Poros
Definisi Poros
Poros adalah suatu bagian stasioner yang beputar, biasanya berpenampang bulat dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi (gear), pulley, flywheel, engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya. Poros bisa menerima beban lenturan, beban tarikan, beban tekan atau beban puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya.
Fungsi Poros
Poros dalam sebuah mesin berfungsi untuk meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Setiap elemen mesin yang berputar, seperti cakara tali, puli sabuk mesin, piringan kabel, tromol kabel, roda jalan dan roda gigi, dipasang berputar terhadap poros dukung yang tetap atau dipasang tetap pada poros dukung yang berputar. Contohnya sebuah poros dukung yang berputar, yaitu poros roda keran pemutar gerobak.
Macam - Macam Poros Berdasarkan Pembebanannya
1. Poros Transmisi (Transmission Shafts)
Poros transmisi lebih dikenal dengan sebutan shaft. Shaft akan mengalami beban puntir berulang, beban lentur berganti ataupun kedua-duanya. Pada shaft, daya dapat ditransmisikan melalui gear, belt pulley, sprocket rantai, dll.
2. Gandar
Poros gandar merupakan poros yang dipasang diantara roda-roda kereta barang. Poros gandar tidak menerima beban puntir dan hanya mendapat beban lentur.
3. Poros Spindle
Poros spindle merupakan poros transmisi yang relatif pendek, misalnya pada poros utama mesin perkakas dimana beban utamanya berupa beban puntiran. Selain beban puntiran, poros spindle juga menerima beban lentur (axial load). Poros spindle dapat digunakan secara efektif apabila deformasi yang terjadi pada poros tersebut kecil.
A. Hal-Hal Yang Harus Diperhatikan Dalam Merencanakan Poros
1. Kekuatan Poros
Poros transmisi akan menerima beban puntir (twisting moment), beban lentur (bending moment) ataupun gabungan antara beban puntir dan lentur. Dalam perancangan poros perlu memperhatikan beberapa faktor, misalnya: kelelahan, tumbukan dan pengaruh konsentrasi tegangan bila menggunakan poros bertangga ataupun penggunaan alur pasak pada poros
tersebut. Poros yang dirancang tersebut harus cukup aman untuk menahan beban-beban tersebut.
2. Kekakuan Poros
Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup aman dalam menahan pembebanan tetapi adanya lenturan atau defleksi yang terlalu besar akan mengakibatkan ketidaktelitian (pada mesin perkakas), getaran mesin (vibration) dan suara (noise). Oleh karena itu disamping memperhatikan kekuatan poros, kekakuan poros juga harus diperhatikan dan disesuaikan dengan jenis mesin yang akan ditransmisikan dayanya dengan poros tersebut.
3. Putaran Kritis
Bila putaran mesin dinaikan maka akan menimbulkan getaran (vibration) pada mesin tersebut. Batas antara putaran mesin yang mempunyai jumlah putaran normal dengan putaran mesin yang menimbulkan getaran yang tinggi disebut putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor bakar, motor listrik, dll. Selain itu, timbulnya getaran yang tinggi dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian-bagian lainnya. Jadi dalam perancangan poros perlu mempertimbangkan putaran kerja dari poros tersebut agar lebih rendah dari putaran kritisnya.
4. Material Poros
Poros yang biasa digunakan untuk putaran tinggi dan beban yang berat pada umumnya dibuat dari baja paduan (alloy steel) dengan proses pengerasan kulit (case hardening) sehingga tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja khrom nikel.
Apabila terjadi kontak langsung antara poros dengan fluida korosif maka dapat mengakibatkan korosi pada poros tersebut, misalnya propeller shaft pada pompa air. Oleh karena itu pemilihan bahan-bahan poros (plastik) dari bahan yang tahan korosi perlu mendapat prioritas utama.
B. GETARAN – GETARAN
PADA POROS
Suatu fenomena yang terjadi dengan
berputarnya poros pada kecepatan – kecepatan tertentu adalah getaran yang
sangat tinggi, meskipun poros dapat berputar dengan baik pada kecepatan –
kecepatan yang lain. Pada kecepatan – kecepatan semacam itu dimana getaran
menjadi sangat besar, dapat terjadi kegagalan poros atau bantalan – bantalan.
Atau getaran dapat menyebabkan kegagalan karena tidak bekerjanya komponen –
komponen sesuai dengan fungsinya, seperti yang dapat terjadi pada sebuah turbin
uap dimana ruang bebas antara rotor dan rumah adalah kecil. Getaran semacam ini
dapat menyebabkan apa yang disebut olakan poros, atau mungkin menyebabkan suatu
osilasi puntir pada poros, atau suatu kombinasidari keduanya. Meskipun kedua
peristiwa itu berbeda, namun akan ditunjukkan bahwa masing – masing dapat
ditangani dengan cara – cara yang serupa dengan memperhatikan frequensi pribadi
dari isolasi. Karena poros – poros pada dasarnya elastik, dan menunjukkan
karakteristik – karakteristik pegas.
Poros ini mengalami suatu momen punter atau
momen lentur . Jika pada poros tersebut terdapat
kombinasi antara momen lentur dan momen puntir maka perancangan poros harus
didasarkan pada kedua momen tersebut. Banyak teori telah diterapkan untuk
menghitung elastic failure dari material ketika dikenai momen lentur dan momen
puntir, misalnya :
1. Maximum shear stress
theory atau Guest’s theory
Teori
ini digunakan untuk material yang dapat diregangkan (ductile), misalnya baja
lunak (mild steel).
2. Maximum normal stress
theory atau Rankine’s theory
Teori
ini digunakan untuk material yang keras dan getas (brittle), misalnya besi cor
(cast iron).
Pada
pembahasan selanjutnya, cakupan pembahasan akan lebih terfokus pada pembahasan
baja lunak (mild steel) karena menggunakan material S45C sebagai material.
Secara analitis getaran yang mengakibatkan
tegangan pada poros dapat dihitung secara terperinci. Misalnya, tegangan geser yang diizinkan untuk pemakaian umum pada
poros dapat diperoleh dari berbagai cara, salah satu cara diantaranya dengan
menggunakan perhitungan berdasarkan kelelahan puntir yang besarnya diambil 40%
dari batas kelelahan tarik yang besarnya kira-kira 45% dari kekuatan tarik.
Jadi batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik, sesuai dengan
standar ASME. Untuk harga 18% ini faktor keamanan diambil sebesar . Harga 5,6
ini diambil untuk bahan SF dengan kekuatan yang dijamin dan 6,0 untuk bahan S-C
dengan pengaruh masa dan baja paduan. Faktor ini dinyatakan dengan .
Selanjutnya perlu ditinjau apakah poros tersebut akan diberi alur pasak atau
dibuat bertangga karena pengaruh konsentrasi tegangan cukup besar. Pengaruh
kekasaran permukaan juga harus diperhatikan. Untuk memasukan pengaruh ini
kedalam perhitungan perlu diambil faktor yang dinyatakan dalam yang besarnya
1,3 sampai 3,0 (Sularso dan Kiyokatsu suga, 1994: 8).
Pada
Pembebanan yang berubah – ubah (fluctuating loads),Pada berbagai
sumber bacaan tentang poros pembebanan tetap (constant loads) telah
banyak dibahas mengenai yang terjadi pada poros dan ternyata pembebanan
semacam ini divariasikan apapun akan tetap konstan sehingga pembebanan seperti
apapun tidak menjadi masalah, dengan asumsi masih dibawah tegangan luluhnya (yield). Dan dari segi lain pada kenyataannya bahwa poros akan mengalami
pembebananpuntir dan pembebanan lentur yang berubah-ubah. Dengan
mempertimbangkan jenis beban, sifat beban, dll. yang terjadi pada poros maka
ASME (American Society of Mechanical Engineers)menganjurkan dalam
perhitungan untuk menentukan diameter poros yang dapat diterima (aman) perlu
memperhitungkan pengaruh kelelahan karena beban berulang.
C. PERANCANGAN BAHAN
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 sifat-sifat yang lebih baik dan yang diinginkan sesuai dengan
batas-batas kemampuannya. Sifat yang berhubungan dengan maksud dan tujuan
perlakuan panas tersebut meliputi:
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 martensit. Austenit
serta martensit inilah yang nantinya akan menjadi sumber kekerasan luar dari
poros
1. Aturan umum perancangan poros :
1.
Perhitungan Diameter Poros.
Dalam perhitungan diameter poros ada beberapa hal yang perlu
diperhatikan yakni faktor koreksi yang dianjurkan ASME dan juga dipakai disini.
Faktor koreksi akibat terjadinya tumbukan yang dinyatakan dengan Kt, jika beban
dikenakan beban secara halus, maka dipilih sebesar 1,0. Jika terjadi sedikit
kejutan atau tumbukan, maka dipilih sebesar 1,0-1,5. Jika beban dikenakan
dengan kejutan atau tumbukan besar, maka dipilih sebesar 1,5-3,0. Dalam hal ini
harga Kt diambil sebesar 3 karena cangkang terhisap langsung kedalam mesin fan
sehingga mendapatkan beban kejut atau tumbukan yang besar secara tiba-tiba. Meskipun dalam perkiraan sementara ditetapkan
bahwa beban hanya terdiri atas momen puntir saja, perlu ditinjau pula apakah
ada kemungkinan pemakaian dengan beban lentur. Dimana untuk perkiraan sementara
ditetapkan bahwa beban hanya terjadi karena momen puntir saja dengan harga
diantara 1,2-2,3 (jika diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka
Cb diambil 1,0), dalam perencanaan diambil faktor koreksinya sebesar 1,2. Maka
rumus untuk merencanakan diameter poros ds diproleh:
dimana : ds
= diameter poros yang direncanakan (mm)
a = kekuatan tarik bahan (kg/mm2) aτ
Kt = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya
tumbukan
Cb
= faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban
lentur.
a.
Pembebanan Tetap (constant loads)
1)
Poros yang hanya
terdapat momen puntir saja.
Untuk menghitung diameter poros yang hanya terdapat momen puntir saja (twisting moment only) dapat diperoleh dari persamaan berikut :
Dimana
: T = Momen puntir pada poros
r
= Jari – jari poros
J
= Momen Inersia Polar
Selain
dengan persamaan diatas, besarnya momen puntir pada poros (twisting moment) juga
dapat diperoleh dari hubungan persamaan dengan variable-variable lainnya,
misalnya :
a)
Daya yang ditransmisikan
buk
penggerak (belt drive) : T = (T1 – T2) x R
dimana
T1 = tarikan yang terjadi pada
sisi kencang
T2
= tarikan yang terjadi pada sisi kendor
R
= jari-jari pulley
2) Poros
yang hanya terdapat momen lentur saja.
Untuk
menghitung diameter poros yang hanya terdapat momen lentur saja (bending moment
only), dapat diperoleh dari persamaan berikut :
dimana
: M = Momen lentur pada poros
I
= Momen Inersia
y
= jari-jari poros
=
Bending stress
Untuk
poros yang berbentuk bulat padat besarnya momen Inersia dirumuskan :
3) Poros
dengan kombinasi momen lentur dan momen puntir.
Jika
pada poros tersebut terdapat kombinasi antara momen lentur dan momen puntir
maka perancangan poros harus didasarkan pada kedua momen tersebut. Banyak teori
telah diterapkan untuk menghitung elastic failure dari material ketika dikenai
momen lentur dan momen puntir.
a) Maximum
shear stress theory atau Guest’s theory
Teori
ini digunakan untuk material yang dapat diregangkan (ductile), misalnya baja
lunak (mild steel).
b) Maximum
normal stress theory atau Rankine’s theory
Teori
ini digunakan untuk material yang keras dan getas (brittle), misalnya besi cor
(cast iron). Pada pembahasan selanjutnya, cakupan pembahasan akan lebih
terfokus pada pembahasan baja lunak (mild steel) karena
menggunakan material S45C sebagai material poros. Terkait dengan Maximum
shear stress theory atau Guest’s theory bahwa besarnya maximum shear stress
pada poros dirumuskan :
Dengan
mensubsitusikan ke persamaan akan diperolah :
Tegangan
geser yang diizinkan untuk pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dari berbagai
cara, salah satu cara diantaranya dengan menggunakan perhitungan berdasarkan kelelahan
puntir yang besarnya diambil 40% dari batas kelelahan tarik yang besarnya
kira-kira 45% dari kekuatan tarik. Jadi batas kelelahan puntir adalah 18% dari
kekuatan tarik, sesuai dengan standar ASME. Untuk harga 18% ini faktor keamanan
diambil sebesar . Harga 5,6 ini diambil untuk bahan SF dengan kekuatan yang
dijamin dan 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh masa dan baja paduan. Faktor
ini dinyatakan dengan . Selanjutnya perlu ditinjau apakah poros tersebut akan
diberi alur pasak atau dibuat bertangga karena pengaruh konsentrasi tegangan
cukup besar. Pengaruh kekasaran permukaan juga harus diperhatikan. Untuk
memasukan pengaruh ini kedalam perhitungan perlu diambil faktor yang dinyatakan
dalam yang besarnya 1,3 sampai 3,0
b.
Pembebanan Berubah-ubah (fluctuating loads)
Pada
pembahasan sebelumnya telah dijelaskan mengenai pembebanan tetap (constant
loads) yang terjadi pada poros. Dan pada kenyataannya bahwa poros justru akan
mengalami pembebanan puntir dan pembebanan lentur yang berubah-ubah. Dengan
mempertimbangkan jenis beban, sifat beban, dll. yang terjadi pada poros maka
ASME (American Society of Mechanical Engineers) menganjurkan dalam
perhitungan untuk menentukan diameter poros yang dapat diterima (aman) perlu
memperhitungkan pengaruh kelelahan
karena beban berulang
|
Jenis
Pembebanan
|
Km
|
Kt
|
|
1. Poros
tetap
|
|
|
|
a. Beban
perlahan
|
1,0
|
1,0
|
|
b. Beban
tiba-tiba
|
1,5
- 2,0
|
1,5
– 2,0
|
|
2. Poros
yang berputar
|
|
|
|
a. Beban
perlahan ataupun tetap
|
1,5
|
1,0
|
|
b. Beban
tiba-tiba kejutan ringan
|
1,5
– 2,0
|
1,5
– 2,0
|
|
c. Beban
tiba-tiba kejutan berat
|
2,0
– 3,0
|
1,5
– 3,0
|
3.
