PERANCANGAN POROS TRANSMISI DENGAN DAYA 100 HP Fredy Mananoma, Agung Sutrisno, Stenly Tangkuman Jurusan Teknik Mesin Universitas Sam Ratulangi Jl. Kampus Unsrat, Bahu, Manado
ABSTRAK Tujuan penulisan ini adalah merancang sebuah poros transmisi dengan daya 100 hp. Pada poros terdapat dua roda gigi yang memberikan beban tangensial dan radial, terdapat juga dua bantalan sebagai tumpuan bagi poros. Dari hasil perancangan didapatkan nilai diameter pada setiap titik kritis, yaitu D1=1,80 in, D2=3,40 in, D3=3,74 in, D4=5,00 in, D5= 4,40 in, dan D6=3,15 in. Selanjutnya hasil perancangan dibuat dalam bentuk gambar teknik dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Autocad. Kata kunci : Diameter Poros, Gaya, Perancangan, Poros Transmisi,
ABSTRACT The aim of this work is to design a shaft for transmitting power of 100 hp. There are two gears on the shaft, and two bearings as supports at the shaft. Based on design result, diameter of critical points on the shaft have been acquired as follows; D1=1,80 in, D2=3,40 in, D3=3,74 in, D4=5,00 in, D5=4,40 in, and D6=3,15 in. Finally, a technical drawing of the designed shaft can be made using Autocad software. Keywords : Diameter, Force, Design, Transmission Shaft,
I.
pengolahan barang jadi, berlomba-
PENDAHULUAN
lomba untuk meningkatkan hasil
1.1 Latar Belakang Dalam
era
globalisasi,
produksinya dengan memperhatikan
perkembangan teknologi yang serba
kualitas
modern saat ini, kebutuhan manusia
permintaan masyarakat. Salah satu
akan
cara untuk mengimbangi kemajuan
sesuatu
meningkat
pula.
produk Karena
semakin adanya
teknologi
yang
yaitu
sesuai
dengan
dengan
cara
peningkatan permintaan masyarakat
mengubah pola pikir yang cenderung
tersebut menuntut dunia industri
konsumtif menjadi pola pikir yang
yang bergerak diberbagai bidang
kreatif dan inovatif dengan cara
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
1
menciptakan suatu mesin yang dapat
1.4 Tujuan Perancangan
bermanfaat terutama dalam bidang industri.
Tujuan
penulisan
adalah
merancang sebuah poros transmisi
Mesin-mesin ini diciptakan
dengan daya 100 hp.
dengan tujuan untuk mengefisienkan waktu dan tenaga contohnya, poros
II.
LANDASAN TEORI
yang merupakan komponen penting
2.1
Definisi Poros
dalam sistem transmisi.
Poros adalah suatu bagian stasioner yang berputar, biasanya berpenampang
I.2 Rumusan Masalah Permasalahannya
adalah
terpasang
bulat
dimana
elemen-elemen
bagaimana cara merancang sebuah
gear
poros
flywheel (roda gila), engkol, sproket,
transmisi
dengan
daya
transmisi sebesar 100 hp.
(roda
dan
gigi),
seperti
elemen
pulley
(puli),
pemindah
tenaga
lainnya. Atau dengan kata lain, poros adalah komponen alat mekanis yang
1.3 Batasan Masalah Terdapat masalah.
Batasan
lima
batasan
masalah
mentransmisikan gerak berputar dan
yang
daya. Poros merupakan salah satu
pertama adalah poros tersebut adalah
bagian terpenting dari mesin. Hampir
bagian dari transmisi sistem blower
semua mesin meneruskan tenaga
yang menyuplai udara ke tungku
bersama-sama
pembakaran dengan panjang poros
Peranan seperti itu dapat dilakukan
38 inci (panjang titik A ke D adalah
oleh poros. (Mott. R. L, 2009)
dengan
putaran.
35 inci), yang kedua bahan poros adalah baja AISI 1040 OQT 400,
2.2
Macam-macam Poros
Batasan ketiga yaitu daya yang
Menurut pembebanannya poros
ditransmisikan adalah 100 hp, yang
diklasifikasikan menjadi tiga macam
keempat poros berputar pada putaran
yaitu poros transmisi, poros spindle,
600 rpm, dan yang kelima blower
dan poros gandar.
tidak diharapkan mengalami kejutan
2.2.1
atau tumbukan.
