Cara Kerja Rasio Roda Gigi: Panduan Tanpa BS untuk Gearhead

Anda melihat VCR. Anda melihat jam kakek. Anda melihat meteran listrik di samping rumah Anda dengan roda pemintal kecil di balik plastik. Roda gigi. Di mana pun. Mereka ada dalam transmisi Anda. Mereka ada dalam perbedaan Anda. Mereka ada di dalam mainan yang Anda lupa miliki. Mesin apa pun yang memutar komponen memerlukannya.

Namun kebanyakan orang hanya melihat gigi. Mereka tidak melihat perhitungannya.

Untuk memahami apa yang sebenarnya dilakukan mobil Anda saat Anda melakukan perpindahan gigi, Anda perlu memahami mekanismenya. Hal ini berkaitan dengan rasio gigi dan cara gigi tersebut berkomunikasi satu sama lain. Mari kita hapus.

Mengapa Kita Bahkan Menggunakan Gears?

Ini bukan hanya tentang membuat segalanya berputar. Roda gigi melakukan empat pekerjaan spesifik. Itu saja.

• Arah terbalik. Belok kiri, belok kanan.
• Ubah kecepatan. Lebih cepat atau lebih lambat.
• Gerakkan porosnya. Putar ke sini, kendarai ke sana.
• Sinkronisasi. Pastikan bagian A dan bagian B tetap terkunci pada langkahnya.

Sederhana. Tapi keajaibannya ada pada rasionya.

Matematika di Balik Perputaran

Lupakan sejenak rumus rumit. Pikirkan tentang lingkaran.

Keliling sama dengan diameter dikalikan pi. Kira-kira 3.14. Jika Anda memiliki roda gigi dengan diameter 1 inci, panjang tepi luarnya sekitar 3,14 inci.

Sekarang bayangkan dua roda gigi. Yang satu besar. Yang lainnya berukuran persis setengahnya.

Ketika Anda memutar gigi besar satu kali, ia menempuh jarak tertentu. Perlengkapan kecil? Ia harus berputar dua kali untuk menutupi permukaan yang sama.

Itu adalah rasio gigi 2:1.

Roda gigi kecil berputar dua kali untuk setiap putaran roda gigi besar. Itulah konsep intinya. Jika Anda ingin memahami bagaimana sebuah mobil berakselerasi atau mengapa gigi rendah terasa bertenaga, inilah fondasinya. Roda gigi yang lebih kecil berputar lebih banyak. Roda gigi yang lebih besar berputar lebih sedikit. Sesederhana itu.

Mengapa Gigi Penting (Bukan Sekadar Pertunjukan)

Anda bisa menggunakan roda yang halus saja, bukan? Tidak, roda licin tergelincir.

Roda gigi mempunyai gigi karena tiga alasan.

1. Tidak ada selip. Gigi saling mengunci. Jika poros masukan berputar, poros keluaran harus berputar. Mereka tersinkronisasi dengan sempurna.
2. Rasio yang tepat. Anda tidak memerlukan jangka sorong untuk mengukur diameter. Anda tinggal menghitung giginya.
3. Pengampunan. Manufaktur tidak sempurna. Diameter mungkin sedikit melenceng. Tapi jumlah gigi itu mutlak.

Inilah aturan yang penting: Hitung gigi.

Jika Gigi A mempunyai 60 gigi dan Gigi B mempunyai 20 gigi, maka perbandingannya adalah 3:1. 60 dibagi 20 adalah 3. Roda gigi kecil berputar tiga kali untuk setiap satu putaran roda gigi besar.

Begitulah cara Anda menghitung rasio roda gigi tanpa gelar sarjana teknik. Anda menghitung. Anda membagi.

Merangkai Mereka: Kereta Gigi

Terkadang Anda membutuhkan lebih dari 3:1. Mungkin Anda membutuhkan 100:1. Anda tidak dapat membuat satu perlengkapan sekecil itu dan perlengkapan lainnya sebesar itu. Itu tidak cocok dengan kotak transmisi.

Jadi, Anda menyatukannya. Ini disebut kereta gigi.

Anda menghubungkan beberapa pasang roda gigi secara berurutan. Output dari pasangan pertama menjadi masukan untuk pasangan berikutnya. Lipat gandakan rasionya. Tumpuk pengurangannya.

Inilah cara Anda mendapatkan perkalian torsi besar-besaran dari input kecil. Begitulah cara mobil Anda mendaki bukit dengan gigi satu. Ini bukanlah rasio yang besar. Ini adalah serangkaian hal-hal kecil yang bekerja bersama.

Roda gigi hanyalah leverage. Leverage rotasi.

Selanjutnya, kita melihat bagaimana kereta-kereta ini diatur dalam transmisi sebenarnya. Karena menempatkan mereka dalam barisan hanyalah salah satu cara untuk melakukannya.

Trik Compound Gear

Lihatlah lebih dekat pada perlengkapan fuchsia di sebelah kanan. Ini bukan satu kesatuan yang utuh. Ini adalah unit gabungan. Dua roda gigi, ditumpuk secara vertikal, terhubung secara kaku. Roda gigi yang lebih kecil berada tepat di atas roda gigi yang lebih besar, berputar seolah-olah menjadi satu kesatuan.

Pengaturan ini merupakan standar untuk rangkaian roda gigi yang perlu mengubah arah atau rasio tanpa menambahkan poros tambahan. Anda melihatnya dalam segala hal mulai dari transmisi manual hingga jarum jam. Intinya? Kekompakan dan kontrol.

Mengapa Menumpuk Roda Gigi Daripada Menggunakan Poros Terpisah

Anda tentu dapat menjalankan roda gigi terpisah pada gandar terpisah. Tapi itu memakan ruang. Menumpuknya berarti Anda mendapatkan dua diameter berbeda, dua jumlah gigi berbeda, semuanya berbagi sumbu rotasi yang sama.

Roda gigi kecil menggerakkan satu bagian dari sistem. Roda gigi besar menggerakkan roda gigi lainnya. Karena terkunci bersama, mereka berputar dengan kecepatan yang sama. Namun karena diameternya berbeda, interaksinya dengan roda gigi di sekitarnya juga berbeda. Seseorang mungkin mempercepatnya. Yang lain mungkin menurunkan torsi. Ini adalah multitasking mekanis.

Bagaimana Hal Ini Mempengaruhi Sisa Kereta

Pada gambar berikutnya, Anda akan melihat pola ini berulang. Beberapa roda gigi secara berurutan. Beberapa lajang. Beberapa senyawa seperti fuchsia. Setiap koneksi mengubah output.

Keajaiban tidak terjadi pada satu hal saja. Itu tergantung pada berapa banyak interaksi kecil yang saling berantai.

Anda tidak memerlukan bahan eksotik di sini. Hanya gigi yang presisi, kesejajaran yang tepat, dan desain bertumpuk untuk menjaga mekanisme tetap rapat. Penggemar menyukainya karena ini adalah rekayasa yang terlihat. Anda dapat menelusuri jalur kekuatan dengan mata Anda. Tidak ada aktuator tersembunyi. Hanya logam yang mendorong logam.

Cara rangkaian roda gigi bertingkat melipatgandakan kecepatan

Lihat pengaturan itu lagi. Roda gigi fuchsia berputar dua kali lipat kecepatan roda gigi ungu. Matematika sederhana. Tapi perlengkapan ramah lingkungan? Ternyata dua kali lipat kecepatan fuchsia. Kemudian roda gigi merah jambu menggandakan keluaran roda gigi hijau. Anda tidak hanya menambah kecepatan. Anda menumpuk pengganda. Setiap tahap menggabungkan laju rotasi dari tahap sebelumnya.

Hal ini menciptakan rasio roda gigi keseluruhan yang jauh lebih tinggi daripada yang bisa dilakukan dengan satu langkah.

Rangkaian roda gigi multi-tahap memungkinkan penggandaan kecepatan ekstrem dalam ruang yang ringkas.

Mengapa hal ini penting untuk mobil? Karena Anda jarang menginginkan lompatan gigi yang besar. Ini menciptakan masalah torsi. Ini membebani drivetrain. Memecahnya menjadi beberapa tahap—ungu menjadi fuchsia, fuchsia menjadi hijau, hijau menjadi merah muda—memuluskan permintaan mekanis. Anda mendapatkan putaran kecepatan tinggi terakhir tanpa mematahkan as roda Anda.

