## ANALISA KEGAGALAN POROS DENGAN PENDEKATAN METODE ELEMEN HINGGA
Jatmoko Awali, Asroni
Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Metro Jl. Ki Hjar Dewantara No. 116 Kota Metro E-mail : asroni49@yahoo.com

## ABSTRAK
Poros  bekerja  dengan  menerima  beban  berupa  lentur,  tarikan,  tekan  dan  puntiran.  Berdasarkan pembebanannya  poros  dibedakan  dalam  beberapa  macam,  diantaranya  poros  transmisi,  gandar,  poros  spindel. Pada  poros  transmisi  biasa  dikenal  dengan  sebutan  shaft.  Shaft    akan  mengalami  beban  puntir  berulang,  beban lentur  ataupun  keduanya.  Pada  shaft  daya  ditransmisikan  melalui  pulley.  didapatkan  beberapa  nilai  diantaranya ialah, safety factor, tegangan geser maksimum, dan von mises sebelum terjadi kegagalan pada momen torsi sebesar 1600 Nm. dan Semakin tinggi momen torsi yang diberikan maka  nilai safety factor yang dihasilkan semakin rendah yaitu  sebesar  0,74  dimana  nilai  awal  sebesar  1,49,  hal  ini  menjelaskan  bahwa  beban  torsi  yang  diterima  akan mempengaruhi kegagalan poros tersebut.
Kata kunci : Poros, von mises, Safety Factor

## PENDAHULUAN
Poros  adalah  suatu  bagian  stasioner  yang beputar,  biasanya  berpenampang  bulat  dimana terpasang  elemen-elemen  seperti  roda  gigi ( gear ), pulley,  flywheel ,  engkol, sprocket dan elemen  pemindah  lainnya.  Poros  inin  bekerja dengan  menerima  beban  berupa  lentur,  tarikan, tekan dan puntiran. Berdasarkan pembebanannya poros  dibedakan  dalam  beberapa  macam, diantaranya  poros  transmisi,  gandar,  poros spindel.  Pada  poros  transmisi  biasa  dikenal dengan  sebutan  shaft.  Shaft    akan  mengalami beban  puntir  berulang,  beban  lentur  ataupun keduanya.  Pada  shaft  daya  ditransmisikan melalui pulley.
Pulley dapat digunakan untuk mentransmisikan  daya  dari  poros  satu  ke  poros yang lain, dalam suatu perencanaan ada beberapa hal  yang  harus  diperhatiakan,  yaitu  kekuatan poros,  kekakuan  poros,  putaran  poros,  putaran kritis, korosi, material poros.
Pada Kekuatan poros akan terjadi pada jenis Poros  transmisi  dimana  akan  menerima  beban puntir  (twisting  moment),  beban  lentur  (bending moment)  ataupun  gabungan  antara  beban  puntir dan  lentur.  Dalam  perancangan  poros  perlu memperhatikan  beberapa  faktor,  misalnya  : kelelahan,  tumbukan  dan  pengaruh  konsentrasi tegangan  bila  menggunakan  poros  bertangga
ataupun  penggunaan  alur  pasak  pada  poros tersebut.  Poros  yang  dirancang  tersebut  harus cukup  aman  untuk  menahan  beban-beban tersebut.
Salah  satu  alternatif  untuk  melakukan  suatu perhitungan  dan  dibandingkan  dengan  kondisi nyata  adalah  melalui  simulasi  komputer.  Hal  ini merupakan  jenis  penelitian,  sehingga  dapat dikembangkan  terus  sebelum  dibuat  pada  benda kerja  sebenarnya.  Simulasi  dapat  mengetahui daerah yang akan terjadi tegangan puntir terbesar pada poros hasil distribusi daya dari pulley.
Permodelan  tiga  dimensi  menggunakan finite  element  method  dapat  digunakan  untuk mengetahui  distribusi  moment  torsi,  von  mises, tegangan  geser  maksimum  yang  terjadi  pada poros.

