MAKALAH ELEMEN MESIN PASAK DAN POROS
POLITEKNIK MAUFAKTUR ASTRA Jl. Gaya Motor Raya No 8, Sunter II, Jakarta Utara 1433 0, Telp. 021 6519555, Fax 021 6519821, email:
[email protected]
POROS Poros adalah suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya berpenampang bulat dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi ( gear ), pulley, flywheel , engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya. Poros bisa menerima beban lenturan, beban tarikan, beban tekan atau beban puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya. (Josep Edward Shigley, 1983)
Untuk merencanakan sebuah poros, maka perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut: 1. Kekuatan poros Pada poros transmisi misalnya dapat mengalami beban puntir atau lentur atau gabungan antara puntir dan lentur. Juga ada poros yang mendapatkan beban tarik atau tekan, seperti poros baling-baling kapal atau turbin. Kelelahan tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil (poros bertangga) atau bila poros mempunyai alur pasak harus diperhatikan. Jadi, sebuah poros harus direncanakan cukup kuat untuk menahan beban-beban yang terjadi. 2. Kekakuan poros Walaupun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup, tetapi jika lenturan dan defleksi puntirannya terlalu besar, maka hal ini akan mengakibatkan ketidaktelitian (pada mesin perkakas) atau getaran dan suara (misalnya pada turbin dan kotak roda gigi). 3. Putaran kritis Putaran kritis terjadi jika putaran mesin dinaikkan pada suatu harga putaran tertentu sehingga dapat terjadi getaran yang terlalu besar. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian-bagian yang lainnya. Untuk itu, maka poros harus direncanakan sedemikian rupa sehingga putaran kerjanya lebih rendah dari putaran kritis. 4. Korosi Bahan-bahan tahan korosi harus dipilih untuk poros propeller dan pompa bila terjadi kontak dengan fluida yang korosif. Demikian pula untuk poros-poros yang terancam kavitas dan poros mesin yang sering berhenti lama.
5. Bahan poros. Bahan untuk poros mesin umum biasanya terbuat dari baja karbon konstruksi mesin, sedangkan untuk pembuatan 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, dan baja khrom molybdenum. b. Macam – Macam Poros Poros sebagai penerus daya diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut: 1. Poros transmisi Poros transmisi atau poros perpindahan mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Dalam hal ini mendukung elemen mesin hanya suatu cara, bukan tujuan. Jadi, poros ini berfungsi untuk memindahkan tenaga mekanik salah satu elemen mesin ke elemen mesin yang lain.
Dalam hal ini elemen mesin menjadi terpuntir (berputar) dan dibengkokkan. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sproket rantai, dan lain-lain. 2. Spindle Poros tranmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindle. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya yang harus kecil, dan bentuk serta ukuranya harus teliti.
3. Gandar Gandar adalah poros yang tidak mendapatkan beban puntir,bahkan kadangkadang tidak boleh berputar. Contohnya seperti yang dipasang diantara roda-roda kereta barang.
Sedangkan pembagian poros berdasarkan bentuknya ,terdapat beberapa tipe sebagai berikut: Poros Engkol
Poros engkol merupakan bagian dari mesin yang dipakai untuk merubah gerakan naik turun dari torak menjadi gerakan berputar. Poros engkol yang kecil sampai yang sedang biasanya dibuat dari satu bahan yang ditempa kemudian dibubut, sedangkan yang besar-besar dibuat dari beberapa bagian yang disambung-sambung dengan cara pengingsutan. Didalam praktek dikenal 2 macam poros engkol yaitu : a.
Poros Engkol Tunggal
Poros ini terdiri dari sebuah poros engkol dan sebuah pen engkol. Kedua-duanya diikat menjadi satu oleh pipi engkol yang pemasangannya menggunakan cara pengingsutan. Pipi engkol biasanya dibuat dari baja tuang, sedangkan pen engkolnya dari pada baja St.50 atau St.60. jarak antara sumbu pen engkol dengan sumbu poros engkol adalah s etengah langkah torak. b.
