BAB 1 Introduction

I. Definition

P enciptaan mesin baru yang lebih baik mesin dan meningkatkan yang sudah ada . Dalam merancang komponen mesin, diperlukan untuk memiliki pengetahuan yang baik tentang berbagai subyek seperti :

Matematika Mekanika Teknik, Kekuatan Bahan, Teori Mesin, Workshop Process Engineering drawing.

A. Yang perlu diperhatikan dalam Merancang mesin:

Jenis beban (Load) dan Tegangan (Stress) yang disebabkan oleh Gaya – gaya yang bekerja

Gerakan Bagian mesin :o Gerakak Curvilinear yang meliputi rotary, osilasi harmonik dan

sederhana..o Gerakan dengan kecepatan Konstan atau variabelo Gerakan Rectlinier : Gerakan searah atau bolak balik

Pemilihan materials.penting bahwa seorang desainer harus memiliki pengetahuan mendalam tentangsifat-sifat bahan (properties of materia) dan perilaku mereka di bawah kondisi kerjaCth : strength, durability, flexibility, weight, resistance to heat and corrosion,ability to cast, welded or hardened, machinability, electrical conductivity, etc

Frictional resistance and lubricationSelalu ada kehilangan daya akibat gaya gesekan dan perlu dicatat bahwa gesekan awal adalah lebih tinggi daripada menjalankan gesekan

Pemakaian komponen yang standartPenggunaan bagian standar terkait eratbiaya, karena biaya standaratau bagian saham hanya sebagian kecil dari biaya bagian yang sama made to order

Safety of operationBeberapa mesin sangat berbahaya untuk Dioperasikan khususnya yangbekerja dengan kecepatan tinggi untuk memastikan produksi pada tingkat maksimum

AssemblingUnit yang besar seringkali harus dirakit di toko, diuji dan kemudian dibawa untuk diangkut ke mereka tempat pelayanan.

B. System of Units

1. C.G.S. units,2. F.P.S. units, (Foot-pound-second)3. M.K.S. units,4. S.I. units

C. Junis Gaya dan bebano Masao Berato Inertiao Gaya : an agent, which produces or tends to produce, destroy or tends to destroy

motion.o Momen : Moment of a force = F × l

o Kopel

o Memontum Angular

o Torsi : Gaya yang bekerja secara tegak lurus terhadap garis yang melalui titik pusat lingkaran

.

D. Materiala. Metal : Ferous metal (iron, cast iron), Non ferous metal (alumunium, tembaga dll)b. Non Metal : Plastik, karet, keramik,

Mechanical Properties of Metals (Sifat mekanin bahan)

Strength : adalah kemampuan suatu material untuk menahan gaya eksternal tanpa merusak material tersebut. Resistansi internal yang dilakukan oleh bagian material untuk menahan gaya eksternal yang diterapkan disebut stress

Stiffness : kemampuan suatu material untuk menahan deformasi . ukuran kekakuan (stifness) adalah Modulus elastisitas

Elasticity : kemampuan material untuk mendapatkan kembali bentuk aslinya setelah terjadi deformasi setelah kekuatan eksternal dihapus

Plasticity : kemampuan dari bahan untuk mempertahankan deformasi ketika terjadi pembebanan secara permanen.

Ductility : Kemampuan dari bahan yang memungkinkan untuk ditarik menjadi kawat dengan aplikasi dengan kekuatan tarik

Brittleness :Sifat dari bahan yang mudah pecah (rapuh) hanya dengan distorsi permanen sedikit. Bahan rapuh ketika mengalami beban tarik

Fatigue : Ketika material mengalami tegangan berulang yang akhirnya rusak pada pembebanan yang besarnya masih dibawah kekuatan material yang sebenarnya. Jenis kegagalan material ini dikenal sebagai Fatique atau kelelahan

Hardness : Sifat yang sangat penting dari logam dan memiliki berbagai macam arti seperti ketahanan untuk dipakai menggaruk, kemampuan logam untuk memotong logam lain

