LAPORAN TUGAS RANCANG
PERANCANGAN PEMBUATAN POROS UNTUK GENERATOR AC DENGAN MESIN CNC TU-2A Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin Strata Satu Fakultas Teknik Institut Teknologi Budi Utomo
DISUSUN OLEH : NAMA
:SUYADI
NPM
:1071015028
PROGRAM STUDI :TEKNIK MESIN (S1)
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BUDI UTOMO JAKARTA 2014
LEMBAR PENGESAHAN PERANCANGAN PEMBUATAN POROS UNTUK GENERATOR AC DENGAN MESIN CNC TU-2A LAPORAN TUGAS RANCANG Disusun oleh: Nama
: SUYADI
NPM
: 1071015028
Jurusan
:Teknik Mesin
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri INSTITUT TEKNOLOGI BUDI UTOMO
Jakarta, 14 Oktober 2014 Mengetahui, Kepala Jurusan
Dosen Pembimbing
Ir.Srihanto,MT
Ir.Srihanto,MT
i
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama
:Suyadi
NPM
:1071015028
Jenjang
:Strata Satu
Jurusan
:Teknik Mesin
Menyatakan bahwa sesungguhnya Laporan Tugas Rancang yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan bukan merupakan hasil duplikasi serta tindakan mengutip sebagaian atau seluruh dari hasil karya milik orang lain,kecuali disebutkan sumbernya. Selanjutnya saya bersedia menerima sanksi akademik, apabila pernyataan saya tidak benar. Jakarta, 14 Oktober 2014
Suyadi
ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur tidak henti-hentinya penulis panjatkan Kehadirat Allah SWT yang telah memberikan berkat dan limpahan rahmatNya, sehingga penulis mampu menyelesaikan penulisan laporan Tugas Rancang ini dengan baik dan tepat waktu.Penulisan Tugas Rancang ini merupakan salah satu tugas mahasiswa sebelum mengajukan tugas akhir, sehingga laporan ini dijadikan sebagai salah satu persyaratan wajib yang harus diambil oleh setiap mahasiswa pada jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Budi Utomo. Dalam laporan Tugas Rancang ini, penulis banyak memperoleh bantuan dari banyak pihak, untuk itu dengan segala kerendahan hati menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1.Prof. Dr. Ir. H. Martin Djamin, M.Sc., selaku Re ktor Institut Teknologi Budi Utomo. 2.Dr. Ir. Suwito, MM., selaku Dekan Fakultas Teknologi Industri 3.Ir.Srihanto, MT., Selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin 4.Seluruh Dosen dan Staff Teknik Mesin Institut Teknologi Budi Utomo. 5.Ibu dan Ayah beserta keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik secara moril maupun materil itu semua sangat berarti. 6.Teman-teman Mahasiswa jurusan Teknik Mesin Angkatan Tahun 2010 7.Dan Semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan namanya satu-persatu yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan laporan ini.Semoga kebaikan yang telah diberikan kepada penulis mendapat pahala yang berlimpah dari Allah SWT. Penulis menyadari akan semua kesalahan dalam penyusunan laporan Tugas Rancang ini karena keterbatasan kemampuan, oleh karena itu penulis menerima kritik serta saran dengan segala kerendahan hati guna kesempurnaan penyusunan laporan ini.
iii
Pada kesempatan ini pula penulis mohon maaf atas segala kekurangan, Semoga penyusunan laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis khususnya dan bermanfaat bagi pembaca.
Jakarta, 14 Oktober 2014
Penulis
iv
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ...............................................................................
i
LEMBAR PERNYATAAN................................... ............................................
ii
KATA PENGANTAR ....................................................................................... iii DAFTAR ISI ................................................ .....................................................
v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... . ix DAFTAR TABEL ............................................................................................. xi BAB I. PENDAHULUAN.............................................. ..................................
1
1.1 Latar Belakang ...............................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah .......................................................................
2
1.3 Tujuan ................................................. ............................................
2
1.4 Batasan Masalah .............................................................................
2
1.5 Metode Penulisan............................................................ ................
2
1.5.1 Metode Wawancara ..............................................................
2
1.5.2 Metode Kepustakaan .............................................................
3
1.6 Sistematika Penulisan ................................................... ................
3
BAB II. LANDASAN TEORI ................................................. .........................
5
2.1 Pengertian Umum Poros ................................................ ................
5
2.1.1 Macam-macam Poros ...........................................................
5
2.1.2 Hal-hal penting dalam perencanaan poros ...........................
6
v
2.1.3 Pembebanan pada poros ............................................... ......
7
2.1.4 Pemasangan dan konsentrasi Tegangan ............................... 12 2.1.5 Material Poros ...................................................................... 13 2.1.6 Daya Poros ........................................................................... 14 2.1.7 Perancangan Poros .................................................. ............. 14 2.1.8 Metode Perancangan Poros ............................................... ... 17 2.1.9 Defleksi Poros ................................................ ...................... 19 2.1.10 Pasak Dan Alur Pasak ................................................... ... 21 2.2 Generator ....................................................................................... 27 2.2.1 Prinsip Kerja Generator........................................................ 28 2.2.2 Kontruksi Generator ................................................. ............ 31 2.2.3 Stator .................................................................................. 31 2.2.4 Rotor..................................................................................... 32 2.2.5 Pengaturan Putaran................................................... ............ 33 2.2.6 Pengaturan Tegangan ................................................ ........... 34 2.3 Computer Numerical Control (CNC) ............................................ 35 2.3.1 Dasar Pemograman Mesin CNC .......................................... 37 2.3.2 Gerakan Pada Sumbu Mesin CNC ....................................... 38 2.3.3 Standarisasi Pemograman Mesin CNC .............................. 38 BAB III METODE PERENCANAAN .................................................. ........... 42 3.1 Diagram alir pembuatan poros generator .................................... 42
vi
3.2 Penjelasan Diagram Alir pembuatan poros generator ................ 43 3.2.1 Perencanaan Poros ............................................................ 43 3.2.1 Analisa Kekuatan Material ............................................... 43 3.2.3 Menentukan Bahan ........................................................... 43 3.2.4 Menentukan Ukuran ................................................... ...... 43 3.2.5 Proses Persiapan Alat Dan Mesin ..................................... 44 3.2.6 Proses Permesinan ............................................................ 44 3.2.7 Evaluasi Hasil Perancangan .............................................. 44 3.3 Perencanaan proses pengerjaan pembuatan poros generator ...... 44 3.3.1 Proses Lathe 1 ................................................................... 45 3.3.2 Proses Lathe 2 ................................................................... 45 3.3.3 Proses Milling 1 ...................................... ......................... 45 3.3.4 Proses Milling 2 ...................................... ......................... 45 BAB IV PERENCANAAN DAN PERHITUNGAN ....................................... 46 4.1 Perencanaan dan Perhitungan Poros ............................................ 46 4.1.1 Perhitungan Momen Pada Poros ....................................... 46 4.1.2 Perhitungan Bending Pada Poros ...................................... 54 4.1.3 Perhitungan Tegangan Geser Ijin Torsional ..................... 55 4.1.4 Perhitungan Poros Dengan Beban Lentur Murni .............. 56 4.1.5 Perhitungan Poros Kombinasi Puntir dan Lentur.............. 57 4.1.6 Perhitungan Poros Dengan Beban Berfluktuasi ................ 58
vii
4.2 Perencanaan dan Perhitungan Pasak.............................................. 59 4.2.1 Perhitungan Tegangan Geser Yang Diijinkan...................... 59 4.2.2 Perhitungan Gaya Yang Terjadi Pada Pasak ........................ 63 BAB V PROSES PENGERJAAN .................................................................... 65 5.1 Diagram Alir Proses Pengerjaan Poros Generator ........................ 65 5.2 Proses Persiapan Alat Dan Mesin ................................................. 66 5.2.1 Persiapan Gambar Kerja ................................................. ..... 67 5.2.2 Persiapan Bahan Material .................................................... 67 5.2.3 Pengujian Material ................................................ ............... 68 5.2.4 Persiapan Alat Dan Mesin ................................................... 70 5.3 Proses Machining Pembuatan Poros Generator............................ 71 5.2.1 Proses Pemotongan Material ............................................... 71 5.2.2 Proses Lathe 1 ...................................................................... 72 5.2.3 Proses Lathe 2 ...................................................................... 80 5.2.4 Proses Milling 1 ................................................................... 85 5.2.5 Proses Milling 2 ................................................................... 87 BAB VI PENUTUP ........................................................................... ............... 91 6.1 Kesimpulan .................................................................................. 91 6.2 Saran ........................................................... ................................. 92 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 93
viii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Macam tegangan yang bervariasi terhadap waktu .........................
8
Gambar 2.2 Hasil tes fatique pada specimen baja dengan beban bending ........ 11 Gambar 2.3 Berbagai macam pemasangan komponen pada poros ................... 12 Gambar 2.4 Garis kegagalan elips untuk tegangan berfluktuasi ....................... 19 Gambar 2.5 Macam-macam pasak .................................................................... 21 Gambar 2.6 Sistem pembangkit generator sinkron ............................................ 28 Gambar 2.7 Kumparan 3 fasa ................................................... ......................... 30 Gambar 2.8 Konstruksi generator sinkron .................................................. ....... 31 Gambar 2.9 Kontruksi rotor kutub silindris................................................ ....... 32 Gambar 2.10 Kontruksi rotor kutub menonjol ................................................. 33 Gambar 2.11 Mesin Bubut CNC ...................................................................... 36 Gambar 3.1 Diagram Alir proses perencanaan pembuatan poros generator ..... 42 Gambar 4.1 Perancangan poros generator .................................................. ....... 46 Gambar 4.2 Momen yang terjadi pada poros..................................................... 47 Gambar 4.3 Pencarian VA ................................................................................. 49 Gambar 4.4 Pencarian VQ1 atau VE ................................................ ................. 49 Gambar 4.5 Pencarian VA’................................................................................ 50 Gambar 4.6 Pencarian VC ................................................................................. 50 Gambar 4.7 Pencarian VF.................................................................................. 51 ix
Gambar 4.8 Pencarian VD ............................................... .................................. 51 Gambar 4.9 Pencarian VB ............................................... .................................. 52 Gambar 4.10 Diagram SFD (Shearing force diagram) ..................................... 53 Gambar 4.11 Diagram BMD ( Bending Momen Diagram) ................................ 54 Gambar 4.12 Dimensi Pasak............................................ .................................. 59 Gambar 5.1 Diagram alir proses pengerjaan poros generator ........................... 65 Gambar 5.2 Poros generator .............................................................................. 66 Gambar 5.3 Gambar kerja poros generator .................................................. ...... 67 Gambar 5.4 Proses pemotongan material .......................................................... 71 Gambar 5.5 Proses penyenteran material .......................................................... 72 Gambar 5.6 Proses lathe 1 ............................................... .................................. 72 Gambar 5.7 Proses alur program kerja dengan G71 .......................................... 75 Gambar 5.8 Titik point program lathe 1 ............................................................ 76 Gambar 5.9 Alur program G75 untuk proses grooving ..................................... 78 Gambar 5.10 Proses lathe 2 ............................................................................... 80 Gambar 5.11 Titik point program lathe 2 .......................................................... 81 Gambar 5.12 Proses milling 1 .................................................. ......................... 85 Gambar 5.13 Alur program milling ................................................... ................ 87 Gambar 5.14 Proses milling 2 ................................................. .......................... 88
x
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Standar USA untuk pasak dan dimensi setscrew untuk poros........... 22 Tabel 2.2 Standar ANSI untuk pasak woodruff................................................. 24 Tabel 4.1 Harga Km dan Kt untuk beberapa bahan .......................................... 59 Tabel 4.2 Pasak Standar .................................................. .................................. 60 Tabel 4.3 Perencanaan pasak yang akan dipasang pada poros generator .......... 61 Tabel 5.1 Persiapan bahan material ................................................... ................ 68 Tabel 5.2 Harga kekerasan vickers pada bahan material S45C ......................... 69
xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam era modern, perkembangan dunia industri semakin pesat dan tak dapat dipungkiri, hampir semua kebutuhan manusia mulai dari sandang, pangan dan kebutuhan skunder lainnya telah diproduksi massal di pabrik-pabrik industri. Seiring dengan perkembangan industrialisasi tersebut maka kebutuhan akan daya listrik juga semakin meningkat tajam. Ketika terjadi kegagalan daya atau pemadaman pada catu daya utama maka saat itu dibutuhkan pasokan daya listrik cadangan dan pada kondisi tersebut diharapkan daya listrik cadangan dapat mensuplai energi listrik terutama untuk beban-beban prioritas. Genset umumnya digunakan sebagai sistem pemasok(supply ) daya listrik (PLTD) dan juga sebagai sistem pemasok daya listrik cadangan atau sebagai sumber daya listrik yang tergantung atas kebutuhan pemakai (off-grid ). Generator adalah suatu sistem yang menghasilkan tenaga listrik dengan masukan tenaga mekanik . Generator berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik.Prinsip kerja Generator adalah bila rotor diputar maka belitan kawatnya akan memotong gaya-gaya magnit pada kutub magnit, sehingga terjadi perbedaan tegangan, dengan dasar inilah timbullah arus listrik, arus melalui kabel/kawat yang ke dua ujungnya dihubungkan dengan cincin geser. Pada cincin-cincin tersebut menggeser sikat-sikat, sebagai terminal penghubung keluar.Bagian-bagian generator yaitu Rotor, adalah bagian yang berputar yang mempunyai bagian terdiri dari poros (Shaft), inti, kumparan, cincin geser, dan sikat-sikat.Stator, adalah bagian yang tak berputar (diam) yang mempunyai bagian terdiri dari rangka stator yang merupakan salah satu bagian utama dari generator yang terbuat dari besi tuang dan ini merupakan rumah dari semua bagian-bagian generator, kutub utama beserta belitannya, kutub-kutub pembantu beserta belitannya, bantalan-bantalan poros.
1
Tugas Rancang ini akan membahas bagaimana membuat komponen dari generator AC yaitu poros atau shaft yang merupakan bagian dari komponen prime mover mesin diesel (main distribution panel ).
1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas penulis merumuskan masalah sebagai berikut: 1.2.1Bagaimana merencanakan pembuatan poros untuk generator AC dengan mesin CNC TU-2A sesuai standar ? 1.2.2Bagaimana perhitungan membuat program CNC dalam proses perancangan poros generator AC? 1.2.3 Bagaimana menganalisa kekuatan poros untuk generator AC?
1.3 Tujuan Penulis bertujuan untuk memenuhi Tugas Rancang, dan untuk mempelajari serta memahami proses pembuatan poros Generator AC sesuai dengan standart
dengan
harapan dapat menjadikan suatu pengetahuan yang bermanfaat di masa yang akan datang.
1.4 Batasan Masalah Untuk mempermudah menulis laporan, penulis membatasi masalah hanya pada perancangan proses pembuatan poros Generator AC dengan mesin CNC TU-2A dan perhitungan kekuatan poros Generator AC.
1.5 Metode Penulisan Metode penulisan adalah suatu upaya pengumpulan, penyajian dan analisa data yang dilakukan secara sistematis. Dalam rangka mencarikan jalan keluar ataupun jawaban terhadap suatu masalah yang ditemukan, penulis dapat menyimpulkan data yang digunakan sebagai berikut : 1.5.1 Metode Wawancara Metode wawancara adalah proses memperoleh keterangan untuk tujuan penelitian secara langsung kepada karyawan yang berkaitan dengan pernesinan 2
CNC. Untuk mendapatkan informasi dan data yang lengkap, penulis melakukan wawancara langsung dengan bagian yang berkepentingan yaitu orang- orang yang terkait mengenai informasi yang berhubungan cara pembuatan poros generator. 1.5.2 Metode Kepustakaan Penulis mempelajari buku referensi baik mengenai pembuatan poros dan perhitugan kekuatan yang dibutuhkan untuk merancang poros generator AC.
1.6 Sistematika Penulisan Agar mempermudah pembahasan terhadap topik Tugas Rancang ini, penulis menyusunnya menjadi enam bab. BAB I PENDAHULUAN
Meliputi latar belakang yang mendasari pemilihan topik masalah, maksud dan tujuan penulisan, metode penulisan, ruang lingkup pembahasan serta sistematika penulisan. BAB II LANDASAN TEORI
Meliputi konsep dasar Perancangan dan data-data mengenai pendukung perancangan.Membahas tentang dasar teori sistem perancangan dan produksinya. BAB III METODE PERENCANAAN
Meliputi diagram alir, penjelasan pengerjaan, dan perencanaan proses pembuatan poros generator AC. BAB IV PERENCANAAN DAN PERHITUNGAN
Membahas
tentang perhitungan kekuatan yang diijinkan untuk menentukan
bahan yang digunakan dan perhitungan program CNC untuk pembuatan Shaft atau poros BAB V PROSES PENGERJAAN
Membahas tentang tahapan-tahapan perancangan poros untuk Generator AC. 3
BAB VI PENUTUP
Meliputi kesimpulan, dan saran berdasarkan hasil analisa sebelumnya.
4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Umum Poros. Poros adalah suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya terpasang elemenelemen seperti roda gigi (gear), pulley, flywheel, engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya .Poros adalah untuk menopang bagian mesin yang diam, berayun atau berputar, tetapi tidak menderita momen putar dan dengan demikian tegangan utamanya adalah tekukan (bending).Poros (keseluruhannya berputar) adalah untuk mendukung suatu momen putar dan mendapat tegangan puntir dan tekuk.Menurut arah memanjangnya (longitudinal) maka dibedakan poros yang bengkok (poros engkol) terhadap poros lurus biasa, sebagai poros pejal atau poros berlubang, keseluruhannya rata atau dibuat mengecil. Menurut penampang melintangnya disebutkan sebagai poros bulat dan poros profil (contohnya dengan profil alur banyak dan profil – K). Disamping itu dikenal juga poros engsel, poros teleskop, poros lentur, dan lain-lain.Persyaratan khusus terhadap design dan pembuatan adalah sambunagn dari poros dan naf serta poros dengan poros. 2.1.1 Macam-macam poros.
Poros untuk meneruskam daya diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut: a.Poros transmisi. Poros semacam ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya di transmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi puli sabuk atau sprocket rantai, dan lain-lain.Dalam hal ini mendukung elemen mesin hanya suatu cara, bukan tujuan. Jadi, poros ini berfungsi untuk memindahkan te naga mekanik salah satu elemen mesin ke elemen mesin yang lain. b.Spindel. Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut sepindel. Syarat yang harus di penuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukuranya harus teliti. 5
c.Gandar. Poros seperti yang di pasang di antara 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 digerakan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga. 2.1.2 Hal-hal penting dalam Perencanaan poros.
Hal-hal penting dalam merencanakan sebuah poros sebagai berikut ini perlu diperhatikan : (Sularso, 1994) a.Kekuatan poros. Suatu poros transmisi dapat mengalami suatu beban puntir atau lentur atau gabungan antara puntir dan lentur seperti telah diutarakan di atas. Juga ada poros yang mendapat beban tarik atau tekan seperti poros baling- baling kapal atau turbin. Kelelahan, tumbukan atau pengaruh kosentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil (poros bertangga ) atau bila poros mempunyai alur pasak, harus diperhatikan. Sebuah poros harus di rencanakan hingga cukup kuat untuk menahan beban- beban di atas. b.Kekakuan poros. Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup tetapi jika lenturan atau defleksi puntiran terlalu besar akan mengakibatkan ketidak telitian atau getaran dan suara. Disamping kekuatan poros, kekakuanya juga harus diperhatikan dan disesuaikan dengan macam mesin yang akan dilayani poros tersebut. c.Putaran kritis. Bila putaran suatu mesin dinaikan maka suatu harga putaran tertentu dapat terjadi getaran yang luar biasa besarnya. Putaran ini disebut putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor torak, motor listrik , dan lain-lain. Juga dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian bagian lainya. Jika mungkin,
6
poros harus direncanakan sedemikian rupa hingga putaran kerjanya lebih rendah dari putaran kritisnya. d.Korosi. Bahan-bahan tahan korosi (termasuk plastik) harus dipilih untuk poros propeller dan pompa bila terjadi dengan kontak dengan fluida yang korosif. Demikian juga yang terancam kavitasi, dan poros-poros mesin yang sering berhenti lama. Sampai dengan batas-batas tertentu dapat pula dilakukan perlidungan terhadap korosi. 2.1.3.Pembebanan pada poros.
Pada prinsipnya pembebanan ada poros ada 2 macam, yaitu puntiran karena beban torsi dan bending karena beban transerval pada roda gigi , puli atau sprocket. Beban yang terjadi juga biasanya merupakan kombinasi dari keduanya.Karekter pembebanan yang terjadi biasanya konstan, bervariasi terhadap waktu, maupun kombinasi dari keduanya. Perbedaan antara poros dengan As (Axle) adalah poros meneruskan momen torsi ( berputar) sedangkan as tidak. Pada pembebanan konstan terhadap waktu, tegangan yang terjadi pada as dengan roda gigi atau puli yang berputar pada bantalan terhadap as tersebut tegangan statis.Pada poros yang dibebeani dengan bending steady akan terjadi tegangan fully reversed seperti pada gambar .Tegangan yang terjadi karena beban bending maupun torsi bias fully reversed , repeated ataupun fluctuating, seperti pada gambar 2.1
7
Gambar 2.1 Macam tegangan yang bervariasi terhadap waktu [1] a. Pembebanan Statik Bending dan Torsi. Tegangan normal maksimum karena beban transversal [1]
.………………………………………………………………2.1
σx
:
σx
: Tegangan normal maksimum
M
: Momen Bending
l
: Panjang poros
C
: Jari-jari poros
Tegangan geser maximumnya [1]
Ʈ Ʈ
:
....…………...………………………………………………...2.2
: Tegangan geser maksimum : Torsi : Jari-jari poros : Momen Inersia Polar
Untuk penampang bulat [1] C= d
2
l=
л
2
64
J=
л
2
32
…………………………………………………...2.3
: Diameter poros
Sehingga tegangan normal utamanya bisa dihitung (σy = 0) [1] σy1,σy2 = σy
± √( )2 + Ʈ 2 = 16 2 2 л
3
: Tegangan Normal Utama
Tegangan geser utama [1] 8
(M ± √
+ )………………….2.4 2
2
Ʈ1,Ʈ2 =
± √( )2 + Ʈ 2 = ± 16 2 2 л
Ʈ
: Tegangan Geser Utama
3
√
+ …………………………...2.5 2
2
Menurut kriteria energy distorsi, kegagalan poros akan terjadi ketika [1]
√12 + 22 – σ1σ2 ≥ Dimana
16
↔
л
3
+3 ) ≥ ………………………..2.6 2
(4
2
adalah kekeuatan yield dan Ns adalah factor keamanan. Diameter
minimum poros ketika mulai terjadi kegagalan adalah d=
л
32
√
2
+ ¾
2
1/2
Jika diameter poros diketahui, maka factor
keamanannya dihitung dengan [1]
л …………………………………………………………..2.7 32 √ +3/4 3
Ns =
2
2
Menurut kriteria tegangan geser maximum,kegagalan poros akan terjadi ketika [1]
1 + 2 ≥ ↔ л (4 +3 ) ≥ …………………………………..2.8 √ + d= …………………………………………………2.9 л 16
2
2
3
32
2
2
1/2
л ……………………………………………………………..2.10 32 √ + 3
Ns =
2
2
b. Pembebanan Statik Bending, Torsi Dan Gaya Aksial. Jika ditambahkan gaya aksial, maka tegangan normalnya menjadi [1] 3
4
σx = л 3 + л 2 ……………………………………………………………...2.11 P
: Pembebanan Statik Bending 2
σ1,σ2 = л 3 8M + Pd ± √ (8M +
)
2
+ (8 )2 ……………………………2.12
Tegangan geser utama [1]
)
2
Ʈ1,Ʈ2 = ± л 3 √ (8 +
2
+8
2
…………………………………..…2.13
Menurut kriteria energy distorsi, kegagalan poros akan terjadi ketika [1] 4
) + 48
л3 √ (8M+
2
2
≥ ……………………………………………..2.14
: Kekuatan yield : Faktor Keamanan
Menurut kriteria tegangan geser maximum, kegagalan poros akan terjadi ketika 9
[1]
) + 64
4
л3 √ (8M+
2
2
≥ ……………………………………………..2.15
c. Pembebanan Sikklik Pada Poros. Tegangan bending alternating dan rata-rata terbesar terjadi pada permukaan luar, besarnya [1]:
= Kf = Kfm ………………………………………2.16 : Tegangan Bending Alternating : Kemanan Faktor konsentrasi tegangan fatique bending untuk komponen alternating
: Momen Alternating
Mm
: Momen Rata-rata
: Jari-jari poros : Panjang poros : Tegangan Bending Rata-rata terbesar :Keamanan factor konsentrasi tegangan fatique bending untuk komponen rata-rata
Dengan Kf dan Kfm adalah factor konsentrasi tegangan fatique bending untuk komponen alternating dan rata-rata.Untuk poros solid berpen ampang lingkaran: c= r=
l=
2
л
4
64
…………………………………………………………...2.17
sehingga:
= Kf л 32
3
= Kfm л………………………………………2.18 32
3
d adalah diameter poros pada posisi yang ditinjau. Tegangan geser alternating dan rata-rata besarnya [1] :
Ʈa = Kfs
Ʈm = Kfsm ……………………………………………..2.19
Ʈa
: Tegangan geser alternating
Ʈm
: Tegangan geser rata-rata
Kfs
:Faktor konsentrasi tegangan fatique torsi untuk komponen alternating
Ta
: Torsi Alternating
r
: Jari-jari poros 10
J
: Momen Inersia Polar
Kfsm
: Factor konsentrasi tegangan fatique torsi untuk komponen rata-rata
Dengan Kfs dan Kfsm adalah factor konsentrasi tegangan fatique torsi untuk komponen alternating dan rata-rata.Untuk poros solid berpenampang lingkaran: r=
J=
2
л
4
32
…………………………………………………………..2.20
sehingga: 16
Ʈa = Kfs л 3
16
Ʈm = Kfsm л 3 ………………………………………….2.21
Untuk gaya tarik aksial Fz biasa hanya mempunyai komponen rata-rata, yaitu sebesar:
Ʈ = Kfm = Kfm л ………………………………………………2.22 4
2
d.Kegagalan Poros pada Pembebanan Kombinasi. Penelitian terhadap kegagalan fatigue untuk baja ulet dan besi cor getas pada pembebanan kombinasi antara bending dan torsi pertama kali dilakukan di Inggris pada 1930 oleh Davis, Gough dan Pollard. Hasilnya bisa dilihat pada gambar 2.3 (ANSI/ASME Standard B106.1M-1985 tentang ’Design of Transmission Shafting ’). Kombinasi bending dan torsi pada material ulet yang
mengalami fatigue biasanya terjadi pada elips yang dibentuk oleh persamaan pada gambar 2.2. Material cor getas biasanya gagal ketika terjadi tegangan utama maksimal (tidak ditunjukkan pada gambar)
Gambar 2.2 Hasil tes fatique baja dibebani kombinasi bending dan torsi [1]
11
2.14 Pemasangan dan Konsentrasi Tegangan.
Untuk mengakomodasi pemasangan komponen seperti bantalan, sproket, roda gigi dan lain-lain, poros dibagi menjadi beberapa step dengan diameter yang berbeda, seperti ditunjukkan pada gambar 2.3
BEARING PRESS FIT
BEARING
HUB
KEY (PASAK)
HUB
PRESS FIT
HUB KEY (PASAK)
SNAP RING
AXIAL CLREARANCE
Gambar 2.3 Berbagai macam cara pemasangan komponen pada poros [2]
Pasak (key), snap ring dan cross pin berfungsi untuk mengamankan posisi elemen mesin yang terpasang untuk bisa mentransmisikan torsi dan untuk mengunci elemen mesin tersebut pada arah aksial. Pemasangan komponen pada poros dan adanya step akan mengakibatkan terjadinya konsentrasi tegangan. Penggunaan pasak dan pin untuk menahan elemen mesin bisa digantikan dengan memanfaatkan gesekan. Salah satunya adalah clamp collar seperti pada gambar 2.3. Split collar adalah tipe lain dari clamp collar yang menggunakan ulir. Selain itu juga bisa digunakan suaian press dan shrink. Tetapi pemanfaatan gesekan ini masih juga menimbulkan konsentrasi tegangan. Taper pin standar juga sering digunakan untuk memasang elemen mesin pada poros, seperti untuk memasang sheave pada gambar 2.3. Pin ini terpasang pada lubang dan dikunci dengan memanfaatkan gesekan antara permukaan pin dengan permukaan lubang. Pemasangan taper pin harus di tempat dimana momen
12
bendingnya kecil, untuk menghindari konsentrasi tegangan.Rolling element bearing seperti pada gambar 2.3 dipasang pada frame dan poros dengan memanfaatkan suaian press. Dibutuhkan step pada poros untuk menahan bearing. Snap ring digunakan untuk mencegah pergerakan aksial poros terhadap bearing. Keuntungan penggunaan pasak adalah mudah untuk dipasang dan ukurannya telah distandarkan berdasar diameter poros. Pasak juga terpasang pada lokasinya secara akurat ( phasing), mudah dilepas dan diperbaiki. Kekurangan penggunaan pasak adalah tidak bisa menahan pergerakan aksial dan memungkinkan terjadinya ’backlash ’, karena adanya clearance antara pasak dengan poros.Taper pin
meneruskan torsi dengan baik dan bisa menahan pergerakan aksial dan radial, tetapi memperlemah poros. Pelepasannya dari poros lebih sulit dari pada pasak. Clamp collar mudah dipasang, tetapi sulit untuk memasang lagi pada posisinya.
Suaian press adalah hubungan semipermanen, sehingga untuk memasang dan melepasnya diperlukan alat khusus. 2.1.5 Material Poros.
Baja sering digunakan karena modulus elatisitasnya tinggi, sehingga keta hanan terhadap defleksi tinggi. Besi cord an besi nodular digunakan ketika gear atau komponen lain terintegerasi pada poros.Perunggu dan stailess steel digunakan di laut atau pada kondisi korosif lainya. Trough atau case hardened steel sering digunakan pada poros yang digunakan juga sebagai jurnal pada sleeve bearing. Kebanyakan poros terbuat dari baja karbon rendah dan medium yang dirol panas (hot rolled). Ketika diperlukan kekuatan yang lebih tinggi, bisa digunakan baja paduan. Cold Rolled sering digunakan pada poros diameter kecil (samai diameter 3 in), sedangkan hot rolled untuk diameter yang lebih besar. Untuk material yang sama, sifat mekanik pada cold rolled lebih besar, tetapi akan terjadi tegangan sisa dan akan mengakibatkan ‘warping’ .Permukaan poros yang diroll panas harus dimesin untuk menghilangkan karburizing pada permukaan,
13
sedangkan permukaan yang diroll dingin dibiarkan kecuali pada bagian dispesifikasikan pada perancangan, seperti untuk tempat bantalan.
2.1.6 Daya Poros.
Daya instant yang mentransmisikan poros adalah hasil torsi (T) dengan
kecepatan sudut (ω) dengan ω dalam radian persatuan waktu, [1] yaitu: P = T ω…………………………………………………………………………2.23 P
: Daya instant menstranmisikan poros
T
: Torsi
ω
: Kecepatan sudut
Pada mesin yang beroperasi dengan torsi atau kecepatan sudut bervariasai terhadap waktu, daya rata-ratanya adalah:
= ……………………………………………………………...2.24 : Daya rata-rata instant menstranmisikan poros : Torsi rata-rata : Kecepatan sudut rata-rata 2.1.7Perancangan Poros.
Pada perancangan bahan poros ini terdapat perlakuan panas. Perlakuan panas adalah proses pada saat bahan dipanaskan hingga suhu tertentu dan selanjutnya didinginkan dengan cara tertentu pula. Tujuannya adalah untuk mendapatkan sifatsifat
yang
lebih
baik
dan
yang
diinginkan
sesuai
dengan
batas-batas
kemampuannya. Sifat yang berhubungan dengan maksud dan tujuan perlakuan panas tersebut meliputi:
14
1. Meningkatnya kekuatan dan kekerasannya. 2. Mengurangi tegangan. 3. Melunakkan . 4. Mengembalikan pada kondisi normal akibat pengaruh pengerjaan sebelumnya. 5. Menghaluskan butir kristal yang akan berpengaruh terhadap keuletan bahan. Untuk proses pembuatan poros dengan melakukan hardening permukaan. Pemanasan poros ini dilakukan di atas suhu transformasi fase dan selanjutnya didinginkan dengan cepat sekali pada suhu kamar. Sehingga terbentuk suatu fase yang stabil pada suhu tinggi, pengerasan dengan cara ini mengakibatkan terbentuknya susunan yang tidak stabil. Tetapi inilah yang membuat elemen poros ini tidak mudah aus tergerus oleh gesekan yang ada. Untuk mendapatkan sifat-sifat bahan untuk poros yang lebih baik sesuai dengan karakter yang diinginkan dapat dilakukan melalui pemanasan dan pendinginan. Tujuannya adalah mengubah struktur mikro sehingga bahan dikeraskan, dimudahkan atau dilunakan. Pemanasan bahan dilakukan diatas garis transformasi kira-kira pada 770 derajat C sehingga perlit yang ada pada bakal poros itu berubah menjadi austenit yang homogen karena terdapat cukup karbon. Pada suhu yang lebih tinggi ferrit menjadi austenit karena atom karbon difusi ke dalam ferrit tersebut. Untuk pengerasan baja, pendinginan dilakukan dengan cepat melalui pencelupan kedalam air, minyak atau bahan pendingin lainnya sehingga atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit tidak sempat membentuk sementit dan ferrit akibatnya austenit menjadi sangat keras yang disebut martensit. Pada baja setelah terjadi austenit dan ferrit kadar karbonya akan menjadi makin tinggi sesuai dengan penurunan suhu dan akan membentuk hipoeutektoid. Pada saat pemanasan maupun pendinginan difusi atom karbon memerlukan waktu yang cukup. Laju difusi pada saat pemanasan ditentukan oleh unsur-unsur paduanya dan pada saat pendinginan cepat austenit yang berbutir kasar akan mempunyai banyak 15
martensit. Austenit serta martensit inilah yang nantinya akan menjadi sumber kekerasan luar dari poros. Aturan umum perancangan poros: a. Untuk meminimalisasi defleksi dan tegangan, poros diusahakan sependek mungkin dan meminimalisasi keadaan ‘overhang’. b. Sebisa mungkin menghindari susunan batang kantilever, dan mengusahakan tumpuan sederhana, kecuali karena tuntutan perancangan. Hal ini karena batang kantilever akan terdefleksi lebih besar. c. Poros berlubang mempunyai perbandingan kekakuan dengan massa (kekakuan spesifik) lebih baik dan frekuensi pribadi lebih besar dari pada poros pejal, harganya lebih mahal dan diameter akan lebih besar. d. Usahakan menghindarkan kenaikan tegangan pada lokasi momen bending yang besar
jika
memungkinkan
dan
meminimalisasi
efeknya
dengan
cara
menambahkan fillet dan relief e. Jika tujuan utamanya adalah meminimalisasi defleksi, baja karbon rendah baik untuk digunakan karena kekakuannya setinggi baja dengan harga yang lebih murah dan pada oros yang dirancang untuk defleksi, tegangan yang terjadi lebih cenderung kacil. f. Defleksi pada roda gigi yang terpasang pada poros kaki tidak boleh melebihi 0.005 inch dan slope relative antar sumbu roda gigi harus kurang dari 0.03° g. Jika digunakan plain bearing, defleksi poros pada arah sepanjang bantalan harus kurang dari tebal lapisan oli pada bantalan. h. Jika digunakan non-self-aligning element bearing , defleksi sudut poros pada bantalan harus dijaga kurang dari 0.04°. i. Jika terjadi gaya aksial, harus digunakan paling tidak sebuah thrust bearing untuk setiap arah gayanya.Jangan membagi gaya aksial pada beberapa trust bearing karena ekspansi termal pada poros akan mengakibatkan overload pada bantalan.
16
j. Frekuensi pribadi pertama poros minimal tiga kali frekuensi tertinggi ketika gaya terbesar yang diharapkan terjadi pada saat operasi. Semakin besar akan semakin baik, tetapi akan semakin sulit untuk dicapai. 2.1.8 Metode Perancangan Poros.
Metode ASME standar ANSI/ASME untuk perancangan poros transmisi dipublikasikan
sebagai
B106.1M-1985.Pendekatan
ASME
mengasumsikan
pembebanan adalah bending fully reserved (komponen bending rata-rata adalah nol) dan steady torque (komponen torsi alternating adalah nol) pada kondisi yang mengakibatkan tegangan dibawah kekuatan yield torsial material. Banyak poros yang masuk dalam kategori ini. Digunakan kurva elips seperti pada gambar 2.3 dengan memasukkan ketahanan bending (bending endurance strength ) pada sumbu
σa dan kekuatan yield tarik pada sumbu σm sebagai batas kegagalan.Kekuatan yield tarik didapat dari kriteria Von Misses. Untuk mendapatkan formula ASME ditunjukan dari gambar 2.2 sebagai berikut:
) Ʈ (
/
2
Ʈ )
+ (
/
2
=1 ……………………………………………………….2.25
: Reserved bending strees at fatique limit : Fatique limit in pure bending : Static Torsional Stress : Torsional Yield Strenght
Nf adalah factor keamanan,
Nf σa/Se)2 + (Nf Ʈm/Sys)2 =1……………………………………………...…2.26 Menurut kriteria von misses
= √ …………………………………………………………………………2.27 3
17
(Kf
: Torsional Yield
2 л ) ( Kf )
32
3
+ (Kfsm
)( √ 3) 2 = 1 ……………………….2.28 л
16
3
Disusun kembali dan didapatkan diameter poros hasil rancangan untuk pembebanan Fully Reverseved dan Steady Torsion [1] : d=
л
32
)2 + ¾ ( Kfsm )2
(Kf
1/3
…………………………………..2.29
Ma
: Momen alternating
Tm
: Torsi geser rata-rata
Kf
:Faktor konsentrasi tegangan fatique torsi untuk komponen alternating
Kfsm
: Factor konsentrasi tegangan fatique torsi untuk komponen rata-rata
Dengan Nf : Faktor keamanan dan Kf
: Torsional Yield
Sf
: Fatique limit in pure bending
ASME mengasumsikan konsentrasi tegangan untuk tegangan rata-rata, Kfsm =1, sehingga [1]: d=
л
32
)2 + ¾ ( )2
(Kf
1/3
18
…………………………………………2.30
Gambar 2.4 Garis kegagalan elips menggunakan kekuatan yield serta garis kegagalan lain untuk tegangan berflutuasi [1] Jika beban torsi tidak konstan, komponen alternating akan mengakibatkan tingkat tegangan multiaksial komplek.Pendekatan dilakukan dengan kriteria von misses.Untuk tujuan perancangan yaitu mencari diameter poros yang dibutuhkan , dengan asumsi komponen alternating dan rata-rata dijaga pada rasio yang konstan , gaya aksial pada poros sama dengan nol, maka diameter poros yang dibutuhkan adalah [1] :
d=
( ) + ( ) л
32
2
3 4
2
+
� ( ) +3/4( ) 2
2
…………….2.31
Persamaan ini bisa digunakan untuk mencari diameter poros untuk setiap kombinasi beban bending dan torsi dengan asumsi seperti yang sudah disebutkan di atas. 2.1.9 Defleksi Poros.
Poros adalah beam yang terdefleksi secara transerval dan batang torsi yang terpuntir. a.Poros sebagai beam. Defleksi beam (y) dihitung dengan mengintegralkan dua kali persamaan. [1]
19
= ……………………………………………………………………...2.32 2
2
: Modulus Young : Momen Inersia Beam
Dimana E adalah modulus young, I adalah momen Inersia beam. Hal yang harus diperhatikan adalah adanya step, yang mengakibatkan adanya variasai penampang pada arah memanjangnya. b.Poros sebagai batang torsi.
Kebanyakan poros berpenampang bulat. Defleksi sudut Ɵ (radian) untuk por os dengan panjang I, modulus geser G, momen inersia polar J, dan torsi T adalah [1] :
Ɵ = ………………………………………………………………………2.33 Ɵ
: Defleksi sudut
T
: Torsi
G
: Modulus Geser
J
: Momen Inersia Polar
l
: Panjang poros
Maka konstanta pegas torsionalnya
………………………………………………………………….2.34 Ɵ
Kf = = Kf
: Konstanta Pegas
Pada poros dengan step, perhitungan defleksi sudut dilakukan tiap segmen dengan penampang yang sama. Defleksi sudut totalnya adalah [1]
1 2 3
Ɵ = Ɵ1 + Ɵ2 + Ɵ3 = 1 + 2 + 3 ……………………………………….2.35 20
Konstanta Pegas torsionalnya adalah 1
=
1
1
+
1
…………………………………………………………2.36 1
+
2
3
: Konstanta Pegas Torsional
2.1.10 Pasak (key) dan Alur Pasak (Key Way).
Menurut ASME, definisi pasak adalah “demountable elemen mesin yang ketika dipasang pada alurnya, mempunyai kegunaan untuk mentransmisikan torsi antara poros dan hub.” Standar pengelompokan pasak berdasarkan bentuk dan dimensinya. Pasak Parallel berpenampang segi empat dengan tinggi dan lebar konstan pada arah memanjang (gambar 2.5(a)). Pasak miring mempunyai lebar konstan dengan tinggi bervariasi secara linier pada arah memanjang dengan kemiringan 1/8 inch per foot dan dipasang pada alur miring sampai terkunci. Ada 2 macam pasak miring, yaitu pasak miring tanpa kepala dan dengan kepala gib (gambar 2.5(b)). Pasak woodruff berbentuk setengah lingkaran dengan lebar konstan, dipasang pada alur pasak yang juga berbentuk setengah lingkaran (gambar 2.5(c)). Pasak miring bisa langsung mengunci gerakan aksial, sedangkan pada pasak paralel atau woodruff, perlu ditambahkan alat untuk mengunci, seperti retaining ring atau clamp collar.
Gambar 2.5 Macam-macam pasak [1]
a.Pasak Paralel (Parallel Keys). Pasak jenis ini paling sering digunakan. ANSI mendefinisikan dimensi penampang dan kedalaman alur pasak sebagai fungsi diameter poros di mana 21
alur pasak berada. Pasak yang digunakan untuk poros diameter kecil ditunjukkan pada tabel 2.1. Setengah bagian pasak paralel dipasang masuk pada poros dan setengah sisanya dipasang pada hub, seperti pada gambar 2.5(a). Tabel 2.1 Standar USA untuk pasak dan dimensi setscrew untuk poros [1] Shaft Diameter (in)
Nominasi Key (in)
Setscrew Diameter (in)
0.312 < d ≤ 0.437
0.093
0.010
0.437 < d ≤ 0.562
0.125
0.010
0.562 < d ≤ 0.875
0.187
0.250
0.875 < d ≤ 1.250
0.250
0.312
1.250 < d ≤ 1.375
0.312
0.375
1.375 < d ≤ 1.750
0.375
0.375
1.750 < d ≤ 2.250
0.500
0.500
2.250 < d ≤ 2.750
0.625
0.500
2.750 < d ≤ 3.250
0.750
0.625
3.250 < d ≤ 3.750
0.875
0.750
3.750 < d ≤ 4.500
1.000
0.750
4.500 < d ≤ 5.500
1.250
0.875
5.500 < d ≤ 6.500
1.500
1.000
Paralel biasanya dibuat dari batang yang diroll dingin dengan toleransi negative (dimensi sebenarnya selalu lebih kecil dari dimensi nominal). Pada pembebanan torsi alternating, dengan torsi positif ke negatif tiap siklusnya, suaian pasak harus diperhatikan. Adanya clearance akan mengakibatkan backlash dan beban impak. Untuk menghilangkan efek backlash, digunakan setscrew (skrup pengencang) dan dipasang pada hub, 90° terhadap pasak. Setscrew ini akan menahan pergerakan hub secara aksial dan menghindarkan pasak dari backlash. Standar ASME untuk setscrew bisa dilihat pada tabel 2.1. Untuk mencegah terpuntirnya pasak karena adanya defleksi pada poros,
22
panjang pasak harus lebih kecil dari 1.5 kali diameter poros. Jika diinginkan lebih kuat,bisa digunakan 2 buah pasak. b.Pasak miring (Tapered Keys ). Lebar pasak miring untuk diameter tertentu sama dengan pasak paralel, seperti pada tabel 2.1. Kemiringan dan dimensi kepala gib distandarkan. Kemiringan dimanfaatkan sebagai pengunci terhadap gerakan aksial dengan memanfaatkan adanya gesekan antar permukaan. Kepala gib digunakan untuk melepas pasak dengan cara menariknya ketika tidak dimungkinkan mendorong bagian pasak yang kecil, karena tidak bisa dijangkau. Karena pemasangan pasak miring pada satu sisi, sehingga terjadi clearance pada satu sisi, maka dimungkinkan terjadinya eksentrisitas antara hub dan pasak. c.Pasak Woodruf (Woodruf Keys). Pasak jenis ini digunakan pada poros ukuran kecil dan ‘self-aligning’, sehingga sering digunakan pada poros miring. Pemasangan pasak jenis ini pada hub sama seperti pasak paralel, yaitu setengah bagiannya. Bentuk setengah lingkaran memungkinkan pasak masuk lebih dalam pada alur pasak, sehingga akan lebih sulit untuk terguling, tetapi lebih lemah jika disbandingkan dengan pasak paralel. Lebar pasak woodruff
adalah fungsi diameter poros, seperti
pada pasak paralel, ditunjukkan pada tabel 2.1. Standar yang sering digunakan adalah standar ANSI, seperti pada tabel 2.2. Pada standar ANSI, digunakan penomororan pasak untuk tiap ukuran. Diameter pasak nominal ditunjukkan oleh 2 digit terakhir dibagi 8 (dalam inch). Lebar pasak nominal ditunjukkan oleh digit yang mendahului 2 digit terakhir dibagi 32 (dalam inch). Contohnya, pasak nomor 808, diameter nominalnya adalah 8/8=1 inch, lebarnya adalah 8/32=1/4 inch.
23
Tabel 2.2 Standar ANSI untuk pasak woodruff [1] Key Number
Nominal Key Size W x L
Height H
202
0.062 X 0.250
0.160
303
0.093 X 0.375
0.170
404
0.125 X 0.500
0.200
606
0.182 X 0.625
0.250
1212
0.375 X 1.500
0.592
1210
0.187 X 1.250
0.545
1208
0.375 X 1.000
0.437
812
0.250 X 1.500
0.592
810
0.250 X 1.260
0.545
808
0.250 X 1.000
0.437
806
0.250 X 0.750
0.312
707
0.218 X 0.875
0.375
610
0.187 X 1.250
0.545
608
0.187 X 1.000
0.437
d.Tegangan pada pasak. Ada dua macam kegagalan pada pasak, yaitu geser dan bearing. Kegagalan geser terjadi
ketika pasak dibebani geser pada bidang yang sejajar bidang
pertemuan antara poros dan hub. Kegagalan bearing terjadi karena penekanan pada kedua sisi pasak.Kegagalan geser tegangan karena beban geser langsung [1]:
………………………………………………………………..2.37 Ʈ = ℎ Ʈ : Tegangan geser karena beban geser langsung : Gaya yang bekerja ℎ : Perkalian antara lebar dan panjang pasak 24
ℎ adalah perkalian antara lebar (W) dengan
F adalah gaya yang bekerja,
panjang (L) pasak. Gaya yang bekerja pada pasak adalah hasil bagi torsi dengan jari-jari [1]. F=
= 2 …………………………………………………………………2.38 /2
ℎ = W X L T
:Torsi
d
: Diameter
W
: Lebar Pasak
L
: Panjang Pasak
Pada pembebanan dengan torsi konstan terhadap waktu, factor keamanannya adalah perbandingan tegangan geser dengan kekuatan yield material
Ʈ ≤ …………………………………………………………………2.39 Ʈ : Tegangan geser karena beban geser langsung : Tegangan geser yang diijinkan : Factor Keamanan Dimana adalah tegangan geser yang diijinkan, Ns factor keamanan, dan Ʈ = = 0.40 Dimana Sy adalah kekuatan yield. Pada pembebanan dengan torsi yang berubah terhadap waktu, pasak akan gagal karena fatique. Faktor keamanan dicari dengan menghitung tegangan geser rata-rata dan alternating, menghitung tegangan geser von misses rata-rata alternating. Kemudian digunakan diagram Goodman yang dimodifikasi.
25
Kegagalan bearing Tegangan bearing [1] :
……………………………………………………………..2.40 = : Tegangan bearing : Gaya Bekerja : Perkalian panjang pasak (L) dengan setengah tingginyan (h/2) F adalah gaya yang bekerja, adalah luasan kontak antara sisi pasak dengan poros atau hub. Untuk pasak parallel, adalah perkalian panjang pasak (L) dengan setengah tingginyan (h/2).Tegangan be aring dihitung dengan gaya maksimal, baik gaya konstan maupun berubah terhadap waktu. Karena tegangan tekan tidak mengakibatkan kegagalan fatique, pembebanan adalah static. Faktor keamanan adalah perbandingan antara tegangan bearing maksimal dengan kekuatan yield material untuk tekan.
= Lh/2 ≤ ……………………………………………………………………2.41 : Tegangan bearing : Tegangan normal yang diijinkan : Faktor Keamanan : Panjang Pasak ℎ : Tinggi Pasak Dengan adalah tegangan normal yang diijinkan = = 0.90 e.Material Pasak. 26
Karena beban pasak adalah geser , maka digunakan material ulet dan lunak. Baja karbon rendah material yang sering digunakan. Untuk keadaan korosif, digunakan kuningan atau stainless steel f.Perancangan Pasak. Diameter poros di mana alur pasak berada mempengaruhi lebar pasak, tinggi pasak juga dipengaruhi oleh lebar pasak. Sehingga variabel perancangan yang digunakan adalah panjang dan jumlah pasak tiap hub-nya. Panjang pasak paralel dan miring bisa sama dengan panjang hub. Untuk lebar pasak woodruff tertentu, terdapat beberapa diameter dan menentukan panjang masuknya pasak pada hub. Semakin besar diameter pasak woodruff, semakin dalam alur pasak, sehingga poros semakin lemah. Kalau dibutuhkan 2 buah, pasak kedua bisa ditambahkan pada posisi 90° dari pasak pertama. Jika terjadi overload beban, pasak dirancang supaya gagal terlebih dahulu sebelum alur pasak atau bagian lain dari poros gagal. Pasak berperan sebagai pengaman untuk melindungi bagian yang lebih mahal karena pasak relatif lebih murah dan mudah untuk diganti. Hal ini menjadi alasan kenapa material pasak dipilih ulet dan lunak dengan kekuatan lebih rendah dibanding dengan material poros.
2.2 Generator Salah satu bagian besar dari sistem tenaga listrik adalah stasiun pembangkit tenaga listrik. Stasiun pembangkit tenaga listrik tersebut dapat berupa generator yang digerakkan dengan tenaga gas, tenaga air, tenaga diesel dan lain sebagainya. Pokok utama dalam pengadaan sistem tenaga listrik adalah bagian dari pembangkitnya atau dalam hal ini generatornya. Apabila suatu sistem pembangkit terganggu, maka seluruh sistem tenaga listrik akan terhenti pengoperasiannya. Penyebab gangguan pada sistem pembangkit terdiri atas dua bagian yaitu: 1.Gangguan dari luar generator, yaitu gangguan dalam sistem yang dihubungkan generator. 2.Gangguan di dalam generator. 27
3.Gangguan pada mesin penggerak generator. Dari ketiga jenis gangguan di atas, bila salah satu generator yang bekerja secara paralel mengalami gangguan, kemungkinan besar generator yang sedang beroperasi tidak sanggup lagi untuk memikul beban keseluruhannya. Oleh sebab itu diperlukan perhitungan besarnya beban yang harus diputuskan secara tiba-tiba agar dapat diperoleh kestabilan sistem. Dalam hal ini, pemutusan beban diusahakan berlangsung secara otomatis dan dengan waktu yang relatif singkat. 2.2.1Prinsip Kerja Generator.
Generator serempak (sinkron) adalah suatu penghasil tenaga listrik dengan landasan
hukum Faraday. Jika pada sekeliling penghantar terjadi perubahan
medan magnet, maka pada penghantar tersebut akan dibangkitkan suatu gaya gerak listrik (GGL) yang sifatnya menentang perubahan medan tersebut. Untuk dapat terjadinya gaya gerak listrik (GGL) tersebut diperlukan dua kategori masukan, yaitu: 1.Masukan tenaga mekanis yang akan dihasilkan oleh penggerak mula (prime mover). 2.Arus masukan (If) yang berupa arus searah yang akan menghasilkan medan magnet yang dapat diatur dengan mudah. Di bawah ini akan dijelaskan secara sederhana cara pembangkitan listrik dari sebuah generator.
Gambar 2.6. Sistem Pembangkitan Generator Sinkron [5] 28
dimana: If
: Arus medan
U–S
: Kutub generator
Sumbu Putar : Poros Generator
Φ
: Fluks medan
Apabila rotor generator diputar pada kecepatan nominalnya, dimana putaran tersebut diperoleh dari putaran penggerak mulanya (prime mover), kemudian pada kumparan medan rotor diberikan arus medan sebesar If, maka garis-garis fluksi yang dihasilkan melalui kutub-kutub inti akan menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar stator sebesar [5]:
Ea = C. n. Ф …………………………………………………………………2.42 dimana: Ea : Tegangan induksi yang dibangkitkan pada jangkar generator C : Konstanta n : Kecepatan putar
Ф : Fluksi yang dihasilkan oleh arus penguat (arus medan) Apabila generator digunakan untuk melayani beban, pada kumparan jangkar generator akan mengalir arus. Untuk generator 3 fasa, setiap belitan jangkar akan memilki beda fasa sebesar 120°.
29
Gambar 2.7. Kumparan 3 Fasa [5]
2.2.2 Konstruksi Generator.
Generator terdiri dari dua bagian yang paling utama, yaitu: 1. Bagian yang diam (stator). 2. Bagian yang bergerak (rotor).
30
Gambar 2.8. Konstruksi Generator Sinkron [5] 2.2.3 Bagian Yang Diam (Stator).
Bagian yang diam (stator) terdiri dari beberapa bagian, yaitu: a.Inti a. Inti stator. Bentuk dari inti stator ini berupa cincin laminasi-laminasi yang diikat serapat mungkin untuk menghindari rugi-rugi arus eddy (eddy current losses). Pada inti ini terdapat slot-slot untuk menempatkan konduktor dan untuk mengatur arah medan magnetnya. b.Belitan stator. Bagian stator yang terdiri dari beberapa batang konduktor yang terdapat di dalam slot-slot dan ujung-ujung kumparan. Masing-masing slot dihubungkan untuk mendapatkan tegangan induksi. c.Alur c. Alur stator. Merupakan bagian stator yang berperan sebagai tempat belitan stator ditempatkan. d.Rumah stator. Bagian dari stator yang umumnya terbuat dari besi tuang yang berbentuk silinder. Bagian belakang dari rumah stator ini biasanya memiliki sirip-sirip sebagai alat bantu dalam proses pendinginan.
31
2.2.4 Bagian Yang Bergerak (Rotor).
Rotor adalah bagian generator yang bergerak atau berputar. Antara rotor dan stator dipisahkan oleh celah udara (air gap). Rotor terdiri dari dua bagian umum, yaitu: 1. Inti kutub 2. Kumparan medan Pada bagian inti kutub terdapat poros dan inti rotor yang memiliki fungsi sebagai jalan atau jalur fluks magnet yang dibangkitkan oleh kumparan medan. Pada kumparan medan ini juga terdapat dua bagian, yaitu yaitu bagian penghantar sebagai sebagai jalur untuk arus pemacuan pemacua n dan bagian ba gian yang diisolasi. Isolasi pada bagian ini harus benar-benar baik dalam hal kekuatan mekanisnya, ketahanannya akan suhu yang tinggi dan ketahanannya terhadap gaya sentrifugal yang besar. Konstruksi rotor untuk generator yang memiliki nilai putaran relatif tinggi biasanya menggunakan konstruksi rotor dengan kutub silindris atau ”cylinderica poles” dan jumlah kutubnya relatif sedikit (2, 4, 6). Konstruksi ini dirancang tahan terhadap gayagaya yang lebih besar akibat putaran yang tinggi.
32
Gambar 2.9. Konstruksi Rotor Kutub Silindris [5] Untuk putaran generator yang relatif rendah atau sedang (kurang dari 1000 rpm), dipakai konstruksi rotor dengan kutub menonjol atau ”salient pole” dengan jumlah kutub-kutub yang relatif banyak.
Gambar 2.10. Konstruksi Generator Kutub Menonjol [5] Pada prinsipnya, salah satu dari penghantar atau kutub-kutub ini dibuat sebagai bagian yang tetap sedangkan bagian-bagian yang lainnya dibuat sebagai bagian yang berputar. 2.2.5 Pengaturan Putaran.
Putaran adalah salah satu faktor yang penting yang memberi pengaruh besar terhadap tegangan yang timbul oleh arus bolak-balik (alternating current). Frekuensi listrik yang dihasilkan oleh generator sinkron harus sebanding dengan kecepatan putar generator tersebut. Dalam hal ini, rotor sebagai bagian yang
33
bergerak terdiri atas rangkaian-rangkaian elektromagnet dengan arus searah (DC) sebagai sumber arusnya. Medan magnet rotor akan bergerak sesuai dengan arah putaran rotor. Untuk menjaga putaran tetap konstan, maka pada penggerak mula (prime mover) dilengkapi governor.Governor itu sendiri adalah suatu alat yang berfungsi mengatur putaran tetap konstan pada keadaan yang bervariasi. Besar kecepatan putaran generator dapat dihitung melalui persamaan berikut [5]. n=
………………………………………………………………………..2.43
120.
dimana: n = kecepatan putaran (rpm) f = frekuensi (Hz) p = jumlah kutub Tegangan dan arus bolak-balik (AC) yang dihasilkan oleh generator umumnya mempunyai frekuensi diantara 50 Hz – 60 Hz. Untuk menentukan jumlah pasang kutub (p)
atau kecepatan putar rpm (n), besarnya frekuensi harus sebanding
dengan jumlah kutub dan kecepatan putarannya. 2.2.6 Pengaturan Tegangan.
Tegangan generator sinkron dalam keadaan berbeban akan lebih rendah nilainya daripada tegangan generator sinkron dalam keadaan tanpa beban. Nilai relatif, yaitu nilai selisih antara tegangan dalam keadaan berbeban penuh dengan keadaan tanpa beban biasanya disebut dengan regulasi tegangan atau voltage regulation (VR). VR =
− X 100%.........................................................................................2.44
dimana:
34
VR = regulasi tegangan (voltage regulation) VNL = tegangan tanpa beban (no load voltage) VFL = tegangan beban penuh (full load voltage) Generator-generator sekarang dirancang dan dibuat untuk tegangan yang bervariasi akibat dari adanya variasi arus jangkar atau variasi beban yang menimbulkan turunnya tegangan (voltage drop) pada kumparan jangkar yang bervariasi pula. Jatuhnya tegangan impedansi tersebut tergantung kepada besar arus dan faktor daya beban.Dengan pengaturan arus eksitasi, tegangan dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Untuk menaikkan tegangan, arus eksitasi dapat ditambah dan berlaku juga sebaliknya. Yang dimaksud dengan eksitasi atau biasa disebut sistem penguatan adalah suatu perangkat yang memberikan arus penguat (If) kepada kumparan medan generator arus bolak-balik (alternating current) yang dijalankan dengan cara membangkitkan medan magnetnya dengan bantuan arus searah.
2.3 Mesin CNC CNC singkatan dari Computer Numerically Controlled , merupakan mesin perkakas yang dilengkapi dengan sistem mekanik dan kontrol berbasis komputer yang mampu membaca instruksi kode N, G, F, T, dan lain-lain, dimana kode-kode tersebut akan menginstruksikan ke mesin CNC agar bekerja sesuai dengan program benda kerja yang akan dibuat. Secara umum cara kerja mesin perkakas CNC tidak berbeda dengan mesin perkakas konvensional. Fungsi CNC dalam hal ini lebih banyak menggantikan pekerjaan operator dalam mesin perkakas konvensional. Misalnya pekerjaan setting tool atau mengatur gerakan pahat sampai pada posisi siap memotong, gerakan pemotongan dan gerakan kembali keposisi awal, dan lain-lain. Demikian pula dengan pengaturan kondisi pemotongan (kecepatan potong, kecepatan makan dan kedalaman pemotongan) serta fungsi pengaturan yang lain seperti penggantian pahat, pengubahan transmisi daya (jumlah putaran poros utama), dan arah putaran poros utama, pengekleman, pengaturan cairan pendingin dan sebagainya.
35
Gambar 2.11 Mesin Bubut CNC [2]
Mesin perkakas CNC dilengkapi dengan berbagai alat potong yang dapat membuat benda kerja secara presisi dan dapat melakukan interpolasi yang diarahkan secara numerik (berdasarkan angka). Parameter sistem operasi CNC dapat diubah melalui program perangkat lunak (software load program ) yang sesuai. Tingkat ketelitian mesin CNC lebih akurat hingga ketelitian seperseribu millimeter, karena penggunaan ballscrew pada setiap poros transportiernya. Ballscrew bekerja seperti lager yang tidak memiliki kelonggaran/spelling namun dapat bergerak dengan lancar. Pada awalnya mesin CNC masih menggunakan memori berupa kertas berlubang sebagai media untuk mentransfer kode G dan M ke sistem kontrol. Setelah tahun 1950, ditemukan metode baru mentransfer data dengan menggunakan kabel RS232, floppy disks, dan terakhir oleh Komputer Jaringan Kabel (Computer Network Cables) bahkan
bisa dikendalikan melalui internet. Akhir-akhir ini mesin-mesin CNC telah berkembang secara menakjubkan
sehingga telah mengubah industri pabrik yang selama ini
menggunakan tenaga manusia menjadi mesin-mesin otomatik.
36
2.3.1 Dasar-dasar Pemograman Mesin CNC.
Ada beberapa langkah yang harus dilakukan seorang programmer sebelum menggunakan mesin CNC, pertama mengenal beberapa sistem koordinat yang ada pada mesin CNC, yaitu: a.Sistem koodinat kartesius, yang terdiri dari koordinat mutlak (absolut ) dan koordinat relatif (inkremental ). b.Sistem koordinat kutub (koordinat polar ), yang terdiri dari koordinat mutlak (absolut ) dan koordinat relatif (inkremental ). Selanjutnya menentukan system koordinat yang akan digunakan dalam pemograman. Apakah program akan menggunakan sistem pemogramman metode absolut atau inkremental . Pada umumnya sistem koordinat yang sering digunakan
antara lain system koordinat kartesius, yaitu koordinat mutlak (absolut ) dan koordinat relatif/berantai (incremental ). Langkah kedua adalah memahami prinsip gerakan sumbu utama dalam mesin CNC. a.Pemrograman Absolut.
Pemrograman absolut adalah pemrogramman yang dalam menentukan titik koordinatnya selalu mengacu pada titik nol benda kerja. Kedudukan titik dalam benda kerja selalu berawal dari titik nol sebagai acuan pengukurannya. Sebagai titik referensi benda kerja letak titik nol sendiri ditentukan berdasarkan bentuk benda kerja dan keefektifan program yang akan dibuat. Penentuan titik nol mengacu pada titik nol benda kerja (TMB). Pada pemrogramman benda kerja yang rumit, melalui kode G tertentu titik nol benda kerja (TMB) bisa dipindah sesuai kebutuhan untuk memudahkan pemrogramman dan untuk menghindari kesalahan pengukuran. Pemrogramman absolut dikenal juga dengan sistem pemrogramman mutlak, di mana pergerakan alat potong mengacu pada titik nol benda kerja. Kelebihan dari sistem ini bila terjadi kesalahan pemrogramman hanya berdampak pada titik yang bersangkutan, sehingga lebih mudah dalam melakukan koreksi. b.Pemrogramman Relatif (inkremental ).
Pemrogramman
inkremental
adalah
pemrogramman
yang
pengukuran
lintasannya selalu mengacu pada titik akhir dari suatu lintasan. Titik akhir suatu 37
lintasan merupakan titik awal untuk pengukuran lintasan berikutnya atau penentuan koordinatmya berdasarkan pada perubahan panjang pada sumbu X (.X) dan perubahan X 6 panjang lintasan sumbu Y (.Y). Titik nol benda kerja mengacu pada titik nol sebagai titik referensi awal, letak titik nol benda kerja ditentukan berdasarkan bentuk benda kerja dan keefektifan program yang akan dibuatnya. Penentuan titik koordinat berikutnya mengacu pada titik akhir suatu lintasan. Sistem pemrogramman inkremental dikenal juga dengan sistem pemrogramman berantai atau relative koordinat. Penentuan pergerakan alat potong dari titik satu ke titik berikutnya mengacu pada titik pemberhentian terakhir alat potong. Penentuan titik setahap demi setahap. Kelemahan dari sistem pemrogramman ini, bila terjadi kesalahan dalam penentuan titik koordinat, penyimpangannya akan semakin besar. c.Pemrogramman Polar.
Pemrogramman polar terdiri dari polar absolut mengacu pada panjang lintasan dan besarnya sudut (@ L, á) dan polar inkremental mengacu pada panjang lintasan dan besarnya perubahan sudut (@ L, . á). 2.3.2 Gerakan sumbu utama pada mesin CNC.
Dalam pemogrammman mesin CNC perlu diperhatikan bahwa dalam setiap pemograman menganut, prinsip bahwa sumbu utama (tempat pahat/pisau frais) yang bergerak ke berbagai sumbu, sedangkan meja tempat dudukan benda diam meskipun pada kenyataanya meja mesin frais yang nergerak. Programer tetap menganggap bahwa alat potonglah yang bergerak. Sebagai contoh bila programer menghendaki pisau frais ke arah sumbu X positif, maka meja mesin frais akan bergerak ke sumbu X negatif, juga untuk gerakan alat pemotong lainnya. 2.3.3 Standarisasi Pemrogramman Mesin Perkakas CNC.
Pemakaian kode-kode pada mesin perkakas CNC dapat menggunakan standar pemrograman yang berlaku antara lain: DIN (Deutsches Institut fur Normug) 66025, ANSI ( American Nationale Standarts Institue ), AEROS (Aeorospatiale Frankreich), ISO, dll. Sebagian besar dari standar, yang
diinginkan memiliki persamaan dan sedikit saja perbedaannya. Berikut ini
38
beberapa bagian kode pada mesin CNC antara lain kode G, kode M, kode F, kode S dan kode T yang mempunyai arti sebagai berikut. a.Arti Kode M pada mesin CNC.
M00 : Mesin terhenti terprogram M03 : Sumbu utama berputar searah dengan jarum jam M04 : Arah putaran spindle berlawanan jarum jam M05 : Sumbu utama berhenti terprogram M06 : Penggantian alat potong dilakukan agar kualitas benda kerja meningkat. Bentuk benda kerja yang semakin kompleks akan cenderung menggunakan alat potong yang banyak, seperti pemakanan kasar, pengeboran, pembuatan alur, dan pemakanan finishing. Masing-masing jenis pemakanan memerlukan alat potong yang khusus, sebagai contoh alat potong untuk melakukanpemakanan kasar akan berbeda dengan alat potong yang digunakan untuk membuat ulir. M08 : Cairan pendingin akan mengalirkan.Pada proses pengerjaan benda kerja, terjadi gesekan antara benda kerja dan alat potong. Alat potong dan benda kerja akan menjadi panas. Bila tidak didinginkan maka alat potong akan cepat tumpul/ rusak. Oleh karena itu perlu didinginkan dengan cara memerintahklan mesin untuk mengalirkan cairan pendingin (coolant ). M09 : Cairan pendingin berhenti mengalir M17 : Sub program (unterprogram ) berakhir M19 : Sumbu utama posisi tepat M30 : Program berakhir dan kembali pada program semula. M38 : Berhenti tepat, aktif M39 : Berhenti tepat, pasif M90 : Pembatalan fungsi pencerminan 11 M91 : Pencerminan sumbu X M92 : Pencerminan sumbu Y M93 : Pencerminan sumbu X dan Y M99 : Penentuan parameter lingkaran I, J, K. b.Arti Kode G 00.
39
Kode G 00 merupakan intruksi untuk memerintahkan mesin CNC agar sumbu utama (pisau frais/pahat bubut) melakukan gerakan cepat tanpa melakukan pemakanan.Gerakan ini digunakan bila pahat/pisau frais tidak melakukan pemakanan pada benda kerja. Gerakan cepat digunakan bila alat potong berada bebas dari pemakanan benda kerja, alat potong kembali ke atas permukaan benda kerja, atau kembali ke titik referen. Gerakan cepat dapat dilakukan bila posisi alat potong benar-benar tidak akan menabrak benda kerja atau peralatan lainnya. Kesalahan dalam penentuan koordinat dapat menyebabkan benturan antara alat potong dengan mesin atau benda kerja yang dapat menyebabkan kerusakan fatal pada alat potong maupun mesin. c.Arti Kode G 01.
Kode G 01 merupakan instruksi agar alat potong mesin CNC melakukan gerakan pemakanan lurus baik ke arah sumbu X, Y, maupun Z. Pada mesin CNC baik bubut maupun frais intruksi G 01 merupakan perintah agar alat potong bergerak lurus dari satu titik ke titik lainnya dengan kecepatan sesuai dengan feeding yang telah ditentukan. Gerakan lurus dengan pemakanan digunakan untuk melakukan pengefraisan atau pembubutan lurus, termasuk tirus dan kedalaman pemakanan. d.Arti Kode G 02.
Kode G 02 merupakan intruksi agar alat potong mesin CNC melakukan gerakan interpolasi lingkaran searah jarum jam. Alat potong (pisau frais atau pahat bubut) akan membentuk lingkaran yang searah jarum jam. Sering dijumpai bentuk benda kerja yang berupa lengkungan yang memiliki radius tertentu. Seperti bentuk fillet pada ujung–ujung benda kerja atau bentuk lingkaran sebagian atau penuh pada benda kera. Gerakan sea rah jarum jam atau berlawanan menggunakan asumsi bahwa alat potong berada di atas benda kerja, atau di belakang benda kerja. Jadi bila alat potong berada di depan benda kerja maka berlaku sebaliknya. G 02 X + ….. Z - ….. G 02 X - ….. Z - ….. e.Arti Kode G 03.
40
Kode G 03 merupakan instruksi agar alat potong mesin CNC melakukan gerakan interpolasi lingkaran berlawanan arah dengan jarum jam. Gerakan ini akan selalu membentuk lingkaran yang berlawanan arah dengan jaraum jam. G 03 X + ….. Z - ….. G 03 X - ….. Z - …..
41
BAB III METODE PERENCANAAN 3.1 Diagram Alir Perencanaan dan Proses pembuatan poros Generator dengan mesin CNC TU-2A. START PERENCANAAN POROS AC
ANALISA KEKUATAN MATERIAL MENENTUKAN BAHAN
MENENTUKAN UKURAN
PROSES PERSIAPAN ALAT DAN MESIN
PROSES PERMESINAN
EVALUASI HASIL PERANCANGAN
SELESAI Gambar 3.1 Diagram alir proses pembuatan poros generator AC [3]
42
3.2 Penjelasan Diagram Alir Proses Pembuatan poros Generator AC dengan mesin CNC TU-2A. 3.2.1 Perencanaan Poros. Perencanaan Poros ini membahas bagaimana membuat komponen dari generator AC
yaitu poros atau shaft yang merupakan bagian dari
komponen prime
mover mesin diesel (main distribution panel ).
3.2.2 Analisa Kekuatan Material. Analisa kekuatan material yang dibahas dalam perancangan pembuatan poros generator ini meliputi : a.Perhitungan Momen yang terjadi pada poros. b.Perhitungan Tegangan Bending pada poros. c.Perhitungan Tegangan Geser Ijin Torsional. d.Perhitungan Poros dengan Beban Lenturan Murni. e.Perhitungan Poros dengan beban kombinasi puntir dan lentur. f. Perhitungan Poros dengan Beban Berfluktuasi.
3.2.3 Menentukan Bahan. Dalam pembuatan poros generator ini menggunakan material Baja S45C yang dilakukan pengujian bahan material. Proses pengujian bahan
menggunakan
sempel bahan poros, Untuk mengetahui tegangan tarik dari bahan poros yang
telah kami beli dapat dilakukan uji kekerasan melalui uji kekerasan
lekukan
(indentation
hardness ).
Untuk
pengujian
kekerasan
ini
kami
menggunakan uji kekerasan vickers dengan menggunakan alat uji Universal Hardness Tester . Indentor yang digunakan adalah piramida intan.
3.2.4 Menentukan Ukuran. Untuk
menentukan
ukuran
dalam
pembuatan
poros
generator
mempertimbangkan yang dikelompokan menjadi beberapa hal yaitu: a. Bentuk profil poros Generator
43
penulis
b. Proses selanjutnya yaitu perakitan generator
3.2.5 Proses persiapan Alat dan Mesin Dari proses pembuatan poros generator dibutuhkan beberapa alat dan mesin serta kelengkapannya. Alat dan mesin yang digunakan haruslah sesuai dengan pekerjaan yang akan dilakukan. Adapun alat dan mesin yang digunakan antara lain : a.Mesin Gergaji b.Mesin Bubut CNC c.Mesin Milling CNC
3.2.6 Proses Permesinan Untuk mempermudah pengerjaan proses permesinan Poros generator
maka
dibagi beberapa proses machining dari pemotongan rafing material sampai proses finis.Proses pembuatan poros atau Shaft ini menggunakan mesin CNC.
3.2.7 Evaluasi Hasil Perancangan Sebelum memastikan apakah hasil perancangan poros generator ini sudah sesuai dengan hasil yang direncanakan atau masih ada kekurangan maka harus ada evaluasi supaya hasil dari perancangan poros generator maksimal.
3.3 Perencanaan Proses Pengerjaan poros generator AC dengan mesin CNC TU-2A Dalam pembuatan poros generator ini menggunakan material Baja S45C yang dilakukan pengujian bahan material. Proses pengujian bahan menggunakan sempel bahan poros, Untuk mengetahui tegangan tarik dari bahan poros yang telah kami beli dapat dilakukan uji kekerasan melalui uji kekerasan lekukan (indentation hardness ). Untuk pengujian kekerasan ini kami menggunakan uji kekerasan vickers
dengan menggunakan alat uji Universal Hardness Tester . Indentor yang digunakan adalah piramida intan. Poros generator ini sebelum diproses machining dipotong terlebih dahulu menjadi 595,3 mm kemudian dicentring untuk penahan kepala center (tails tock). Untuk proses machining menggunakan mesin CNC TU-2A dibagai menjadi 4 proses yaitu :
44
3.3.1 Proses Lathe 1
Nama Mesin
: CNC LATHE MORI SEIKI
Type Mesin
: CL 2000
NO.
: CL201GA3358
Mesin
Tahun Pembuatan
: 2003
Jenis
: Mesin Bubut
3.3.2 Proses Lathe 2
Nama Mesin
: CNC LATHE MORI SEIKI
Type Mesin
: NL2500
NO. Mesin
: NL25IEJ1276
Tahun pembuatan
: 2005
Jenis
: Mesin Bubut
3.3.3 Proses Milling 1
Nama Mesin
: CNC MILLING MORI SEIKI
Type Mesin
: SL 25 B1000
NO. Mesin
: 0856
Tahun Pembuatan
: 1974
Jenis
: Mesin Milling
3.3.4 Proses Milling 2
Nama Mesin
: CNC MILLING MORI SEIKI
Type Mesin
: SL 25 B5
NO. Mesin
: 1813
Tahun Pembuatan
: 1974
Jenis
: Mesin Milling
45
BAB IV PERENCANAAN DAN PERHITUNGAN
4.1 Perencanaan Dan Perhitungan Poros Poros merupakan salah satu komponen terpenting dari suatu mesin yang membutuhkan putaran dalam operasinya. Secara umum poros digunakan untuk meneruskan daya dan putaran.Pada perancangan pembuatan poros ini menggunakan material Baja S45 C.
BEARING PRESS FIT
BEARING
HUB
KEY (PASAK)
HUB
PRESS FIT
HUB KEY (PASAK)
SNAP RING
AXIAL CLREARANCE
Gambar 4.1 Perancangan Poros Generator [2] 4.1.1 Perhitungan Momen Pada Poros
Beban poros generator direncanakan adalah 20 Kg dan diasumsikan beratnya merata dengan =
panjang 595,3 mm jadi beban satuannya adalah
=0,033Kg/mm dan ditambah beban 3 hub, masing-masing 4kg ,4,5kg 595,3 20
dan 2kg.
46
HUB = 4kg
HUB
=2kg
= 4,5
Q1
Q2
A A’
B
E
F
C 139,1mm
156,2mm
POROS
D 92mm
208mm
RAY
RBY
Gambar 4.2 Momen yang terjadi pada poros [1] a.Perhitungan momen.
● Q1 adalah pusat beban poros merata antara A’ dan A yang besarnya adalah : Q1 = Beban satuan permilimeter X setengah panjang A’→A Q1 = 0,033Kg/mm X ½(156,2mm) Q1 = 2,577 Kg.
● Q2 adalah pusat beban poros merata antara A→ B yang besarnya adalah: Q2 = Beban satuan permilimeter X setengah A →B Q2 = 0,033 Kg/mm X ½ (139,1mm + 208 mm + 92mm) Q2 = 7,25Kg.
●Σ MA= 0
[{-(4kg).(156,2mm)}
+
{-(2,577Kg).(78,1mm)}
+{(7,25Kg).(219,55mm)} + {(2kg).(347,1mm)} –
+{(4,5kg).(139,1mm)}
{(RBY).(439,1mm)}]
= 0
(-624,8kgmm) +(-201,26Kgmm) + (625,95kgmm) + (1591,74Kgmm) + (694,2kgmm) – (RBY.439,1mm) = 0
47
RBY =
−
−
( 624,8kgmm )+( 201,26Kgmm )+(625,95kgmm )+(1591,74Kgmm )+( 694,2kgmm )
439,1
RBY = 4,75Kg
●Σ MB = 0
[{(-2kg).(92mm)} –{(7,25Kg).(219,55mm)}-{ (4,5kg).(300mm)} + {(RAY).(439,1mm)} - {(2,577Kg).(517,2mm)}– {(4kg).(595,3mm)}] = 0 (-184kgmm) –(1591,74kgmm) – (1350kgmm) –(1332,82kgmm) – (2381,2kgmm) + (RAY.439,1) = 0 RAY =
−184kgmm – 1591,74kgmm −1350kgmm −1332,82kgmm −2381,2kgmm = -15,57kg 439,1
(tanda minus menunjukan arah sebaliknya) Bila dilakukan pengecekan
Σ KV = 0 RAY + RBY – 4kg – 4,5kg -2kg-2,577kg-7,25kg = 0 15,57 kg + 4,75 kg – 4kg -4.5 kg -2 kg-2,577kg-7,25kg = 0 20,320kg -20,327kg = 0 -0,007kg = 0 Dibulatkan 0 = 0
KH = 0
dan RAX = 0 (karena tidak ada gaya kearah horizontal)
b. Perhitungan SFD (Shearing Force Diagram ).
48
VA
A
RAY = 15,57Kg Gambar 4.3 Pencarian VA [1] Fy = 0 VA-15,57 kg = 0 VA = 15,57Kg
VE
2,577Kg
A E RAY = 15,57Kg Gambar 4.4 Pencarian VQ1 atau VE [1]
VQ1+ 2,577Kg – 15,57Kg = 0 VQ1- 12,993 = 0 VQ1= 12,993Kg
49
4Kg
2,577Kg
VA’
A A’
E RAY = 15,57Kg
Gambar 4.5 Pencarian VA’ [1] VA’ + 4Kg + 2,577Kg – 15,57Kg = 0 VA’- 8,993Kg = 0 VA’ = 8,993Kg
,
g VC
A C RAY = 15 57 Gambar 4.6 Pencarian VC [1] VC + 4,5 Kg – 15,57 Kg = 0 VC -11,07Kg = 0
50
VC = 11,07 Kg
4,5 Kg
7,25Kg VF
A C
F
RAY = 15 57 Gambar 4.7 Pencarian VF [1] VF + 4,5 Kg +7,25Kg – 15,57 Kg = 0 VF -3,82Kg = 0 VF = 3,82 Kg
VD
B D
Gambar 4.8 Pencarian VD [1] VD + 2Kg -4,75Kg = 0 VD -2,75Kg = 0 VD = 2,75Kg
51
VB
B
RBY = 4,75Kg Gambar 4.9 Pencarian VB [1] Fy = 0 VB –4,75Kg = 0 VB = 4,75Kg
=
,
VE =12,993Kg
g
VC = 11,07Kg
VF = 3,82Kg
VA’ = 8,993Kg
VD = 2,75Kg VB = 4,75Kg A’
E
A
B C
F
D
Gambar 4.10 Diagram SFD (Shearing Force Diagram) [1] c.Perhitungan BMD ( Bending Momen Diagram ) MA = 0 dan MB = 0
52
MA’
= RAY . (156,2mm) = {(15,57Kg) . (156,2mm)}- {(2,577Kg).(78,1mm)} = 2432,03Kgmm – 201,26Kgmm = 2230,77Kgmm
ME (Q1) = RAY . (78,1mm) = (15,57Kg).(78,1mm) = 1216,02Kgmm MC
= RAY . (139,1mm) = (15,57Kg) .(139,1mm) = 2165,79Kgmm
MF (Q2) = {RAY .(219,55mm)} – {(4,5Kg).(80,45mm)} = 3418,4Kgmm – 362,03Kgmm = 3056,37Kgmm MD
= {RBY.(92mm)} = 4,75Kg .(92mm) = 437,00Kgmm
Mmax = MF (Q2) = 3056,37Kgmm
53
A’ E (Q1) A
C
F(Q2)
B
D
MB = 0
MA’ = 2230,77Kgmm MA = 0 MD = 437,00Kgmm
ME(Q1) = 1216,02Kgmm MC = 2165,79Kgmm
MF(Q2) = 3056,37Kgmm
Gambar 4.11 Diagram BMD ( Bending Momen Diagram ) [1] 4.1.2 Perhitungan Tegangan Bending Pada Poros
Momen maksimum (M) pada poros yaitu : 3056,37 Kgmm pada diameter (d) 54mm maka tegangan yang terjadi pada poros generator adalah [1]: M
=
л . . 3
32
3056,37Kgmm =
3.14 32
.
. (54)
3
)
97803,34Kgmm = 494436,96mm3 . (
=
= 0.198Kg/mm2 494436,96 3
97803,34
) sebesar
Dari data dan hasil perhitungan diperoleh tegangan bending (
0.198 Kg/mm2 dan hasil perhitungan tersebut berada dibawah tegangan bending ijin material poros generator yaitu sebesar [1] :
=
= Tegangan bending ijin material poros = Tegangan luluh bahan = Faktor keamanan
) dan factor
Untuk tegangan luluh bahan S 45C adalah 550MPa (0,55Kg/
2
keamanan diambil Sf = 2 sehingga tegangan bending ijin material poros adalah [1] 54
=
=
0,55
/ 2
2
= 0,275 Kg/
2
4.1.3 Perhitungan Tegangan Geser ijin Torsional
Pemindahan putaran dari satu ujung poros keujung lainya terjadi karena ada puntiran yang besarnya dapat dihitung dengan persamaan:
=
T
: Torsi (Nm) =
Ʈ
2л
60
:Untuk Daya yang dipindahkan (P) adalah sebesar VxI =380V x 22,8 A = 8664 Watt = 8,664 kW : Untuk putaran (N ) adalah 3200 rpm
л 4
J
:Momen inersia polar ( m4) =
Ʈ
: Tegangan geser ijin torsional (N/m
r
: Jari-jari poros (m) = d/2
J
=
)
л
32
3.14 32
2
4
) = 834362,37 =
T=
32
(54
4
4
8664 = 25, 86 Nm = 25860Nmm 2 3.14 3200 60
Sehingga Tegangan geser Torsional yang diijinkan adalah : T
=
Ʈi
=
л
16
.Ʈi.d3
.16 л
3
=
.16 3.14 (54 ) 25860
3
= 0,836N/ 55
2
Syarat pemakaian rumus : 1.Beban torsi murni 2.Poros bulat, pejal, masif 3.Beban lain tidak diperhitungkan. 4.Diameter poros yang dihasilkan merupakan diameter poros minimum, sehingga harus diambil yang lebih besar. Catatan : • Hubungan : torsi, daya, putaran : T=
60 (Nm) 2. . л
4.1.4 Perhitungan Poros dengan Beban Lenturan Murni [1] :
=
M
: momen lentur (N-m)
I
σb
(Poros Pejal)
) : tegangan lentur : N/ : momen inersia (
4
2
y
: jarak dari sumbu netral ke bagian terluar
y
: d/2
I
=
64
4
) = 417181,185 = . . =
M
л
3.14 64
л
4
(54
4
3
32
56
=
x (54mm)
3.14 32
2
x 0.198.Kg/
3
= 3059,32 Nmm 4.1.5 Perhitungan Poros dengan beban kombinasi puntir dan lentur.
Teori penting yang digunakan : (i) Teori Guest : teori tegangan geser maksimum, digunaka n untuk material yang ductile (liat) misal mild steel. (ii) Teori Rankine : teori tegangan normal maksimum, digunakan untuk material yang Mbrittle (getas) seperti cast iron. a.Teori tegangan geser maksimum [1] 1
(i) Ʈ max = 2
�
32
2
+ 4Ʈ 2
(ii) σb
= л 3
(iii) Ʈ
= л 3
16 Ʈ
(iv) Ʈ max = = =
1
32
2
л
16
л 3
3
2
+
16
2
л 3
√ + ) (� (3059,32) 2
(
2
16
)3
3,14 (54
= 0,8426 Nmm b.Teori tegangan normal maksimum [1]:
1
σb max = ½ σb + ( 2 )2 + =½
3
32 л
+
(
1 2
.
Ʈ 2
)2 + 16 2 3 2
32 л
л
57
2
) )
+ (25860
2
[ ]
=
32
л 3
л
½ (M+
σb(max) =
2
2
� + )
1
σb(max) 3 = 2 (M+ ( 32 1 2
� ( + ) 2
2
�
) + (25860 ) ) .(54 ) 2
(3059,32Nmm )+ ( 3059,32 3,14 32
2
3
σb(max) = 1,78N/
2
4.1.6 Perhitungan Poros dengan Beban Berfluktuasi
Pembahasan yang telah dilakukan di atas adalah poros dengan beban torsi dan momen lentur konstan. Jika terjadi fluktuasi beban baik torsi maupun lentur, maka perlu ditambahkan faktor yang berkaitan dengan fluktuasi torsi maupun lenturan. Jika : •Km: faktor momen lentur akibat kombinasi beban shock dan fatigue. •Kt : faktor torsi/puntiran akibat kombinasi beban shock dan fatigue maka [1]: (i) Te
=
� ( + ) + (. ) 2
2
Kt diambil 1,0 dan Km diambil 1,5 Untuk Beban Poros Berputar =
� ( 1,0 + 25860Nmm ) + (1.5 3059,32Nmm) 2
2
= 26264,99Nmm (ii) Me = ½ Km .M +
� ( + )
2
. )
+ (
2
Kt diambil 1,0 dan Km diambil 1,5 Untuk Beban Poros Berputar
58
= ½ x 1,5 x 3059,32Nmm +
� ( 1,0 + 25860)
2
)
+ (1,5 3059,32
2
= 28559,486Nmm Tabel 4.1 Harga Km dan Kt untuk beberapa beban [1] Beban
Km
Kt
1,0
1,0
(ii) Suddenly applied load (tiba-tiba)
1,5 – 2,0
1,5 -2,0
2. Poros Berputar :
1,5
1,0
(ii) Suddenly applied load with minor shock
1,5 – 2,0
1,5 – 2,0
(iii) Suddenly applied load with major shock
2,0 – 3,0
1,5 – 3,0
1. Poros Statis
:
(i) Gradually applied load (perlahan)
(i) Gradually applied load
4.2 Perencanaan Dan Perhitungan Pasak ( Key) Pasak atau keys merupakan elemen mesin yang digunakan untuk menetapkan atau mengunci bagian-bagian mesin seperti : roda gigi, puli, kopling dan sprocket pada poros, sehingga bagian-bagian tersebut ikut berputar dengan poros. 4.2.1 Perhitungan Tegangan Geser yang diijinkan.
