KELOMPOK 3Page 16
KELOMPOK 3
Page 16
[Type the company address]
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Sebelum membuat suatu mekanisme atau mesin, seorang designer mesin haruslah melakukan perencanaan yang berisi perhitungan-perhitungan terhadap gaya-gaya yang di duga akan menimpa atau terjadi pada mekanisme atau mesin tersebut. Dugaan atau asumsi awal yang di ambil haruslah logis dan realistis untuk mendapatkan pendekatan yang baik terhadap hasil akhir dari mekanisme atau mesin yang akan dibuat.
Untuk melakukan itu semua memang tidaklah gampang, di perlukan pemahaman yang dalam terhada teori yang ada serta pengaplikasiannya dalam dunia nyata. Tahapan perencanaan awal ini sangatlah penting dilakukan, karena selain dapat memberikan informasi yang akurat akan keadaan mesin setelah dibuat juga dapat meningkatkan efisiensi baik pada saat proses pembuatan maupun efisiensi mesin itu sendiri setelah selesai di buat.
Tidak semua orang dapat melakukan hal ini dengan baik sekalipun ia seorang engineer. Karena selain diperlukan pemahaman akan teori yang ada juga diperlukan latihan sebagai pengalaman. Maka dari itu pada kesempatan dalam mata kuliah elemen mesin 2 dilakukan perencanaan tentang poros transmisi yang manfaatnya untuk memberikan pengalaman dan gambaran kepada para mahasiswa cara atau langkah-langkah dalam melakukan perancangan suatu mesin beserta komponen-komponennya dengan syarat dan ketentuan yang ada. Dalam perencanaan ini mahasiswa dituntut untuk merancang ulang tentang poros transmisi.
.
Tujuan
Mahasiswa mampu menjelaskan fungsi dan macam poros
Mahasiswa mampu menjelaskan bahan poros
Mahasiswa mampu merencanakan poros dengan beban puntir dan lentur
Manfaat
Dengan melakukan perancangan poros transmisi ini mahasiswa diharapkan dapat memahami tentang poros dan perancangan poros
Sistematika Penulisan
BAB I PENDAHULUAN
Berisi tentang Latar Belakang, Tujuan, Manfaat, Sistematika Penulisan
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Berisi tentang Teori Umum, Teori Khusus, Teori Alat Ukur
BAB III METODOLOGI PRAKTIKUM
Berisi tentang Skema Praktikum, Alat dan Bahan, Asumsi-asumsi, Prosedur Praktikum
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisi tentang Data Percobaan, Perhitungan, Tabel, Grafik dan Pembahasan
BAB V PENUTUP
Berisi tentang Kesimpulan dan Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.Perancangan
Perancangan (design) secara umum dapat didefinisikan sebagai formulasi suatu rencana untuk memenuhi kebutuhan manusia. Sehingga secara sederhana perancangandapat diartikan sebagai kegiatan pemetaan dari ruang fungsional (tidak kelihatan/imajiner) kepada ruang fisik (kelihatan dan dapat diraba/dirasa) untuk memenuhi tujuan-tujuan akhir perancang secara spesifik atau obyektif.[1]
1
Gambar 2.1 Definisi Perancangan Teknik Secara Sederhana
Dalam prosesnya, perancangan adalah kegiatan yang biasanya berulang-ulang(iterative) Kegiatan perancangan umumnya dimulai dengan didapatkannya persepsi tentang kebutuhan masyarakat, kemudian dijabarkan dan disusun dengan spesifik,selanjutnya dicari ide dan penuangan kreasi. Ide dan kreasi kemudian di analisis dan diuji. Kalau hasilnya sudah memenuhi kemudian akan dibuat prototipe. Kalau prototipe sudah dipilih yang terbaik selanjutnya dilempar ke pasaran. Pasar akan memberikan tanggapan apakah kebutuhan telah terpenuhi. Secara skematis kegiatan iterative ini di tunjukkan pada gambar 2.1. [1]
2.2 Proses Perancangan Teknik
