bab 1 poros

Irawan Malik Shafts dan Axles

PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Irawan MalikTeknik Mesin

Politeknik Negeri Sriwijaya

Slide 1


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

18-1 Introduksi ……….92218-2 Konstrain Geometrik ……….92718-3 Konstrain Kekuatan ……….93318-4 Konstrain Kekuatan – Metode Tambahan ……….94018-5 Material Poros ……….94418-6 Poros Berlubang ……….94418-7 Kecepatan Kritis (dihilangkan) ……….94518-8 Desain Poros ……….950

18-1 Introduksi ……….92218-2 Konstrain Geometrik ……….92718-3 Konstrain Kekuatan ……….93318-4 Konstrain Kekuatan – Metode Tambahan ……….94018-5 Material Poros ……….94418-6 Poros Berlubang ……….94418-7 Kecepatan Kritis (dihilangkan) ……….94518-8 Desain Poros ……….950

Slide 2


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

18-1 Introduksi ……….92218-2 Konstrain Geometrik ……….92718-3 Konstrain Kekuatan ……….933

18-1 Introduksi ……….92218-2 Konstrain Geometrik ……….92718-3 Konstrain Kekuatan ……….933

CH-18 LEC 29Slide 3

Poros menerima Beban Fatik


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Dipermesinan, term/istilah umum “shaft” berkaitan suatu

bagian, yang biasanya berpenampang sirkular, yang mendukung

roda gigi, sproket, roda, rotor, dlsbgnya, dan menerima torsi

dan beban-beban transverse atau aksial yang beraksi sendirian

atau kombinasinya.

Sedangkan “axle” adalah suatu bagian yang tidak berputar yang

mendukung roda-roda, puli,… dan tidak ada torsi.

“Spindle” adalah poros pendek. Term seperti lineshaft,

headshaft, stub shaft, transmission shaft, countershaft, dan

flexible shaft adalah nama-nama yang berhubungan dengan

pemakaian khusus.

18-1 Introduksi18-1 Introduksi

Slide 4


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Jenis poros: poros-poros transmisi dan mesin (poros engkol)

Tegangan-tegangan di poros: tegangan geser, tegangan bengkok

(tarik atau tekan), dan kombinasi keduanya

Desain poros berbasis pada: kekuatan, rigiditas dan kekakuan

18-1 Introduksi18-1 Introduksi

Slide 5

Poros mesin


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN 18-1 Introduksi18-1 Introduksi

Slide 6

Berdasarkan kekuatan:

Poros mendapatkan momen puntir/torsi saja

Poros mendapatkan momen bengkok saja

Poros mendapatkan kombinasi torsi dan momen bengkok

Poros mendapatkan beban aksial disamping kombinasi torsi dan

momen bengkok

Berdasarkan rigiditas:

rigiditas torsional

rigiditas lateral

Teknik-teknik untuk mengurangi konsentrasi tegangan di bahu porosyang ditumpu bantalan beradius tajam (b) alur beradius besar dibelakang bahu poros (c) alur beradius besar di diameter kecil poros.


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN Pertimbangan dalam Mendesain PorosPertimbangan dalam Mendesain Poros

1. Defleksi dan Rigiditas(a) Defleksi Bengkok(b) Defleksi Torsi(c) Slope di bantalan dan poros yang mendukung elemen(d) Defleksi geser karena beban transverse di poros pendek

2. Tegangan dan kekuatan(a) Kekuatan Statik(b) Kekuatan Fatik(c) Reliabilitas

Slide 7


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Geometri poros adalah geometri silinder bertingkat. Roda gigi, bantalan, dan pulli harus ditempatkan secara akurat

Elemen-elemen Umum Pemindah Torsi

Pasak (Keys) Spline Set screws (Sekerup kecil tanpa kepala) Pin Suaian Tekan atau Sesak (Press or shrink fits) Suaian Tirus (Tapered fits)

Slide 8

Pertimbangan dalam Mendesain PorosPertimbangan dalam Mendesain Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 9

Salah satu pendekatan adalah:

1. Pilih material (biasanya steel)2. Gambarkan free body diagram (DBB) dari poros3. Lakukan analisis kesetimbangan statis dan4. Perhatikan lokasi daerah kritis5. Lakukan analisis tegangan statis untuk mencari ukuran diameter awal, d’.6. Dengan nilai d’ hitung limit ketahanan (endurance) -> (diameter trial

dapat juga digunakan)7. Estimasikan nilai kritis diameter, d, gunakan metode DE-Gerber atau DE-

ASME-elliptic8. Ulangi langkah 6 bila d berbeda dari d’.9. Bentuk (building) bagian lain dari poros dengan memerhatikan bagian-

bagian mesin yang akan dipasangkan padanya (bantalan, roda gigi, pulli, …)10. Lakukan analisis defleksi11. Lakukan analisis dinamik

Desain Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 10

Biasanya terbuat dari bahan tempa (ductile).

Poros kecil berdiameter kurang dari 3,5 in (90 mm) biasanya

terbuat dari baja karbon cold drawn (AISI 1018-1050).

Poros berdiameter besar dibuat dari baja dirol panas (hot

rolled).

Baja perlakuan panas dapat digunakan bila kekuatan lebih tinggi

(higher strengths) diperlukan.

Material Poros

Poros

Desain?

cari diameter kritis,d

Eq. 6-42 or 6-44Analisis Statik

pers. 6-43 or 6-45

d = diameter kritisporos

d.≠. d’N

Cari faktor keamanan, n

Y N

Pers. Analisis Statis6-44 atau 6-46

n

Analisis Fatik

Y

N Y

Berputar?

Bengkok & Torsi?N

Pers. 18-17 atau 18-22 Pers.18-14 atau 18-20

pers. 18-16 or 18-21 pers. 18-13 or 18-19

d

Analisis Fatik

d

Nn

NY

YN

Y

Berputar?

Analisis Statik

d’

Bngk/Torsi?

Geom. Lngkp &Lakukan AnalisisDeformasi


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 12

Konstrain Geometrik

Tidak seperti tegangan, yangadalah suatu fungsi geometri lokaldan beban, defleksi adalah sebuahfungsi geometri dimana saja.Oleh karena itu, analisis defleksidan rigiditas dapat dimulai hanyaapabila keseluruhan geometriporos ditentukan.

Namun pendekatan yangdijelaskan pada seksi 18-2, yangberdasarkan pada konstrainkemiringan (slope) bantalanterbatas, boleh digunakanpertama dengan mengasumsikandiameter poros yang seragam dangunakan persamaan 18-1 dan 18-2untuk mendapatkan diameter dibantalan tersebut.


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 13

Shoulders

ShouldersSled runnerkeyseat

ShoulderGroove

Profile keyseat

Konsentrasi Tegangan dan Geometri Poros

Bahu (shoulder) poros digunakan untuk menempatkan dan memberikandukungan aksial untuk elemen-elemen seperti bantalan, roda gigi, puli,…Ketentuan tertentu harus disiapkan untuk elemen pentransfer torsiseperti pasak, splines, pin.Faktor konsentrasi tegangan teoretis untuk bahu (shoulder), alur (groove)dan lubang-lubang didapat pada tabel-tabel khusus, contoh yang lain

Kt = 2,0 untuk dudukan profil pasakKt = 1,6 untuk dudukan pasak sled runner


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 14


Kt dan Kts adalah faktor-faktor konsentrasi tegangan berturut-turut untuktegangan normal dan geser. Kf dad Kfs adalah nilai pengurang Kt danbiasanya dikenal sebagai faktor konsentrasi tegangan fatik.

f

tegangan maksimal di spesimen bertakik (notch)K =

tegangan di spesimen tanpa notch

Jadi, tegangan maksimal didefinisikan sebagai:

0max fK= maxmax fsK=

( )11 −+= tf KqK ( )11 −+= tsshearfs KqKKf dan Kfs lebih lanjut didefinisikan dengan:

dengan q adalah sensitivitas notch. Persamaan Neuber yang dimodifikasilebih umum digunakan.


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 15



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 16



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 17



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 18

Geometri PorosUntuk menentukan keseluruhan geometri poros haruslah berdasarkanpada model-model yang ada, contohnya adalah sebagai berikut.

Defleksi transverse dari kurva elastis poros dapat ditentukan misalnyadengan metode superposisi. Untuk geometri poros yang rumit integrasinumerik atau program komputer dapat dibuat dan digunakan


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 19

1. Kemiringan di bantalan bola sebatas 0,250, kemiringan di bantalan

gelinding (roller) dan bantalan jurnal panjang harus lebih rendah lagi.

Untuk detil kemiringan yang diijinkan perhatikan katalog FAG dan SKF.

2. Untuk poros permesinan, defleksi harus tidak lebih besar dari 0,001 in/ft

(0,075 mm/m) dari panjang poros antara bantalan.

3. Untuk kedudukan poros roda gigi lurus (spur) kualitas bagus, maka

defleksi pada rangkaian roda gigi harus tidak melebihi 0,005 in. (0,125

mm) atau b/200 (b adalah lebar muka gigi dalam inch) dan kemiringan

harus tidak melebihi 0,02860.

4. Untuk kedudukan poros roda gigi payung (bevel) kualitas bagus, maka

defleksi pada rangkaian roda gigi jangan melebihi 0,003 in. (0,076 mm).

Konstrain Geometrik: Defleksi dan Slope


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 20

Berbagai Metode untuk Memasangkan Elemen ke Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 21

Jenis-jenis Umum Pasak Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 22

Jenis-jenis Umum Pin Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 23

Jenis-jenis Umum Pin Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 24

Jenis-jenis Umum Ring Penahan (snap ring)


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 25

Jenis-jenis Umum Spline


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 26


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 27


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 28

Kopling Poros Kaku


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Gambar 18-2(a) Pilih konfigurasi poros untuk

pendukung dan penempatan 2roda gigi dan 2 bantalan.

(b) Solusi mengunakan pinyonumum, 3 kerah (shoulder)poros, pasak dan alurnya(keyway), dan selosong(sleeve). Rangkamenempatkan bantalan diring luarnya dan menerimabeban aksial.

(c) Pilih konfigurasi fanshaft.(d) Solusi menggunakan bantalansleeve, poros lurus-tembus,lokasi kerah (collar), dansetscrew untuk collar, pullifan, dan fan itu sendiri.Rumah fan menahan bantalansleeve.

Slide 29

*)bantalan sleeve: bantalan yang dilumasi oleh sleeve


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Desain poros melibatkan studi tentang

1. Analisis tegangan dan kekuatan: Statik dan Fatik

2. Defleksi dan rigiditas

3. Kecepatan kritis

18-3 Konstrain Kekuatan18-3 Konstrain Kekuatan

Slide 30


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Tegangan di suatu elemenberlokasi di permukaan poros solidberdiameter d yang menerimamomen bengkok (bending, M),beban aksial (F), dan puntiran(twist, T) adalah

Slide 31

Beban Statik pada poros (Shaft)Beban Statik pada poros (Shaft)


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

( )

1/2 1/22 2 2 2

1/22 23

' 3

4' 8 48

A A B B x xy

M Fd Td

= − + = +

= + +

( )

( )

1 22 2max

1/22 2max 3

14

2 22

8 64

A Bx xy

M Fd Td

−= = +

= + +

TeganganVon Mises:

TeganganMaksimalTeoritis:

Slide 32


Tegangan Non-zeroprincipal:

1 22

2,2 2

x y x yA B xy

+ − = ± +

3 2

32 4x

M F

d d

= + 3

16xy

T

d

=Tegangan Normal: Tegangan Geser:


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

1/22 23

16' 4 3M T

d

= +

1/22 2max 3

16M T

d

= +

(6-41)

(6-42)

Dalam kondisi kebanyakan, gaya aksial F di (6-37) dan (6-38) biasanyakecil atau nol sehingga dapat diabaikan. Jika F = 0, pers. (6-37) dan (6-38) menjadi:

Slide 33


TeganganVon Mises:



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

( )

( )

1/31/22 2

1/22 23

164 3

1 164 3

y

y

nd M T

S

M Tn d S

= +

= +

( )

( )

1/31/22 2

1/22 23

32

1 32

y

y

nd M T

S

M Tn d S

= +

= +

(6-43)

(6-44)

Substitusikan tegangan ijin dari pers. 6-39 dan 6-40 maka

(6-45)

(6-46)

Slide 34


TeganganVon Mises:



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN Kekuatan FatikKekuatan Fatik

Slide 35

Bending, torsi, dan tegangan aksial kemungkinan ada di keduarentang tengah (midrange) dan komponen-komponen lain(alternating components).

Untuk analisis, secara sederhana menggabungkan berbagaitegangan berbeda kedalam tegangan von Mises midrange danberubah-ubah (lihat bagian 7–14, p. 361).

