Perbandingan Transmisi Timing Belt MXL dan S2M (Gigi Trapesium vs. Gigi Lengkung)

1. Pendahuluan

Sabuk penggerak dengan gigi trapesium pertama kali dikembangkan oleh perusahaan Amerika Uniroyal Rubber pada tahun 1964 dan secara bertahap diadopsi untuk aplikasi transmisi mekanis.

Gambar 1: Profil gigi sabuk sinkron berbentuk trapesium

Pada jenis sabuk penggerak ini—yang dicirikan oleh profil gigi trapesium—sisi giginya berupa garis lurus. Geometri profil spesifik ini menyebabkan konsentrasi tegangan yang parah pada akar gigi, yang pada kecepatan tinggi mengurangi masa pakai sabuk dan kapasitas daya dukungnya. Lebih lanjut, selama transmisi, sabuk ini menghasilkan tingkat kebisingan dan getaran yang tinggi, sehingga membatasi kecepatan operasi maksimum. Analisis tegangan fotoelastis selanjutnya mengungkapkan bahwa distribusi tegangan dalam profil gigi trapesium sangat tidak merata, menunjukkan konsentrasi tegangan yang signifikan pada akar; hal ini membuat gigi rentan terhadap patahan dan kegagalan. Selain itu, area kontak penahan beban aktual dari gigi trapesium hanya menempati sekitar sepertiga dari total permukaan sisi gigi, menunjukkan bahwa desain ini gagal memanfaatkan sepenuhnya potensi daya dukung beban gigi sabuk.

Pada tahun 1973, Uniroyal mengembangkan sabuk penggerak timing bergigi lengkung tunggal (dikenal sebagai HTD; sesuai dengan standar domestik JB/T 7512.1). Desain ini secara efektif mengurangi "efek poligon" yang melekat pada transmisi sabuk dan mencapai distribusi tegangan yang lebih rasional, sehingga penggunaannya semakin meluas. Namun, kemudian diamati bahwa ketika kecepatan transmisi meningkat melebihi ambang batas tertentu, sabuk bergigi lengkung ini akan kembali menghasilkan kebisingan dan menunjukkan penurunan efisiensi transmisi yang nyata. Akibatnya, pada tahun 1977, perusahaan Amerika Goodyear memodifikasi profil gigi ini untuk menciptakan sabuk penggerak timing bergigi lengkung datar (STPD). Desain ini secara signifikan meningkatkan dinamika aliran udara pada saat yang tepat terjadinya kontak antara gigi sabuk dan gigi puli, sehingga secara substansial mengurangi hambatan peredaman udara—suatu fenomena yang biasanya terkait dengan penggerakan kecepatan tinggi.

Gambar 2: Profil gigi sabuk sinkron bergigi lengkung STPD

Dalam beberapa tahun terakhir, Tiongkok telah menyaksikan pertumbuhan pesat di sektor domestik untuk peralatan pengawasan keamanan, sistem konferensi video, printer, dan mesin fotokopi, yang menyebabkan semakin meluasnya penggunaan sabuk penggerak (timing belt) pada perangkat-perangkat ini. Karena perangkat-perangkat kompak ini biasanya melibatkan kebutuhan transmisi daya yang relatif rendah dan kecepatan operasi yang moderat, perangkat-perangkat ini sebagian besar menggunakan sabuk berukuran kecil. Selain persyaratan tingkat kebisingan yang rendah, metrik kinerja yang paling penting untuk aplikasi ini adalah masa pakai dan presisi transmisi sudut. Seri sabuk penggerak MXL, S1.5M, dan S2M dirancang khusus untuk memenuhi persyaratan tersebut. Saat ini, produsen domestik—termasuk yang terkenal—masih banyak menggunakan penggerak sabuk penggerak MXL. Sebaliknya, produsen di luar negeri—khususnya di Jepang—telah banyak mengadopsi penggerak sabuk penggerak profil STPD untuk perangkat elektronik skala kecil, seperti mekanisme internal peralatan keuangan, printer, dan mesin fotokopi.

