Roda gigi (Gear)

Struktur robot hampir tidak pernah terlepas dari konstruksi mekanik, dan tentu saja motor menjadi penggerak utamanya. Robot manipulator dan navigator biasanya memiliki konstruksi yang lebih rumit dibandingkan dengan robot yang bertugas sebagai navigator saja. Contohnya robot mobile yang dilengkapi dengan lengan tangan dan gripper untuk memindahkan barang, konstruksinya akan menjadi lebih rumit dibandingkan dengan robot mobile yang hanya yang mengikuti garis.

Jika kita mendesain mekanik robot hal penting yang tidak bisa kita tinggalkan adalah perhitungan torsi untuk menggerakkan roda ataupun sendi. Roda gigi, atau lebih familiar dengan sebutan gir (bahasa inggris: Gear) memungkinkan kita untuk merubah kecepatan putaran dan torsi untuk menyesuaikan motor dengan kondisi bebannya. Gir juga memungkinkan kita untuk mentransmisikan daya motor dari tangkai (shaft) satu ke yang lain. Konsepnya sebenarnya bukan hal yang baru. Orang bangsa Yunani kuno sudah menggunakan gir terbuat dari kayu untuk mentransmisikan daya dari kincir air ke mesin penggiling. Jaman sekarang gir terbuat dari potongan metal atau plastik yang presisi sehingga transmisi daya lebih efisien, halus dan awet.

Spur Gear

Gambar 1 berikut menunjukkan dua spur gear yang saling bertautan. Daya ditransmisikan oleh gigi gir satu ke gigi gir yang lain. Jika gigi pada gir mempunyai bentuk yang sesuai, sebenarnya gigi-gigi tersebut seolah menggelinding mendorong satu sama lain, jadi bukan menggesek, sehingga gesekannya sangat kecil. Perhatikan bagaimana gigi-gigi gir saling mendorong dan akhirnya memutar gir, keajidan in berulang untuk gigi gir selanjutnya. Kekurangan gir ini adalah jeda gerakan ketika gir dikemudikan pada arah yang berlawanan (backlash).

Gambar 1. Urutan perubahan posisi akibat gigi gir yang menggelinding satu sama lain

Gambar 2. Spur Gear

Jika dua gir dengan diameter berbeda ditautkan, mereka akan berputar dengan kecepatan yang berbeda pula. Arah putarnya menjadi berlawanan antara satu gir dengan gir lainnya, untuk mendapatkan arah putaran yang sama seperti pada poros utama (biasanya yang terdapat pada motor), maka gir harus disusun dengan jumlah ganjil. Secara teori ukuran roda gir digambarkan dengan lingkaran (pitch circle) memiliki diameter (pitch diameter) yang lebih kecil dari diameter keseluruhan gir karena gigi gir saling berpotongan (overlap). Jarak antara gigi satu dan yang lain dalam satu gir disebut dengan circular pitch. Jumlah gigi pada suatu gir dapat ditentukan dengan rumus:

Ingat bahwa jumlah gigi pada gir adalah suatu bilangan bulat, kita tidak bisa membuat gigi gir sebanyak 4.5 buah !

Mengubah kecepatan menggunakan gir

Rasio gir adalah rasio jumlah gigi pada dua gir. Dua gir pada gambar memiliki 40 dan 20 gigi, maka rasio gir tersebut adalah 40/20 = 2. Tapi tidak sampai disini, untuk mentautkan dua gir yang perlu kita perhatikan adalah ukuran gigi gir haruslah sama, dengan kata lain keduanya harus memiliki jumlah gigi yang sama tiap inci keliling gir. Jadi rasio gir adalah juga rasio keliling gir, dan tentu saja persamaannya akan seperti ini

Untuk persamaan diatas asumsikan bahwa gir 1 adalah gir yang “menggerakkan” (penggerak)  atau memberikan daya, sedangkan gir 2 adalah gir yang menerima daya (yang “digerakkan”)

Jika terdapat rasio gir A dan gir B sebesar 3 : 1, ini artinya bahwa gir B akan berputar satu kali penuh jika gir A berputar sebanyak 3 kali, ini berarti juga bahwa gir A berputar lebih cepat 3 kali dibandingkan dengan gir B. Persamaan berikutnya membandingkan antara rasio gir dengan kecepatan gir berputar.

Contoh 1 :

Sebuah motor dan roda dihubungkan dengan gir dengan rasio 1 : 3 (lihat gambar untuk detailnya) , jika motor berputar 60^o berapa derajatkah roda akan berputar?

Gambar 3. Hubungan gir 1:3 pada motor dan roda

Penyelesaian:

Gir yang terpasang pada roda lebih besar daripada yang terpasang di motor, dan pastinya akan berputar kurang dari 60^o. Dengan menggunakan persamaan ketiga, sudut yang ditempuh roda adalah:

Jadi roda akan berputar 20^o ketika motor berputar sejauh 60^o.

Contoh 2:

Sebuah motor berputar pada kecepatan 200 rpm mengendalikan roler kertas mesin printer. Gir pada motor mempunyai 20 gigi, dan gir pada roler mempunyai 50 gigi. Berapa kecepatan roler?

Penyelesaian:

Perlu diketahui bahwa gir roler lebih besar daripada gir yang terdapat pada motor, jadi gir roler akan berputar lebih lambat daripada gir di motor. Kecepatan roler dihitung sebagai berikut:

Contoh 3:

Berapa rasio gir pada kombinasi seperti gambar berikut?

Penyelesaian:

Gir penggerak mempunyai diameter 2 cm, sedangkan gir yang digerakkan berdiameter 4 cm, maka rasio gir dapat dicari dengan membagikan diameter masing-masing gir.

Jadi persamaan gir tersebut adalah 2:1 .

Referensi:

[1] Kilian, Christopher T., Modern control Technology: Component and Systems, 2nd ed., 2001