PERENCANAAN ELEMEN MESIN

Mata Kuliah lanjut :Prasyarat :1. Pengetahuan Bahan Teknik2. Statika dan dinamika3. Kekuatan Bahan4. Penerapan Komputer5. Matematika

Tujuan Umum

Mempelajari proses perencanaan elemen mesin dengan menggunakan salah satu Standar perencanaan yang ada (JIS)

Menentukan dimensi dan jenis bahan yang digunakan dari elemen mesin yang direncanakan

Mengintegrasikan proses perencanaan dalam bentuk software aplikasi

Materi Perkuliahan

Poros dan Pasak Kopling Tetap Kopling tidak Tetap dan REM Bantalan Sabuk dan Rantai Roda Gigi Ulir dan Pegas

Penilaian

Komponen Penilaian Tugas-Tugas kecil (10%) Kuiz (10%) UTS (30%) UAS (30%) Tugas Besar (grup) (20%)

Jadwal pengumpulan tugas besar, 2 minggu sebelum UAS

Materi 1.Poros dan Pasak

Poros merupakan bag yg sangat penting dari mesin Fungsi Poros :

Meneruskan Tenaga ke poros yang lan Meneruskan Putaran keporos yang lain

Macam_macam Poros : ada 3 Poros Transmisi : poros yang menerima beban lentur, puntir

atau kedua-duanya. Daya diruskan melalui : kopling, roda gigi, puli sabukatau sproket rantai

Poros Spindel : Beban utamanya adalah puntiran. Contohnya adalah poros yang ada pada mesin bubut. Syarat bahan yang digunakan harus mempunyai deformasi yang kecil

Gandar : adalah poros yang murni menerima beban lentur, contohnya adalah poros yang digunakan pada gerobak barang. Gandar ada yang berputar atau yang benar-benar diam

Lanjutan

Bentuk poros ada 3 macam : poros lurus, poros engkol, poros luwes (agar terdapat kebebasan bagi perubahan arah)

A. Hal-hal penting dalam Perencanaan Poros

a) Kekuatan Porosb) Kekakuan porosc) Putaran kritisd) Korosie) Bahan Poros

Lanjutan

Kekuatan Poros Beban Poros adalahpuntir, lentur atau kombinasi, beban

tarikatau tekan (spt pada as baling-baling) Pengaruh konsentrasi : poros bertangga, alur pasak Poros harus direncanakan untuk menerima beban-beban

external tsb Kekakuan Poros

Bahan poros walaupun kuat tetapi bila defleksi lentur atau puntir tinggi menyebabkan ketidak telitian. Maka kekakuan poros harus diperhatikan dalam perancangan

Putaran Kritis Jika putaran mesin dinaikan sampai nilai tertentu maka akan

terjadi getaran yang luar biasa besarnya. Putaran tsb disebut putaran kritis. Didalam design putaran operasional mesin harus dibawah putaran kritis

Lanjutan

Korosi Bahan tahan korosi harus dipilih untuk bahan

poros atau melakukan perlinungan terhadap bahan poros yang digunakan, mis dg coating

Bahan Poros Bahan S-C (Steel Construction) ; baja yang

ddioksidasikan dg ferrosilikon da di cor : kadar karbon terjamin

Lanjutan Baja Karbon untuk Konstruksi Mesin dan

Baja Batang yang difinis dingin untuk porosStandar dan

macam

Lambang

Perlakuan Panas

Kekuatan Tarik

(kg/mm2)

Keterangan

Baja Karbon Konstruksi Mesin(JIS G 4501)

S30CS35CS40CS45CS50CS55C

PenormalanIdemIdemIdemIdemidem

485255586266

Batang Baja yang difinis Dingin

S35C-DS45C-DS55C-D

536072

Dtarik dingin, digerinda, dibubut atau gabungan hal-hal tsb

Lanjutan Poros

Poros-Poros yang digunakan untuk putaran tinggi dan beban beratumumnya dibuat dari baja paduan spt : baja khrom nikel, baja khrom nikel molibden dll

Baja paduan umumnya sangat mahal, maka tidak selalu dianjurkan untuk penggunaan jenis-jenis ini. Penggantinya menggunakan baja SF dimana kekauatannya dijamin

Lanjutan Poros

Standar dan Macam Lambang Perlakuan Panas Kekuatan Tarik(kg/mm2)

