Isi: Crankshaft
- Apa itu Crankshaft?
- Bahan dan pembuatan Crankshafts
- Diagram poros engkol
- Prosedur Perancangan Crankshaft
- Defleksi Crankshaft
- Plotting Kurva Defleksi Crankshaft
- Studi Kasus Kegagalan Crankshaft Laut
- Analisis Kegagalan Crankshaft Boxer Diesel: Studi Kasus
- Analisis Kegagalan Crankshaft: Tinjauan
- Kegagalan Crankshaft Mesin Diesel: Studi Kasus
Apa itu poros engkol?
Sebuah poros engkol dapat digambarkan sebagai komponen yang digunakan untuk mengubah gerakan bolak-balik piston ke poros menjadi gerakan berputar atau sebaliknya. Dengan kata sederhana, ini adalah poros dengan sambungan engkol.
Crankshaft tipikal terdiri dari tiga bagian:
- Bagian poros yang berputar di dalam bantalan utama.
- Crankpins
- Lengan engkol atau jaring.
Ini dikategorikan dalam dua jenis sesuai posisi engkol:
- Poros engkol samping
- Poros engkol tengah
Poros engkol selanjutnya dapat dikategorikan dalam poros engkol lemparan tunggal dan poros engkol multi lemparan tergantung pada no. engkol di poros. Poros engkol yang hanya memiliki engkol tengah atau engkol satu sisi berhak disebut poros engkol sekali lempar. Sebuah poros engkol dengan 2 atau beberapa engkol tengah atau engkol samping '2', '1' pada setiap ujungnya dikenali sebagai “poros engkol multi-lempar”. Konfigurasi Side crank mencakup kesederhanaan geometris, relatif sederhana untuk dibuat dan dirakit. Mereka dapat digunakan dengan bantalan geser sederhana dan relatif lebih murah daripada poros engkol tengah.
Konfigurasi engkol tengah memberikan stabilitas dan keseimbangan gaya yang lebih baik dengan tekanan rendah yang diinduksi. Biaya pembuatannya tinggi, dan bantalan batang penghubung terpisah diperlukan untuk perakitan. Aplikasi yang membutuhkan banyak piston yang bekerja dalam fase, poros engkol multi-lemparan dapat dikembangkan dengan menempatkan beberapa pusat engkol berdampingan, dalam urutan yang ditentukan, di sepanjang garis tengah rotasi yang umum. Lemparan diindeks secara rotasi untuk memberikan pentahapan yang diinginkan.
Mesin pembakaran internal multi-silinder seperti Mesin Inline dan V-series menggunakan poros engkol multi-lempar. Semua jenis poros engkol Alami gaya dinamis yang dihasilkan oleh pusat massa eksentrik yang berputar di setiap pin engkol. Seringkali perlu untuk memanfaatkan penyeimbang dan penyeimbangan dinamis untuk meminimalkan gaya gemetar, upaya traksi, dan pasangan bergoyang yang dihasilkan oleh gaya inersia ini.
Bahan dan pembuatan Crankshafts:
Crankshaft sering mengalami guncangan dan kondisi pembebanan lelah. Dengan demikian, bahan poros engkol harus memiliki ketangguhan yang lebih tinggi dan ketahanan yang lebih baik terhadap kelelahan. Mereka biasanya produk dari baja karbon, baja tertentu atau bahan besi tuang. Untuk Mesin yang digunakan dalam industri, poros engkol umumnya dibuat dari baja karbon seperti 40-C-8, 55-C- 8 dan 60-C-4.
Pada mesin angkut, baja mangan yaitu 20-Mn-2, 27-Mn-2 dan 37-Mn-2 biasa digunakan untuk pembuatan poros engkol. Pada mesin aero, baja nikel-kromium seperti 35-Ni-1-Cr-60 dan 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 umumnya digunakan untuk pembuatan poros engkol.
Poros engkol biasanya diselesaikan dengan proses penempaan atau pengecoran jatuh. Pengerasan permukaan crankpin diselesaikan melalui proses karburasi casing, proses pengerasan nitridasi atau induksi. Bahan poros engkol yang dipilih harus memenuhi persyaratan kekuatan struktural dan persyaratan keausan lokasi bantalan.
Pada aplikasi poros engkol yang khas, selongsong lunak dan ulet dipasang ke batang penghubung atau rangka, sehingga bahan poros engkol harus memiliki kemampuan untuk menyediakan permukaan yang keras di lokasi bantalan. Banyak material dapat memenuhi persyaratan kekuatan struktural, tetapi memberikan ketahanan aus di lokasi bantalan mempersempit daftar kandidat yang dapat diterima.
