PERENCANAAN DAN PERANCANGAN RODA GIGI CACING (WORM GEAR) dengan METODE NIEMANN

Transkripsi

1 PERECAAA DA PERACAGA RODA GIGI CACIG (WORM GEAR) dengan METODE IEMA Dosen : Pak Ojo Kurdi Disusun Oleh: Ricky Petra Falendra Departemen Teknik Mesin Universitas Diponegoro 017

2 BAB I PEDAHULUA 1.1 Pengertian Roda gigi cacing ialah suatu elemen transmisi yang dapat meneruskan daya dan putaran pada poros yang bersilang. Roda gigi cacing mempunyai gigi yang dipotong menyudut seperti pada roda gigi helik dan dipasangkan dengan ulir yang dinamakan ulir cacing. Penggunaan roda gigi ini biasanya untuk mereduksi kecepatan, roda gigi ini dalam operasionalnya akan mengunci sendiri sehingga tidak dapat diputar pada arah yang berlawanan. Keuntungan dari roda gigi ini adalah dengan memberikan input minimal dapat dihasilkan output dengan kekuatan maksimal.roda gigi ini biasanya digunakan untuk kecepatan-kecepatan tinggi dengan kemampuan mereduksi kecepatan yang maksimal. Pasangan roda gigi cacing terdiri dari sebuah poros yang mempunyai ulir luar dan sebuah roda cacing yang berkait dengan poros cacing tersebut.perbandingan transmisi roda gigi cacing dapat dibuat hingga perbandingan reduksi 1 : 100 dan cara kerjanya halus atau hampir tanpa bunyi. amun pada umumnya transmisi tidak dapat dibalik untuk menaikkan putaran, yakni pada roda cacing ke cacing. Adapun kekurangan dari transmisi roda gigi cacing adalah memiliki efisiensi mekanis (ç) yang rendah, terutama jika sudut kisarnya (ã) kecil.dalam kerjanya, cacing dan roda cacing terjadi gesekan yang cukup besar sehingga dapat menimbulkan banyak panas, oleh sebab itu kapasitas transmisi roda gigi sering dibatasi jumlah panas yang timbul. Gambar 1.1 Ilustrasi Roda Gigi Cacing

3 1. Tujuan Perencanaan Roda Gigi Cacing 1. Dapat merencanakan roda gigi cacing dengan parameter yang dihasilkan.. Dapat menganalisa Roda Gigi Cacing menggunakan metode iemann. 3. Dapat menghasilkan Roda Gigi yang aman sesuai dengan parameter yang diberikan. 1.3 Batasan Masalah Metode yang digunakan untuk merencanakan, menganalisa, dan membuat desain roda gigi cacing menggunakan metode iemann dengan menggunakan parameter yang diberikan dan asumsi yang dibutuhkan. Diketahui: Perkirakan dimensi rodagigi cacing tipe E dengan jarak antar poros a = 00 mm, rasio reduksi i = 10 dengan mengambil nilai z1 = 3 dan zm = Sistematika Laporan BAB I Pendahuluan BAB II Dasar Teori BAB III Metodologi Perencanaan dan Perancangan Roda Gigi Cacing BAB IV Perhitungan dan Hasil Analisis BAB V Penutup

4 BAB II DASAR TEORI Persamaan Dasar yang digunakan dalam perencanaan dan Analisa Metode iemann adalah sebagai berikut:.1 ESTIMASI DIMESI UTAMA Jika jarak antar poros (a) dan rasio reduksi (i) diketahui a. Menentukan jumlah gigi z1 dan z dari tabel 4/ b. Menghitung zm = z + x. ilai x dari tabel 4/ (tergantung jenis roda gigi cacing, E-worm atau H-worm) c. Menghitung diameter minor worm, df1 = 0,6a 0,85 d. Menghitung modul m, yaitu : m d z m m a d z m f 1,4 e. Menghitung diameter rata-rata dm1 dan diameter kepala dk1 dari worm d d, m dan d d m m1 f 1 4 k1 m1 f. Memeriksa harga faktor gigi zf dan nilai tangen sudut kisar tan γm Syarat yang harus dipenuhi adalah zf = dm1/m 6 ; tan γm = z1/zf 1 g. Menghitung data dan dimensi gear/wheel d a d ; d d, m d m m1 f m1 4 d m ; d d m k m a m 3 Dimana da adalah diameter luar wheel. do = zm ; do1 = a do h. Lebar gigi worm, b,5m z 1 m i. Lebar gigi wheel, b Dengan b,45( d 6m) 0,45m( z 6), maka : m 0 m1 F Untuk material perunggu, b = bm Untuk material paduan aluminium, b = bm + 1,8 m j. Menentukan parameter lain dari pasangan rodagigi cacing, yaitu :

5 * Pitch, H = π m z1 * Sudut kisar rata-rata, γm = arc tan (z1/zf) = arc tan (mz1/dm1) * Sudut kisar, γo = arc tan (mz1/do1) * Modul normal, mn = m cos γo * Sudut heliks wheel, β1 = 90 o - γ. PEMILIHA SERI RODAGIGI CACIG Secara umum ada involute worm (E-worm), globoid worm (G-worm) dan follow flank worm (H-worm).Data pemilihan untuk worm gear diberikan oleh tabel 4/1, 4/13 dan gambar 4/1 s/d gambar 4/4. Dari beban operasional yang ada dari tabel dan gambar tersebut, sebaiknya dipilih jenis worm yang punya kapasitas ketahanan temperatur T dan ketahanan permukaan F yang baik..3 EFISIESI DA KERUGIA DAYA Dengan 1 adalah daya di worm, adalah daya di wheel dan v adalah daya yang hilang, maka efisiensi ditentukan dengan rumus berikut : 1. Jika worm sebagai penggerak, 1 v. Jika wheel sebagai penggerak, ' 1 v 1 3. Mencari harga daya yang hilang v diberikan dengan rumus berikut : v tan m y y3 untuk E-worm tan m a 0,96 v y y3 tan m a untuk H-worm Dimana harga y dan y3 didapat dari tabel 4/ Kehilangan daya v ini disebabkan oleh gesekan pada kontak gigi vz,gesekan bantalan dan pelumas o dan beban gesek bantalan p, sehingga : v vz o p dimana vz z 1 tan m tan m

6 o p a 100,5 a 0,8 100 V 90 n1 1, ,44 i d m 4 / 3 Catatan : A o z o dengan 1 v e F yw o yz a ; 0, 1 A ; e 7, 100 o Dimana yz dari tabel 4/4 dan yw dari tabel 4/5..4 MEMERIKSA KAPASITAS KEKUATA PERMUKAA GIGI (1F DA F) Langkah-langkah yang ditempuh untuk memeriksa kekuatan permukaan gigi (Safety Flank) adalah sbb : 1. Menghitung gaya tangensial wheel U 6 U 1, d n m. Menentukan koefisien fm, yaitu : f m 10 z F 3. Menentukan koefisien sistem gigi gear fz berdasar tabel 4/4 4. Menghitung faktor k, yaitu : U k f f b d m z m m 5. Memilih data kekuatan material ko dari tabel 4/5 6. Menghitung kecepatan luncur rata-rata vf yaitu : v1 n1 vf dengan v1 d m1 cos m 7. Mencari koefisien kecepatan fn dari tabel 4/8 dengan rumus, f n 0, 85 vf 8. Koefisien umur fh yang harganya dari tabel 4/3. ilai fh tergantung pada umur worm gear yang diinginkan / dirancang. 9. Koefisien beban bolak balik fw, untuk beban konstan fw = 1 dan untuk beban dinamis nilai fw > 1 (tergantung karakteristik beban dinamisnya), yaitu : h h h h f h f h 1/ 3 1 f w dan Dimana untuk perubahan beban : h adalah lama perioda saat gaya U muncul f n f h' f ' n '' '' n '' ' h h h......

