ULIR PENGGERAK ( POWER SCREW )

Ulir penggerak digunakan untuk meneruskan gerakan secara halus dan merata, disamping itu juga untuk menghasilkan gerakan linier yang berasal dari gerakan rotasi ( memutar ). Kinematika ulir penggerak sama dengan baut dan mur, bedanya terletak pada bentuk geometrisnya. Ulir penggerak mempunyai geometris yang aplikasinya menghasilkan gerakan oleh karena itu termasuk alat penggerak (motion devices), sedangkan mur-baut mempunyai geometris yang aplikasinya sebagai pengikat dua bagian benda (as fastening devices).

           

                               Gambar 1 Batang ulir penggerak                            

 Gambar 2 Mesin pres manual

                                       Gambar 3 Batang dan mur ulir penggerak                

                                                  Gambar 4 Screw pump

Gambar 5 Ulir penggerak pada mesin bubut

Gambar 6 Ulir penggerak pada mesin milling

Secara umum ulir penggerak mempunyai efisiensi antara 30 s/d 75 %, tergantung pada sudut helix dan koefisien gesek antara ulir pada batang dengan ulir pada mur. Bila diinginkan efisiensinya naik sampai 90%, maka digunakan sistem ulir “ ball screw “ , system ini biasa dipakai untuk mekanisme steer mobil (the steering mechanism of auto mobile).

Gambar 7 Ball Screw

Gambar 8 Skema ball screw

1. Beberapa Tipe Aplikasi Ulir Penggerak

1.      Dongkrak untuk mobil  ( automobile jack ).

2.      Ulir penggerak pada mesin bubut ( lead sdrew for lathe)

3.      Ulir penggerak pada mesin Pres (srew type presser)

4.      Penggunaan pada alat pemegang ( c-clamps)

5.      Katup uap ( valve steam)

6.      Tempat tidur di rumah sakit ( hospital bed ) ,

7.      Pompa ulir (srew pump) dll.

 

2. Bentuk Ulir Penggerak dan Standarisasi

Bentuk-bentuk  yang dipakai untuk ulir penggerak adalah :

1.      Acme Screw Threads

2.      Stub Acme Threads

3.      6o deg. Stub Acme Screw Threads

4.      Modified Square Threads

5.      Buttress Threads

Spesifikasi untuk ulir-ulir tersebut distandardkan  oleh ANSI Standard tahun 1972, seperti : Acme Threads-ANSI Standard B 1,5 ; Stub Acme Threads-ANSI Standard B 1,8  ;  Buttress Threads -ANSI Standard B 1,9.

2.1. Acme Standard

Tipe ini adalah tipe yang pertama kali dari ulir penggerak, yang dibuat dengan mesin perkakas, tipe ini dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu :

1. Untuk penggunaan secara umum (general purpose)

2. Untuk ulir yang memusat (sentralising threads), tipe ini mempunyai

    toleransi tertentu antara diameter mayor ulir pada batang dengan ulir

    pada mur-nya.

2.2. Stub Standard

Tipe ini mempunyai ulir yang kasar dan dangkal dan membutuhkan heat treating. Tipe ini hanya mempunyai satu kelas 2G untuk penggunaan umum.

2.3.The 60-deg Stub Acme Threads

2.4. SquareThreads and Modifed Threads

Square Threads juga dikenal sebagai “The Sellers Threads. Dilihat dari bentuk ulirnya maka ulir ini lebih efisien dari ulir lainnya, tetapi punya kelemahan dalam hal keuntungan mekanis. Oleh karena itu diadakan modifikasi menjadi tipe Modified SquareThreads. Modifikasi ini dapat memperbaiki kelemahan mekanis.

2.5. Buttress Threads

Tipe ini termasuk ulir penggerak yang hanya mampu menahan beban satu arah saja, lebih kuat dari tipe-tipe lainnya,

3. Beberapa Definisi

Sebelum memasuki pembahasan lebih lanjut, perlu diketahui beberapa istilah atau definisi yang ada pada ulir penggerak.

1.        Pitch ( p ) :

Jarak aksial antara satu elemen ulir dengan elemen ulir berikutnya.

2.        Lead ( L ) :

Jarak aksial antara satu elemen ulir dengan elemen ulir berikutnya setelah elemen

ulir tersebut berputar 360^o atau satu putaran.

Bila ulirnya tunggal, maka lead sama dengan pitch

Bila ulirnya ganda, maka lead sama dengan 2 pitch, dan seterusnya.

Secara umum dapat dirumuskan sebagai berikut :

L = n. p                    ( n = jenis ulir : tunggal, ganda, tripel dsb.)

