BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar BelakangPoros 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.

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.

Makalah ini disusun guna memenuhi tugas dari dosen mata kuliah Elemen

Mesin, makalah ini disusun berdasarkan tugas kelompok dengan judul makalah

tentang Perancangan Poros. Kami tidak akan membahas langsung pada

perancangan poros. Kami akan sedikit membahas mengenai definisi poros dan

macam macam poros, agar pembaca mendapat sedikit gambaran umum mengenai

poros.

A. Rumusan Makalah

Berdasarkan latar belakang diatas penulis berinisiatif menulis beberapa hal

yang akan dibahas didalam makalah ini antara lain :

1. Apa definisi dari Poros ?

2. Apa macam-macam poros ?

3. Perancangan poros.

B. Tujuan1. Memenuhi tugas dosen mata kuliah Elemen Mesin.

2. Menambah wawasan mengenai apa itu poros.

3. Mengetahui sedikit mengenai macam-macam dari poros.

4. Menambah pengetahuan mengenai perancangan poros

BAB II

PEMBAHASAN

A. Definisi PorosPoros adalah suatu bagian stasioner yang berputar, biasanya berpenampang

bulat diameter pasang elemen-elemen seperti roda gigi (gear), pully, flywheel,

engkol, sprocket dan elemen pemindah lainnya. Poros bias menerima beban lentur,

beban tarikan, beban teka atau beban puntur yang bekerja sendiri-sendiri atau

berupa gabungan satu dengan lainnya.

B. Macam-macam Poros1. Jenis-Jenis Poros

Poros sebagai penerus daya diklasifikasikan menurut pembebanannya

sebagai berikut :

a. Poros Transmisi

Poros Transmisi (transmission shaft) atau sering hanya disebut

dengan poros (shaft) digunakan pada mesin rotasi untuk metransmisikan

putaran dan rotasi dari satu lokasi kelokasi yang lainnya. Poros

mentransmisikan torsi dan driver (motor atau engine) ke driven.

Komponen mesin yang sering digunakan bersamaan dengan poros

adalah roda gigi, puli dan sprocket. Transmisi torsi antar poros

dilakukan dengan pasangan roda gigi, sabuk atau rantai. Poros bisa

menjadi satu dengan driver, seperti pada poros motor dan engine crank

shaft, bisa juga poros bebas yang dihubungakan ke poros lainnya dengan

kopling. Sebagai dudukan poros, digunakan bantalan.

b. Poros Spindle

Poros Spindle adalah poros tranmisi yang relative pendek, seperti

poros utama mesin perkakas, dimana beban utama berupa puntiran,

disebut spindle. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah

deformasinya yang harus kecil, dan bentuk serta ukuran haruslah teliti.

c. Gandar

Gandar adalah poros yang tidak mendapatkan beban punter, bahkan

kadang kadang tidak boleh berputar. Contohnya seperti yang terpasang

diantara roda-roda kereta barang dll.

Gambar 3. Gandar

Gambar 2. Poros Spindle

Gandar

Berdasarkan bentuknya :

a. Poros lurusb. 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).

2. Hal-hal yang Perlu Diperhatikan

a. 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 bertingkat ataupun  penggunaan alur pasak pada poros

tersebut. Poros yang dirancang tersebut harus cukup aman untuk menahan

beban-beban tersebut.

b. Kekakuan Poros

Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup aman

dalam menahan  pembebanan tetapi adanya lenturan atau defleksi yang

terlalu besar akan mengakibatkan ketidak telitian (padamesinperkakas),

getaran mesin (vibration) dansuara (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.

c. Putaran Kritis

Bila putaran mesin dinaikkan 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.

d. 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.

e. Material PorosPoros 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, baja khrom nikel,  baja khrom

molibden, baja khrom nikel molebdenum, 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.

C. Perancangan PorosTegangan dan defleksi adalah parameter yang harus diperhatikan pada

perancangan poros. Defleksi sering menjadi parameter kritis, karena defleksi yang

besar akan mempercepat keausan bantalan dan mengakibatkan terjadinya

misalignment pada roda gigi, sabuk dan rantai. Tegangan pada poros bisa dihitung

hanya pada posisi tertentu yang ditinjau dengan mengetahui beban dan penampang

poros. Tetapi, untuk menghitung defleksi yang terjadi, harus diketahui terlebih

dahulu geometri seluruh bagian poros. Sehingga dalam merancang poros, pertama

kali yang dilakukan adalah berdasar tegangan yang terjadi, baru kemudian

menghitung defleksi berdasar geometri yang telah ditentukan. Perancangan poros

juga dipengaruhi hubungan frekuensi pribadi poros (pada pembebanan bending dan

torsi) terhadap frekuensi pembebanan terhadap waktu. Jika frekuensi pembebanan

mendekati frekuensi pribadi poros, akan terjadi resonansi, sehingga timbul getaran,

tegangan dan defleksi yang besar.

1. Aturan umum perancangan poros :

a. Untuk meminimalisasi defleksi dan tegangan, poros diusahakan sependek

mungkin dan meminimalisasi keadaan ‘overhang’,

b. Sebisa mungkin menghindari susunan batang kantilever, dan mengusahakan

tumpuan sederhana, kecuali karena tuntutan perancangan. Hal ini karena

batang kantilever akan terdefleksi lebih besar,

c. Poros berlubang mempunyai perbandingan kekakuan dengan massa

(kekakuan spesifik) lebih baik dan frekuensi pribadi lebih besar dari pada

poros pejal, tetapi harganya akan lebih mahal dan diameter akan lebih besar,

d. Usahakan menghindarkan kenaikan tegangan pada lokasi momen bending

yang besar jika memungkinkan dan meminimalisasi efeknya dengan cara

menambahkan fillet dan relief.

e. Jika tujuan utamanya adalah meminimalisasi defleksi, baja karbon rendah

baik untuk digunakan karena kekakuannya setinggi baja dengan harga yang

lebih murah dan pada poros yang dirancang untuk defleksi, tegangan yang

terjadi cenderung kecil,

f. Defleksi pada roda gigi yang terpasang pada pada poros tidak boleh

melebihi 0.005 inch dan slope relatif antar sumbu roda gigi harus kurang

dari 0.03º.

g. Jika digunakan plain bearing, defleksi poros pada arah sepanjang bantalan

harus kurang dari tebal lapisan oli pada bantalan,

h. Jika digunakan non-self-alligning rolling element bearing, defleksi sudut

poros pada bantalan harus dijaga kurang dari 0.04º,

i. Jika terjadi gaya aksial, harus digunakan paling tidak sebuah thrust bearing

untuk setiap arah gayanya. Jangan membagi gaya aksial pada beberapa

thrust bearing karena ekspansi termal pada poros akan mengakibatkan

overload pada bantalan.

j. Frekuensi pribadi pertama poros minimal tiga kali frekuensi tertinggi ketika

gaya terbesar yang diharapkan terjadi pada saat operasi. Semakin besar akan

semakin baik, tetapi akan semakin sulit untuk dicapai.

2. Perhitungan Diameter Poros.

Dalam perhitungan diameter poros ada beberapa hal yang perlu diperhatikan

yakni faktor koreksi yang dianjurkan ASME dan juga dipakai disini. Faktor

koreksi akibat terjadinya tumbukan yang dinyatakan dengan Kt, jika beban

dikenakan beban secara halus, maka dipilih sebesar 1,0. Jika terjadi sedikit

kejutan atau tumbukan, maka dipilih sebesar 1,0-1,5. Jika beban dikenakan

dengan kejutan atau tumbukan besar, maka dipilih sebesar 1,5-3,0. Dalam hal

ini harga Kt diambil sebesar 3 karena cangkang terhisap langsung kedalam

mesin fan sehingga mendapatkan beban kejut atau tumbukan yang besar secara

tiba-tiba. Meskipun dalam perkiraan sementara ditetapkan bahwa beban hanya

terdiri atas momen puntir saja, perlu ditinjau pula apakah ada kemungkinan

pemakaian dengan beban lentur. Dimana untuk perkiraan sementara ditetapkan

bahwa beban hanya terjadi karena momen puntir saja dengan harga diantara

1,2-2,3 (jika diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka Cb

diambil 1,0), dalam perencanaan diambil faktor koreksinya sebesar 1,2. Maka

rumus untuk merencanakan diameter poros ds diproleh:

dimana : ds = diameter poros yang direncanakan (mm)

σ a = kekuatan tarik bahan (kg/mm2) aτ

Kt = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya tumbukan

Cb = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban

lentur.

a. Pembebanan Tetap (constant loads)

1) 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 :

Dimana : T = Momen puntir pada poros

r = Jari – jari poros

J = Momen Inersia Polar

Selain dengan persamaan diatas, besarnya momen puntir

pada poros (twisting moment) juga dapat diperoleh dari hubungan

persamaan dengan variable-variable lainnya, misalnya :

a) Daya yang ditransmisikan

buk penggerak (belt drive) : T = (T1 – T2) x R

dimana T1 = tarikan yang terjadi pada sisi kencang

T2 = tarikan yang terjadi pada sisi kendor

R = jari-jari pulley

2) 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 :

dimana : M = Momen lentur pada poros

I = Momen Inersia

y = jari-jari poros

σ = Bending stress

Untuk poros yang berbentuk bulat padat besarnya momen

Inersia dirumuskan :

3) 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.

a) Maximum shear stress theory atau Guest’s theory

Teori ini digunakan untuk material yang dapat

diregangkan (ductile), misalnya baja lunak (mild steel).

b) 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 :

Dengan mensubsitusikan ke persamaan akan diperolah :

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

b. 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

.

