BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Alat Pembuat Es Krim
Nancy Johnson dari Philadelphia adalah orang yang pertama menciptakan alat pembuat es krim. Alat yang ia ciptakan adalah ember dari kayu yang di dalamnya ada wadah lebih kecil dari logam. Wadah logam ini dapat diputar dengan menggunakan pedal. Ruang di antara wadah kecil dan ember kayu diisi dengan campuran es dan garam. Alat-alat yang modern saat ini pun masih menggunakan prinsip yang sama
Pembuatan es krim sebenarnya sederhana saja, yakni mencampurkan bahan-bahan dan kemudian mendinginkannya. Air murni pada tekanan 1 atmosfer akan membeku pada suhu 0ºC. Namun, bila ke dalam air dilarutkan zat lain, titik beku air akan menurun. Jadi, untuk membekukan adonan es krim pun memerlukan suhu di bawah 0ºC. Misalkan adonan es krim dimasukkan dalam wadah logam, kemudian di ruang antara ember kayu dan wadah logam dimasukkan es.
Awalnya, suhu es itu akan kurang dari 0ºC (coba cek hal ini dengan mengukur suhu es yang keluar dari lemari pendingin). Namun, permukaan es yang berkontak langsung dengan udara akan segera naik suhunya mencapai 0ºC dan sebagiannya akan mencair. Suhu campuran es dan air tadi akan tetap 0ºC selama esnya belum semuanya mencair. Seperti disebut di atas, jelas campuran es krim tidak membeku pada suhu 0ºC akibat sifat koligatif penurunan titik beku.
Bila ditaburkan sedikit garam ke campuran es dan air tadi, kita mendapatkan hal yang berbeda. Air lelehan es dengan segera akan melarutkan garam yang kita taburkan. Dengan demikian, kristal es akan terapung di larutan garam. Karena larutan garam akan mempunyai titik beku yang lebih rendah dari 0ºC, es akan turun suhunya sampai titik beku air garam tercapai. Dengan kata lain, campuran es krim tadi dikelilingi oleh larutan garam yang temperaturnya lebih rendah dari 0ºC sehingga adonan es krim itu akan dapat membeku.
Tetapi, kalau campuran itu hanya dibiarkan saja mendingin tidak akan dihasilkan es krim, melainkan gumpalan padat dan rapat berisi kristal-kristal es yang tidak akan enak kalau dimakan. Bila diinginkan es krim yang enak di mulut, selama proses pembekuan tadi adonan harus diguncang-guncang. Pengocokan atau pengadukan campuran selama proses pembekuan merupakan kunci dalam pembuatan es krim yang baik.
Proses pengguncangan ini bertujuan ganda. Pertama, untuk mengecilkan ukuran kristal es yang terbentuk; semakin kecil ukuran kristal esnya, semakin lembut es krim yang terbentuk. Kedua, dengan proses ini akan terjadi pencampuran udara ke dalam adonan es krim. Gelembung-gelembung udara yang tercampur ke dalam adonan inilah yang menghasilkan busa yang seragam (homogen).
Metode sederhana pengadukan dan pendinginan secara serempak ini ternyata menimbulkan masalah lain. Krim pada dasarnya terdiri atas globula kecil lemak yang tersuspensi dalam air. Globula-globula ini tidak saling bergabung sebab masing-masing dikelilingi membran protein yang menarik air, dan airnya membuat masing-masing globula tetap menjauh. Pengadukan akan merusak
membran protein yang membuat globula lemak tadi kemudian dapat saling mendekat. Akibatnya, krim akan naik ke permukaan. Hal seperti ini diinginkan bila yang akan dibuat adalah mentega atau minyak, tetapi jelas tidak diinginkan bila yang akan dibuat es krim.
Penyelesaian sederhananya adalah dengan menambahkan emulsifier pada campuran. Molekul emulsifier akan menggantikan membran protein, satu ujung molekulnya akan melarut di air, sedangkan ujung satunya akan melarut di lemak. Lecitin, molekul yang terdapat dalam kuning telur, adalah contoh emulsifier sederhana. Oleh karena itu, salah satu bahan pembuat es krim adalah kuning telur. Selain itu, dapat digunakan mono- atau di-gliserida atau polisorbat yang dapat mendispersikan globula lemak dengan lebih efektif.
Bila es krim tidak disimpan dengan baik, sebagian es krim yang mencair akan membentuk kristal es yang lebih besar dan ketika kembali dimasukkan ke pendingin kristal esnya akan tumbuh membesar. Hal ini akan mengakibatkan teksturnya menjadi semakin kasar dan tidak enak di mulut. Selain itu, sebenarnya pengasaran tekstur ini bisa juga diakibatkan karena laktosa (gula susu) akan mengkristal dari larutan dan sukar melarut kembali.