## LANDASAN TEORI Poros
Poros  merupakan  salah  satu  bagian  yang terpenting  dari  setiap  mesin.  Hampir  semua mesin  meneruskan  tenaga  bersama  –  sama dengan putaran utama dalam transmisi seperti itu dipegang  oleh  poros.  Dalam  aplikasinya  perlu diperhatikan  beberapa  hal  dalam  merencanakan sebuah poros diantaranya adalah :
1. Kekuatan Poros
Suatu  poros  transmisi  dapat  mengalami beban  puntir  atau  lentur  gabungan  antara puntir  dan  lentur.  Juga  ada  poros  yang mendapat  beban  tarik  atau  tekan  seperti potos baling-baling kapal atau turbin.
2. Kekakuan Poros Meskipun  sebuah  poros  mempunyai kekuatan  yang  cukup  tinggi  tetapi  jika lenturan atau defleksi puntirnya terlalu besar akan  mengakibatkan  ketidaktelitian,  atau menimbulkan getaran dan suara.
3. Putaran Kritis Bila putaran suatu mesin dinaikkan maka pada  suatu  harga  putaran  tertentu  dapat terjadi  getaran  yang  luar  biasa  besarnya.
Putaran ini disebut dengan putaran kritis.
4. Korosi Bahan-bahan  tahan  korosi  harus  dipilih untuk  propeler  dan  pompa  bila  terjadi kontak dengan media yang korosif. Demikia pula untuk poros yang terancam kavitasi dan poros mesin yang sering berhenti lama.

## Tegangan Geser
Tegangan  geser  terjadi  jika  suatu  benda bekerja  dengan  dua  gaya  yang  berlawanan  arah, tegak  lurus  sumbu  batang,  tidak  segaris  gaya namun pada penampangnya tidak terjadi momen. Tegangan  ini  banyak  terjadi  pada  konstruksi. Misalnya:  sambungan  keling,  gunting,  dan sambungan baut.
Dalam  aplikasinya  tegangan  geser  dapat dibedakan  berdasarkan  jenis  gaya  yang  bekeja pada elemen yaitu :
1. Tegangan geser langsung 2. Tegangan geser puntir
Pada  poros  tegangan  yang  terjadi  yaitu tegangan geser  puntir  yang  nilainya  akan  bervariasi tergantu beban yang diterima.

## Von Mises
Tegangan efektif Von Mises (σ‘) didefinisikan sebagai  tegangan  tarik  uniaksial  yang  dapat menghasilkan  energi  distorsi  yamg  sama  dengan yang  dihasilkan  oleh  kombinasi  tegangan  yang bekerja.
Kegagalan akan terjadi bila :
σ‘ ≥
S y = Tensile Yield Strength N s = Safety Factor

## Tegangan Puntir
Sebuah  poros  mendapat  pembebanan  utama berupa  momen  puntir,  seperti  poros  motor,  dan kopling. Berikut adalah perhitungan dari tegangan  puntir  dengan  perubahan  moment  torsi dengan diameter poros yang ditentukan.
(Mpa) (Nm)
Ds 2 = Diameter Poros (m)

## Safety Factor
Faktor Keamanan (Safety factor) adalah faktor yang digunakan untuk méngevaluasi  agar  perencanaan  elemen  mesin terjamin  keamanannya  dengan  dimensi  yang minimum [2] .
⁄
= Safety Factor
Ys = Kekuatan tarik benda kerja (Mpa) = Tegangan geser maksimum (Mpa)
Dalam  perhitungan  nilai  kegagalan  tegangan puntir  dengan  syarat  bila Tensile  Yield  Strength Material lebih  rendah  dibandingkan  dengan  nilai von  mises  per  safety  factor,  maka  dapat disimpulkan pada persamaan berikut :
S y Material > τ l ( Von Mises / Safety Factor )

## METODOLOGI Diagram Alir
Untuk  mengetahui  hubungan  moment  torsi terhadap  tegangan  geser  maksimum  dan  von mises  yang  terjadi  dengan  simulasi  komputer dilakukan dengan memodelkan momen torsi yang terjadi  pada  poros  dengan  memanfaatkan software  berbasis  metode  elemen  hingga. Langkah  -  langkah  yang  dilakukan  dijelaskan oleh diagram alir pada gambar1.
Gambar 1 : Diagram Alir

## Variabel
Variabel  yang  digunakan  dalam  penelitian ini adalah:
1. Variabel bebas : Moment Torsi (Nm) : (1000 Nm, 1200 Nm, 1300 Nm, 1400 Nm, 1500 Nm, 1600 Nm, 1700 Nm, 1800 Nm, 1900 Nm, 2000)
2. Variabel terikat : Variabel  terikat  dalam  penelitian  ini  adalah Tegangan geser maksimum, Von mises .