Jenis Pembebanan Km Kt

1. Poros tetap

a. Beban perlahan 1,0 1,0

b. Beban tiba-tiba 1,5 - 2,0 1,5 – 2,0

2. Poros yang berputar

a. Beban perlahan ataupun tetap 1,5 1,0

b. Beban tiba-tiba kejutan ringan 1,5 – 2,0 1,5 – 2,0

c. Beban tiba-tiba kejutan berat 2,0 – 3,0 1,5 – 3,0

3. Daya Poros

Di stasiun Kernel pada Pabrik Kelapa Sawit, poros Depericarper Fan

akan mendapatkan daya dari boiler. Daya tersebut akan ditransmisikan dari

turbin ke poros melalui V-Belt. Daya merupakan daya nominal output dari

motor penggerak dalam hal ini turbin uap. Daya yang besar mungkin

diperlukan pada saat mulai (start), atau mungkin beban yang besar terus

bekerja setelah start. Dengan demikian sering diperlukan koreksi pada daya

rata-rata yang diperlukan dengan menggunakan faktor koreksi pada

perencanaan.

Ada beberapa jenis faktor koreksi sesuai dengan daya yang akan

ditransmisikan sesuai dengan tabel 2.1.

Tabel 2.1 Jenis-jenis faktor koreksi berdasarkan daya yang ditransmisikan

Daya yang ditransmisikan fc

Daya rata-rata yang diperlukan 1,2 – 2,0Daya maksimum yang diperlukan 0,8 – 1,2Daya normal 1,0 – 1,5

Dalam perhitungan poros ini diambil daya rata-rata sebagai daya

rencana dengan faktor koreksi sebesar fc = 2,0. 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. Sehingga besar daya

rencana Pd yaitu :

Dimana : Pd = daya rencana (kW)

fc = faktor koreksi

N = daya normal keluaran motor penggerak (kW)

Dengan adanya daya dan putaran, maka poros akan mendapat beban

berupa momen puntir. Oleh karena itu dalam penentuan ukuran-ukuran utama

poros akan dihitung berdasarkan beban puntir serta kemungkinan-kemungkinan

kejutan/tumbukan dalam pembebanan, seperti pada saat motor mulai berjalan.

Besarnya momen puntir yang dikerjakan pada poros dapat dihitung :

Dimana : T = momen puntir rencana (kg.mm)

Pd = daya rencana (kW)

n = putaran (rpm)

Bahan poros yang direncanakan adalah baja cor yaitu jenis baja karbon

tinggi dengan kadar C > 0,5 %. Baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan

S-C) dihasilkan dari ingot yang dikil (baja yang dioksidasikan dengan

ferrosilikon dan dicor), kadar karbon terjamin. Jenis-jenis baja S-C beserta

dengan kekuatan tariknya dapat dilihat dari tabel 2.2.

Dalam perencanaan poros ini dipilih bahan jenis S30C yang dalam

perencanaannya diambil kekuatan tarik sebesar . Maka tegangan puntir izin

dari bahan dapat diperoleh dari rumus :

Dimana :

τa = tegangan geser izin (kg/mm2)

σb = kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

Sf1 = faktor keamanan yang bergantung kepada jenis bahan.

Sf2 = faktor keamanan yang bergantung pada bentuk poros (harga 1,3-3,0)

Sesuai dengan standar ASME, batas kelelahan puntir adalah 18% dari

kekuatan tarik, dimana untuk harga ini faktor keamanan diambil sebesar =5,6.

Harga 5,6 diambil untuk bahan SF dan 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh

massa dan baja paduan. Harga Sf1 diambil 6 karena dalam perencanaan

pemilihan bahan diambil jenis S30C. Sedangakan nilai Sf2, karena poros yang

dirancang merupakan poros bertingkat, sehingga dalam perencanaannya faktor

keamanan diambil 1,4. bσ10,18

4. Pemeriksaan Kekuatan Poros

Ukuran poros yang telah direncanakan harus diuji kekuatannya.

Pengujian dilakukan dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi

(akibat momen puntir) yang bekerja pada poros. Apabila tegangan geser ini

melampaui tegangan geser izin yang dapat ditahan oleh bahan maka poros

mengalami kegagalan. Besar tegangan geser akibat momen puntir yang bekerja

pada poros diperoleh dari:

dimana:

τp = tegangan geser akibat momen puntir ( kg/mm2 )

T = momen puntir yang terjadi (direncanakan) ( kg.mm )

ds = diameter poros ( mm )

Daftar Pustaka

1. http://www.academia.edu/5646486/ELEMEN_MESIN_Perancangan_Poros .

2. http://www.academia.edu/5863621/POROS

3. http://www.academia.edu/5646486/ELEMEN_MESIN_Perancangan_Poros

4. Sularso. 2002. Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin. Jakarta, Pradnya

Paramita