Meskipun profil gigi sabuk penggerak MXL dan S2M berbeda, jarak antar giginya sangat mirip: jarak antar gigi MXL adalah 2,032 mm, sedangkan jarak antar gigi S2M adalah 2,000 mm. Akibatnya, keduanya dapat digunakan dalam sistem penggerak yang sama. Karena alasan ini, saya telah memilih kedua jenis sabuk ini untuk analisis perbandingan, yang memungkinkan penilaian yang jelas tentang kelebihan dan kekurangan masing-masing dari dua kategori sabuk penggerak yang berbeda ini. Berdasarkan penelitian dan pengujian perbandingan selama lebih dari satu dekade dalam sistem penggerak peralatan keuangan dan pengawasan keamanan, sabuk S2M secara konsisten mengungguli sabuk MXL dalam hal masa pakai dan presisi transmisi.

2. Analisis Perbandingan

2.1 Perbandingan Profil Gigi

Pertama, mari kita bandingkan profil gigi dari kedua sabuk tersebut. Pada gambar di bawah, garis gelap mewakili profil gigi sabuk penggerak S2M, sedangkan garis terang mewakili profil gigi sabuk penggerak MXL. Ketebalan dasar kedua sabuk identik yaitu 0,6 mm; namun, gigi sabuk S2M terlihat lebih lebar daripada gigi sabuk MXL—terutama di bagian akar. Selain itu, radius fillet gigi S2M (R0,2) lebih besar daripada radius fillet gigi MXL (R0,13). Dengan asumsi material sabuk identik, sabuk S2M memiliki kekuatan struktural yang lebih unggul dibandingkan sabuk MXL, sehingga mampu mentransmisikan daya yang lebih besar. Sebaliknya, jika persyaratan transmisi daya identik, sabuk S2M akan menawarkan masa pakai yang lebih lama daripada sabuk MXL.

Dibandingkan dengan puli, kekuatan struktural dan ketahanan aus dari sabuk penggerak cenderung sedikit lebih rendah; akibatnya, sabuk tersebut seringkali menjadi faktor pembatas terkait masa pakai keseluruhan dan kapasitas menahan beban sistem penggerak. Hal ini karena badan sabuk biasanya menggabungkan elemen penguat—seperti kawat baja atau tali serat kaca—sehingga gigi menjadi komponen struktural yang relatif lebih lemah.

Gambar 3: Perbandingan dua profil gigi sabuk sinkron (gigi trapesium MXL dan gigi lengkung S2M)

Sistem penggerak sabuk timing bergigi lengkung mengatasi masalah ini dengan meningkatkan ketebalan gigi sabuk untuk meningkatkan integritas struktural sabuk, sekaligus sedikit mengurangi ketebalan gigi puli (sehingga sedikit mengurangi kekuatan struktural puli). Pendekatan desain ini lebih efektif selaras dengan persyaratan aplikasi praktis, menghasilkan peningkatan keseluruhan baik dalam masa pakai maupun kapasitas menahan beban. Kita juga dapat memperoleh data spesifik mengenai hal ini dari manual teknis yang disediakan oleh Mitsuboshi Belting (Jepang); silakan lihat tabel di bawah ini (sebagian contoh ditampilkan):

• Gambar 4: Kapasitas Transmisi Daya Dasar Sabuk Timing MXL (Sebagian)

• Gambar 5: Kapasitas Transmisi Daya Dasar Sabuk Timing S2M (Sebagian)

• Gambar 6: Torsi Transmisi yang Diizinkan untuk Sabuk Timing MXL (Sebagian)

• Gambar 7: Torsi Transmisi yang Diizinkan untuk Sabuk Timing S2M (Sebagian)

Perhatikan bahwa lebar standar untuk sabuk penggerak S2M yang ditunjukkan di atas adalah 4 mm, sedangkan lebar standar untuk sabuk penggerak MXL adalah 6,4 mm. Baik mempertimbangkan daya transmisi yang diizinkan maupun torsi transmisi yang diizinkan, sabuk S2M mengungguli sabuk MXL setidaknya 50%. Jika angka-angka ini dinormalisasi ke lebar sabuk umum, keunggulan kinerja sabuk S2M dibandingkan sabuk MXL akan lebih jelas lagi.