Compare Ideate& create Analyzeand/ortest Beberapa pertanyaan yang sering muncul sebelum melakukan design antara lain adalah: bagaimana design dimulai ? apakah insinyur duduk dengan secarik kertas terus menggambarkan ide? faktor-faktor apa yang mempengaruhi keputusan dalam design?dan juga bagaimana proses design berakhir ? Skema proses engineering design yang lengkap ditunjukkan pada gambar 2.2. Proses dimulai dengan "identifikasi kebutuhan dan keputusan untuk melakukan sesuatu tentang kebutuhan itu". Setelah melakukan iterasi berkali-kali, maka proses design akan Product, prototype, process berhenti pada detail design yang siap dipresentasikan untuk selanjutnya dibuat prototype, testing, dan pada akhirnya masuk proses produksi. Identifikasi dan formulasi kebutuhan adalah kegiatan yang membutuhkan tingkat kreativitas yang tinggi. Akan tetapi tahap ini sering rancu dengan berbagai kondisiemosional manusia seperti uneasiness atau perasaan bahwa ada sesuatu salah."Backgroud Research" sangat diperlukan untuk memberikan informasi dalam memahamidan mendefinisikan problem secara lengkap dan detail. Tahap ini kalau dilakukan dengan baik maka akan dapat menetapkan "tujuan (goal)" dari dari design. [1]
2
Gambar 2.2 Tahapan proses design
Tahap Problem definition harus melibatkan semua spesifikasi yang berhubungan dengan "sistem" yang akan didesign. Spesifikasi tersebut adalah kuantitas input dan output, karakteristik dan dimensi serta ruangan yang diperlukan, dan semua kendala atau batasan design. Spesifikasi inilah yang akan menentukan biaya, jumlah yang akan dibuat, umur teknis yang diinginkan, kondisi operasi, dan keandalan machinary. Contoh spesifikasi adalah fungsi (kecepatan, temperatur operasi, tekanan), keamanan (kekuatan, defleksi, getaran) dan lain-lain. Sebagai contoh, untuk machine design, berbagai fungsi dan kendala yang harus dipertimbangkan ditunjukkan pada Gambar 2.3. [1]
3
4
Gambar 2.3 Berbagai jenis kendala yang perlu dipertimbangkan dalam
perancangan mesin
Setelah problem didefinisikan dan seluruh spesifikasi ditetapkan maka tahap berikutnya adalah "Synthesis". Dalam tahap ini semua kemungkinan alternatif solusi digali dan dipertimbangkan. Tahap ini sering juga disebut tahap "ideation and invention" dimana di-generate kemungkinan solusi secara kreatif sebanyak mungkin. [1]
Alternatif-alternatif rancangan yang didapatkan, selanjutnya di "analisis dan optimasi" untuk menentukan apakah rancangan tersebut dapat memenuhi spesifikasi, dan performansi yang diinginkan, ditolak, atau perlu dimodifikasi. Tahap ini akan dapat menghasilkan hasil rancangan yang paling optimum untuk dipilih. Jika analisis menunjukkan bahwa tidak ada rancangan yang memenuhi spesifikasi dan performans yang diinginkan maka harus dilakukan iterasi. Hasil rancangan yang paling optimum dipilih dan selanjutnya dapat dilakukan "detailed design". Dalam detailed design, dihasilkan gambar teknik yang lengkap, spesifikasi material, identifikasi vendor, spesifikasi manufacturing, dll. [1]
Evaluasi merupakan salah satu tahapan penting dalam proses design secara keseluruhan. Tahap ini melibatkan pembuatan "prototype dan pengujian" yang dapat dilakukan di laboratorium. Hasil pengujian prototype inilah yang akan membuktikan apakahrancangan yang dihasilkan dapat memenuhi spesifikasi dan performansi yang diinginkan. [1]
Dari tahap ini akan terjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar tentang sistem yang dirancang seperti misalnya : apakah semua spesifikasi yang diinginkan terpenuhi?, bagaimana tingkat keandalannya?, apakah dapat bersaing dengan produk sejenis?, apakah ekonomis untuk dibuat dan dipasarkan?, apakah mudah dalam perawatan?, dan lain-lain. Data-data hasil pengujian prototype dapat digunakan untuk iterasi berikutnya dalam penyempurnaan design.
Tahap terakhir adalah "presentation". Hasil rancangan perlu dikomunikasikan dengan untuk proses selanjutnya seperti manufacturing, assembling dan sosialisasi. Komunikasi dapat dilakukan dalam tiga cara yaitu komunikasi secara tertulis, lisan, dan dalam bentuk grafik atau gambar. Dengan demikian insinyur harus menguasai ketiga teknik tersebut untuk dapat mempresentasikan rancangannya [1]
2.3. Standard dan Code Perancangan
Untuk menjamin kualitas dan keamanan hasil rancangan maka standards dan Code perancangan sangat diperlukan dalam dunia modern. Banyak organisasikeinsinyuran yang sering disebut "engineering society", organisasi pemerintah, danperusahaan swasta telah mengembangkan "Design Code" untuk peracangan dalam bidang tertentu. Misalnya ASME telah mengembangkan Code untuk perancangan pressure vessel, sistem perpipaan, dll. [1]
Code perancangan adalah suatu "set of specification" untuk analisis, design, manufacturing, dan konstruksi suatu produk engineering pada bidang tertentu. Tujuan dari Code adalah untuk menghasilkan rancangan yang dapat mencapai faktor keamanan, efisiensi, dan performance atau kualitas pada tingkat tertentu. [1]
Standard adalah suatu "set of specification" untuk part/komponen, material, proses yang ditujukan untuk mencapai keseragaman, inter changeability, efisiensi, dan kualitas yang tertentu. Jadi dalam aplikasinya, standard dapat membatasi jumlah suatu parts/material dalam suatu spesifikasi tertentu sehingga memudahkan dalam inventory dari bentuk, ukuran, jumlah, dan variasinya.[1]
Beberapa Society yang telah mempublikasikan Standard dan Code yang
berhubungan dengan bidang "mechanical Engineering" antara lain adalah :
American Society of Mechanical Engineers (ASME)
American Society of Testing and Materials (ASTM)
American Welding Society (AWS)
American National Standard Institute (ANSI)
2.4 Perancangan Poros
Poros adalah elemen mesin yang berbentuk batang, pada umumnya berpenampang lingkaran, berfungsi memindahkan putaran atau mendukung sesuatu beban dengan atau tanpa meneruskan daya . Tegangan dan defleksi adalah parameter yang harus diperhatikan pada perancangan poros. Defleksi sering menjadi parameter kritis, karena defleksi yang besarakan mempercepat keausan bantalan dan mengakibatkan terjadinya misalignment padaroda gigi, sabuk dan rantai. Tegangan pada poros bisa dihitung hanya pada posisi tertentu yang ditinjau dengan mengetahui beban dan penampang poros. Tetapi, untuk menghitung defleksi yang terjadi, harus diketahui terlebih dahulu geometri seluruh bagianporos. Sehingga dalam merancang poros, pertama kali yang dilakukan adalah berdasar tegangan yang terjadi, baru kemudian menghitung defleksi berdasar geometri yang telah ditentukan. Perancangan poros juga dipengaruhi hubungan frekuensi pribadi poros (pada pembebanan bending dan torsi) terhadap frekuensi pembebanan terhadap waktu. Jika frekuensi pembebanan mendekati frekuensi pribadi poros, akan terjadi resonansi,sehingga timbul getaran, tegangan dan defleksi yang besar. [1]
2.5 Jenis Poros dilihat dari Fungsinya;
Macam-macam poros secara garis besarnya poros dibedakan menjadi ;
1. Poros transmisi Poros ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli, sabuk dan rantai. [1]
2. Spindel adalah poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran. Syarat yang harus dipenuhi oleh poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti.[1]
3. Gandar adalah poros yang dipasang diantara roda-roda kereta barang dimana tidak mendapat beban puntir. Gandar hanya mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga.[1]
2.6 Parameter Dalam Perancangan Poros
Adapun parameter yang dijadikan dalam perancangan poros :
Untuk meminimalisasi defleksi dan tegangan, poros diusahakan sependek mungkin dan meminimalisasi keadaan 'overhang',[1]
Sebisa mungkin menghindari susunan batang kantilever, dan mengusahakan tumpuan sederhana, kecuali karena tuntutan perancangan. Hal ini karena batang kantilever akan terdefleksi lebih besar,[1]
Poros berlubang mempunyai perbandingan kekakuan dengan massa (kekakuanspesifik) lebih baik dan frekuensi pribadi lebih besar dari pada poros pejal, tetapi harganya akan lebih mahal dan diameter akan lebih besar,
Usahakan menghindarkan kenaikan tegangan pada lokasi momen bending yang besar jika memungkinkan dan meminimalisasi efeknya dengan cara menambahkan fillet dan relief.[1]
Jika tujuan utamanya adalah meminimalisasi defleksi, baja karbon rendah baik untuk digunakan karena kekakuannya setinggi baja dengan harga yang lebih murah dan pada poros yang dirancang untuk defleksi, tegangan yang terjadi cenderung kecil, [1]
Defleksi pada roda gigi yang terpasang pada pada poros tidak boleh melebihi 0.005 inch dan slope relatif antar sumbu roda gigi harus kurang dari 0.03º. [1]
Jika digunakan plain bearing, defleksi poros pada arah sepanjang bantalan harus kurang dari tebal lapisan oli pada bantalan, [1]
Jika digunakan non-self-alligning rolling element bearing, defleksi sudut poros pada bantalan harus dijaga kurang dari 0.04º,7-9 [1]
Jika terjadi gaya aksial, harus digunakan paling tidak sebuah thrust bearing untuk setiap arah gayanya. Jangan membagi gaya aksial pada beberapa thrust bearing karena ekspansi termal pada poros akan mengakibatkan overload pada bantalan. [1]
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. [1]
2.7 Tegangan Lentur Pada Poros
Poros membawa beban-beban yang tegak lurus terhadap sumbunya. Beban-beban demikian ini menghasilkan momen lentur di dalam poros yang akan membangkitkan tegangan geser. Tegangan lentur ini merupakan tegangan normal, yang dapat berupa tarik atau tekan. Tegangan lentur maksimal dalam sebuah penampang poros akan terjadi dibagian paling jauh dari sumbu netral penampang. Di titik tersebut, rumus kelenturan memberikan tegangan :
σ=McI .………………………………………..(2.1)
di mana :
M = besarnya momen lentur pada penampang.
I = momen kelembaman penampang lintang terhadap sumbu netralnya.
c = jarak dari sumbu netral ke serat penampang poros paling luar. [1]
2.8 Defleksi Pada Poros
Defleksi adalah perubahan bentuk pada balok dalam arah y akibat adanya pembebanan vertikal yang diberikan pada balok atau batang. Deformasi pada balok secara sangat mudah dapat dijelaskan berdasarkan defleksi balok dari posisinya sebelum mengalami pembebanan. Defleksi diukur dari permukaan netral awal ke posisi netral setelah terjadi peformasi. Konfigurasi yang diasumsikan dengan deformasi permukaan netral dikenal sebagai kurva elastic dari balok. Jarak perpindahan y didefinisikan sebagai defleksi balok. Dalam penerapan kadang kita harus menentukan defleksi pada setiap nilai x sepanjang balok. Hubungan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan yang sering disebut persamaan defleksi kurva (atau kurva elastis) dari balok. Sistem struktur yang diletakkan horizontal dan yang terutama diperuntukan memikul beban literal, yaitu beban yangbekerja tegak lurus sumbu aksial batang. Beban semacam ini khususnya muncul sebagai beban gravitasi, seperti misalnya bobot sendiri, beban hidup vertikal, beban keran (crane) dan lain-lain. Sumbu sebuah batang akan terdeteksi dari kedudukannya semula bila benda dibawah pengaruh gaya terpakai. Dengan kata lain suatu batang akan mengalami pembebanan transversal baik itu beban terpusat maupun terbagi merata akan mengalami defleksi.
Ada beberapa metode yang digunakan untuk menyelesaikan persoalan-persoalan defleksi antara lain :
1. Metode integrasi ganda (double integration)
2. Metode luas bidang momen (momen area metod)
3. Metode energy
4. Serta metode superposisi.
Metode integrasi ganda sangat sangat cocok digunakan untuk mengetahui defleksi sepanjang poros. Asumsi yang digunakan untuk menyelesaikan persoalan tersebut adalah defleksi yang diakibatkan oleh gaya-gaya yang bekerja tegak-lurus terhadap sumbu poros. Defleksi yang terjadi relatif kecil dibandingkan dengan panjang porosnya, dan irisan yang terbentuk bidang datar akan tetap berupa bidang datar walaupun berdeformasi. [1]
2.9 Roda Gigi Lurus
Gaya yang terjadi pada roda gigi selama transmisi daya bekerja normal tegak lurus terhadap profil gigi involut . Ketika menganalisis poros , perhatikanlah komponen tegak lurus dari gaya yang bekerja dalam arah radial dan arah tangesial . hitunglah ,Wt ,secara langsung dengan torsi yang ditransmisikan oleh roda gigi . Untuk system satuan yang lazim di Amerika Serikat (AS);
T=63000 .Pn……………………………….(2.2)
di mana :
T
P
n
: Torsi pada roda gigi ( lb . in )
: Daya yang ditransmisikan ( hp )
: kecepatan putar ( rpm )
Wtg=TD2 ……………………………….(2.3)
di mana
T
D
: Torsi pada roda gigi ( lb . in )
: Daya yang ditransmisikan ( hp ) [1]
2.10 Sproket Rantai
Sproket berfungsi untuk mentransmisikan gaya putar antara dua poros dimana roda gigi tidak mampu menjangkaunya. Pada sepeda motor terdapat sproket kecil atau sproket penggerak dan sproket besar atau sproket yang digerakkan. Sproket kecil mempunyai fungsi meneruskan putaran dari transmisi ke rantai. Sproket besar mempunyai fungsi sebagai meneruskan putaran dari rantai ke roda umumnya berbentuk diameter besar dan letaknya berada di bagian belakang atau tepat pada poros roda belakang. Jumlah gigi pada sproket depan dan belakang menghasilkan rasio final drive. Rasio ini dengan mudah dapat diubah yaitu mengubah sprocket dengan jumlah gigi yang berbeda. Dengan penggantian rasio kita bias mendapakan tenaga akhir dan torsi bawah yang efektif. Dari hal ini yang dapat diperoleh adalah kita dapat menghitung RPM tertentu yang diinginkan pada kecepatan jelajah sesuai pilihan kita. [2]
Fc= TD2………………………………………..(2.4)
di mana :
Fc
T
D
: Gaya pada rantai (lb)
: Torsi pada roda gigi ( lb . in )
: Diameter ( in )
Tegangan Geser Rancangan – Torsi tetap
Telah dinyatakan bahwa predictor terbaik dalam kegagalan bahan yang ulet akibat tegangan geser yang tetap adalah teori energy Distorsi , dimana tegangan geser dihitung dari
τd=sy(N 3)………………………………(2.5)
Kita akan menggunakan nilai diatas untuk tegangan geser torsional ,tegangan geser vertical , atau tegangan geser lurus yang tetap dalam perancangan.[2]
Menentukan Diameter Poros
Tujuan dalam perancangan poros adalah menentukan diameter yang diperlukan . Dengan mensubstusikan ;
A=πD24…………………………………….(2.6)
Kita dapat menentukan diameter poros yang diperlukan ;
D= 2,94 Kf VN/Sn'………………………………(2.7)
Tetapi nilai – nilai Kf untuk tegangan geser vertical jarang dilaporkan. Sebagai pendekatan ,kita akan menggunakan nilai- nilai Kf untuk tegangan geser torsional ketika menggunakan persamaan tersebut.
Tegangan Normal Rancangan
Teori ini paling baik diterapkan pada material getas yang berserat dan kaca.Teori ini menyatakan bahwa "Kegagalan diprediksi terjadi pada keadaan tegangan multi aksial jika tegangan utama maksimum sama atau lebih besar dibandingkan tegangan normal maksimum pada saat terjadinya kegagalan dalam pengujian tegangan unaksial sederhana yang menggunakan spesimen dengan material yang sama".
Secara sederhana, kegagalan terjadi apabila : [2]
Jika σ1>0 dan σ3<0 σ1sut + σ3Suc=1ns………….…(2.8)
Jika σ3>0 σ1 =sutns…………….(2.9)
Jika σ1>0 σ3 =sucns……………..(2.10)
di mana :
σ1 σ2 σ3 = tegangan normal utama
Sut = kekuatan ultimate material terhadap tarik
Suc = kekuatan ultimate material terhadap tekan
2..11 Faktor Keamanan
Faktor Keamanan pada awalnya didefinisikan sebagai suatu bilangan pembagi kekuatan ultimate material untuk menentukan "tegangan kerja" atau "tegangan design". Perhitungan tegangan design ini pada jaman dulu belum mempertimbangkan faktor-faktor lain seperti impak, fatigue, stress konsentrasi, dan lain-lain, sehingga faktor keamanan nilainya cukup besar yaitu sampai 20-30. Seiring dengan kemajuan teknologi, faktor keamanan dalam design harus mempertimbangkan hampir semua faktor yang mungkin meningkatkan terjadinya kegagalan. Dalam dunia modern faktor keamanan umumnya
antara 1.2 – 3. Dalam "modern engineering practice" faktor keamanan dihitung terhadap "significant strength of material", jadi tidak harus terhadap ultimate atau tensile strength. Sebagai contoh, jika kegagalan melibatkan "yield" maka significan tstrength adalah yield strength of material; jika kegagalan melibatkan fatigue maka faktor keamanan adalah berdasarkan fatigue; dan seterusnya. Dengan demikian faktor keamanan didefinisikansebagai [2] :
N =significant strength of the materialworking stress……………………(2.11)
Tetapi pada perancangan poros kita akan menggunakan N = 2,0 dimana tingkat keandalan data untuk kekuatan bahan dan beban adalah rata – rata . [2]
2.12 Material Poros
Baja sering digunakan karena modulus elastisitasnya tinggi, sehingga ketahannya terhadap defleksi tinggi. Besi cor dan besi nodular digunakan ketika gear atau komponen lain terintegrasi pada poros. Perunggu dan stailesssteel digunakan di laut atau padakondisi korisif lainnya. Through atau casehardenedsteel sering digunakan pada poros yang digunakan juga sebagai jurnal pada sleeve bearing. Kebanyakan poros terbuat dari baja karbon rendah dan medium yang dirol panas (hotrolled) maupun dingin (coldrolled). Ketika diperlukan kekuatan yang lebih tinggi, bisa digunakan baja paduan. Coldrolled sering digunakan pada poros diameter kecil (sampaidiameter 3 in.), sedangkan hotrolled untuk diameter yang lebih besar. Untuk materialyang sama, sifat mekanik pada coldrolled lebih besar, tetapi akan terjadi tegangan sisapada permukaan. Alur pasak, groove dan step akan melokalisasi adanya tegangan sisadan akan mengakibatkan 'warping'.Permukaan poros yang di roll panas harus dimesin untuk menghilangkan karburizing pada permukaan, sedangkan permukaan yang di rolldingin dibiarkan, kecuali pada bagian dispesifikasikan pada perancangan, seperti untuk tempat bantalan dll. Pada umumnya baja karbon biasa atau baja panduan dengan kandungan karbon sedang, semisal AISI 1020 ,1040, 4140, 4340 , 4640, 5150, 6150, dan 8650 . keuletan dengan persen pemanjangan di atas 12 % lebih disarankan. [3]
2.12.1. Pengertian Baja
Baja adalah logam paduan dengan besi sebagai unsur dasar dan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1% berat sesuai grade-nya. Fungsi karbon dalam baja adalah sebagai unsur pengeras dengan mencegah diskolasi bergeser pada kisi kristal (crystal lattice) atom besi.
