Sabtu, 11 Juni 2016

PERTEMUAN 7.2. BANTALAN DAN ELEMEN TRANSMISI


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

Image result for GANDAR AXLE
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.

5.      Korosi

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 :
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, tetapi harganya akan 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 poros yang dirancang untuk defleksi, tegangan yang terjadi cenderung kecil,
f.       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.
g.      Jika digunakan plain bearing, defleksi poros pada arah sepanjang bantalan harus kurang dari tebal lapisan oli pada bantalan,
h.      Jika digunakan non-self-alligning rolling element bearing, defleksi sudut poros pada bantalan harus dijaga kurang dari 0.04º,
i.        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.
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.

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)
= 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: