Spliner Poros & Seritasi: Pengukuran Optimal dan Aplikasi Utama
Apa itu Spliner dan Seritasi?
Spliner dan seritasi poros adalah kaki gigi atau kunci jenis gigi yang merupakan bagian integral dari poros yang bersaing dengan ranah di hub pasangan untuk mentransfer torsi dan gerakan rotasi. Contohnya, gear bevel yang dipasang pada poros mungkin menggunakan spliner poros jantan yang cocok dengan spliner betina pada gear seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1.
Meskipun poros berspliner terlihat seperti memiliki serangkaian saluran kunci poros dengan kunci yang dimasukkan, spliner jauh lebih kuat dari sambungan kunci karena saluran kunci melemahkan poros dan mengurangi kapasitas penahan torsinya.
Aplikasi Spliner dan Seritasi
Meskipun terlihat seperti gear, Spliner hanya digunakan untuk mentransfer torsi dan rotasi pada sumbu yang sama. Mereka digunakan terutama untuk alasan berikut.
- Elemen transmisi mekanik seperti gear dan pulley mungkin perlu dilepas dari poros karena desain untuk manufaktur dan rangkaian (DFMA) yaitu selama rangkaian atau untuk membantu manufaktur.
- Gerakan relatif aksial elemen transmisi mekanik diperlukan untuk tujuan fungsional seperti pengurang kecepatan dan kopling.
- Transfer torsi tinggi diperlukan.
Sambungan spliner yang baik memberikan transmisi torsi yang sangat aman, clearances minimum, backlash minimum, sentering yang baik antara komponen terhubung, derau rendah, aus rendah dan gaya aksial kecil atau tidak ada.
Aus permukaan, korosi aus, patah gigi dan kegagalan fatigue adalah mode kegagalan paling umum yang terkait dengan sambungan spliner.
Jenis Spliner dan Seritasi
Istilah “spliner” menyediakan istilah umum untuk semua profil dan spliner dapat dibagi menjadi tiga kelompok berikut berdasarkan bentuk sisinya.
- Spliner sisip paralel atau lurus
- Spliner involut
- Seritasi
Spliner dan seritasi juga dapat digolongkan sebagai spliner tetap atau spliner fleksibel tergantung pada gerakan relatif aksialnya. Spliner tetap, seperti namanya, adalah sambungan yang tidak bergerak secara aksial seperti gear, penarik, roda turbin dll.
Spliner fleksibel meluncur secara aksial, terutama digunakan antara kopling poros dan tidak menahan banyak torsi seperti sambungan spliner tetap.
Spliner Sisip Paralel atau Lurus
Ini memiliki sisip gigi lurus dan paralel seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah dan menurut berbagai standar jumlah gigi dapat bervariasi dari 4 hingga 12. Mereka dapat mentransfer torsi yang lebih tinggi dibandingkan spliner involut dan seritasi karena ketebalan gigi besarnya dari diameter kecil hingga diameter besar profil. Namun mungkin gagal karena fatigue karena konsentrasi stres di akar sisip.
Secara alami, ia tidak memiliki kemampuan sentering karena sisip lurus, sehingga memaksanya untuk mengandalkan pas diameter besar dan kecil untuk dapat mengelola sentering. Karena wajah sisip lurus, akan ada garis kontak dan kontak permukaan hanya akan ada setelah beberapa aus.
Involut
Spliner involut sangat umum dan sangat mirip dengan gigi gear internal dan eksternal involut. Mereka secara banding lebih kuat dari spliner paralel karena faktor konsentrasi stres yang lebih rendah dan memiliki kualitas permukaan yang lebih baik. Spliner involut dapat diproduksi dengan teknik manufaktur gear dan memiliki kemampuan untuk sentering sendiri di bawah beban.
Spliner involut dibuat dengan sudut tekanan 30o, 37.5 dan 45o dan dapat mencakup antara 60 dan 100 spliner sesuai dengan American National Standard. Spliner involut dapat berupa Side fit atau Diameter fit.
Seritasi
Seritasi juga memiliki sisip lurus, tetapi mereka bergeram seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah. Keuntungan terbesar seritasi adalah sudut sisipnya menyenter poros dan hub sehingga menghasilkan spliner sentering sendiri. Sudut sisip biasanya antara 50o dan 90o.
Kerugian utama seritasi adalah karena gigi yang relatif kecil, hanya dapat digunakan untuk aplikasi torsi rendah. Ini hanya digunakan untuk aplikasi non-bergerak aksial. Seperti spliner sisip lurus, akan ada kontak garis dan aus.
Perhitungan Kekuatan Spliner
Selama desain spliner dan seritasi poros, stres berikut harus dipertimbangkan untuk mengevaluasi keakuratan kekuatan sambungan spliner.