Baja Khrom Nikel(JIS G 4102)

SNC 2SNC 3

SNC 21SNC 22

--

Pengerasan kulitPengerasan Kulit

859580

100

Baja Khrom Nikel Molibden(JIS G 4103)

SNCM 1SNCM 2SNCM 7SNCM 8

SNCM 22SNCM 23SNCM25

----

Pengeran kulitPengerasan KulitPengerasan Kulit

8595

10010590

100120

Baja Khrom(JIS G 4104)

SCr 3SCr 4SCr 5

SCr 21SCr 22

---

Pengerasan kulitPengerasan Kulit

9095

1008085

Baja Khrom Molibden(JIS G 4105)

SCM 2SCM 3SCM 4SCM 5SCM21SCM22SCM 23

----

Pengerasan KulitPengerasan KulitPengerasan Kulit

8595

1001058595

100

Baja Paduan Untuk Poros

Lanjutan Poros

Kelas Lambang

Pemakaian Utama

Perlakuan Panas

Batas Mulur(kg/mm2)

Kekuatan Tarik(kg/mm2)

Kelas 1A SFA 55A Poros

PengikutPenormalan atau celup dingin

28 55B SFA 55B

Kelas 2A SFA 60A

Gandar yang digerakan dan poros pengikut

30 60B SFA 60B

Kelas 3

A SFA 65A Celup dingin dan pelunakan

35 65B SFA 65B

Kelas 4

A SFAQA Celup dingin dan pelunakan pd bag tertentu

30 60B SFAQB

Lanjutan Poros

Umumnya baja diklasifikasikan berdasarkan Kandungan Karbonnya

Golongan Kadar C (%)

Baja LunakBaja LiatBaja Agak KerasBaja KerasBaja Sangat Keras

- 0.15- 0.2 – 0.3- 0.3 – 0.5- 0.5 – 0.8- 0.8 – 1.2

Lanjutan PorosNama Standar

Jepang (JIS)Standar Amerika (AISI), Engrish(BS ) dan Jerman DIN

Baja karbon konstruksi mesin

S25CS30CS40CS45CS50CS55C

AISI 1025, BS060A25AISI 1030, BS060A30AISI 1035, BS060A35, DIN C35AISI 1045, BS060A45, DIN C45,CK45AISI 1050, BS060A50, DIN St50.11AISI 1055, BS060A55

Baja Tempa SF 40,45,50,55 ASTM A105-73

Baja Nikel Khrom SNCSNC22

BS 653M31BS En36

Baja Nikel Khrom molibden SNCM 1SNCM 2SNCM 7SNCM 8SNCM22SNCM23SNCM25

AISI 4337BS830M31AISI 8645,BS En100DAISI 4340, BS817M40, 816M40AISI 4315AISI 4320, BS En325BS En39B

Baja Khrom Scr 3SCr 4SCr 5SCr21SCr22

AISI 5135, BS530A36AISI 5140,BS 530A40AISI 5145AISI 5115AISI 5120

Baja khrom molibden SCM 2SCM3SCM4SCM5

AISI 4130, DIN 34CrMo4AISI 4135, BS708A37AISI 4140, BS708M40, DIN42CrMo4AISI 4145, DIN50CrMo4

Diagram Perencanaan Poros dengan Beban Puntir Nurni

Mulai

1. Daya yang ditransmisikan P(kW), putaran poros (rpm)

2. Faktor koreksi

3. Daya Rencana Pd (kW)

A

Lanjutan

A

4. Momen Puntir Rencana T (kg.mm)

Bahan Poros, perlakuan panas, kekuatan tarik σB

(kg/mm2),apakah poros bertangga atau beralur pasak, faktor

keamanan sf1, sf2

Tegangan geser yang diijinjan τa

(kg/mm2)