7 h1 adalah lama perioda saat gaya f1u muncul h adalah lama perioda saat gaya fu muncul, dst dan untuk perubahan putaran n akan menghasilkan perubahan nilai vf (point f) : h adalah lama perioda saat n muncul, sehingga dapat dicari vf h adalah lama perioda saat n muncul, sehingga dapat dicari vf h adalah lama perioda saat n muncul, sehingga dapat dicari vf, dst dan harga untuk fn ; fn ; fn dapat dicari dengan rumus dari point g diatas. 10. Menghitung faktor kgrenz yaitu : k k f f f k grenz o n h w o 11. Menghitung nilai keamanan permukaan worm / wheel SF : k grenz S F 1 k 1. Batas kapasitas kekuatan permukaan gigi dari wheel F adalah : F k grenz bm d m 0,7 f m f z n S F Efisiensi rodagigi cacing berdasar kekuatan permukaan η F 1F F F v dimana harga v dicari dari persamaan point C.3. dengan = F. 14. Jika kapasitas yang dihasilkan belum sesuai yang direncanakan, maka dilakukan perancangan ulang mulai dari estimasi awal dimensi (point A)..5 MEMERIKSA KAPASITAS KETAHAA TEMPERATUR ( T1 DA T ) 1. Menghitung beda temperatur antara casing dengan udara luar tu, yaitu : tu = tw -tl, dimana tw adalah temperatur luar casing dari pasangan worm/wheel dan tl adalah temperatur udara luar. Menentukan nilai yb yaitu : y 0,355 untuk gear dengan air vanes B y 0,14 untuk gear tanpa air vanes B 3. Menghitung nilai yk yaitu : y K 1,55 n1 1 yb 1000

8 4. Menghitung nilai FK dan αk yaitu : F K K a 5, ,8 y K Jika pendinginan dilakukan dengan angin seperti halnya pada kendaran yang sedang berjalan, maka nilai FK dan αk : K 17,7(1 0,1 vl ) dan F K a 0, ,85 5. Kapasitas pendinginan k adalah sama dengan daya yang hilang v (point C.3). ilai k untuk pendinginan di udara adalah (KL) : * Untuk beban konstan (untuk beban dinamis nilainya dirata-ratakan) v K KL t u F K K 63 * Untuk beban dengan durasi yang pendek (short time) selama he : v y1 KL Dimana y1 didapat dari tabel 4/9 dengan referensi waktu ha dengan yko adalah harga yk saat n1 = 1000 rpm (point c). 6. Kapasitas ketahanan temperatur untuk wheel T dan worm 1T dicari dengan membuat v = K dan mengambil persamaan di point C.3., yaitu : T dan T K tan 1 m y y tan m 3 1 tan 1 T T m 0,96 K K y y3 100 a 100 a 7. Efisiensi worm gear berdasar ketahanan temperatur : T 1T T T K untuk E-worm untuk H-worm 8. Jika kapasitas yang dihasilkan belum sesuai yang direncanakan, maka dilakukan perancangan ulang mulai dari estimasi awal dimensi (point A).

9 .6 MEMERIKSA KEAMAA TERHADAP PATAH GIGI SB Angka kemanan terhadap patah gigi adalah : Cgrenz S B 1 ; dengan Cgrenz didapat dari tabel 4/6 dan C C max Dimana b 1,1 b (untuk wheel dari perunggu) b 1,1 b (untuk wheel dari alumnium) max U max mn b

10 BAB III METODOLOGI PERECAAA dan PERACAGA RODA GIGI CACIG 3.1 Diagram Alir Perancangan Roda Gigi Cacing TAHAP ESTIMASI DATA MASUKA UTUK PERACAGA PROSES ESTIMASI HASIL ESTIMASI TAHAP AALISIS AALISIS HASIL ESTIMASI HASIL AALISIS Yes o SELESAI

11 3. Analisis Hasil Estimasi Mulai Data Masukan Proses Estimasi Hasil Estimasi Pemilihan Seri Roda Gigi Cacing Efisiensi Kerugian Daya Memeriksa Kapasitas Kekuatan Permukaan Gigi Memeriksa Kapasitas Ketahanan Temperature Memeriksa Keamanan Terhadap Patah Gigi Hasil Analisa o YES Selesai

