1
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Setiap mesin dirancang dan dibuat untuk memberikan fungsi – fungsi tertentu tertentu yang dapat meringankan pekerjaan manusia. Untuk dapat memberikan fungsi tersebut, sebuah mesin memerlukan kerjasama dari berbagai komponen yang bekerja menurut suatu mekanisme. Sebagai penggerak dari mekanisme tersebut dapat digunakan tenaga hewan atau manusia secara langsung jika mesinnya sederhana, tetapi karena berbagai alasan, sebagian besar mesin menggunakan motor penggerak (engine) yang bisa berupa motor bakar maupun motor listrik. Motor – motor tersebut pada umumnya memberikan daya dalam bentuk putaran pada sebuah poros, yang disebut poros penggerak, yang selanjutnya akan diteruskan ke seluruh komponen dalam mekanisme. Salah satu sistem transmisi adalah roda gigi, yang secara umum digunakan untuk memindahkan atau meneruskan daya dan putaran poros. Dengan adanya roda gigi dapat dinaikkan atau diturunkan jumlah putaran poros pada poros keluaran dengan jalan mengatur rasio roda gigi.
Di luar cara transmisi di atas, ada pula cara lain untuk meneruskan daya, yaitu dengan sabuk atau rantai. Namun demikian, transmisi roda gigi mempunyai keunggulan dibandingkan dengan sabuk atau rantai karena lebih ringkas, putaran lebih tinggi dan tepat, dan daya lebih besar. Kelebihan ini tidak selalu menyebabkan dipilihnya roda gigi di samping cara yang lain, karena memerlukan ketelitian yang lebih besar dalam pembuatan, pemasangan maupun pemeliharaannya. Pemakaian roda gigi sebagai alat transmisi telah menduduki tempat terpenting di segala bidang selama 200 tahun terakhir ini. Penggunaaannya dimulai dari alat pengukur yang kecil dan teliti seperti jam tangan, sampai roda gigi reduksi pada turbin besar yang berdaya hingga puluhan megawatt.
1.2.Tujuan
Tujuan tugas rancangan roda gigi ini adalah:
1. Agar mahasiswa memahami hal – hal utama yang harus diperhatikan terutama prinsip kerja dan merancang bagian – bagian dari sistem transmisi roda gigi lurus.
2
2. Agar mahasiswa memahami berbagai hubungan karakteristik bahan dan sifat yang dibutuhkan untuk digunakan dalam merancang suatu sistem transmisi roda gigi lurus.
1.3.Batasan Masalah
Dalam perancangan ini, yang akan di rancang ulang adalah roda gigi lurus dengan spesifikasi :
Daya (N) : 34,54 dk
Putaran (n) : 1500 rpm
1.4.Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan terdiri dari :
Bab I Tentang pendahuluan yang menguraikan latar belakang penulisan, tujuan penulisan, batasan masalah, sistematika penulisan dan metode penulisan. Bab II Membahas mengenai tinjauan pustaka yaitu pengertian roda gigi, klasifikasi
roda gigi, dasar pemilihan roda gigi lurus, dan prinsip kerja.
Bab III Bab ini menguraikan jenis-jenis poros, dasar pemilihan poros, perhitungan momen puntir pada poros, pemilihan bahan poros, dan perencanaan diameter poros
Bab IV Membahas perancangan roda gigi lurus yaitu pengertian roda gigi lurus, analisa gaya, dan analisa tegangan yang dikenai pada roda gigi lurus.
Bab V Membahas perancangan bantalan yaitu pengertian bantalan, pemilihan bahan bantalan, ukuran-ukuran utama pada bantalan.
3 1.5.Metode Penulisan
Metode yang diterapkan di dalam penulisan laporan ini, yakni :
1. Studi perpustakaan, meliputi pengumpulan bahan – bahan yang dirangkum dari beberapa buku dan catatan kuliah.
2. Observasi lapangan untuk mengumpulkan data. 3. Pencarian data dan keterangan dari internet.
4 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Jika dari dua buah roda berbentuk silinder atau kerucut yang saling bersinggungan pada kelilingnya salah satu diputar maka yang lain akan ikut berputar pula. Alat yang menggunakan cara kerja semacam ini untuk mentransmisikan daya disebut roda gesek. Cara ini cukup baik untuk meneruskan daya kecil dengan putaran yang tidak perlu tepat.
Guna mentransmisikan daya besar dan putaran yang tepat tidak dapat dilakukan dengan roda gesek. Untuk ini, kedua roda tersebut harus dibuat bergerigi pada kelilingnya sehingga penerusan daya dilakukan oleh gigi – gigi kedua roda yang saling berkait. Roda bergigi semacam ini, yang dapat berbentuk silinder atau kerucut disebut dengan roda gigi.
Seperti yang telah dikemukakan pada bab sebelumnya pemakaian roda gigi sebagai alat transmisi telah menduduki tempat terpenting di segala bidang selama 200 tahun terakhir ini. Penggunaaannya dimulai dari alat pengukur yang kecil dan teliti seperti jam tangan, sampai roda gigi reduksi pada turbin besar yang berdaya hingga puluhan megawatt. Dalam bab ini, akan dibahas lebih dahulu penggolongan roda gigi kemudian akan diuraikan nama setiap bagian roda gigi lurus, cara menyatakan ukuran roda gigi lurus dan peristilahannya.