Untuk mengatasi hal ini, bila selesai makan (sebelum menyimpan kembali), dapat ditaburkan sedikit gum atau serbuk selulosa di atas es krim. Serbuk-serbuk itu akan menyerap kuat air yang mencair sehingga pembentukan kristal es yang besar dapat dicegah.
2.2 Dasar-dasar Kekuatan Konstruksi.
Didalam pengoperasian alat pembuat es krim , terdapat bagian-bagian yang harus menahan beban seperti motor listrik, puli, posros penggerak dan pengaduk yang ditimbulkan oleh adonan es krim yang diaduk dengan tujuan mengecilkan ukuran kristal es yang terbentuk dan pencampuran udara ke dalam adonan es krim. Bagian-bagian ini harus diamati secara tepat agar dapat menerima beban tekanan cukup kuat.
Kekuatan bahan harus diperhitungkan sesuai dengan kondisi operasi yang akan berlangsung, untuk itu penilaian bahan yang akan digunakan harus benar-benar diteliti untuk memberikan informasi yang akurat serta perangkat peralatan pengaman yang menjamin bahwa alat pengepres tersebut bekerja pada kondisi yang telah diperhitungkan.
2.2.1 Perhitungan Baling-baling Pengaduk
Alasan yang mendasar dalam menentukan jenis baling-baling yang digunakan dalam proses pengadukan harus memenuhi faktor-faktor seperti berat jenis fluida, kecepatan jenis fluida, viskositas fluida, dan kecepatan putaran. karena jika berbeda berat jenis (γ ) kerapatan jenis fluida (ρ ), viskositas fluida (µ ), dan kecepatan putaran. Maka berbeda pula jenis-jenis baling-baling yang kita pergunakan.
Dimana baling-baling tersebut harus dapat menghasilkan turbulensi atau putaran air dalam tangki olahan yang baik untuk proses pencampuran dengan bantuan elekro motor daya yang ditransmisikan kebaling-baling adalah hasil pengurangan daya input elektro motor dikurangi dengan faktor kehilangan energi
dalam tangki olahan. Tegangan yang terjadi dalam baling-baling sama besarnya dengan tegangan yang terjadi pada as/ shatf pada spindel. Tetapi sumber tegangan dari baling-baling sebab baling-baling merupakan elemen beban terhadap elektro motor, spindel, as/shatf.
2.2.1.1 Jenis/ Tipe Baling-baling
Dalam menentukan jenis baling -baling yang digunakan dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti berat jenis (γ ) kerapatan jenis fluida (ρ ), viskositas fluida (µ ) dan kecepatan putaran (rpm). beberapa jenis baling-baling yang biasa digunakan dalam proses pencampuran ialah :
a. Plat Blade (Baling-baling bilah datar)
Biasanya digunakan dengan kecepatan putaran berkisar antara 600-900 rpm, dan diletakkan tidak terlalu dekat dengan kedasar tangki olahan, yang terdapat pada gambar 2.1.a.
b. Disk Flak Blade (Baling – baling cakram dengan bilah datar)
digunakan untuk keperluan laboratorium karena pencampurannya merata dengan menggunakan kecepatan perputaran yang tinggi, begitu juga dengan kebutuhan daya perputarannya, seperti terdapat pada gambar 2.1.b
c. Pitchen Vane (Baling – baling Radial)
Merupakan jenis adatasasi dari baling-baling jenis cakram. jenis ini menggunakan jenis bilah yang vertikal. biasanya sangat ekonomis untuk kecepatan tinggi tanpa memerlukan daya yang besar. seperti terdapat pada gambar 2.1.c
d. Curved Blade (Baling – baling lengkung)
biasanya disebut dengan back swept, karena jika berputar baling-baling jenis ini akan menekan fluida ke dinding tangki olahan agar proses pencampuran merata. jenis biasa digunakan untuk mengurangi tegangan geser dari baling-baling. seperti terdapat pada gambar 2.1.d
e. Titled Blade (Baling-baling Bilah Datar Miring)
Baling-baling jenis ini sama dengan baling-baling bilah datar atau plat blade, tetapi jenis ini didesain agar terpasang miring terhadap tangki olahan. seperti terdapat pada gambar 2.1.e
f. Shrouded Blade ( Baling – baling Bilah Vertikal Horizontal)
