desain tegangan shaft (poros)

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:

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.

• S_y = Tensile yield strength (N/m²)
• S_sy = 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
• K_M = Faktor fatigue kejut. (Momen)
• K_t = Shock / fatigue factor. (Torsi)
• σ = Tegangan langsung (N/m²)
• σ_{x ,y, z} = Tegangan pada sumbu x ,y and z (N/m²)
• σ_{1 ,2, 3} = Principal Stresses (N/m²)
• τ = Tegangan geser (N/m²)
• τ_xy = 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 .

S_sy = S_y /2
Tegangan Geser Maksimal =  τ _max = ( σ₁ – σ₂ ) / 2    ;    ( σ₂ – σ₃ ) / 2   ;    ( σ₁ – σ₃ ) / 2   =     ( σ₁ – σ₃ ) / 2

Factor of Safety = FoS = S_y / ( 2 . τ _max )    =   S_y / ( 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.

>>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL TENTANG MANUFAKTUR DAN MATERIAL 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)

Author: admin