Poros Transmisi
Poros
transmisi
merupakan
poros yang mengalami pembebanan
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
2
puntir (torsi), pembebanan lentur
puli yang berputar pada bantalan
murni
terhadap as tersebut adalah tegangan
maupun
kombinasi
dari
pembebanan torsi dengan lentur. 2.2.2
statik.
Poros Spindel
Penelitian terhadap kegagalan
Spindle adalah poros transmisi
fatigue untuk baja ulet dan besi cor
yang memiliki dimensi lebih pendek
getas pada pembebanan kombinasi
dengan pembebanan puntir saja,
antara bending dan torsi pertama kali
contohnya pada mesin perkakas.
dilakukan di Inggris pada 1930 oleh
2.2.3
Davis,
Poros Gandar
Gough
dan
Pollard.
Gandar merupakan poros yang
Kombinasi bending dan torsi pada
tidak berputar dengan kata lain yang
material ulet yang mengalami fatigue
berputar adalah rodanya yang biasa
biasanya terjadi pada bagian elips.
kita jumpai pada roda kereta api.
Material cor getas biasanya gagal ketika
2.3
terjadi
tegangan
utama
maksimal.
Pembebanan Poros Pada prinsipnya, pembebanan
pada poros ada 2 macam, yaitu
2.4
Pemasangan dan Konsentrasi
puntiran karena beban torsi dan
Tegangan
bending karena beban transversal
Untuk
pada roda gigi, puli atau sproket.
pemasangan
Beban
bisa
bantalan, sproket, roda gigi dan lain-
dari
lain, poros dibagi menjadi beberapa
yang
merupakan
terjadi
juga
kombinasi
keduannya. Karakter pembebanan
mengakomodasi komponen
seperti
step dengan diameter yang berbeda
yang terjadi bisa konstan, bervariasi
Pasak (key), snap ring dan
terhadap waktu, maupun kombinasi
cross
dari keduannya.
mengamankan posisi elemen mesin
Perbedaan antara poros dan as (axle)
adalah
poros
yang
pin
berfungsi
terpasang
untuk
untuk
bisa
meneruskan
mentransmisikan torsi dan untuk
momen torsi (berputar), sedangkan
mengunci elemen mesin tersebut
as tidak. Pada pembebanan konstan
pada
terhadap
komponen pada poros dan adanya
waktu,
tegangan
yang
arah
aksial.
Pemasangan
terjadi pada as dengan roda gigi atau
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
3
step akan mengakibatkan terjadinya
perkalian torsi T dengan kecepatan
konsentrasi tegangan.
sudut ω (ω dalam radian per satuan
Keuntungan penggunaan pasak
wakktu).
adalah mudah untuk dipasang dan ukurannya
telah
distandarkan
2.7
Perancangan poros
berdasarkan diameter poros. Pasak
Tegangan
dan
juga terpasang pada lokasinya secara
adalah
akurat (phasing), mudah dilepas dan
diperhatikan
diperbaiki. Kekurangan penggunaan
poros.
pasak adalah tidak bisa menahan
parameter kritis, karena defleksi
pergerakan
yang
aksial
dan
parameter pada
Defleksi
besar
yang
defleksi harus
perancangan
sering
akan
menjadi
mempercepat
memungkinkan terjadinya backlash,
keausan bantalan dan mengakibatkan
karena
terjadinya misalignment pada roda
adanya
clearance
antara
pasak dengan poros.
gigi, sabuk dan rantai. Metode
2.5
ANSI/ASME
Material Poros Baja
sering
digunakan
poros
ASME
untuk
transmisi
standar
perancangan dipublikasikan
karena modulus elastisitasnya tinggi,
sebagai B106. 1M-1985. Pendekatan
sehingga
ASME mengasumsikan pembebanan
ketahanannya
terhadap
defleksi tinggi. Besi cor nodular
adalah
digunakan
atau
(komponen bending rata-rata adalah
komponen lain terintegrasi pada
nol) dan steady torque (komponen
poros.
torsi alternating adalah nol) pada
ketika
Perunggu
gear
dan
stainless
fully
reversed
steeldigunakan di laut atau pada
kondisi
kondisi korisif lainnya. Through atau
tegangan di bawah kekuatan yield
case hardened steel sering digunakan
torsional material. Banyak poros
pada poros yang digunakan juga
yang masuk dalam kategori ini.
sebagai jurnal pada sleeve bearing.