2.1. Klasifikasi Roda Gigi
Roda gigi diklasifikasikan seperti dalam table 2.1. menurut letak poros, arah putaran, dan bentuk jalur gigi. Roda – roda gigi yang terpenting yang disebutkan dalam table 2.1. diperlihatkan pada gambar 2.1.
Roda gigi dengan poros sejajar adalah roda gigi dimana giginya berjajar pada dua bidang silinder (bidang jarak bagi); kedua bidang silinder tersebut bersinggungan dan yang satu menggelinding pada yang lain dengan sumbu tetap sejajar.
Roda gigi lurus (a) merupakan roda gigi paling dasar dengan jalur gigi yang sejajar poros. Roda gigi miring (b) mempunyai jalur gigi yang membentuk ulir pada silinder jarak bagi. Pada roda gigi miring ini, jumlah pasangan gigi yang saling membuat kontak serentak (perbandingan kontak) adalah lebih besar daripada roda gigi lurus, sehingga perpindahan momen atau putaran melalui gigi – gigi tersebut dapat berlangsung dengan halus. Sifat ini sangat baik untuk mentransmisikan putaran tinggi dan beban besar. Namun roda gigi miring memerlukan bantalan aksial dan kotak roda gigi yang lebih kokoh, karena jalur gigi yang
5
berbentuk ulir tersebut memerlukan gaya reaksi yang sejajar dengan poros. Dalam hal roda gigi miring ganda (c) gaya aksial yang timbul pada gigi yang mempunyai alur berbentuk v tersebut, akan saling meniadakan. Dengan roda gigi ini, perbandingan reduksi, kecepatan keliling dan daya yang diteruskan dapat diperbesar, tetapi pembuatannya sukar. Roda gigi dalam (d) dipakai jika diinginkan alat transmisi dengan ukuran kecil dengan perbandingan reduksi besar , karena pinion terletak di dalam roda gigi. Batang gigi (e) merupakan dasar profil pahat pembuat gigi. Pasangan antara batang gigi dan pinion digunakan untuk merubah gerakan putar menjadi lurus dan juga sebaliknya.
Tabel 2.1. Klasifikasi Roda Gigi
Letak poros Roda gigi Keterangan
Roda gigi dengan poros sejajar
Roda gigi lurus (a)
(Klasifikasi atas dasar bentuk alur gigi)
Roda gigi miring (b) Roda gigi miring ganda (c)
Roda gigi luar Arah putaran berlawanan
Roda gigi dalam dan pinyon (d) Arah putaran sama
Batang gigi dan pinyon (e) Gerakan lurus dan berputar
Roda gigi dengan poros berpotongan
Roda gigi kerucut lurus (f)
(Klasifikasi atas dasar bentuk jalur gigi)
Roda gigi kerucut spiral (g) Roda gigi kerucut ZEROL Roda gigi kerucut miring Roda gigi kerucut miring ganda
Roda gigi permukaan dengan poros berpotongan (h)
(Roda gigi dengan poros berpotongan berbentuk istimewa)
Roda gigi dengan poros silang
Roda gigi miring silang (i)
Kontak titik
Batang gigi miring silang Gerakan lurus dan berputar Roda gigi cacing silindris (j)
Roda gigi cacing selubung ganda (globoid) (k)
Roda gigi cacing samping Roda gigi hyperboloid Roda gigi hipoid (l) Roda gigi permukaan silang
6
Pada roda gigi kerucut, bidang jarak bagi merupakan bidang kerucut yang puncaknya terletak di titik potong sumbu poros. Roda gigi kerucut lurus (f) dengan gigi lurus, adalah yang paling mudah dibuat dan paling sering dipakai. Tetapi roda gigi ini sangat berisik karena perbandingan kontaknya yang kecil. juga konstruksinya tidak memungkinkan pemasangan bantalan pada kedua ujung poros – porosnya. Roda gigi kerucut spiral (g), karena mempunyai perbandingan kontak yang lebih besar, dapat meneruskan putaran tinggi dan beban besar. Sudut poros kedua roda gigi kerucut ini biasanya dibuat 90°.
Dalam golongan roda gigi dengan poros bersilang, terdapat roda gigi miring silang (i), roda gigi cacing (j dan k), roda gigi hipoid (l) dan lain – lain. Roda gigi cacing meneruskan putaran dengan perbandingan reduksi besar. Roda gigi macam (j) mempunyai cacing berbentuk silinder dan lebih umum dipakai. Tetapi untuk beban besar, cacing globoid atau cacing selubung ganda (k) dengan perbandingan kontak yang lebih besar dapat digunakan roda gigi hipoid adalah seperti yang dipakai pada roda gigi diferensial mobil. Roda gigi ini mempunyai jalur gigi berbentuk spiral pada bidang kerucut yang sumbunya bersilang, dan pemindahan gaya pada permukaan gigi berlangsung secara meluncur dan menggelinding.
Gambar 2.1. jenis-jenis roda gigi
7
Roda gigi yang tidak disebutkan sebelumnya, semuanya mempunyai perbandingan kecepatan sudut tetap antara kedua poros. Tetapi di samping itu terdapat pula roda gigi yang perbandingan kecepatan sudutnya dapat bervariasi, seperti misalnya roda gigi eksentris, roda gigi bukan lingkaran, roda gigi lonjong seperti pada meteran air, dan sebagainya.ada juga roda gigi dengan putaran yang terputus – putus dan roda gigi Geneva yang dipakai misalnya untuk menggerakkan film pada proyektor bioskop.
2.2. Nama – Nama Bagian Roda Lurus
Roda gigi lurus merupakan roda gigi paling dasar dengan jalur gigi yang sejajar dengan poros, pada roda gigi jenis ini pemotongan giginya searah dengan poros gigi. Untuk permukaan memanjang pemotongan giginya kadang-kadang dilakukan dengan arah membentuk sudut terhadap batang gigi rack.
1. Lingkaran puncak, adalah lingkaran yang melalui puncak roda gigi. Diameter lingkaran puncak ini dinyatakan dengan Dk.
2. Lingkaran alas, adalah lingkaran pada alas roda gigi. Diameter dari lingkaran ini dinyatakan dengan Dv.
3. Lingkaran jarak, dua roda yang kerja sama dinamakan lingkaran- lingkaran khayal yangbersinggungan dengan kecepatan keliling yang sama. Diameter lingkaran jarak
8
dinyatakan dengan huruf D. Garis sumbu melalui titik-titik tengah dari roda disebut juga pusat lingkaran.
4. Jumlah gigi dari suatu roda gigi dinyatakan dengan huruf z, jumlah putaran tiap-tiap menit dengan n.
5. Angka transmisi i adalah perbandingan jumlah putaran roda gigi yang berputar dan yang diputar
6. Jarak antara t adalah jarak dua gigi berturut-turut, diukur pada lingkaran jarak. Jadi, jarakantara ialah busur A-C. Jarak antara adalah juga sama dengan lebar lekuk+ tebal gigi, diukur pada lingkaran jarak. Lebar lekuk ialahb usur A-B, tebal gigi ialah busur B-C.
7. Jari kutub m adalah bilangan yang diperbanyak dengan menghasilkan jarak antara gigi-gigi
8. Tinggi puncakHk , adalah jarak dari lingkaran puncak sampai lingkaran jarak 9. Tinggi alasHv, adalah jarak dari lingkaran – jarak sampai lingkaran – alas 10.Puncak gigi ialah bagian gigi diatas lingkaran jarak.
11.Alas gigi ialah bagian gigi antara lingkaran jarak dan lingkaran alas. 12 Profil gigi ialah bentuk penampang lintang tegak lurus dari gigi
9
BAB III
PERANCANGAN POROS
Poros (keseluruhannya berputar) adalah untuk mendukung suatu momen putar dan sering mendapat tegangan puntir dan tegangan lentur.
Kadang poros ini dapat mengalami tegangan tarik, kelelahan, tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan yang akan terjadi pada diameter poros yang terkecil atau pada poros yang terpasang alur pasak, hal ini biasanya dilakukan pada penyambungan atau penghubungan antar komponen agar tidak terjadi pergeseran.
Gambar 3. 1 Poros
Persyaratan khusus terhadap disain dan pembuatan poros adalah sambungan dari poros dan naaf dan dari poros dengan poros.
Pembuatan poros adalah sampai diameter 150 mm adalah dari baja bulat (St42, St50, St70 dan baja campuran) yang diputar, dikupas atau ditarik. Dari lebih tebal ditempa menjadi jauh lebih kecil. Poros beralur diakhiri dengan penggosokan, dan dalam hal dikehendaki bulatan yang tepat. Tempat bantalan dan peralihan menurut persyaratan diputar halus, digosok, dipoles, dicetak dan pada pengaretan tinggi kemudian dikeraskan.
10 1. Tegangan tarik 2. Tegangan lentur 3. Momen puntir 4. Kelelahan 5. tumbukan 3.1. Jenis-Jenis Poros
Apabila dilihat dari pembebanan terhadap poros, maka poros dapat dibedakan atas tiga jenis, yaitu :
a. Poros Transmisi
Poros ini mengalami beban puntir murni dan lenturan serta daya yang ditransmisikan ke poros ini adalah melalui kopling, roda gigi, pulley dan sebagainya.
b. Spindel
Poros ini sering disebut dengan poros transmisi yang bentuknya relatif pendek seperti poros utama mesin perkakas, di mana beban utamanya berupa puntiran. Syarat yang perlu untuk poros ini dalah harus memiliki deformasi yang kecil dan juga ketelitian ukuran dan bentuknya.
c. Gardan
Poros ini digunakan untuk menahan puntiran dan kadang-kadang poros ini tidak melakukan gerakan putar. Poros ini banyak ditemukan pada kereta barang.
