Panduan Komprehensif Desain Saluran Kunci Poros dan Pengukuran Kunci: Perhitungan, Pemilihan, dan Standar
Pemilihan kunci poros sangat penting untuk menghindari kegagalan dini pada sambungan kunci. Saluran kunci kunci poros dan kunci digunakan untuk mentransfer torsi dari poros ke elemen transmisi mekanik seperti gear, pulley, dll. menggunakan sambungan kunci. Mereka dapat dibuat menggunakan bahan standar seperti key stock atau mesin custom untuk aplikasi.
Secara umum, diameter poros nominal digunakan untuk menentukan ukuran kunci sesuai berbagai standar seperti BS4235 dan kunci persegi panjang yang banyak tersedia digunakan untuk sebagian besar aplikasi. Dengan cara ini sambungan kunci dibuat berlebihan untuk menahan semua beban dan standar tidak menentukan bahan kunci atau keterbatasan sambungan. Namun pertimbangan yang hati-hati harus diberikan karena terkadang bahkan kunci terbesar gagal karena perhitungan yang tidak terduga, tidak mentioning kunci yang lebih panjang atau lebih besar juga melemahkan poros.
Asumsi ukuran poros dan elemen telah dirancang untuk cocok dengan torsi dan kekuatan lentur, maka memastikan kunci yang dipilih sesuai spesifikasi tersebut sangat penting untuk transmisi mekanik yang aman. Kadang-kadang, kunci poros dipilih untuk gagal pada batas yang melindungi poros, gear, dan elemen lain. Dalam hal ini sambungan kunci bekerja seperti sekring pengorbanan.
Kriteria Pemilihan Kunci Poros
Mari kita bahas kriteria pemilihan penting yang harus dipertimbangkan saat memilih sambungan kunci. 8 faktor kritis berikut harus dipertimbangkan selama desain dan pemilihan kunci poros.
Tipe kunci atau tipe sambungan biasanya dipilih pada tahap konseptual akhir atau tahap embodimen awal dari desain produk. Namun selama konfigurasi desain atau tahap desain detail dari desain produk, sambungan kunci harus dievaluasi untuk kegagalan stres geser dan kompresi.
Jenis Kunci
Ada empat kelompok utama kunci poros yang tersedia, yaitu, kunci tenggelam, kunci selang, kunci spanyol, dan kunci bundar. Setiap memiliki karakteristik dan kapasitas penahan beban yang berbeda; oleh karena itu kunci poros yang benar harus dipilih untuk aplikasi berdasarkan karakteristik dan manfaatnya.
| Tipe kunci | Penggunaan kunci poros |
| Kunci tenggelam | Kunci persegi panjang | Kunci persegi panjang biasanya digunakan untuk diameter poros antara 1” (25 mm) dan 20” (500 mm) |
| Secara umum, ini memiliki efek yang lebih rendah pada poros karena kedalaman saluran kunci yang dangkal |
| Kunci persegi | Kunci persegi digunakan jika kedalaman kunci yang lebih dalam diperlukan untuk mentransfer torsi. Namun pastikan poros yang melemah dapat menopang beban. |
| Kunci persegi digunakan untuk poros dengan diameter hingga termasuk 1” (25 mm) |
| Kunci tenggelam paralel | Kunci tenggelam paralel banyak tersedia dan salah satu yang paling mudah dipasang |
| Jika memungkinkan, gunakan baut set di hub untuk menahan agar tidak meluncur keluar selama operasi |
| Kunci tenggelam kepala gib | Ini sangat mirip dengan kunci persegi panjang/paralel, tetapi lebih mudah dilepas karena kepalanya |
| Kunci pena | Kunci pena memungkinkan hub untuk bergerak secara aksial sambil mentransfer torsi rotasi |
| Kunci Woodruff | Gunakan untuk beban rendah dan dapat menampung koneksi poros/hub yang taper. |
| Kunci selang | Gunakan hanya untuk beban arah satu yang sangat ringan |
| Kunci spanyol | Dapat digunakan pada aplikasi torsi besar arah dua yang lambat. |
| Tidak direkomendasikan untuk perubahan arah frekuensi tinggi |
| Kunci bundar / lingkaran | Digunakan hanya untuk torsi dan kecepatan sangat rendah |
| Dapat dipasang dengan membor dan meriam poros dan susunan hub bersama-sama |
| Diameter kunci sekitar satu kujuh dari diameter poros |
#productdesigntips
- Kadang-kadang diameter poros ditentukan oleh elemen lain seperti dayahan lentur, pemasangan bearing, dll. Dalam hal itu, kunci dapat diukur lebih kecil untuk cocok dengan torsi daripada diameter poros.
Bahan Kunci
Biasanya, kunci poros terbuat dari baja karbon sedang atau baja karat. Namun mereka dapat dibuat dari banyak jenis bahan berbeda seperti aloi aluminium, perunggu, tembaga, dan kuningan untuk lingkungan aplikasi yang berbeda. Contohnya, kunci kuningan atau perunggu untuk poros propeller laut dan baja karat untuk digunakan dalam peralatan pelayanan makanan.
Secara umum, baja kunci disediakan sesuai BS46 dan BS4235 dan adalah baja karbon sedang tidak beraloi dengan kekuatan regangan yang wajar. Baja karbon sedang tidak beraloi dengan konten karbon antara 0.25% hingga 0.60% digunakan karena kombinasi ideal kekuatan, keawetan, dan karakteristik pemesinan yang baik. Tabel berikut menyediakan daftar beberapa bahan kunci poros umum dengan Kekuatan Regangan Akhir (UTS) mereka.
| Bahan | Kekerasan Brinell | Kekuatan Regangan Akhir (Mpa) | Catatan |
| Baja Karbon | 225 - 275 | 500 | Memberikan kekuatan yang baik dan dapat diubah melalui perawatan panas untuk memberikan tingkat kekuatan atau daya tahan aus yang lebih tinggi |
| Baja Karbon Tinggi | | | |
| Baja Aloi | 300-350 | 600 | |
| Baja Kering | 650 | 650 | |
| Baja karat Martensitik | 197 | 655 | Gunakan ketika kekuatan bahan yang lebih tinggi diperlukan dalam lingkungan korosif ringan |
| Baja karat Austenitik | 212 | 240-250 | Gunakan pada aplikasi lingkungan yang sangat korosif |
| Aloi Aluminium | 30 | 120-130 | |
| Kuningan (C36000) | 60-80 | 280-320 | |
| Tembaga | 80-110 | 200 - 360 | |
| | | |
Secara umum selama perhitungan kekuatan tekan dan geser yang diizinkan dihitung dari UTS menggunakan faktor keamanan yang sesuai dan teori kegagalan seperti teori stres geser maksimum.
#productdesigntips
- Grade baja yang paling populer adalah AISI 1045 (ekivalen C45, EN8, 080M40), yang dapat dikeringkan dengan memanaskan bahan hingga sekitar 820-850C (1508 -1562 F) untuk meningkatkan UTS.
- Pastikan korosi galvanik dipertimbangkan jika Anda menggunakan bahan lain.
- Kunci yang diproduksi menggunakan standar Inggris harus diproduksi dari baja yang memenuhi BS 970 dengan kekuatan regangan tidak kurang dari 550 MN/m2.
Tipe Beban
Kadang-kadang kegagalan dini terjadi meskipun kunci poros terlalu besar untuk torsi maksimum yang ditransfer. Ini disebabkan oleh tipe beban yang tidak terduga seperti getaran, dampak atau gaya yang diinduksi oleh rotasi arah dua. Motor kecepatan variatif juga mengalami fluktuasi beban selama fase percepatan dan perlambatan di mana gaya pada kunci berubah.
Meskipun sebagian besar kunci tidak cocok untuk beban arah bergantian (perubahan arah rotasi dari CW ke CCW atau sebaliknya), saluran kunci masih digunakan dalam aplikasi tersebut. Jika arah tidak berubah dengan sering, saluran kunci dapat digunakan dengan aman tetapi pertimbangan yang hati-hati harus diberikan pada beban fatigue dan torsi percepatan.
\(T_m = (T_L + T_a) \)
\(T_a = JA\)
- \(T_m \) – Torsi total yang diperlukan
- \(T_L \) – Torsi beban
- \(T_a \) – Torsi percepatan
- \(J \) – Momen inersia
- \(A \) – Laju percepatan
Jika ada beban getaran aksial atau radial pada elemen yang dihubungkan, maka hati-hati harus diberikan untuk mendukung beban getaran aksial dan radial eksternal. Ini untuk memastikan kunci hanya mentransfer torsi dalam arah rotasi.
#productdesigntips
-
- Tempatkan saluran kunci seiring dengan gaya radial yang bekerja pada elemen.
- Sebagian besar kunci tidak cocok untuk beban arah bergantian dan getaran.
Pas yang Benar
Penting untuk memiliki pas yang benar antara saluran kunci poros, kunci dan saluran kunci hub. Standar seperti BS 46, ANSI B17.1-1967 atau JIS B 1301-1996 menentukan ukuran dan toleransi kunci dan saluran kunci.
Secara umum, ada dua kelas bahan yang tersedia untuk kunci tenggelam terutama kunci paralel. Semua standar mengakui ini dan menentukan toleransi saluran kunci sehingga seseorang dapat memiliki dua hingga empat kelas pas.
Empat kelas pas yang dibahas dalam standar ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan yang bervariasi sebagai berikut:
Pas longgar/free fit – Ini adalah pas yang relatif longgar di mana hub perlu meluncur di atas kunci saat digunakan dan hanya berlaku untuk kunci paralel. (Menggunakan bar stock kunci dan toleransi keyseat)
Pas normal/side fit – Ini adalah pas yang relatif ketat di mana kunci dimasukkan ke dalam saluran kunci dengan pemasangan minimum, seperti yang diperlukan untuk rangkaian produksi massal.
