Elemen Mesin- Poros

Elemen Mesin- Poros

A.             Definisi.

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. (Josep Edward Shigley, 1983).

B.              Sekilas Fungsi Poros

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. Contoh sebuah poros dukung yang berputar, yaitu poros roda kereta api, as gardan, dan lain-lain.

                                                               Gambar : Poros kereta api

C.             Perencanaan Sebuah Poros.

Untuk merencanakan sebuah poros, maka perlu diperhitungkan gaya yang bekerja pada poros di atas antara lain: Gaya dalam akibat beratnya (W) yang selalu berpusat pada titik gravitasinya. Gaya (F) merupakan gaya luar arahnya dapat sejajar dengan permukaan benda ataupun membentuk sudut α dengan permukanan benda. Gaya F dapat menimbulkan tegangan pada poros, karena tegangan dapat rimbul pada benda yang mengalami gaya-gaya. Gaya yang timbul pada benda dapat berasal dari gaya dalam akibat berat benda sendiri atau gaya luar yang mengenai benda tersebut. Baik gaya dalam maupun gaya luar akan menimbulkan berbagai macam tegangan pada kontruksi tersebut antara lain sebagai berikut.

a.       Macam-Macam Poros
Poros sebagai penerus daya diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut.

1.      Gandar
    Gandar merupakan poros yang tidak mendapatkan beban puntir, fungsinya hanya sebagai penahan beban, biasanya tidak berputar. Contohnya seperti yang dipasang pada roda-roda kereta barang, atau pada as truk bagian depan.

2.      Spindle
      Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, di mana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindle. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti.

                                                        Gambar : Spindle mesin bubut

3.      Poros transmisi

Poros transmisi berfungsi untuk memindahkan tenaga mekanik salah satu elemen mesin ke elemen mesin yang lain. Poros transmisi mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur yang akan meneruskan daya ke poros melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sproket rantau, dan lain-lain.

                                                                Gambar : Kontruksi poros transmisi

b.         Beban pada Poros.

1.         Poros dengan beban puntir.

Daya dan perputaran, momen puntir yang akan dipindahkan oleh poros dapat ditentukan dengan mengetahui garis tengah pada poros.

                                         Gambar : Poros transmisi dengan beban puntir

Apabila gaya keliling F pada gambar sepanjang lingkaran dengan jari-jari r menempuh jarak melalui sudut titik tengah a (dalam radial), maka jarak ini adalah r · α, dan kerja yang dilakukan adalah F. Gaya F yang bekerja pada keliling roda gigi dengan jari-jari r dan gaya reaksi pada poros sebesar F merupakan suatu kopel yang momennya Mw = F · r. Momen ini merupakan momen puntir yang bekerja dalam poros.

2.            Poros dengan beban lentur murni.

Poros dengan beban lentur murni biasanya terjadi pada gandar dari kereta tambang dan lengan robot yang tidak dibebani dengan puntiran, melainkan diasumsikan mendapat pembebanan lentur saja. Meskipun pada kenyataannya gandar ini tidak hanya mendapat beban statis, tetapi juga mendapat beban dinamis.

                                            Gambar : Beban lentur murni pada lengan robot

D.                Pembagian poros.

1.            Berdasarkan pembebanannya.

a.             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.

b.            Gandar
         Poros gandar merupakan poros yang dipasang diantara roda-roda kereta barang. Poros gandar tidak menerima beban puntir dan hanya mendapat beban lentur.

c.             Poros spindle.

Poros spindle merupakan poros transmisi yang relatip 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 efektip apabila deformasi yang terjadi pada poros tersebut kecil.

2.            Berdasar 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).

3.            Macam Kegunaan Umum Poros.

a.       Poros Penggerak

Kegunaan : Meneruskan putaran / tenaga dari transmisi ke penggerak aksel dengan sudut yang bervariasi, yaitu : 1. Poros penggerak ( Poros propeler ), 2. Penghubung sudut ( joint ), 3. Poros aksel ( Poros roda). Persyaratan tuntutan

• Tahan terhadap momen punter

• Dapat meneruskan putaran roda sudut yang bervariasi

• Dapat mengatasi perpanjangan / perpendekan jarak antara transmisi dan penggerak

   aksel ( diferensial )

• Dibuat seringan mungkin.

1.      Konstruksi Poros Penggerak Propeler.

Kegunaan sambungan salip ( joint ), Meneruskan putaran dengan sudut yang bervariasi pada batas – batas tertentu.

Kegunaan sambungan geser ( luncur ), Mengatasi akibat gerakan aksel yang berpegang terjadi perubahan jarak aksel dan transmisi.

2.      Konstruksi Poros Aksel ( Poros Roda ) Pada Aksel Rigrid
1. Flens Roda

2. Penahan bantalan

3. Poros aksel

4. Aksel

5. Roda gigi matahari pada diferensial

v  Sifat – sifat

• Poros cukup kuat meneruskan momen pusat dan diferensial ke roda ( baja

   khusus )

• Tahan terhadap getaran dan puntiran

3.       Poros Penggerak Pada Suspensi Independen

1. Flens roda

2. Bantalan naf

3. Penghubung bola ( pot joint )

4. Poros aksel

v Sifat – sifat

• Pemindahan tenaga pada sudut yang bervariasi dapat dilakukan

• Kemampuan sudut penghubung harus banyak, khususnya pada penggerak

   roda depan ( saat membelok ).

4.       Macam – Macam Konstruksi Penghubung Sudut ( Joint ).

v  Penghubung salib ( universal joint ) Kemampuan sudut : Kemampuan penghubung meneruskan tenaga / putaran maksimum pada sudut 150 Penggunaan : Digunakan pada kendaraan – kendaraan dengan peng- gerak roda belakang motor di depan ( memanjang ) Sifat – sifat : Putaran poros tidak merata, jika sambungan membentuk sudut besar

v  Penghubung Bola Peluru ( Pot Joint ). Kemampuan sudut : Dapat meneruskan tenaga / putaran pada sudut maximum 500 ( rata – rata 300 ) Penggunaan : Pada suspensi independen Pada aksel rigrid depan dengan penggerak roda ( 4  wheel drive ) Sifat – sifat : Kerjanya lebih stabil ( konstan ).

v  Penghubung Fleksibel ( Flexible Joint )

•         Kemampuan sudut : Dapat meneruskan tenaga / putaran roda sudut maximal
150.

•         Penggunaan : Pada perpanjangan poros penggerak ( propeller ) dari

transmisi

•         Sifat – sifat : Dapat sedikit terpuntir guna meredam hantaran /

kejutan poros.

E.                 Perancangan Poros.

1.      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

2.      Bahan umum pembuat poros.

 Poros untuk mesin umum biasanya dibuat dari baja batang yang ditarik dingin dan difinis, baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C) yang dihasilkan dari ingot yang di “kill” ( baja yang dioksidasikan dengan ferro silikon dan di cor, kadar karbon terjamin)”. (Sularso, 1997 :2). Tabel 2.8 : Baja karbon untuk konstruksi mesin dan baja karbon yang difinis dingin untuk poros standar dan macam lambang perlakuan panas kekuatan tarik(Kg/mm²). Keterangan baja karbon konstruksi mesin (JIS G 4501) S 30 C, S 35 C, S 40 C, S 45 C, S 50 C, S 55 C Penormalan““““ 48, 52, 55, 58, 62, 66.

Batang baja yang difinis dingin S 35 C-D, S 40 C-D, S 45 C-D “““ 53, 60, 72 Ditarik dingin, digerinda, dibubut, atau gabungan dari hal-hal tersebut (Sularso, 1997 :3) Dalam perencangan ini penulis mengambil bahan poros dari S 45 C atau AISI 1045 yang mempunyai kekuatan tarik 58 Kg/mm². Poros merupakan bagian yang terpenting dari suatu mesin. Hampir semua mesin meneruskan tenaga dan putaranya melalui poros. Menurut pembebanannya poros dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

1)       Poros transmisi, poros semacam ini mendapat beban puntiran murni atau puntiran lentur. Gambar 2.6 : Poros Transmisi

2)       Poros dukung, poros yang berputar atau diam, memikul beban tertentu atau berubah. Gambar 2.7 : Poros Dukung.

3)       Poros dukung transmisi, poros ini mendapat pembebanan gabungan, karena berfungsi sebagai penerus daya, juga memikul suatu beban tertentu. Gambar 2.8 : Poros Dukung Transmisi Momen puntir pada poros yang menggerakan adalah :………………………………………..(kgmm) (Sularso,1997:7) Diamana : = Momen puntir (kgmm) = Daya rencana (KW) = Putaran poros (rpm) Sedangkan ……………………………….(KW) ( Sularso, 1997 :7) Dimana : = Faktor koreksi daya P = Daya motor (KW) Momen puntir yang terjadi pada saat poros yang digerakan adalah : …………………………..(kgmm) (Sularso, 1997:7) Dimana : = Momen puntir (kgmm) = Daya rencana (KW) = Putaran poros (rpm).

4)      Tabel 2.9 : Faktor-faktor Koreksi Daya yang akan ditransmisikan : Daya rencana yang akan ditransmisikan, Daya rata-rata yang diperlukan, Daya maksimum yang diperlukan, Daya Normal 1,2 – 2,0. 0,8 – 1,2
1,0 -1,5 (Sularso, 1997 :8) Untuk menghitung diameter poros yang akan dipergunakan maka dapat dicari dengan rumus : ……………………………………………..(Sularso, 1997:8) Dimana : = faktor beban tumbukan = faktor beban lentur T = momen puntir
Faktor beban tumbukan ( ) dipilih sebesar 1,0 jika beban dikenakan secara halus 1,0 – 1,5 jika terjadi kejutan atau tumbukan, dan 1,5 – 3,0 jika beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar. Faktor beban lenur ( ) yang harganya antara 1,2 sampai 2,3 ( jika diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka diambil = 1,0)

F.     Hal-hal yang harus diperhatikan.

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.      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.

5.      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, baja khrom nikel molebdenum, baja khrom, baja khrom molibden, 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.

G.                Perhitungan Diameter Poros.

1.      . 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 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.

v  Pembebanan tetap (constant loads)

a.       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 :

b.      Selain dengan persamaan diatas, besarnya momen puntir pada poros (twisting moment) juga dapat diperoleh dari hubungan persamaan dengan variable-variable lainnya, misalnya :

c.       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 :

d.      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, 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 poros. Terkait dengan Maximum shear stress theory atau Guest’s theory bahwa besarnya maximum shear stress pada poros dirumuskan

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).

v  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.