Perbandingan Transmisi Tali Sawat Pemasaan MXL dan S2M (Gigi Trapezoid vs. Gigi Lengkung)

1. Pengenalan

Tali sawat pemasaan bergigi trapezoid pertama kali dibangunkan oleh syarikat Amerika Uniroyal Rubber pada tahun 1964 dan secara beransur-ansur digunakan untuk aplikasi transmisi mekanikal.

Rajah 1: Profil gigi tali sawat segerak gigi trapezoid

Dalam jenis tali sawat pemasaan ini—dicirikan oleh profil gigi trapezoid—lereng gigi adalah garis lurus. Geometri profil khusus ini membawa kepada kepekatan tegasan yang teruk pada akar gigi, yang, pada kelajuan tinggi, mengurangkan jangka hayat tali sawat dan kapasiti pembawa bebannya. Tambahan pula, semasa penghantaran, tali sawat ini menghasilkan tahap bunyi dan getaran yang tinggi, sekali gus mengehadkan kelajuan operasi maksimum. Analisis tegasan fotoelastik seterusnya mendedahkan bahawa taburan tegasan dalam profil gigi trapezoid adalah sangat tidak sekata, menunjukkan kepekatan tegasan yang ketara pada akar; ini menjadikan gigi mudah patah dan gagal. Selain itu, kawasan sentuhan menanggung beban sebenar gigi trapezoid hanya menduduki kira-kira satu pertiga daripada jumlah permukaan lereng gigi, menunjukkan bahawa reka bentuk ini gagal menggunakan sepenuhnya keseluruhan potensi pembawa beban gigi tali sawat.

Pada tahun 1973, Uniroyal membangunkan tali sawat pemasaan gigi lengkung tunggal (dikenali sebagai HTD; sepadan dengan piawaian domestik JB/T 7512.1). Reka bentuk ini berkesan mengurangkan "kesan poligon" yang wujud dalam penghantaran tali sawat dan mencapai taburan tegasan yang lebih rasional, yang membawa kepada penggunaannya yang semakin meluas. Walau bagaimanapun, selepas itu, diperhatikan bahawa apabila kelajuan penghantaran meningkat melebihi ambang tertentu, tali sawat gigi lengkung ini sekali lagi akan menghasilkan bunyi bising dan menunjukkan penurunan ketara dalam kecekapan penghantaran. Akibatnya, pada tahun 1977, syarikat Amerika Goodyear mengubah suai profil gigi ini untuk mencipta tali sawat pemasaan gigi lengkung atas rata (STPD). Reka bentuk ini meningkatkan dinamik aliran udara dengan ketara pada saat penglibatan tepat antara gigi tali sawat dan gigi takal, sekali gus mengurangkan rintangan redaman udara dengan ketara—fenomena yang biasanya dikaitkan dengan penyambungan berkelajuan tinggi.

Rajah 2: Profil gigi tali sawat segerak gigi melengkung STPD

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, China telah menyaksikan pertumbuhan pesat dalam sektor domestik untuk peralatan pengawasan keselamatan, sistem persidangan video, pencetak dan mesin fotokopi, yang membawa kepada penggunaan tali sawat pemasaan yang semakin meluas dalam peranti ini. Memandangkan peranti padat ini biasanya melibatkan keperluan penghantaran kuasa yang agak rendah dan kelajuan operasi yang sederhana, ia kebanyakannya menggunakan tali sawat bersaiz kecil. Selain keperluan untuk tahap hingar yang rendah, metrik prestasi yang paling kritikal untuk aplikasi ini ialah hayat perkhidmatan dan ketepatan penghantaran sudut. Siri tali sawat pemasaan MXL, S1.5M dan S2M direka bentuk khusus untuk memenuhi keperluan yang tepat ini. Pada masa ini, pengeluar domestik—termasuk yang terkenal—masih menggunakan pemacu tali sawat pemasaan MXL secara meluas. Sebaliknya, pengeluar di luar negara—terutamanya di Jepun—telah menggunakan pemacu tali sawat pemasaan berprofil STPD secara meluas untuk peranti elektronik berskala kecil, seperti mekanisme dalaman peralatan kewangan, pencetak dan mesin fotokopi.