BF

Lanjutan

B

7. Faktor koreksi untuk momen puntir KT, Faktor

lenturan Cb

8. Diameter poros ds (mm)

9. Jari-jari filet dari poros bertangga r

(mm) Ukuran pasak dan alur pasak

Menggunakan Tabel

CD

F

Lanjutan

C

10. Faktor konsentrasi tegangan pada poros bertangga β , pada

pasak αMelihat Gambar

12. <

D

≥

E

LanjutanE

13. Diameter poros ds (mm), Bahan poros,

Perlakuan panas, jari-jari filet dari poros

bertangga, ukuran pasak dan alur pasak

STOP

END

Lanjutan

Daya yang ditransmisikan fc

Daya rata-rata yang diperlukanDaya maksimum yang diperlukanDaya Normal

1.2 – 2.00.8 – 1.21.0 – 1.5

Tabel. Faktor koreksi daya yang ditransmisikan fc

=

𝑃𝑑=( 𝑇1000 )( 2𝜋 𝑛160 )

102

𝑇=9.74 𝑥105𝑃𝑑𝑛1

Daya Rencana

Torsi Rencana (kg.mm)

Lanjutan Torsi rencana bila dibebankan pada poros

dengan diameter ds, maka tegangan geser yang terjadi adalah τ (kg/mm2)

Tegangan geser yang diijinkan τa dihitung atas dasar batas kelelahan puntir yang besarnya diambil 40% dari batas kelelahan tarik yg besarnya kira-kira 45% dari kekuatan tarik σB (kg/mm2), jadi besarnya adalah 18% dari kekuatan tarik σB, sesuai dg standar ASME.

𝜏=𝑇

(𝜋 .𝑑𝑠316 )=5.1𝑇𝑑𝑠3

Lanjutan

Untuk nilai 18 %, maka faktor keamananya diambil 1/0.18 = 5.6, nilai digunakan untuk bahan SF dan 6 untuk bahan SC. Faktor keamanan ini diberi notasi sf1.

Untuk memberikan faktor keamanan pada poros bertangga atau beralur pasak akibat konsentrasi tegangan maka ditambahkan faktor keamanan kedua sf2. Besarnya sf2 menurut JIS adalah 1.3 s/d 3.0 dan besarnya τa dapat dihitung :𝜏𝑎=

𝜎𝐵

𝑠𝑓 1×𝑠𝑓 2

Lanjutan Faktor koreksi untuk momen puntir (Kt)

perlu dipertimbangkan dan besarnya adalah 1 s/d 3 tergantung kondisi beban external

Faktor koreksi untuk momen lentur juga dipertimbangkan dan besarnya diambil antara 1.0 s/d 2.3 tergantung ada/tidaknya lenturan yang terjadi pada sistem, dan diameter poros yang direncanakan dihitung dengan persamaan sbb :𝑑𝑠=[ 5.1𝜏 𝑎