Gambar 4.12 Dimensi Pasak [1]
59
Keterangan : t : tebal =2 /3 b b : lebar = d/4 L : panjang (mm) d : diameter poros
τs : tegangan geser pasak Dalam desain pasak harus dicari panjang pasak berdasarkan tegangan geser yang terjadi (shearing stress) dan tegangan crushing (crushing stress) kemudian diambil panjang terbesarnya.Panjang pasak yang direkomendasikan dalam satuan mm adalah 6, 8, 10, 14, 16, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400
Tabel 4.2 Pasak Standar [1] Shaft
Key cross-section
Shaft
Diameter (mm) upto
Key cross-section
Diameter Width (mm)
Thickness(mm)
(mm) upto
and
and
including
including
Width (mm)
Thickness (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
60
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
Untuk pasak direncanakan akan dipasang 3 buah yang akan dipasang pada diameter 55 mm, dengan panjang pasak (L) adalah 90 mm, lebar (b) adalah 15mm dan ketebalan (t) adalah 11mm untuk tegangan luluh bahan (crushing strees) tidak melebihi : 7000 N/cm2. Kemudian pada diameter 54 mm, dengan panjang pasak (L) adalah 130mm, Lebar (b) adalah 8mm, dan ketebalan (t) 6mm untuk crushing stress tidak melebihi 6500N/cm2.
Untuk pasak yang dipasang pada diameter
48mm dengan panjang pasak 32mm, lebar 8mm dan ketebalan 6mm dengan crushing strees 5500N/cm2
Tabel 4.3 Perencanaan pasak yang akan dipasang pada poros Generator [1] PASAK
DIAMETER
PANJANG
LEBAR (b)
TEBAL(t)
Tegangan
(d) POROS
(L)
PASAK
PASAK (cm)
luluh
(cm)
PASAK(cm)
(cm)
bahan
(σc) N/cm2 1
5,5
9
1,5
1,1
7000
2
5,4
13
0,8
0,6
6500
3
4,8
3,2
0,8
0,6
5500
Pasak yang direncanakan 1.Pada diameter (d) 55mm = 5,5cm L = 9cm
61
b = 1,5cm t = 1,1cm
σc = 7000N/
2
2.Pada diameter (d) 54mm = 5,4cm L = 13 cm b = 0,8cm t = 0,6cm
σc = 6500N/
2
3.Pada diameter (d) 48mm = 4,8cm L = 3,2 cm b = 0,8 cm t = 0,6 cm
σc = 5500N/
2
Untuk mencari tegangan geser pasak yang diijinkan (Ʈs) persamaan[1] :
● Torsi akibat tegangan geser (pasak) : T = L x t/2 x σc.d/2 ● Torsi akibat tegangan geser torsional (poros) : T = л/16 x Ʈs x
3
Dari kedua persamaan diperoleh :
L . t/2 . σc . d/2 = л/16 . c .
3
62
menggunakan
σc
Ʈs = л 2 4
● Maka tegangan geser pasak yang diijinkan pada diameter 55mm adalah:
σc
Ʈs = л 2
=
1,1л 7000N/cm2 (5,5 )
9
2
4
= 2918,35 N/cm2
4
● Tegangan geser pasak yang diijinkan pada diameter 54 mm adalah:
σc
Ʈs = л 2
=
13
0,6л 6500N/cm2 (5,4 ) 2
4
= 2214,88 N/cm2
4
● Tegangan geser pasak yang diijinkan pada diameter 48 mm adalah:
σc
Ʈs = л 2
=
3,2
4
0,6 5500N/cm2 л (4,8 ) 2
= 583,86 N/cm2
4
Dari ketiga pasak tersebut pada diameter 55mm,54mm dan 48mm dikondisikan aman karena dibawah tegangan luluh bahan. 4.2.2 Perhitungan Gaya Yang Terjadi Pada Pasak
Hal-hal penting yang harus diperhatikan dalam mendesain sebuah pasak sebagai berikut: a.Bahan pasak dipilih lebih lemah daripada bahan poros atau bahan elemen mesin yang harus ditahan oleh pasak. b.Gaya tangensial yang bekerja :
= 2 8664 55 2 2 8664 Ft = = 54 2 2 8664 Ft = = 48 Ft =
2
= 315,1 N (untuk diameter 55mm) = 320,88N (untuk diameter 54mm) = 361 N (untuk diameter 48mm)
dengan T : torsi (N mm)
63
Ft: gaya tangensial (N) d : diameter poros (mm) c.Gaya geser yang timbul (Fs) :
τs
Fs=
Fs =
Fs =
Fs =
untuk As = L.b sehinga:
2918,35 N/cm 2
1,5
9
= 216,17 N (untuk diameter poros 55mm)
2214,88 N/cm2 13
0,8 = 212,96 N (untuk diameter poros 54mm)
583,86 N/cm2 3,2
0,8 = 228,07 N (untuk diameter poros 48mm)
Fs : gaya geser As : luas bidang geser yang tergantung pada jenis pasak untuk pasak benam segi empat berikut : b : lebar (mm) L : panjang (mm)
64
BAB V PROSES PENGERJAAN 5.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Poros Generator IDE PERANCANGAN
PERSIAPAN GAMBAR
PERSIAPAN BAHAN
KERJA
PERSIAPAN MESIN DAN ALAT
PROSES PEMBUATAN POROS GENERATOR
PEMERIKSAAN UKURAN
HASIL PERBAIKI
OK ?
BELUM
SUDAH
SELESAI
Gambar 5.1 Diagram Alir Proses Pengerjaan Poros Generator [3] 65
5.2 Proses Persiapan Alat dan Mesin pembuatan poros Generator Untuk mempermudah pengerjaan Poros maka dibagi beberapa proses machining dari pemotongan rafing material sampai proses finis.Proses pembuatan poros atau Shaft ini menggunakan mesin CNC.
Gambar 5.2 Poros Generator [4]
66
5.2.1 Persiapan Gambar Kerja
Tahap
ini
merupakan
tahap awal dalam
proses pembuatan poros
Generator. Persiapan ini sangatlah penting untuk dilakukan karena tanpa gambar kerja kita akan mengalami kesulitan dalam pembuatan poros generator ini. Dalam menggambar, gambar kerja harus ada ukuran yang tersusun dengan rapi agar operator mudah mengerti. 15
8
1 2 S
S 2 1
5 2 . R 0
8
1 2 S
5
5 R 0. 2
R 0 .2 5
S 2 1
S 2 1 1 2 S
4
R0.25
4
R 0 .2 5
R 0 .2 5
Section K-K
Section A-A
Section B-B
595.3
20
234
341.3
156.2
300 167
110
92
30.2
57
F
A
K
5 2 0 . 0 0 -
7 h 5 5
23
5
3
7 5
0 1 3 1 0 . 0 . 0 0 + + 0 6
3 0 . 0 0 -
7 H 8 6
6 7
B 5 5 5 2 0 0 . . 0 0 + +
0 6
4 5
8 4
3 5
E 5 9 2 0 0 . 0 . 0 0 + +
6 m 0 4
7 4
B
A
K
5 0 5 5 2 0 . 0 . 0 0 + +
0.01 0.01E-F
+0.50
+0.50
90 0
130 +0.10
5
+0.35
4
32+0.10
Gambar 5.3 Gambar Kerja Poros Generator [6]
5.2.2 Persiapan Bahan Material
Persiapan
bahan
yang diperlukan
terlihat seperti pada table dibawah ini.
67
dalam
pembuatan poros Generator
0.0
Tabel 5.1 Persiapan Bahan Material NO
NAMA
BAHAN
UKURAN
1
POROS GENERATOR
S45C
80 X 596
5.2.3 Pengujian Bahan Material
Proses pengujian
bahan
sangat penting dilakukan
karena
akan
mempengarui proses selanjutnya. Proses pengujian bahan menggunakan sempel bahan poros, berikut merupakan tahapan dari proses pengujian bahan yaitu : a.Persiapan Alat 1. Mesin gerinda tangan 2. Mesin uji kekerasan vickers (Universal Hardness Tester) 3. Alat ukur (Jangka Sorong dan Kaca Pembesar Berskala) 4. Amplas kasar dan halus 5. Kaca pembesar berskala b.Langkah Pengujian 1. Persiapan alat dan bahan untuk uji kekerasan vickers. 2. Pemotongan bahan menggunakan gergaji. 3. Bahan digerinda dan dikikir sampai rata pada bagian permukaannya. 4. Proses penghalusan bagian permukaannya dengan menggunakan amplas kasar hingga amplas yang halus. 5. Lakukan pengujian bahan dengan Universal Hardness Tester sebanyak 3 kali atau 3 titik. 6. Ukur diagonal indentasi hasil pengujian dengan kaca pembesar berskala. 7. Lakukan perhitungan dari hasil pengukuran diagonal indentasi bahan tersebut. 8. Bersihkan dan rapikan semua peralatan yang sudah digunakan. c. Hasil Uji Bahan 68
Untuk mengetahui tegangan tarik dari bahan poros yang telah kami beli dapat dilakukan uji kekerasan melalui uji kekerasan lekukan (indentation hardness). Untuk pengujian kekerasan ini kami menggunakan
uji kekerasan
vickers dengan menggunakan alat uji Universal Hardness Tester. Indentor yang digunakan adalah piramida intan. Beban penekanan (P) pada alat uji yaitu 60 kg (588 N).
Untuk mencari besarnya angka kekerasan
vickers,
dapat
ditentukan dengan persamaan [1]: VHN
=
1,854 ( )
2
Keterangan:
)
VHN
= Harga kekerasan vickers (Kg/
P
= beban yang digunakan (kg)
d
= diameter lekukan (mm)
2
Setelah dilakukan pengujian dilakukan sebanyak 3 kali dan hasil uji yang didapat dimasukkan pada persamaan diatas, maka diperoleh harga kekerasan vickers dalam tabel 4.2 Tabel 5.2 Harga kekerasan Vickers Pada bahan material S45C [1] BAHAN
DIAGONAL
DIAGONAL
HARGA
HARGA
IDENTASI
IDENTASI
KEKERASAN
KEKERASAN
(d1 + d2)
RATA-RATA
VICKERS
VICKERS
(d1+d2)/2 mm
(Kg/mm2)
RATA-RATA
VHN = BAJA
2
(1,0 + 0,95)
0,95
123,26
(0,95 + 1,1)
1,025
105,87
(1,0 + 1,0)
1,00
111,24
69
(1.854)
(Kg/mm2) 113,45
Dari rata-rata harga kekerasan Vickers yang telah didapat, penulis dapat mengetahui jenis bahan serta kekuatan tarik bahan tersebut dapat menggunakan persamaan dibawah ini:
ωjs = 0,345 x HB Ket :
ωjs = dalam Mpa (N/mm²) HB = dalam N/mm² Diperoleh harga kekuatan tarik bahan poros tersebut sebagai berikut:
ωjs = 0,345 x HB, kg/mm² ωjs = 0,345 x 107,78 (setelah dikonversikan ke Brinell) = 37,18 Kg/mm2 ~ 64,36 N/mm² Untuk tegangan kerja adalah [1] :
σ = 60
σ = 3,14/4 0,95 2
= 84 Kg/
2
5.2.4 Persiapan Alat dan Mesin
Dari proses pembuatan poros generator dibutuhkan beberapa alat dan mesin serta kelengkapannya. Alat dan mesin yang digunakan haruslah sesuai dengan pekerjaan yang akan dilakukan. Adapun alat dan mesin yang digunakan antara lain : a.Mesin Gergaji b.Mesin Bubut CNC
70
c.Mesin Milling CNC
5.3 Proses Machining Pembuatan Poros Generator 5.3.1 Proses Pemotongan material
Setelah kerja,bahan,
persyaratan pengujian
pembuatan
bahan
dan
dipersiapkan,
peralatan
alat
meliputi gambar
mesin
maka
proses
pembuatandapat dimulai.Potong bahan Ø80 x 595.3 mm, menggunakan mesin Gergaji.Pemotongan bahan ini harus diberi sedikit kelebihan dari ukuran benda kerja yang sebenarnya, kira-kira 5 mm karena untuk pembubutan facing atau peralatan bagian pemotongan. Perlu diingat bahwa dalam pemotongan bahan ini jangan lupa untuk memberi pendingin pada bagian yang dipotong untuk mengatasi panas yang lebih pada bahan dan mata gergaji agar tidak cepat tumpul dan patah.
Gambar 5.4 Proses pemotongan material [4]
71
595.3
0 8
Gambar 5.5 Proses penyenteran material [6]
Dalam proses pemotongan material menggunakan mesin gergaji dan untuk penyenteran menggunakan mesin drilling manual. 5.3.2 Proses Lathe 1
Nama Mesin : CNC LATHE MORI SEIKI Type Mesin : CL 2000 NO. Mesin : CL201GA3358 595.3
20
234 156.2
30.2
STOPPER
CENTER
110
3 F
3 0 . 0 0 -
6 7
D
7 H 8 6
C B
Gambar 5.6 Proses Lathe I [6]
72
7 5
0 6
3 CHUCK PRESSURE
Program CNC Proses Lathe I
5 2 0 . 0 0 -
0 1 3 1 0 . 0 . 0 0 + +
A
7 h 5 5
C1.5
E
Membubut poros dari diameter 80 menjadi diameter 55mm pada bagian A ,60mm bagian B, 68mm bagian C, dan 76mm bagian D serta membuat grooving pada bagian E. Proses ini menggunakan mesin bubut CNC dengan menggunakan kode program G71 yang system kerjanya secara otomatis membuat profil sendiri sesuai dengan kode-kode angka yang dimasukkan sesuai dengan perhitungan yang diinginkan yaitu sebagai berikut [2]:
1.O180 (Proses Lathe 1 Poros) O180
: Program number
2.N1 G50 N1
:Sequence number
G50
: Coordinat system setting / Spindle speed limit setting
3.G0 T0202 M8 G0
: Positioning
T0202 : Tool Number M8
: Coolant ON
4.G97 S720 M3 G97
: Constand spindle speed command
S720
:Spindle speed 720
−
1
V (cutting speed) = 180 m/min (Untuk proses roughing material Carbon Steel) D N N
=80mm
л 1000 180 = =716.56 ~ 720 −1 3.14 80 =
1000
73
M3
: Spindle Start normal
5.G0 X83.Z10. G0
: Positioning
X83.