Pikirkan tentang hal ini. Jika roda gigi ungu berputar satu kali, fuchsia berputar dua kali. Hijau berubah empat kali. Merah jambu? Delapan kali. Itu adalah rasio 8:1 yang dicapai melalui tiga langkah kecil yang dapat dikelola.

Apakah ini biasa terjadi pada transmisi modern? Tidak persis seperti ini, tapi prinsipnya tetap berlaku. Transmisi otomatis menggunakan rangkaian roda gigi planetary yang berfungsi serupa, menumpuk rasio untuk mencakup berbagai kecepatan tanpa memerlukan ukuran roda gigi yang secara fisik mustahil.

Kesimpulan utamanya adalah kereta gigi majemuk memungkinkan para insinyur mencapai rasio penggerak akhir yang tinggi atau penyebaran transmisi yang lebar tanpa menjadikan seluruh girboks sebesar lemari es.

Anda mendapatkan presisi. Anda mendapatkan jangkauan. Dan Anda menjaga tekanan mekanis tetap terdistribusi.

Bagaimana Rasio Roda Gigi Menggandakan Kecepatan

Lihatlah perbedaan ukurannya. Roda gigi yang lebih kecil di sini berukuran seperlima diameter roda gigi yang besar. Rasio 1:5 itu cukup membantu. Kaitkan motor ke gigi ungu, putar dengan kecepatan 100 rpm, dan gigi hijau di sebelahnya? Ini mencapai 500 rpm. Lanjutkan ke gigi merah muda. Sekarang Anda sedang melihat 2.500 rpm.

Ini bekerja dua arah.

Pasangkan motor berkecepatan tinggi—2.500 rpm—ke gigi merah muda tersebut, dan gigi ungu akan bergerak dengan kecepatan stabil 100 rpm. Anda menukar kecepatan dengan torsi. Atau torsi untuk kecepatan. Tergantung pada apa yang Anda butuhkan.

Ini bukan hanya teori. Buka meteran listrik gaya lama. Jenis dengan lima tombol mekanis, bukan pembacaan digital. Anda akan melihat pengaturan yang tepat ini. Lima pelat jam dihubungkan oleh rangkaian roda gigi. Setiap langkah memiliki rasio 10:1. Satu putaran penuh pada putaran tercepat sama dengan sepuluh putaran putaran berikutnya ke bawah.

Perhatikan angkanya. Mereka berjalan mundur pada putaran yang berdekatan. Karena roda gigi saling berhubungan secara langsung, maka roda gigi tersebut harus berputar ke arah yang berlawanan. Yang satu berjalan searah jarum jam. Tetangga berjalan berlawanan arah jarum jam. Itu logika mekanis. Tidak ada pengecualian.

Mengapa Diferensial Mobil Menggunakan Roda Gigi Kerucut

Roda gigi melakukan lebih dari sekedar mengubah kecepatan atau arah dalam garis lurus. Anda dapat menekuk sumbu rotasi.

Masukkan roda gigi berbentuk kerucut. Juga disebut roda gigi bevel. Ini bertautan pada suatu sudut, biasanya 90 derajat. Masukannya berputar ke satu arah. Outputnya berputar tegak lurus terhadapnya.

Dimana kamu melihat ini? Hampir setiap mobil berpenggerak roda belakang. Tepat di diferensial.

Mesin berputar ke depan. Transmisi mengirimkan tenaga ke depan. Tapi rodanya ada di samping. Anda perlu memutar tenaga itu 90 derajat untuk menggerakkan as. Roda gigi berbentuk kerucut melakukan putaran itu. Mereka mengambil putaran memanjang dari poros penggerak dan mengarahkannya ke putaran melintang roda belakang. Tanpa mereka, mobil Anda hanya akan melaju mundur dalam garis lurus. Atau tidak sama sekali.

Mengapa rangkaian roda gigi planet memecahkan masalah rasio

Kereta roda gigi planet hadir untuk mengatasi sakit kepala tertentu. Anda menginginkan rasio gigi 6:1. Dalam pengaturan inline standar, Anda menyatukan tiga roda gigi. Yang pertama menggerakkan yang kedua. Yang kedua menggerakkan yang ketiga.

Ini berhasil. Itu bisa diprediksi. Tapi itu besar. Gigi ketiga itu menonjol seperti jempol yang sakit. Anda kehilangan ruang. Anda menambah berat badan. Di ruang mesin yang sempit atau kotak transmisi kompak, panjang ekstra itu adalah sebuah penghalang.

