BAB II DASAR TEORI
2.1
Daya Penggerak Secara umum daya diartikan sebagai suatu kemampuan yang dibutuhkan
untuk melakukan sebuah kerja, yang dinyatakan dalam satuan Watt ataupun HP. Penentuan besar daya yang dibutuhkan perlu memperhatikan beberapa hal yang mempengaruhinya, diantaranya adalah: 1. Berat dan gaya yang bekerja pada mekanisme. 2. Kecepatan putar dan torsi yang terjadi. Berikut adalah rumus untuk mencari harga daya, gaya, torsi, kecepatan putar dan berat yang terjadi pada mekanisme mesin: a) Daya berdasarkan torsi dan kecepatan sudut dirumuskan sebagai berikut: P=
(2.1)
b) Untuk mencari kecepatan sudut dapat dirumuskan sebagai berikut: (2.2) c) Untuk mencari torsi dapat dirumuskan sebagai berikut: (2.3) Keterangan: T = Torsi (N.m) = Kecepatan Sudut (rad/s) N = Kecepatan (rpm) F = Gaya (N) d) Berdasarkan putaran poros, maka daya dirumuskan sebagai berikut: (2.4) Keterangan: n
= Putaran poros (rpm)
T = Torsi (N.m) P = Daya (watt)
4
5
2.2 Sistem Transmisi Sistem transmisi adalah sistem yang berfungsi untuk mengkonversi torsi dan kecepatan putar mesin menjadi torsi dan kecepatan yang berbeda-beda untuk diteruskan ke penggerak akhir. Konversi ini mengubah kecepatan putar yang tinggi menjadi lebih rendah dan bertenaga atau sebaliknya. Dalam ilmu perancangan sebuah mesin, sistem transmisi secara garis besar dibagi menjadi beberapa macam diantaranya: a)
Transmisi sabuk dan puli.
b)
Transmisi rantai.
c)
Transmisi sprocket.
d)
Transmisi Reducer.
2.3 Transmisi Sabuk. Sabuk-V atau V-belt adalah salah satu transmisi penghubung yang terbuat dari
karet
dan
mempunyai
penampang
berbentuk
trapesium.
Dalam
penggunaannya sabuk-V dibelitkan mengelilingi alur puli yang berbentuk V pula. Bagian sabuk yang membelit pada puli akan mengalami lengkungan sehingga lebar bagian dalamnya akan bertambah besar. Sabuk-V banyak digunakan karena sabuk-V sangat mudah dalam penanganannya dan murah harganya. Selain itu sabuk-V juga memiliki keunggulan lain yaitu akan menghasilkan transmisi daya yang besar pada tegangan yang relatif rendah jika dibandingkan dengan transmisi roda gigi dan rantai, sabuk-V bekerja lebih halus dan tak bersuara. Selain memiliki keunggulan dibandingkan dengan transmisi-transmisi yang lain, sabuk-V juga memiliki kelemahan berupa terjadinya sebuah slip. Sabuk - V adalah Sabuk yang terbuat dari karet dan mempunyai bentuk penampang trapesium. Sabuk V dibelitkan pada alur puli yang berbentuk V pula. Bagian sabuk yang membelit akan mengalami lengkungan sehingga lebar bagian dalamnya akan bertambah besar. Berikut ini adalah kelebihan yang dimiliki oleh Sabuk-V:
Sabuk-V dapat digunakan untuk mentransmisikan daya yang jaraknya relatif jauh.
6
Memiliki faktor slip yang kecil.
Mampu digunakan untuk putaran tinggi.
Dari segi harga Sabuk-V relatif lebih murah dibanding dengan elemen transmisi yang lain.
Pengoperasian mesin menggunakan Sabuk-V tidak membuat berisik.
Sabuk-V terdiri dari beberapa tipe yang digunakan sesuai dengan kebutuhan. Tipe yang tesedia A,B,C,D dan E bisa di lihat pada Gambar 2.1. Berikut ini adalah tipe Sabuk-V berdasarkan bentuk dan kegunaaannya:
Tipe standar yang ditandai huruf A, B, C, D, & E
Tipe sempit yang ditandai simbol 3V, 5V, & 8V
Tipe beban ringan yang ditandai dengan 3L, 4L, & 5L
Gambar 2.1 Konstruksi dan ukuran penampang Sabuk-V (Sularso, 2000) Dalam perhitungan sabuk yang harus dihitung antara lain: sudut kontak sabuk (θ), panjang sabuk (L), luas penampang sabuk sesuai dengan tipe yang akan digunakan (A), kecepatan linier sabuk (v), gaya sentrifugal (Tc), gaya maksimum sabuk (Tmax), gaya sisi kencang sabuk (T1), gaya sisi kendor sabuk (T2). Gambar 2.2 merupakan tegangan yang terjadi pada sabuk dan puli, dan gambar tersebut mewakili penjelasan rumus perhitungannya.
Gambar 2.2 Tegangan pada sabuk dan pulley ( Sularso, 2000)
7
a. Sudut kontak untuk sabuk terbuka dapat dihitung dengan rumus. )
(2.5)
)
(2.6)
Keterangan: r1 =Jari-jari pulley besar
(mm)
r2 = Jari-jari pulley kecil
(mm)
x
= Jarak antar poros
(mm)
θ
= Sudut kontak sabuk dan puli
b. Menentukan panjang sabuk. )+
)
(2.7)
Keterangan: L = Panjang sabuk
(mm)
x
= Jarak sumbu poros
(mm)
r1 = Jari-jari poros kecil
(mm)
r2
= Jari-jari poros besar (mm)
c. Kecepatan linier sabuk (v) dapat ditentukan oleh rumus. (2.8) Keterangan: v
= Kecepatan sabuk (m/s)
Dp = Diameter puli penggerak (mm) N
= Putaran puli penggerak (rpm)
d. Gaya sentrifugal (Tc) dapat ditentukan menggunakan rumus: Tc = m. v2
(2.9)
Keterangan: Tc = Gaya sentrifugal (N) m = Massa (kg) v = Kecepatn linier sabuk (m/s2) e. Gaya maksimum sabuk (Tmax): Untuk gaya maksimum sabuk σ = 1,7 karena untuk menghitung gaya masksimum, maka menggunakan nilai tertinggi dari kekuatan tarik sabuk.
8
Tmax = σ.A
(2.10)
Keterangan: Tmax = Gaya maksimum sabuk (N) σ
= Kekuatan tarik sabuk (N/mm2 )
A
= Luas penampang sabuk (mm2 )
f. Gaya tarik sisi kencang pada sabuk (T1) dapat ditentukan dengan rumus: T1
= Tmax – Tc
(2.11)
Keterangan: T1
= Gaya sisi kencang sabuk
(N)
Tmax = Gaya maksimum sabuk
(N)
Tc
(N)
= Gaya sentrifugal sabuk
g. Gaya tarik sisi kendor pada sabuk (T2) dapat ditentukan dengan rumus: =
(2.12)
Keterangan: T1 = Tarikan sisi kencang
(N)
T2 = Tarikan sisi kendor
(N)
= Koefisien gesek untuk puli dengan sabuk = Sudut kontak (rad) β
= Sudut alur puli (…º) Sudut alur puli (β) dapat diketahui dengan melihat pada Tabel 2.1 yang
menunjukkan spesifikasi dan dimensi v-belt. Tabel 2.1 Dimensi spesifikasi v-belt. (R.S. Khurmi & J.K. Gupta, 2005)
9
2.4 Transmisi Puli Sebuah mesin sering menggunakan sepasang puli untuk mereduksi kecepatan dari motor listrik, dengan berkurangnya kecepatan motor listrik maka tenaga
dari mesinpun ikut bertambah. Puli dapat digunakan untuk
mentransmisikan daya dari poros satu ke poros yang lain melalui sistem transmisi penggerak berupa flat belt, V-belt atau circular belt. Cara kerja puli sering digunakan untuk mengubah arah gaya yang diberikan, mengirim gerak dan mengubah arah rotasi.
Gambar 2.3 Puli Perbandingan kecepatan (velocity ratio) pada puli berbanding terbalik dengan perbandingan diameter puli, dimana secara matematis ditunjukan dengan pesamaan berikut: N1 x D1 = N2 x D2
(2.13)
Keterangan: N1 = Putaran puli penggerak
(rpm)
N2 = Putaran puli yang di gerakkan
(rpm)
D1 = Diameter puli yang menggerakkan.
(mm)
D2 = Diameter puli yang di gerakkan
(mm)
2.5 Transmisi Rantai Rantai sebagian besar digunakan untuk meneruskan putaran dan daya dari satu poros ke poros yang lain. Jarak antar poros transmisi rantai lebih besar dari transmisi roda gigi tetapi lebih pendek dari transmisi sabuk. Rantai mengait pada roda gigi (sprocket) dan meneruskan daya tanpa slip, jadi menjamin putaran tetap sama. Bagian rantai dan sprocket digambarkan pada Gambar 2.4.
