PENGERTIAN POROS MACAM-MACAM POROS

Transkripsi

1 PENGERTIAN POROS Poros merupakan satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran.peranan utama dalam transmisi seperti itu dipegang oleh poros. Perbedaan antara poros dan as (axle) adalah poros meneruskan momen torsi (berputar), sedangkan as tidak. Poros transmisi (transmission shaft) atau sering hanya disebut poros (shaft) digunakan pada mesin rotasi untuk mentransmisikan putaran dan torsi dari satu lokasi ke lokasi yang lain. Poros mentransmisikan torsi dari driver (motor atau engine) ke driven. Komponen mesin yang sering digunakan bersamaan dengan poros adalah roda gigi, puli dan sproket. Transmisi torsi antar poros dilakukan dengan pasangan roda gigi, sabuk atau rantai. MACAM-MACAM POROS Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan sebagai berikut: (1) Poros transmisi Poros macam ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sproket rantai, dll. (2) Spindel Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran,disebut spindel. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukuran nya harus teliti. (3) Gandar Poros seperti yang dipasang diantara roda-roda kereta barang, dimana tidak mendapat beban puntir, bahkan kadang-kadang tidak boleh berputar, disebut gandar. Gandar ini hanya mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga. Menurut bentuknya, poros dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros engkol sebagai poros utama dari mesin totak, dll., poros luwes untuk transmisi daya kecil agar terdapat kebebasan bagi perubahan arah, dan lain-lain. 1

2 Hal-hal penting dalam perencanaa poros Untuk merencakan sebuah poros,hal-hal berikut ini perlu diperhatikan (1) Kekuatan poros Suatu poros transmisi dapat mengalami beban puntir atau lentur atau gabungan antara puntir dan lenturseperti telah diutarakan di atas. Juga ada poros yang mendapat beban tarik atau tekan seperti poros baling bsling kapal atau turbin, dll. Kelelahan, tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil (poros bertangga) atau bila poros mempunyai alur pasak, harus diperhatikan. Sebuah poros harus direncanakan hingga cukup kuat untuk menahan beban beban. (2) Kekakuan poros Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup tetapi jika lenturan atau defleksi puntirnya terlalu besar akan mengakibatkan kelitaktelitian (pada mesin perkakas) atau getaran dan suara (misalnya pada turbin dan kotak roda gigi). Karena itu, disamping kekuatan poros, kelakuannya juga harus diperhatikan dan disesuaikan dengan macam mesin yang akan dilayani poros tersebut. (3) Putaran kritis Bila putaran suatu mesin dinaikkan maka pada suatu harga putaran tertentu dapat terjadi getaran yang luar biasa besarnya. Putaran ini disebut putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor listrik, dll/ dan dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian bagian lainnya. Jika mungkin, poros harus direncanakan sedemikian rupa hingga putaran kerjanya lebih rendah dari putaran kritisnya. (4) Korosi Bahan bahan tahan korosi (termasuk plastik) harus dipilih untuk poros propeler dan pompa bila terjadi kontak dengan fluida yang korosif. Demikian pula untuk poros poros yang terancam kavitasi, dan poros poros mesin yang sering berhenti lama. Sampai batas batas tertentu dapat pula dilakukan perlindungan terhadap korosi. (5) Bahan poros Poros untuk mesin umum biasanya dibuat dari baja batang yang ditarik dingin dan difinis, baja karbon konstruksi mesin (disebut S-C) ysng dihasilkan dari ingot yang di- kill 2

3 (baja yang dideoksidakian dengan ferrosilikon dan dicor; kadar karbon terjamin) (JIS G3123). Meskipun demikisn, bahan ini kelurusannya agak kurang tetap dan dapat mengalami deformasi karena tegangan yang kurang seimbang misalnya bila diberi alur pasak,karena ada tegangan sisa di dalam terasnya. Poros-poros yang dipakai untuk meneruskan putaran tinggi dan beban berat umumnya dibuat dari baja paduan dengan pengerasan kulit yang sangat tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja khrom nikel, baja khrom nikel molibden, dll. Jika pada pembebanan nya,poros di bagi menjadi 2 macam yaitu puntiran karena beban torsi dan bending karena beban transversal dimana terdapat di dalam pada roda gigi, puli atau sproket.. Pada poros yang dibebani dengan bending steady akan terjadi tegangan fully reversed seperti pada gambar 1.1. Tegangan yang terjadi karena beban bending maupun torsi bisa fully reversed, repeated ataupun fluctuating, seperti pada gambar 7.1. Gambar 1.1 Macam tegangan yang bervariasi terhadap waktu PEMBEBANAN STATIK BENDING DAN TORSI Tegangan normal maksimum karena beban transversal σ x = Mc I Tegangan geser maksimumnya τ xy = Tc J 3

4 Kombinasi bending dan torsi pada material ulet yang mengalami fatigue biasanya terjadi pada elips yang dibentuk oleh persamaan pada gambar dibawah ini. POROS DENGAN BEBAN PUNTIR Berikut ini akan dibahas rencena sebuah poros yang mendapat pembebanan utama berupa torsi, seperti pada poros motor dengan sebuah kopling. Jika diketahui bahwa poros yang akan direncanakan tidak mendapat beban lain kecuali torsi, maka diameter poros tersebut dapat lebih kecil daripada yang dibayangkan. Meskipun demikian, jika diperkirakan akan terjadi pembebanan berupa, lenturan, tarikan, atau tekanan, misalnya jika sebuah sabuk, rantai atau roda gigi dipasangkan pada poros motor, maka kemungkinan adanya pembebanan tambahan tersebut perlu diperhitungkan dalam faktor keamanan yang diambil. Tata cara perencanaan diberikan dalam sebuah diagram aliran. Hal-hal yang perlu diperhitungkan dalam faktor keamanan yang diambil. Tata cara perencaan diberikan dalam sebuah diagram aliran. Hal-hal yang perlu diperhatikan akan diuraikan seperti dibawah ini. Pertama, ambil suatu kasus dimana daya P (kw) harus ditransmisikan dan putaran poros n 1 (rpm) diberikan. Perlu dilakukan pemeriksaan dibagi dengan efisiensi mekanis ղ dari sistim transmisi untuk mendapatkan daya penggerak mula yang diperlukan. Daya yang besar mungkin 4

5 diperlukan pada saat start, atau beban yang besar terus bekerja setelah start. Dengan demikian diperlukan koreksi pada daya rata rata yang diperlukan dengan menggunakan faktor koreksi pada perencanaan. Jika P adalah daya nominal output dari motor penggerak, maka faktor keamanan biasanya dapat diambil dalam perencanaan, sehingga koreksi pertama dapat diambil kecil. Jika faktor koreksi adalah ƒ c maka daya rencana P (kw) sebagai patokan adalah P d = ƒ c P (kw) Daya yang akan ditransmisikan fc Daya rata-rata yang diperlukan 1,2-2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8-1,2 Daya normal 1,0-1,5 Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan fc Jika daya diberikan dalam daya kuda (PS), maka harus dikalikan dengan 0,735 untuk mendapatkan daya dalam kw. POROS DENGAN BEBAN LENTUR MURNI Contoh yang dapat dilihat dari penggunaan poros dengan beban lentur murni adalah Gandar dari kereta tambang dan kereta rel tidak dibebani dengan puntiran melainkan mendapat pembebanan lentur saja. Jika beban pada satu gandar didapatkan sebagai ½ dari berat kendaraan dengan muatan maksimum dikurangi berat gandar dan roda, maka besarnya momen lentur M 1 (kg.mm) yang terjadi pada dudukan roda dapat dihitung. Dari bahan yang dipilih dapat ditentukan tegangan lentur yang diijinkan σ α (kg/mm 2 ). Momen tahanan lentur dari poros dengan diameter d s (mm) adalah Z = (π/32)d s 3 (mm 3 ), sehingga diameter d s yang diperlukan dapat diperoleh dari: a ( ) 5

6 d 3 = * + Dalam kenyataan, gandar tidak hanya beban statis saja melainkan juga belum dinamis. Jika perhitungan d s dilakukan sekedar untuk mencakup beban dinamis secara sederhana saja, maka dalam persamaan (1.8) dapat diambil faktor keamanan yang lebih besar untuk menentukan σ α. Tetapi dalam perhitungan yang lebih teliti, beban dinamis dalam arah tegak dan mendatar harus ditambahkan pada beban statis. Bagian gandar dimana dipasangkan naf roda disebut dudukan roda. Beban tambahan dalam arah vertikal dan horizontal menimbulkan momen pada dudukan roda ini. Suatu gandar yang digerakkan oleh suatu penggerak mula juga mendapat beban puntir. Namun demikian gandar ini dapat diperlakukan sebagai poros pengikut dengan jalan mengalikan ketiga momen tersebut di atas (yang ditimbulkan oleh gaya gaya statis, vertikal dan horizontal) dengan faktor tambahan (faktor m) dalam tabel 1.9 Pemakaian Gandar Faktor tambahan tegangan m Gandar pengikut (tidak termasuuk gandar 1,0 dengan rem cakera) Gandar yang digerakkan ; ditumpu pada 1,1 1,2 ujungnya Gandar yang digerakkan ; ;lenturan silang 1,1 1,2 Gandar yang digerakkan ; lenturan terbuka 1,2 1,3 POROS DENGAN BEBAN PUNTIR DAN LENTUR Poros pada umumnya meneruskan daya melalui sabuk, roda gigi dan rantai. Dengan demikian poros tersebut mendapat beban puntir dan lentur sehingga pada permukaan poros akan terjadi tegangan geser τ(=t/z P ) karena momen puntir T dan tegangan σ(=m/z) karena momen lentur. Untuk bahan yang liat seperti pada poros, dapat dipakai teori tegangan geser maksimum τ max = 6

7 Pada poros yang pejal dengan penampang bulat, σ = 32 M/πd s 3 dan τ = 16 T/ πd s 3, sehingga τ max = (5,1/ d s 3 ) Beban yang bekerja pada poros pada umumnya adalah beban berulang. Jika poros tersebut mempunyai roda gigi untuk meneruskan daya besar maka kejutan berat akan terjadi pada saat mulai atau sedang berputar. Dengan mengingat macam beban, sifat beban, dll., ASME menganjurkan suatu rumus untuk menghitung diameter poros secara sederhana dimana sudah dimasukkan pengaruh kelelahan karena beban berulang. Disini faktor koreksi K t untuk momen puntir seperti terdapat dalam persamaan. Faktor lenturan C b dalam perhitungan ini tidak akan dipakai, dan sebagai gantinya dipergunakan faktor koreksi K m untuk momen lentur yang dihitung. Pada poros yang berputar dengan pembebanan momen lentur yang tetap, besarnya faktor K m adalah 1,5. Untuk beban dengan tumbukan ringan K m terletak antara 1,5 dan 2,0 dan untuk beban dengan tumbukan berat K m terletak antara 2 dan 3. Dengan demikian dapat dipakai dalam persamaan berikut τ max = (5,1/ d s 3 ) Besarnya τ max yang dihasilkan harus lebih kecil dari tegangan geser yang diizinkan τ σ. Hargaharga K t telah diberikan dalam pasal 1.3. Ada suatu cara perhitungan yang populer dimana dicari lebih dahulu momen puntir ekuivalen yang dihitung menurut teori tegangan geser maksimum, dan momen lentur ekuivalen yang diperoleh dengan teori tegangan normal maksimum. Selanjutnya olah dibebankan pada poros terpisah. Dari kedua hasil perhitungan ini kemudian dipilih harga diameter yang terbesar. Namun demikian, pemakaian rumus ASME lebih dianjurkan daripada metoda ini. d s [(5,1/τ α ) Besarnya deformasi yang disebabkan oleh momen puntir pada poros harus dibatasi juga. Untuk poros yang dipasang pada mesin umum dalam kondisi kerja normalm bersarnya defleksi puntiran dibatasi sampai 0,25 atau 0,3 derajat. Untuk poros panjang atau poros yang mendapat beban kejutan atau berulang, harga tersebut harus dikurangi menjadi ½ dari harga diatas. Sebaliknya 7