3.        Helix angle ( sudut helikal , a ) :

Sudut antara garis menyilang tegak lurus sumbu , atau bidang tegak lurus sumbu normal dengan kemiringan berputarnya satu ulir.

4. Analisa Tegangan pada Ulir Penggerak 

  Bila ingin mengetahui kekuatan ulir penggerak maka perlu diadakan analisa terlebih dahulu terhadap macam-macam tegangan yang timbul pada ulir penggerak. Tegangan utama yang terjadi pada ulir penggerak adalah :

1. Tegangan Bearing                   4. Tegangan Tarik
2. Tegangan Bending                  5. Tegangan Kombinasi
3. Tegangan Geser                      6. Tegangan Tekuk (buckling stress)

5. Torsi untuk Ulir Penggerak

Berikut ini adalah contoh ulir penggerak untuk dongkrak (screw jack). Plat form bagian atas penyangga beban sebesar W. Plat form ini dibagian pinggirnya terdapat roller yang menghubungkan dengan dinding sampingnya. Karena menahan beban, plat form dan batang ulirnya tidak dapat berotasi pada sumbunya, tetapi dapat bergeser naik dan turun tanpa gesekan karena ada roller

Untuk menaikkan dan menurunkan plat form dan batang ulir penggerak dilaksanakan dengan memutar mur / nut yang bergeser di atas “ collar thrust “ (penyangga), disamping itu antar ulir batang dan nut juga terjadi gesekan.

Bila gaya yang dipergunakan untuk memutar nut adalah f yang bekerja pada “ mean dismeter ‘ ( r_m ) untuk melawan beban W tersebut, maka besarnya torsi yang diperlukan adalah :

Dimana : F = F_f Cos α + Fn Cos θ_n Sin α

             

Jadi

T_R = r_m (F_f Cos α + Fn Cos θ_n Sin α)

Dimana : F_f = fs . Fn

T_R = r_m (fs.Fn.Cos α + Fn Cos θ_n Sin α)                       

Torsi tersebut adalah torsi yang dibutuhkan untuk memutar mur melawan gesekan antar  ulirnya sendiri, sedangkan pada mur juga terjadi gesekan dengan “ collar thrust”. Bila koefisien gesekan adalah fc, jari-jari rata-rata collar  adalah r_mc, maka gaya gesek pada mur dan collar yang ditimbulkan oleh beban W adalah fc.W , sehingga torsi yang yang dibutuhkan untuk melawan ini adalah : r_mc. fc. W

Sehingga total torsi yang diperlukan adalah :

T_R = r_m (fs. Fn Cos α + Fn Cos θn  Sin α ) + r_mc.fc.w      

Dimana : TR = torsi yang diperlukan untuk menaikkan ulir, lbf.in

W = beban (lbf)

r_m = d_m/2  dan  r_mc = d_mc/2

d_m = diameter rata-rata ulir

fs = koefisien gesek ulir, dan fc koefisien gesek antara collar dan support

tan θ_n = BC/OB dan BC=AE=OA tan θ = OB.Cos α. tan θ

tan θ_n = Cosα. tan θ

Dalam apalikasi, α relative kecil sehingga Cos α ≈ 1  , dan tan θ_n = tan θ, dengan demukian maka dapat dianggap θ_n = θ 

                 

Bila dalam aplikasi, dimana pada collar dipergunakan : ball atau roller thrust bearing, maka koefisien gesek fc dapat dianggap sama dengan nol, sehingga dmc. Fc w/2 menjadi nol, dengan demikian suku dapat dihapus dari persamaan tersebut, sehingga torsi yang dibutuhkan menjadi lebih kecil atau ringan. Besarnya koefisien gesek fs dan fc dapat dilihat pada Tabel 2

Tabel 2. Koefisien gesek fs dan fc

Srecw Material	Steel	Brass	Bronze	Cast Iron
Steel (dry)	0,15 – 0,25	0,15 – 0,23	0,15 – 0,19	0,15 – 0,25
Steel (lubricated)	0,11 – 0,17	0,10 – 0,16	0,10 – 0,15	0,11 – 0,17
Bronze	0,08 – 0,12	0,04 – 0,60		0,06 – 0,09

Catatan :

1. Pada saat start, koefisien gesek yang diambil 1,33 kali dari fs dan fc yang ada dalam table.
2. Koefisien gesek yang rendah, disarankan diambil untuk operator yang kemampuanny (skill) tinggi dan angka yang beasar, untuk operator skill rendah.