Poros Engkol Ganda
Poros engkol ini mempunyai 2 buah pipi engkol terdiri dari satu bahan sedang pemasangan poros engkolnya adalah dengan sambungan ingsutan. Poros-poros engkol ini bahan dibuat dari besi tuang khusus. Disamping harga pembuatannya lebih ringan, besi tuang itu mempunyai sifat dapat menahan getaran-getaran.
Poros Engkol Ganda
Poros Dengan Beban Puntir
Berikut ini akan dibahas rencana sebuah poros yang mendapat pembebanan utama berupa torsi ,seperti pada poros dengan sebuah kopling. Suatu kasus dimana daya P (kW) harus ditransmisikan dan putaran poros n1 (rpm) diberikan:
P (kW)
Daya yang harus ditransmisikan Daya rata-rata yang diperlukan Daya maksimum yang diperlukan Daya normal
1,2 – 2,0 0,8 – 1,2 1,0 – 1,5
adalah daya rencana Jika momen puntir adalah T (kg.mm), maka :
=
⁄ ⁄
Sehigga: T = 9,74
Bila momen T(kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros (mm) ,maka tegangan geser (⁄ ) yang terjadi adalah:
⁄
=
Tegangan geser yang diijinkan τa (kg/mm2) untuk pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dengan berbagai cara, salah satunya τa dihitung atas dasar batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik σB (sesuai standar ASME)
Untuk harga 18% ini faktor keamanan diambil sebesar 1/0,18 = 5,6. Harga 5,6 ini diambil untuk bahan SF dan 6,0 untuk baha n S-C dan baja paduan. Faktor ini dinyatakan dengan Sf1.
S elanjutnya perlu ditinjau apakah poros tersebut akan diberi alur pasak atau dibuat bertangga, karena pengaruh konsentrasi tegangan cukup besar. Pengaruh kekasaran permukaan juga harus diperhatikan. Faktor-faktor ini dinyatakan dengan Sf2 dengan harga sebesar 1,3 sampai 3,0.
Dari hal-hal diatas maka besarnya τa dapat dihitung dengan :
= ) Faktor Koreksi Momen Puntir, Kt (Standar ASME) • Kt = 1,0 jika beban dikenakan secara halus. • Kt = 1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit tumbukan atau kejutan. • Kt = 1,5 – 3,0 jika beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar.
• Meskipun dalam perkiraan sementara bahwa beban hanya puntiran saja, perlu ditinjau pula apakah ada kemungkinan pemakaian dengan beban lentur dimasa mendatang. Jika memang diperkirakan akan terjadi pemakaian dengan beban lentur, maka dapat diperti mbangkan pemakaian faktor Cb yang harganya 1,2 sampai 2,3. (Cb = 1,0 jika tidak ada beban lentur).
Diperoleh rumus untuk menghitung diameter poros ds (mm) :
⁄ Diameter poros dapat dipilih dari tabel. Pada te mpat dimana akan dipasang bantalan gelinding, pilihlah suatu diameter yang lebih besar dari harga yang cocok didalam tabel untuk menyesuaikannya dengan diameter dalam dari bantalan. • Selanjutnya ukuran pasak dan alur pasak dapat ditentukan dari tabel. • Harga faktor konsentrasi tegangan untuk alur pasak α dan untuk poros bertangga β dapat diperoleh dari diagram Peterson.
Periksalah perhitungan tegangan, mengingat diameter yang dipilih dari tabel lebih besar dari ds yang diperoleh dari perhitungan. • Bandingkan σ dan β , dan a2 atau β ) sebagai tegangan yang diijinkan yang dikoreksi.
Bandingkan harga ini dengan τ.Cb.Kt dari tegangan geser yang dihitung atas dasar poros tanpa alur pasak, faktor lenturan Cb, dan faktor koreksi tumbukan Kt, dan tentukan masing-masing harganya jika hasil yang terdahulu lebih besar, serta lakukan penyesuaian jika lebih kecil.