Karena geometri asimetris, banyak poros engkol telah diproduksi dengan cara menuang atau menempa "blank", untuk dikerjakan nanti. Pengelasan built-up digunakan di beberapa aplikasi. Secara tradisional, besi tuang, baja tuang, dan baja tempa telah digunakan untuk poros engkol. Penggunaan permukaan bantalan yang dikarburasi dan dikeraskan secara selektif juga setiap hari.
Prosedur Perancangan Crankshaft
Prosedur selanjutnya harus diikuti untuk desain.
- Hitung besarnya beban yang berbeda yang bekerja pada poros engkol.
- Menurut bebannya, hitung jarak antara struktur dan posisi pendukung.
- Untuk desain yang sederhana dan aman, poros harus didukung di pusat bantalan dan semua gaya dan reaksi harus dilakukan pada titik-titik tersebut. Jarak antara penyangga bergantung pada panjang bantalan, yang biasanya bergantung pada diameter poros pada tekanan bantalan yang dapat ditoleransi.
- Ketebalan jaring diharapkan dari 0.4ds sampai 0.6ds, dimana “ds” adalah diameter poros. Biasanya dianggap sebagai 0.22 * D hingga 0.32 * D, di mana D adalah diameter lubang silinder dalam mm.
- Di sini dan sekarang perkirakan jarak antara struktur pendukung.
- Dengan asumsi tegangan tekuk dan geser yang dapat diterima untuk material poros engkol, tentukan dimensi poros engkol.
Defleksi Crankshaft
Poros engkol terdiri dari segmen poros utama, yang diperkuat secara individual oleh bantalan utama, dan kemudian beberapa poros web tempat batang penghubung piston tertentu akan berputar. Engkol lempar yang merupakan pin engkol dan lengan penghubung harus persegi tanpa defleksi. Jika bukan ini masalahnya, ini menyebabkan keausan yang tidak biasa pada bantalan utama. Sebuah pengukur dial mendeteksi ketidaksejajaran poros engkol antara lengan engkol. Ini adalah keausan yang tidak rata yang terjadi antara beberapa segmen poros tengah poros engkol.
Plotting Kurva Defleksi Crankshafts
- Dari garis tengah poros engkol, Sebuah garis lurus ditarik sejajar dengannya, dan kemudian garis tegak lurus dari setiap unit ditarik ke arah garis paralel ini.
- Setelah mengambil defleksi poros engkol tiap unit, nilai yang diturunkan dicatat di atas setiap unit badan engkol pada grafik di atas.
- Plot jarak -5.0 mm, yang merupakan pembacaan defleksi pertama, ke bawah (untuk nilai negatif dan ke atas untuk nilai positif) dari garis referensi pada garis tengah unit dan buat garis “ab” yang bersudut proporsional defleksi pada 'a'.
- Garis ini diperpanjang untuk memotong garis tengah unit berikutnya. Langkah selanjutnya adalah menghitung defleksi dari titik sambungan ini dan menggabungkan titik tersebut dari titik sebelumnya, yang akan meningkat ke garis “bc”. Langkah-langkah tersebut harus diulangi lagi sampai selesai.
- Plotkan kurva halus antara titik-titik ini dan bandingkan posisi kurva ini sehubungan dengan garis dasar XY. Pada grafik di atas, kurva yang diambil dari pembacaan unit 1 dan 2 berada terlalu jauh dari garis dasar dibandingkan dengan kurva lainnya dan oleh karena itu perlu perhatian.
Studi Kasus Kegagalan Crankshaft Laut
Studi kasus yang dilakukan adalah tentang kegagalan tragis crankshaft web marine. Poros engkol mengalami pembengkokan dan torsi yang tinggi, dan efek gabungannya terhadap kegagalan poros engkol dianalisis. Pengamatan mikroskopis menunjukkan bahwa inisiasi retak dimulai pada filet crankpin karena pembengkokan berputar, dan perambatannya merupakan kombinasi dari pembengkokan siklik dan torsi stabil. Jumlah siklus dari inisiasi retak hingga kegagalan akhir poros engkol ditemukan dengan membaca operasi mesin utama di papan. Tolok ukur yang tersisa di permukaan retak fatik juga dipertimbangkan.
Dengan menggunakan mekanisme rekahan elastik linier, siklus yang dihitung menggambarkan bahwa perambatannya cepat. Hal tersebut juga menunjukkan tingkat tegangan tekuk yang cukup tinggi dibandingkan dengan total siklus mesin induk yang sedang bekerja. Cacat atau inklusi mikrostruktur tidak diamati; dengan demikian, ini menunjukkan bahwa kegagalan tersebut disebabkan oleh penyebab eksternal dan bukan karena kerusakan intrinsik internal.
