PERENCANAAN ELEMEN MESIN Mata Kuliah lanjut Prasyarat 1

PERENCANAAN ELEMEN MESIN Mata Kuliah lanjut : Prasyarat : 1. Pengetahuan Bahan Teknik 2. Statika dan dinamika 3. Kekuatan Bahan 4. Penerapan Komputer 5. 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 � Kuiz � UTS � UAS � Tugas Besar � (10%) (30%) (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 � A. Bentuk poros ada 3 macam : poros lurus, poros engkol, poros luwes (agar terdapat kebebasan bagi perubahan arah) Hal-hal penting dalam Perencanaan Poros Kekuatan Poros b) Kekakuan poros c) Putaran kritis d) Korosi e) Bahan Poros a)

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 perlindungan terhadap bahan poros yang digunakan, mis dg coating � Bahan Poros � Bahan S-C (Steel Construction) ; baja yang ddioksidasikan dg ferrosilikon dan di cor : kadar karbon terjamin

Lanjutan � Baja Karbon untuk Konstruksi Mesin dan Baja Batang yang difinis dingin untuk poros Standar dan macam Lambang Baja Karbon Konstruksi Mesin (JIS G 4501) S 30 C S 35 C S 40 C S 45 C S 50 C S 55 C Batang Baja yang difinis Dingin S 35 C-D S 45 C-D S 55 C-D Perlakuan Panas Penormalan Idem idem Kekuatan Tarik (kg/mm 2) Keterangan 48 52 55 58 62 66 53 60 72 Ditarik dingin, digerinda, dibubut atau gabungan hal -hal tsb

Lanjutan Poros � � Poros-Poros yang digunakan untuk putaran tinggi dan beban berat umumnya dibuat dari baja paduan spt : baja khrom nikel, baja khrom nikel molibden dll Baja paduan umumnya sangat mahal, maka tidak selalu dianjurkan untuk penggunaan logam jenis-jenis ini. Penggantinya menggunakan baja SF dimana kekuatannya dijamin

Lanjutan Poros Baja Paduan Untuk Poros Standar dan Macam Lambang Perlakuan Panas Kekuatan Tarik (kg/mm 2) SNC 2 SNC 3 SNC 21 SNC 22 Pengerasan kulit Pengerasan Kulit 85 95 80 100 SNCM 1 SNCM 2 SNCM 7 SNCM 8 SNCM 22 SNCM 23 SNCM 25 Pengeran kulit Pengerasan Kulit 85 95 100 105 90 100 120 Baja Khrom (JIS G 4104) SCr 3 SCr 4 SCr 5 SCr 21 SCr 22 Pengerasan kulit Pengerasan Kulit 90 95 100 80 85 Baja Khrom Molibden (JIS G 4105) SCM 2 SCM 3 SCM 4 SCM 5 SCM 21 SCM 22 SCM 23 Pengerasan Kulit 85 95 100 105 85 95 100 Baja Khrom Nikel (JIS G 4102) Baja Khrom Nikel Molibden (JIS G 4103)

Lanjutan Poros Kelas 1 Kelas 2 Kelas 3 Kelas 4 Lambang Pemakaian Perlakuan Utama Panas A SFA 55 A B SFA 55 B Poros Pengikut A SFA 60 A B SFA 60 B A SFA 65 A B SFA 65 B A SFAQA B SFAQB Gandar yang digerakan dan poros pengikut Penormala n atau celup dingin Batas Kekuatan Mulur Tarik (kg/mm 2) 28 55 30 60 Celup dingin dan pelunakan 35 65 Celup dingin dan pelunakan pd bag tertentu 30 60

Lanjutan Poros � Umumnya baja diklasifikasikan berdasarkan Kandungan Karbonnya Golongan Baja Lunak Baja Liat Baja Agak Keras Baja Sangat Keras Kadar C (%) - 0. 15 - 0. 2 – 0. 3 - 0. 3 – 0. 5 - 0. 5 – 0. 8 - 0. 8 – 1. 2

Lanjutan Poros Nama Standar Jepang (JIS) Standar Amerika (AISI), Engrish(BS ) dan Jerman DIN Baja karbon konstruksi mesin S 25 C S 30 C S 45 C S 50 C S 55 C AISI 1025, BS 060 A 25 AISI 1030, BS 060 A 30 AISI 1035, BS 060 A 35, DIN C 35 AISI 1045, BS 060 A 45, DIN C 45, CK 45 AISI 1050, BS 060 A 50, DIN St 50. 11 AISI 1055, BS 060 A 55 Baja Tempa SF 40, 45, 50, 55 ASTM A 105 -73 Baja Nikel Khrom SNC 22 BS 653 M 31 BS En 36 Baja Nikel Khrom molibden SNCM 1 SNCM 2 SNCM 7 SNCM 8 SNCM 22 SNCM 23 SNCM 25 AISI 4337 BS 830 M 31 AISI 8645, BS En 100 D AISI 4340, BS 817 M 40, 816 M 40 AISI 4315 AISI 4320, BS En 325 BS En 39 B Baja Khrom Scr 3 SCr 4 SCr 5 SCr 21 SCr 22 AISI 5135, BS 530 A 36 AISI 5140, BS 530 A 40 AISI 5145 AISI 5115 AISI 5120 Baja khrom molibden SCM 2 SCM 3 SCM 4 SCM 5 AISI 4130, DIN 34 Cr. Mo 4 AISI 4135, BS 708 A 37 AISI 4140, BS 708 M 40, DIN 42 Cr. Mo 4 AISI 4145, DIN 50 Cr. Mo 4

Diagram Perencanaan Poros dengan Beban Puntir Nurni Mulai 1. Daya yang ditransmisikan P(k. W), putaran poros (rpm) 2. Faktor koreksi 3. Daya Rencana Pd (k. W) A

Lanjutan A 4. Momen Puntir Rencana T (kg. mm) Bahan Poros, perlakuan panas, kekuatan tarik σB (kg/mm 2), apakah poros bertangga atau beralur pasak, faktor keamanan sf 1, sf 2 Tegangan geser yang diijinjan τa (kg/mm 2) F B

Lanjutan F 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 D C

Lanjutan C D 10. Faktor konsentrasi tegangan pada poros bertangga β , konsentrasi tegangan pada alur pasak α Melihat Gambar < ≥ E

Lanjutan E 13. Diameter poros ds (mm), Bahan poros, Perlakuan panas, jari-jari filet dari poros bertangga, ukuran pasak dan alur pasak STOP END

Lanjutan Tabel. Faktor koreksi daya yang ditransmisikan fc Daya rata-rata yang diperlukan Daya maksimum yang diperlukan Daya Normal 1. 2 – 2. 0 0. 8 – 1. 2 1. 0 – 1. 5 Daya Rencana Torsi Rencana (kg. mm)

Lanjutan � Torsi rencana bila dibebankan pada poros dengan diameter ds, maka tegangan geser yang terjadi adalah τ (kg/mm 2) � 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/mm 2), jadi besarnya adalah 18% dari kekuatan tarik σB, sesuai dg standar ASME.

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 sf 1. Untuk memberikan faktor keamanan pada poros bertangga atau beralur pasak akibat konsentrasi tegangan maka ditambahkan faktor keamanan kedua sf 2. Besarnya sf 2 menurut JIS adalah 1. 3 s/d 3. 0 dan besarnya τa dapat dihitung :

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 :