Poros yang hanya terdapat momen lentur murni
Untuk menghitung diameter poros yang hanya terdapat momen lentur saja (bending moment only), dapat diperoleh dari persamaan berikut :
Poros dengan beban punter dan lentur
Jika pada poros tersebut terdapat beban lentur dan beban puntir maka perancangan poros harus didasarkan pada kedua beban tersebut. Banyak teori telah diterapkan untuk menghitung elastic failure dari material ketika dikenai beban lentur dan beban puntir, misalnya :
1. Maximum shear stress theory atau Guest’s theory
Teori ini digunakan untuk material yang dapat diregangkan (ductile), misalnya baja lunak (mild steel). 2. Maximum normal stress theory atau Rankine’s theory
Teori ini digunakan untuk material yang keras dan getas (brittle), misaln ya besi cor (cast iron). Pada pembahasan selanjutnya, cakupan pembahasan akan lebih terfokus pada pembahasan baja lunak (mild steel) karena menggunakan material S45C sebagai material poros. Terkait dengan Maximum shear stress theory atau Guest’s theory bahwa besarnya maximum shear stress pada poros dirumuskan :
Tegangan geser yang diizinkan untuk pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dari berbagai cara, salah satu cara diantaranya dengan menggunakan perhitungan berdasarkan kelelahan puntir yang besarnya diambil 40% dari batas kelelahan tarik yang besarnya kirakira 45% dari kekuatan tarik. Jadi batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik, sesuai dengan standar ASME. Untuk harga 18% ini faktor keamanan diambil sebesar . Harga 5,6 ini diambil untuk bahan SF dengan kekuatan yang dijamin dan 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh masa dan baja paduan. Faktor ini dinyatakan dengan . Selanjutnya perlu ditinjau apakah poros tersebut akan diberi alur pasak atau dibuat bertangga karena pengaruh konsentrasi tegangan cukup besar. Pengaruh kekasaran permukaan juga harus diperhatikan. Untuk memasukan pengaruh ini kedalam perhitungan perlu diambil faktor yang dinyatakan dalam yang besarnya 1,3 sampai 3,0 (Sularso dan Kiyokatsu suga, 1994: 8). 2. Pembebanan berubah-ubah (fluctuating loads) Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan mengenai pembebanan tetap (constant loads) yang terjadi pada poros. Dan pada kenyataannya bahwa poros justru akan mengalami pembebanan puntir dan pembebanan lentur yang berubah-ubah. Dengan mempertimbangkan jenis beban, sifat beban, dll. yang terjadi pada poros maka ASME (American Society of Mechanical Engineers) menganjurkan dalam perhitungan untuk menentukan diameter poros yang dapat diter ima (aman) perlu memperhitungkan pengaruh kelelahan karena beban berulang.
PASAK
Pasak digunakan untuk menyambung dua bagian batang (poros) atau memasang roda, roda gigi, roda rantai dan lain-lain pada poros sehingga terjamin tidak berputar pada poros. Pemilihan jenis pasak tergantung pada besar kecilnya daya yang bekerja dan kestabilan bagian-bagian yang disambung. Untuk daya yang kecil, antara naf roda dan poros cukup dijamin dengan baut tanam (set screw). Dilihat cara pemasangannya, pasak dapat dibedakan yaitu : 1. Pasak memanjang Jenis pasak memanjang yang banyak digunakan ada bermacam-macam yaitu :
Sunk Keys (pasak benam)
Pasak benam ada beberapa jenis yaitu : a. Pasak benam segi empat (Rectangular Sunk key)
Lebar pasak b = 4d Tinggi pasak t = 32 b dimana : d = diameter poros
b. Pasak bujur sangkar (Square key) Bentuknya smaa seperti Rectangular sunk key, tetapi lebar dan tebalnya sama yaitu : b = t = 4d
c. Parallel Sunk key (pasak benam sejajar) Bentuknya sama seperti di atas, tapi penggunaannya bila pemakaian di atas belum mampu memindahkan daya, maka pasak tersebut dipasang sejajar
d. Pasak Berkepala (Gib head key) Pasak ini digunakan biasanya untuk poros berputar bolak balik
b = 4d t = 32 b = 6d
e. Pasak Tembereng (woodruff key) Pasak jenis ini digunakan untuk poros dengan puntir / daya tidak terlalu besar.
f. Pasak Pelana (Saddle key) Jenis pasak ini pemakaian umum untuk menjamin hubungan antara naf roda dengan poros.
g. Tangent key Pemakaiannya sama seperti pasak pelana, tetapi pasaknya dipasang dua buah berimpit.
h. Pasak bulat (Round keys) Jenis pasak ini, biasanya digunakan untuk memindahkan daya relatip kecil.
i. Pasak gigi (Splines)
Jenis pasak ini bahannya dibuat satu bahan dengan poros dan biasanya digunakan untuk memindahkan daya serta putaran yang cukup besar dan arah kerja putarannya bolak balik.
• Perhitungan kekuatan pasak memanjang
Bila direncanakan poros tersebut mampu memindahkan daya sebesar P (KW) dengan putaran (n) rpm, maka sudah barang tentu pasak yang akan direncanakan tersebut juga harus mampu meneruskan daya dan putaran, sehingga besar torsi (T) yang bekerja pada poros yaitu :
3
T = nP π260 (N.m) atau T = 16π τ d p
dimana p = daya yang akan dipindahkan (watt) n = putaran dalam (rpm) d = Diameter poros τ = Tegangan puntir yang diizinkan untuk bahan poros p
Dalam perencanaan pasak, besar torsi yang terjadi lebih besar dari torsi yang harus dipindahkan yaitu :
T = k. T p
dimana : T = Total untuk perencanaan pasak p
T = Torsi yang bekerja pada poros k = Faktor perencanaan = 1,25 s/d 1,5.
Bila diameter poros serta Torsi untuk perencanaan pasak telah diketahui, maka gaya keliling yang bekerja pada pasak dapat dicari yaitu :
F = 2/dTp …………………. 1) dimana : d = diameter poros.
Dalam perencanaan pasak, ada dua kemungkinan pasak tersebut rusak atau putus : a. Putus akibat gaya geser b. Putus akibat tekanan bidang
Bila pasak tersebut diperhitungkan kemungkinan putus akibat gaya geser maka : F=Aτ
g
---------- > F = L b τ …………………… 2) g
dimana : A = Luas penampang kemungkinan putus tergeser
=Lb
τ = Tegangan geser yang diizinkan untuk bahan pasak. g
Dari pers. 1 & 2 diperoleh :
2/dTp = L b τ ===== > T = L b 2d τ …………………. 3) g
p
g
Bila diperhitungkan kemungkinan rusak akibat tekanan bidang :
F=Aσ
D
dimana : σ = Tegangan bidang yang diizinkan untuk bahan pasak D
A = Luas bidang pasak yang menekan / bersinggungan terhadap bidang poros.
= L 2t
------ > F = L 2t σ dimana T = F 2d D
p
===== > Tp = L 2t 2d σ ……………… 4) D
Bila pasak harus mampu menahan gaya geser dan gaya tekan, maka dari pers. 3 & 4 diperoleh :
L b 2d τ = L 2t σ g
D
b τ = 2t σ ==== > tb = gDτσ2 g
D
Untuk ukuran lebar dan tebal pasak biasanya sudah distandarisasi maka hasil perhitungan harus dipilih ukuran yang ada pad astandarisasi.Bila hasil perhitungan, ukurannya tidak ada yang cocok dalam tabel pasak, maka ukuran pasak yang diambil adalah ukuran yang lebih besar.
Di bawah ini dicantumkan ukuran lebar dan tebal pasak, sesuai dengan standart yang dipasaran. Tabel standart pasak melintang menurut SI : 2292 dan 2293 – 1963.
Diameter
Penampang Pasak
Diameter
Penampang Pasak
Poros
Lebar
Tebal
Poros
Lebar
Tebal
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
6
2
2
85
25
14
8
3
3
95
28
16
10
4
4
110
32
18
12
5
5
130
36
20
17
6
6
150
40
22
22
8
7
170
45
25
30
10
8
200
50
28
38
12
8
230
56
32
44
14
9
260
63
32
50
16
10
290
70
36
58
18
11
330
80
40
65
20
12
380
90
45
75
22
14
440
100
50
