MAKALAH ELEMEN MESIN

POROS

Disusun Oleh :

Nama : Rizka Cindyantika Tiara Ayu Pratiwi

NIM : 0220120070

Prodi : Mekatronika

POLITEKNIK MANUFAKTUR ASTRA

Jl.Gaya Motor Raya 8 Sunter II, Jakarta Utara 14330

Telp. (021) 6519555, Fax. (021) 6519821

http://www.polman.astra.ac.id

2013

A. Definisi Poros

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).

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. Contoh sebuah poros dukung yang berputar, yaitu

poros roda kereta api, As gardan, dan lain-lain.

Gambar 1

Konstruksi Poros Kereta Api

Untuk merencanakan sebuah poros, perlu diperhitungkan gaya yang bekerja

pada poros di atas antara lain: gaya dalam akibat beratnya (W) yang selalu

berpusat pada titik gravitasinya.

Gaya (F) merupakan gaya luar arahnya dapat sejajar dengan permukaan

benda ataupun membentuk sudut α dengan permukanan benda. Gaya F dapat

menimbulkan tegangan pada poros, karena tegangan dapat timbul pada benda

yang mengalami gaya. Gaya yang timbul pada benda dapat berasal dari gaya

dalam akibat berat benda sendiri atau gaya luar yang mengenai benda

tersebut. Baik gaya dalam maupun gaya luar akan menimbulkan berbagai

macam tegangan pada kontruksi tersebut.

B. Macam-macam Poros

1. Berdasarkan Jenis Pembebanannya

a. Gandar

Gandar merupakan poros yang tidak mendapatkan beban puntir,

fungsinya hanya sebagai penahan beban, biasanya tidak berputar.

Contohnya seperti yang dipasang pada roda-roda kereta barang, atau

pada as truk bagian depan.

Gambar 2

Contoh poros gandar

b. Spindle

Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin

perkakas, di mana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindle.

Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil

dan bentuk serta ukurannya harus teliti.

Gambar 3

Spindel Penggerak pada Bench Lathe

c. Poros Transmisi

Poros transmisi berfungsi untuk memindahkan tenaga mekanik salah

satu elemen mesin ke elemen mesin yang lain. Poros transmisi

mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur yang akan

meneruskan daya ke poros melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau

sproket rantau, dan lain-lain.

Gambar 4

Poros Transmisi

2. Berdasarkan Bentuknya

a. Poros Lurus

Gambar 5

Poros Lurus

b. Poros Engkol

Poros engkol merupakan bagian dari mesin yang dipakai untuk

merubah gerakan naik turun dari torak menjadi gerakan berputar.

Poros engkol yang kecil sampai yang sedang biasanya dibuat dari satu

bahan yang ditempa kemudian dibubut, sedangkan yang besar-besar

dibuat dari beberapa bagian yang disambung-sambung dengan cara

pengingsutan.

Gambar 6

Perubahan gerakan yang dihasilkan poros engkol

Didalam praktek dikenal 2 macam poros engkol yaitu :

1) Poros Engkol Tunggal

Poros ini terdiri dari sebuah poros engkol dan sebuah penengkol.

Kedua-duanya diikat menjadi satu oleh pipi engkol yang

pemasangannya menggunakan cara pengingsutan. Pipi engkol

biasanya dibuat daripada baja tuang, sedangkan pen engkolnya

dari pada baja St.50 atau St.60. jarak antara sumbu pen engkol

dengan sumbu poros engkol adalah setengah langkah torak.

Gambar 7

Poros Engkol Tunggal

2) Poros Engkol Ganda

Poros engkol ini mempunyai 2 buah pipi engkol terdiri dari satu

bahan sedang pemasangan poros engkolnya adalah dengan

sambungan ingsutan. Poros-poros engkol ini bahan dibuat dari

besi tuang khusus. Disamping harga pembuatannya lebih ringan,

besi tuang itu mempunyai sifat dapat menahan getaran-getaran.

Gambar 8

Poros Engkol Ganda

C. Perencanaan

Hal-hal penting dalam perencanaan poros sebagai berikut ini perlu

diperhatikan :

1. 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.

2. 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.

3. 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,

4. 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.

5. Material poros

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 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.

D. Perhitungan Diameter Poros

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 :

Selain dengan persamaan diatas, besarnya momen puntir pada poros

(twisting moment) juga dapat diperoleh dari hubungan persamaan dengan

variable-variable lainnya, misalnya :

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 :

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, misalnya :

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 ::

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 (Sularso dan Kiyokatsu suga, 1994:

8).

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.

E. Beban pada Poros

1. Poros dengan beban puntir

Daya dan perputaran, momen puntir yang akan dipindahkan oleh poros

dapat ditentukan dengan mengetahui garis tengah pada poros.

Gambar 9

Poros Transmisi dengan Beban Puntir

Apabila gaya keliling F pada gambar sepanjang lingkaran dengan jari-jari

r menempuh jarak melalui sudut titik tengah α (dalam radial), maka jarak

ini adalah r , dan kerja yang dilakukan adalah F.

Gaya F yang bekerja pada keliling roda gigi dengan jari-jari r dan gaya

reaksi pada poros sebesar F merupakan suatu kopel yang momennya

Mw = F.r. Momen ini merupakan momen puntir yang bekerja dalam

poros.

W = F · r · α = Mw · α

Bila jarak ini ditempuh dalam waktu t, maka daya:

P = W / t = Mw · α t = Mw · ω

di mana ω ialah kecepatan sudut poros. Jadi, momen puntirnya:

Mw = ω P

2. Poros dengan Beban Lentur Murni

Poros dengan beban lentur murni biasanya terjadi pada gandar dari kereta

tambang dan lengan robot yang tidak dibebani dengan puntiran,

melainkan diasumsikan mendapat pembebanan lentur saja. Meskipun

pada kenyataannya gandar ini tidak hanya mendapat beban statis, tetapi

juga mendapat beban dinamis.

Gambar 10

Beban lentur murni pada lengan robot

Jika momen lentur M1, di mana beban pada suatu gandar diperoleh dari 1

2 berat kendaraan dengan muatan maksimum dikurangi berat gandar dan

roda, tegangan lentur yang diizinkan adalah σa, maka diameter dari poros

adalah:

3. Poros dengan Beban Puntir dan Lentur

Poros dengan beban puntir dan lentur dapat terjadi pada puli atau roda

gigi pada mesin untuk meneruskan daya melalui sabuk, atau rantai.

Dengan demikian poros tersebut mendapat beban puntir dan lentur akibat

adanya beban. Beban yang bekerja pada poros pada umumnya adalah

beban berulang. Jika poros tersebut mempunyai roda gigi untuk

meneruskan daya besar, maka kejutan berat akan terjadi pada saat mulai

atau sedang berputar. Selain itu beban punter dan lentur juga terjadi pada

lengan arbor mesin frais, terutama pada saat pemakanan.

Gambar 11

Beban punter dan lentur saat arbor melakukan pemakanan

Agar mampu menahan beban puntir dan lentur, bahan poros harus bersifat

liat dan ulet agar mampu menahan tegangan geser maksimum sebesar:

Pada poros yang pejal dengan penampang bulat,

Dan: