BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
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.
Poros dalam sebuah mesin berfungsi untuk meneruskan tenaga melalui putaran mesin. Setiap elemen mesin yang berputar, seperti cakra 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.
Makalah ini disusun guna memenuhi tugas dari dosen mata kuliah Elemen Mesin, makalah ini disusun berdasarkan tugas kelompok dengan judul makalah tentang Perancangan Poros. Kami tidak akan membahas langsung pada perancangan poros. Kami akan sedikit membahas mengenai definisi poros dan macam macam poros, agar pembaca mendapat sedikit gambaran umum mengenai poros.
A. Rumusan Makalah
Berdasarkan latar belakang diatas penulis berinisiatif menulis beberapa hal yang akan dibahas didalam makalah ini antara lain :
1. Apa definisi dari Poros ? 2. Apa macam-macam poros ? 3. Perancangan poros.
B. Tujuan
1. Memenuhi tugas dosen mata kuliah Elemen Mesin.
2. Menambah wawasan mengenai apa itu poros.
3. Mengetahui sedikit mengenai macam-macam dari poros.
4. Menambah pengetahuan mengenai perancangan poros
BAB II PEMBAHASAN
A. Definisi Poros
Poros adalah suatu bagian stasioner yang berputar, biasanya berpenampang bulat diameter pasang elemen-elemen seperti roda gigi (gear), pully, flywheel, engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya. Poros bias menerima beban lentur, beban tarikan, beban teka atau beban puntur yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya.
B. Macam-macam Poros
1. Jenis-Jenis Poros
Poros sebagai penerus daya diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut :
a. Poros Transmisi
Poros Transmisi (transmission shaft) atau sering hanya disebut dengan poros (shaft) digunakan pada mesin rotasi untuk metransmisikan putaran dan rotasi dari satu lokasi kelokasi yang lainnya. Poros mentransmisikan torsi dan driver (motor atau engine) ke driven.
Komponen mesin yang sering digunakan bersamaan dengan poros adalah roda gigi, puli dan sprocket. Transmisi torsi antar poros dilakukan dengan pasangan roda gigi, sabuk atau rantai. Poros bisa menjadi satu dengan driver, seperti pada poros motor dan engine crank shaft, bisa juga poros bebas yang dihubungakan ke poros lainnya dengan kopling. Sebagai dudukan poros, digunakan bantalan.
b. Poros Spindle
Poros Spindle adalah poros tranmisi yang relative pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utama berupa puntiran, disebut spindle. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya yang harus kecil, dan bentuk serta ukuran haruslah teliti.
c. Gandar
Gandar adalah poros yang tidak mendapatkan beban punter, bahkan kadang kadang tidak boleh berputar. Contohnya seperti yang terpasang diantara roda-roda kereta barang dll.
Gambar 3. Gandar Gambar 2. Poros Spindle 1
Gandar
Berdasarkan bentuknya : a. Poros lurus
b. Poros engkol sebagai penggerak utama pada silinder mesin
Ditinjau dari segi besarnya transmisi daya yang mampu ditransmisikan, poros merupakan elemen mesin yang cocok untuk mentransmisikan daya yang kecil hal ini dimaksudkan agar terdapat kebebasan bagi perubahan arah (arah momen putar).
2. Hal-hal yang Perlu Diperhatikan a. 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 bertingkat ataupun penggunaan alur pasak pada poros tersebut. Poros yang dirancang tersebut harus cukup aman untuk menahan beban-beban tersebut.
b. Kekakuan Poros
Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup aman dalam menahan pembebanan tetapi adanya lenturan atau defleksi yang terlalu besar akan mengakibatkan ketidak telitian (padamesinperkakas), getaran mesin (vibration) dansuara (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.
c. Putaran Kritis
Bila putaran mesin dinaikkan 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.
d. 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.
e. 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, baja khrom nikel, baja khrom molibden, baja khrom nikel molebdenum, dll. Sekalipun demikian, baja paduan khusus tidak selalu dianjurkan jika alasannya hanya karena putaran tinggi dan pembebanan yang berat saja. Dengan demikian perlu dipertimbangkan dalam pemilihan jenis proses heat treatment yang tepat sehingga akan diperoleh kekuatan yang sesuai.
C. Perancangan Poros
Tegangan dan defleksi adalah parameter yang harus diperhatikan pada perancangan poros. Defleksi sering menjadi parameter kritis, karena defleksi yang besar akan mempercepat keausan bantalan dan mengakibatkan terjadinya misalignment pada roda 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 bagian poros. 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. 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.
2. 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)
𝜎
a = kekuatan tarik bahan (kg/mm2) aτKt = 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 𝜎 = 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 :
