BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Definisi Poros Poros merupakan suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya berpenampang bulat, dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi (gear), pulley, flywheel, engkol, sprocket dan elemen pemindah tenaga lainnya. Sebagai akibat kerjanya poros bisa menerima beban lenturan, beban tarikan, beban tekan atau beban puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya.[1] 2.2 Jenis-jenis Poros Engkol yang Dipergunakan pada Mesin Sepeda Motor 2.2.1 Jenis Built Up satu atau dua. Dipergunakan pada motor jenis kecil yang mempunyai jumlah silinder 5
Gambar 2.1 Poros Engkol Jenis Built Up 2.2.2 Jenis One Piece silinder banyak. Dipergunakan pada motor jenis besar yang mempunyai jumlah Untuk motor satu silinder pada poros engkolnya (biasanya dihadapan pena engkol) ditempatkan bobot kontra sebagai pengimbangan putaran engkol sewaktu piston mendapat tekanan kerja. Tetapi motor yang bersilinder banyak, pena engkolnya dipasang saling mengimbangi. Berat bobot kontra kira-kira sama dengan berat batang piston ditambah dengan berat engkol seluruhnya. Dengan demikian poros engkol itu dapat diseimbangkan, sehingga dapat berputar lebih rata dan getaran-getaran engkol menjadi hilang. Dengan adanya bobot kontra ini menyebabkan tekanan pada bantalan menjadi berkurang dan merata. Poros engkol dan batang penggerak adalah untuk merubah gerak translasi piston menjadi gerak putar. Kedua bagian ini selalu menderita tegangan dan regangan yang sangat besar. Karena itu harus dibuat dari bahan yang khusus dan ukuran yang tepat. Dalam keadaan diam dan berputar poros engkol selalu 6
setimbang (balance). Bagian permukaan bantalan dikeraskan dan harus licin untuk mengurangi keausan. Poros engkol berputar dengan didukung oleh beberapa buah bantalan utama. Banyaknya bantalan tergantung dari jumlah silinder. Motor empat silinder mempunyai 3 bantalan dan motor enam silinder mempunyai 4 bantalan utama. Bantalan ini dibuat dari baja yang dicampur dengan babbit atau ada juga dengan aluminium. Batang penggerak dan poros engkol dibuat dari besi tuang. Pemasangan batang penggerak pada poros engkol dilapisi dengan memakai bantalan.[2] 2.3 Bahan Poros Engkol Poros yang biasa digunakan untuk putaran tinggi dan beban yang berat pada umumnya dibuat dari baja paduan (Alloy Steel) dengan proses pengerasan kulit (Case Hardening) sehingga tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja khrom nikel, baja khrom nikel molebdenum, baja khrom, baja khrom molibden dan lain-lain. Sekalipun demikian, baja paduan khusus tidak selalu dianjurkan jika alasannya hanya karena putaran tinggi dan pembebanan yang berat saja. Dengan demikian perlu dipertimbangkan dalam pemilihan jenis proses heat treatment yang tepat sehingga akan diperoleh kekuatan yang sesuai.[3] Lihat tabel 2.2 spesifikasi matrial di bawah ini. 7
Tabel 2.2 Tabel Spesifikasi Matrial Alloy Steel (Sumber: Software Solidworks) Property Value Unit Poisson s Ration in XY 0.28 N/A Sher Modulus in XY 79000 N/mm² Mass Density 7700 Kg/m³ Tensile Strength in X 723.83 N/mm² Compressive Strength in X N/mm² Yield Strength 620.42 N/mm² Thermal Expansion Coefficient in X 1.3e-005 /K Thermal Conductivity in X 50 W/(m.K) Specific Heat 460 J/(kg.K) 2.4 Jenis-jenis Tumpuan 2.4.1 Engsel Engsel merupakan tumpuan yang dapat menerima gaya reaksi vertikal dan gaya reaksi horisontal. Tumpuan yang berpasak mampu melawan gaya yang bekerja dalam setiap arah dari bidang. Lihat gambar 2.3. Gambar 2.3 Engsel 2.4.2 Rol Rol merupakan tumpuan yang hanya dapat menerima gaya reaksi vertical. Alat ini mampu melawan gaya-gaya dalam suatu garis aksi yang spesifik. 8
Penghubung yang terlihat pada gambar dibawah ini dapat melawan gaya hanya dalam arah AB rol. Pada gambar dibawah hanya dapat melawan beban vertical. Sedang rol-rol hanya dapat melawan suatu tegak lurus pada bidang cp. Lihat gambar 2.4. Gambar 2.4 Rol 2.4.3 Jepit Jepit merupakan tumpuan yang dapat menerima gaya reaksi vertical, gaya reaksi horizontal dan momen akibat jepitan dua penampang. Tumpuan jepit ini mampu melawan gaya dalam setiap arah dan juga mampu melawan suatu kopel atau momen. Lihat gambar 2.5.[4] Gambar 2.5 Jepit 2.5 Jenis-jenis Pembebanan 1. Beban aksial (normal), mengakibatkan adanya tegangan normal. Sigma = gaya normal dibagi luas penampang. 2. Beban transversal (geser), mengakibatkan adanya tegangan geser. Tau = gaya geser dibagi luas penampang geser. 9
3. Beban tekuk (bending) murni, mengakibatkan adanya tegangan normal. Perlu dicatat bahwa tegangan normal yang diakibatkan oleh beban tekuk murni seringkali disebut juga sebagai tegangan tekuk (bending stress). Sigma bending = (M.y)/I, dimana M: momen tekuk yang bekerja, y: jarak dari titik yang dikaji ke sumbu netral, I: area moment of inertia. 4. Beban tekuk tidak murni (pada kasus Timoshenko beam), mengakibatkan adanya tegangan normal (tegangan tekuk) dan sekaligus tegangan geser. 5. Beban torsi, mengakibatkan adanya tegangan geser. Perlu dicatat bahwa tegangan geser yang diakibatkan oleh beban torsi seringkali disebut juga tegangan torsional. Tau torsional = (T.r)/J, dimana T: torsi yang bekerja, r: jarak radial dari titik yang dikaji ke titik sumbu, J: polar moment of inertia. Jika dua atau lebih dari beban-beban diatas terjadi sekaligus pada sebuah benda maka pembebanan yang terjadi sering disebut sebagai beban gabungan (combined loads), dan karenanya tegangan yang terjadi juga merupakan gabungan dari tegangan-tegangan yang diakibatkan oleh masingmasing jenis beban.[5] 2.6 Gaya yang Bekerja pada Piston Kerja yang dilakukan motor bakar dalam hal ini adalah akibat proses konversi energi potensial yang di kandung bahan bakar menjadi energi mekanik. Konversi energi terbentuk pada saat bahan bakar meledak dalam ruang bakar sehingga menghasilkan gaya dorong yang sangat besar. Proses penekanan piston 10
terhadap campuran bahan bakar-udara agar terjadi pemadatan volume serta agar campuran bahan bakar - udara dapat bercampur secara homogen sehingga ketika busi memercikan bunga api akan di dapat kualitas pembakaran yang bagus sehingga di dapat ledakan yang besar. Tekanan efektif rata-rata pada mesin 4 langkah yang terjadi di ruang bakar tepat di atas piston kisaran 900 kpa hingga 1400 kpa untuk motor standar, atau 9-13 psi. Tekanan ini di simbolkan dan F yang berarti gaya.[6] Lihat gambar 2.6. Gambar 2.6 Gaya Massa Pada Piston (F) 2.7 Tegangan Gaya luar komponen akibat beban kerja akan ditahan oleh gaya dari dalam komponen dengan besarnya sama dengan besaran yang sama tetapi arahnya berlawanan. Gaya dalam pada penampang komponen setiap satuan luas disebut tagangan disimbolkan dengan huruf Yunani sigma (σ).[7] 11
Gaya Aksial (tarik atau tekan) Tegangan NORMAL Momen Lentur Gaya Geser (gaya lintang) Tegangan GESER Momen Puntir (torsi) Gambar 2.7 Tegangan pada Element P P Gambar 2.8 Sebuah Batang yang mengalami pembebanan Tarik P P P Gambar 2.9 Sebuah batang yang mengalami Gaya Tekan P 2.8 Momen Letur Gaya yang berkerja bahkan tegak lurus dengan sumbu adalah gaya radial.[8] Gaya radial yang bekerja pada poros diperlihatkan dalam gambar 2.9 dibawah ini. 12
Gambar 2.10 Poros yang Menerima Gaya Radial Untuk mendapatkan distribusi momen lentur maka menggunakan persamaan sebagai berikut: Momen Lentur = Gaya Radial x Jarak M L = F R x L (Hary Sonawan: Hal 13)...(1) Setelah distribusi momen lentur diketahui maka berapakah besaran tegangan normal akibat momen lentur? maka gunakanlah dengan persamaan besaran tegangan normal akibat momen lentur sebagai berikut : σ = M L x c I (Hary Sonawan: Hal 14)...(2) Dimana : M L : Momen Lentur C : Jarak I : Momen Inersia Penampang 13
2.9 Gaya Geser Selama poros menerima gaya radial yang menyebabkan momen lentur maka selama itu pula poros mendapatkan beban berupa gaya geser atau gaya lintang.[9] Tegangan geser dihitung dengan persamaan berikut ini : τ = F R A S (Hary Sonawan: Hal 16)...(3) Dimana : τ : Tegangan Geser F R : Gaya Radial A S : Luas Penampang Geser 2.10 Tegangan Gabungan Tegangan normal dapat merupakan akibat langsung dari gaya tarik atau momen lentur. Tegangan geser dapat merupakan akibat langsung dari gaya tarik, tegangan geser puntiran atau tegangan geser vertikal.[10] Tegangan Utama Maksimum Gabungan antara tegangan normal dan tegangan geser akan menghasilkan tegangan normal maksimum yang disebut sebagai tegangan utama maksimum, σ 1. Besarnya σ 1 dapat dihitung dari persamaan: (Robert L.Mott: Hal 123)...(4) 14