12 3.3 Daftar otasi Roda Gigi Cacing Subskrip Satuan Keterangan 1 Besaran untuk pinion Besaran untuk gear f m n o s F T Besaran untuk lingkaran akar Besaran untuk harga rata-rata Besaran untuk arah normal Besaran uuntuk lingkaran pitch Besaran untuk arah transversal Batas beban untuk permukaan gigi Batas beban untuk temperatur otasi Satuan Keterangan a mm Jarak poros terpasang b mm Lebar gigi b mm Panjang busur gigi d mm Diameter dm1, dm mm Diameter rata-rata dari pinion dan gear do1, do mm Diameter pitch dari pinion dan gear f1, f, f3, Koefisien fh fw, fz, fm, Koefisien umur rodagigi Koefisien he jam Waktu pemakaian H mm Pich, kisar i Reduksi kecepatan / putaran kgrenz, ko kgf/mm Kekuatan permukaan k kgf/mm Tegangan permukaan

13 Lh Jam Umur (dalam jam) m, mn mm Modul pada lingkaran pitch M1 kgf.m Torsi nominal pinion 1 HP Daya nominal pinion F1, F HP Kapasitas ketahanan permukaan pinion dan gear K, KL HP Kapasitas pendinginan T1, T HP Kapasitas ketahanan temperatur pinion dan gear v, vz HP Kerugian daya o HP Daya gesek tanpa ada pembebanan p HP Kerugian daya di bantalan n1 rpm Putaran nominal pinion SB, SG, SF Faktor keamanan tl o C Temperatur udara luar tw o C Temperatur luar casing/rumah tu o C Perbedaan temperatur v m/s Kecepatan tangensial vf m/s Kecepatan luncur antar gigi V, V50 cst Viskosotas, pada 50 o C x1, x Faktor korigasi (berdasar nilai modul) yz, yw, Koefisien z1, z Jumlah gigi arah transversal zf, zm α β Faktor profil gigi Sudut tekan Sudut heliks β1, β Sudut heliks worm dan gear γ, γo, γm Lead angle δa η ηz Sudut interseksi Efisiensi total Efisiensi kontak gigi

14 μ μo ρ Koefisien gesek gigi Koefisien gesek gigi minimum Sudut gesek gigi

15 BAB IV PERHITUGA DA HASIL AALISIS Diketahui data masukan yang diketahui adalah: Perkirakan dimensi rodagigi cacing tipe E dengan jarak antar poros a = 00 mm, rasio reduksi i = 10 dengan mengambil nilai z1 = 3 dan zm = Estimasi Dimensi Utama Menghitung diameter minor worm df1 0,6.a 0,85 = (0,6)(00 0,85 ) = 54,0 mm 54 mm. Modul m = d m a d f1 (00) 54 = = 346 = 10,7 mm 11 mm z m z m +,4 30 +,4 3,4 Diameter Rata-Rata,d m1 dan worm d m1 = d f1 +,4 m = 54 +,4(11) = 80,4 mm 80 mm Diameter kepala d k1 dan worm d k1 = d m1 + m = (11) = 10,4 mm 10 mm d a1 = 113 mm Periksa harga factor gigi z f dan tangen sudut kisar tan γ m z f = d m1 m 6 = = 7,8 > 6 tanγ m = z 1 z f 1 = 3 7,8 = 0,41 < 1 L D memenuhi syarat dan bias dipakai Menghitung data dan dimensi gear / wheel d m = a d m1 d f = d m,4 Z m = d m m = = 9,11 = (00) 80 = 30,4(11) Z = Z m = 9 = 30 mm = 93,6 mm d k = d m + m d a = d m + 3m (diameter luar wheel)

16 = 30 + (11) = (11) = 34 mm = 353 mm Diameter pitch pimion dan gear d 01 = a d o d o = z. m = (00) 319 = 9(11) = 81 mm = 319 mm Lebar gigi worm b 1 =,5 m Z m + =,5(11) 9 + = 154 mm Lebar gigi wheel,b b m = 0,45 (d m1 + 6m) b m = 0,45m(z f + 6) = 0,45 (80 + 6(11)) = ((0,45)(11))(7,8 + 6) = 65,7 mm = (4,95)(13,8) = 65,736 mm Untuk material perunggu,b = b m = 65,7 mm Untuk material paduan alumunium,b = b m + 1,8m = 65,7 + 1,8(11) = 85,5 mm Menentukan parameter lain dan pasangan roda gigi cacing Pitch,H H = π. m. z 1 = π(11)(3) = 103,7 mm Sudut kisar rata-rata γm = arc tan [ z 1 z ] = arc tan [ 3 7,8 ] =,40 Sudut kisar,γ 0 γ 0 = arc tan [ m z1 d 01 ]

