A. TINJAUAN UMUM
Gandar (berputar atau diam) atau poros adalah untuk menopang bagian mesin yang diam, berayun atau berputar, tetapi tidak menderita momen putar dan denga demikian tegangan utamanya adalah tekukan (bending). Gandar pendek juga disebut sebagai baut. Bagian yang berputar dalam bantalan dari gandar (dan poros) disebut tap.
Poros (keseluruhannya berputar) adalah untuk mendukung suatu momen putar dan mendapat tegangan puntir dan tekuk.
Menurut arah memanjangnya (longitudinal) maka dibedakan poros yang bengkok (poros engkol) terhadap poros lurus biasa, sebagai poros pejal atau poros berlubang, keseluruhannya rata atau dibuat mengecil. Menurut penampang melintangnya disebutkan sebagai poros bulat dan poros profil (contohnya dengan profil alur banyak dan profil – K). Disamping itu dikenal juga poros engsel, poros teleskop, poros lentur, dan lain-lain.
Persyaratan khusus terhadap design dan pembuatan adalah sambunagn dari poros dan naf serta poros dengan poros.
Pembuatan poros sampai diameter 150 mmadalah dari baja bulat (St 42, St 50, St 70 dan baja campuran) yang diputar atau ditarik.Dari lebih tebal ditempa menjadi jauh lebih kecil. Poros beralur diakhiri dengan penggosokan, dalam hal dikehendaki bulatan yang tepat. Tempat bantalan dan peralihan menurut persyaratan diputar halus digosok, dipoles, dicetak dan pada pengaretan tinggi kemudian dikeraskan.
Pemilihan bahan poros selain diarahkan menurut beban yang dikenakan dan kekakuan bentuk yang diperlukan juga menurut kondisi pemasangannya, contohnya pada poros rituel yang bahannya dipilih setelah untuk roda giginya. Pada bantalan luncur maka keausan dan sifat putaran darurat memegang perangkat, tetapi pemuaian dan nilai pukulan takikan menurun (kepekaan takikan lebih tinggi).
Design pada poros diarahkan menurut bagian tetap yang mana poros atau gandar dihubungkan (bantalan, sil dan naf dari piringan atau roda yang dipasang). Sebagai gambaran maka tempat sambungan yang dibuat dengan benar yang peralihannya dibuatkan dengan baik, yaitu umumnya pada perlemahan dari berbagai pengaruh takikan.
Yang perlu diperhatikan dalam perancangan poros ini diantaranya :
1. Gandar diam dapat ditahan jauh lebih ringan daripada poros yang berputar yang diputar.
2. Poros dari baja kekuatan tinggi tidak sekaku seperti dari St.42 yang semacam itu (modulus E sama), hanya kekuatan tekuk berubah-ubah atau kekuatan torsi berubah-ubah yang lebih besar, kalau pengaruh takikan yang tajam dihindarkan.
3. Poros berlubang denagn d1 = 0,5d beratnya hanya 75%, tetapi tahanan momennya 94% dari poros pejal.
4. Poros berputar yang kencang berlubang kencang memerlukan kekuatan yang baik, bantalan yang kaku dan pembentukan yang kaku.
5. Panjang konstruksi dari mesin seringkali sangat tergantung pada panjang dari tap bantalan, naf dan sil.
Pengamanan Poros dan gandar terhadap peggeseran memanjang diperoleh melalui peralihan poros pada tempat bantalan atau cincin pengaman. Pengaman memanjang dari bantalan, naf, dan piringan dapat diperoleh seperti melalui pemutaran satu sisi, melalui mur poros atau cincin pengaman, kadang-kadang bentuk sambungan tidak meminta pengamanan memanjang (dudukan pres dan sebagainya).
Dalam penjelasan selanjutnya akan kami jabarkan secara jelas, diantaranya :
a. Fungsi Poros
Poros dalam sebuah mesin berfungsi untuk meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Setiap elemen mesin yang berputar, seperti cakara 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. Contohnya sebuah poros dukung yang berputar , yaitu poros roda keran berputar gerobak.
Untuk merencanakan sebuah poros, maka perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut.
1. Kekuatan poros
Pada poros transmisi misalnya dapat mengalami beban puntir atau lentur atau gabungan antara puntir dan lentur. Juga ada poros yangmendapatkan beban tarik atau tekan, seperti poros baling-baling kapal atau turbin.
Kelelahan tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil (poros bertangga) atau bila poros mempunyai alur pasak harus diperhatikan. Jadi, sebuah poros harus direncanakan cukup kuat untuk menahan beban-beban yang terjadi.
2. Kekakuan poros
Walaupun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup, tetapi jika lenturan dan defleksi puntirannya terlalu besar, maka hal ini akan mengakibatkan ketidaktelitian (pada mesin perkakas) atau getaran dan suara (misalnya pada turbin dan kotak roda gigi).
3. Putaran kritis
Putaran kritis terjadi jika putaran mesin dinaikkan pada suatu harga putaran tertentu sehingga dapat terjadi getaran yang terlalu besar. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagian-bagian yang lainnya. Untuk itu, maka poros harus direncanakan sedemikian rupa sehingga putaran kerjanya lebih rendah dari putaran kritis.
4. Korosi
Bahan-bahan tahan korosi harus dipilih untuk poros propeller dan pompa bila terjadi kontak dengan fluida yang korosif. Demikian pula untuk poros-poros yang terancam kavitas dan poros mesin yang sering berhenti lama.
5. Bahan poros
Bahan untuk poros mesin umum biasanya terbuat dari baja karbon konstruksi mesin, sedangkan untuk pembuatan poros yang dipakai untuk meneruskan putaran tinggi dan beban berat umumnya dibuat dari baja paduan dengan pengerasan kulit yang sangat tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja khrom nikel, baja khrom, dan baja khrom molybdenum.
b. Macam – Macam Poros
Poros sebagai penerus daya diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut:
1. Poros transmisi
Poros transmisi atau poros perpindahan mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Dalam hal ini mendukung elemen mesin hanya suatu cara, bukan tujuan. Jadi, poros ini berfungsi untuk memindahkan tenaga mekanik salah satu elemen mesin ke elemen mesin yang lain.
Dalam hal ini elemen mesin menjadi terpuntir (berputar) dan dibengkokkan. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sproket rantai, dan lain-lain.
2. Spindle
Poros tranmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindle. Syarat yang harus dipenuhi poros ini adalah deformasinya yang harus kecil, dan bentuk serta ukuranya harus teliti.
3. Gandar
Gandar adalah poros yang tidak mendapatkan beban puntir,bahkan kadang-kadang tidak boleh berputar. Contohnya seperti yang dipasang diantara roda-roda kereta barang.
c. Jenis – Jenis Bantalan
Untuk menumpu poros berbeban, maka digunakan bantalan, sehingga putaran atau gerakan bolak-balik dapat berlangsung secara halus dan tahan lama. Posisi bantalan harus kuat, hal ini agar elemen mesin dan poros bekerja dengan baik.
Berdasarkan gerakan bantalan terhadap poros, maka bantalan dibedakan menjadi dua hal berikut :
1. Bantalan luncur, dimana terjadi gerakan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan lapisan pelumas.
2. Bantalan gelinding, dimana terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti rol atau jarum.
Berdasarkan arah beban terhadap poros, maka bantalan dibedakan menjadi tiga hal berikut :
1. Bantalan radial, dimana arah beban yang ditumpu bantalan tegaklurus dengan poros.
2. Bantalan aksial, dimana arah beban bantala ini sejajar dengan sumbu poros.
3. Bantalan gelinding khusus, dimana bantalan ini menumpu beban yang arahnya sejajar dan tegak lurus sumbu poros.
Berikut ini akan kami jabarkan dari berbagai jenis bantalan diatas sebagai berikut :
1. Bantalan Luncur
Menurut bentuk dan letak bagian poros yang ditumpu bantalan. Salah satunya adalah bantalan luncur.
Adapun macam – macam bantalan luncur adalah sebagai berikut:
a. Bantalan radial, dapat berbentuk silinder, elips, dan lain-lain.
b. Bantalan aksial, dapat berbentuk engsel kerah Michel, dan lain-lain.
c. Bantalan khusus, bantalan ini lebih ke bentuk bola.
Bahan untuk bantalan luncur harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:
a. Mempunyai kekuatan cukup.
b. Dapat menyesuaikan diri terhadap lenturan poros yang tidak terlalu besar.
c. Mempunyai sifat anti las.
d. Sangat tahan karat.
e. Dapat membenamkan debu yang terbenam dalam bantalan.
f. Ditinjau dari segi ekonomi.
g. Tidak terlalu terpengaruh oleh temperatur.
2. Bantalan Aksial
Bantalan aksial digunakan untuk menahan
3. Bantalan Gelinding
Keuntungan dari bantalan ini mempunyai gesekan yang sangat kecil dibandingkan dengan bantalan luncur. Macam – macam bantalan gelinding diantaranya: Pertama. Bantalan bola radial alur dalam baris tunggal. Kedua, Bantalan bola radial magneto. Ketiga. Bantalan bola kontak sudut baris tunggal. Keempat. Bantalan bola mapan sendiribaris ganda.
d. Sambungan Poros dan Naf
Penyematan naf sebuah roda gigi, puli-sabuk, kopling, tuas, dan sebagainya pada poros dapat dilakukan dengan berbagai macam cara, antara lain dengan menggunakan pasak, pena, bus, cincin jepit, lewat kerut, pres atau lem.
1. Pasak dan sambungan Pasak
Pasak adalah suatu elemen mesin yang dipakai untuk menetapkan bagian-bagian mesin, seperti roda gigi, sprocket, puli, dan kopling pada poros. Momen diteruskan dari poros ke naf atau naf ke poros.
2. Kerut dan pres
Kedua cara penyambungan mengandung hal yang sama, yaitu bahwa penjepitan antara bagian yang dikehendaki disambung terjadi lewat perubahan bentuk elastik bagian itu sendiri. Pada penyambungan sistem ini, untuk menekan roda pada poros dapat dilakukan dengan cara memanaskan (dikerutkan) atau dapat juga menekan roda pada poros tanpa melalui pemanasan, atau dikatakan roda dipres pada poros.