Masukkan set planet. Ia mengemas rasio gigi 6:1 yang sama ke dalam satu unit yang ringkas. Daripada menempatkan roda gigi dalam satu garis, Anda menumpuknya secara radial. Perlengkapan matahari terletak di tengah. Roda gigi planet mengorbitnya. Mereka ditahan oleh operator. Roda gigi lingkar luar membungkus semuanya.

Ini bukan hanya tentang menghemat ruang. Ini tentang kapasitas torsi. Beberapa roda gigi planet berbagi beban. Stres menyebar ke seluruh gigi. Anda mendapatkan kepadatan daya yang lebih tinggi. Itu sebabnya transmisi otomatis dan drivetrain hybrid mengandalkannya. Mereka menangani panasnya. Mereka menangani torsi. Mereka tidak berhenti.

Susunan planet memungkinkan beberapa roda gigi berbagi beban, meningkatkan daya tahan tanpa menambah ukuran.

Jadi ketika Anda melihat transmisi kompak dengan rasio reduksi tinggi, carilah planetnya. Mereka sedang melakukan pekerjaan berat.

Roda Gigi Planet Untuk Tenaga Koaksial Pada Peralatan Listrik

Kereta linier yang dijelaskan sebelumnya berfungsi dengan baik jika Anda tidak keberatan poros keluaran berakhir di tempat lain. Roda gigi merah berukuran tiga kali diameter roda gigi kuning. Roda gigi biru dua kali lipat roda gigi merah. Itu memberi Anda rasio 6:1. Sederhana. Tetapi bagaimana jika Anda memerlukan input dan output pada sumbu yang sama?

Di sinilah segalanya menjadi menarik. Anda ingin kekuatan datang di satu ujung dan meninggalkan ujung lainnya, terus menerus. Tidak ada offset. Tidak diperlukan ruang tambahan untuk poros kedua yang sejajar dengan poros pertama.

Lihatlah obeng listrik. Anda memegangnya dengan satu tangan. Baterai dan motor berada di belakang chuck. Mata bor berputar pada garis tengah yang sama dengan poros motor. Anda tidak dapat membuat rangkaian roda gigi terbentang ke samping. Itu tidak cocok. Itu tidak akan berhasil.

Masuki sistem roda gigi planet.

Pengaturan ini memecahkan masalah koaksial. Ini menumpuk roda gigi secara konsentris. Masukannya memutar roda gigi matahari di tengah. Roda gigi planet mengorbit di sekitarnya. Mereka menyatu dengan ring gear tetap di bagian luar. Pembawa memegang planet-planet dan memutar poros keluaran.

Konfigurasi ini memungkinkan rasio reduksi tinggi dalam paket koaksial yang ringkas.

Ini efisien. Itu kuat. Ia menangani beban torsi tinggi tanpa tegangan geser yang dapat mengganggu roda gigi pacu sederhana di bawah beban berat. Beban tersebut didistribusikan ke beberapa roda gigi planet. Itu berarti setiap gigi membawa lebih sedikit tenaga. Lebih sedikit keausan. Hidup lebih lama.

Anda juga melihat ini di EV. Tesla menggunakan perangkat planetary gearset di powertrainnya. Transmisi kecepatan tunggal tidak memerlukan perpindahan gigi yang rumit, tetapi memerlukan penggandaan torsi tinggi pada kecepatan rendah. Roda gigi planetary menghasilkan hal tersebut tanpa menambah panjang drivetrain.

Ini bukan hanya tentang menyesuaikan diri di ruang sempit. Ini tentang integritas struktural. Perumahan mendukung gearset dari semua sisi. Gaya reaksi hilang secara internal. Beban bantalan lebih rendah dibandingkan dengan pengaturan poros paralel di mana roda gigi saling mendorong ke samping.

Jadi mengapa menggunakan sistem planet? Karena Anda memerlukan penyelarasan koaksial. Karena butuh kekompakan. Karena Anda perlu menangani torsi tanpa putus.

Perhitungannya tetap sama. Rasionya tergantung pada jumlah gigi matahari, planet, dan ring gear. Namun geometri mengubah segalanya. Anda menukar kesederhanaan dengan kepadatan. Anda menukar kejernihan visual dengan efisiensi mekanis.