Baling-baling jenis ini merupakan kombinasi antara bilah datar/ vertikal dengan bilah horizontal (seperti terdapat pada baling-baling jenis radial). biasanya diletakkan hampir dekat kepermukaan fluida untuk menghasilkan pusingan air yang berguan untuk pencampuran. seperti terdapat pada gambar 2.1.f
g. Pitched Blade ( Baling – baling Pilin)
Memiliki karakteristik radial dan aksial. biasanya diletakkan hampir kedasar tangki olahan dengan sudut standart pilinan 450. Jenis ini juga biasa dikenal dengan tipe fan. seperti terdapat pada gambar 2.1.g
h. Pitched Curved Blade (Baling-baling Pilin Lengkung)
Jenis ini merupakan kombinasi antara baling pilin dengan baling-baling lengkung. biasanya digunakan untuk aplikasi khusus, karena memerlukan biaya yang besar dan konstruksinya yang rumit. seperti terdapat pada gambar 2.1. h
i. Arrowhead Blade (Baling –baling Searca)
Pada baling-baling jenis ini arah putaran biasanya disesuaikan dengan kebutuhan pada waktu pencampuran. karen jenios ini biasanya diletakkan pada fluida yang mempunyai arah dan arus aliran seperti terdapat pada gambar 2.1.i
Gambar 2.1. Jenis/Type baling-baling
2.2.1.2 Analisa Gaya Pada Baling-baling Pengaduk
Di dalam alat pembuat es krim, bejana tempat adonan es krim ini di putar sedangkan baling-baling pengaduk tetap diam, sehingga kecepatan sudut bejana tempat adonan es krim adalah :
60 . . . 2π nµs ω = (2.1)
dimana : ω = Kecepatan sudut bejana (rad/s) n = Putaran (rpm)
Harga koefesien gesek dapat dilihat pada tabel 2.1 dibawah ini Tabel 2.1 Harga Koefesien Gesek Statis dan Kinetis
Permukaan μs μk
Baja pada baja
Alumunium pada baja Tembaga pada baja Besi pada baja Tembaga pada basi Kaca pada kaca
Kebanyakan logam- [sedikit diberi oli] Baja pada es
Baja pada teplon
Kayu pada kulit binatang Karet pada beton basah Karet pada beton kering Tulang pada tulang Persendian tulang 0,78 0,61 0;53 1,10 1,05 0,94 0,15 0,6 0,04 0,5 0,5 0,9 - - 0,42 0,47 0,36 0,15 0,29 0,40 0,08 0,06 0,04 0,4 0,4 0,8 0,03 0,003 (Suyanto;Fisika Dasar; Hal 123)
Maka untuk tosi (T) (kg.m) adalah : 2
/ .dt
F
T = (Sularso;Elemen mesin;hal 25) (2.2) Dimana F = Berat adonan es krim (kgf)
dt
102 .ω
T
P=
= Diameter bejana tempat adonan (m) Daya penggerak bejana (P) (Watt) adalah :
(Sularso;Elemen mesin;hal 7)(2.3)
Karna berbagai macam faktor keamanan dalam perencanaan, sehingga perlu dikalikan dengan faktor koreksi daya (fc) dan persamaan 2.3 menjadi :
fc T P= × 102 .ω (Sularso;Elemen mesin;hal 7) (2.4)
Untuk fc diambil dari daya rata-rata yang diperlukan yaitu 2,0
2.2.2 Daya motor penggerak
Daya motor penggerak (Pmotor) dapat dihitung dari daya poros penggerak
bejana (P) dibagi dengan effisiensi mekanisme-total (ηm
m Motor P P η = ) sebagai berikut : (2.5) Dimana : Pmotor m η
= Daya motor penggerak (kW) P = Daya poros penggerak bejana (kW)
= Effisiensi mekanisme-total (effisiensi sistem transmisi)
2.2.3 Sistem transmisi
2.2.3.1 Sistem transmisi sabuk dan puli
Sebagian besar transmisi sabuk menggunakan sabuk-V karena mudah penggunaannya dan harganya murah, tetapi sabuk ini sering terjadi slip sehingga tidak dapat meneruskan putaran dengan perbandingan yang tepat.
Sabuk terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapesium. Dalam gambar 2.2 diberikan berbagai proposi penampang sabuk-V yang umum dipakai.
m m
r1 R2
n1 n2
C
Penggerak Yang Digerakan
Gambar 2.2 Ukuran penempang sabuk-V
Jika putaran puli penggerak dan yang digerakan berturut-turut adalah n1 (rpm) dan
n2 (rpm), dan diameter nominal masing-masing adalah d1 (mm) dan D2
1 2 2 1 d D nn = (mm). Karena sabuk-V biasanya dipakai untuk menurunkan putaran, maka perbandingan yang umum dipakai ialah perbandingan reduksi i (i > 1), dimana :
(2.6)
Kecepatan linier (v) sabuk-V (m/s) adalah :
1000 60× = dn
v π (2.7)
Jarak suatu poros rencana (C)adalah 1,5 samapai 2 kali diameter puli besar.