Tegangan Utama Minimum Gabungan tegangan yang menghasilkan tegangan normal minimum disebut sebagai tegangan utama minimum, σ 2. Besarnya σ 2 dapat dihitung dari persamaan: (Robert L.Mott: Hal 123)...(5) Dimana : σ 1 : Gaya normal maksimum yang bekerja σ 2 : Gaya normal minimum yang bekerja σ x : Gaya yang bekerja sepanjang sumbu x σ y : Gaya yang bekerja sepanjang sumbu y τ xy : Tegangan Geser 2.11 Safety Factor Safety factor adalah sebagai pengaman pada sistem jika pada suatu keadaan sistem tersebut menerima beban diluar dari perhitungan. Tujuannya agar design kita tidak failed (gagal) pada keadaan tersebut.[11] Safety factor adalah perbandingan antara besarnya beban batas kekuatan material dengan bebanyang terjadi pada design. Faktor Of Safety = Yield Streng t Desain Load (www.scribd.com)...(6) 15
SF = σ Y σ max Faktor keamanan dapat dengan cepat di perkirakan menggunakan versi lima ukuran sebagai berikut: [10] Sf = Sf material x Sf tegangan x Sf geometri x Sf analisa kegagalan x Sf keandalan Perkiraan kontribusi untuk material, Sf material : Sf = 1,0... Jika properti material diketahui. Jika secara eksperimental diperoleh dari pengujian spesimen. Sf = 1,1... jika properti material diketahui dari buku panduan atau nilai fabrikasi. Sf = 1,2 1,4... Jika properti material tidak diketahui. Perkiraan kontribusi tegangan akibat beban, Sf tegangan : Sf = 1,0 1,1... Jika beban dibatasi pada beban statik atau berfluktuasi. Jika beban berlebih atau beban kejut dan jika menggunakan metode analisa yang akurat. Sf = 1,2 1,3... Jika gaya normal dibatasi pada keadaan tertentu dengan peningkatan 20% - 50%, dan metode analisa tegangan mungkin menghasilkan kesalahan dibawah 50%. Sf = 1,4 1,7... Jika beban tidak diketahui atau metode analisa tegangan memiliki akurasi yang tidak pasti. Perkiraan kontribusi untuk geometri, Sf geometri : Sf = 1,0... Jika toleransi hasil produksi tinggi dan terjamin. 16
Sf = 1,0... Jika toleransi hasil produksi rata-rata. Sf = 1,1 1,2... Jika dimensi produk kurang diutamakan. Perkiraan kontribusi untuk menganalisis kegagalan FSanalisa kegagalan: Sf = 1,0 1,1... Jika analisis kegagalan yang digunakan berasal dari jenis tegangan seperti tegangan unaksial atau tegangan statik multi aksial atau tegangan lelah multi aksial penuh. Sf = 1,2... Jika analisis kegagalan yang digunakan adalah luasan teori yang sederhana seperti pada multi aksial, tegangan bolak balik penuh, tegangan rata-rata unaksial. Sf = 1,3 1,5... Jika analisis kegagalan adalah statis atau tidak mengalami perubahan seperti kerusakan pada umumnya atau tegangan rata-rata multi aksial. Perkiraan kontribusi untuk keandalan, FS kehandalan : Sf = 1,1... Jika suatu komponen tidak membutuhkan kehandalan yang tinggi. Sf = 1,2 1,3... Jika keandalan pada harga rata-rata 92%-98%. Sf = 1,4 1,6... Jika keandalan diharuskan tinggi lebih dari 99%. 2.12 Solidworks Simulation Solidworks adalah salah satu CAD software yang dibuat oleh Dassault Systemes digunakan untuk merancang part permesinan atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk merepresentasikan part sebelum real partnya dibuat atau tampilan 2D (drawing) untuk gambar proses permesinan.[12] Solidworks Simulation merupakan bagian dari perangkat lunak solidwork yang berguna untuk menganalisa tegangan (Stress Analysis) dari desain 17
yang sudah dibuat. Dengan adanya simulation express ini sangat membantu untuk mengurangi kesalahan dalam membuat desain. Akurat tidaknya suatu desain yang dibuat dipengaruhi juga dengan beberapa faktor lainnya seperti matrial benda, restraint (bagian diam dari part), dan load (beban) yang di berikan. Simulation express akan menunjukan tahap demi tahap bagaimana desain kita akan bekerja dibawah kondisi tertentu. 18