Modifikasi Gigi dan Analisis Kontak Meshing: Inti dari Transmisi Presisi

1. Mengapa Roda Gigi Perlu Dimodifikasi?

• Kesalahan produksi & pemasangan : Deviasi dimensi dalam pengolahan gigi roda gigi atau keselarasan yang salah selama perakitan menyebabkan meshing yang tidak merata.
• Deformasi elastis : Di bawah beban, roda gigi dan poros membengkok atau memutar, menyebabkan offset kontak.
• Dampak dinamis : Selama proses meshing masuk dan keluar, perubahan mendadak pada posisi kontak menghasilkan dampak yang merusak lapisan minyak dan bahkan menyebabkan permukaan gigi tergores akibat suhu tinggi.

2. Jenis-jenis Modifikasi Roda Gigi

Detail Penting dari Modifikasi Umum

• Modifikasi jejak gigi : Berfokus pada arah lebar gigi. Crowning (modifikasi berbentuk drum) adalah yang paling umum—membuat bentuk "drum" ringan pada permukaan gigi untuk mengkompensasi lenturan poros di bawah beban, memastikan kontak yang seragam. Rumus umum jumlah crowning adalah: \(C_β = 0,5 × 10^{-3}b + 0,02m_n\) (di mana b = lebar gigi dalam mm; \(m_n\) = modul normal dalam mm).
• Modifikasi profil gigi : Mengoptimalkan arah ketinggian gigi. Termasuk modifikasi panjang (dari awal/akhir meshing hingga transisi gigi tunggal/ganda) dan modifikasi pendek (setengah panjang modifikasi panjang). Roda gigi logam umumnya menggunakan modifikasi pendek untuk efisiensi yang lebih baik, sedangkan roda gigi plastik sering menggunakan modifikasi panjang.
• Modifikasi komposit : Menggabungkan modifikasi jejak dan profil gigi. Untuk skenario kompleks seperti gearbox turbin angin, metode ini menyeimbangkan distribusi beban, pengurangan dampak, dan stabilitas dinamis, memberikan hasil yang lebih baik dibanding modifikasi tunggal.

3. Prinsip Desain untuk Modifikasi yang Efektif

1. Prinsip kompensasi beban : Jumlah modifikasi ≈ deformasi elastis + kesalahan produksi, memastikan permukaan gigi roda pas sempurna di bawah beban aktual.
2. Prinsip kelancaran dinamis : Kesalahan transmisi puncak-ke-puncak ≤ 1μm/tingkat, meminimalkan eksitasi getaran.
3. Prinsip keseimbangan kontak : Rasio luas area kontak ≥ 60%, menghindari konsentrasi tegangan.

4. Analisis Kontak Meshing: Mengevaluasi Efek Modifikasi

Teori & Metode Inti

• Teori kontak Hertz : Menghitung lebar kontak setengah dan distribusi tegangan antara permukaan gigi, menjadi dasar untuk analisis tegangan.
• Metode analisis numerik :
  • Metode analitis: Cepat namun pendekatan, cocok untuk estimasi awal.
  • Metode elemen hingga: Presisi tinggi, ideal untuk analisis tegangan terperinci.
  • Metode elemen batas: Efisien untuk perhitungan tegangan kontak.
  • Dinamika multibodi: Mengevaluasi performa dinamis sistem di bawah kondisi operasi.

Indikator Evaluasi Utama

• Tegangan kontak maksimum (σHmax) : Berhubungan langsung dengan umur lelah permukaan gigi.
• Faktor bentuk area kontak (λ) : Rasio panjang-lebar dari area kontak, mencerminkan keseragaman beban.
• Kesalahan transmisi (TE) : Jarak tambahan yang diperlukan untuk meshing akibat deformasi/kesalahan, sumber utama getaran.

5. Efek Praktis dari Modifikasi: Studi Kasus

• Gearbox tenaga angin (lebar gigi 200mm) : Dengan meningkatnya jumlah crowning (0→30mm), tegangan kontak maksimum menurun dari 1250MPa menjadi 980MPa, dan percepatan getaran turun dari 15,2m/s² menjadi 9,5m/s².
• Transmisi otomotif (modul 3,5) : Modifikasi profil parabola mengurangi dampak sebesar 35% dan kebisingan sebesar 3,2dB; modifikasi kurva orde tinggi berhasil mencapai pengurangan dampak sebesar 52%.
• Gigi pesawat luar angkasa : Modifikasi komposit mengurangi ketidaksamaan tegangan kontak dari 58% menjadi 22%, galat transmisi puncak-ke-puncak dari 2,4μm menjadi 1,1μm, serta energi getaran pada 2000rpm sebesar 68%.

6. Aplikasi & Verifikasi Teknik

• Metode cetak statis : Menggunakan cat merah timbal (ketebalan 10-20μm) di bawah torsi terukur 30% untuk mengamati area kontak.
• Sistem pengujian dinamis : Sensor perpindahan serat optik (resolusi 0,1μm) dan termometer inframerah kecepatan tinggi (sampel 1kHz) memantau proses berkaitan secara real-time.

• Reducer kendaraan listrik : Modifikasi profil asimetris (+5μm di sisi beban) dan pemotongan ujung gigi 30°×0,2mm mengurangi kebisingan sebesar 7,5dB(A) serta meningkatkan efisiensi sebesar 0,8%.
• Kotak roda gigi maritim : Crowning besar (40μm) dan koreksi sudut heliks kompensasi (β'=β+0,03°) meningkatkan keseragaman tegangan kontak menjadi <15% serta memperpanjang umur layanan hingga 2,3 kali.

Kesimpulan

• Jumlah crowning optimal umumnya adalah 1,2-1,5 kali deformasi elastis.
• Modifikasi komposit memberikan kinerja lebih baik 30-50% dibanding modifikasi tunggal.
• Modifikasi harus didasarkan pada spektrum beban aktual dan divalidasi melalui uji patch kontak.