Ukuran Utama pada Poros ukuran nom. pasak Ukuran stdr b, b 1 dan b 2 Ukuran Stdr h 2 x 2 2 3 x 3 3 3 4 x 4 4 5 x 5 6 x 6 P. pris matis, pasak luncur C l Pasak tirus 2 Ukura n standa r t 1 Ukuran standar t 2 Pasak prismat is Pasak luncur r 1 dan r 2 Referensi Pasak tirus Diameter poros yang dapat dipakai Lebih dari 6 - 8 6. 20 1. 2 1. 0 0. 5 6 -36 1. 8 1. 4 0. 9 4 8 -45 2. 5 1. 8 1. 2 Lebih dari 10 -12 5 5 10 -56 3. 0 2. 3 1. 7 Lebih dari 12 - 17 6 6 14 -70 3. 5 2. 6 2. 2 7 x 7 7 8 x 7 8 10 x 8 7 0. 160. 25 7. 2 0. 250. 40 0. 08 -0. 16 Lebih dari 8 -10 Lebih dari 17 - 22 0. 16 -0. 25 16 -80 4. 0 7 18 -90 4. 0 10 8 22 -110 12 x 8 12 8 14 x 9 14 9 3. 0 Lebih dari 20 - 25 3. 3 2. 4 Lebih dari 22 -30 5. 0 3. 3 2. 4 Lebih dari 30 -38 28 x 140 5. 0 3. 3 2. 4 Lebih dari 38 - 44 36 x 160 5. 5 3. 8 2. 9 Lbih dari 44 - 50 15 - 10 15 40 - 180 5. 0 16 x 10 16 10 45 - 180 6. 0 18 x 11 18 11 50 - 200 7. 0 10 10. 2 0. 400. 60 3. 5 0. 25 -0. 40 5. 5 5. 0 Lebih dari 50 - 55 4. 3 3. 4 Lebih dari 50 -58 4. 4 3. 4 Lebih dari 58 - 65

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 �

Lanjutan contoh �

Lanjutan Contoh �

Lanjutan � � � � � τ = 5. 1 x 6717/(31. 5)3 = 1. 10 (kg/mm 2) 4. 83 x 2. 0/2. 7 = 3. 58 kg/mm 2. 1. 10 x 2 x 1. 5 = 3. 3 kg/mm 2. Maka τa xsf 2/α > τ x Cb x Kt artinya baik Ds = 31. 5 mm: s 30 C-D Diameter poros : ds 1 = 31. 3 dan ds 2 35 Jari-jari filet : 1. 75 mm Pasak : 10 x 8 Alur pasak : 10 x 4. 5 x 0. 6

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. M 1 adalah momen lentur pada dudukan roda dapat dihitung. Bahan mempunyai tegangan lentur yang diijinkan σa (kg/mm 2), Momen tahanan lentur dari poros dengan diameter ds (mm) adalah Z = (π/32) ds 3 (mm 3) Ada hubungan antara momen lentur (M 1), momen tahanan lentur (Z) dan tegangan lentur yang diijinkan σa

Lanjutan �

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 M 1 : Momen pada tumpuan roda krn beban statis (kg. mm) M 2 : Momen pada tumpuan roda karena gaya vertikal tambahan (kg. mm) M 3 : Momen lentur pada naf tumpuan roda sebelah dalam karena beban horisontal (kg mm) P : beban horisontal (kg) Q 0 : Beban pada bantalan karena beban horisontal (kg) R 0 : Beban 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

Perhitungan diameter Poros �

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 �

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 E 4502 kelas 3.

Gambaran skematis dari gandar

Analisa Perhitungan �

lanjutan �

Perencanaan Poros dengan beban Puntir dan Lentur �

Lanjutan �

Lanjutan �

Perencanaan Poros dengan Beban Lentur dan Puntir

Contoh Soal � Sebuah poros ditumpu oleh 2 buah bantalan pada jarak 1 m. Dua buah puli sabuk Vdipasang pada jarak 300 mm dan 200 mm dari masing-masing bantalan, dimana gaya mendatar dan gaya tegak pada sabuk V adalah seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 1. 6. Hitunglah diameter poros yang diperlukan untuk menerukan daya sebesar 18 k. W pada 300 rpm. Bahan poros diambil S 30 C. Jika defleksi puntiran dibatasi sampai 1 derajat, berapa besar diameter poros yang dipandang cukup? . Jika berat puli sabuk 1 adalah 25 kg, puli sabuk 2 adalah 20 kg dg masa jenis = 7860 kg/m 3. Berapa kecepatan kritis poros? Apakah poros dalam contoh ini cukup aman

Jawaban �