3.2. Dasar-Dasar Pemilihan Poros
Dalam perancangan sebuah poros perlu diperhatikan hal-hal berikut ini : a. Bahan Poros
Bahan poros pada mesin biasanya menggunakan baja batangan yang ditarik dingin dan difinishing, dan juga dari baja karbon konstruksi untuk mesin yang dihasilkan dari ingot yang di-kill (baja yang dioksidasikan dengan ferro silikon dan dicor dengan kadar karbon yang terjamin). Untuk poros yang digunakan pada putaran dan daya
11
yang tinggi, biasanya digunakan bahan dari baja paduan dengan pengerasan kulit yang tahan aus. Diantaranya adalah baja Krom Nikel, baja Crom Nikel Molybdem.
b. Kelelahan
Pengaruh dari tumbukan dan konsentrasi tegangan pada poros harus diperhatikan bentuknya apakah diameter porosnya sudah sesuai dengan alur pasak yang akan menahan beban sehingga terjadi pengerasan dan lain-lain.
c. Kekakuan
Poros harus kuat bila mengalami lenturan atau defleksi puntirnya yang besar sehingga terhindar dari getaran. Kekakuan poros dapat disesuaikan dengan jenis mesin yang menggunakan poros tersebut.
d. Putaran Kritis
Pada putaran yang tidak konstan akan mengakibatkan getaran pada poros tersebut, apalagi pergantian putaran dari putaran normal ke putaran maksimum. Untuk itu poros harus dirancang tahan terhadap putaran maksimumnya, yang disebut dengan putaran kritis. Oleh karena itu poros harus dirancang sedemikian rupa dan untuk lebih aman harus digunakan di bawah putaran kritisnya. Memang dalam perancangan poros ini harus kita sesuaikan dengan daya dan putaran yang harus dipindahkan khususnya untuk kopling.
3.3. Perhitungan Momen Puntir Poros
Poros yang digunakan pada worm gear disatukan dan ini akan mengalami beban puntir dan beban lentur, namun yang paling besar adalah momen puntir akibat putaran. Perhitungan kekuatan poros didasarkan pada momen puntir khususnya untuk poros gigi cacing.
Data yang diketahui (dari brosur) adalah : Daya (P) : 34,54 dk
12
P = 34,54 x 0,746 kW = 25,766 kW
Maka untuk meneruskan daya dan putaran ini, terlebih dahulu dihitung daya perencanaannya (Pd). Pd = fc . P dimana : Pd = daya perencanaan (kW) fc = faktor koreksi P = daya masukan (kW)
Daya mesin (P) merupakan daya nominal output dari motor penggerak, daya inilah yang ditransmisikan melalui poros dengan putaran tertentu.
Tabel 3.1. Jenis-jenis Faktor Koreksi Berdasarkan Daya yang akan Ditransmisikan Daya Yang Akan Ditransmisikan fc
Daya rata-rata 1,2 – 2,0
Daya maximum 0,8 – 1,2
Daya Normal 1,0 – 1,5
Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, “ Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin “
Untuk perancangan poros ini diambil daya maksimum sebagi daya rencana dengan faktor koreksi sebesar fc = 1,2. 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.
Pd = 1,2 . 25.766 kW
13
3.4. Pemilihan Bahan
Pemilihan suatu bahan yang akan digunakan dapat ditentukan dengan menghitung momen puntir (momen torsi rencana) yang dialami poros. Momen puntir rencana adalah:
.Mp = 9,74 . 105 .
n
P
d Mp = 9,74 . 105 x 30,92 kW / 1500 rpm = 20077,38 kg.mmDalam pemilihan bahan perlu diperhatikan beberapa hal seperti pada tabel berikut, dan kita dapat menyesuaikan dengan yang kita butuhkan.
Tabel 3.2. Batang baja karbon yang difinis dingin (Standar JIS)
Lambang Perlakuan Panas Diameter (mm) Kekuatan Tarik (kg/mm2) Kekerasan HRC (HRB) HB S35C-D Dilunakkan 20 atau kurang 21 – 80 58 – 79 53 – 69 (84) – 23 (73) – 17 - 144 – 216 Tanpa Dilunakkan 20 atau kurang 21 – 80 63 – 82 58 – 72 (87) – 25 (84) – 19 - 160 – 225
Tabel 3.2. Batang baja karbon yang difinis dingin (Lanjutan)
Lambang Perlakuan Panas Diameter (mm) Kekuatan Tarik (kg/mm2) Kekerasan HRC (HRB) HB S45C-D Dilunakkan 20 atau kurang 21 – 80 65 – 86 60 – 76 (89) – 27 (85) – 22 - 166 – 238
14 Tanpa Dilunakkan 20 atau kurang 21 – 80 71 – 91 66 – 81 12 – 30 (90) – 24 - 183 – 253 S55C-D Dilunakkan 20 atau kurang 21 – 80 72 – 93 67 – 83 14 – 31 10 – 26 - 188 – 260 Tidak Dilunakkan 20 atau kurang 21- 80 80 – 101 75 – 91 19 – 34 16 – 30 - 213 – 285
Sularso, “Dasar-dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradya Pramita, Jakarta 1994
Dalam pemilihan bahan perlu diketahui tegangan izinnya, yang dapat dihitung dengan rumus: b a f1 f2
τ
S
S
dimana : τa = tegangan geser izin (kg/mm2) σb = kekuatan tarik bahan (kg/mm2)
Sf1 = faktor keamanan yang tergantung pada jenis bahan, dimana untuk bahan S-C besarnya : 6,0.
