Teori Mekanik Power Screw

Power Screw adalah perangkat yang digunakan dalam mesin untuk mengubah gerakan sudut menjadi gerak linear, dan, biasanya untuk mentransmisikan daya. Aplikasi yang familiar dari alat ini adalah sekrup utama mesin bubut, dan sekrup pada vises, pengepres, dan dongkrak.

Kesetimbangan Gaya

Diagram Gaya Power Screw saat menaikkan beban dan menurunkan beban.

Gambar diatas adalah power screw ulir persegi dengan ulir tunggal memiliki rata-rata diameter d_m , pitch p, sudut lead λ , dan sudut heliks ψ yang dibebani oleh gaya tekan sumbu aksial F. Untuk menaikkan beban, gaya P_R bekerja ke kanan (Gambar a), dan untuk menurunkan beban, P_L bekerja ke kiri (Gambar b). Gaya gesekan adalah hasil kali koefisien gesekan f dengan gaya normal N, dan bertindak untuk melawan gerakan. Sistem dalam keadaan setimbang pada aksi gaya-gaya ini. Kesetimbangan gaya untuk menaikkan beban adalah

ΣF_x = P_R – N sin λ – f N cos λ = 0
ΣF_y = -F – f N sin λ + N cos λ = 0

Sementara untuk menurunkan beban kesetimbangan gayanya dapat dirumuskan menjadi

ΣF_x = – P_L – N sin λ + f N cos λ = 0
ΣF_y = – F + f N sin λ + N cos λ = 0

Beban dan Torsi

Kita dapat menghilangkan N dari masing-masing rumus untuk mencari beban P. Beban naik dapat dirumuskan menjadi

P_R = [F (sin λ + f cos λ)] / (cos λ – f sin λ) ; sedangkan untuk beban turun P_L = [F (f cos λ – sin λ)] / (cos λ + f sin λ)

Selanjutnya, bagi pembilang dan penyebut persamaan ini dengan cos λ dan gunakan hubungan tan λ = l / πd_m . Lalu rumus di atas menjadi

P_R = {F [ (l/πd_m) + f ]} / [1 – (fl/πd_m)] dan P_L = {F [f – (l/πd_m)]} / [1 + (fl/πd_m)]

Akhirnya, perhatikan bahwa torsi adalah produk dari gaya P dan jari-jari rata-rata d_m/2, untuk menaikkan beban kita bisa merumuskan menjadi

T_R = (Fd_m/2) [(l + fπd_m) / (πd_m – fl)]

di mana T_R adalah torsi yang diperlukan untuk dua tujuan: untuk mengatasi gesekan ulir dan untuk menaikkan beban. Torsi yang diperlukan untuk menurunkan beban adalah

T_L = (Fd_m/2) [(fπd_m – l) / (πd_m + fl)]

Self-locking Conditions

Jika torsi penurun negatif, beban akan menurunkan dirinya sendiri dengan menyebabkan sekrup berputar tanpa gaya eksternal. Jika torsi penurun positif, sekrup mengunci sendiri (self-locking) atau fπd_m > 1. Sekarang bagi kedua ruas pertidaksamaan ini dengan d_m . Karena l/πd_m = tan λ, kita dapatkan f > tan λ. Relasi ini menyatakan bahwa self-locking diperoleh setiap kali koefisien gesekan ulir sama atau lebih besar dari tangen sudut ujung ulir (lead).

Efisiensi Power Screw

Efisiensi juga berguna dalam evaluasi power screw. Jika kita membiarkan f = 0 dalam Persamaan T_R, kita peroleh

T₀ = Fl/2π

karena gesekan ulir telah dihilangkan, torsi yang diperlukan hanya untuk menaikkan muatan. Oleh karena itu, efisiensinya adalah

e = T₀/T_R = Fl/2πT_R

Gesekan Pada Collar

Biasanya komponen torsi ketiga harus diterapkan dalam aplikasi power screw. Ketika sekrup dimuat secara aksial, bantalan dorong atau collar (kerah ulir) harus digunakan antara komponen yang berputar dan komponen stasioner untuk memikul komponen aksial. Gambar di atas menunjukkan collar dorong khas di mana beban diasumsikan terkonsentrasi di diameter collar rata-rata d_c. Jika f_c adalah koefisien gesekan collar, torsi yang dibutuhkan adalah

Tc = Ff_cd_c/2

Untuk collar besar, torsi mungkin harus dihitung dengan cara yang mirip dengan disk clutch.

Tegangan Pada Power Screw

Geometri ulir persegi berguna dalam menemukan bending dan tegangan geser transversal pada akar ulir.

Tegangan bodi nominal pada power screw dapat dikaitkan dengan parameter ulir sebagai berikut. Tegangan geser nominal maksimum dalam torsi pada sekrup dapat dinyatakan sebagai

τ = 16T/ πd³

Tegangan aksial pada badan sekrup akibat beban F adalah

σ = F/A = 4F/ πd_r²

Desain power screw dengan FEA

umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin tegangan kontak pada power screw adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA). MSC Nastran adalah software FEA original pertama di dunia yang banyak sekali digunakan di berbagai industri, salah satunya untuk mendesain power screw. Pelajari selengkapnya tentang MSC Nastran.

PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!

Sumber:

Budynas, Richard G dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design: Ninth Edition. Amerika Serikat: The McGraw-Hill Companies, Inc.