## Spesifikasi Material Benda Kerja
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah Structural  Steel dengan  geometri  pada gambar berikut.
Gambar 2 : Dimensi benda kerja Sifat mekanik material uji : Densitas = 7.85 g/cc Kekuatan tarik  = 250 MPa Modulus Young = 200000 Mpa Elongation = 28 % Poisson’s ratio  = 0,3 Pemodelan Pulley & Poros Geometri dan Mesh
Pemodelan pulley dan  poros  secara  3 dimensi,  pada  permodelan  ini  pemodelan pulley dan  poros  menjadi  satu  tanpa  penggabungan. Pembagian  geometri  menjadi  lebih  kecil  biasa disebut mesh dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 3 : Permodelan dan pola meshing benda kerja
Gambar  3  pada  pemodelan  (atas)  dan  pola meshing  (bawah)  pada  pemrograman  ansys sebelum  dilakukannya  pemberian  beban  torsi maka  perlu  yang  pembagian  elemen  atau meshing. semakin kecil pembagiannya maka nilai yang  didapatkan  pada  saat  proses  solver  selesai semakin akurat.

## Pemberian Moment Torsi
Pada  proses  simulasi  ada  beberapa  tahap sehingga mendekati dengan permasalahan sebenarnya,  pada  poros  akan  terjadi  beban  torsi yang  ditransmisikan  oleh pulley ,  moment  torsi terjadi pada seluruh bagian pulley , sehingga dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 4 : Daerah pembebanan moment torsi (merah) dan Daerah arah pembebanan (hijau)

## Tumpuan Poros
Poros  yang  bekerja  setelah  menerima putaran  dari pulley harus  dapat  berputar  pada sumbunya,  sehingga  diperlukan  yang  nama tumpuan berupa bearing, oleh karena itu tumpuan harus  dapat  disimulasikan  berdasarkan  kondisi sebenarnya,  berikut  tumpuan  yang  terjadi  pada poros dapat dilihat pada gambar 5 :
Gambar 5 : Daerah tumpuan pada poros (biru) Pada  pemodelan  dengan  menggunakan software ANSYS daerah tumpuan biasa dijelaskan  dengan  nama fixed  support atau tumpuan diam.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan dengan  variasi  momen  torsi,  didapatkan  hasil tegangan geser maksimum, von mises , yang dapat dilihat pada tabel1.
Tabel 1 Tegangan geser maksimum dan von mises
Dari  tabel  1  memperlihatkan  nilai  tegangan geser  maksimum  dan von  mises ,  hal  ini menjelaskan  bahwa  semakin  meningkatnya moment  torsi  yang  diterima  poros  maka  akan semakin  meningkat  pula  nilai  tegangan  geser maksimun  dan von  mises nya,  nilai  tegangan tertinggi  yaitu  pada  2000  Nm  adalah  167,89 MPa,  dan  290,79  Mpa  yang  semula  pada  1000 Nm  hanya  menampilkan  nilai  83,94  MPa  dan 145,4 MPa.
Gambar 6 Pengaruh momen Torsi terhadap tegangan geser maksimum dan von mises
Grafik pada gambar 6 menunjukan kenaikan nilai  tegangan  geser  maksimum  dan von  mises , nilai  terus  menigkat  karena  beban  yang  terus diberikan.
No Moment Torsi (N m) Maksimum Shear Stress (Mpa) Von Mises (Mpa) 1 1000 83.94 145.4 2 1100 92.339 159.94 3 1200 100.73 174.48 4 1300 109.13 189.12 5 1400 117.52 203.56 6 1500 125.92 218.09 7 1600 134.31 232.63 8 1700 142.71 247.17 9 1800 151.1 261.71 10 1900 159.5 276.25 11 2000 167.89 290.79

## Safety factor
Dengan  menggunakan  rumus  sebelumnya dapat diketahui nilai safety factor pada tabel 2.
Tabel 2. Nilai safety factor
No Moment Torsi (N m) Safety Factor 1 1000 1.49 2 1100 1.35 3 1200 1.24 4 1300 1.15 5 1400 1.06 6 1500 0.99 7 1600 0.93 8 1700 0.88 9 1800 0.83 10 1900 0.78 11 2000 0.74
Tabel  safety  factor  menjelaskan  bahwa moment  torsi  berbanding  terbalik,  dimana semakin  meningkatnya  beban  yang  diterima makan  akan  menurunkan  nilai  safety  factor.  Hal ini  terjadi  karena  juga  semakin  meningkatnya tegangan  geser  maksimum  (tabel  1),  sehingga menyebabkan  nilai  kegagalan  yang  terjadi  akan semakin besar.