10
Gambar 2.4 Rantai dan sprocket (R.S Khurmi & J.K. Gupta, 2005) Keuntungan transmisi rantai dibandingkan dengan transmisi sabuk adalah: 1. Memberi beban yang lebih kecil pada poros. 2. Dapat digunakan pada jarak jauh maupun pendek. 3. Tingkat keausan pada bantalan kecil. 4. Tidak memerlukan tegangan awal. 5. Mampu meneruskan daya yang besar tanpa slip. 6. Memberikan efisiensi transmisi yang tinggi (sampai 98%). 7. Rasio kecepatan yang sempurna dapat dicapai. 8. Dapat dioperasikan pada kondisi atmosfir dan temperatur yang lebih besar. 9. Mentransmisikan daya yang lebih besar dibanding belt. Kerugian transmisi rantai dibandingkan dengan transmisi sabuk atau transmisi tali: 1. Biaya produksi yang relatif tinggi. 2. Sprocket dan rantai perlu perawatan dan pemasangan yang akurat dan hatihati, terutama pelumasan dan penyetelan mulur. 3. Terjadi suara dan getaran karena gesekan antara rantai dan sprocket. 4. Memiliki fluktuansi kecepatan terutama bila terlalu melar. 2.5.1
Istilah pada Transmisi Rantai Berikut ini adalah istilah-istilah yang sering digunakan pada transmisi
rantai. a) Pitch of the chain. Ini adalah jarak antar pusat engsel link (hinge center) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 dinotasikan dengan p.
11
Gambar 2.5 Skema pitch (R.S Khurmi & J.K. Gupta, 2005) b) Pitch circle diameter sprocket rantai. Pitch circle diameter adalah diameter lingkaran ketika rantai membungkus sprocket dari engsel satu ke pusat engsel yang lain ditarik garis lurus melalui pusat sprocket, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 dinotasikan dengan D. 2.5.2
Velocity Ratio Rasio kecepatan dari sebuah penggerak rantai dinyatakan dengan rumus
sebagai berikut: = Keterangan:
(2.14)
N1 = Kecepatan rotasi dari sprocket kecil
(rpm)
N2 = Kecepatan rotasi dari sprocket besar
(rpm)
T1 = Jumlah gigi pada sprocket kecil T2 = Jumlah gigi pada sprocket besar Rata-rata kecepatan dari rantai dapat dinyatakan dengan: (2.15) Keterangan: V = Kecepatan p = Pitch T = Jumlah gigi N = Kecepatan rotasi
12
2.5.3
Panjang Rantai dan Center Distance Penggerak rantai sistem terbuka dapat menghubungkan dua buah sprocket
pada jarak tertentu. Gambar 2.6 menunjukkan beberapa keterangan mengenai rantai yang menghubungkan 2 buah sprocket.
Gambar 2.6 Panjang rantai (R.S Khurmi & J.K. Gupta, 2005) Untuk memperoleh panjang rantai dapat dihitung dari hasil perkalian antara number of chain link (K) dengan pitch rantai. L=K.p
(2.16)
Keterangan: L =Panjang rantai K = Jumlah rantai p = Pitch rantai Jumlah sambungan rantai (number of chain link) K=
+
].
(2.17)
Keterangan: T1
= Jumlah gigi pada sprocket kecil
T2
= Jumlah gigi pada sprocket besar
p
= Pitch
x
= Center distance
Ada beberapa karakteristik yang dapat dijelaskan dengan Tabel 2.2 mengenai rantai roller. Angka tersebut menunjukkan spesifikasi karakteristik berupa dimensi dan kekuatan rantai tersebut sesuai IS 2403-1991.
13
Tabel 2.2 Karakteristik rantai rol menurut IS 2403-1991 (R.S Khurmi & J.K. Gupta, 2005)
2.5.4
Factor Of Safety Factor of safety adalah factor yang menentukan keamanan dari rancangan
rantai. Pada transmisi rantai dapat didefinisikan rasio dari kekuatan putus dari rantai (WB) dibagi dengan beban total rantai saat bergerak. FOS =
(2.18)
Keterangan: WB = 106 x p2 (newton) untuk rantai rol. WB = 106 x p (newton) untuk chain silent. 2.5.5
Daya yang di Transmisikan oleh Rantai Daya yang ditransmisikan oleh rantai berdasarkan kekuatan putus rantai
(WB) dapat dihitung dengan rumus: (2.19) Keterangan: WB = Breaking load (N) v
= Kecepatan rata-rata rantai (m/s)
n
= Factor of safety
Ks = Service factor = K1xK2xK3
14
Service factor (Ks) adalah hasil kali dari beberapa faktor antara lain faktor beban, faktor pelumasan dan faktor lama pemakaian. Nilai dari faktor tersebut dapat diambil sebagai berikut: a)
Beban (k1)
= 1 untuk beban konstan. = 1,25 beban variable guncangan ringan. = 1.5 untuk beban guncangan berat.
b)
Pelumasan (k2)
= 0,8 untuk pelumasan terus menerus. = 1 untuk pelumasan menurun. = 1.5 untuk pelumasan berkala.
c)
Pemakaian (k3)
= 1 untuk pemakaian selama 8 jam per hari.