Apakah lebih sulit untuk memproduksinya? Ya. Presisi lebih penting. Planet-planet harus ditempatkan dengan sempurna. Pengangkutnya harus kaku. Namun untuk aplikasi seperti obeng, power window, atau drivetrain EV, itulah satu-satunya cara yang bisa dilakukan.

Anda mendapatkan pengurangan kecepatan. Anda mendapatkan perkalian torsi Anda. Dan Anda menjaga input dan output Anda pada jalur yang sama.

Cara roda gigi planet menangani beban berat

Roda gigi masukan kuning itu mengenai ketiga roda gigi merah sekaligus. Mereka dibaut ke satu piring. Alih-alih menggigit bagian luar cincin biru, mereka malah menyatu dengan gigi bagian dalam.

Tiga roda gigi merah berarti beban terbagi. Kereta gigi menjadi sulit. Sangat sulit. Poros keluaran menarik tenaga dari pelat itu sementara roda gigi biru tetap terkunci di tempatnya. Ini adalah pengaturan planet yang klasik. Anda sebenarnya dapat melihat versi dua tahap dari mekanisme persis ini di halaman obeng listrik jika Anda perhatikan lebih dekat.

Menyinkronkan gigi jauh dengan idler

Inilah skenario praktis lainnya. Anda memiliki dua roda gigi merah yang perlu berputar secara sinkron. Tapi mereka berjauhan. Bagaimana cara menghubungkannya tanpa mengubah arah putarannya?

Anda menjatuhkan gigi besar di antara mereka. Perlengkapan pemalas.

Itu tidak mengubah rasio kecepatan. Itu hanya membalik rotasi dua kali. Sekali untuk jaring pertama, sekali lagi untuk jaring kedua. Hasil akhirnya? Kedua roda gigi merah berputar dengan cara yang sama. Ini adalah perbaikan sederhana untuk masalah jarak.

Penggerak Rantai dan Sabuk: Alternatif Ringan untuk Roda Gigi

Jadi Anda ingin rotasi berlawanan? Tentu. Cukup tempelkan dua roda gigi yang identik. Mereka akan berputar ke arah sebaliknya. Masalah terpecahkan.

Hanya saja, hal itu belum benar-benar terpecahkan. Tidak secara praktis.

Roda gigi ekstra itu berat. Anda menambahkan massa pada rakitan yang berputar, yang berarti lebih banyak inersia, lebih banyak tekanan pada bantalan, dan banyak kerumitan yang tidak perlu. Anda juga perlu mengerjakan as roda untuknya. Bantalan presisi. segel. Itu bertambah dengan cepat, baik dalam berat dan biaya.

Perbaikan di dunia nyata? Singkirkan jaring langsung. Gunakan rantai atau sabuk bergigi.

Ini adalah solusi standar karena suatu alasan.

Rantai dan sabuk mentransfer daya antara sproket atau katrol yang tidak bersebelahan, sehingga menghilangkan kebutuhan akan roda gigi idler perantara dan perangkat keras terkait.

Lihatlah diagramnya. Lihat bagaimana perjalanan itu melintasi? Itulah triknya. Dengan merutekan media penggerak dalam konfigurasi angka delapan atau bersilang, Anda membalikkan arah putaran tanpa menambahkan massa putaran tambahan.

Mengapa memilih salah satu dari yang lain?

Itu tergantung pada ketegangan, lingkungan, dan kebisingan.

Rantainya kuat. Mereka tidak terpeleset. Jika Anda menggunakan torsi yang besar atau beroperasi di lingkungan yang kotor dan berminyak sehingga karet akan rusak, rantai adalah pilihan yang tepat. Tapi mereka berisik. Mereka membutuhkan pelumasan. Mereka aus seiring waktu, meregangkan nada, yang berarti Anda pada akhirnya harus menyesuaikan ketegangan atau mengganti seluruh pengaturan.

Sabuk bergigi, seperti timing belt, lebih senyap. Mereka lebih ringan. Mereka tidak membutuhkan pelumas. Tapi mereka bisa tergelincir jika kelebihan beban atau jika tegangannya tidak diatur dengan benar. Mereka juga sensitif terhadap panas dan bahan kimia.