17 = tan 1 [ 33 ] =,16,0 81 Modul normal m n = m. cos γ 0 = 11 cos, 0 = 10, Sudut helix wheel β 1 = 90 0 γ = 90 0, 0 = 67, Pemilihan Roda Gigi Cacing Berdasakan table 4/1,4/13 dan gambar 4/1 sd 4/4 maka diperoleh ketentuan sebagai berikut Worm a i d ma m γ m (mm) E ,7,4 M 1 (Rpm) i a (mm) η % 1F Hp 1T Hp ,0 47,8 8,7 4.3 Efisiensi dan Kerugian Daya Worm sebagai penggerak 1 = 5 Hp = 0 Hp η = 1 = 0 5 = 80 % n 1 = 1000 rpm n = 100 rpm Harga daya yang hilang v v = (tan, tan,46 )(4,)(0, ),y 00 dan y 3 (Tabel 4/11) V = 8,710 y = 4,, y 3 = 0,00 V = 174, HP Kehilangan daya V karena gesekan pada kontak gigi

18 μ 0 = y z y w a = 0, = 0,015 e = 7, 7, = 100μ 0 100(0,015) = 1,830 μ = μ 0 + U A U 0 0,1 0,015 = 0,015 + = 0,07 (1 + V f ) e (1 + 3,17) 1,930 1 VZ = μ ( + tanγ tan γ m ) m 1 VZ = 0(0,07) ( + tan,4) = 1,59 tan,4 0 ( a V + 90 ), , ( n )1 3 0 ( ), , ( )1 3 = 0,349 P 0,8 ( a 100 )0,44. i d m P 0,8(0)( )0, = 0,193 V = V P V = 1,59 + 0, ,193 =, Memeriksa Kapasitas Kekuatan Permukaan Gigi ( 1F DA F ) Langkah langkah yang di tempuh untuk memeriksa kekuatan permukaan gigi (Safety Flank) adalah sbb: Menghitung gaya tangensial wheel U 1 dan U U 1 = 1, = 1, = 446,875 kgf d m1 n U = 1, = 1, = 893,75 kgf d m n Menentukan koefisien f m,yaitu

19 f m = 10 Z f f m1 = = 1,17 f m = 10 9,1 = 0,59 Menentukan koefisien system gigi gear f z berdasarkan table 4/4 f z = 0,370 y z = 0,95 Menghitung factor k,yaitu: k = U 893,75 = f m. f z. b m. d m (1,17)(0,95)(83,5)(30) = 0,19 kgf mm Memiliki data kekuatan material k o dari table 4/5 Material Worm : Steel hardened and ground Wheel : al alloy k 0 = 0,45 kgf mm y w = 1(passing) Menghitung kecepatan luncur rata-rata V f n 1 v 1 = d m = 80(1000) = 4,18 m s v f = v 1 = 4,18 = 4,5 m s cosγ m cos,4 n v = d m = 30(100) = 1,68 m/s v f = v 1 = 1,68 =,41 m s cosγ m cos,4 Mencari koefisien kecepatan f n dari tabel 4/8 dengan rumus,f n = f n1 = +4,5 0,85 = 0,36 f n = Koefisien umur f h (table 4/3) +,41 +v f 0,85 0,85 = 0,49 tabel 4/8 Umurnya diharapkan selama 10 tahun untuk 300 hari karja per tahun dan 8 jam kerja per hari Maka L h = 8x300x10 = 400 jam karja beroperasi Berdasarkan table 4/3 maka f h = 0,8 Menentukan koef beban bolak balik f w f w = 1 untuk beban konstan

20 Menghitung faktor kgrenz k grenz = k 0 f n f h f w k 0 k grenz1 = (0,45)(0,36)(0,8)(1) = 0,1 kgf mm k 0 k grenz = (0,45)(0,49)(0,8)(1) = 0,17 kgf mm k 0 Menghitung nilai keamanan permukaan S f1 = 0,1 = 1, ,084 S f = 0,17 = 1, ,19 Batas kapasitas kekuatan permukaan gigi dari wheel F adalah: 1F = 0,7 kgrenz. f S m1. f 1. b m1 F (d m1 100 ). n 1 1F = 0,7. 0, ,17.0,370. 1, ( ) = 4,97 HP F = 0,7 kgrenz. f S m. f. b m F 100. (d m 100 ). n F = 0,7. 0,17 89,5. 0,59.0,95. 1, ( ). 100 = 17,37 HP Efisiensi roda gigi cacing berdasarkan kekuatan permukaan η η = F = 17,37 = 0,70 70% 1F 4, Memeriksa Kapasitas Ketahanan Temperatur ( T1 DA T ) Menghitung beda temperature antara casing dengan udara luar t u,yaitu: t u = t w t L t u = = 45 0 Menentukan nilai y B yaitu: y B 0,14 (untuk gear tanpa air vanes) Menghitung nilai y K yaitu : y K = 1 + 0,14( )1,55 = 1,01778 asumsi n 1 = 60 rpm Menghitung nilai F k dan α k yaitu:

21 F k α k 5,5 ( ) 1,85. 1,01778 = 19,551 F k = 0,0() 1,85 = 0,71 α k = 19,551 0,71 = 7,1165 Kapasitas pendinginan k adalah sama dengan daya yang hilang v (point C.3). ilai k untuk pendingnan di udara adalah ( kl ) Untuk beban konstan (untuk beban dinamis nilainya dirata-ratakan) KL = 45 0 c. 0,71. 7, = 1,39 Untuk beban dengan durasi yang pendek (short time) selama h E : V 1.1,39 Kapasitas ketahanan temperature untuk wheel T dan worm 1T dicari dengan membuat V = K dan mengambil persamaan di point C.3,yaitu: T = 1,39 (0, ,41 ). 1,4(, ) =,487 1T = T + K 1T =, ,39 = 3,88 Efisiensi worm gear berdasarkan ketahanan temperatur : η = T =,487 = 0,641 64,1% 1T 3, Memeriksa Keamanan pada Patah Gigi S B Cgrenz S B 1 ; dengan Cgrenz didapat dari tabel 4/6 dan C max U max Cmax C max =.300 mn b = 1, ,14.65,7 U max didapat dari table grafik 4/13 Sehingga didapat nilai keamanan terhadap patah gigi sebesar S B = 3 1, S B =,96 1

22 BAB V PEUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan roda gigi di atas dapat disimpulkan 1. Estimasi dimensi utama pada worm : Modul m : 11 mm Diameter Minor : 54 mm Diameter Rata : 80 mm Diameter Kepala : 10 mm Diameter Luar : 113 mm Diameter Pitch : 81 mm Lebar Gigi : 154 mm Faktor Gigi :7,7 mm Pitch H : 103,7 mm Sudut kisar rata rata :,4 mm Sudut kisar :,17 mm Modul normal : 10,19 mm Sudut heliks wheel :67,83 mm. Material yang dipilih adalah Perunggu 3. Kapasitas ketahanan temperatur pada worm ( T ) sebesar 3,88 dan ketahanan permukaan pada worm ( 1F )sebesar 4,97 HP, dan ketahanan permukaan pada wheel ( F ) sebesar 17,37 HP 4. Efisiensi roda gigi berdasarkan kekuatan permukaan sebesar 70 % dan efisiensi roda gigi berdasarkan ketahanan temperatur sebesar 64,1 % 5. ilai keamanan terhadap patah gigi sebesar S B =,96 1 (dikatagorikan aman)

23 5. Saran 1. Untuk perancangan sebuah roda gigi cacing sebaiknya dipilih jenis worm yang punya kapasitas ketahanan temperature T dan ketahanan permukaan F yang baik.. Untuk menghitung perancangan roda gigi sebaiknya di lakukan hati-hati dancermat sehingga dapat menghasilkan nilai keamanan yang tinggi atau sama dengan nilai standar keamanan yang di tentukan. 3. Pemilihan material roda gigi juga dapat di perhatikan dalam pengaplikasian apa roda gigi tersebut akan di pakai.

24 LAMPIRA

25 GAMBAR TEKIK RODA GIGI CACIG

26

27 TABEL TABEL YAG DIGUAKA

28

29

30