Walaupun profil gigi tali sawat pemasaan MXL dan S2M berbeza, picnya sangat serupa: pic MXL ialah 2.032 mm, manakala pic S2M ialah 2.000 mm. Oleh itu, ia boleh digunakan dalam sistem pemacu yang sama. Atas sebab ini, saya telah memilih kedua-dua jenis tali sawat ini untuk analisis perbandingan, membolehkan penilaian yang jelas tentang kelebihan dan kekurangan masing-masing bagi dua kategori tali sawat pemasaan yang berbeza ini. Berdasarkan lebih sedekad penyelidikan dan ujian perbandingan dalam sistem pemacu peralatan pengawasan kewangan dan keselamatan, tali sawat S2M secara konsisten mengatasi tali sawat MXL dari segi hayat perkhidmatan dan ketepatan transmisi.

2. Analisis Perbandingan

2.1 Perbandingan Profil Gigi

Pertama, mari kita bandingkan profil gigi kedua-dua tali sawat. Dalam rajah di bawah, garis gelap mewakili profil gigi tali sawat pemasaan S2M, manakala garis terang mewakili tali sawat pemasaan MXL. Ketebalan asas kedua-dua tali sawat adalah sama pada 0.6 mm; walau bagaimanapun, gigi tali sawat S2M ketara lebih lebar daripada tali sawat MXL—terutamanya pada akar. Tambahan pula, jejari fillet gigi S2M (R0.2) adalah lebih besar daripada gigi MXL (R0.13). Dengan mengandaikan bahan tali sawat adalah sama, tali sawat S2M mempunyai kekuatan struktur yang lebih baik berbanding tali sawat MXL, membolehkannya menghantar kuasa yang lebih besar. Sebaliknya, jika keperluan penghantaran kuasa adalah sama, tali sawat S2M akan menawarkan hayat perkhidmatan yang lebih lama daripada tali sawat MXL.

Berbanding dengan takal, kekuatan struktur dan rintangan haus tali sawat pemasaan itu sendiri cenderung sedikit lebih rendah; akibatnya, tali sawat sering mewakili faktor pengehad mengenai jangka hayat keseluruhan dan kapasiti galas beban sistem pemacu. Ini kerana badan tali sawat biasanya menggabungkan elemen pengukuhan—seperti wayar keluli atau kord gentian kaca—menjadikan gigi sebagai komponen struktur yang agak lemah.

Rajah 3: Perbandingan dua profil gigi tali sawat segerak (gigi trapezoid MXL dan gigi melengkung S2M)

Sistem pemacu tali sawat pemasaan bergigi arka menangani isu ini dengan meningkatkan ketebalan gigi tali sawat untuk meningkatkan integriti struktur tali sawat, sambil pada masa yang sama mengurangkan sedikit ketebalan gigi takal (dengan itu mengurangkan sedikit kekuatan struktur takal). Pendekatan reka bentuk ini lebih sejajar dengan keperluan aplikasi praktikal, menghasilkan peningkatan keseluruhan dalam jangka hayat perkhidmatan dan kapasiti galas beban. Kami juga boleh mendapatkan data khusus mengenai perkara ini daripada manual teknikal yang disediakan oleh Mitsuboshi Belting (Jepun); sila rujuk jadual di bawah (pilihan separa ditunjukkan):

• Rajah 4: Kapasiti Penghantaran Kuasa Asas Tali Sawat Pemasaan MXL (Separa)

• Rajah 5: Kapasiti Penghantaran Kuasa Asas Tali Sawat Pemasaan S2M (Separa)

• Rajah 6: Tork Transmisi yang Dibenarkan untuk Tali Sawat Pemasaan MXL (Separa)

• Rajah 7: Tork Transmisi yang Dibenarkan untuk Tali Sawat Pemasaan S2M (Separa)

Ambil perhatian bahawa lebar standard untuk tali sawat pemasaan S2M yang ditunjukkan di atas ialah 4 mm, manakala lebar standard untuk tali sawat pemasaan MXL ialah 6.4 mm. Sama ada dengan mengambil kira kuasa transmisi yang dibenarkan atau tork transmisi yang dibenarkan, tali sawat S2M mengatasi tali sawat MXL sekurang-kurangnya 50%. Jika angka-angka ini dinormalkan kepada lebar tali sawat biasa, kelebihan prestasi tali sawat S2M berbanding tali sawat MXL akan lebih ketara.