Gambar 2.3 Panjang keliling sabuk Panjang sabuk rencana (L) adalah :
2 1 2 2 1 ( ) 4 1 ) ( 2 2 D d C D d C
Dalam perdagangan terdapat bermacam-macam ukuran sabuk. Namun mendapatkan ukuran sabuk yang panjangnya sama dengan hasil perhitungan umumnya sukar. Didalam perdagangan nomor nominal sabuk-V dinyatakan dalam panjang kelilingnya dalam inchi. Tabel 2.2 menunjukan nomor-nomor nominal dari sabuk standart utama.
Tabel. 2.2 Panjang sabuk-V standart.
Nomor nominal Nomor nominal Nomor nominal Nomor nominal (Inchi) (mm) (Inchi) (mm) (Inchi) (mm) (Inchi) (mm)
10 254 45 1143 80 2032 115 2921 11 279 46 1168 81 2057 116 2946 12 305 47 1194 82 2083 117 2972 13 330 48 1219 83 2108 118 2997 14 356 49 1245 84 2134 119 3023 15 381 50 1270 85 2159 120 3048 16 406 51 1295 86 2184 121 3073 17 432 52 1321 87 2210 122 3099 18 457 53 1346 88 2235 123 3124 19 483 54 1372 89 2261 124 3150 20 508 55 1397 90 2286 125 2175 35 889 70 1778 105 2667 140 3556 36 914 71 1803 106 2692 141 3581 37 940 72 1829 107 2718 142 3607 38 965 73 1854 108 2743 143 3632 39 991 74 1880 109 2769 144 3658 40 1016 75 1905 110 2794 145 3683
(Sularso;Elemen Mesin; Hal 168)
Jarak sumbu poros C dapat dinyatakan sebagai :
8 ) ( 8 2 1 2 2 d D b b
Dimana : ) ( 14 . 3 2L D2 d1
b= − + (Sularso;Elemen Mesin; Hal 170) (2.10) Sedangkan untuk besarnya daya yang dapat ditransmisikan oleh sabuk, digunakan rumus :
v F F
Po=( 1− 2) (Sularso;Elemen Mesin; Hal 171) (2.11)
µθ
e FF =2
1
(Sularso;Elemen Mesin; Hal 171) (2.12)
t b
F =σizin × × σ = 2,5 – 3,3 N/mmizin 2 Dimana : F1 = gaya tarik pada sisi kencang (N)
F2 C d D ) ( 57 180°− 2 − 1 = θ
= gaya tarik pada sisi kendor (N) b = Lebar sabuk spesifik (mm) t = Tebal sabuk sfesipik (mm) e = 2,7182
μ = Koefesien anatar sabuk dan puli (0,3 – 0,6) θ = Sudut kontak antara sabuk dan puli (º) Besarnya sudut kontak adalah :
(Sularso;Elemen Mesin; Hal 173) (2.13)
2.2.3.2 Sistem transmisi Roda gigi cacing
Pada perancangan alat pembuat es krim ini roda gigi cacing digunakan untuk mentransmisikan putaran dan daya dari puli pada motor ke puli penggerak bejana. Perbandingan transmisi atau perbandingan gigi dapat dinyatakan sebagai :
1 2 Z Z
i= (2.14)
Dimana : Z1 = Jumlah ulir cacing
Z2 = Jumlah gigi pada roda gigi cacing
Dibawah ini akan diberikan rumus dan persamaan roda gigi cacing. Jika mn
adalah modul normal, ms
γ cos n s m m =
adalah modul aksial, dan γ adalah sudut kisar maka :
(Sularso;Elemen mesin;hal;277)(2.15)
Atau harga taksiran ms dari jarak sumbu poros (a) dan jumlah gigi (Z1) adalah :
Error! Bookmark not defined.
