Kunci Poros & Saluran Kunci: Jenis dan Aplikasi pada Sambungan Mekanik

Apa itu Kunci dan Saluran Kunci?

Kunci dan saluran kunci membentuk Sambungan Kunci untuk mengamankan hub dan poros mencegah gerakan relatif antara poros yang mentransmite daya dan komponen yang terpasang. Contohnya, Gear drives, Pulleys atau Sprockets dihubungkan secara aman menggunakan kunci ke poros yang mentransmite daya (Gambar 1).
Sambungan kunci adalah bagian penting dari elemen transmisi daya mekanik poros dan kopling, di mana ia memastikan koneksi mentransmisikan beban, daya & rotasi tanpa geser dan dalam akurasi desain.

Sebuah kunci biasanya terbuat dari baja dan dimasukkan atau dipasang antara poros dan hub komponen dalam arah aksial untuk mencegah gerakan relatif. Keyseat adalah reses di poros dan Saluran kunci adalah reses di hub untuk menerima kunci dan dengan demikian mengunci komponen secara aman. Secara umum, istilah keyseat jarang digunakan karena saluran kunci merujuk pada kedua reses dalam industri (Gambar 2).

Saluran kunci poros dan hub sering dipotong pada mesin key seating tetapi juga dapat dibuat menggunakan broaching, milling, shaping, slotting EDM.

Elemen retensi seperti Splines, kopling fleksibel, sambungan tapered dll juga digunakan. Jika transmisi daya sangat rendah, baut set dan pin juga dapat digunakan. Jika baut set atau dalam beberapa kasus sambungan kunci akan digunakan, harus ada metode pembatasan aksial seperti circlips dan retaining rings.

Keuntungan & Batasan Sambungan Kunci

Ada berbagai keuntungan dan kerugian menggunakan kunci poros sehingga pertimbangan yang tepat harus diberikan pada detail halus desain keseluruhan untuk mengevaluasi keberlanjutan sambungan kunci.

Keuntungan Kunci Poros & Sambungan Kunci

• Biaya manufaktur murah
• Terstandarisasi dengan baik ( ISO, BS, DIN dan ANSI)
• Transmisi torsi menengah hingga tinggi
• Pemasang dan copot mudah, sehingga mudah digunakan ulang

Kerugian Kunci Poros & Sambungan Kunci

• Tidak cocok untuk beban arah bergantian dan getaran
• Pergeseran aksial hub mungkin terjadi kecuali dikunci oleh komponen tambahan seperti baut set atau cincin penahan
• Seiring waktu sambungan kunci mungkin sangat sulit untuk dicabut
• Saluran kunci menciptakan titik stres karena efek kerucut dan mengurangi kekuatan poros
• Menyebabkan ketidakseimbangan poros
• Sulit untuk menghitung dan menggabungkan analisis beban dan toleransi stack sehingga sambungan kunci terlalu besar dimensinya
• Untuk mentransmisikan gaya aksial, membutuhkan stop lock

Jenis-Jenis Kunci

Kunci poros hadir dalam berbagai macam jenis dan bentuk dan dapat dibagi ke dalam empat kategori berikut beserta subkategorinya. (Gambar 3)

1. Sunk Keys
   • Rectangular & square keys
   • Parallel keys
   • Gib head keys
   • Feather key (sliding clearance with keys)
   • Woodruff key
2. Saddle keys
   • Flat & Hollow saddle keys
3. Tangent keys
4. Round/Circular keys

Dari jenis kunci di atas, Parallel square key dan woodruff key mungkin digunakan lebih luas dari yang lain karena kemudahan penggunaan dan biaya.

Double key – Karena toleransi manufaktur dan untuk menghindari double fits, hanya satu parallel key yang digunakan, tetapi Double keys adalah sesekali digunakan untuk beban jarang yang sangat tinggi. Ini hanya harus dipertimbangkan jika bahan bersifat ductile. Untuk ini, perhitungan harus didasarkan pada satu dan setengah parallel key.

Sunk Keys

Sunk keys dimasukkan ke dalam poros setengah ketebalannya, di mana pengukuran diambil di sisi kunci. Tidak di sepanjang garis pusat melalui poros. (Gambar 4 & 5)

Rectangular/square keys

Rectangular keys seperti yang ditunjukkan lebih lebar dari tingginya dan terkadang disebut flat key. Ini digunakan pada poros dengan diameter sekitar 500 mm atau 20″. Lebar kunci tambahan memungkinkan untuk mentransmisikan torsi yang lebih besar tanpa meningkatkan kedalaman. Peningkatan kedalaman berarti poros yang lebih lemah karena pengurangan luas penampang efektif poros.

Square keys seperti namanya adalah kunci penampang persegi dan biasanya ditentukan untuk poros dengan diameter sekitar 25mm atau 1″. Mereka dapat digunakan untuk poros yang lebih besar ketika kedalaman kunci yang lebih dalam diinginkan dibandingkan kunci persegi panjang. Peningkatan kedalaman berarti poros yang lebih lemah karena pengurangan luas penampang efektif poros.

Kunci persegi dan persegi panjang mungkin memiliki taper 1 in 100 sepanjang panjang kunci seperti yang ditunjukkan dalam gambar 6.

Parallel sunk keys

Parallel sunk keys dapat berupa persegi panjang atau persegi tetapi tanpa taper. Kunci ini murah dan mudah didapat. Ini adalah salah satu yang paling mudah dipasang. Namun kunci ini idealnya harus dipegang oleh baut set melalui hub. Karena getaran atau pembalikan arah rotasi sering mendorong kunci keluar.

Kunci ini biasanya dipasang rapat di dasar saluran kunci poros dan sisi sambungan kunci, dengan memberikan clearances di bagian atas saluran kunci hub.

Gib head sunk keys

A Gib head-on sunk keys ditambahkan untuk memudahkan pencabutan. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar 8, Gib head sunk keys biasanya kunci persegi panjang atau persegi dengan taper pada permukaan atas untuk memastikan pas yang ketat.

Feather keys

Feather keys ditempel pada poros atau hub untuk mengizinkan gerakan relatif aksial. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar ada tiga jenis utama feather keys. Double-headed, Peg feather dan Feather key. Ini memungkinkan transmisi daya antara poros dan hub dengan wajahnya yang sejajar, sambil mengizinkan untuk meluncur.

Woodruff keys

Woodruff key adalah cakram setengah lingkaran dan pas di dalam reses lingkaran di poros yang dibuat oleh woodruff keyway cutter. Woodruff keys ini sebagian besar digunakan pada mesin perkakas dan poros mobil dari ¼” hingga 2½” (6 mm hingga 60 mm) diameter. Woodruff keys tidak mampu menahan beban sama seperti kunci paralel panjang.

Keuntungan Woodruff key adalah mampu menampung taper apa pun di saluran kunci hub, dan kedalamannya yang tertahan mencegah kunci terbalik.

Kerugian atau kekurangan woodruff keys adalah kedalaman saluran kunci melemahkan poros, tidak dapat digunakan sebagai feather key, sulit dipasang dan pendek serta tidak dapat menahan beban terlalu besar.

Saddle keys

Dibandingkan sunk keys, saddle keys tidak dimasukkan ke dalam poros dan hub melainkan hanya dimasukkan ke dalam hub. Mereka tinggal di permukaan datar atau lingkaran poros. Transmisi daya dicapai melalui gesekan antara poros dan kunci. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, Saddle keys dapat dibagi menjadi Flat saddle dan Hollow saddle keys dan hanya cocok untuk beban ringan untuk mencegah geser sepanjang poros.

A flat saddle key taper di atas dan datar di bawah seperti yang ditunjukkan dalam gambar 13. Kunci pas di dalam saluran kunci hub yang taper menekan wajah datar poros

A hollow saddle key taper di atas dan melengkung di bawah seperti yang ditunjukkan dalam gambar 14. Kunci pas di dalam saluran kunci hub yang taper dan ditekan pada permukaan lingkaran melengkung poros.

Tangent keys

Tangent keys atau terkadang disebut Tangential keys dipasang sebagai pasangan pada sudut siku-siku seperti yang ditunjukkan dalam gambar 15, di mana setiap kunci menahan torsi hanya dalam satu arah. Ini digunakan pada poros berat-duty besar.

Round / Circular Keys

Round keys bersifat lingkaran di penampang dan pas ke dalam lubang yang dibor sebagian di poros dan sebagian di hub. Mereka memiliki keuntungan manufaktur yang mudah karena saluran kunci mereka dapat dibor dan diream setelah bagian pasang telah dirakit. Round keys biasanya dianggap paling cocok untuk pengemudi daya rendah.

Desain Saluran Kunci dan Pengukuran Kunci

Pemilihan kunci poros sangat penting untuk menghindari kegagalan dini pada sambungan kunci. Baca “Shaft key selection & shaft keyway design guide” untuk memahami cara menghitung stres geser dan kompresi pada kunci poros. Artikel ini juga membahas faktor kritis seperti bahan kunci, tipe beban, pas yang benar dll yang harus dipertimbangkan selama desain embodimen sambungan kunci.

Standar & Spesifikasi

Lihat dimensi dan toleransi tabel saluran kunci metrik untuk kunci paralel dan woodruff keys sesuai BS 4235-1:1972. Beserta toleransi ukuran saluran kunci dan ukuran kedalaman saluran kunci, beberapa standar juga memberikan informasi tentang ukuran kunci yang direkomendasikan, kedalaman saluran kunci sebagai fungsi diameter poros

• Rekomendasi untuk ukuran kunci, panjang dan kedalaman saluran kunci sebagai fungsi diameter poros disediakan dalam ASME Standards B17.1-1967, ASME standard B17.2-1967
• Spesifikasi kunci metrik dan saluran kunci – Kunci paralel dan taper keys BS 4235-1:1972
• Pencocokan woodruff key dengan diameter poros juga ditentukan dalam DIN 6888
• Tangential Keys and Tangential Keyways untuk beban getaran bergantian spesifikasi DIN 268:1974
• Tangential Keys and Tangential Keyways untuk beban konstan spesifikasi DIN 271:1974

Referensi

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (n.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines.John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements: Bernard J. Hamrock, Steven R. Schmid, Bo O. Jacobson. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.