Poros, pasak, kopling, dan kelurusan poros: torsi pada poros, sambungan pasak, jenis kopling, penyelarasan, dan kaki pincang

Pompa sirkulasi air panas di laundry sebuah hotel memakan elemen karet koplingnya setiap tiga bulan. Bantalan motornya terasa panas, dan getarannya naik setiap kali pompa dipanaskan sampai suhu kerja. Setelah motor terbakar dan diganti, teknisi menyelaraskan kopling dengan meletakkan mistar baja di atas kedua tabung kopling sampai terlihat rata, lalu mengencangkan keempat baut kaki motor. Tiga bulan kemudian elemen karet itu hancur lagi.

Kopling lentur memang dapat menerima sedikit ketidaklurusan, tetapi sedikit itu jauh lebih kecil daripada yang terlihat oleh mata, dan ketidaklurusan yang diterimanya tetap dibayar dengan umur bantalan dan elemen kopling. Bab ini menjelaskan cara poros dan kopling bekerja, jenis ketidaklurusan, dan cara mengukurnya dengan benar.

Batas pembahasan

Bab ini membahas torsi dan tegangan poros, sambungan pasak dan selongsong tirus, jenis kopling, jenis ketidaklurusan, penyelarasan dengan mistar dan jam ukur, kaki pincang, pertumbuhan termal, dan pemeriksaan setelah pemasangan, untuk motor, pompa, gearbox, dan kipas.

Torsi dan daya ada di Bab 1 tentang torsi dan transmisi daya, getaran karena ketidaklurusan dan frekuensinya di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor, ketidakseimbangan rotor di Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor, pemuaian termal di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal, dan bantalan di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur. Kelurusan puli dan sabuk dibahas di Bab 6 tentang sabuk, puli, dan rantai. Batas ketidaklurusan, ukuran pasak, torsi baut kopling, dan jenis elemen kopling diambil dari pabrik kopling dan mesin. Angka di bab ini adalah nilai yang lazim dipakai atau angka contoh untuk berhitung.

Poros dan torsi yang dibawanya

Poros memindahkan torsi dari motor ke beban sambil berputar. Torsi dari daya dan putaran dihitung seperti di Bab 1 tentang torsi dan transmisi daya:

$T = \frac{9.550 \, P}{n}$

dengan $T$ dalam N·m, $P$ dalam kW, dan $n$ dalam rpm. Tegangan geser karena torsi pada poros pejal berdiameter $d$ adalah

$\tau = \frac{16 \, T}{\pi \, d^3}$

dengan $\tau$ dalam Pa bila $T$ dalam N·m dan $d$ dalam m. Tegangan ini biasanya kecil pada poros motor kecil (Contoh 1), sehingga poros jarang patah karena torsi murni. Poros patah karena lelah (fatigue), yaitu beban lentur yang berbolak-balik setiap putaran ditambah pemusatan tegangan di alur pasak, bahu poros, dan ulir. Tarikan sabuk dan ketidaklurusan kopling adalah sumber lentur itu. Poros harus diperiksa dari kriteria kekuatan, dan Bab 10 tentang kekuatan komponen membahas lelah lebih dalam.

Poros yang sudah terpasang diperiksa dari dua sisi: lurus atau bengkok, diukur dengan jam ukur sambil poros diputar pelan; dan aus atau tidak di tempat bantalan, segel, dan pasak.

Sambungan pasak dan selongsong tirus

Pasak (key) adalah batang baja kecil yang dipasang di alur pada poros dan di alur pada naf puli, roda gigi, atau kopling, sehingga keduanya berputar bersama. Pasak menahan torsi dengan tekanan pada sisi-sisinya dan geser pada penampangnya. Gaya pada pasak di permukaan poros adalah $F = 2T/d$, dan tegangannya dihitung dari luas sisi dan luas geser pasak (Contoh 3).

Hal yang perlu diperhatikan teknisi:

1. Pasak harus pas. Pasak yang longgar di alurnya berderak setiap kali torsi berbalik, mengikis alur, dan akhirnya membuat naf bergoyang di poros.
2. Bahan pasak sesuai pabrik. Manual sebuah washer-extractor mencantumkan pasak poros utama dari baja tahan karat, karena poros itu berada di dekat air dan bahan kimia.
3. Sekrup penahan menahan naf dari bergeser searah poros. Ujungnya menekan pasak atau permukaan datar poros, bukan permukaan poros bulat sembarang, dan sering diberi pengunci ulir.
4. Selongsong tirus (taper bushing) pada puli dan kopling mencekam poros dengan gesekan ketika baut-bautnya ditarik bertahap. Manual washer-extractor itu memakai selongsong tirus ukuran tertentu untuk puli motor dan puli drum. Baut selongsong dikencangkan bertahap dan bergantian menurut pabrik, dan permukaan tirusnya dibersihkan dari oli, karena pelumas mengubah gaya cekam seperti pada baut di Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir.

Jenis kopling

Kopling (coupling) adalah komponen yang menyambung dua poros. Jenisnya dibagi menurut kemampuan menerima ketidaklurusan:

1. Kopling kaku, misalnya kopling flens dan kopling selongsong: tidak menerima ketidaklurusan sama sekali, sehingga dipakai bila kedua poros ditumpu bersama dengan teliti.
2. Kopling lentur berelemen elastomer, misalnya kopling cakar dengan elemen karet berbentuk bintang dan kopling ban: menerima ketidaklurusan kecil dan meredam kejut. Elemen elastomernya adalah bagian yang aus dan diganti berkala.
3. Kopling lentur logam, misalnya kopling roda gigi, kopling rantai, dan kopling cakram: menerima ketidaklurusan kecil dengan elemen logam; kopling roda gigi dan rantai memerlukan pelumasan.
4. Kopling slip dan kopling pembatas torsi, yang selip bila torsi melampaui setelan untuk melindungi mekanisme. Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak membahas kopling seperti ini pada konveyor mesin pencuci piring.

Ada juga susunan tanpa kopling yang perlu disetel. Manual sebuah pompa selang menyebut bahwa gearbox reduksinya disambung langsung ke pompa sehingga penyelarasan tidak diperlukan, karena rumahnya disatukan oleh pabrik. Contoh pemasangan naf kopling adalah pada poros masukan gearbox.

Kemampuan kopling lentur menerima ketidaklurusan tertulis di katalognya, tetapi angka itu adalah batas yang masih dapat ditahan kopling, bukan target pemasangan. Bantalan motor dan pompa di kedua sisinya tetap menerima gaya tambahan dari setiap ketidaklurusan.

Jenis ketidaklurusan

Dua poros yang disambung idealnya berada pada satu garis sumbu. Ketidaklurusan (misalignment) adalah penyimpangan dari keadaan itu, dan dibagi dua:

1. Ketidaklurusan sejajar (offset): kedua sumbu sejajar tetapi bergeser, diukur dalam mm.
2. Ketidaklurusan sudut: kedua sumbu membentuk sudut, diukur dalam mm per 100 mm atau dalam miliradian.

Keduanya terjadi di bidang tegak dan bidang mendatar, sehingga ada empat angka yang dikoreksi: sejajar dan sudut di bidang tegak dengan shim di bawah kaki, dan sejajar dan sudut di bidang mendatar dengan menggeser kaki ke samping. Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor mencatat bahwa ketidaklurusan cenderung menimbulkan getaran pada dua kali frekuensi putar dan getaran aksial tinggi.

Menyelaraskan dengan mistar dan jam ukur

Mistar dan pengukur celah adalah cara paling kasar. Mistar diletakkan di atas kedua tabung kopling di beberapa posisi untuk melihat beda tinggi, dan celah antarmuka kopling diukur dengan pengukur celah di beberapa titik keliling. Cara ini cukup untuk tahap awal, tetapi ketelitiannya terbatas pada beberapa persepuluh milimeter, jauh di atas batas yang diminta untuk putaran tinggi, seperti pada kasus pembuka.