## Data dan perhitungan kegagalan poros.
Perhitungan  data  dilakukan  untuk  mencari nilai Safety  factor ,  tegangan  puntir  perhitungan manual, dan tegangan puntir hasil simulasi dibagi dengan safety factor .
Tabel 3 Hasil Ansys (MPa) / Safety Factor
No Hasil Ansys (MPa) / Safety Factor 1 97.64 2 118.15 3 140.60 4 165.11 5 191.38 6 219.70 7 249.96 8 282.19 9 316.36 10 352.50 11 390.57
Tabel  3  memperlihatkan  nilai  tegangan (merah)  merupakan  nilai  kegagalan  yang  terjadi, hal ini terjadi karena melebihi 250 MPa.
Gambar 7 Grafik batas beban maksimum hasil ansys / safety factor.
Seperti  yang  dijelaskan  pada  tabel  3 memperlihatkan  bahwa  nilai  beban  maksimum yaitu  pada  moment  torsi  sebesar  1600  Nm, namun  ketika  pembebanan  yang  diterima dibawahnya,  maka  nilai  tegangan von  mises / safety  factor (MPa)  berada  pada  dibawah tegangan  puntir  hasil  perhitungan,  dan  berlaku sebaliknya.
Dari hasil perhitungan didapatkan bahwa nilai kegagalan  terjadi  bila Von  Mises  per  Safety Factor lebih  besar  dibandingkan  dengan Tensile Yield  Strength material,  sehingga  pada  rumusan yang  ada  maka  nilai  momen  torsi  maksimum adalah  pada  1600  Nm,  dengan  nilai  sebesar 249,96  Mpa,  dan  ketika  pembebanan  yang diberikan  melebihi  nilai  250  MPa,  maka  terjadi kegagalan  dimana  hal  ini  terjadi  pada  momen torsi  1700  yaitu  282,19  MPa.  Dari  gambar Pengaruh  momen  Torsi  terhadap  tegangan  geser maksimum  dan von  mise, nilai von  mises memiliki  nilai  yang  tinggi,  dan  pada  gambar Grafik  batas  beban  maksimum  hasil  ansys  / safety  factor,  dapat  dilihat  pada  nilai von  mises pada awal memiliki nilai lebih rendah dibandingkan dengan tegangan puntir perhitungan,  namun  setelah  menerima  momen torsi  hingga  2000  Nm,  maka  terjadi  perubahan yang  menyebabkan  terjadinya  titik  pertemuan, sehingga  titik  ini  menunjukkan  nilai  beban  torsi maksimum sebelum material tersebut mengalami kegagalan.
Gambar 8 distribusi tegangan geser yang terjadi pada pulley yang ditransmisikan oleh poros.
Dari  gambar  tersebut  menjelaskan  distribusi tegangan  gesesr  yang  terjadi  yaitu  pada  poros, pada  daerah  yang  berwarna  merah  mengalami tegangan  geser  terbesar  dibandingkan  dengan daerah  yang  lain.  semakin  tinggi  momen  torsi yang  dialami  benda  kerja  maka  tegangan  geser yang terjadi akan semakin meningkat.

## 5. Kesimpulan
Dari  hasil  analisa  melalui  simulasi  dan perhitungan  yang  dilakukan  dapat  diambil kesimpulan sebagai berikut :
 Didapatkan  beberapa  nilai  diantaranya
ialah, safety factor , tegangan geser maksimum,  dan von  mises sebelum  terjadi kegagalan  pada  momen  torsi  sebesar  1600
Nm.
 Semakin  tinggi  momen  torsi  yang diberikan  maka    nilai safety  factor yang dihasilkan  semakin  rendah  yaitu  sebesar 0,74  dimana  nilai  awal  sebesar  1,49,  hal ini menjelaskan  bahwa  beban  torsi  yang diterima  akan  mempengaruhi  kegagalan poros itu tersebut.

Hasil
pemodelan
ansys dapat
memprediksi  kegagalan  material  ketika diberi  beban  berlebih,  sehingga  dapat dihindari.

## Daftar Pustaka
1. Achmad,  Zainul.  (1999).  Elemen  Mesin
I.Bandung : Refika Adita 2. Moaveni,  Saeed.  1999. Finite  Element Analysis  Theory  and  Application  with ANSYS .  New Jersey : Prentice Hall.
3. Oksataria.  (2007). Elemen  Mesin  -  Poros
(Shaft) http: //okasatria.blogspot.com / 2007 /10/engineering  -  knowledge.html  diakses pada tanggal 15 mei 2013 jam 16.00
4. Robert  D.  Cook,  David  S.  Malkus  dan Michael  E.  Plesha.  1989.  Concepts  and Applications  of  Finite  Element  Analysis. Canada : Wiley
5. Segerlind,  Larry   J.
1984.  Applied
Finite  Element  Analysis.  Canada  :  John Wiley & Sons.