Daya Poros
Di stasiun Kernel pada
Pabrik Kelapa Sawit, poros Depericarper Fan akan mendapatkan daya dari
boiler. Daya tersebut akan ditransmisikan dari turbin ke poros melalui V-Belt.
Daya merupakan daya nominal output dari motor penggerak dalam hal ini turbin
uap. Daya yang besar mungkin diperlukan pada saat mulai (start), atau
mungkin beban yang besar terus bekerja setelah start. Dengan demikian
sering diperlukan koreksi pada daya rata-rata yang diperlukan dengan
menggunakan faktor koreksi pada perencanaan.
Ada beberapa jenis faktor koreksi sesuai dengan
daya yang akan ditransmisikan sesuai dengan tabel 2.1.
Tabel
2.1 Jenis-jenis faktor koreksi berdasarkan daya yang ditransmisikan
|
Daya yang ditransmisikan
|
fc
|
|
Daya rata-rata yang diperlukan
|
1,2 – 2,0
|
|
Daya maksimum yang diperlukan
|
0,8 – 1,2
|
|
Daya normal
|
1,0 – 1,5
|
Dalam
perhitungan poros ini diambil daya rata-rata sebagai daya rencana dengan faktor
koreksi sebesar fc = 2,0. Harga ini diambil dengan pertimbangan bahwa daya yang
direncanakan akan lebih besar dari daya maksimum sehingga poros yang akan
direncanakan semakin aman terhadap kegagalan akibat momen puntir yang terlalu
besar. Sehingga besar daya rencana Pd yaitu :
Dimana :
Pd
= daya rencana (kW)
fc = faktor koreksi
N = daya normal keluaran motor penggerak (kW)
Dengan
adanya daya dan putaran, maka poros akan mendapat beban berupa momen puntir.
Oleh karena itu dalam penentuan ukuran-ukuran utama poros akan dihitung
berdasarkan beban puntir serta kemungkinan-kemungkinan kejutan/tumbukan dalam
pembebanan, seperti pada saat motor mulai berjalan. Besarnya momen puntir yang
dikerjakan pada poros dapat dihitung :
Dimana :
T
= momen puntir rencana (kg.mm)
Pd = daya rencana (kW)
n = putaran (rpm)
Bahan poros yang direncanakan adalah baja cor yaitu jenis baja karbon tinggi dengan kadar C > 0,5 %. Baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C) dihasilkan dari ingot yang dikil (baja yang dioksidasikan dengan ferrosilikon dan dicor), kadar karbon terjamin. Jenis-jenis baja S-C beserta dengan kekuatan tariknya dapat dilihat dari tabel 2.2. |
Dalam
perencanaan poros ini dipilih bahan jenis S30C yang dalam perencanaannya
diambil kekuatan tarik sebesar . Maka tegangan puntir izin dari bahan dapat
diperoleh dari rumus :
Dimana :
τa = tegangan geser izin (kg/mm2)
σb = kekuatan tarik bahan (kg/mm2)
Sf1 =
faktor keamanan yang bergantung kepada jenis bahan.
Sf2
= faktor keamanan yang bergantung pada bentuk poros (harga 1,3-3,0)
Sesuai
dengan standar ASME, batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik,
dimana untuk harga ini faktor keamanan diambil sebesar =5,6. Harga 5,6 diambil
untuk bahan SF dan 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh massa dan baja paduan.
Harga Sf1 diambil 6 karena dalam perencanaan pemilihan bahan diambil jenis
S30C. Sedangakan nilai Sf2, karena poros yang dirancang merupakan poros
bertingkat, sehingga dalam perencanaannya faktor keamanan diambil 1,4. bσ10,18
4. Pemeriksaan Kekuatan Poros
Ukuran
poros yang telah direncanakan harus diuji kekuatannya. Pengujian dilakukan
dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi (akibat momen puntir)
yang bekerja pada poros. Apabila tegangan geser ini melampaui tegangan geser
izin yang dapat ditahan oleh bahan maka poros mengalami kegagalan. Besar
tegangan geser akibat momen puntir yang bekerja pada poros diperoleh dari:
dimana:
τp = tegangan geser akibat momen puntir ( kg/mm2 )
T = momen puntir yang terjadi (direncanakan)
(
kg.mm )
ds =
diameter poros ( mm )
Daftar Pustaka
4.
Sularso. 2002. Dasar
perencanaan dan pemilihan elemen mesin. Jakarta, Pradnya Paramita
Tidak ada komentar:
Posting Komentar