STAKAAN I.SIPAN VA
1
r
TIMUR
ELEMEN.ELEMEN MESIN
DALAM PERANCANGAN MEKANIS PERANCANGAN ELEMEN MESIN TERPADU
Buku 2
Robert L. Mott, P.E. University of Dayton
Penerbit AN Dl Yogyakarta
M
ILIK
Badan Perpusta&*oo dan He,rrsipan
Prepinsi Jaza
3ue
Tins
4-/ Aev7f,/ zvto
ELEMEN-ELEMEN MESIN DALAM PERANCANGAN MEKANIS - EDISI4 .ludul Asli: MACHINE ELEMENTS lN MECIIANICAL DESIGN By: Rolre rt L. Mott, P.E.
Original English editiorrCopyright(O2004byPearsonEduc.rtion, Inc.,Uppgl$lddlelliver;NewJersey07458.
Nlodifikasi Desain Sampul
Ir. Rines M.T; lL. F.X. Agus Unggul S.rntoso; Wibowo Kustt.rndorro S.T., M.T; Ir. F-A. Ruscli Samtr.rda M.T IGusti Ketut Puja S.T., M.T.; Drs. A Teguh Siswarrtoro I\1.S. Dwi Pralrantini Deddy Harmoko Deddy l{.rrnroko
Korektor
Suci Nurasih/Aktor Sadewa
Peneriernah Ed i tor Setting
AII Rights Reserved. No part of this book nr.ry lre reproduce(l or tmnsnritted in .rny form or lry any nreans, electrcnic or nrechanical, irrcluding plrotocopying, recorrling orby any information storage retrieval systenr, witlrout permission fronr Pulrlisher. Etlisi lrah.rsa Irrdonesia ditertritk.rn oleh Penertrit ANDI
('opyright ,
2009
Perpustakaan Nasional: Katalog dalam Terbitan
Robert L. Mott, P.E. Elemen-Eleman Mesin dalam Perancangan Mekanis/Robert L. Mott, P.E; Diterjemahkan oleh: Ir. Rines M.T; Ir. F.X. Agus Unggul Santoso; Wibowo Kusbandono S.T., M.T; Ir. F.A. Rusdi Sambada M.T; I Gusti Ketut Puja S.T., M.T.; Drs. A Teguh Siswantoro M.S.
-
Ed.
I. - Yogyakarta: ANDI
77-16-15-14-13
18
12-11_-10-09
xii + 250 hlm: 20 x 28 cm. 109 ISBN: 978.979.29.0683.7 (jilid lengkap)
lSaN: 978-979.29-0685-, (buku 2)
L. I. II.
Machine Design Mott, Robert L. Prabantini, Dwi
IIL Title DDC'27:621875
Tcga ngo
n
G e b tr
ttrlutt lct r t
L it
t':,.,:,'
ill
Kata Pengantar Tujuan buku ini adalah untuk mernberikan konsep, prosedur, data, dan teknik-teknik analisis yang diperlukan rrntuk ltlL'raltcaltg elenren-elenrert nresirr ),ang secara unrurl dijunrpai dalarl peralatan dan sistern nrekanis. Para nralrasislva yang akan nrenyelesaikan nrata kuliahnya dengan rnerlpela.iari buku ini dilrarapkan nlarnpLl rnelaksanakan perancanganperancangan arval untuk elenren-elernen mesin darr selarr-iutnya rnengintegrasikarr elernerr-elenren tersebut ke dalarn :ebuah sistenr yang tersusun dari beberapa elernen. Mengingat elemen-elerren tersebut bekerja santa dalarl rnerlbentuk sebualr sistern, nraka proses ini mentellukan sebuah peftimbangan terhadap syarat-syarat unjuk keria rnasing-rnasing elenrerr dan keterkaitan antarelenren. Sebagai ;ontoh, sebuah roda gigi harus dirancang untuk ntentrarrsrrisikan daya dengarr kecepatan teftentLl. Perancangan ini :neliputi penetapan jLrnrlalr gigi,.iarak baui, bentuk gigi, lebar rnuka. cliarueter jarak bagi, bahan, dan nretode perlakuan f,anasnya. Tetapi perancangan roda gigi juga meurengaruhi dan diperrgaruhi oleh roda gigi pasangannya, poros yang :nerttbawa roda gigi tersebut, dan lingkungan di sekitar tetnpat roda gigi tersebut akan dioperasikan. Terlebilr lagi, poros roda gigi harus ditumpu dengan bantalan-bantalan yang harus diletakkan di dalaur rurnah mesin. Dengan denrikian, rerallcang lrarus tetap menrikirkan sistenr ini secara ntenyelurulr ketika sedang nrelakr.rkan perancangan telhadap nrasing:nasing elenren penyusunnya. Dengan cara inilah, buku ini al
Buku ajar ini dirancang untuk rnengkaji kepelluan-kepcrluan dalam perancarrgan rnekanis yarrg praktis. Penekanatr Jiberikan pada penggunaan bahan-bahan dan proses-proses yang telalr tersedia serta berbagai pendekatan perancangan ;'ang sesuai untuk urencapai hasil perancangan yang anran dan efisien. Siapa pun yang rnenggLrnakan buku ini dianggap :cbagai perancang, yaitu orang yang beftanggung jawab atas penentuan konfigurasi sebuah nresin atau sebualt bagian inesin. Untuk nrenrbuat berbagai keputusan perancangan, sen'lua persanraan, data. dan prosedur.prosedur perancarlgan r artg diperlukan ditunjukkan di rnanapun digurrakan. Para nrahasiswa yang rnenggunakan buku ini dianggap telalr nrernpunyai latar belakang yang baik dalarn bidang ilnru statika, kekuatan bahan, aljabar perguruan tinggi, dan trigononretri. Walaupun bukan keharusan, pengetaltuan tttengenai *irtenratika, nrekanisrne industri, dinamika, bahan-bahan dan proses-proses uranufaktulakan lebih banyak nrerttbantu. Beberapa hal penting rnengenai buku ini di antaranya adalah:
l. .1.
6.
Buku ini dirancang untuk digunakan dalam mata kuliah ar.val mengenai perancangan nresin di tingkat prasarjana. Daftar pokok-pokok bahasan yang luas akan nrenrberikan peluang bagi tenaga pengajar untrrk nrenentukarr pokokpokok bahasan dalanr perancangan rnata kuliah. Forntat yang diberikan.juga sesuai untuk dua ntata kulialt terkait yang berurutan dan dapat dipakai sebagai rujukan dalanr pelatilran-pelalihan proyek perancangan rtrekanis. Para nrahasiswa diharapkan rnampu nrernperluas upaya-upaya nrereka untuk rnenuju ke pokok-pokok bahasan yang tidak termasuk dalarn instruksi di dalam ruang kelas, karena penjelasan-penjelasan mengenai prinsip-prirrsipnya dibuat beryerak maju dan ntencakup banyak contolr soal. Penyajian bahan yang praktis dirnaksudkan untuk mernpennudah pernbuatan keputusan-keputusan perancangan dart dapat dinranfaatkan oleh perancang-perancang yang sedang melakukan pt'aktik perancarlgan. Buku ini menganjurkan dan mempefiunjukkan penggunaan spreadsheet konrputer untuk kasus-kasus yang nrernerlukan prosedur penyelesaian yang lama dan rnelelalrkan. Dengan rnenggunakan spreadsheet, perancang berpeluang untuk membuat keputusan dan melakukarr perubahart data pada beberapa bagian dan korrtputer akan melakukan senrua perhitungan. Lihat Bab 6 mengenai kolonr, Bab 9 nrengenai roda gigi lulus, Bab l2 nrengenai poros, Bab I 3 mengenai suaian susut tekan, dan Bab I 9 rnengenai perallcangan pegas. Perangkat Iunak perhitungan berbantuan komputer lainnya dapat juga digunakan. Ruiukan-rujukan ke buku-buku, standar-standar, dalr artikel-artikel teknik lainnya dapat menrbantu tenaga penga.iar' dalatn menyajikan pendekatan-pendekatan alternatifatau untuk nreurperdalarn penrahanran. Daftar situs internet yang berhubungan dengan pokok-pokok bahasan di dalanr buku ini diberikan pada bagian akhir dali sebagian besarbab untuk nrerrrbantu para penrbaca rnenenrukan infornrasi atau datatarnbahan rlengenai produkproduk konrersial.
iv
Elcrnen-Elenren Mesin dalont Perctncangdn l,lekanis
Selain penekanan pada perancangan yang murni untuk elenien-L.lenren lnr'silr. banyak pembahasan yang diberikan nrelingkupi elenren-elenren dan peralatan-pelalatan yang tersedia secar.i krrr)rersial. l lal ini nrengingat banyak ployek perancangan ntenterlukan sebuah kontbinasi baru yang lebilr optinral. bagian-basian rnesin yang dirancang secara klras, dan konrponen-konrponen yarrg sebaiknya dibeli. 9. Untuk beberapa pokok bahasan difokuskan urrtuk rnernbantu perancang Jlllnr nrenrilih kornponen-konrponen yang tersedia secara kourelsial sepefii bantalan gelincling, kopling llc'ksibel. sc'krtip bola. nrotor listrik, transnrisi sabuk, transnrisi rantai, kopling tidak tetap, dan renr. t0. Perhitungan dan penyelesaian soal di dalanr buku irri menggunakan Sistenr Satuarr lntenrasional (SI) dan sistenr yang lazirn digunakan di A.S. (inch-pound-second) dengarr plopolsi lang harrrpir sanrir. Ruiukan vang digunakan dalarn penggunaan satuan SI adalah IEEE/ASTM-Sl-10 Stantlurtl .litt' L'.se t.,/ tlt,' ltrt.'r'rttttiottul S.s/crr o/ Unil,s (Sl)'The Nloclern Melric Systenr, yang telah menggantikan ASTM E380 dan .1.\'Sl IEEE.\ttttttlut.tl 26E-1992. ll. Dalarn sebagian besar bab, diberikan lampiran yang luas beserta tabel-trbei lang rinci untuk rtrernbantu pernbaca dalarl nrernbuat keputusar.l perancangalr yang sesunggulrrtya. derrgan hart-ra rren_gsunakan buku a.iar ini.
MDESIGN_PERANGKAT LUNAK PERANCANCAN MEKANIS YANC TERCAKUP DALAM BUKU INI Perancangan elerrrerr-elenren rnesin pada dasarnya nreliputi prosedur 1'ang Itras. perhitunean-perhitungan yang koutpleks, darr berbagai keputusan perancangan. Data harus diperoleh dari diaglanr dan tabel vang banyak sekali. Di sanrping itu, perancangan nrerupakan pekerjaan iteratif, yarrg nrcneharrrskan perancang nrelakukan percobaan dengan nrenganrbil beberapa pilihan untuk sebarang elenren tertcntu.1,ang akan rnensakibatkan terjadinya pengulangan perhitungan perancangan dengarr data yang baru atau keputusan-keputusan perancansan 1'arrg baru. Hal ini surrgguh-sunggulr dialarni khususnya untuk pelalatan-peralatan rnekanis \ans, tersusr.ln dari berbagai kornponen rrengingat keterkaitan arrtarkolnponennya harr.rs dipeninrbangkan. Perubalran-pertrbahan pada satu komporren kerap kali ntembutuhkarr perr.rbahan-perubahan pada elemen-elerren terkaitnya. Petnakaian perangkat lunak perancangan rnekanis berbantuarr kontputerdapat rnernfasilitasi proses peruncangan karena pcrangkat lunak tersebut trelaksanakan banyak pekerjaan dan hanya ntenyisakan pekeriaan dalanr hal keputusan-keputusan perancangan utanra berdasarkan kreativitas dan ketetapan perancangnya.