28 , 6 7 , 12 2 2 + − ≈ Z a ms (Sularso;Elemen mesin;hal;277)(2.16)
Untuk ulir cacing, proposi bagian-bagiannya dapat dilihat pada tabel 2.3 berikut : Tabel 2.3 proposi ulir cacing
Nama Bagian Rumus
Diameter jarak bagi cacing d1 =Z1mn/sinγ
Jarak sumbu a=(d1+d2)/2
Tinggi kepala hk =mn
Tinggi kaki hf =1,157mn
Tinggi gigi h=hf +hk
Diameter luar cacing dk1 =d1 +2hk Diameter inti cacing dr1 =d1 −2hf
Untuk roda cacing proposi bagian-baginnya dapay dilihat pada tabel 2.4 berikut : Tabel 2.4 proposi roda cacing
Nama Bagian Rumus
Diameter jarak bagi cacing d2 =Z2ms
Tinggi kepala hk =mn
Tinggi kaki hf =1,157mn
Tinggi gigi h=hf +hk
Diameter luar cacing dk2 =dt +2(d1/2−hk)(1−cosθ) Diameter inti cacing dr2 =d1 −2hf
Dimana : dt =d2 +2hk
θ = Sudut lengkung roda cacing Maka lebar roda cacing
35 , 6 cos . 38 , 2 + = γ πmn b (Sularso;elemen mesin;hal277) (2.17)
Leber sisi gigi efektif (be
) 2 / sin( 1 θ dk be = ) adalah : (Sularso;elemen mesin;hal277) (2.18) Persamaan beban lentur yang diizinkan (Fab
Y m b Fab =σba. e. n. ) (kg)adalah : (Sularso;elemen mesin;hal279) (2.19) Dimana : σ = Tegangan lentur yang diizinkan (kg/mmba 2
Y
.
) dapat dilihat pada lampiran A-1
= Faktor bentuk (dapat dilihat pada lampiran A-2) Dan beban permukaan gigi yang diizinkan (Fac) (kg) adalah :
γ K b d K Fac = c. 2. e. (Sularso;elemen mesin;hal279) (2.20)
Dimana : K = Faktor ketahana terhadap keausan (dpt dilihat pada lampiran A-3) c
γ K
. = Faktor sudut kisar (dapat dilihat pada lampiran A-4) Untuk beban tangesial (Ft) (kg) adalah :
v P
Ft =102. d.ηm/ (2.21)
Dimana : Pd = Daya perencana (kW)
m
η = Effisiensi mekanis- total
v = Kecepatan roda gigi (m/s)
harga Fmon harus lebih besar dari Ft, Fmin, diambil dari harga terkecil antara Fab
dan Fac 1 2 1 2 1 2 2 1 sin sin δ δ R R Z Z d d n n i= = = .
2.2.3.3 Sistem transmisi Roda gigi kerucut
Perbandinga putaran (i) roda gigi kerucut adalah :
Jika sudut poros dinyatakan dengan (Σ), maka :
2 1 δ
δ +
= Σ
Dimana : R = Panjang sisi kerucut (mm)
2 1,δ
δ = sudut kerucut jarak bagi Jika, Σ = 90º, maka :
1 tan 1= δ
i , i=tanδ2 (2.22)
Untuk proposi roda gigi keruct, maka diameter lingkaran jarak bagi (d)
2 2 1 1 . . Z m d Z m d = =
Sisi kerucut ; ) sin 2 /( ) sin 2 /( 1 2 2 1 d d R= δ = (2.23)
Kecepatan roda gigi pinion dibuat lebih tinggi dari pada kecepatan roda gigi besar maka perubahan kepala yang diperlukan dapat dilakukan dengan koefesian masing-masing sebagai berikut :
1 2 2 2 1 1 0,46 1 x x Z Z x − = − = (2.24)
Karena itu jika Ck ≥0,118.m, dimana Ck
m x hk1 =(1+ 1)
= kelonggaran puncak, maka untuk pinion :
Tinggi kepala :
Tinggi kaki: hf1 =(1−x1)m+Ck Demikian pula dalam hal roda gigi besar :
Tinggi kepala : hk2 =(1−x1)m Tinggi kaki: hf2 =(1+x1)m+Ck
Dengan demikian tinggi gigi adalah :
k
C m
h= 2 + (2.25)
Sudut kepala pinion θk1 =tan−1(hk1/R) Sudut kaki pinion θf1 =tan−1(hf1/R)
Sudut kepala roda gigi besar θk2 =tan−1(hk2/R) Sudut kaki roda gigi besar θf2 =tan−1(hf2 /R) Dengan demikian sudut kerucut kepala adalah :
1 1
1 k
k δ θ
Demikian pula sudut kerucut kaki : 1 1 1 f f δ θ δ = − , δf2 =δ2 −θf2 (2.27)
Besarnya masing-masing diameter lingkaran kepala adalah :
2 2 2 2 1 1 1 1 cos 2 cos 2 δ δ hk d dk hk d dk + = + = (2.28)
Dan besarnya masing-masing diameter lingkaran kaki :
2 2 2 2 1 1 2 1 sin ) 2 / ( sin ) 2 / ( δ δ hk d X hk d X − = − = (2.29)
Jika sudut tekan adalah α , dan kelonggaran belakang dianggap nol, maka tebal o gigi(tebal lingkar) adalah :
m s s m x s m x s o o . ) tan 2 5 , 0 ( ) tan 2 5 , 0 ( 2 1 2 2 1 1 π α π α π = + − = + = (2.30)
Lebar sisi gigi b sebaiknya diambil tidak lebih dari 1/3 sisi kerucut, atau kurang dari 10 modul pada ujung luar.