Pas ketat/close fit – Di mana pas kunci yang akurat diperlukan. Dalam kelas ini, pemasangan akan diperlukan di kondisi maksimum bahan, dan jika diperlukan untuk mendapatkan kondisi ini beberapa seleksi komponen mungkin diperlukan.
Pas penuh/interference fit – di mana pas diperlukan sehingga tidak ada kemungkinan longgar antara kunci dan saluran kunci di poros dan hub. Dalam kelas pas ini, pemasangan tangan akan diperlukan.
Spesifikasi kunci & saluran kunci
Pas akan mempengaruhi umur saluran kunci dan faktor berikut harus dipertimbangkan selama perhitungan. Korosi aus akibat lenturan berputar dan/atau osilasi torsional telah terbukti dalam banyak uji daya tahan dan biasanya faktor krusial yang menyebabkan kegagalan sambungan poros-hub.
Fatigue & faktor keamanan umur
Seperti perhitungan mekanik lainnya, faktor keamanan adalah elemen kunci dalam perhitungan, spesifikasi dan desain sambungan kunci dalam transmisi daya mekanik. Hubungan antara stres yang diizinkan dan kekuatan leleh minimum yang ditentukan sesuai kode AISC adalah Tension
Tension – \(0.45Sy < Sa < 0.6Sy \) Shear stress – \(τ_s = 0.4Sy \) Bearing /Compressive – \(Sa = 0.9Sy \) Bending – \(0.6Sy < Sa < 0.75 Sy \)
Kekuatan Torsi Poros
Penting untuk diingat bahwa setiap saluran kunci akan mengurangi kekuatan torsi poros karena konsentrasi stres di sudut saluran kunci dan pengurangan luas penampang poros. Meskipun diasumsikan bahwa kekuatan poros padat berkurang 75%, secara teoritis dapat dihitung menggunakan persamaan H. F. Moore untuk faktor kekuatan poros. Ini adalah rasio kekuatan poros, dengan dan tanpa saluran kunci.
\(e =1–0.2(w/d)–1.1(h/d)\)
\(e\) – Faktor kekuatan poros \(w\) – Lebar saluran kunci \(d\) – Diameter poros \(h\) – Kedalaman saluran kunci (= Ketebalan kunci (t)/2)
Faktor konsentrasi stres fatigue \(K_ft\)untuk saluran kunci seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah untuk tipe saluran kunci umum Sled-runner (a) dan Profile keyway atau end milled (b).
- Sled-runner – 1.44
- Profile keyway atau end milled – 1.68
Kegagalan Kunci Poros
Kegagalan sambungan kunci yang potensial termasuk yielding, ductile rupture, fatigue dan fretting fatigue dari kunci atau saluran kunci poros. Sering menguntungkan untuk menempatkan sambungan kunci sehingga akan mengorbankan dirinya sendiri dan memotong dengan ductile rupture dalam hal melebihi beban torsi. Menggunakan kunci sebagai sekring yang murah untuk melindungi elemen mesin yang mahal.
Pengukuran Kunci
Ada dua jenis gaya yang bekerja pada kunci akibat pemasangan dan transmisi daya. Gaya tekanan (f1) yang diinduksi oleh pemasangan kunci yang erat sangat sulit untuk ditentukan dan jika toleransi yang benar digunakan sesuai standar, maka ini akan relatif lebih kecil.
Gaya F diinduksi pada sisi kunci seperti yang ditunjukkan karena torsi yang ditransmisikan dan menghasilkan baik stres geser maupun stres kompresi. Hasilnya dua jenis mekanisme kegagalan berikut.
- Kegagalan geser
- Gaya tekanan kompresi
Stres kompresi pada bidang kontak
\(S_c= 4T/dhl\)
Stres geser rata di bidang geser dihitung
\( τ_s= 2T/dwl \)
Dimana
- \(T\) – Torsi
- \(d \)– diameter poros
- \(w\) – lebar kunci
- \(l\) – Panjang kunci
- \(τ_s\)– Stres geser rata
- \(S_c\) – Stres kompresi pada bidang kontak
Panjang kunci yang diperoleh dapat didapatkan menggunakan teori stres geser maksimum atau dengan menetapkan stres rata sama dengan stres geser yang diizinkan.
Torsi yang diizinkan desain dapat dihitung dari persamaan di atas.
\( T_k \) = \(τ_sdwl/2\)
Dimana \(τ_s\) adalah stres geser yang diizinkan desain untuk mode kegagalan yang berlaku. Dari desain poros, torsi yang diizinkan desain dapat ditemukan menggunakan rumus berikut
\(T_s = πd^3 τ_d/16 K_f\)
Jika kunci dipilih untuk memiliki stres yang diizinkan desain yang sama dengan poros maka panjang kunci dapat ditemukan menggunakan rumus berikut
\( T_k = T_s \)
\( Le = π d^2 / 8wK_f\)
Dimana
- \(T_k\) – Torsi yang diizinkan untuk kunci
- \(T_s \)– Torsi yang diizinkan untuk poros
- \(L_e\) – Panjang kunci efektif
- \(K_f \)– Faktor konsentrasi stres fatigue
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.