B. GETARAN – GETARAN PADA POROS
Suatu fenomena yang terjadi dengan berputarnya poros pada kecepatan – kecepatan tertentu adalah getaran yang sangat tinggi, meskipun poros dapat berputar dengan baik pada kecepatan – kecepatan yang lain. Pada kecepatan – kecepatan semacam itu dimana getaran menjadi sangat besar, dapat terjadi kegagalan poros atau bantalan – bantalan. Atau getaran dapat menyebabkan kegagalan karena tidak bekerjanya komponen – komponen sesuai dengan fungsinya, seperti yang dapat terjadi pada sebuah turbin uap dimana ruang bebas antara rotor dan rumah adalah kecil. Getaran semacam ini dapat menyebabkan apa yang disebut olakan poros, atau mungkin menyebabkan suatu osilasi puntir pada poros, atau suatu kombinasidari keduanya. Meskipun kedua peristiwa itu berbeda, namun akan ditunjukkan bahwa masing – masing dapat ditangani dengan cara – cara yang serupa dengan memperhatikan frequensi pribadi dari isolasi. Karena poros – poros pada dasarnya elastik, dan menunjukkan karakteristik – karakteristik pegas.
Poros ini mengalami suatu momen punter atau momen lentur . 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 :
1. Maximum shear stress theory atau Guest’s theory
Teori ini digunakan untuk material yang dapat diregangkan (ductile), misalnya baja lunak (mild steel).
2. 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.
Secara analitis getaran yang mengakibatkan tegangan pada poros dapat dihitung secara terperinci. Misalnya, 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).
Pada Pembebanan yang berubah – ubah (fluctuating loads),Pada berbagai sumber bacaan tentang poros pembebanan tetap (constant loads) telah banyak dibahas mengenai yang terjadi pada poros dan ternyata pembebanan semacam ini divariasikan apapun akan tetap konstan sehingga pembebanan seperti apapun tidak menjadi masalah, dengan asumsi masih dibawah tegangan luluhnya (yield). Dan dari segi lain pada kenyataannya bahwa poros 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.
C. PERANCANGAN BAHAN POROS
Pada perancangan bahan poros ini terdapat perlakuan panas. Perlakuan panas adalah proses pada saat bahan dipanaskan hingga suhu tertentu dan selanjutnya didinginkan dengan cara tertentu pula. Tujuannya adalah untuk mendapatkan sifat-sifat yang lebih baik dan yang diinginkan sesuai dengan batas-batas kemampuannya. Sifat yang berhubungan dengan maksud dan tujuan perlakuan panas tersebut meliputi:
1. Meningkatnya kekuatan dan kekerasannya.
2. Mengurangi tegangan.
3. Melunakkan .
4. Mengembalikan pada kondisi normal akibat pengaruh pengerjaan
sebelumnya.
5. Menghaluskan butir kristal yang akan berpengaruh terhadap keuletan
bahan.
Untuk proses pembuatan poros dengan melakukan hardening permukaan. Pemanasan poros ini dilakukan di atas suhu transformasi fase dan selanjutnya didinginkan dengan cepat sekali pada suhu kamar. Sehingga terbentuk suatu fase yang stabil pada suhu tinggi, pengerasan dengan cara ini mengakibatkan terbentuknya susunan yang tidak stabil. Tetapi inilah yang membuat elemen poros ini tidak mudah aus tergerus oleh gesekan yang ada.
Untuk mendapatkan sifat-sifat bahan untuk poros yang lebih baik sesuai dengan karakter yang diinginkan dapat dilakukan melalui pemanasan dan pendinginan. Tujuannya adalah mengubah struktur mikro sehingga bahan dikeraskan, dimudahkan atau dilunakan. Pemanasan bahan dilakukan diatas garis transformasi kira-kira pada 770 derajat C sehingga perlit yang ada pada bakal poros itu berubah menjadi austenit yang homogen karena terdapat cukup karbon. Pada suhu yang lebih tinggi ferrit menjadi austenit karena atom karbon difusi ke dalam ferrit tersebut. Untuk pengerasan baja, pendinginan dilakukan dengan cepat melalui pencelupan kedalam air, minyak atau bahan pendingin lainnya sehingga atom-atom karbon yang telah larut dalam austenit tidak sempat membentuk sementit dan ferrit akibatnya austenit menjadi sangat keras yang disebut martensit. Pada baja setelah terjadi austenit dan ferrit kadar karbonya akan menjadi makin tinggi sesuai dengan penurunan suhu dan akan membentuk hipoeutektoid. Pada saat pemanasan maupun pendinginan difusi atom karbon memerlukan waktu yang cukup. Laju difusi pada saat pemanasan ditentukan oleh unsur-unsur paduanya dan pada saat pendinginan cepat austenit yang berbutir kasar akan mempunyai banyak martensit. Austenit serta martensit inilah yang nantinya akan menjadi sumber kekerasan luar dari poros