Untuk menentukan lebar sisi, mula-mula dihitung kekuatannya terhadap beban lentur, beban lentur yang diizinkan dibagi dengan lebar sisi Fb
) . . /( . . . ) /( . . . 2 2 2 ; 1 1 1 ; m s o v a b m s o v a b K K K J K m F K K K J K m F σ σ = = , untuk gigi dengan penampang yang merupakan harga rata-rata dari penampang ujung luar dan ujung dalam, adalah
(2.31)
Dimanan σ dan a1 σ (kg/mma2 2
)adalah tegangan lentur yang diizinkan, seperti yang diberikan pada lampiran A-5. Kv adalah faktor dinamis (lampiran A-6). J1
(lampiran A-7). Ks ) 24 , 2 / (4 m Ks =
merupakan faktor ukuran yang besarnya ditentukan sebagai untuk m≥ 1,5, dan Ks = 0,5, untuk m < 1,5.
Km adalah faktor distribusi beban yang hargannya ditentukan oleh letak
bantalan terhadap roda gigi (lampiran A-9). Perhitungan beban muka FH
f m o v p c H C C C I C C d F . . 2 1 2 ' =σ
(kg/mm), juga didasarkan pada ukuran penampang rata-rata gigi, dilakukan menurut rumus berikut :
(Sularso;elemen mesin;hal:272)(2.32)
Dimana σ (kg/mmc 2) adalah tegangan kontak yang diizinkan (lampiran A-5). Dalam hal ini jika harga tegangan tersebut berbeda untuk pinion dan roda gigi besar, maka harus diambil harga yang terkecil.
Cp ( kg /mm) adalah koefesien elastis (lampiran A-10), Cy adalah
faktor dinamis (lampiran A-6), Co merupakan faktor beban lebih (lampiran A-7), Cm adalah faktor distribusi beban (lampiran A-9), Cf adalah faktor kondisi
permukaan biasanyan = 1, dan I adalah faktor geometri (lampiran A-11).
Diantara harga-harga F’b1, F’b2, dan F’H dipilih yang terkecil selanjutnya
disebut F’min. Lebar gigi yang diperlukan dapat dihitung dari gaya tangensial Ft
(kg/mm) = 102Pd/v dibagi dengan F’min
Poros merupakan salah satu bagian terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Jika diketahui , jika harga tersebut tidak lebih dari 1/3 sisi kerucut atau kurang dari 10 kali modul ujung luar gigi, maka dapat ditetapkan sebagai harga yang dipakai.
bahwa poros yang akan direncanakan tidak mendapat beban lain kecuali torsi, maka perencanaan diameter porosnya adalah sebagai berikut :
3 . . 16 s d T π τ =
Supaya konstruksi aman maka τizin(τa)≥τtimbul (kg/mm
2 3 . . 16 s a d T π τ ≥ ) 3 1 . . 16 ≥ a s T d τ π 3 1 . 1 , 5 ≥ a s T d τ ... (2.33) Dimana : ds a τ = Diameter poros (mm) T = Torsi (kg.mm) = Tegangan izin (kg/mm2 P fc Pd = . )
Jika P adalah daya nominal output dari motor penggerak (kW), maka berbagai faktor keamanan bisa diambil, sehingga koreksi pertama bisa diambil kecil. Jika faktor koreksi adalah fc, maka daya perencana adalah :
... (2.34) Dimana Pd = Daya perencana (kW)
Harga fc dapat dilihat pada tabel 2.5 dibawah ini :
Tabel 2.5 faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan
Daya yang Akan Ditransmisikan fc
Daya rata-rata yang diperlukan 1,2 - 2,0
Daya maksimum yang diperlukan 0,8 - 1,2
(Sularso;Elemen Mesin; Hal 7)
Untuk menghitung Torsi T (kg.mm) dapat dihitung dari daya perencana (kW) sebagai berikut : ω Pd T = n Pd T π 2 1000 60 102× × × = n Pd T =9,74×105× (2.35)
Tegangan izin dapat dihitung sebagai berikut :
2 1 sf sf B a × = τ τ (Sularso;Elemen mesin;hal 8)(2.36)
Dimana : τ = Kekuatan tarik bahan (kg/mmB 2) Sf1 = Faktor keamanan bahan, untuk bahan
SF = 5,6 S-C = 6,0
Sf2 = Faktor keamanan akibat alur pasak (1,3 3,0) ÷