II. ManufacturingA. Manufacturing Processeso Primary shaping processes : The common operations used for this process are casting,

forging, extruding, rolling, drawing, bending, shearing, spinning, powder metal forming, squeezing

o Machining processes : Proses yang digunakan untuk memberikan bentuk akhir terhadap komponen mesin

o Surface finishing processes : Proses yang digunakan untuk memberikan bentuk permukaan akhir yang baik untuk komponen mesin

o Joining processes : Proses yang digunakan untuk bergabung dengan komponen mesino Processes effecting change in properties : Proses ini digunakan untuk memberikan sifat

yang spesifik tertentu untuk komponen mesin sehingga membuat mereka cocok untuk digunakan operasi tertentu

BAB 2 Tegangan – tegangan sederhana

Dalam praktek rekayasa (engineering) , biasanya bagian-bagian mesin akan mengalami berbagai macam gaya (force) yang disebabkan oleh salah satu atau lebih dari hal berikut :

- Transimisi daya- Berat mesin- Gesekan- Inersia dari bagian yang bergerak bolak balik- Perubahan suhu- Ketidak seimbangan bagian yang tidak bergerak

A. Beban (Load)Didefinisikan sebagai kekuatan eksternal yang bekerja atas suatubagian mesin

steady load variable load shock loads. Impact load

B. Tegangan (Stress) Ketika suatu gaya/beban eksternal bekerja pada bagian komponen, maka akan timbul kekuatan internal (sama dan berlawanan) yang yang terjadi pada bagian tersebut, yang menahan kekuatan eksternal.Gaya internal per satuan luas tersebut dikenal sebagai Tegangan / stress

Dalam Satuan Internasional (SI)1 Pa = 1 N/m2

1 MPa = 1 x 106 N/m2 = 1 N/mm2

1 Gpa = 1 x 109 N/m2 = 1 kN/mm2

C. StrainKetika kekuatan atau beban bekerja pada komponen,maka komponen akan mengalami deformasi . deformasi per satuan panjang ini disebut sebagai (Regangan/ strain ) .

D. (Tegangan tarik) Tensile StressKetika Sebuah benda dikenai dua gaya aksial yang sama besar dan berlawanan menarik P(jugadisebut beban tarik) maka tegangan akan terjadi pada setiap bagian bendat tersebut. Hal ini dikenal sebagai tegangan tarik

E. Beban tarik (Tensile Strain)karena beban tarik yang bekerja pada sebuah benda, maka akan adapenurunan ukuran luas penampang dan peningkatan panjang benda. Rasio peningkatan panjang dengan panjang aslinya dikenal sebagai regangan tarik (tensile strain)

F. Beban tekan (Compresive Stress )Ketika benda dikenai dua gaya aksial P yang sama dan berlawanan arah dan saling mendorong disebut juga beban tekan (compresive load)

G. Regangan tekan (Kompresive Strain)karena beban tekan yang bekerja pada sebuah benda, maka akan ada peningkatan luas penampang dan penurunan panjang. Rasio dari penurunan panjang dengan panjang awal dikenal sebagai regangan tekan (compresive strain)

Modulus Young atau Modulus ElastisitasHukum Hooke menyatakan bahwa ketika suatu material dibebani tidak melebihi pada batas elastisitasnya, tegangan secara langsung sebanding dengan regangan

H. Tegangan Geser (Shear Stress ) dan Regangan Geser (Shear Strain)Ketika benda dikenai dua gaya yang sama besar dan berlawanan arah (P).dan gaya tersebut bekerja dalam arah tangensial terhadap permukaan yang terbebani, maka benda cenderung akan terputus pada bagian yang terbebani. Teganan ini disebut tegangan geser (shear stress) dan perubahan dimensi pada bagian ini disebut regangan geser (shear strain)Simbol tegangan geser = tau (τ) , Simbol regangan geser = phi (ф)

** Tegangan geser yang terjadi seperti pada pake keling seperti pada gambar termasuk kategori tegangan geser tunggal

Luas Penampang yang menerima tegangan adalah :

A = Luas penampangd = Diameter

Sehingga Tegangan geser pada sambunga keling tunggal adalah

τ = Tegangan geserP = Gaya

Untuk tegangan geser ganda

Luas Penampang A =

Sehingga

*** Ketika harus dibuat lubang pada plat dengan cara dipres atau dibor, maka alat yang digunakan harus dapat mengatasi resistensi gaya geser plat tersebut.Jika diameter lubang adalah “d” dan ketebalan plat “ t” maka luas area tegangan geser adala

Dan Gaya yang dibutuhkan untk melubanbgi plat adalah

τu = Tegangan geser maksimum plat

Modulus RegiditasTegangan geser secara langsung sebanding dengan regangan geser atau

atau atau Dimanaτ = Tegangan geserф = Regangan geserC = Modulus Rigiditas

I. Tegangan kerja (Working stress)Ketika merancang bagian-bagian mesin, selalu diinginkan untuk menjaga agar tegangan yang terjadi harus lebih rendah daripada tegangan maksimum dari material. Tegangan ini dikenal sebagai tegangan kerja atau desain stres. Atau juga dikenal sebagai Safe atau Tegangan yang diijinkan

Factor of SafetyDidefinisikan secara umum sebagai rasio tegangan maksimum terhadap tegangan kerja

Bab 4Sambungan Las

Las adalah jenis sambungan Permanen yang dilakukan melalui penggabungan tepian dari 2 bagian yang akan disambungkan. Proses bisa dilakukan dengan atau tanpa adanya tekanan (preasure) dan material pengisi (filler)

Keuntungan las- Struktur las biasanya lebih ringan- Sambungan las memberikan efisiensi maksimum (mungkin 100%)- Perubahan dan penambahan dapat dengan mudah dibuat dalam struktur yang ada- Sebagai struktur, las halus dalam penampilan,- Pada sambungan las, tidak terjadi pelemahan bagian2 sambungan- Sambungan las memiliki kekuatan yang besar- Dapat menyambung benda2 yang memiliki bentuk melingkar, seperti pipa baja (rumit)- Sambungannya rigid (kaku)- Dimungkin melakukan pengelasan pada setiap titik di setiap bagian- Pengerjaan las lebih cepat

Kerugian :- Karena ada proses pemanasan & pendinginan dapat menimbulkan tegangan-tegangan

tambahan pada material atau ganguan lainnya- Memerlukan tenaga kerja dengan keahlian tinggi

- Dapat terjadi retakan pada sambungan- Proses pengecekan las cukup rumit

Jenis – jenis las

- Fussion welding : Proses pengelasan yang menggunakan panas.Menggunakan filler yang berupa logam cair. Biasanya komposisi filler menyerupai komposisi logam yang akan disambung.

Jenis Fussion Welding:- Thermit Welding : Filler yang digunakan merupakan campuran besi oksida dan

alumunium,yang juga disebut thermit.Biasa digunakan untuk menyambung komponen yang besar: Rel kereta chasis trailer dll

- Gas Welding : Gas welding dibuat dengan menyalakan api dari oxy acetylene atau gas hidrogen. Api digunakan untuk memanaskan tepian material yang akan disambung.

- Electric Arc Welding: memiliki cara yang hampir sama dengan las gas, tetapimenggunakan filler logam yang berasal dari elektroda.

- Forge Welding :, bagian-bagian yang akan disambung terlebih dahulu dipanaskan sampai suhu yang tepat dalam tungku dan kemudian ditempa/dipalu

Jenis2 sambungan las

1) Lap Joint / Fillet joint

1. Single transverse fillet, 2. Double transverse fillet, and 3. Parallel fillet joints.

2) Butt Joint

Kekuatan sambungan Transverse Fillet Joint

Lap joint/ fillet joint dirancang untuk dapat menahan beban tensil.

untuk menentukan kekuatan sendi fillet, diasumsikan bahwa bagian dari fillet adalahtepat di siku segitiga ABC dengan AC miring membuat sudut yang sama dengan lainnya dua sisi AB dan BC

t = Throat thickness (BD),s = Leg or size of weld, = Thickness of plate, andl = Length of weld,

Throat thickness : t = s × sin 45° = 0.707 sMinimum area of the weld or throat area,A = Throat thickness × Length of weld = t × l = 0.707 s × l

Jika σt adalah tegangan tarik yang diijinkan untuk las logam,maka kekuatan tarik sambungan untuk las fillet tunggal,

P = Throat area × Allowable tensile stress = 0.707 s × l × σt

dan kekuatan tarik sambungan untuk las fillet ganda ;P = 2 × 0.707 s × l × σt = 1.414 s × l × σt

Note: Since the weld is weaker than the plate due to slag and blow holes, therefore the weld is given a reinforcement which may be taken as 10% of the plate thickness

Kekuatan sambungan paralel fillet joint

Sambungan paralel fillet dirancang untuk menahan beban yang menimbulkan tegangan geser yang besar.