×𝐾 𝑡×𝐶𝑏×𝑇 ]0.33

Ukuran Utama pada Porosukura

n nom. pasak

Ukuran stdr b, b1 dan b2

Ukuran Stdr h

C l Ukuran

standar t1

Ukuran standar t2 r1 dan r2 Referensi

P.prismatis, pasak luncur

Pasak tirus

Pasak prismatis

Pasak luncur

Pasak tirus

Diameter poros yang dapat

dipakai

2x2 22

0.16-

0.25

6.20 1.2 1.0 0.5

0.08-0.16

Lebih dari 6 - 8

1.43 x 3 3 3 6-36 1.8 0.9 Lebih dari 8-10

1.84 x 4 4 4 8-45 2.5 1.2

Lebih dari 10 -12

2.35 x 5 5 5

0.25-

0.40

10-56 3.0 1.7

0.16-0.25

Lebih dari 12 - 17

2.66 x 6 6 6 14-70 3.5 2.2 Lebih dari 17 - 22

7 x 7 7 7 7.2 16-80 4.0 3.0 3.5 3.0Lebih dari 20 -

25

8 x 7 8 7 18-90 4.0 3.3 2.4Lebih dari 22 -

30

10 x 8 10 8

0.40-

0.60

22-110 5.0 3.3 2.4

0.25-0.40

Lebih dari 30-38

12 x 8 12 828x14

05.0 3.3 2.4

Lebih dari 38 - 44

14 x 9 14 936x16

05.5 3.8 2.9 Lbih dari 44 - 50

15 - 10 15 10 10.240 - 180

5.0 5.0 5.5 5.0Lebih dari 50 -

55

16 x 10 16 1045 - 180

6.0 4.3 3.4Lebih dari 50 -

58

18 x 11 18 1150 - 200

7.0 4.4 3.4Lebih dari 58 -

65

20 x 12 20 12

0.60 –

0.80

56 - 220

7.5 4.9 3.9

0.40- 0.60

Lebih dari 65 - 75

22 x 14 22 1463 - 250

9.0 5.4 4.4 Lebih dari 75 - 85

24 x 16 24 16 16.2 70 - 280

8.0 8.0 8.5 8.0 Lebih dari 80 - 80

25 x 14 25 14 70 - 280

9.0 5.4 4.4 Lebih dari 85 - 85

28 x 16 28 16 80 - 320

10.0 6.4 5.4 Lebih dari 95 - 110

32 x 18 32 18 90 - 360

11.0 7.4 6.4 Lebih dari 110 - 130

Ukuran diameter bahan yang ada di pasaran (mm)

Penentuan Faktor konsentrasi tegangan akibat alur pasak (α)

Penentuan faktor konsentrasi tegangan akibat poros bertangga (β)

Contoh Aplikasi

Tentukan diameter sebuahporosbulatuntukmeneruskandaya 10 (kW) [ada rpm 1450 (rpm). Disampingbebanpuntir, diperkirakan pula akandikenakannyabebanlentur. Sebuahalurpasahperludibuat, dandalamsehariakanbekerjaselama 8 jam dengantumbukanringan. Bahandiambilbajabatangdifinisdingin S30C

Solusi P = 10 kW, n1 = 1450 rpm Fc = 1 Pd = 1.0 x 10 = 10 kW T =

Lanjutan contoh

S30C-D, , sf1 = 6.0 dan sf2 = 2.0

Cb = 2.0 Kt = 1.5

Diameter poros ds = 28 mm (lihatukuranporos yang ada) Dianggap diameter bagian yang

menjaditempatbantalanadalah = 30 mm Jari-jari filet =(30 -28)/2 = 1.0 mm Alurpasak 8 x 4 x filet 0.4 ( besardari JIS) Konsentrasiteganganpadaporosbertanggaadalah : 0.4/28 = 0.034, 30/28 = 1.07, β = 1.37 Konsentrasiteganganpadaporosdenganalurpasakadalah 0.4/28 = 0.014, α = 2.8 makaα>β

Lanjutan Contoh

Dari persamaanuntuktegangangeseraktual

4.83 x 2.0/2.8 = 3.45 (kg/mm2) 1.56 x 2.0 x 1.5 = 4.86 < Berarti diameter porosbelummemenuhisyarat JIS

harusdiulangperhitungannyadenganmenaikan diameter ds menjadi = 31.5 mm, danmengambil diameter untuktempatbantalan = 35 mm.

Jari-jari filet (35 -31.5)/2 = 1.75 mm Alurpasak 10 x 4.5 x 0.6 (0.6 besardari JIS) Konsentrasitegangandariporosbertanggaadalah 1.75/31.5 = 0.056, 35/31.5 = 1.11, β = 1.30 Konsentrasitegangandariporosdenganalurpasakadalah : 0.6/31.5 = 0.019, α = 2.7 α>β

Perencanaan Poros dengan Beban Lentur Murni

Contoh dari poros yang menerima beban murni berupa lenturan adalah Gandar. Beban yang diterima oleh satu gandar adalah setengah dari beban total dikurangi berat gandar dan roda. Bahan mempunyai tegangan lentur yang diijinkan σa (kg/mm2), Momen tahanan lentur dari poros dengan diameter ds (mm) adalah Z = (π/32) ds

3 (mm3) Ada hubungan antara momen lentur (M1),

momen tahanan lentur (Z) dan tegangan lentur yang diijinkan σa

Lanjutan

Dimana σa =

Dalam peritungan diameter gandar pengaruh gerak dinamis harus dierhitungkan baik yang sifatnya mendatar atau yang tegak dan besarnya bebas diamis ini harus ditambahkn pada beban statis.Gandar yang digerakan oleh suatu penggerak mula juga mendapat beban puntir yang mana akan melibatkan faktor m, yang dapat dijelaskan dalam tabel sbb:

Faktor Tegangan Pada Gandar

Dimensi Poros Gandar

Persamaan Yang Digunakan

Alur Perencanaan Poros dengan Beban Lentur Murni

Lanjutan

αh : Beban tambahan krn get horisontal/beban statis M1 : Momen pada tumpuan roda krn beban statis