Jam ukur memberi ketelitian seperseratus milimeter. Metode tepi dan muka memakai dua jam ukur yang dipasang pada satu poros dan menyentuh tepi luar dan muka tabung kopling poros lain; kedua poros diputar bersama dan pembacaan dicatat pada posisi jam 12, 3, 6, dan 9. Prinsipnya:

1. Jam ukur tepi membaca dua kali penyimpangan sejajar, sehingga penyimpangan sejajar sama dengan separuh selisih pembacaan pada dua posisi berseberangan (Contoh 4).
2. Jam ukur muka membaca beda celah pada diameter tempat ujung jarum menyentuh, sehingga ketidaklurusan sudut sama dengan selisih pembacaan dibagi diameter itu (Contoh 4).

Metode dua jam ukur terbalik dan alat penyelaras laser bekerja dengan prinsip geometri yang sama dan memberi hitungan shim langsung. Apa pun alatnya, beberapa kebiasaan menentukan hasil: kedua poros diputar bersama agar pembacaan tidak dipengaruhi tepi kopling yang tidak bulat, batang penahan jam ukur cukup kaku agar tidak melendut, dan pembacaan diulang setelah baut kaki dikencangkan.

Menghitung shim. Penyimpangan sudut diubah menjadi beda tebal shim antara kaki depan dan kaki belakang motor dengan perbandingan jarak kaki (Contoh 5). Shim dari pelat baja tahan karat yang sudah dipotong rapi lebih baik daripada tumpukan banyak lembar tipis, dan jumlah lembarnya dibatasi agar dudukan tetap kaku.

Kaki pincang

Kaki pincang (soft foot) adalah keadaan ketika satu kaki motor atau pompa tidak menapak rata di dudukannya. Saat baut kaki itu dikencangkan, rangka mesin terpuntir sedikit, rumah bantalan berubah bentuk, dan kelurusan yang sudah diukur berubah. Kaki pincang diperiksa sebelum penyelarasan: jam ukur dipasang di atas satu kaki, bautnya dikendurkan, dan gerakan naik kaki dibaca. Kaki yang naik melewati batas yang ditetapkan, misalnya 0,05 mm, diberi shim sampai menapak rata, lalu kaki berikutnya diperiksa.

Pada kasus pembuka, keempat baut dikencangkan tanpa pemeriksaan ini. Bila satu kaki pincang, kelurusan yang terlihat rata dengan mistar berubah saat baut terakhir dikencangkan.

Pertumbuhan termal

Motor dan pompa air panas memanas saat bekerja, sehingga sumbu porosnya naik karena rangka memuai; kenaikan ini disebut pertumbuhan termal (thermal growth). Pompa yang mengalirkan air panas dapat naik lebih tinggi daripada motor yang lebih dingin, atau sebaliknya. Bila penyelarasan dilakukan saat dingin dengan target nol, kedua poros menjadi tidak lurus saat suhu kerja tercapai, seperti getaran yang naik setelah pompa panas pada kasus pembuka.

Pertumbuhan tinggi sumbu dihitung dari pemuaian termal di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal: $\Delta h = \alpha \, h \, \Delta T$, dengan $\Delta h$ kenaikan sumbu (mm), $\alpha$ koefisien muai (K⁻¹), $h$ tinggi sumbu dari dudukan (mm), dan $\Delta T$ kenaikan suhu rata-rata rangka (K) (Contoh 6). Pabrik mesin sering memberi angka pertumbuhan atau target penyelarasan dingin; bila tidak ada, kelurusan diperiksa ulang segera setelah mesin dimatikan pada suhu kerja.

Urutan kerja penyelarasan di lapangan

Penyelarasan yang rapi mengikuti urutan yang sama setiap kali, sehingga hasilnya dapat diulang dan dibandingkan:

1. Isolasi dan persiapan. Motor dikunci dan diberi tanda, pompa dikosongkan atau katupnya ditutup, pelindung kopling dilepas, dan dudukan dibersihkan dari karat, cat yang mengelupas, dan kotoran di bawah kaki.
2. Mesin yang diam dipilih. Biasanya pompa atau gearbox tetap di tempat dan motor yang digeser, karena pipa pompa ikut menahan posisinya.
3. Kaki pincang diperiksa pada keempat kaki motor seperti di bagian kaki pincang, sebelum pengukuran kelurusan.
4. Penyelarasan kasar dengan mistar dan pengukur celah, agar penyimpangan masuk ke rentang jam ukur.
5. Pengukuran teliti dengan jam ukur atau laser, dicatat pada keempat posisi.
6. Koreksi bidang tegak dengan shim, lalu koreksi bidang mendatar dengan baut dorong samping atau dorongan terkendali, karena shim mengubah tinggi tetapi menggeser kaki ke samping dapat sedikit mengubah tinggi lagi.
7. Baut kaki dikencangkan bertahap dengan pola menyilang sampai torsi yang ditetapkan, lalu pengukuran diulang.
8. Catatan akhir berisi pembacaan sebelum dan sesudah, tebal shim tiap kaki, suhu mesin saat pengukuran, dan alat yang dipakai.

Catatan ini berguna saat elemen kopling rusak lagi: teknisi berikutnya dapat melihat apakah kelurusan pernah benar, berubah setelah perbaikan pipa, atau tidak pernah diukur.

Tanda kerusakan pada poros, pasak, dan kopling

Banyak penyebab dapat dibaca dari bekas di komponen yang dilepas:

1. Serbuk karet atau elemen retak di kopling elastomer menunjukkan ketidaklurusan, beban kejut, atau elemen yang sudah tua dan mengeras karena panas.
2. Karat merah halus di permukaan poros, pasak, atau lubang naf adalah karat gesek (fretting): kedua permukaan bergerak sangat kecil berulang kali karena suaian longgar atau getaran.
3. Alur pasak yang sudutnya membulat atau pasak yang sisinya cekung menunjukkan pasak longgar yang menerima torsi bolak-balik.
4. Gigi kopling roda gigi yang aus di satu sisi menunjukkan ketidaklurusan sudut atau pelumasan yang kurang.
5. Retak melingkar di bahu poros atau ujung alur pasak adalah tanda lelah dan menjadi alasan berhenti, karena retak itu terus tumbuh.
6. Bekas panas atau perubahan warna di naf menunjukkan selip pada selongsong tirus atau kopling slip yang bekerja terlalu sering.

Bab 14 tentang pemantauan kondisi dan keputusan perawatan mekanis menghubungkan tanda-tanda ini dengan pengukuran getaran dan suhu.

Pemeriksaan setelah pemasangan

Setelah penyelarasan, pemeriksaan yang dicatat:

1. Pembacaan akhir sejajar dan sudut di kedua bidang, setelah semua baut kaki dikencangkan dengan torsi yang ditetapkan.
2. Celah aksial antara kedua tabung kopling sesuai pabrik, agar poros dapat memuai tanpa saling menekan.
3. Pelindung kopling terpasang sebelum mesin dijalankan.
4. Arah putaran benar, dicoba dengan sentakan singkat bila pabrik mengizinkan.
5. Suhu bantalan, getaran, dan bunyi pada jam pertama, lalu setelah mesin mencapai suhu kerja.
6. Elemen kopling diperiksa lagi setelah beberapa minggu: serbuk karet di bawah kopling adalah tanda ketidaklurusan atau beban kejut.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: tegangan geser poros motor. Motor 5,5 kW pada 1.450 rpm: $T = 9.550 \times 5{,}5 / 1.450 = 36{,}2$ N·m. Pada poros berdiameter 28 mm: $\tau = 16 \times 36{,}2 / (\pi \times 0{,}028^3) = 8{,}4$ MPa, jauh di bawah kekuatan geser baja. Poros ini dirancang terutama untuk kekakuan dan lelah, bukan torsi murni.