8 dapat terjadi, pada poros transmisi di dalam suatu pabrik, beberapa kali harga diatas tidak menimbulkan kesukaran apa-apa. Jika d s adalah diameter poros (mm), θ defleksi puntiran ( o ), l panjang poros (mm), T momen puntir (kg.mm), dan G modulus geser (kg/mm 2 ), maka Θ = 584 Dalam hal baja G = 8,3 x 10 3 (kg/mm 2 ). Perhitungan θ menurut rumus di atas dilakukan untuk memeriksa apakah harga yang diperoleh masih di bawah batas harga yang diperbolehkan untuk pemakaian yang bersangkutan. Bila θ dibatasu sampai 0.25 o untuk setiap meter panjang poros, maka dapat diperoleh persamaan d s 4,1 Kekakuan poros terhadap lentudan juga perlu diperiksa. Bila suatu poros baja ditumpu oleh bantalan yang mapan sendiri, meka lenturan poros y (mm) dapat ditentukan dengan rumus berikut y -4 Dimana d s = diameter poros (mm), l = jarak antara bantalan penumpu (mm), F = beban (kg), l 1 dan l 2 = jarak dari bantalan yang bersangkutan ke titik pembebanan (mm) Perlu dicatat bahwa termasuk beban F dalam rumus di atas adalah gaya gaya luar seperti gaya dari roda gigi, teganan dari sabuk dan berat puli beserta sabuk, berat poros sendiri, dll. Jika beberapa dari gaya-gaya tersebut bekerja di antara bantalan atau luarnya, maka perhitungan harus didasrkan pada gaya resultannya. Bila gaya bekerja dalam berbagai arah, perlu ditentukan komponen vertikal dan horizonal dari resultannya, dan sekanjutnya dihitung lenturan yang akan terjadi dalam arah vertikan dan horizontal. Jika berat poros sendiri tidak dapat diabaikan, maka pernambahan gaya vertikal dengan ½ berat poros tersebut dapat dianggap cukup. Bila suatu poros panjang ditumpu secara kaku dengan bantalan atau dengan cara lain, maka lenturannya dapat dinyatakan dengan rumus: 8

9 y -4 Gaya F dihitung dengan cara seperti diutarakan diatas. Dalam persamaan (1.22) lenturan yang terjadi perlu dibatasi sampai 0,3-0,05 (mm) atau kurang untuk setiap 1 (m) jarak bantalan, untuk poros transmisi umum dengan beban terpusat. Syarat ini bila dipenuhi tidak akan memperburuk kaitan antara pasangan roda gigi yang teliti. Bila celah antara rotor dan ruham merupakan masalah, seperti pada turbin, maka batas tersebut tidak boleh lebih dari 0,3-0,15 (mm/m). Untuk poros putaran tinggi, putaran kritis sangat penting untuk diperhitungkan. Pada mesin mesin yang dibuat secara baik, putaran kerja didekat atau di atas putaran kritis tidak terlalu berbahaya. Tetapi, demi keamanan, dapat diambil pedoman secara umum bahwa putaran kerja poros maksimum tidak boleh melebihi 80% putaran kritisnya. Misalkan ada suatu beban terpusat yang berasal dari berat rotos, dll. Yang bekerja di suatu titik pada sebuah poros. Jika berat beban tersebut dinyatakan dengan W (kg), jarak antara bantalan 1 (mm), dan diameter poros yang seragam d3 (mm),serta penumpannya terdiri atas bantalan tipis atau mapan sendiri, maka putaran kritis poros tersebut Nc (rpm) adalah Perlu diperhatikan bahwa dalam penentuan putaran kritis, gaya yang diperhitungkan hanyalah gaya berat dari masa berputar yang membebani poros saja, sedangkan gaya luar seperti yang terdapat dalam ppersamaan (1.22) dan (1.23) tidak ada sangkut-pautnya. Berat poros sendiri dapat diabaikan jika cukup kecil. Tetapi jika dirasa cukup besar dibandingkan dengan berat masa yang membebaninya, maka ½ dari berat poros tersebut dapat ditambahkan pada berat beban yang ada. Jika bantalan cukup panjang dan poros ditumpu secara kaku, maka putaran kritisnya adalah 9