Unsur paduan lain yang biasa ditambahkan selain karbon adalah mangan (manganese), krom (chromium), vanadium, dan tungsten. Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya, berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan. Penambahan kandungan karbon pada baja dapat meningkatkan kekerasan (hardness) dan kekuatan tariknya (tensile strength), namun di sisi lain membuatnya menjadi getas (brittle) serta menurunkan keuletannya (ductility). [3]
2.12.2. Klasifikasi Baja
Ada beberapa macam pengelompokan baja diantaranya :
Baja Mangan (10% - 18%Mn) bersifat keras, kuat, dan awet sering digunakan untuk rel kereta api, lapis kendaraan perang dan mesin penghancur batu.
Baja Silikon (1% - 5% Si) bersifat keras, kuat dan mempunyai gaya magnet kuat sering digunakan untuk bahan pembuat magnet.
Durion (12% - 15% Si) bersifat tahan karat dan asam sering digunakan untuk pipa, ketel dan kondensor.
Invar (36% Ni) bersifat koefisien muai rendah digunakan untuk alat pengukur/meteran.
Baja kromium vanadium (1% - 10% Cr) bersifat kuat dan tahan tekanan/beban digunakan untuk poros kendaraan.
Baja tahan karat/Stainless steels (14% - 18% Cr,7% - 9% Ni) bersifat tahan karat untuk alat pemotong dan perkakas dapur. [3]
2.12.3. Sifat Baja
Baja mempunyai sejumlah sifat yang membuatnya menjadi bahan industri yang sangat berharga. Beberapa sifat baja yang penting adalah: kekuatan, kelenturan, keuletan, kekerasan dan ketahanan terhadap korosi. (Lawrance H. Van Vlack,1981)
Kekuatan (strength)
Baja mempunyai kemampuan tarik, lengkung, dan tekan yang sangat besar. Pada setiap pabrikan baja menandai beberapa besar daya kekuatan baja itu misalnya, memasukan satu baja batangan dan mencatumkan pada baja itu ST 37. di sini ST menunjukan bahwa baja itu menunjukkan daya kekuatan (minimum) tarikan atau daya tarik baja itu. Yang dimaksud dengan istilah tersebut adalah gaya tarik N yang dapat dilakukan baja bergaris tengah 1 mm2 sebelum baja itu menjadi patah.
Dalam hal ini kekuatan tarik itu adalah 3700 N/mm2. dahulu kita mencantumkan kekuatan tarik baja itu ST 37, karena kekuatan tariknya adalah 37 kgf/mm2. Karna smengandung sedikit kadar karbon, maka semua jenis baja mempunyai kekuatan tarik yang kuat. Oleh karna kekuatan tarik baja yang kuat maka baja dapat menahan berbagai tegangan, seperti tegangan lentur.
Ketangguhan Baja (toughness) adalah hubungan antara jumlah energi yang dapat diserap oleh baja sampai baja tersebut putus. Semakin kecil energi yang diserap oleh baja, maka baja tersebut makin rapuh dan makin kecil ketangguhannya. Cara ujinya dengan cara memberi pukulan mendadak (impact/pukul takik).
Keuletan Baja (ductility) adalah Kemampuan baja untuk berdeformasi sebelum baja putus. Keuletan ini berhubungan dengan besarnya regangan/strain yang permanen sebelum baja putus. Keuletan ini juga berhubungan dengan sifat dapat dikerjakan pada baja. Cara ujinya berupa uji tarik. [3]
Kekerasan
Baja itu sangat keras sekali sehingga sebagai bahan konstruksi, baja mungkin saja untuk digunakan berbagai tujuan. [3]
Ketahanan Terhadap Korosi
Tanpa perlindungan, baja sangat cepat berkarat. Maka baja diberikan perlindungan yang sangat efektif dengan berbagai cara. [3]
BAB III
METODOLOGI
3.1 Diagram Alir
Tahapan atau langkah dalam mendesain ulang poros turbin air untuk bahan besardapat dilihat pada diagram alir pada Gambar 3.1.