Contoh 2: poros setelah reduksi. Daftar suku cadang penggerak washer-extractor itu mencantumkan puli motor berdiameter sekitar 3,0 inci dan puli drum 25,0 inci: rasio $25/3 = 8{,}33$. Bila motor 5,5 kW di Contoh 1 menggerakkan puli sebesar itu dengan efisiensi transmisi 95 persen (keduanya bukan data mesin itu), torsi di poros drum sekitar $36{,}2 \times 8{,}33 \times 0{,}95 = 287$ N·m, delapan kali torsi poros motor. Ukuran poros drum ditentukan pabrik dari torsi ini, dari lentur karena tarikan sabuk, dan dari lelah.

Contoh 3: tegangan pada pasak. Pasak $8 \times 7$ mm sepanjang 40 mm pada poros 28 mm dari Contoh 1. Gaya di permukaan poros $F = 2 \times 36{,}2 / 0{,}028 = 2.590$ N. Tegangan geser pada penampang $8 \times 40 = 320$ mm² adalah 8,1 MPa, dan tekanan sisi pada separuh tinggi pasak $3{,}5 \times 40 = 140$ mm² adalah 18,5 MPa. Saat start dengan torsi 2,5 kali nominal, tekanan sisi menjadi 46 MPa.

Contoh 4: membaca jam ukur tepi dan muka. Jam ukur tepi dinolkan di jam 12 dan membaca +0,30 mm di jam 6 setelah kedua poros diputar setengah putaran. Penyimpangan sejajar di bidang tegak $0{,}30 / 2 = 0{,}15$ mm. Jam ukur muka menyentuh muka kopling pada diameter 100 mm dan membaca selisih 0,10 mm antara jam 12 dan jam 6. Ketidaklurusan sudut $0{,}10 / 100 = 0{,}001$, atau 1 mm per meter (1 miliradian).

Contoh 5: beda shim kaki depan dan belakang. Kaki depan dan kaki belakang motor berjarak 300 mm. Untuk menghapus ketidaklurusan sudut 1 mm per meter di Contoh 4, beda tebal shim antara kaki belakang dan kaki depan $0{,}001 \times 300 = 0{,}30$ mm, ditambah koreksi sejajar dari Contoh 4 pada kedua kaki.

Contoh 6: pertumbuhan termal pompa air panas. Tinggi sumbu pompa 160 mm di atas dudukan, rangka memanas rata-rata 30 K, dan koefisien muai yang lazim dipakai $\alpha = 12 \times 10^{-6}$ K⁻¹: $\Delta h = 12 \times 10^{-6} \times 160 \times 30 = 0{,}058$ mm. Bila motor hampir tidak memanas, pompa naik 0,058 mm relatif terhadap motor. Penyelarasan dingin disetel dengan motor sekitar 0,06 mm lebih tinggi agar keduanya lurus saat panas.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan bila:

1. Kopling, puli, atau poros akan disentuh, diputar dengan tangan, atau diukur sebelum motor dimatikan, dikunci, dan diberi tanda, dan sebelum energi tersimpan seperti air bertekanan di pompa dilepas; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
2. Mesin akan dijalankan tanpa pelindung kopling atau dengan alat ukur masih terpasang di poros.
3. Poros bengkok, alur pasak aus, atau naf bergoyang di poros. Jangan dipaksa dengan pasak yang lebih tebal atau bahan pengisi.
4. Ketidaklurusan tidak dapat dikoreksi karena kaki sudah mentok di lubang baut atau dudukan retak. Laporkan; jangan memperbesar lubang kaki tanpa persetujuan.
5. Elemen kopling hancur berulang walaupun kelurusan sudah benar. Cari sebab lain: beban kejut, resonansi, bantalan rusak, atau kopling yang tidak sesuai.
6. Kopling pembatas torsi atau kopling slip akan dikencangkan melebihi setelan pabrik agar tidak selip.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 tentang torsi dan transmisi daya memberi torsi dan daya, Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor memberi getaran karena ketidaklurusan, Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor memberi ketidakseimbangan, dan Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal memberi pemuaian termal. Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur membahas beban bantalan, Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir membahas pengencangan kaki dan selongsong, Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak membahas kopling slip konveyor, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi dasar kondisi berhenti. Bab 6 tentang sabuk, puli, dan rantai membahas kelurusan puli.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.