Material poros engkol memiliki konfigurasi (42CrMo4 + Ni + V) (komposisi kimia,%: C = 0.39; Si = 0.27; Mn = 0.79; P = 0.015; S = 014; Cr = 1.14; Mo = 0.21; Ni = 0.45; V = 0.10). Poros engkol mesin utama mengalami kerusakan. Jaring engkol no. 4 telah rusak. Material yang berada di dekat daerah inisiasi retak dianalisis dan menunjukkan struktur mikro bainitik. Materi memiliki kekerasan vickers285.
Kelelahan terlihat seperti pada dua permukaan yang berbeda, satu vertikal ke poros engkol dan yang lainnya pada bidang horizontal dengan poros engkol dengan zona pergantian di antara dua bidang. Jadi, kegagalan tragis dari poros engkol laut di atas adalah karena kelelahan dan dikombinasikan dengan pembengkokan-putar dengan torsi stabil. Penelitian dan observasi serta pengembangan poros engkol baru sedang berlangsung untuk menghindari jenis kegagalan ini.
Referensi:
Fonte MA, Freitas MM. Analisis kegagalan poros engkol mesin utama kelautan: Studi kasus, Analisis Kegagalan Teknik 16 (2009) 1940–1947
Analisis Kegagalan Crankshaft Boxer Diesel: Studi Kasus
Laporan ini membahas tentang analisis mode kegagalan poros engkol mesin diesel boxer. Poros engkol merupakan komponen yang mengalami pembebanan dinamis kompleks lebih tinggi karena pembengkokan berputar yang dilengkapi dengan torsi dan pembengkokan pada crankpin. Poros engkol dikenakan pemuatan multi-aksial. Tegangan lentur dan tegangan geser akibat puntiran dan pemuatan torsi karena transmisi daya. Poros engkol dibuat dari baja tempa, besi cor nodular, dan besi ulet aus.
Mereka harus memiliki kekuatan yang memadai, ketangguhan, kekerasan, dan kekuatan kelelahan yang tinggi. Mereka harus mudah dikerjakan dengan mesin dan dipanaskan serta dibentuk. Perlakuan panas meningkatkan ketahanan aus; dengan demikian, semua poros engkol diesel diolah dengan panas. Mereka mengeras permukaan untuk meningkatkan kekuatan kelelahan. Tekanan tingkat tinggi diamati pada zona kritis seperti jaring fillet dan efek gaya sentrifugal akibat transmisi daya dan getaran. Fraktur fatik di dekat daerah fillet web adalah penyebab utama kegagalan poros engkol sejak timbulnya retakan, dan perambatan terjadi melalui zona ini.
Spesifikasi poros engkol motor kotak adalah: perpindahan = 2000 cu. cm, diameter silinder = 100 mm, tenaga maks = 150 HP, torsi maks = 350 N m. Telah diamati bahwa setelah 95,000 km dalam pelayanan, poros engkol terjadi kegagalan. Kegagalan fatik telah terjadi pada hampir 2000 mesin yang diproduksi. Setelah analisis, telah diketahui bahwa kelemahan dari dua cangkang baja pusat dan hasil jembatan pelat dasar karena retak adalah penyebab utama kegagalan poros engkol.
Amplitudo lentur poros engkol meningkat dari kelemahan cangkang baja yang retak dan jembatan pelat dasar, yang berada di bawahnya. Jelas tidak ada bukti cacat material atau ketidaksejajaran bantalan jurnal utama. Kerusakan yang menghancurkan dari poros engkol disebabkan oleh cacat desain kerangka penyangga baja dan jembatan pelat dasar. Desain yang ditingkatkan dari pabrikan akan menyelesaikan masalah ini.
Referensi:
M. Fonte et al., Analisis kegagalan poros engkol motor diesel boxer, Analisis Kegagalan Teknik 56 (2015) 109–115.
Analisis Kegagalan Crankshaft: Tinjauan
Dalam makalah ini, akar penyebab patah tulang poros engkol kompresor udara dianalisis menggunakan berbagai metode dan parameter seperti komposisi kimia, sifat mekanik, makroskopis, karakteristik mikroskopis, dan perhitungan teoretis. Makalah ini juga bertujuan untuk memperbaiki desain, kekuatan fatik dan keandalan kerja poros engkol. Poros engkol yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja 42CrMo yang ditempa dan diberi perlakuan panas serta nitridasi untuk meningkatkan kekuatan fatik poros engkol. Prosedur analisis penyebab patah tulang poros engkol dilakukan dalam tiga bagian:
- Analisis eksperimental poros engkol
- Fitur makroskopis dan analisis struktur mikro
- Perhitungan teoritis
Analisis elemen kimia sedang dilakukan untuk menentukan secara akurat komposisi kimia bahan poros engkol dan memeriksa apakah berada di bawah nilai standar yang diizinkan. Itu dilakukan dengan bantuan spektrometer. Permukaan rekahan diklasifikasikan menjadi tiga wilayah: (1) wilayah inisiasi retak fatik, (2) wilayah ekspansi fatik dan (3) wilayah rekahan statis.