Mulai
Mulai
Kriteria Desain Dengan Untuk Berbahan Besar
Kriteria Desain Dengan Untuk Berbahan Besar
Tentukan Daya Motor
Tentukan Daya Motor
Tentukan Gaya Pada Sproket
Tentukan Gaya Pada Sproket
Tentukan Diameter Poros
Tentukan Diameter Poros
Selesai
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir
Data Material Komponen
Adapun data material Baja Tarik Dingin dengan menggunakan AISI 1040 , yang dapat dilihat pada tabel 3.1. AISI 1040 Mechanical Properties ;
Tabel 3.1 Standard AISI 1040 Mechanical Properties
3.3 Kriteria Desain
Menentukan Gaya Pada Poros
Gambar memperlihatkan sepasang sprocket rantai yang mentramisikan daya. Dengan Asumsi Torsi maksimun pada puli pada turbin adalah 150 hp dengan putaran 1850 rpm .Untuk menentukan gaya pada puli sebagai berikut ;
Fc=T(D2)
dimana :
Fc
T
n
: Gaya pada Rantai ( lb )
: Torsi pada roda gigi ( lb . in )
: Kecepatan putar ( rpm )
3.4. Menentukan Raeksi Tumpuan pada Poros
DBB dari Gambar 3.2 dilihat pada gambar. Nilai Ra dan Rb didapat persamaan sebagai berikut ;
WtFc
Wt
Fc
Wx 5 in 10 in5in
Wx
5 in
10 in
5in
RbRa
Rb
Ra
Gambar 3.2 Diagram Benda Bebas
5
3.5. Menentukan Diameter Poros
Diameter poros ditentukan menggunakan rumus dibawah ini dengan nilai M danT telah diketahui dari perhitungan sebelumnya.
D=32NπKf MSn'2+34TSy213
D
Kf
T
Sy
Sn'
N
: Diameter poros ( in )
: Nilai rancangan awal
: Torsi ( lb.in )
: Tegangan lulul (psi)
: Batas Kekuatan (psi)
: Faktor Rancangan atau Keamanan
dimana :
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil
Pada data ini adalah data poros turbin yang akan dirancang, dengan mendapatkan spesifikasi seperti yang dibawah ini, akan didapatkan besar diameter yang dirancang nantinya. Berikut data dan perhitungan perancangan poros turbin air:
PERANCANGAN POROS TURBIN AIR
Spesifikasi
Daya Transmisi : 150 HP
Putaran : 1850 rpm
Material : AISI 1040
sy= 71 000 psi
Su= 80 000 psi
N 2
Gambar 4.1 Dimensi Poros Turbin Air
Transmisi sabuk menuju konveyor
Transmisi sabuk menuju konveyor
Roda gigi E menggerakkan Q menuju generatorInput dari turbin air
Roda gigi E menggerakkan Q menuju generator
Input dari turbin air
Gambar 4.2 Poros Turbin Air Bekerja
Sn= 35000 psi
Cr= 0,81
Cs'= 0,85
sn1 = sncssn = ( 35000)(0,85)(0,81)
= 24097psi
Faktor Rancangan
T = 63.000 (P)/n
T = 63.000 (40)/1850=1362,16 lb-in dari A ke C
T = 63 000(90)/1850= 3064,86 ln-in dari C ke E
T = 63 000 (150)/1850=5108 lb-in (torsi dalam sproket)
Gambar 4.3 Poros Turbin Air dengan Torsi dan Daya diberikan
Fn=f1 – f2=FA=tADA2) =1362,166,02 = 454 (gaya efektif tramisi)
FA= 1,5 fn = 1,5(454)=681 lb (gaya pelengkung)
FAx=fA cos (60°) = (681)cos (40°)=522 lb
FAy= fA sin ( 60°) = (681)sin (40°) =438 lb
FC=tCDC2) =3064,866,0 =511 lb
FCx=fC sin (60°) = (511) sin (60°)=442 lb
FCy= fC cos ( 60°) = (511) cos (60°) =255 lb
Gambar 4.4 Gaya-gaya yang Diberikan Pada Poros
FEY= WtE=tEDE2 =3064,867,0 /=438 lb
FEX= WtE= WtE tan (ϕ)= 438 tan (20°)= 160 lb
Dari persamaan dibwah ini digunakan sebagai referensi. Data yang digunakan untuk setiap titik perancangan turut didaftarkan dengan factor rancangan N= 2 turut digunakan.
D=32NπKf MSn'2+34TSy213
348 524 160 266,14 225 325,28
6 6 6 6 6 6 6 6
352 445,33 438 438
MB =20882+ 26282 = 2710,4 lb
MC =20642+ 36592 = 4201,13 lb
MD =51842+ 3415,322 =6207 lb
Titik A: Torsi = 1362,16 lb. in; momen = 0. Puli diletakkan dengan cincin penahan. Karena torsinya tetap, maka akan menggunakan factor konsentrasi dalam perhitungan ini, seperti yang telah dibahas. Dengan menggunakan persamaan mencari diameter (D) diperoleh D1= 0,66 in
Di sebelah titik B: ini adalah diameter yang berubah sampai kedudukan bantalan. Jari-jari filet bulat halus ditetapkan pada tempat pertemuan D2 dan Dy. jadi,
Torsi = 1362,16 lb.in
Momen = 2710,37 lb.in
Kemudian D2= 1,52 in dengan K= 1,5.