Kadang-kadang memungkinkan untuk memodifikasi persamaan-persamaan tersebut khususnya untuk aplikasi poros.

Beban aksial biasanya sangat kecil di tempat-tempat kritis dimanabending dan torsi dominan, sehingga gunakan persamaan berikut.

Tegangan fluktuasi karena bending dan torsi adalah sebagai berikut:


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 36

Tegangan fluktuasi karena bending dan torsi adalah

denganMm dan Ma adalah momen bengkok midrange dan berubah-ubah,

Tm dan Ta adalah torsi midrange dan berubah-ubah, dan

Kf and Kfs adalah faktor konsentrasi tegangan fatik untuk bending dan torsi.

Kekuatan FatikKekuatan Fatik


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 37

Asumsikan poros solid berpenampang bulat, dengan memasukkan besaran-besaran geometri yang cocok pada c, I, dan J menghasilkan

Kombinasi tegangan-tegangan tersebut berdasarkan teori kegagalan energidistorsi, tegangan von Mises untuk poros bulat dan solid, serta mengabaikanbeban-beban aksial menjadi

Kekuatan FatikKekuatan Fatik


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 38

Transmisi Daya pada:Transmisi Daya pada:

Poros berputar:Mengalami torsi, T [Nm], berputar pada N [rpm] maka besar daya yangditransmisikannya,

P [watt] adalah:

atau jika mengalami torsi, T [Nm], berputar pada kecepatan sudut, [rad/det] makakarena hubungan antara kecepatan linear, V [m/d] dan :maka

Sabuk:Pada sabuk maka T = (T1 – T2) R, dengan T1 [N] dan T2 [N] adalah gayategang pada sisi tegang dan kendor sabuk dan R [m] adalah jejari puli,sehingga

60

NTπ2P =

ωTP =rωV =

VFP =

( )60

NRT-Tπ2P 21=


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 39

Contoh soal 1:Contoh soal 1:

Soal: suatu poros berputar pada 200 rpm untuk mentransmisikan 2500 watt.Poros dibuat dari mild steel dengan tegangan geser ijin 4200 N/cm2. Tentukandiameter poros abaikan momen bengkok pada poros.

Diketahui: poros berputar pada N = 200 rpm, P = 2500 watt. i = 4200 N/cm2.

Ditanya: tentukan diameter poros abaikan momen bengkok.

Jawab:

Torsi pada poros,

Diameter poros,


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 40


Soal: poros propeler mentransmisikan 63000 watt pada 150 rpm tanpa momenbengkok yang signifikan. Efisiensi propeler 75% pada kecepatan 10 knot.Tentukan gaya aksial pada poros.

Diketahui: propeler berputar pada N = 150 rpm, P = 63000 watt. = 0,75V = 10 knot = 10 . 1,85 km/jam

Ditanya: tentukan diameter poros abaikan momen bengkok.

Jawab:

Dalam [m/d],

Torsi pada poros,

Gaya aksial pada poros,


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 41

Contoh soal 3:Contoh soal 3:Soal: dua puli masing-masing berdiameter 450 dan 200 mm pada poros paralelberjarak 1.95 m dan dihubungkan dengan sabuk menyilang. Bila panjangsabuk tersebut 4,975 m, tentukan daya yang dapat ditransmisikan sabuk saatpuli besar berotasi 200 rpm, tegangan ijin maksimal di sabuk 1 kN, sudutkontak sabuk dan puli 3,474 rad dan koefisien gesekan antara sabuk dan puli0,25.Diketahui: Sabuk silang, d1 = 450 mm, d2 = 200 mm, x = 1,95 m, N = 200

rpm, T1 = 1 kN, µ = 0,25Ditanya: tentukan daya yang dapat ditransmisikan sabuk, P [watt].Jawab:

Dalam [m/d],

Rasio tegangan sabuk,

Daya ditransmisikan sabuk,


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 42

Contoh soal 4:Contoh soal 4:Soal: setiap siklus pelobangan (punching), poros crank untuk operasi pelobanganmelakukan 270 J kerja selama rotasi 30 degrees, lihat gambar. Tidak ada kerjadilakukan selama sisa 3300. Berapa ukuran flywheel diperlukan bila kecepatandilokasi flywheel tersebut 20 rad/d dan inersia bagian berputar lainnya terhadapflywheel 0.51 N-s2-m. Kerja rerata dibutuhkan adalah 270/(2π) = 43.0 J/rad.Motor akan menyuplai torsi konstan sepanjang siklus. Berdasarkan gambar,flywheel akan melepas beberapa dari energi tersimpan selama 300 pelobanganaktual. Ini berupa daerah bergaris di atas garis torsi rerata; motor akanmenyuplai tambahan 43 J/rad. Selama 3300 sisa, motor akan menyuplai kembaliflywheel, seperti ditunjukkan oleh daerah bergaris di bawah garis torsi rerata.Kecepatan flywheel mencapai maksimum dan minimum saat torsi pembebananmelewati garis torsi rerata.

Jawab: karena kurva torsi-sudut tajam di kedua ujungnya, luasan di atas garistorsi rerata merupakan luasan total minus persegi panjang kecil di bawah rerata.Variasi energi menjadi

Kecepatan relatif antara poros crank dan flywheel tidak penting karena energi(torsi kali sudut) adalah sama di setiap kecepatan. Misal Cs = 0.10 untuk variasikecepatan moderat, persamaan inersia flywheel :


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 43



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 44


Untuk flywheel jenis steel-rim, asumsikan 10 % inersianya disuplai hub dan spokes,rim flywheel dengan diameter rim rerata 0.5-m akan mempunyai berat kira-kira

Gunakan densitas 76.5 kN/m3, luas penampang potongnya

Asumsikan kecepatan berada di reratanya selama torsi puncak 774 J, daya puncakdibutuhkan tanpa efek flywheel menjadi

Tanpa flywheel, keterbatasan desain pada fluktasi kecepatan harus memenuhipenggunaan torsi input nonuniform. Dengan flywheel, daya dibutuhkan ditentukandari torsi rerata 43.0 J:

Hal ini menunjukkan bahwa disamping untuk meringankan (smoothing) operasimesin, flywheel sesungguhnya mengurangi ukuran motor yang dibutuhkan.


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 45

Contoh soal 5:Contoh soal 5:Soal: kopling (clutch) sentrifugal dipertimbangkan untuk digunakan padakecepatan putar 3000 rpm dan penyambungan mulai pada 1000 rpm. Direncanakanuntuk menggunakan 4 tapak (shoes), masing-masing dengan massa 140 gr. Koefisiengesek, f= 0.3 dapat dicapai. Diameter dalam drum 75 mm, dan radius R ketitikberat setiap tapak 25 mm. (1) Berapa tegangan awal pegas garter? (2) Berapakangaya normal di setiap tapak pada kecepatan putar? (3) Berapakah kapasitas torsipada kecepatan putar? (4) Berapakah kapasitas daya pada kecepatan putar bilafaktor servis 2.25 diperlukan?

Jawab:Tegangan awal pegas garter adalah (pers. 30.40):

Gaya normal di setiap tapak pada 3000 rpms, dengan (pers. 30.39),


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 46


Kapasitas torsi pada kecepatan putar 3000 rpm,

Kapasitas daya tanpa faktor servis,

Dengan faktor servis, laju daya:


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 47

Tentukan diameter yang sesuai dari poros yang terbuat daribahan baja Fe 770. Poros menerima momen bengkokterbalik 4100 Nm dan torsi tetap 2450 Nm. Porosmenggunakan pasak profil

Poros tersebut merupakan bagian dari sistem pengeringbiji-bijian:•Di A, ada kipas jenis propeler dengan massa 16 kgmemerlukan daya 12 hP saat berputar pada 475 rpm.

•Puli untuk sabuk rata (flat) di D mengantarkan daya 3,5hP ke konveyor yang membawa biji-bijian.

•Semua daya berasal dari poros yang dihantarkan olehsabuk V di C.

Menggunakan bahan baja Fe 540 ditarik dingin, tentukandiameter minimum yang aman di C.

Contoh soal 6: Review Perhitungan PorosContoh soal 6: Review Perhitungan Poros


PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 48



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 49

31 cm 26 126 11

A B C D E

150

Sheave DKatrol/Puli C



PERENCANAANMESIN

PERENCANAANMESIN

Slide 50

AKHIRAKHIR

bab 1 poros

Documents

Transcript of bab 1 poros