10 Bila terdapat bebarapa benda berputar pada satu poros, maka dihitung lebih dahulu putaran putaran kritis Nc1, Nc2, Nc3,.., dari masing masing benda tersebut yang seolah olah berada sendiri pada poros. Maka putaran kritis keseluruhan dari sistim adalah Harga dari rumus ini kemudian dibandingkan dengan putaran maksimum sesungguhnya yang akan dialami oleh poros. GAYA-GAYA YANG DITERIMA POROS DARI ELEMEN ELEMEN MESIN Roda gigi, puli sabuk, sproket rantai, dan elemen-elemen lain yang umumnya ditempatkan pada poros akan memberikan gaya-gaya pada poros dan akan menyebabkan momen-momen lengkung. Berikut ini adalah bahasan tentang metode-metode untuk menghitung gaya-gaya tersebut. Umumnya kita harus menggunakan prinsip-prinsip statika dan dinamika untuk menentukan gaya pada elemen tertentu. Roda Gigi Lurus Gaya yang terjadi pada roda gigi selama transmisi daya bekerja normal (tegak lurus) terhadap profil gigi involut. Ketika menganalisis poros, perhatikanlah komponen gerak yang bekerja dalam arah tangensial. Hitunglah gaya tangensial. Hitunglah gaya tangen sial, W t, secara langsung dari torsi yang ditransmisikan oleh roda gigi. Roda Gigi Miring Selain gaya tangen sial dan gaya radial yang terjadi pada roda gigi lurus, roda gigi miring menghasilkan gaya aksial. Pertama adalah menghitung gaya tangensial. Kemudian jika sudut kemiringan roda gigi miring adalah ψ, jika sudut tekan normal adalah ɸ,, Sproket Rantai 10

11 Gambar memperlihatkan sepasang sproket rantai yang mentransmisikan daya. Bagian atas rantai dalam keadaan tertarik danmenghasilkan torsi pada sproket lain. Bagian rantai bawah, yang disebut sisi kendor, tidak memberikan gaya pada kedua sproket. Oleh karena itu, gaya pelengkung (bending force) pada poros yang membawa sproket sama dengan besarnya gaya tarik pada sisi kencang rantai. Jika torsi pada sproket tertentu diketahui, Puli Sabuk V Penampilan umum sistem transmisi sabuk-v sama dengan sistem transmisi rantai. Tetapi ada satu perbedaan penting: kedua sisi sabuk-v dalam keadaan tertarik seperti pada gambar dibawah. Tarikan sisi kencang, F 1, lebih besar daripada tarikan sisi kendor, F 2, jadi gaya transmisi efektif pada puli sama dengan. KONSENTRASI TEGANGAN PADA POROS Agar pemasangan dan peletakan berabagai jenis elemen mesin pada poros dapat dilakukan secara benar, maka pada rancangan terakhir umunya perlu dicantumkan diameter, alur pasak, alur cincin, dan diskontinuitas geometri lainnya yang menghasilkan konsentrasi tegangan. Analisis perancangan harus mempertimbangkan konsentrasi tegangan. Tetapi satu masalah muncul karena nilai rancangan sebenarnya dari faktor konsentrasi tegangan. Kt, tidak diketahui pada saat wal proses perancangan. Sebagian besar nilai ini bergantung pada diameter poros dan pada geometri filet dan alur, dan inilah tujuan dari perancangan. KEKAKUAN POROS DAN PERTIMBANGAN-PERTIMBANGAN DINAMIS Proses perancangan yang digambarkan dalam makalah ini berkonsentrasi pada analisis tegangan dan memastikan bahwa poros aman dalam kaitannya dengan kelengkungan dan tegangan geser torsional yang dikenakan pada poros oleh elemen-elemen yang mentransmisikan daya. Kekakuan poros juga menjadi pertimbangan utama karena beberapa alasan berikut ini: 1. Poros yang mengalami defleksi radial berlebih menyebabkan komponen yang aktif menjadi tidak segaris, akibatnya adalah unjuk kerja menjadi rendah atau cepat aus. 2. Garis-garis pedoman mengenai batasan-batasan kelengkungan dan defleksi puntiran poros yang dianjurkan berdasarkan ketelitian yang diinginkan. 11

12 3. Defleksi poros juga merupakan penyebab utama poros cenderung bergetar ketika berputar. Poros fleksibel akan berosilasi baik dalam mode pelengkungan maupun puntiran. Poros panjang dan ramping cenderung membuat kibasan dengan tingkat deformasi yang relatif besar dari sumbu teoritisnya 4. Poros dan elemen-elemen yang disangganya harus seimbang. Ketidakseimbangan akan menghasilkan gaya senterifugal yang ikut berputar bersama poros. Ketidakseimbangan besar dan kecepatan putar yang tinggi akan menumbulkan gaya yang tidak diharapkann dan menumbulkan goncangan pada sistem yang berputar 5. Sifat-sifat dinamis poros akan bersifat merusak jika poros dioperasikan mendekati kecepatan kritis. Pada kecepatan kritis, sistem beresonansi, defleksi poros bertambah besar tanpa batas, dan akhirnya akan merusak poros itu sendiri. Langkah-langkah berikut dapat memperkecil masalah potensial pada poros, misalnya defleksi atau putaran kritis. 1. Membuat poros yang lebih kaku dapat mencegah sifat-sifat dinamis yang tidak diinginkan. 2. Diameter poros yang lebih besar akan menambah kekakuan. 3. Poros yang lebih pendek akan mengurangi defleksi dan kecepatan kritis menjadi lebih rendah. 4. Disarankan untuk menempatkan elemen-elemen aktif pada poros yang dekat dengan bantalan-bantalan penumpu. 5. Mengurangi berat elemen yang dibawa poros akan mengurangi defleksi statis dan memperkecil kecepatan kritis. 6. Memilih bahan poros yang mempunyai nilai rasio E/σ tinggi. Sekalipun sebagian besar logam mempunyai rasio yang sama, namun bahan komposit mempunyai nilai rasio yang tinggi. 7. Bantalan harus mempunyai kekakuan yang tinggi terkait dengan defleksi radial sebagai fungsi beban 8. Pemasangan bantalan dan rumah mesin harus dirancang dengan kekakuan tinggi. 12

13 DAFTAR PUSTAKA Sularso, dan Suga, Kiyokatsu. Dasar Perencanaan dan Pemilihan, Pradya Paramita, Jakarta, American Society of Mechanica Engineers. ANSI Standard B106.IM Design of Transmition Shafting. New York: American Society of Mechanical Engineers, Avallone, E., and T. Baumeister, et al. Marks Standard Handbook for Mechanical Engineers, 10th ed. New York: McGraw-Hill, Mott, Robert L. Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis, ANDI Yogyakarta, Yogyakarta, Shigley, J. E., and C.R. Mischke. Mechanical Engineering Design, 6th ed. New York: McGraw-Hill,