- Stres geser poros spliner
- Stres geser gigi spliner
- Stres kompresi gigi spliner
Secara umum, diameter poros ditentukan oleh desain keseluruhan seperti susunan bearing, seal, elemen dll. Dalam hal ini, perhitungan kekuatan spliner dapat digunakan dalam dua cara berikut
- Perhitungan stres dapat digunakan untuk menemukan faktor keamanan dengan menghitung stres yang terlibat dan membandingkannya dengan stres yang diizinkan sesuai mode kegagalan.
- Menggunakan faktor keamanan, sambungan spliner dapat ditentukan menggunakan panjang spliner, tipe spliner, jumlah spliner dll.
Stres Geser Poros Spliner
| Stres Poros Padat | Stres Poros Berlubang |
| \( S_s = \frac{16T}{\pi{D_{re}}^{3}} \) | \( S_s = \frac{16T{D_{re}}}{\pi ({D_{re}}^4-D_h^4)} \) |
| Dimana |
| \(S_s\) | Stres geser |
| \({D_{re}}\) | Diameter spliner |
| \(T\) | Torsi
|
| \({D_{h}}\) | Diameter lubang poros berlubang |
Stres yang dihitung menggunakan persamaan di atas tidak boleh melebihi stres yang diizinkan (\(S^a\)) dari bahan spliner dan dapat ditunjukkan sebagai berikut
\(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\)
Biasanya, faktor keamanan dihitung menggunakan stres yang diizinkan untuk berbagai bahan menggunakan persamaan berikut
| Stres yang Diizinkan Poros |
| \(S^a_s = {N_{sf}}S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) | \(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) |
| Dimana |
| \(S_s\) | Stres geser |
| \(S^a_{s}\) | Stres geser yang diizinkan |
| \(T\) | Torsi
|
| \({L_{f}}\) | Faktor umur |
| \({N_{sf}}\) | Faktor keamanan |
| \({K_{a}}\) | Faktor aplikasi |
Stres Geser Gigi Spliner
| Stres Geser pada Gigi Spliner |
| \(S_s = \frac{4T{K_{m}}}{DN{F_{e}}{t_{e}}}\) |
| \(S_s\) | Stres geser yang diinduksi pada gigi spliner |
| \(D\) | Diameter puncak |
| \(T\) | Torsi
|
| \({K_{m}}\) | Faktor distribusi beban |
| \({F_{e}}\) | Lebar wajah efektif |
| \({t_{e}}\) | Ketebalan chordal pada garis puncak (kira-kira sama dengan D/2N) |
| \(N\) | Jumlah gigi spliner |
Stres Kompresi Gigi Spliner
| Stres Kompresi pada Gigi Spliner |
| \( S_c = \frac{2T{K_{m}}}{DN{F_{e}h}} \) |
| \(S_c\) | Stres kompresi |
| \({K_{m}}\) | Faktor distribusi beban |
| \(T\) | Torsi
|
| \({F_{e}}\) | Lebar wajah efektif |
| \(h\) | Tinggi radial gigi dalam kontak |
Seperti halnya stres geser, stres kompresi yang dihitung harus dibandingkan dengan stres kompresi yang diizinkan dan tidak boleh melebihinya untuk menghindari kegagalan.
\(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) – Spliner fleksibel
\(S^a_s \geq S_s \frac{{K_{a}}}{{L_{f}}}\) – Spliner tetap
| Stres yang Diizinkan Poros |
| Spliner fleksibel | Spliner Tetap |
| \(S^a_c = {N_{sf}}S_c \frac{{K_{a}}}{{L_{w}}}\) | \(S^a_c = {N_{sf}}S_c \frac{{K_{a}}}{{9L_{f}}}\) |
| Dimana |
| \(S_s\) | Stres geser |
| \({S^a_{s}}\) | Stres geser yang diizinkan |
| \(T\) | Torsi
|
| \({L_{f}}\) | Faktor umur |
| \({N_{sf}}\) | Faktor keamanan |
| \({K_{a}}\) | Faktor aplikasi |
Faktor Stres Spliner
Stres yang Diizinkan
Hubungan antara stres yang diizinkan dan kekuatan leleh minimum yang ditentukan sesuai kode AISC.
| Stres yang Diizinkan vs Kekuatan Leleh |
| Stres regangan yang diizinkan | \({0.45}S_{y}\leq S^a_{t}\leq {0.6}S_{y}\) |
| Stres geser yang diizinkan (\({S^a_{s}}\)) | \(S^a_{s}= 0.4S_{y }\) |
| Spres tekan/tekanan yang diizinkan (\({S^a_{c}}\)) | \(0.45S_{y}\leq S^a_{c} \leq 0.6S_{y}\) |
| Sres lentur yang diizinkan (\({S^a{b}}\)) | \(0.6S_{y} \leq S^a_{b} \leq 0.75S_{y} \) |
| Dimana |
| \({S_{y}}\) | Kekuatan leleh bahan |
Faktor Distribusi Beban untuk Spliner Km
Beban didistribusikan sama rata jika beban yang ditransfer adalah torsi radial murni dan beban torsi radial berada di tengah panjang spliner. Namun jika misalnya gear bevel digunakan, ini akan menambahkan beban aksial yang tidak diinginkan ke spliner.