Kita telah bahas dalam artikel sebelumnya, bahwa ,- Throat thickness minimum A = 0,707 s × l

Jika τ adalah tegangan geser yang diijinkan untuk logam las

- Tegangan geser of the joint for double parallel fillet weld :

P = 2 × 0.707 × s × l × τ = 1.414 s × l × τ

Jika sambungan merupakan kombinasi transverse dam paralel seperti ditunjukkan pada Gambar. 10,8 (b), maka kekuatan sambungan adalah jumlah kekuatan transverse dan parale fillet.

P = (0.707x s × l1 × σt )+ (1.414 x s × l2 × τ)

Contoh :

Sebuah plat lebar 100 mm dan tebal 10 mm yang akan dilas ke plat lain dengan carafillet paralel ganda. Lempeng plat2 tersebut dikenakan beban statis 80 kN. Hitung panjang lasan jika tegangan geser yang diizinkan dalam lasan tidak melebihi 55 MPa

Solution.Given: Lebar = 100 mm ; Tebal = 10 mm ; P = 80 kN = 80 × 103 N ;τ = 55 MPa = 55 N/mm2

Let l = Length of weld, and s = Size of weld = Plate thickness = 10 mm

We know that maximum load which the plates can carry for double parallel fillet weld (P)

P = 2 × 0.707 × s × l × τ= 1.414 x s × l × τ

80 × 103 = 1.414 × s × l × τ = 1.414 × 10 × l × 5580 × 103 = 778 ll = 80 × 103 / 778 = 103 mm

Tambahkan 12,5 mm untuk area mulai dan area akhir las,l = 103 + 12,5 = 115,5 mm

KeKuatan Butt Joint

Butt joint adalah sambungan yang biasa digunakan untuk menahan tarikan atau tekanan

Kekuatan tarik pada butt joint (single-V or square butt joint)

P = t × l × σt

l = Length of weld

Untuk double-V butt joint P = (t1 + t2) l × σt

t1 = Throat thickness at the top, andt2 = Throat thickness at the bottom.

Contoh Soal:A plate 100 mm wide and 12.5 mm thick is to be welded to another plate by means of parallel fillet welds. The plates are subjected to a load of 50 kN. Find the length of the weld so that the maximum stress does not exceed 56 MPa. Consider the joint first under static loading and then under fatigue loading

Sebuah pelat 100 mm lebar dan tebal 12,5 mm yang akan dilas ke piring lain melalui lasan fillet paralel. Lempeng dikenakan beban 50 kN. Cari panjang lasan sehingga tegangan maksimum tidak melebihi 56 MPa. Pertimbangkan sendi pertama di bawah pembebanan statis dan kemudian di bawah beban sikli

Solution. Given:Lebar = 100 mm ; Tebal = 12.5 mm ; P = 50 kN = 50 × 103N ; τ = 56 MPa = 56 N/mm2

P anjang lasan untuk pembebanan statis Jika l = Panjang las, dan

s = Ukuran las = ketebalan pelat = 12,5 mm

P = 1.414 x s × l × τ50 × 103N = 1.414 x s × l × τ50 × 103N = 1.414 × 12.5 × l × 5650 × 103N = 990 ll = 50 × 103 / 990 = 50.5 mm

Tambahkan 12,5 mml = 50.5 + 12.5 = 63 mm

Panjang lasan untuk loading kelelahan

From Table 10.6, we find that the stress concentration factor for parallel fillet welding is 2.7.Permissible shear stress, τ = 56 / 2.7 = 20.74 N/mm2

We know that the maximum load which the plates can carry for double parallel fillet welds (P) = 50 × 103 = 1.414 s × l × τ = 1.414 × 12.5 × l × 20.74 = 367 ll = 50 × 103 / 367 = 136.2 mm

Adding 12.5 for starting and stopping of weld run, we havel = 136.2 + 12.5 = 148.7 mm

Contoh Soal:A plate 75 mm wide and 12.5 mm thick is joined with another plate by a single transverse weld and a double parallel fillet weld as shown in Fig. 10.15. The maximum tensile and shear stresses are 70 MPa and 56 MPa respectively. Find the length of each parallel fillet weld, if the joint is subjected to both static and fatigue loading

Sebuah pelat 75 mm lebar dan tebal 12,5 mm bergabung dengan piring lain oleh las melintang tunggal dan fillet lasan paralel ganda seperti ditunjukkan pada Gambar. 10.15. Tarik maksimum dan tegangan geser adalah masing-masing 70 MPa dan 56 MPa. Cari panjang setiap fillet lasan paralel, jika sendi dibebani oleh beban statis dan kelelahan

Solution : Given : Width = 75 mm ; Thickness = 12.5 mm ; στ = 70 MPa = 70 N/mm2 ; τ = 56 MPa = 56 N/mm2.The effective length of weld (l1) for the transverse weld may be obtained by subtracting 12.5 mm from the width of the plate.l1 = 75 – 12.5 = 62.5 mm

Length of each parallel fillet for static loading

Let l2 = Length of each parallel fillet.

We know that the maximum load which the plate can carry isP = Area × Stress = 75 × 12.5 × 70 = 65 625 N

Load carried by single transverse weld,P1 = 0.707 s × l1 × σt = 0.707 × 12.5 × 62.5 × 70 = 38 664 N

and the load carried by double parallel fillet weld,P2 = 1.414 s × l2 × τ = 1.414 × 12.5 × l2 × 56 = 990 l2 N

Load carried by the joint ( P ) = 65 625 = P1 + P2 = 38 664 + 990 l2 l2 = 27.2 mm

Adding 12.5 mm for starting and stopping of weld run, we havel2 = 27.2 + 12.5 = 39.7 say 40 mm

Length of each parallel fillet for fatigue loading

the stress concentration factor for transverse welds is 1.5 and for parallel fillet welds is 2.7.

Permissible tensile stress, σt = 70 / 1.5 = 46.7 N/mm2

and permissible shear stress, τ = 56 / 2.7 = 20.74 N/mm2

Load carried by single transverse weld,P1 = 0.707 s × l1 × σt = 0.707 × 12.5 × 62.5 × 46.7 = 25 795 N

and load carried by double parallel fillet weld,P2 = 1.414 s × l2 × τ = 1.414 × 12.5 l2 × 20.74 = 366 l2 N

Load carried by the joint ( P ) = 65 625 = P1 + P2 = 25 795 + 366 l2

l2 = 108.8 mm

Adding 12.5 mm for starting and stopping of weld run, we havel2 = 108.8 + 12.5 = 121.3 mm

Sambungan Skrup

Sebuah sambungan skrup biasanya terrdiri dari dua buah elemen yaitu baut dan mur. Sambungan skrup biasanya digunakan pada bagian mesin yang membutuhkan kegiatan bongkar pasang yang cukup sering.

Keuntungan1. Sangat dapat diandalkan 2. Sangat mudah untuk dibongkar pasang3. Tersedia banyak jenis sambungan untuk berbagai macam kebutuhan4. Memiliki biaya yang rendah

Kerugian

Konsentrasi tegangan pada bagian berulir yang juga meruapakan titik yang sangat rentan terhadap beban variabel

Diameter Mayor : Diameter terbesar dari ulir skrup ( ulir luar dan ulir dalam)Diameter Minor : Diameter terkecil dari ulir skruo (ulir luar dan ulir dalam)Diameter Pirtch : Diameter imajiner Pitch : Jarak antara ulir yang dihitung dalam arah aksialCrest : Bagian puncak ulirRoot : Bagian dasar dari ulirKedalama Ulir : Jarak antara Crest dan root(Depth of thread)Sudut Ulir : Sudut ulir(angel of thread)Slope : Jarak setengan pitch

Ulir

Bentuk umum sambungan skrup

Through bolt adalah sambungan skrup yang dibuat dengan cara melubangi dua bagian yang akan diikat bersama-sama , Dimana pada ujung bagian atas mur dipasang baut yang dapat mengencangkan sambungan tersebut

Tap bolt adalah sambungan dengan membuat ulir dalam pada salah satu bagian yang akan disambung, kemudian ditanamkan batang yang berulir kedalamnya. Mur dipasang kemudian

Stud Salah satu bagian yang akan disambung memiliki ulir tap (ulir dalam), untuk mengencangkan sambungan digunakan baut yang dikencangkan

Ukuran baut dinyatakan dengan lambang M yang diikuti oleh diamete X pitch. (kadang ukuran pitch tidak disertakan) cth: M 5 ; M 12

Merangcang baut

Tegangan – tegangan yang timbul pada sambungan skrup akibat beban statis1. Teganan internal pada proses pengencangan2. Tegangan yang terjadi akibat beban eksternal3. Tegangan yang terjadi yang merupakan kombinasi dari beban eksternal dan proses

pengencangan

POROS (SHAFT)

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)Pembagian poros.1. Berdasarkan pembebanannyaA. 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. GandarPoros gandar merupakan poros yang dipasang diantara roda-roda kereta barang. Poros gandar tidak menerima beban puntir dan hanya mendapat beban lentur.C. Poros spindlePoros 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 bentuknyaA. Poros lurusB. Poros engkol sebagai penggerak utama pada silinder mesinDitinjau 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).Hal-hal yang harus diperhatikan.1. Kekuatan porosPoros 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 porosMeskipun 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 kritisBila 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. KorosiApabila 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 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 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.

Desain PorosPoros dapat dirancang atas dasar1. Kekuatan, dan 2. Rigidity dan stifness (kokoh dan kaku)

Dalam merancang shaft atas dasar kekuatan, kasus-kasus berikut dapat menjadi pertimbangan(a) Poros mengalami momen puntir atau torsi saja,(b) Poros mengalami momen lentur saja,(c) Poros dikenakan dikombinasikan momen puntir dan momen lentur(d) Poros dikenai beban aksial di samping beban torsi dan lentur gabungan.

A. Poros hanya Dikenakan Momen puntir saja

Untuk menghitung diameter poros yang hanya terdapat momen puntir saja (twisting moment only), dapat diperoleh dari persamaan berikut :

Perhitungan Pembebanan Pada Porosshaft

Shaft (poros) adalah elemen mesin yang digunakan untuk mentransmisikan daya dari satu tempat ke tempat lainnya. Daya tersebut dihasilkan oleh gaya tangensial dan momen torsi yang hasil akhirnya adalah daya tersebut akan ditransmisikan kepada elemen lain yang berhubungan dengan poros tersebut. Poros juga merupakan 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.

Jenis-Jenis Poros

A. Berdasarkan pembebanannya

Poros transmisi (transmission shafts)

Poros transmisi lebih dikenal dengan sebutan shaft. Shaft akan mengalami beban puntir berulang, beban lentur secara bergantian ataupun kedua-duanya. Pada shaft, daya dapat ditransmisikan melalui gear, belt pulley, sprocket rantai, dll.

Poros Gandar

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

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.

B. Berdasarkan bentuknya

Poros lurus Poros engkol sebagai penggerak utama pada silinder mesin

Sifat-Sifat Poros Yang Harus Diperhatikan

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.

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.

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.

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.

C. Material poros

Material yang biasa digunakan dalam membuat poros adalah carbon steel (baja karbon), yaitu carbon steel 40 C 8, 45 C 8, 50 C 4, dan 50 C 12. Namun, untuk 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 vanadium, 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.

D. Perhitungan Poros

1. Pembebanan tetap (constant loads)

.: Untuk Poros yang hanya terdapat momen puntir saja

 

Dimana :

T = Momen puntir pada poros, J = Momen Inersia Polar, r = jari-jari poros = do/2, τ = torsional shear stress

Untuk poros solid (solid shaft), dapat dirumuskan :

Sehingga momen puntir pada poros adalah:

 

Sedangkan momen inersia polar pada poros berongga (hollow shaft) digunakan :

 

Dimana do dan di adalah diameter luar dan dalam

Sehingga didapat :

 Dengan mensubstitusikan, di/do = k

Maka didapat,

 Daya yang ditransmisikan oleh poros dapat diperoleh dari :

 Dimana : P = daya (W), T = moment puntir (N.m), N = kecepatan poros (rpm)

Untuk menghitung sabuk penggerak (belt drive), dapat digunakan :

Dimana :

T1 dan T2 : tarikan pada sisi kencang (tight) dan kendor (slack).