Di titik B dan di sebelah kanannya: ini adalah tempat bantalan dengan filet bahu poros sebelah kanannya, yang memerlukan filet yang cukup tajam. jadi,
Torsi = 7064,86 lb.in
Momen = 2710,37 lb.in
Kemudian D2= 1,81 in dengan K= 2,5.
Di titik C: direncanakan bahwa diameter pada semua titik diantara samping kanan bantalan B dan samping kiri bantalan D dibuat sama. Kondisi paling rentan adalah sebelah kanan C, karena ada alur cincin dan nilai torsi paling besar.
Torsi = 7064,86 lb.in
Momen = 4201,13 lb.in
Kemudian D2= 2,20 in dengan K= 3.
Di titik D dan di sebelah kirinya : iniadalah dudukan bantalan yang serupa dengan yang di B
Torsi = 7064,86 lb.in
Momen = 6207 lb.in
Kemudian D2= 2,08 in dengan K= 2,5.
Di sebelah kanan titik D: ini adalah diameter yang berubah serupa dengan D2:
Torsi = 7064,86lb.in
Momen = 2710,37 lb.in
Kemudian D2= 1,77 in dengan K= 1,5.
Di titik E: roda gigi dipasang dengan cincin-cincin penahan pada setiap sisinya.
Torsi = 7064,86lb.in
Momen = 0 lb.in
Kemudian D2= 1,15 in dengan K= 3.
Tabel 4.1 . Tabel Hasil Perhitungan Diameter Poros
Pasangan
Nomer Diameter
Diameter Minimum
Puli
D1
0.66 in
Tidak ada
D2
1,52 in
Bantalan
D3
1,81 in
Sproket
D4
2,20in
Bantalan
D5
2,08 in
Tidak ada
D6
1,77 in
Roda Gigi
D7
1,15 in
4.2 Pembahasan
Pada studi kasus ini yaitu merancang poros turbin air dengan material AISI 1040 yang memiliki tegangan Su adalah 80000 psi, Sy adalah 71000 psi, dengan putaran 1850 rpm .
Pada perhitungan ini mencari nilai gaya untuk mendapatkan momen punter pada turbian air tersebut, momen ini memiliki 2 bagian yaitu momen dengan vertical (My) dan momen dengan horizontal (Mx) maka dari itu ketika mendapatkan masing-masing momen akan mendapatkan diameter pada perancangan poros turbin air ini . Nilai MB pada masing-masing momen yaitu Mx = 2088 lb.in, My= 2628 lb.in, Nilai Mc masing-masing momennya adalah Mx= 2064 lb.in, My= 3659,16 lb.in, Nilai MD masing-masing momennya adalah Mx= 5184 lb.in, My= 3415,32 lb.in.
Maka dari itu perhitungan didapat nilai diameter poros dengan ditunjukkan pada Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Diameter poros ,sebagai berikut ;
Tabel 4.2 . Tabel Hasil Perhitungan Diameter Poros
Pasangan
Nomer Diameter
Diameter Minimum
Puli
D1
0.66 in
Tidak ada
D2
1,52 in
Bantalan
D3
1,81 in
Sproket
D4
2,20in
Bantalan
D5
2,08 in
Tidak ada
D6
1,77 in
Roda Gigi
D7
1,15 in
BAB V
KESIMPULAN
Kesimpulan
Setelah dilakukan perhitungan untuk studi kasus konveyor untuk bahan besar , bahwa :
Poros adalah sebagai salah satu mentransmisikan daya dengan bantuan puntiran oleh roda gigi, puli, dll serta macam-macam porosnya salah satunya poros turbin air
Bahan yang digunakan adalah AISI 1040 dengan kekuatannya dan kandungan material sudah ada pada tabel 3.1
Parameter dalam merancang suatu poros memiliki parameter seperti torsi , gaya, Momen bending , serta diameter poros.
Saran
Dalam merancang poros, lebih baik menggunakan software sebagai pembanding .
Dalam perancangan sangat membantu untuk merancang suatu bangunan terutama pada poros. Maka dari itu diharuskan untuk mengerti dan memahami tentang perancangan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Khurmi, R. S., J. K. Gupta. 2005. A Textbook of Machine Desain. USA: S. Chand Publishing.
[2] Tsubaki Catalog. Tsubaki Drive Chains and Sproket.
[3] Fruchtbaum, J. 1998. Bulk Material Handling Handbook. New York: Springer
L
A
M
P
I
R
A
N