Digunakan kurva elips seperti pada gambar
2.6
yang
bending
2.6
ketahanan
Daya Poros
mengakibatkan
dengan
memasukan
bending
(bending
yang
endurance strength) pada sumbu σa
ditransmisikan poros adalah hasil
dan kekuatan yield tarik pada sumbu
Daya
instan
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
4
σm
sebagai
batas
kegagalan.
Kekuatan yield tarik didapat dari kriteria Von Misses. Jika
beban
torsi
tidak
konstan, komponen alternating akan mengakibatkan
tingkat
tegangan
multiaksial kompleks. Pendekatan dilakukan
dengan
kriteria
Von
Misses. Untuk tujuan perancangan, yaitu mencari diameter poros yang dibutuhkan,
dengan
asumsi
komponen alternating dan rata-rata dijaga pada rasio yang konstan, gaya aksial pada poros sama dengan nol
III.
METODELOGI
PENELITIAN Prosedur penelitian dilakukan seperti pada Gambar 1. Pada gambar tersebut terlihat bahwa prosedur dilakukan
dalam
lima
tahapan.
Kelima tahapan tersebut adalah studi literatur,
pengumpulan
Gambar 1. Diagram Alir Perancangan
data
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Poros yang dirancang seperti
penunjang, pengolahan data, hasil
terlihat
dan pembahasan, serta pemodelan
(gambar 2).
(pembuatan gambar teknik). Setelah itu dilakukan pembuatan laporan.
pada sketsa berikut
ini
Bahan poros adalah baja AISI 1040 OQT 400. Poros tersebut adalah bagian dari sistem transmisi blower yang menyuplai udara ke tungku pembakaran. Roda gigi A menerima daya 100 hp dari roda gigi P. Roda gigi C menyalurkan daya ke
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
5
roda gigi Q. Poros berputar pada putaran 600 rpm.
Gambar 3. Diagram benda bebas poros
Gambar 2. Sketsa poros yang dirancang
Bagian poros yang menerima
Gambar 4. Diagram gaya geser
torsi ini hanya dari A sampai C. Dari roda gigi C ke kanan sampai D, torsi sama dengan nol. Roda gigi A digerakan oleh roda gigi P, dan roda gigi C menggerakan roda gigi Q. Hal ini sangat penting diketahui untuk
Gambar 5. Diagram momen lentur
menentukan arah gaya-gaya dengan benar. Nilai gaya-gaya ini diperoleh dari perhitungan berikut.
Titik A Roda gigi A menghasilkan puntiran pada poros dari A menuju ke kanan.
WtA = TA/ (DA/2) = 10500/(20/2) = 1050 lb WrA =WtA tan (ϕ) = 1050 tan (20º) = 382 lb WtC = Tc/ (Dc/2) = 10500/(10/2) = 2100 lb WrC = WtC tan (ϕ) = 2100 tan (20º) = 764 lb
Dari A ke kiri, yang ada cincin penahannya, tidak ada gaya, momen, atau torsi. Momen pada titik A nol karena ujung bebas poros. Untuk menghitung
diameter
yang
diperlukan untuk poros pada titik A, dengan hanya menggunakan nilai torsi.
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
6
⁄
√ ( ) ]
[
⁄
) √(
[(
)
(
) ]
⁄
√ (
[
Pada titik B dan di sebelah
) ]
kanannya (diameter D3), perhitungan masih sama kecuali nilai Kt = 2,5 untuk filet tajam. Titik B ⁄
Titik B adalah lokasi bantalan dengan filet tajam di sebelah kanan B
) √(
[(
)
(
) ]
dan filet bulat halus di sebelah kirinya. Diinginkan membuat D2
Titik C Titik C adalah lokasi roda
paling tidak agak lebih kecil daripada D3
di
tempat
bantalan
supaya
dapat
digeser
dengan
bantalan
mudah sampai ke tempat ia harus ditekan menuju ke posisi akhirnya. Biasanya diberikan suaian sesak ringan di antara lubang bantalan dan dudukan porosnya. Di sebelah kiri B (diameter D2), T = 10500 lb.in. Momen lengkung pada titik B adalah resultan momen dalam bidang x dan dalam bidang y:
gigi C dengan filet bulat halus di sebelah kirinya, alur pasak profil pada roda gigi, dan alur untuk cincin penahan
di
sebelah
kanannya.
Penggunaan filet bulat halus di sini sebenarnya perancangan
merupakan yang
keputusan
mensyaratkan
bahwa perancangan lubang roda gigi harus mengakomodasi sebuah filet yang besar. Biasanya ini berarti bahwa sebuah kamfer harus dibuat di tepi-tepi lubang roda gigi. Momen
√
lengkung pada titik C adalah:
√ √
√
= 11 173 lb.in = 10387 lb.in
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
7
Di sebelah kiri titik C ada nilai torsi
gaya geser vertikalnya sama dengan
sebesar 10500 lb.in dengan alur
gaya reaksi pada bantalan tersebut.
pasak profil yang memberikan Kt =
Dengan
2,0. Dengan demikian
resultan bidang x dan y, maka gaya
menggunakan
reaksi
gesernya adalah ⁄
) √(
[(
)
(
) ]
VD = √
Di sebelah titik C ada torsi, tetapi alur cincinnya menuntut Kt = 3,0 untuk perancangan dan terdapat
Untuk menghitung diameter poros di titik ini bisa menggunakan Persamaan berikut:
momen lengkung berbalik. Penulis menggunakan
persamaan
D=√
(12-24)
dengan nilai Kt = 3,0, M = 10387 Sebuah filet tajam dekat titik ini pada
lb.in dan T = 0.
poros ditandai dengan
faktor konsentrasi tegangan
⁄
[(
) √(
) ]
1,06,
maka
√
diameternya
menjadi 3,01 in.
Nilai ini sangat kecil dibandingkan
Nilai ini lebih tinggi dari pada yang dihitung untuk diameter di sebelah kiri titik C, sehingga ini akan menjadi penentu
2,5
harus digunakan:
Dengan menggunakan faktor alur cincin
, dengan
perancangan di
titik C.
dengan
diameter
yang
dihitung
dengan cara lain, dan biasanya memang begitu. Diameter pada titik D mungkin perlu dibuat lebih besar daripada nilai hitungan karena harus disesuaikan dengan ukuran bantalan
Titik D
yang menahan beban radial 1039 lb. Titik
D
adalah
tempat
bantalan D, dan tidak ada torsi atau momen lengkung di sini. Tetapi, Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
8
Selanjutnya menentukan diameter pada
melakukan perancangan poros sistem
titik-titik kristis, hal ini ditunjukkan
transmisi.
pada tabel 1 berikut ini.
DAFTAR PUSTAKA Tabel
1.
Diameter
minimum
dan
Mott Robert L., 2004, Elemenelemen Mesin Dalam Perancangan
diameter yang ditetapkan
Mekanis 1,
Penerbit Andi
Yogyakarta.
Deutschman, Aaron D, J. Michels Walter, and E. Wilson Charles, 1975, Machine Setelah ukuran dasar dari diameter-
Design,
Theory
and
Practice. Mc Millan.
diameter poros sudah di tetapkan, barulah
penulis
melanjutkan
pemodelan poros transmisi 100 hp dengan
menggunakan
Sularso dan Kiyokatsu Suga, 1979. Perencanaan Elemen Mesin. Jakarta
AutoCAD
2013.
Sato G. T., dan N. Sugiarto Hartanto, 2005, Menggambar Mesin Menurut Standar Iso. Jakarta.
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5. 1. Kesimpulan Dari hasil perhitungan, maka diperoleh nilai diameter pada titiktitik kritis, yaitu sebagai berikut: ,
,
, , dan
, .
5. 2. Saran Perancangan ini diharapkan dapat
dijadikan
referensi
dalam
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 6 Nomor 1
9