2.2 Perbandingan Karakteristik Jala

Selanjutnya, mari kita bandingkan karakteristik persambungan sabuk penggerak dan puli yang sesuai.

• Gambar 8: Perbandingan Kondisi Pengaitan untuk Dua Jenis Sabuk Timing (MXL vs. S2M)

• Gambar 9: Dimensi Dasar Dua Tipe Pulley Timing (MXL vs. S2M)

Perbandingan Foto-Foto Jala Aktual:

• Gambar 10: Pemasangan Aktual Sabuk Timing dan Pulley MXL

• Gambar 11: Pemasangan Aktual Sabuk Timing dan Pulley S2M

Seperti yang dapat diamati—dan konsisten dengan profil gigi teoretis—terdapat celah yang cukup terlihat antara sabuk timing MXL dan pulinya; ketika sabuk didorong secara manual, selip kecil yang jelas dapat dirasakan. Sebaliknya, tidak ada celah yang terlihat antara sabuk timing S2M dan pulinya; ketika sabuk didorong, tidak ada selip yang terlihat dengan mata telanjang. Sabuk timing MXL menunjukkan celah yang jelas baik di sisi gigi maupun di ujung gigi, menghasilkan "efek poligon" yang lebih jelas dibandingkan dengan sabuk timing yang memiliki profil gigi melengkung.

Seperti yang diilustrasikan pada gambar di atas, profil gigi sabuk timing MXL lebih kecil daripada profil alur puli. Jumlah teoritis celah pada kedua sisi gigi sabuk kira-kira 0,2 mm, yang berarti celah tersebut mencakup sekitar 18% dari lebar gigi. Lebih lanjut, tinggi gigi 0,51 mm kurang dari kedalaman alur yang sesuai yaitu 0,64 mm. Ketika sabuk timing S2M terhubung dengan pulinya, dimensi gigi sabuk dan alur puli hampir identik, sehingga menghasilkan celah minimal. Secara teoritis, celah gabungan pada kedua sisi satu gigi sabuk berjumlah sekitar 0,08 mm—celah yang setara dengan sekitar 6% dari lebar gigi. Lebih lanjut, tinggi gigi dan kedalaman alur cocok sempurna pada 0,76 mm, memastikan celah nol dalam arah vertikal (tinggi gigi).

Berdasarkan analisis jarak bebas kontak ini, jelas bahwa jika tegangan yang diberikan pada sabuk penggerak tidak mencukupi—menyebabkan selip antara sabuk dan puli—akurasi transmisi pasti akan menurun. Secara teoritis, akurasi transmisi sistem sabuk penggerak MXL sedikit lebih rendah daripada sistem S2M. Dari perspektif geometris, kesalahan sudut untuk sabuk MXL kira-kira (di mana Z2 adalah jumlah gigi pada puli penggerak) 18% × 360°/Z2; sebaliknya, kesalahan sudut untuk sabuk S2M kira-kira 6% × 360°/Z2. Namun, dalam aplikasi praktis, tegangan sabuk sering dipertahankan pada tingkat yang relatif tinggi—meminimalkan selip—artinya akurasi aktual yang dicapai biasanya melebihi nilai teoritis ini.

Pada sabuk penggerak MXL, kontak hanya terjadi antara akar gigi dan puncak puli; hal ini menyebabkan konsentrasi tegangan yang relatif parah, sehingga membatasi tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh sabuk. Sebaliknya, sabuk penggerak S2M melakukan kontak dengan puli baik pada ujung gigi maupun akar gigi, menghasilkan distribusi gaya yang lebih seragam. Hal ini secara signifikan mengurangi "efek poligon". Lebih lanjut, proses pengikatan—yang difasilitasi oleh profil gigi sabuk yang melengkung—jauh lebih halus; akibatnya, sabuk S2M yang memiliki gigi melengkung ini menawarkan kapasitas menahan beban yang lebih unggul dan masa pakai yang lebih lama.