Selama analisis, ditemukan bahwa laju pertumbuhan retak fatik tinggi akibat tekukan yang tinggi. Jurnal utama yang tidak sejajar dan fillet kecil ke lubang pelumasan adalah penyebab utama pembengkokan tinggi. Retakan kelelahan dimulai di tepi lubang pelumasan dan dengan demikian menyebabkan patah. Tanda pantai yang dihasilkan karena kelebihan beban kecil karena start dan stop kompresor tidak terlihat. Pada siklus putar tertentu setelah periode kerja standar, retakan mikro akibat konsentrasi tegangan tekuk yang tinggi muncul pada fillet lubang pelumasan. Namun poros engkol masih dapat mendekati kondisi kerja normal.
Seiring dengan bertambahnya waktu operasi, fluktuasi juga meningkat, menyebabkan retakan menyebar ke daerah rekahan statis, yang menyebabkan kegagalan total. Pengamatan mikroskopis terhadap permukaan rekahan yang diukur dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), menunjukkan bahwa retakan pada tepi lubang pelumas merupakan penyebab retaknya poros engkol. Menurut perhitungan teoritis, kurva keselamatan untuk lubang pelumasan dan daerah fillet diperoleh, yang membantu mengidentifikasi bagian terlemah.
Dengan meningkatkan kualitas permukaan dan mengurangi kekasaran permukaan, maka keandalan poros engkol dapat ditingkatkan. Penjajaran jurnal utama yang tepat akan mengurangi tegangan lentur yang diinduksi dan meningkatkan umur kelelahan poros engkol.
Referensi:
W.Li et al., Analisis Kegagalan kelelahan poros engkol, Analisis Kegagalan Teknik 55 (2015) 139–147.
Kegagalan Crankshaft Mesin Diesel: Studi Kasus
Dalam makalah ini, dilakukan analisis kegagalan, modal, dan analisis tegangan crankshaft mesin diesel. Untuk mengevaluasi fraktur material poros engkol, inspeksi visual dan investigasi dilakukan. Mesin yang digunakan adalah S-4003, dan poros engkolnya pecah di dekat poros engkol empat setelah 5500 jam pengoperasian. Poros engkol rusak setelah sekitar 30 jam hingga 700 jam pengoperasian mesin. Analisis tambahan menunjukkan adanya retakan mikro di dekat poros engkol ke-2 dan jurnal ke-2. Studi tersebut menunjukkan bahwa alasan utama di balik kegagalan tersebut adalah proses penggilingan yang salah.
Untuk analisis eksperimental selanjutnya, spesimen dipotong dari bagian yang rusak. Analisis elemen Hingga non-linier digunakan untuk mengidentifikasi alasan kegagalan mendadak crankshaft. Analisis dilakukan untuk menentukan tegangan yang diinduksi pada poros akibat kondisi pembebanan siklik saat mesin bekerja pada daya maksimum.
Analisis numerik digunakan untuk mencari hubungan antara batang penghubung dan poros engkol dengan menerapkan kondisi batas yang kompleks. Untuk penentuan mode dan frekuensi getaran bebas, dilakukan analisis modal numerik poros engkol.
Setelah dilakukan analisis diketahui bahwa nilai tegangan pada fillet crankpin no.4 sebesar 6% dari tegangan leleh material crankshaft. Analisis modal memberikan hasil bahwa selama mode kedua dari getaran bebas, daerah tegangan tinggi ditemukan di daerah di mana terjadi retakan (zona kritis).
Pada pengamatan lebih lanjut, diketahui bahwa kerusakan poros engkol terjadi akibat getaran resonansi yang ditimbulkan akibat ketidakseimbangan massa pada poros, yang menyebabkan kondisi tegangan siklik yang tinggi sehingga menyebabkan umur kelelahan poros engkol berkurang.
Referensi:
Lucjan Witek et al., Investigasi kegagalan poros engkol mesin diesel, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369–376