Dalam perencanaan diameter poros, ada faktor-faktor lain seperti faktor koreksi akibat momen puntir (Kt) dan faktor akibat beban lenturan (Cb), maka persamaan (2.33) menjadi : 3 1 . . 1 , 5 × × ≥ T Kt Cb d a s τ (Sularso;Elemen mesin;hal:8)(2.37)
Dimana harga Kt = 1,0 (jika beban halus)
1,0÷ 1,5 (Jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan) 1,5÷ 3,0 (Jika beban dikenakan dengan kejutan)
Cb = 1,2÷2,3(jika tidak ada beban lentur maka Cb = 1) 2.2.5 Baut
Baut disini berfungsi sebagai pengikat untuk dudukan pada motor penggerak tetapi selain itu berfungsi juga untuk pengikat poros terhadap puli. Jika momen rencana dari poros adalah T(Kg.mm) dan diameter poros adalah ds (mm), maka gaya tangensial F (Kg) Pada permukaan poros adalah :
) 2 / (ds T F= (2.38)
Tegangan geser yang ditimbulkan adalah :
2 4 / d F k × = π τ (2.39)
Dimana : τ k = Tegangan geser yang terjadi (kg/mm
2 2 1 fk fk b ka S S × = σ τ ) d = Diameter luar baut (mm)
Tegangan geser izin didapat dengan :
(2.40)
Dimana : Sfk1 = Faktor keamanan (umumnya diambil 6)
Sfk2 2 4 / d F ka × ≥ π τ = Faktor keamanan
= 1,0 – 1,5 (jika beban dikenakan perlahan-lahan) = 1,5 – 3,0 (jika beban dikenakan tumbukan ringan) = 2,0 – 5,0 (jika beban dikenakan secara tiba-tiba dengan
tumbukan berat)
Dari tegangan geser izin, panjang pasak yang diperlukan dapat diperoleh dengan :
Gaya keliling F (kg) yang sama seperti diatas dikenakan pada luas permukaan samping pasak. Maka tekanan permukaannya adalah :
1 t d F P × = (2.42)
Dimana : P = Tekanan permukaan (kg/mm2
1 t d F Pa × = ) t = kedalaman baut pada poros (mm)
dari harga tekanan permukaan yang di izinkan, panjang pasak yang diperlukan dapat dihitung dengan :
(2.43)
Dimana : Pa = Tekanan permukaan izin (kg/mm2)
Harga Pa dapat dilihat pada tabel 2.6 dibawah ini Tabel 2.6 Tekanan permukaan yang diizinkan pada ulir
Bahan Tekanan permukaan yang diizinkan Pa (kg/mm2)
Ulir luar Ulir dalam Untuk pengikat Untuk penggerak
Baja liat Baja liat atau perunggu 3 1
Baja keras Baja liat atau perunggu 4 1,3
Baja keras Besi cor 1,5 0,5
2.2.6 Bantalan
Tujuan merencanakan bantalan adalah untuk mendapatkan umur bantalan. Suatu beban yang besarnya sedemikian rupa hingga memberikan umur yang sama dengan umur yang diberikan oleh beban dan kondisi putaran sebenarnya disebut beban ekivalen dinamis. Misalkan sebuah bantalan membawa beban radial Fr (kg) dan beban aksial Fa (kg), maka beban ekivalen dinamis P (kg) adalah :
YFa
XVFr+
=
Pr (Sularso;Elemen Mesin; Hal 135) (2.44) Dimana : X,V dan Y = faktor-faktor beban
Harga X,V dan Y dapat dilihat pada tabel 2.7 Tabel 2.7 faktor-faktor X,V dan Y
Jenis bantalan Beba n putar pada cinci n dala m Beba n punti r pada cinci n luar
Baris tunggal Baris ganda
e
Baris tunggal Baris ganda
Fa/VFr>e Fa/VFr≤eFa/VFr>e
V X Y X Y X Y Xo Yo Xo Yo Bantalan bola alur dalam Fa/Co = 0,014 = 0,028 = 0,084 = 0,11 = 0,17 = 0,28 = 0,42 = 0,56 1 1,2 0,56 2,30 1,99 1,71 1,55 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00 1 0 0,56 2,30 1,90 1,71 1,55 1,45 1,31 1,15 1,04 1,00 0,190 ,22 0,26 0,28 0,30 0,34 0,38 0,42 0,44 0,6 0,5 0,6 0,5 Bantalan bola sudut α = 20º = 25º = 30º = 35º = 40º 1 1,2 0,43 0,41 0,39 0,37 0,35 1,00 0,87 0,76 0,66 0,55 0 1,09 0,92 0,78 0,66 0,55 0,70 0,67 0,63 0,60 0,57 1,63 1,41 1,24 1,07 0,93 0,57 0,68 0,80 0,95 1,14 0,5 0,42 0,38 0,33 0,29 0,26 1 0,84 0,76 0,66 0,58 0,52
(Sularso;Elemen Mesin; Hal 135)
Umur nominal L dapat ditentukan sebagai berikut :
= = 10 / 3 3 / 1 3 , 33 , 3 , 33 , n f rol bantalan untuk n f Bola bantalan untuk n n
Faktor umur :
Untuk kedua bantalan,fh
P C fn
= (Sularso;Elemen Mesin; Hal 135) (2.46)
Umur nominal Lh = = 10 / 3 3 / 1 500 , 500 , h h h h f f rol bantalan untuk f L Bola bantalan untuk adalah
(Sularso;Elemen Mesin; Hal 135) (2.47)
Dimana C = Beban nominal dinamik spesifik (kg) P = Beban ekivalen dinamis (kg)
Tabel 2.8 Beban nominal dinamik spesifik
L B A P a b b b h 2.2.7 Defleksi pada rangka batang
Kekakuan terhadap rangka batang terhadap lenturan juga perlu diperiksa. Bila suatu rangaka batang (plat profil) baja yang ditumpuh pada kedua ujungnya dan mendapat beban terpusat maka besarnya defleksi poros y (mm) adalah :
jika pada rangka diasumsikan kedua ujung rangka ditumpu, maka reaksi tumpuan untuk beban terpusat adalah adalah :
Gambar 2.4 Defleksi beban terpusat 2
/
P RB
RA= =
Karena pada alat pembuat es krim terdapat empat buat rangka untuk menahan beban dari tabung pendingin, maka besarnya beban untuk tiap-tiap rangka adalah
4
W
P=
Dimana P = Beban tiap-tiap rangka (kg) W = Beban dari tabung pendingin (kg) Momen lentur yang terjadi :
x RA
Mmak = . dimana x = l/2, maka
4 . 2 . 2 l P l P Mmak = = (2.48)
Untuk tegangan lentur yang timbul adalah :
I Y Mmak mak . = σ (2.49)
sb y sb x 1 2 C1 C2 b b h C d1 d2
Dimana Y = jarak dari pinggir penampang kepusat penampang (diambil yang terbesar), untuk kondisi diatas maka harga Y =b/2, sedangkan untuk momen inersia penampang siku adalah sebagai berikut :
Gambar 2.5 titik berat pelat profil h
b
A1= . , A2 =(b−h)h dimana :A1 dan A2 = Luas penampang 1 dan 2(mm2
2 2 2 1 A b.h b.h h 2b.h h A Atot = + = + − = − ) (mm2 2 / 1 h C = ) , C =b−h+h 2 2 (mm), maka C adalah : tot A C A C A C = 1 1+ 2 2 (2.50) 3 1 . 12 1 h b Iz = , Iz b .h 12 1 3
2 = , maka untuk momen inersianya adalah : ) ( ) (Iz1 A1d12 Iz2 A2d22 I = + + + (mm4) (2.51) Dimana d1 = C – h/2 d2 = C2 EI l P ymak 48 .3 = – C
untuk defleksi yang terjadi adalah :
(2.52)
Dimana E = Modulus elastisitas baja ( E = 2,27 × 104 kg/mm2) l = Panjang poros (m), P = Beban (kg)
BAB III
PENETAPAN SPESIFIKASI DAN PEMBUATAN ALAT
3.1 Fluida yang diaduk.
Peninjauan pada fluida yang akan diaduk perlu dilakukan dalam perancangan alat pembuat es krim. Fluida yang diaduk adalah yang termasuk dalam klasifikasi cairan kental yang nantinya akan membeku akibat pendinginan.
3.2 Penetapan kapasitas tabung es krim.
Kapasitas dari tabung es krim ini direncanakan yaitu sekitar 4 kg berat adonan es krim untuk tiap satu tabung es krim, dengan diameter 22,86 cm dan tinggi 40 cm.
3.3 Perencanaan Sistem Transmisi
Untuk memindahkan putaran motor ke poros penggerak bejana yang direncanakan putarannya sekitar 60 rpm direncanakan menggunakan sistim transmisi puli dan roda gigi dan disesuaikan dengan kebutuhannya. Dalam perencanaan alat pembuat es krim ini direncanakan roda gigi cacing dan roda gigi kerucut untuk memindahkan gerakan putaran antara poros vertikal dan tidak sejajar seperti pada gambar 3.1 dibawah ini:
