desain tegangan shaft (poros)

/0 Comments/in /by

Dalam proses transmisi daya pada kecepatan rotasi tertentu, poros secara inheren mengalami momen puntir, atau torsi. Dengan demikian, tegangan geser puntir (torsional) muncul di poros. Poros dapat dikenai berbagai kombinasi beban aksial, lentur dan torsional yang dapat berfluktuasi atau bervariasi terhadap waktu. Biasanya daya transmisi poros yang berputar dikenai torsi konstan bersama-sama dengan beban tekuk yang sepenuhnya terbalik, masing-masing menghasilkan tegangan puntir rata-rata dan tegangan tekuk bolak-balik.

Tidak perlu mengevaluasi tegangan pada poros di setiap titik; beberapa berpotensi lokasi kritis sudah cukup. Lokasi kritis biasanya berada di permukaan luar, di lokasi aksial di mana momen lentur besar, di mana torsi hadir, dan dimana konsentrasi tegangan ada. Dengan perbandingan langsung dari berbagai titik di sepanjang poros, beberapa lokasi kritis dapat diidentifikasi sebagai dasar desain.

Biasanya torsi masuk ke poros di satu gigi dan meninggalkan poros di gigi lain. Diagram benda bebas dari poros akan memungkinkan torsi pada setiap bagian ditentukan. Torsi sering relatif konstan pada operasi kondisi tunak (steady). Tegangan geser akibat torsi akan paling besar pada permukaan luar.

Momen lentur (bending) pada poros dapat ditentukan dengan shear dan bending moment diagram. Karena sebagian besar masalah poros menggabungkan roda gigi atau puli yang memasukkan gaya ke dalam dua bidang, diagram momen geser dan lentur umumnya akan diperlukan dalam dua bidang. Momen yang dihasilkan diperoleh dengan menjumlahkan momen sebagai vektor di titik-titik penting di sepanjang poros.

Shear Force Diagram (SFD) dan Bending Moment Diagram (BMD)

Contoh:

Free Body Diagram Poros. Sumber: https://roymech.org/Useful_Tables/Drive/Shaft_design.html
SFD dan BMD. Sumber: https://roymech.org/Useful_Tables/Drive/Shaft_design.html

Persamaan Dasar

Persamaan sederhana di bawah ini terkait dengan perkiraan torsi yang dihasilkan dari daya yang ditransmisikan dan tegangan geser permukaan yang dihasilkan dari torsi yang ditransmisikan.

  • Sy = Tensile yield strength (N/m2)
  • Ssy = Shear yield strength (N/m2)
  • T = Torsi Poros (Nm)
  • P = Daya yang ditransmisikan (kW)
  • n = RPM ( revs/min )
  • D = Diameter poros (m)
  • T = Torsi (N.m)
  • M = Momen bending (N.m)
  • I = Momen Inersia
  • KM = Faktor fatigue kejut. (Momen)
  • Kt = Shock / fatigue factor. (Torsi)
  • σ = Tegangan langsung (N/m2)
  • σx ,y, z = Tegangan pada sumbu x ,y and z (N/m2)
  • σ1 ,2, 3 = Principal Stresses (N/m2)
  • τ = Tegangan geser (N/m2)
  • τxy = Tegangan geser pada bidang xy (N/m2)
  • ω = Kecepatan sudut (rads/s)
  • θ = Defleksi sudut (rads)

T = P.1000/ω = (P.1000.60)/(2.pi.n) = P.9549/n

Untuk poros padat yang mengalami torsi dan momen lentur: τ = 16 T / π D3 ; σ = M.r/I = 32M/ π D3

Ini sangat relevan dengan logam ulet. Rumus ini konservatif dan relatif mudah diterapkan. Diasumsikan bahwa kegagalan terjadi ketika tegangan geser maksimum mencapai nilai tertentu. Nilai ini menjadi nilai kekuatan geser pada saat keruntuhan pada uji tarik. Dalam hal ini, tepat untuk memilih titik hasil sebagai kegagalan praktis. Jika titik luluh = Sy dan ini diperoleh dari uji tarik dan dengan demikian merupakan tegangan utama tunggal maka tegangan geser maksimum Ssy mudah diidentifikasi sebagai Sy /2 .

Ssy = Sy /2
Tegangan Geser Maksimal =  τ max = ( σ1 – σ2 ) / 2    ;    ( σ2 – σ3 ) / 2   ;    ( σ1 – σ3 ) / 2   =     ( σ1 – σ3 ) / 2

Factor of Safety = FoS = Sy / ( 2 . τ max )    =   Sy / ( σ1 – σ3 )

Perhitungan tegangan dengan FEA

Untuk mendesain struktur yang kompleks dengan detail dan interaksi beban yang rumit seperti pada kasus shaft, salah satu cara yang paling umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin critical speed 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 poros. 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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

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

https://roymech.org/Useful_Tables/Drive/Shaft_design.html (diakses pada tanggal 29 November 2021)

shaft layout (tata letak poros)

/0 Comments/in /by

Di awal desain, Engineer perlu menentukan tata letak pada poros. Engineer perlu memutuskan di mana semua roda gigi, bantalan, puli, dll akan bersentuhan dengan poros. Kemudian engineer perlu menentukan jenis beban apa yang akan diletakkan objek pada poros. Setelah melakukan ini, free body diagram dibuat untuk melihat bagaimana gaya akan berinteraksi sebagai penentu di mana tegangan dan perpindahan maksimum akan terjadi. Ini juga akan memungkinkan untuk membuat diagram geser dan momen, yang kemudian dapat digunakan untuk menentukan tegangan geser dan tegangan lentur pada setiap titik pada balok.

Biasanya, geometri poros adalah silinder bertingkat. Ini akan membantu memposisikan komponen. Ini juga akan membantu mendukung komponen ketika ada gaya aksial akibat beban dorong. Contoh komponen yang akan menghasilkan beban dorong adalah roda gigi cacing. Profil bertingkat poros hanya akan menahan komponen di satu sisi. Jika perlu menahan kedua sisi harus ditopang dengan cincin penahan, spacer, atau klem untuk menahan komponen di kedua sisi. Dengan memiliki komponen yang mendukung dengan kuat tidak hanya membantu penyelarasan, tetapi juga dapat membantu mengurangi getaran dan suara bising dari komponen saat sedang beroperasi.

a) Vertical worm-gear speed reducer dan b) contoh konfigurasi poros bertingkat. Sumber: Buku Shigley’s Mechanical Engineering Design (2011).

Tata Letak Aksial (Sumbu) Poros

Penempatan komponen aksial sering ditentukan oleh tata letak housing dan komponen penyambung lainnya. Secara umum, yang terbaik adalah komponen pendukung pembawa beban antara bantalan daripada bantalan tempel kantilever. Katrol dan sproket sering kali perlu dipasang di luar untuk kemudahan pemasangan sabuk atau rantai. Panjang kantilever harus tetap pendek untuk meminimalkan defleksi.

Hanya dua bantalan yang harus digunakan dalam banyak kasus. Untuk membawa poros yang sangat panjang beberapa komponen bantalan mungkin perlu menyediakan lebih dari dua bantalan pendukung. Dalam hal ini, perhatian khusus harus diberikan pada penyelarasan bantalan.

Poros harus dijaga tetap pendek untuk meminimalkan momen lentur dan defleksi. Beberapa ruang aksial antara komponen diinginkan untuk memungkinkan aliran pelumas dan untuk menyediakan ruang akses untuk pembongkaran komponen dengan penarik. Komponen bantalan beban harus ditempatkan di dekat bantalan, sekali lagi untuk meminimalkan momen lentur di lokasi itu mungkin memiliki konsentrasi tegangan, dan untuk meminimalkan defleksi pada komponen pembawa beban.

Tata Letak Transmisi Torsi Poros

Sebagian besar poros berfungsi untuk mentransmisikan torsi dari roda gigi input atau katrol, melalui poros, ke roda gigi atau katrol keluaran. Tentu saja, poros itu sendiri harus berukuran untuk mendukung tegangan puntir dan defleksi torsi. Juga perlu menyediakan sarana untuk mentransmisikan torsi antara poros dan roda gigi. Elemen transfer torsi yang umum adalah:

  • Keys (pasak)
  • Splines
  • Setscrews (sekrup)
  • Pins
  • Press atau Shrink Fit
  • Tapered Fit

Selain mentransmisikan torsi, banyak dari perangkat ini dirancang untuk gagal jika torsi melebihi batas operasi yang dapat diterima supaya melindungi komponen yang lebih mahal.

Salah satu cara yang paling efektif dan ekonomis untuk mentransmisikan torsi tingkat sedang hingga tinggi adalah melalui key (pasak) yang sesuai dengan alur masuk poros dan roda gigi. Komponen berpasak umumnya memiliki selip yang pas ke poros, jadi perakitan dan pembongkarannya mudah. Pasak menyediakan untuk orientasi sudut positif dari komponen, yang berguna dalam kasus sudut fase penting ditinjau.