Sf2 = faktor keamanan yang bergantung dari bentuk poros, dimana harganya berkisar antara 1,3 – 3,0.
Untuk Sf2 diambil sebesar 3,0 maka tegangan geser izin bahan S55C-D (AISI 1045), maka tegangan geser izin adalah:
2 2
/
4
3
.
6
/
72
mm
kg
mm
kg
a
15 3.5. Perencanaan Diameter Poros
Perencanaan untuk diameter poros dapat diperoleh dari rumus:
dp = 3 / 1 . . . 1 , 5 p b t a M C K
dimana : dp = diameter poros (mm)
τa = tegangan geser izin (kg/mm2)
Kt = faktor koreksi tumbukan, harganya berkisar 1,5 – 3,0
Cb = faktor koreksi untuk terjadinya kemungkinan terjadinya beban lentur, dalam perencanaan ini diambil 1,2-2,3 karena diperkirakan tidak akan terjadi beban lentur.
Mp = momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm)
Dalam hal ini faktor koreksi tumbukan pada range 1,5 – 3,0 diambil Kt = 2,8, supaya poros aman dari tumbukan. Dan dalam mekanisme ini beban lentur yang terjadi kemungkinan adalah kecil karena poros adalah relatif pendek, sehingga faktor koreksi untuk beban lentur Cb = 2, maka diameter poros dapat ditentukan sebagai berikut :
dp = 3 / 1 38 , 20077 2 8 , 2 4 1 , 5 x x x = 52,33 mm ≈ 52 mm
Maka diameter poros yang diambil adalah 52 mm.
3.6. Pemeriksaan Kekuatan Poros
Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan puntir yang dialami
16
poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser izin dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.
Besar tegangan geser yang timbul pada poros adalah :
τp = 3 . . 16 d Mp
dimana : τp = tegangan geser akibat momen puntir (kg/mm2) Mp = momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm) dp = diameter poros (mm)
Untuk momen puntir (Mp)= 20077,38 kg.mm, dan diameter poros dp= 52 mm, maka perhitungan tegangan gesernya adalah sebagai berikut:
τ
P=
= 0,727 kg/mm2Menurut hasil yang diperoleh dari perhitungan diatas, terlihat bahwa tegangan geser yang terjadi adalah lebih kecil daripada tegangan geser yang diizinkan
τ
p
τ
a (
a4kg/mm2).Dengan hasil ini maka dapat disimpulkan bahwa poros ini aman untuk digunakan pada roda cacing yang dirancang untuk memindahkan daya dan putaran yang telah ditentukan.
Gaya tangensial poros dapat dihitung dari:
p p f2 M F= d S dimana: F = Gaya tangensial (kg) Mp = Momen puntir (kg.mm) dp = Diameter poros (mm)
Sf2 = Faktor keamanan yang tergantung pada bentuk poros dimana berkisar antara 1,3-3,0. 3 52 . 38 , 20077 16 x
17
Kita ambil Sf2 = 3, Maka:
= 1158,31 kg ≈ 1158 kg
18
BAB IV
PERANCANGAN RODA GIGI LURUS
Pada Bab II telah dijelaskan klasifikasi Roda gigi dan bagian-bagian utama Roda gigi. Dalam rancangan ini digunakan Roda gigi miring ynag berfungsi mentransmisikan daya dn putaran dari poros input ke poros output. Daya yang ditransmisikan sebesar 34,54 Ps dan putaran 1500 rpm.
4.1 Penentuan Spesifikasi Roda Gigi
Pada perencanaan ini terlebih dahulu kita harus menentukan perbandingan roda gigi/perbandingan transmisi (perbandingan antara jumlah gigi pada roda gigi yang digerakkan dengan roda gigi penggerak) dengan simbol i dan menentukan jarak antara kedua poros a
yang besarnya ditetapkan adalah 90 mm. Sedangkan untuk perbandingan reduksi ditetapkan sebesar 1,5.
Maka diameter jarak bagi sementara (d’) dari kedua roda gigi dapat dicari dengan menggunakan persamaan 1,5 1 90 2 i 1 a 2 ' d 1 A = 72 mm
dimana dA’ = diameter jarak bagi sementara roda gigi penggerak dB'dA'.i72.1,5= 108 mm
dimana dB’ = diameter jarak bagi sementara roda gigi perantara
Dengan merencanakan modul (m) sebesar 4, maka jumlah gigi (z) masing-masing roda gigi dapat dihitung sebagai berikut :
4 72 m ' d z A A = 18 buah 4 108 m ' d z B B = 27 buah
Dengan adanya penggenapan dari jumlah gigi, maka diameter jarak bagi juga berubah, yaitu: dA = zA.m = 18.4
19
= 72 mm dB = zB.m = 27.4 = 108 mm
Selanjutnya akan dihitung kecepatan keliling dari roda gigi, yang diketahui melalui hubungan : V = 000 . 60 . .dAn
dimana : V = kecepatan keliling (m/s)
dA = diameter jarak bagi pinion (mm) n = putaran poros pinion (rpm) Maka 000 . 60 1500 . 72 . 14 , 3 V = 5,652 m/s
Besarnya gaya tangensial (Wt) yang dialami roda gigi adalah :
775 , 549 652 , 5 464 , 30 . 102 . 102 V Pd Wt kg
Besarnya beban lentur izin persatuan panjang sisi dapat diperoleh dari rumus : Fb’ = a. m . J . fv
dimana : Fb’ = beban lentur (kg) m = modul
Y = faktor bentuk gigi fv = faktor dinamis
a = tegangan lentur yang diijinkan, dari Lamp. 8 diperoleh untuk bahan S45C adalah 30 kg/mm2 (300 MPa).
Nilai fv diperoleh dengan memilih rumus ketiga karena kendaraan akan lebih sering dipacu dengan kecepatan tinggi. Maka :
20 V fv 5 , 5 5 , 5 = 0.69 625 , 5 5 , 5 5 , 5
J merupakan faktor bentuk gigi (faktor lewis) yang besarnya bervariasi menurut jumlah gigi. 1) Untuk poros output
Pada poros input diketahui jumlah gigi (z) adalah 18. Maka dari Lamp. 4 terlihat bahwa untuk z =18 diperoleh J = 0,293. Dari Lamp. 8 terlihat bahwa bahan baja karbon untuk konstruksi mesin jenis S45C mempunyai tegangan lentur a sebesar 30 kg/mm2 (300MPa). Sehingga dengan rumus
Fb’ = a. m . J . fv
Diperoleh besarnya beban lentur, yaitu Fb’ = 30 . 4 . 0,293 . 0,69 = 24,26 kg.
2) Untuk poros perantara
Pada poros perantara diketahui jumlah gigi (z) adalah 27. Maka dari tabel diperoleh J = 0,408. Dengan jenis bahan yang sama maka akan diperoleh besarnya beban lentur yang terjadi adalah
Fb’ = a. m . J . fv
= 30 . 4 . 0,408 . 0,69 = 33,78 kg
Sedangkan beban permukaan yang diijinkan persatuan lebar sisi (FH’) dapat dicari dengan rumus : B A A A H v H Z Z Z d k f F ' . . . 2
dimana kh = faktor tegangan kontak, dilihat pada Tabel 4.1. Dipilih pinyon jenis baja (500) dan roda gigi besar (400) yang besar kh = 0,329.
Sehingga 27 18 18 . 2 . 72 . 329 , 0 . 69 , 0 ' H F = 13,075 kg/mm
21
Tabel 4.1. Faktor tegangan kontak pada bahan roda gigi Bahan roda gigi (Kekerasan
HB) kH
(kg/mm2)
Bahan roda gigi (Kekerasan
HB) kH
(kg/mm2)
Pinyon Roda gigi
besar Pinyon
Roda gigi
besar
Baja 150 Baja 150 0,027 Baja 400 Baja 400 0,311
Baja 200 Baja 150 0,039 Baja 500 Baja 400 0,329
Baja 250 Baja 150 0,053 Baja 600 Baja 400 0,348
Baja 200 Baja 200 0,053 Baja 500 Baja 500 0,389
Baja 250 Baja 200 0,069 Baja 600 Baja 600 0,569
Baja 300 Baja 200 0,086 Baja 150 Besi cor 0,039
Baja 250 Baja 250 0,086 Baja 200 Besi cor 0,079
Baja 300 Baja 250 0,107 Baja 250 Besi cor 0,130
Baja 350 Baja 250 0,130 Baja 300 Besi Cor 0,139
Baja 300 Baja 300 0,130 Baja 150 Perunggu
fosfor 0,041
Baja 350 Baja 300 0,154 Baja 200 Perunggu
fosfor 0,082
Baja 400 Baja 300 0,168 Baja 250 Perunggu
fosfor 0,135
Baja 350 Baja 350 0,182 Besi cor Besi cor 0,188
Baja 400 Baja 350 0,210 Besi cor
nikel
Besi cor
nikel 0,186
Baja 500 Baja 350 0,226 Besi cor
nikel
Perunggu
fosfor 0,155
Sumber: Dasar Pemilihan dan Perancangan Elemen Mesin, Sularso & Kiyokatsu Suga, Hal. 243
22 mm 918 , 36 23 , 10 67 , 377 ' F F F H t
Untuk memeriksa apakah modul yang dipakai sesuai atau tidak, maka nilai b/m harus berada pada range 6 – 10. Maka
23 , 9 4 918 , 36 m b
Jelas bahwa nilai b/m masih berada pada interval di atas sehingga dapat dikatakan rancangan ini cukup aman.
Berdasarkan modul (m) = 4 dapat ditentukan spesifikasi roda gigi sebagai berikut :
Modul (m) = 4
Jumlah gigi pinyon = 18 buah
Jumlah gigi roda gigi perantara = 27 buah
Diameter jarak bagi (dA) = 72 mm
Diameter jarak bagi (dB) = 108 mm
Diameter luar (dk), dkA = (ZA+ 2) . m = (18 + 2) . 4 = 80 mm dkB = (ZB + 2) . m = (27 + 2) . 4 = 116 mm
Kelonggaran puncak (Ck) = 0,25 . m = 0,25 . 4 = 1 mm
Tinggi gigi (l) = (2.m) + Ck = (2.4) + 1 = 9 mm
Adendum (hk)/tinggi kepala = m = 4 mm
Dedendum (hf)/tinggi kaki = m + Ck = 4 + 1 = 5 mm
Diameter dalam (dfA) = dkA – 2H = 80 – (2.9) = 62 mm (dfB) = dkB – 2H = 116 – (2.9) = 98 mm
Lebar gigi (F) = 36,918 mm = 36 mm
Tebal rata-rata gigi (t) = ½ . . m = ½ . 3,14 .4 = 6,28 mm
4.2 Pemeriksaan Kekuatan
Bahan untuk roda gigi pinion ini direncanakan dari baja karbon untuk konstruksi mesin (JIS G 4051) jenis S 45 C dengan tegangan lentur ijin = 300 MPa.
Pada saat beroperasi, roda gigi akan mengalami tegangan lentur akibat gaya tangensial. Gigi merupakan bagian yang mengalami pembebanan yang paling kritis, sehingga pemeriksaan kekuatan didasarkan pada kekuatan gigi.
23 a = 2t
F.t .l 6.W
dimana : Wt = gaya tangensial l = tinggi gigi F = lebar gigi t = tebal gigi Maka a= 2 2 t 28 , 6 . 918 , 36 9 . 775 , 549 . 6 F.t .l 6.W = 20,39 kg/mm2 = 203,9 MPa.
Dari hasil perhitungan diperoleh bahwa tegangan lentur yang terjadi jauh lebih kecil dari tegangan lentur ijin.
4.3 Perencanaan Roda Gigi Lurus
Pada mekanisme ini yang menjadi penggerak adalah roda gigi yang terletak pada poros perantara (roda gigi Q). Sedangkan roda gigi yang digerakkan adalah roda gigi pada poros output (roda gigi H). Dengan menetapkan bahwa perbandingan reduksi putaran adalah 3,545. Maka
Putaran poros input (nA) = 1500/3,142 = 477,4 rpm Putaran poros output (nB) = 1500/1,5 = 1000 rpm Maka perbandingan reduksi putaran roda gigi (i) adalah : i1 = nB/nA = 1000 / 477,4 = 2,09
Sebagai keterangan digunakan indeks ‘p’ untuk roda gigi penggerak (pinion) dan ‘o’ untuk roda gigi yang digerakkan
Maka perbandingan reduksi roda gigi adalah :
dp = 72 5 , 1 1 90 . 2 i 1 2.a 1 mm zp = 18 4 72 m dp buah do = dp . i1 = 72 . 2,09 = 150,48 zo = 37,62 4 150,48 m do 38 buah
24
dp = zp . m = 18 . 4 = 72 mm do = zo . m = 38 . 4 = 152 mm
Kecepatan keliling roda gigi adalah 7 , 3 000 . 60 1000 . 72 . 14 , 3 000 . 60 . . dpnB v m/s.
Gaya tangensial yang terjadi adalah
2 , 2 82 , 13 464 , 30 . 102 V Pd Wt kg.
Tegangan lentur yang terjadi adalah
004 , 21 28 , 6 . 918 , 36 9 . 34 , 566 . 6 b.t .H 6.F 2 2 t a kg/mm2 = 210,04 MPa.s
Dari hasil perhitungan diperoleh bahwa tegangan lentur yang terjadi lebih kecil dari tegangan lentur ijin .
25
BAB V
BANTALAN
Bantalan adalah eleman mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau gerak bolak-baliknya dapat berlangsung dengan halus, aman dan tahan lama. Bantalan harus cukup kokoh untuk memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja dengan baik. Jika bantalan tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh system akan menurun atau tak dapat bekerja secara semestinya.
4.1. Klasifikasi Bantalan
Bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros
a. Bantalan luncur. Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan perantaraan lapisan pelumas.
b. Bantalan gelinding. Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol atau rol jarum dan rol bulat.
2. Atas dasar arah beban terhadap poros
a. Bantalan radial. Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus sumbu poros.
b. Bantalan gelinding. Arah beban bantalan ini sejajar dengan sumbu poros.
c. Bantalan gelinding khusus. Bantalan ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dan tegak lurus sumbu poros.
Bantalan yang akan digunakan adalah jenis bantalan gelinding atau yang biasa disebut bantalan bola radial alur dalam baris tunggal. Alasan pemilihan yang utama adalah karena koefisien gesekan yang sangat kecil dan juga didasarkan pada ketahanan bantalan dalam menerima beban aksial dan putaran tinggi.
26
Langkah awal yang dilakukan dalam perencanaan bantalan adalah perhitungan terhadap beban dinamis yang merupakan penjumlahan beban radial dan beban aksial . Jenis bantalan yang dipilih.
4.2. Perencanaan Bantalan Poros
Pembebanan total pada poros dapat dilihat seperti pada Gambar 6.2
Gambar 6.2 Pembebanan total pada poros
1. Kekuatan bantalan
Sebelumnya tentukan dulu momen (T) yang akan ditransmisikan.
T = 9,74. 105 x
Dimana dalam hal ini, PM adalah putaran motor yang telah ditentukan, yakni sebesar11 kW, i
merupakan perbandingan gigi, yakni sebesar 40 : 1, maka, i = 40, dan nD adalah putaran drum
sebesar 63,66 rpm, sehingga T diperoleh,
T = 9,74. 105 x
27 ρ . . ) d (d 4 π m 12 2 o 0 b Dimana :
mo = massa roda gigi.
do = Diameter jarak bagi (mm)
d1 = Diameter poros utama (mm)
Gbr: 5.1. Bantalan b = lebar roda gigi (mm)
= massa jenis roda gigi (7,65x10-6 Kg/mm3).
Maka mo= 471 kg.
Tabel 6.1 Faktor-faktor V, X, Y dan X0,Y0
Sumber: Dasar Pemilihan dan Perancangan Elemen Mesin, Sularso & Kiyokatsu Suga, Hal. 212
C0/Fa 5 10 15 20 25 Fa/VFr ≤ e X 1 Y 0 Fa/VFr > e X 0,56 Y 1,26 1,49 1,64 1,76 1,85 E 0,35 0,29 0,27 0,25 0,24
28 1. Perhitungan Faktor Umur Bantalan
Faktor umur bantalan (fh) dicari dengan persamaan
3 1 H h 500 L f
dimana : Lh = umur nominal bantalan. Direncanakan pemakaian sebentar-sebentar. Dari Lamp. 6 dipilih Lh = 7500 jam
maka: 3 1 h 500 7500 f = 2,47
2. Perhitungan Faktor putaran
Faktor putaran (fn) dicari dengan rumus
3 1 n n 33,3 f
; dimana : n = putaran mesin (1250 rpm)
fn =0,3
3. Pemilihan Bantalan
Dari hasil yang diperoleh diatas, maka kapasitas nominal bantalan dapat dihitung dengan persamaan
C = P . [fh / fn]
= 117.80 kg [2.47/0.3]
= 969.89 kg
Dari hasil perhitungan diatas, maka nomor bantalan yang dipilih adalah 6007, dengan data-data sebagai berikut
29
BAB VI
KESIMPULAN
6.1. Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari tulisan tugas perancangan roda gigi ini adalah sebagai berikut:
1. Perancangan roda gigi yang tepat perlu memperhatikan bahan yang akan digunakan, dalam perancangan ini bahan-bahan yg digunakan adalah:
a. Bahan untuk roda gigi lurus yang digunakan adalah baja S 45 C.
b. Bahan untuk poros roda gigi lurus digunakan baja S55C-D (
a4kg/mm2)c. Bahan untuk poros lurus digunakan baja SF50 ( 2
50 /
b kg mm
)
2. Bantalan yang dipilih adalah bantalan dengan nomor 6007.
3. Daya output (Po) lebih kecil dibandingkan dengan daya motor rencana, hal ini disebabkan pemilihan faktor koreksi.
6.2. Saran
Adapun beberapa saran baik untuk pihak jurusan maupun dari pihak mahasiswa sendiri : 1. Agar pihak jurusan memberikan waktu yang lebih panjang dalam pengumpulan
laporan tugas rancang roda gigi.
2. Agar pengerjaan kelompok dapat dilakukan secara maksimal baik dalam pembuatan laporan maupun diskusi.
3. Agar pengerjaan tugas rancang ini lebih teliti dan tepat,sehinggga tidak terjadi banyak kesalahan.
30
DAFTAR PUSTAKA
Creamer, Machine Design, Third Edition, McGraw-Hill, New York, 1986
Ferdinand P. Beer dan E. Russell Johnston. Jr, Mekanika Untuk Insinyur: Statika, Edisi Keempat, Erlangga, Jakarta, 1996
James Mangroves, Gere, Stephen P. Timoshenko, dan Hans J. Wospakrik (penerjemah), Mekanika Bahan, Edisi Kedua, Versi SI, Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1996.
Joseph E. Shigley, Larry D. Mitchell, dan Gandhi Harahap (penerjemah) , Perencanaan Teknik Mesin, Edisi Keempat, Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1991
Joseph E. Shigley, Larry D. Mitchell, dan Gandhi Harahap (penerjemah) , Perencanaan Teknik Mesin, Edisi Keempat, Jilid 2, Erlangga, Jakarta, 1991
Robert L. Norton, Machine Design: An Integrated Approach, Prentice Hall, New Jersey, 1996
Sularso dan Kiyokatsu Suga, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradnya Paramita, Jakarta, 1994