2.6 Reducer Reducer adalah komponen yang disebut sebagai sistem pemindah tenaga. Reducer mampu mereduksi kecepatan input dari sebuah motor listrik, tujuan dari komponen ini adalah berfungsi untuk memindahkan dan mengubah tenaga dari motor yang berputar, yang digunakan untuk memutar komponen mesin selanjutnya seperti poros yang tersambung dengan rantai dan sprocket. Reducer juga berfungsi untuk mengatur kecepatan gerak dan torsi serta berbalik putaran. Fungsi lain yang dimilikinya antara lain: 1.
Menyediakan rasio gigi yang sesuai dengan beban mesin.
2.
Menghasilkan putaran mesin tanpa selip.
3.
Mengurangi kecepatan (Speed Reducer ). Prinsip kerja komponen ini adalah putaran yang berasal dari sumber
tenaga motor listrik akan direduksi sesuai perbandingan, dimana kecepatan putar pada poros input akan lebih lambat dari poros output. Sesuai perbandingan yang digunakan. Reducer pada Rancang Bangun Mesin Press Serbuk Kayu yaitu 1 : 40 maka berarti putaran yang berasal dari motor listrik sebesar 1450 rpm yang telah tereduksi oleh puli 1:2 sebesar 725 rpm kemudian melewati reducer akan menjadi 18,125rpm. 2.7 Poros Poros adalah elemen mesin yang berbentuk batang dan umumnya berpenampang lingkaran, berfungsi untuk memindahkan putaran. Poros dapat
15
diklasifikasikan sebagai berikut: a.
Poros transmisi/Shaft Poros semacam ini mendapat beban puntir murni. Daya yang ditransmisikan kepada poros melalui kopling, roda gigi, puli sabuk, atau sprocket rantai.
b.
Spindel Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama pada mesin bubut, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindel. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti.
c.
Line shaft Poros ini berhubungan langsung dengan mekanisme yang digerakkan dan berfungsi memindahkan daya dari motor penggerak ke mekanisme tersebut.
Adapun hal-hal penting yang perlu diperhatikan dalam perencanaan sebuah poros yaitu: 1.
Kekuatan poros Poros transmisi mengalami beban puntir atau lentur maka kekuatannya harus direncanakan sebelumnya agar cukup kuat dan mampu menahan beban.
2.
Kekakuan poros Lenturan yang dialami poros terlalu besar maka akan menyebabkan ketidaktelitian atau getaran dan suara. Oleh karena itu kekakuan poros juga perlu diperhatikan dan disesuaikan dengan mesin.
3.
Putaran kritis Putaran kerja poros haruslah lebih rendah dari putaran kritisnya demi keamanan karena getarannya sangat besar akan terjadi apabila putaran poros dinaikkan pada harga putaran kritisnya.
4.
Korosi Terjadi pada poros-poros yang sering berhenti lama. Untuk poros yang memiliki kasus seperti ini maka perlu dilakukannya perlindungan terhadap korosi secara berkala. Jadi pemilihan bahan poros yang terbuat dari bahan
16
anti korosi sangat diperlukan ketika melakukan perancangan sebuah poros mesin produksi. 5. Bahan poros Poros yang biasa digunakan pada mesin adalah baja dengan kadar karbon yang bervariasi. Dalam perhitungan poros dapat diketahui dengan melihat dari pembebanan: a. Torsi yang terjadi pada poros. (2.20) Keterangan: T= Torsi pada poros (N.m) P= Daya (watt) N= Putaran poros (rpm) b. Momen yang terjadi pada poros. (2.21) Keterangan: M = Momen (Nm) F = Gaya yang terjadi (N) L = Jarak terhadap gaya (m) c. Torsi ekuivalen. √
(2.22)
Keterangan: Te = Torsi ekuivalen (N.m) M = Momen bending atau (N.m) T = Torsi (N.m) d. Diameter Poros.
√ Keterangan: d = Diameter poros (mm) = Tegangan geser maksimum (N/mm2) .
(2.23)