2.2 Perbandingan Ciri-ciri Meshing

Seterusnya, mari kita bandingkan ciri-ciri jaringan tali sawat pemasaan dan takal yang sepadan.

• Rajah 8: Perbandingan Keadaan Meshing untuk Dua Jenis Timing Belt (MXL vs. S2M)

• Rajah 9: Dimensi Asas Dua Jenis Takal Pemasaan (MXL vs. S2M)

Perbandingan Gambar Jeratan Sebenar:

• Rajah 10: Jaring Sebenar Tali Sawat Pemasaan dan Takal MXL

• Rajah 11: Jaring Sebenar Tali Sawat Pemasaan dan Takal S2M

Seperti yang dapat diperhatikan—dan selaras dengan profil gigi teori—terdapat jarak yang ketara antara tali sawat pemasaan MXL dan takalnya; apabila tali sawat disingkirkan secara manual, gelinciran yang sedikit ketara dapat dilihat. Sebaliknya, tiada jarak yang kelihatan antara tali sawat pemasaan S2M dan takalnya; apabila tali sawat disingkirkan, tiada gelinciran yang dapat dilihat dengan mata kasar. Tali sawat pemasaan MXL mempamerkan jarak yang ketara pada kedua-dua sisi gigi dan hujung gigi, menghasilkan "kesan poligon" yang lebih ketara berbanding tali sawat pemasaan yang menampilkan profil gigi lengkung.

Seperti yang digambarkan dalam rajah di atas, profil gigi tali sawat pemasaan MXL adalah lebih kecil daripada profil alur takal. Jumlah teori bagi jarak pada kedua-dua belah gigi tali sawat adalah lebih kurang 0.2 mm, bermakna jarak tersebut menyumbang kira-kira 18% daripada lebar gigi. Tambahan pula, ketinggian gigi 0.51 mm adalah kurang daripada kedalaman alur yang sepadan iaitu 0.64 mm. Apabila tali sawat pemasaan S2M bersentuhan dengan takalnya, dimensi gigi tali sawat dan alur takal hampir sama, menghasilkan jarak yang minimum. Secara teorinya, jarak gabungan pada kedua-dua belah gigi tali sawat tunggal berjumlah lebih kurang 0.08 mm—jurang bersamaan dengan kira-kira 6% daripada lebar gigi. Tambahan pula, ketinggian gigi dan kedalaman alur sepadan dengan sempurna pada 0.76 mm, memastikan jarak sifar dalam arah menegak (ketinggian gigi).

Berdasarkan analisis kelegaan penglibatan ini, jelas bahawa jika tegangan yang dikenakan pada tali sawat pemasaan tidak mencukupi—yang membawa kepada gelinciran antara tali sawat dan takal—ketepatan transmisi pasti akan terjejas. Secara teorinya, ketepatan transmisi sistem tali sawat pemasaan MXL agak lebih rendah daripada sistem S2M. Dari perspektif geometri, ralat sudut untuk tali sawat MXL adalah lebih kurang (di mana Z2 ialah bilangan gigi pada takal yang dipacu) 18% × 360°/Z2; sebaliknya, ralat sudut untuk tali sawat S2M adalah lebih kurang 6% × 360°/Z2. Walau bagaimanapun, dalam aplikasi praktikal, tegangan tali sawat sering dikekalkan pada tahap yang agak tinggi—meminimumkan gelinciran—bermakna ketepatan sebenar yang dicapai biasanya melebihi nilai teori ini.

Dengan tali sawat pemasaan MXL, sentuhan hanya berlaku antara akar gigi dan puncak takal; ini membawa kepada kepekatan tekanan yang agak teruk, sekali gus mengehadkan ketegangan maksimum yang boleh ditahan oleh tali sawat. Sebaliknya, tali sawat pemasaan S2M bersentuhan dengan takal pada kedua-dua hujung gigi dan akar gigi, menghasilkan pengagihan daya yang lebih seragam. Ini mengurangkan "kesan poligon" dengan ketara. Tambahan pula, proses penglibatan—dipermudahkan oleh profil gigi lengkung tali sawat—ternyata lebih lancar; akibatnya, tali sawat S2M yang menampilkan gigi lengkung ini menawarkan kapasiti galas beban yang unggul dan jangka hayat perkhidmatan yang lebih panjang.

3. Pengujian Empirikal

Untuk penilaian ini, kamera pengawasan PTZ (Pan-Tilt-Zoom) telah dipilih untuk menilai ketepatan keupayaan kedudukan pratetapnya. Dua sistem penghantaran berbeza telah diuji: satu menggunakan gigi profil MXL dan satu lagi menggunakan gigi profil S2M. Kedua-dua sistem menggunakan model motor yang sama; selain daripada takal dan tali sawat pemacu khusus, semua komponen lain dalam pemasangan kekal sama. Sistem penghantaran kamera beroperasi melalui dua paksi putaran, seperti yang digambarkan dalam Rajah 12. Secara khususnya, kanta kamera mampu berputar 360° berterusan di sekitar paksi Z, serta putaran salingan dalam julat 110° di sekitar paksi Y; kedua-dua pergerakan didorong oleh tali sawat pemasaan. Untuk tujuan ujian ini, kami menumpukan pada mekanisme putaran menegak, yang mempunyai nisbah penghantaran 1:4 (terdiri daripada takal pemacu 20 gigi dan takal pemacu 80 gigi). Tali pinggang MXL yang digunakan ialah model "180MXL" (dengan panjang pic 365.76 mm), manakala tali pinggang S2M yang digunakan ialah model "S2M364" (dengan panjang pic 364 mm). Kanta kamera diletakkan pada jarak 15.6 meter dari skala rujukan yang digunakan untuk pengukuran.

Kedudukan pratetap ialah kaedah menghubungkan kawasan utama di bawah pengawasan dengan status operasi kamera PTZ. Di bawah kawalan manual atau diprogramkan, kamera PTZ boleh berputar ke sebarang kedudukan sudut, yang kemudiannya boleh dikonfigurasikan dan disimpan sebagai kedudukan pratetap. Mengingat semula kedudukan pratetap ialah fungsi standard kamera PTZ pengawasan. Terlepas dari arah yang sedang dihalakan oleh kanta kamera, sebaik sahaja kedudukan pratetap yang telah dikonfigurasikan ditarik balik, kamera akan berputar dengan pantas ke lokasi tertentu tersebut.

Rajah 12: Skim Ujian untuk Membandingkan Ketepatan Transmisi Tali Sawat Pemasaan

Apabila kedudukan pratetap dipanggil semula melalui perisian, kamera PTZ berputar ke lokasi yang sepadan; walau bagaimanapun, sisihan daripada kedudukan yang dikonfigurasikan pada asalnya sering berlaku. Selain daripada pengaruh perisian dan motor, faktor utama yang menyumbang kepada sisihan ini ialah ralat penghantaran tali sawat dalam mekanisme kamera PTZ. Untuk menghapuskan pengaruh perisian dan motor, ujian dijalankan menggunakan unit kamera PTZ tunggal yang dilengkapi dengan model motor yang sama sepanjang proses. Hanya takal pemasaan dan tali sawat pemasaan ditukar; oleh itu, takal dan tali sawat adalah satu-satunya pembolehubah dalam eksperimen. Sisihan sebenar yang diukur semasa ujian ini berfungsi sebagai penunjuk langsung ketepatan penghantaran dunia sebenar yang dicapai oleh sistem tali sawat pemasaan MXL berbanding sistem tali sawat pemasaan S2M.

Seperti yang ditunjukkan oleh data ujian dalam Jadual 1, tali sawat pemasaan S2M menunjukkan ketepatan yang jauh lebih tinggi daripada tali sawat pemasaan MXL di bawah keadaan operasi yang sama. Apabila ketegangan tali sawat melebihi 25 N, peningkatan ketegangan hanya menghasilkan peningkatan kecil dalam ketepatan; melebihi 30 N, kesan peningkatan ketegangan pada ketepatan menjadi kurang ketara. Terutamanya, tali sawat pemasaan S2M mampu mencapai ketepatan transmisi yang unggul walaupun di bawah keadaan ketegangan yang agak rendah. Tambahan pula, ciri-ciri redaman sistem gerakan diperhatikan mempunyai kesan yang besar terhadap ketepatan transmisi.

Jadual 1: Data Ujian tentang Penyimpangan Apabila Mengingati Kedudukan Pratetap (rujuk data asal dalam artikel)

4. Data Ujian Kekuatan Tegangan

Seperti yang digambarkan oleh data yang diberikan oleh Bando Chemical Industries dalam rajah di bawah: Kedua-dua tali sawat pemasaan MXL dan S2M terdiri daripada bahan getah dan berkongsi ketebalan asas yang sama iaitu 0.6 mm. Memandangkan komposisi bahan yang sama, kekuatan tegangannya (dirujuk sebagai "kekuatan putus" dalam lukisan teknikal) pada asasnya adalah setara. (Nota: Nilai ketebalan tali sawat yang ditunjukkan dalam rajah termasuk ketinggian gigi; khususnya, walaupun kedua-dua tali sawat MXL dan S2M mempunyai ketebalan asas 0.6 mm, jumlah ketebalan—termasuk gigi—ialah 1.1 mm untuk tali sawat MXL dan 1.31 mm untuk tali sawat S2M.)

• Rajah 13: Bahan dan Struktur Tali Sawat Pemasaan MXL

• Rajah 14: Bahan dan Struktur Tali Sawat Pemasaan S2M

5. Ringkasan dan Perbincangan

Secara ringkasnya, tali sawat pemasaan bergigi lengkung S2M mengatasi tali sawat pemasaan bergigi trapezoid MXL dari segi ketepatan penghantaran; ini merupakan kelebihan utama tali sawat bergigi lengkung. Keperluan pemasangan untuk tali sawat bergigi lengkung adalah serupa dengan tali sawat bergigi trapezoid; walau bagaimanapun, ia menawarkan jangka hayat yang lebih lama dan menampung pelbagai tetapan ketegangan yang lebih luas. Dari perspektif kos—walaupun berat per unit lebar tali sawat pemasaan S2M sedikit lebih tinggi, dan kos untuk lebar yang setara mungkin sedikit lebih besar (kira-kira 1.18:1)—ia boleh dihasilkan dengan profil yang lebih sempit. Oleh itu, kos sebenar tidak semestinya lebih tinggi daripada tali sawat pemasaan MXL; sebenarnya, ia selalunya boleh menjadi lebih rendah, menawarkan kelebihan yang ketara dari segi mengurangkan jumlah keseluruhan sistem penghantaran. Berdasarkan pengiraan kapasiti penghantaran, tali sawat pemasaan S2M selebar 4 mm boleh menggantikan sebahagian besar pemacu tali sawat pemasaan MXL selebar 6.4 mm dengan berkesan, berpotensi mengurangkan kos sebenar sebanyak lebih 25%.

Walaupun China telah menetapkan piawaian kebangsaan untuk tali sawat bergigi lengkung siri HTD, penggunaannya masih agak luar biasa; tambahan pula, terdapat kekurangan piawaian yang ketara untuk tali sawat pemasaan bergigi lengkung mikro dan berskala kecil (khususnya yang lebih kecil daripada siri 3M).

Reka bentuk gigi lengkung telah berkembang selanjutnya menjadi siri RPP, menampilkan profil gigi parabola atas cekung yang menghasilkan tahap hingar yang lebih rendah, seperti yang digambarkan dalam Rajah 15.

Rajah 15: Profil Gigi Parabola Atas Cekung RPP

6. Kesimpulan

Tali sawat bergigi trapezoid mempunyai sejarah aplikasi yang lebih panjang di China dan kekal digunakan secara lebih meluas. Walau bagaimanapun, keunggulan semula jadi tali sawat bergigi lengkung tidak dapat dinafikan. Oleh itu, dasar-dasar harus dilaksanakan dengan giat untuk menggalakkan dan menyokong penggunaan tali sawat bergigi lengkung sebagai pengganti tali sawat bergigi trapezoid—terutamanya dalam sektor berskala kecil—untuk mempercepatkan penggubalan piawaian yang berkaitan dan memudahkan penaiktarafan dan pemodenan perindustrian sektor pembuatan domestik.