(kg.mm) M2 : Momen pada tumpuan roda karena gaya

vertikal tambahan (kg.mm) M3 : Momen lentur pada pada naf tumpuan roda

sebelah dalm karena beban horisontal (kg mm) P : beban horisontal (kg) Q0 : Beban pada bantalan karena beban horisontal

(kg) R0 : Bean pada telapak roda karena beban horisontal

(kg)

Lanjutan

W : Beban statis pada satu gandar (kg) g : Jarak telapak roda (mm) j : Jarak bantalan radial (mm) h : Tinggi titik berat (mm) v : Kecepatan kerja maksimum (km/jam) r : Jari-jari telapak roda (mm) αv : Beban tambahan krn get

vertikal/beban statis

Tabel untuk faktor akibat getaran baik horisontal atau vertikal

Perhitunga≥n diameter Poros

Setelah ds dihitung, maka tengan lentur aktual σb (kg/mm2) yang terjadi pada dudukan roda dapat dihitung, selanjutnya bila ≥ 1maka :

Contoh Aplikasi

Sebuah kereta tambang beratnya 2.6 ton memakai 2 gandar dengan 4 roda. Gandar tersebut tetap, dan beratnya sendiri adalah 950 kg. Lebar rel 610 mm dan jarak tumpuan pd gandar dengan penampang persegi adalah 420 mm. Berapakah diameter gandar yang harus diambil pada bantalan kerucutyang dipasang pada jarak 285 mm dari tengah gandar.

Solusi : Beban pada gandar adalah (950 + 2600)/2 = 1775 kg

Panjang lengan momen pada bantalan rol kerucut adalah :(610/2) – 285 = 20 mm. Besarnya momen lentur :

M = (1775/2) x 20 = 17750 kg.mm

Gambar skematis dari kereta tambang.

Lanjutan

Jika bahan yang dipakai S45C, maka σB = 58 kg/mm2. Jika faktor keamanan untuk beban statis diambil 6 dan faktor perkalian untuk beban dinamis diambil 4, sehingga seluruhnya menjadi 6 x 4 = 24, maka σa = 58/24 = 2.4 kg/mm2

Dari persamaan yang ada

Contoh Aplikasi 2

Gandar dari sebuah kendaran rel seperti ditunjukan pada gambar, mendapat beban statis sebesar 12000 kg. Tentukan diameter gandar pada dudukan roda. Kecepatan maksimum danggap sebesar 100 km/jam, dan bahan gandar diambil JIS E4502 kelas 3.

Gambaran skematis dari gandar

Analisa Perhitungan

W = 12000 kg, g = 1120 mm, j = 1930 mm h = 970 mm, V = 100 km/jam, r = 430 mm

αv = 0.3 dan αh = 0.4 M2 = 0.3 x 2.43 x 106 = 0.729 x 106 kg.mm a = 345 mm dan l = 128 mm P = 0.3 x 12000 = 3600 kg Q0 = 3600 x 970 /1930 = 1809 kg R0 = 3600 x (970 + 430)/1120 = 4500 kg M3 = 3600 x 430 + 1810 x (345 + 128) -4500x(345 +

128 – (810/2)0 = 2.188 x 106 kg.mm

lanjutan

Poros pengikut kelas 3, σwb = 11 kg/mm2 Untuk poros pengikut m = 1

Dibulatkan ds = 175 mm

n = 11/10.64 = 1.03 baik

Perencanaan Poros dengan beban Puntir dan Lentur

Pada umumnya poros menerukan daya dan putaran melalui sabuk, roda gigi dan rantai, segingga poros menerima beban puntir dan lentur sekaligus.

Teganga geser yang terjadi : τ = T/Zp dan tegangan normal σ = M/Z

Tegangan geser naksimum dapat dihitng dengan persamaan :

Lanjutan

Untuk poros bulat dan pejal maka :

Sehingga τmax = Ada faktor koreksi untuk Momen lentur

yaitu Km dimana nilainya (1.5 s/d 3) sedangkan faktor koreksi untuk Torsi yaitu Kt dimana nilainya (1 s/d 3)

Lanjutan

Maka : τmax =

Perhitungan Defleksi Puntir dimana G = 8.3 x 103 kg/mm2

Perhitungan defleksi karena lendutan :

Perencanaan Poros dengan Beban Lentur dan Puntir