: Point axis X 83
Z10
: Point axis Z 10.
Z0. G1 X80. F1. G71 (U1)1.35 G71 P10 Q20 (U2)0.5 W0.1 R500 F0.25 (U1)1.35: Dept of cut 1.35mm P10
:The sequence number of the fisrt blok on the blocks defining the
finish shape N10 Q20
: The sequence number of the fisrt blok on the blocks defining the
finish shape N20 (U2)0.5
:Finishing allowance in the X-axis direction 0.5 mm in diamteter
W0.1
:Finishing allowance in the Z-axis direction 0.1 mm
R500
: Relief amount 0.5mm
F0.25
: Feed Rate 0.25 mm/rev
F<
R= Maximum Cutting F=
180 720
=0.25
74
1 U
R
W
D
C
B
X
A
Rapid Tranverse Cutting Feed Finishing Allowance
Z
Gambar 5.7 Proses Alur Program Kerja Tool Menggunaka n G71 [4] 6.Membubut Rafing pada bagian A
N10 G0 X52.5 G1 Z0.3 X55.Z-2. Z-110. X56.5 7.Membubut Rafing pada bagian B
X60.Z-112. Z-156.2 8.Membubut Rafing pada bagian C
X68. Z-234 75
2 U
9.Membubut Rafing pada bagian D
X76. Z-255.5 N20 G1 X80. Z-260. G0 X300.Z2. 10.T0200 11.M1
Titik point STOPPER
CENTER Z-255. Z-234 . 6 7 X
D
Z-156.2 . 8 6 X
C
. 0 6 X
B
A
3 CHUCK PRESSURE
Gambar 5.8 Titik Point Program Lathe 1 [4]
12.N2 G50 13.G0 T1212 M8 14.G97 S1750 M3 15.G0 Z2.
76
Z-2. Z0.3
Z-112. Z-110.
. 5 5 X
5 . 2 5 X
16.X60. M8 17.Membubut finish pada bagian A
G1 X51.575 F1. Z0.5 F.15 X52.875 Z-0.115 F.15 X54.80 Z-2.2 X55.1 Z-2.8 X56. Z1. F2. X55.003 X54.975 Z-110. F.15 X56. X59.85 Z-112. Z-124. F.2 18.Membubut Finish pada bagian bagian B
X60.030 F.1 X60.030 Z-156.2 X66.5 19.Membubut finish pada bagian C
X67.980 Z-157. X67.980 Z-234.F.15 X74.5
77
20.Membubut Finish pada bagian D
X76. Z-234.75 Z-225.2 F.3 G0 X300. Z2. 21.T1200 22.M1 23.Membuat Grooving pada bagian E
N3 G50 G0 T0101 M8 G97 S500 M3 G0 Z-126. X65. X61. F1. G75 R1. G75 X57. P200 F.05 G75
: Call the O.D /I.D grooving cycle or OD Cut-off cycle .
R1
:Return amount in intermitten feed 1.0
X57
: Bottom of cutting in the X – Axis direction
P200
: Infeed amount per intermittent infeed operation in the X-axis
direction 0.2mm F0.05
: Feedrate 0.05 mm/rev
78
5 . 3
R1
1.85
0 1 3 1 0 . 0 . 0 0 + + 0 6
7 5
3 126
P200 Intermitent feed
P200
Rapid Traverse
Gambar 5.9 Alur Program G75 untuk Proses Grooving [4]
S1000 G1 Z-124.92 F.5 X56.85 F.08 Z-126 M9 X65 Z-125.5 X300. Z2. T0100 M5 T0100 24.M89 M89 : Work counter 25.M30
79
M30 : Program end and rewind
5.3.2 Proses Lathe 2
Nama Mesin : CNC LATHE MORI SEIKI Type Mesin : NL 2500 NO. Mesin : 25IEJ1276
595.3
20
341.3
300
STOPPER
167 92
CENTER
57 23
5
E
5
6 7
0 6
0 5 5 2 0 . 0 . 0 0 + +
5 5 5 2 0 0 . . 0 0 + +
K
J
4 5
3 5
I
H
8 4
5 9 2 0 0 . 0 . 0 0 + +
7 4
GF
6 m 0 4
C1.5 0.01
0.01
0.01E-F
3 CHUCK PRESSURE
Gambar 5.10 Proses Lathe II [4] Program CNC Proses Lathe 2 Proses ini membubut dari diameter 80mm menjadi diameter 40mm pada bagian F, 47mm pada bagian G ,48mm pada bagian H ,53mm pada bagian I ,54mm pada 80
bagian J,dan 60mm pada bagian K, mengunakan mesin Bubut CNC dengan kode program G71 yang system kerjanya secara otomatis membuat profil sendiri sesuai dengan perintah program yang dimasukkan sesuai dengn ukuran yang dinginkan yaitu sebagai berikut [2] : O181 ( Proses Lathe 2)
1.N1 G50 2.G0 T0202 3.G97 S1500 M3 4.GO.X80.Z0. F1. 5.G71 U1.35 6.G71 P10 Q20 U.5 W.1 R500 F.3 ER
Z-341.3
Z-172
Z-300
Z-92
Z-167.
Z-62. Z-23 Z-57
Z-2. Z0.
6 7
0 6
K
J
4 5
3 5
I
8 4
7 4
H G
. 0 4 X
F K PRESSURE
Gambar 5.11 Titik point program Lathe 2 [4] 7. Membubut rafing pada bagian F
N10 G0 X37.5 Z0.S G1 Z-2. F.3
81
5 . 7 3 X
G0 X40. Z-2.3 Z-23 8. Membubut rafing pada bagian G
X47. Z-57. 9. Membubut rafing pada bagian H
X48.Z-62. Z-92 10. Membubut rafing pada bagian I
X53. Z-167. 11.Membubut rafing pada bagian J
X54. Z-172. Z-300. 12.Membubut rafing pada bagian K
X60. Z-341.3 X80. N20 G0 X80. 13.G0 X250. Z2. 14.T0200
82
15.M1 16.N2 G50 17.G0 T1212 M8 18.G97 S2000 M3 19.G0 Z2. 20.X55. 21.Membubut finish pada bagian F
GI X37.5 F1. Z2. F.1 X40.028 Z-2.3 X40.040 Z-22.4 G2 X41.2 Z-23. R0.6 G1 X45.5 22.Membubut finish pada bagian G
X47.0 Z-23.75 Z-57. F.2 23.Membubut finish pada bagian H
X48.050 Z-62. X48.050 Z-92. X47.5 F.1 X51.5
83
24. Membubut finish pada bagian I
X52.95 Z-92.75 Z-167. F.17 25. Membubut finish pada bagian J
X54.050 Z-172 X54.050 Z-300. F.2 X53.5 F.1 X58.5 26. Membubut finish pada bagian K
X60.Z-300.75 Z-341.2 F.17 X77. Z-341. F1.S X76.5 Z-343. X75.8 Z-342.F.1 X74.5 Z-341.3 X59.8 F.15 27.G0 X300. Z2. M9 28.T1200 29.M89 30.M30
84
4.3.3 Proses Milling 1
Nama Mesin : CNC Milling Mori Seiki Type Mesin : SL 25B1000 NO.
Mesin : 0856
90
CLAMP
+0.50 0
K
K
STOPPER
5
49.9
+0.04
5 2 . 0 R
Y E
7 2 0 . 0 0 +
8 H 5 1
5 2 0 . 0 0 -
12 S S 2 1
7 h 5 5
5 2 . 0 R
Section K-K
Gambar 5.12 Proses Milling I [6]
85
Program Milling 1 ini adalah membuat alur pada diameter 55mm sepanjang 90mm sesuai dengan yang direncanakan menggukan mesin CNC milling sesuai dengan program yang telah dibuat [2] : Program milling CNC (Membubut Milling pada diameter 55mm sepanjang 90mm kedalaman 5mm ) 1.O 151 2.N1 G98 3.M05 4.M45 5.G28 H0 6.G0 T0101 7.G97 S1000 M13 8.G0 X53.5.Z1. 9.G1 Z-90.2 F.1 10.G0 X55.Z1. 11.X 52. 12.G1 Z-90.2 F.1 13.G0 X53.Z1. 14.X50.5 15.G1 Z-90.2 F.1 16.G0 X51.Z1. 17.X49.9
86
18.G1 Z-90.2 F.1 19.G0 X200.Z100. 20.G0 T0100 21.M30
9 . 9 4
90
+0.50 0
Gambar 5.13 Alur Program Milling [4] 5.3.4 Proses Milling II
Nama Mesin : CNC Milling Mori Seiki Type Mesin : SL 25B5 NO. Mesin : 1813 87
CLAMP 300 92
A
B
3
0 . 0 0 -
7 H 8 6
5 5 2 5 0 0 . . 0 0 + +
0 6
6 7
7 4
3 5
4 5
B
A
STOPPER 130
5
4
+0.20 +0.10
4
5 2 . 0 R
49.9 X 4
2 2 0 . 1 0 0 12 S S 2 +
8 H 8
+0.35 +0.10
32
+0.04
5 2 . 0 R
X F
+0.50 +0.10
5 5 5 2 0 0 . . 0 0 + +
4 5
W
G
5 2 . 0 R
+0.20 +0.10
+0.04
43.9
2 2 0 S 2 1 12 S . 0 0 +
8 H 8
W
0 5 5 2 0 . 0 . 0 0 + + 8 4
5 2 . 0 R
Section B-B
Section A-A
Gambar 5.14 Proses Milling II [6]
Proses Milling 2 ini membuat alur untuk tempat pasak pada diameter 48mm dengan panjang 32mm dan pada diameter 54mm sepanjang 130mm kedalaman 4mm dengan mesin CNC Milling sesuai dengan program yang direncanakan yaitu [2] : 1.O 151 Proses milling pada Section B-B 2.N1 G98
88
3.M05 4.M45 5.G28 H0 6.G0 T0101 7.G97 S1000 M13 8.G0 Z-56. 9.X49. 10.G1X46.5 F.05 11.Z-88.2 12.G0 X47.Z-56. 13.G1X45.F0.5 14.Z-88.2 15.G0 X46.Z-56. 16.G1 X43.9 F.05 17.Z-88.2 18.G0 X55. 19.Z-165. Proses Milling untuk section A-A
20.G1 X53.5.F.05 21. Z-295.2 F.05 22.G0 X55.Z-165.
89
23.G1X52. F.05 24.G1 Z-295.2 25.G0 X53.Z-165. 26.G1X50.5 F.05 27.G1 Z-295.2 F.05 28.G0 X51.Z-165. 29.G1X49.9 F.05 30.G1 Z-295.2 31.G0 X200.Z100. 32.G0 T0100 33.M30
90
BAB VI PENUTUP 6.1 Kesimpulan Berdasarkan
hasil yang telah
dilakukan dan
dicapai dari keseluruhan proses
perancangan yang meliputi pembuatan dan pengerjaan terhadap poros Generator AC, maka diambil kesimpulan sebagai berikut. 1.Mesin dan peralatan yang digunakan dalam pembuatan Poros generator adalah mesin bubut CNC Mori Seiki CL2000, mesin gergaji Makita 5800 NB, mesin Milling CNC. Peralatan pendukung yang digunakan adalah pahat Insert, bor senter, senter putar, end mill cutter 6 mm, ragum, vernier caliper, serta perlengkapan Keselamatan, dan Kesehatan Kerja (K3). 2.Bahan yang digunakan dalam pembuatan poros Generator AC adalah S 45 C dengan harga kekerasan vickers sebesar 113,45 kg/mm² dan kekuatan tarik sebesar
.
37,18 kg/mm² atau 364,36 N/mm² dan tegangan kerja adalah 84 Kg/ 3.Tahapan
proses pembuatan poros generator,
2
yaitu : identifikasi gambar kerja,
pengukuran bahan,pemotongan bahan,pembubutan,dan milling (pembuatan
alur
pasak). Hasil akhir pembuatan poros generator didapat spesifikasi poros sebagai poros tranmisi bertingkat dengan panjang total 595,3 mm dengan diameter terkecil adalah 40mm dan diameter terbesar 78mm. 4.Momen maksimum (M) pada poros yaitu : 3056,37 Kgmm pada diameter (d) 54mm dan tegangan yang terjadi pada poros generator adalah
= 1,78N/mm2. Tegangan
geser Torsional yang diijinkan adalah Ʈi = 0,836N/mm2 tegangan geser maksimum = 0,8826 Nmm. 5.Hasil dari perancangan poros generator AC adalah: a.Panjang total poros adalah 595,3mm. b.Poros berbentuk profil atau bertingkat dengan diameter terkecil adalah 40mm dan terbesar adalah 76mm dengan satu grooving dengan diameter 57mm. c.Daya mesin yang dihasilkan atau torsi sebesar 8,604 Kw.
91
6.2 Saran Proses pembuatan poros generator ini masih terdapat beberapa kelemahankelemahan. Berdasarkan kelemahan-kelemahan yang masih terdapat pada
proses
pembuatan dapat dijadikan pelajaran agar poros ini dapat disempurnakan lagi. Saran untuk langkah pembuatan, pengembangan dan penyempurnaan poros ini adalah: 1.Mengidentifikasi gambar, penentuan desain, ukuran dan bahan yang digunakan dalam pembuatan poros generator ini dilakukan agar dapat mempercepat proses pengerjaan dan mempersingkat waktu yang digunakan. 2. Pada saat pembuatan poros, mesin dan peralatan disiapkan dengan sebaik mungkin agar dalam mengerjakan permesinan tidak lagi memikirkan alat yang dibutuhkan. 3. Perlu diperhatikan tentang kesejajaran antara senter Tail stock dengan senter pada spindel hal ini sangat penting karena akan sangat berpengaruh pada hasil dari poros generator ini. 4. Penambahan dial indikator dan busur derajat yang permanen sangat perlu karena akan memudahkan penggukuran dan membantu kepresisian poros generator ini.
92
DAFTAR PUSTAKA
[1] Budiman, A., dan Priambodo, B. (1999). Elemen Mesin Jilid 1 (G. Niemann. Terjemahan). Jakarta: Erlangga. [2] Mori Seiki CL2000(2005).Programming Manual .Jakarta : PT Morita Tjokro Gearindo. [3] Fakultas Teknik.
(2012).
Pedoman
Proyek
Akhir D3.
Universitas Negeri
Yogyakarta. [4] Juhana, Ohan, dan Suratman, M. (2000). Menggambar Teknik Mesin dengan Standar ISO. Bandung: Pustaka Grafika. [5]
Ramdani,
M.
(2007).
Generator
Listrik
(Pengantar
Teknik
Elektro).
Bandung:Institut Teknologi Telkom [6] Sato, G. T., dan Hartanto, N. S. (2000). Menggambar Mesin Menurut Standar ISO. Jakarta: Pradnya Paramita.
93