Untuk sebagian besar aplikasi otomotif, terutama di mana ruang sempit dan bobot penting, sabuk pengaman unggul dalam hal efisiensi. Rantai unggul dalam hal daya tahan dalam kondisi yang keras.

Susunan bersilang berfungsi untuk keduanya. Cukup silangkan sabuk atau rantai antara katrol/sproket masukan dan keluaran, dan Anda akan mendapatkan putaran terbalik yang Anda inginkan, tanpa penalti tambahan roda gigi, gandar, dan bantalan.

Sederhana. Efektif. Lebih ringan.

Itu sebabnya camshaft mesin Anda mungkin digerakkan oleh sabuk yang menyilang ke arah sebaliknya, atau mengapa beberapa konversi penggerak roda belakang menggunakan penggerak rantai bersilang untuk menukar rotasi tanpa membangun kembali seluruh tata letak drivetrain.

Anda tidak selalu membutuhkan lebih banyak bagian untuk mengubah arah. Terkadang Anda hanya perlu mengatur ulang apa yang Anda punya.

Mengapa rantai dan ikat pinggang memenangkan permainan jarak jauh

Rantai dan ikat pinggang memiliki tiga keuntungan besar. Itu ringan. Mereka memungkinkan Anda memisahkan roda gigi berdasarkan ruang. Dan mereka dapat menghubungkan beberapa roda gigi sekaligus.

Pikirkan tentang pengaturan waktu mesin Anda. Sabuk bergigi satu sering kali menggerakkan poros engkol, kedua poros bubungan, dan bahkan alternator. Coba lakukan itu dengan gigi padat. Ini menjadi berantakan dengan cepat. Geometri menjadi mimpi buruk.

Cara menghitung rasio roda gigi dan mengapa itu penting

Jadi, bagaimana cara mengetahui rasio roda gigi?

Hitung giginya.

Ambil gigi pengemudi dan gigi penggerak. Bagilah jumlah gigi. Jika satu gigi memiliki 60 gigi dan gigi lainnya memiliki 20 gigi, Anda mendapatkan rasio 3:1. Matematika sederhana. Tidak diperlukan kalkulator kecuali Anda berurusan dengan penghitungan pecahan yang aneh.

Apakah rasio gigi lebih tinggi atau lebih rendah lebih baik?

Itu tergantung pada apa yang Anda pedulikan.

Ingin jarak tempuh bahan bakar yang lebih baik? Ingin lebih sedikit kebisingan dari drivetrain? Gunakan rasio roda gigi numerik yang lebih tinggi. Tunggu, itu terdengar berlawanan dengan intuisi. Angka yang lebih tinggi berarti jumlah putaran roda yang lebih sedikit per putaran mesin. Hal ini membuat RPM lebih rendah pada kecepatan jalan raya. RPM yang lebih rendah berarti lebih sedikit ketegangan dan MPG yang lebih baik.

Bagaimana dengan rasio bagian belakang 4,11 yang dibicarakan semua orang? Ini adalah tempat terbaik untuk berkendara sehari-hari. Tidak terlalu tinggi. Jangan terlalu pendek. Tepat untuk bepergian.

Perlu menarik trailer? Anda ingin torsi. Anda menginginkan rasio yang lebih tinggi, seperti 4,56 atau lebih curam. Apa pun yang lebih rendah dari itu akan kesulitan di bawah beban berat. Ini akan menyeret. Ini akan menjadi terlalu panas. Tetap gunakan angka yang lebih tinggi jika Anda membawa beban berat.

Rasio gigi manakah yang terbaik untuk mobil Anda?

Tidak ada satu pun rasio gigi terbaik.

Itu semua tergantung pada ukuran ban Anda. Ban besar mengubah rasio final drive efektif. Anda harus membandingkan rasio roda gigi dengan diameter ban keseluruhan. Rasio 4,10 dengan ban 30 inci terasa berbeda dibandingkan rasio 4,10 dengan ban 35 inci.

Periksa kalkulator rasio roda gigi atau bagan untuk melihat bagaimana ukuran ban mengubah performa Anda di dunia nyata. Angka-angka di atas kertas tidak menceritakan keseluruhan cerita. Karet di jalan bisa melakukannya.

Rasio gigi efektif Anda berubah saat Anda menukar ukuran ban. Selalu hitung ulang.