Kesetiruan kopling spliner telah diakui sebagai berbahaya bagi spliner karena menyebabkan konsentrasi beban yang signifikan pada gigi spliner, dan mempercepat aus serta fatigue aus spliner.
| Faktor distribusi beban untuk spliner Km |
| Lebar wajah efektif (Fe) |
| Kesetiruan | ½-in. (12.7 mm) | 1-in. (25.4 mm) | 2-in. (50.8 mm) | 4-in. (101.6) |
0.001 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 1 | 1 | 1 ½ |
0.002 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 1 | 1 ½ | 2 |
0.004 in. / in.
(mm/mm) | 1 | 1 ½ | 2 | 2 ½ |
0.008 in. / in.
(mm/mm) | 1 ½ | 2 | 2 ½ | 3 |
Dua paper berikut membahas faktor distribusi beban dan bagaimana hal itu dapat mempengaruhi umur sambungan spliner.
- https://www.geartechnology.com/issues/0514x/spline-joints.pdf
- https://www.powertransmission.com/issues/0214/spline-couplings.pdf
Faktor Umur Fatigue untuk Spliner- Lf
| Jumlah siklus torsi | Faktor Umur Fatigue, Lf |
| Arah satu | Se penuh - terbalik |
| 1,000 | 1.8 | 1.8 |
| 10,000 | 1.0 | 1.0 |
| 100,000 | 0.5 | 0.4 |
| 1,000,000 | 0.4 | 0.3 |
| 10,000,000 | 0.3 | 0.2 |
Faktor Aplikasi Spliner – Ka
Jika ada beban getaran aksial atau radial pada elemen yang dihubungkan, maka hati-hati harus diberikan untuk mendukung beban getaran aksial dan radial eksternal untuk meningkatkan umur sambungan. Ini juga harus dipertimbangkan selama perhitungan menggunakan faktor aplikasi spliner.
Faktor aplikasi mengkomensasi ketidakpastian dalam beban dan dampak, di mana jika semuanya halus dan seragam maka Ka sama dengan 1.
Kategori sumber masukan
(Masukan pengemudi atau mesin) | Tipe Beban |
| Seragam | Getaran ringan | Getaran intermiten | Getaran berat |
| Generators, Fans | Pompa osilasi | Aktuator | Press, Shears |
| Seragam (Turbine, Motor) | 1 | 1.2 | 1.5 | 1.8 |
| getaran ringan, (Hydraulic Motor) | 1.2 | 1.3 | 1.8 | 2.1 |
| Getaran sedang, (Mesin pembakaran dalam | 2 | 2.2 | 2.4 | 2.8 |
Tabel 1 Faktor Aplikasi Spliner (Ka)
Faktor Umur Aus untuk Spliner Lw
Faktor umur untuk spliner di bawah kondisi aus didasarkan pada jumlah putaran sambungan spliner, bukan siklus terbalik. Faktor umur aus hanya berlaku untuk perhitungan stres kompresi spliner fleksibel atau geser karena setiap kali spliner geser maju dan mundur maka gigi akan aus.
| Jumlah putaran spliner | Faktor umur aus untuk spliner (Lw ) |
| 10,000 | 4 |
| 100,000 | 2.8 |
| 1,000,000 | 2 |
| 10,000,000 | 1.4 |
| 100,000,000 | 1 |
| 1,000,000,000 | 0.7 |
| 10,000,000,000 | 0.5 |
#Productdesigntip Spliner tetap dapat menahan stres tekanan 9 kali lebih banyak dari spliner fleksibel
Standar
- Society of Automotive Engineering standard parallel side splines SAE J 499-2014
- The American standard for involute and straight-sided spline profile ANSI B92.1
- IS 2610 – power transmission-straight sided splines for machine tools dimensions
- IS 3665 – Dimensions for involute sided splines
- IS 2327 – Straight-sided splines for cylindrical shafts
- BS 2059 Straight-sided splines and serrations
- DIN 5463 – spline shaft connections with straight flanks; medium series
- DIN 5480 – Involute splines based on reference diameters
- Some other standards – DIN 5480, DIN 5481, DIN 5482, ISO 4156, E22-141, E22-145, ANSI and SAE standards
Referensi dan Bacaan yang Direkomendasikan
- Dudley, D. W. (n.d.). When splines need stress control.
- Oberg, E., Jones, F. D., Horton, H. L., & Ryffel, H. H. (2016). Machinery’s handbook.
- Lingaiah, K. (2007). Machine design databook. (Lingaiah, K.: Machine design databook.) Norwich, NY: Knovel.
- Bhandari, V. B. (2017). Design of machine elements. New Delhi: McGraw-Hill Education (India).
- British Standards Institution. 2059 (1953). Straight-sided splines and serrations. London: B.S.I.