3. Pengujian Empiris

Untuk evaluasi ini, kamera pengawasan PTZ (Pan-Tilt-Zoom) dipilih untuk menilai presisi kemampuan pemosisian yang telah ditentukan sebelumnya. Dua sistem transmisi yang berbeda diuji: satu menggunakan gigi profil MXL dan yang lainnya menggunakan gigi profil S2M. Kedua sistem menggunakan model motor yang identik; selain puli dan sabuk penggerak tertentu, semua komponen lain dalam rakitan tetap sama persis. Sistem transmisi kamera beroperasi melalui dua sumbu rotasi, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 12. Secara khusus, lensa kamera mampu melakukan rotasi 360° secara terus menerus di sekitar sumbu Z, serta rotasi bolak-balik dalam rentang 110° di sekitar sumbu Y; kedua gerakan tersebut digerakkan oleh sabuk penggerak. Untuk tujuan pengujian ini, kami fokus pada mekanisme rotasi vertikal, yang memiliki rasio transmisi 1:4 (terdiri dari puli penggerak 20 gigi dan puli yang digerakkan 80 gigi). Sabuk MXL yang digunakan adalah model "180MXL" (dengan panjang ulir 365,76 mm), sedangkan sabuk S2M yang digunakan adalah model "S2M364" (dengan panjang ulir 364 mm). Lensa kamera diposisikan pada jarak 15,6 meter dari skala referensi yang digunakan untuk pengukuran.

Posisi preset adalah metode untuk menghubungkan area kunci yang dipantau dengan status operasional kamera PTZ. Baik secara manual maupun terprogram, kamera PTZ dapat berputar ke posisi sudut mana pun, yang kemudian dapat dikonfigurasi dan disimpan sebagai posisi preset. Memanggil kembali posisi preset adalah fungsi standar kamera PTZ pengawasan. Terlepas dari arah lensa kamera saat ini, setelah posisi preset yang telah dikonfigurasi dipanggil kembali, kamera akan berputar dengan cepat ke lokasi spesifik tersebut.

Gambar 12: Skema Pengujian untuk Membandingkan Presisi Transmisi Sabuk Timing

Ketika posisi yang telah ditentukan dipanggil melalui perangkat lunak, kamera PTZ berputar ke lokasi yang sesuai; namun, sering terjadi penyimpangan dari posisi yang awalnya dikonfigurasi. Selain pengaruh perangkat lunak dan motor, faktor utama yang berkontribusi pada penyimpangan ini adalah kesalahan transmisi sabuk di dalam mekanisme kamera PTZ. Untuk menghilangkan pengaruh perangkat lunak dan motor, pengujian dilakukan menggunakan satu unit kamera PTZ yang dilengkapi dengan model motor yang sama sepanjang proses. Hanya puli penggerak dan sabuk penggerak yang dipertukarkan; dengan demikian, puli dan sabuk adalah satu-satunya variabel dalam percobaan. Penyimpangan aktual yang diukur selama pengujian ini berfungsi sebagai indikator langsung dari presisi transmisi dunia nyata yang dicapai oleh sistem sabuk penggerak MXL dibandingkan dengan sistem sabuk penggerak S2M.

Sebagaimana ditunjukkan oleh data pengujian pada Tabel 1, sabuk penggerak S2M menunjukkan presisi yang jauh lebih tinggi daripada sabuk penggerak MXL dalam kondisi operasi yang identik. Ketika tegangan sabuk melebihi 25 N, peningkatan tegangan lebih lanjut hanya menghasilkan peningkatan presisi yang marginal; di atas 30 N, dampak peningkatan tegangan pada presisi menjadi semakin tidak signifikan. Perlu dicatat, sabuk penggerak S2M mampu mencapai presisi transmisi yang superior bahkan dalam kondisi tegangan yang relatif rendah. Lebih lanjut, karakteristik redaman sistem gerak diamati memiliki dampak yang substansial pada presisi transmisi.

Tabel 1: Data Uji Penyimpangan Saat Mengingat Posisi yang Telah Ditetapkan (lihat data asli dalam artikel)

4. Data Uji Kekuatan Tarik

Sebagaimana diilustrasikan oleh data yang diberikan oleh Bando Chemical Industries pada gambar di bawah ini: Baik sabuk penggerak MXL maupun S2M terbuat dari bahan karet dan memiliki ketebalan dasar yang identik yaitu 0,6 mm. Mengingat komposisi materialnya yang identik, kekuatan tariknya (disebut sebagai "kekuatan putus" dalam gambar teknis) pada dasarnya setara. (Catatan: Nilai ketebalan sabuk yang ditunjukkan dalam diagram mencakup tinggi gigi; khususnya, meskipun sabuk MXL dan S2M memiliki ketebalan dasar 0,6 mm, ketebalan total—termasuk gigi—adalah 1,1 mm untuk sabuk MXL dan 1,31 mm untuk sabuk S2M.)

• Gambar 13: Material dan Struktur Sabuk Timing MXL

• Gambar 14: Material dan Struktur Sabuk Timing S2M

5. Ringkasan dan Diskusi

Singkatnya, sabuk penggerak gigi lengkung S2M mengungguli sabuk penggerak gigi trapesium MXL dalam hal presisi transmisi; ini merupakan keuntungan utama dari sabuk gigi lengkung. Persyaratan pemasangan untuk sabuk gigi lengkung serupa dengan sabuk gigi trapesium; namun, sabuk gigi lengkung menawarkan masa pakai yang lebih lama dan mengakomodasi rentang pengaturan tegangan yang lebih luas. Dari perspektif biaya—meskipun berat per satuan lebar sabuk penggerak S2M sedikit lebih tinggi, dan biaya untuk lebar yang setara mungkin sedikit lebih besar (sekitar 1,18:1)—sabuk ini dapat diproduksi dengan profil yang lebih sempit. Akibatnya, biaya aktual tidak selalu lebih tinggi daripada sabuk penggerak MXL; bahkan, seringkali lebih rendah, menawarkan keuntungan yang berbeda dalam hal mengurangi volume keseluruhan sistem transmisi. Berdasarkan perhitungan kapasitas transmisi, sabuk penggerak S2M selebar 4 mm secara efektif dapat menggantikan sebagian besar penggerak sabuk penggerak MXL selebar 6,4 mm, berpotensi mengurangi biaya aktual lebih dari 25%.

Meskipun China telah menetapkan standar nasional untuk sabuk bergigi lengkung seri HTD, penerapannya masih relatif jarang; terlebih lagi, terdapat kekurangan yang signifikan dalam standar yang ditetapkan untuk sabuk penggerak waktu bergigi lengkung skala mikro dan kecil (khususnya yang lebih kecil dari seri 3M).

Desain gigi melengkung telah berevolusi lebih lanjut menjadi seri RPP, yang menampilkan profil gigi parabola cekung di bagian atas yang menghasilkan tingkat kebisingan yang lebih rendah, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 15.

Gambar 15: Profil Gigi Parabola Atas Cekung RPP

6. Kesimpulan

Sabuk bergigi trapesium memiliki sejarah aplikasi yang lebih panjang di Tiongkok dan tetap lebih banyak digunakan. Namun, keunggulan inheren sabuk bergigi lengkung tidak dapat disangkal. Oleh karena itu, kebijakan harus diterapkan secara gencar untuk mempromosikan dan mendukung adopsi sabuk bergigi lengkung sebagai pengganti sabuk bergigi trapesium—khususnya di sektor usaha kecil—untuk mempercepat perumusan standar yang relevan dan memfasilitasi peningkatan dan modernisasi industri sektor manufaktur dalam negeri.