Akhirnya, ingat selama desain, selalu penting untuk memikirkan bagaimana merakit dan membongkar komponen ke dalam dan ke luar poros. Umumnya, komponen yang dipasang di tengah poros memiliki diameter hub yang lebih besar yang akan semakin mengecil menjelang ujung poros. Jika poros memerlukan bahu di setiap sisi komponen, poros perlu menggunakan semacam cincin penahan atau penjepit. Terakhir, jika poros menggunakan komponen yang dipasang dengan press fit, toleransi harus diperhatikan.

Desain tata letak poros dengan FEA

Untuk mendesain struktur yang kompleks dengan detail dan interaksi beban yang rumit seperti pada kasus shaft, salah satu cara yang paling umum digunakan untuk melakukan analisis baik untuk menghitung tegangan, defleksi, fatigue, atau mungkin critical speed untuk menentukan layout yang paling optimal 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 poros. 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!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA !

Kontributor : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

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

https://sbainvent.com/mechanical-design/mechanical-design-of-a-shaft/ (diakses pada tanggal 26 November 2021)

Engine Bearing (Bantalan Mesin)

/0 Comments/in /by

Sebagian besar mesin (engine) memiliki komponen poros yang berputar terus menerus sehingga mampu menggerakan sistem. Perlu adanya komponen pengaman agar poros berputar secara sempurna dan menghindarkan poros dari kerusakan. Oleh karena itu, bearing (bantalan) dipasang pada setiap poros mesin.

Bearing adalah komponen elemen mesin yang menopang poros dan bagian sekitarnya untuk mempertahankan keakuratan putaran poros serta mengurangi gesekan dan keausan poros dan komponen lainnya. Pengembangan bearing adalah salah satu langkah paling revolusioner dalam pengembangan mesin di dunia. Bearing pertama kali dirancang oleh Leonardo da Vinci.

Jenis-jenis Bearing

Jenis-jenis bearing. Sumber: www.sail-world.com

Plain: Memiliki permukaan yang halus serta padat dan berbentuk seperti selotip. Poros akan berputar pada pusat bearing. Cocok digunakan pada RPM dan beban tinggi.

Ball: Bola bola kecil memiliki sedikit kontak antar permukaan, sehingga menghasilkan gesekan yang rendah. Namun, permukaan bola dapat berubah bentuk di bawah beban yang lebih berat dan mengakibatkan kemacetan. Cocok digunakan pada beban dan RPM rendah.

Roller: Tabung kecil yang disusun di sekitar bagian tengah bearing. Roller aus lebih cepat daripada ball bearing tetapi dapat membawa beban lebih tinggi karena memiliki area kontak yang lebih tinggi.

Material Penyusun Bearing

Metal (Logam) : Cocok digunakan pada beban tinggi, RPM tinggi, dan temperatur kerja yang sangat tinggi.

  • Paduan tembaga
  • Paduan aluminium
  • Besi cor
  • Stainless steel
  • Baja karbon

Non-metal (Non-logam) : Cocok digunakan pada beban rendah, RPM rendah, dan temperatur rendah.

  • Plastik
  • Karbon-grafit
  • Karet
  • Kayu

Salah satu masalah utama bearing adalah gesekan. Gesekan yang meningkat menyebabkan putaran poros melambat dan operasi yang tidak efisien. Hal ini juga dapat menyebabkan kerusakan pada mesin karena seringnya logam ke logam bersentuhan antar permukaan.

Gesekan dapat diatasi dengan penggunaan pelumas, tetapi bahkan pelumas bukanlah solusi yang sangat efisien. Pelumas yang sesuai harus digunakan agar sesuai dengan aplikasi tertentu, atau tidak akan efektif. Selain itu, pelumas membutuhkan penggantian yang sering dan pembuangan harus dilakukan dengan benar untuk menghindari kontaminasi lingkungan.

>>KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL TEKNIK UMUM LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

aeroengineering services merupakan layanan dibawah CV. Markom dengan solusi terutama CFD dan FEA.

Sumber:

https://www.tribonet.org/wiki/engine-bearing/ (diakses pada tanggal 19 April 2021)

https://www.sail-world.com/news/207631/Difference-between-Plain-Ball-and-Roller-Bearings (diakses pada tanggal 19 April 2021)

Qiu, Meng, Long Chen, Yingchun Li, Jiafei Yan. 2017. Bearing Tribology: Principles and Applications. Beijing: National Defense Industry Press, Beijing and Springer-Verlag Berlin Heidelberg