R = jari-jari pulley

.: Untuk Poros yang hanya terdapat bending momen saja

 Dimana :

M = momen lentur pada poros, I = momen inersia, O = bending momen, y = jari-jari poros = d/2

Untuk poros solid (solid shaft), besarnya momen inersia dirumuskan :

 Setelah disubtitusikan didapatkan persamaan :

Sedangkan untuk poros berongga (hollow shaft), besarnya momen inersia dirumuskan :

Sehingga :

.: Untuk Poros dengan kombinasi momen lentur dan momen puntir

Jika pada poros tersebut terdapat kombinasi antara momen bending 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 :

Maximum shear stress theory atau Guest’s theory: Teori ini digunakan untuk material yang dapat diregangkan (ductile), misalnya baja lunak (mild steel).

Maximum normal stress theory atau Rankine’s theory: Teori ini digunakan untuk material yang keras dan getas (brittle), misalnya besi cor (cast iron).

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

Dengan mensubtitusikan nilai 𝜎b dan τ, didapat:

 Pernyataan dikenal sebagai equivalent twisting moment yang disimbolkan dengan . Sehingga dapat disimpulkan bahwa :

 Selanjutnya, berdasarkan maximum normal stress theory, didapat :

 Dengan cara dan proses yang sama seperti sebelumnya, maka akan didapatkan

2. 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.

Dalam hal ini untuk momen puntir digunakan factor koreksi Kt dan untuk momen bending digunakan factor koreksi Km. Sehingga persamaan untuk Te dan Me menjadi,

Tabel 1 :factor koreksi

3. Menentukan nilai safety factor

 Untuk menentukan safety factor (ns) pada poros, kami menggunakan metode Pugsley. Penentuan safety factor (ns) dengan menggunakan metode Pugsley dapat ditentukan melalui persamaan:

dimana :

nsx= safety factor untuk karakteristik A,B, dan C

A = kualitas material, pembuatan, perawatan, dan pemerikasaan

B = kontrol dari beban berlebih yang diberikan ke alat

C = ketelitian dari analisa beban, data percobaan atau mengalami kemiripan dengan alat yang sejenis.

nsy= safety factor untuk karakteristik D dan E

D = Bahaya ke manusia

E = Dampak Ekonomi

Tabel 1.1 memberikan harga nsx untuk berbagai kondisi A,B, dan C. Untuk menggunakan tabel ini, digunakan beberapa karakterisrik untuk keterangan-keterangan seperti Very Good (vg), Good (g), Fair (f), atau Poor (p). Tabel 1.2 memberikan harga nsy untuk berbagai kondisi D dan E. Untuk menggunakan tabel tersebut, digunakan salah satu karekteristik seperti Very serious (vs), Serious (s), atau Not serious (ns). Menempatkan harga dari nsx dan nsy dalam persamaan diatas menghasilkan harga safety factor.

Penentuan harga A, B, C, D, dan E:

A = vg, karena poros merupakan salah satu komponen terpenting B = g, karena poros hanya menerima beban yang konstan. C = g, perhitungan yang akurat dalam merancang poros. Akan tetapi banyak variable yang tidak

diketahui sehingga banyak menggunakan asumsi D = vs, karena tidak ada factor yang membahayakan bagi pengguna. E = ns, karena tidak ada perkara hukum.

Tabel 1.1

Karakteristik safety faktor A, B, dan C

vg = very goodg = goodf = fairp = poor

Tabel 1.2

Karakteristik safety faktor D dan E

ns = not seriouss = seriousvs = very serious

Referensi:

Khurmi, R.S. dan J.K. Gupta. 1982. A Text Book of Machine Design. Ram Nagar-New Delhi. Eurasia Publishing House

Hamrock, dkk. 1999. Fundamentals of Machine Element . Singapore. Mc Graw-Hill