balik gearbox, tergantung pada persyaratan dan kendala aplikasi.
Menggunakan Gearbox Presisi
Salah satu pendekatan paling mudah untuk mengurangi backlash adalah dengan menggunakan gearbox presisi tinggi yang diproduksi dengan toleransi ketat pada geometri gigi, pitch, dan profil. Gearbox dengan kualitas AGMA (American Gear Manufacturers Association) yang lebih tinggi atau tingkat presisi yang diakui secara internasional akan memiliki deviasi geometri minimal, sehingga menghasilkan ikatan yang lebih rapat dan mengurangi backlash.
Namun, gearbox presisi harganya lebih mahal dan mungkin memerlukan teknik produksi khusus seperti penggilingan, pengasahan, atau pencukuran setelah perlakuan panas untuk mencapai tingkat akurasi yang diinginkan.
Menyetel Jarak Pusat Gigi
Untuk gearbox sumbu paralel seperti gearbox taji atau heliks, reaksi balik sering kali dapat dikurangi dengan sedikit mengurangi jarak tengah antara gearbox yang berpasangan. Hal ini mendekatkan gigi-gigi gearbox, mengencangkan ikatan, dan mengurangi jarak bebas.
Penyesuaian jarak pusat biasanya dicapai dengan:
- Menambahkan atau menghapus shim antara hub gearbox dan permukaan bantalan poros
- Menggunakan fitur pemasangan yang dapat disesuaikan seperti lubang berlubang atau bushing eksentrik
- Menggunakan lubang pemasangan berulir untuk memungkinkan penyesuaian posisi gearbox yang halus
Perlu diperhatikan agar tidak mengencangkan jaring terlalu kencang, karena dapat menyebabkan ikatan, gesekan berlebihan, dan mempercepat keausan.
Modifikasi Geometri Gigi Gearbox
Geometri gigi yang terspesialisasi dapat digunakan untuk meminimalkan atau menghilangkan reaksi balik dengan mempertahankan kontak gigi yang konstan. Beberapa contohnya meliputi:
- Gearbox anti-backlash: Gearbox ini terbagi menjadi dua bagian yang diberi pegas atau dimiringkan untuk berputar sedikit relatif terhadap satu sama lain. Satu bagian menyatu dengan satu sisi gearbox yang berpasangan sementara bagian lainnya bersentuhan dengan sisi yang berlawanan, sehingga mengambil celah.
- Gearbox yang diberi beban awal: Dalam desain ini, satu atau beberapa gearbox dalam rangkaian sengaja diberi beban awal terhadap gearbox lainnya menggunakan pegas, bahan yang kuat, atau bantalan rol tirus. Beban awal yang konstan ini memastikan bahwa gigi selalu bersentuhan, sehingga menghilangkan reaksi balik.
- Gearbox zero-backlash: Gearbox ini dirancang khusus dengan profil gigi yang dimodifikasi yang sepenuhnya menghilangkan backlash dengan mempertahankan aksi konjugat di seluruh siklus mesh. Contohnya termasuk gearbox sirkulute dan gearbox Novinkov.
Meskipun gearbox khusus ini dapat mengurangi atau menghilangkan serangan balik secara signifikan, biaya dan kompleksitasnya mungkin lebih tinggi dibandingkan dengan desain gearbox standar.
Memanfaatkan Gearbox Low-Backlash Khusus
Untuk aplikasi yang menuntut akurasi posisi tinggi dan serangan balik minimal, kotak gearbox khusus dengan serangan balik rendah seperti penggerak harmonik dan pereduksi sikloidal dapat dimanfaatkan.
- Penggerak harmonik menggunakan prinsip operasi unik di mana spline bergigi fleksibel dideformasi oleh generator gelombang elips untuk menyatu dengan spline melingkar yang kaku. Mekanisme gearbox ini secara alami menghilangkan serangan balik dan menawarkan rasio reduksi tahap tunggal yang tinggi.
- Pereduksi sikloidal menggunakan cakram sikloidal dengan lobus yang terhubung dengan pin stasioner yang dipasang di dalam rumah. Gerakan eksentrik cakram menciptakan aksi bergulir dengan beberapa gigi yang selalu bersentuhan, sehingga menghasilkan nol serangan balik dan kapasitas torsi tinggi.
Gearbox khusus ini menawarkan kinerja unggul dalam hal akurasi, pengulangan, dan kekakuan torsi, sehingga cocok untuk aplikasi penentuan posisi presisi.
Kompensasi Keausan Gigi
Seiring berjalannya waktu, gearbox dapat mengalami peningkatan reaksi balik akibat keausan gigi, deformasi, atau degradasi permukaan. Strategi untuk mengimbangi reaksi balik akibat keausan ini meliputi:
- Pembentukan ulang gigi gearbox: Dalam beberapa kasus, gigi gearbox yang aus dapat digiling ulang atau digiling untuk mengembalikan profil dan geometri aslinya. Proses ini membuang material yang aus dan mengembalikan kontak gigi yang tepat.
- Penggantian gigi: Jika keausan parah atau gigi rusak parah, mengganti gigi yang aus dengan yang baru sering kali merupakan solusi yang paling praktis. Setelah penggantian, susunan gigi mungkin perlu disesuaikan ulang untuk memastikan tingkat reaksi balik yang optimal.
- Penyesuaian serangan balik: Gigi yang aus terkadang dapat disangga atau jarak tengahnya disesuaikan ulang untuk mengimbangi peningkatan jarak bebas. Ini adalah perbaikan sementara dan mungkin tidak dapat dilakukan jika keausannya berlebihan.
Teknik Kompensasi Perangkat Lunak
Selain solusi perangkat keras, backlash juga dapat diatasi melalui strategi kompensasi perangkat lunak yang diterapkan dalam sistem kontrol gerakan. Idenya adalah untuk memodifikasi profil gerakan yang diperintahkan terlebih dahulu guna memperhitungkan jumlah backlash yang diketahui di kotak gearbox.
Bila pembalikan arah diminta, pengontrol menyuntikkan peningkatan gerakan tambahan yang sama dengan jumlah serangan balik sebelum menjalankan gerakan yang diinginkan. Hal ini secara efektif mengatasi kelonggaran pada gearbox, memastikan bahwa output mengikuti posisi yang diperintahkan dengan lebih akurat.
Kompensasi perangkat lunak tidak secara fisik menghilangkan reaksi balik, tetapi justru menutupi efeknya pada akurasi posisi. Pendekatan ini dapat menjadi solusi yang efektif dan ekonomis dalam aplikasi di mana reaksi balik bersifat konsisten dan dapat diprediksi.