Pcrlu ditekanlian bahrva para pengguna peranghat lunak lionrputcr harus menrpunyai pemahaman yang rnatang nrengcnai prinsip-prinsip perancangan darr analisis teg:rngan schingga dapat nrenrberikan jaminan bahrva lieputusan-keputusan perancangan yang diantbil didasnrkan pada landasan-landnsan yang dapat dipcrcaya. Disarankan pula bahrva pcrangkat Iunali tcrscbut hanya digunalian sctelah menguasai sebuah nrctodologi pcrancangan yang diberikan, yaitu dengan tcrlcbih dulu rncmpclajarinya dcngan s:rksama dan tclah mclaksanakannya dcngan menggunakan cara-ca ra nranual.
lffi-\ T. I /- r\ I -[UJ{Utr)lL]l\ /ffi\
Di dalarn buku ini tercakup perangkat lunak perancangan nrekanis MDESIGN yang diciptakan oleh TEDATAConrpany. Dengan kebelhasilan yang diturunkan dari perangkat lunak MDESIGN rnec yang cliproduksi untuk pasar Eropa, MDESIGN versi AS mengembangkan standar darr nretode perancangan yang Iazinr digunalian cli Aurerika Utara. Banyak bantuan dalanr hal isi dan prosedur-prosedur perancangan diperolelr secara langsurrg dari bLrku ini, yang dalant bahasa aslinya ber-iudul A,lachinc Eletrrenls in Mechanicctl Design. Perangkat lunak MDESIGN dapat digunakan sebagai balran tanrbahan untuk buku ini, yaitu pokok-pokok bahasan yang rne liputi:
balok Defleksi balok Trarrsnrisi sabuk Transnrisi rantai Pasak Poros Bantalarr gelinding Bantalan perntukaan rata tetap Renr Kopling tidak Analisis tegangan
l.ingkaran Mohr
Kolom
Roda gigi lurus
Roda gigi rniring
Sekrup daya
Pegas
Sanibungan baut
Pengikat
Di dalarr buku ini, logo-logo khusus (MDESIGN) diletakkan di bagian pinggir halarnan yang isinya rnernpunyai kaitan dengan penrakaian pemngkat lunak ini. Di sarrping itu. Buku Petuniuk Penyelesaian yang nreliputi pedorran pensgunaan peran-ukat lunaknya, hanya diberikan kepada para tenaga penga.iar yang nrenggunakan buku ini dalanr kelaskelas telencana.
kan
yek ara
rng uk,
lng
KEISTIMEWAAN EDISI KEEMPAT Pendekatarr praktis untuk perancangan elenren-elernen nresin yang tidak terlepas dari perancangan-perancansan nrL.kalrs
yang rnenyeluruh di dalam edisi ini tetap dipertaharrkan dan disenrpurnakan. Se.iLrrrrlah besar penrbaruan dilakukan ternlasuk fbto-fbto baru komponen-kornponen rnesin korlersial, data perancangan yang baru untuk beberapa elernen. standar-standar baru atau revisi, rujukan-rujukan yang barLr di setiap akhir bab, daltar situs internet, dan beberapa elerlc.n baru yang lebilr lengkap. Daftar berikut merangkunr beberapa keistirlervaan dan pentbarLlan utalra pada edisi keenrpat irr
i:
an"l
Tlte
l.
Susunan tiga-bagian yang telah diperkenalkan dalarn edisi ketiga tetap dipertahankan. ' Bagian l (Bab l-{) trretnusatkan pada ka.fian ulang dan tataran penrahantan bagi pernbaca ntengenai fhlsafali perancangan, prinsip-prinsip kekuatan bahan. sifat-sifat bahan, tegangan-tegangan gabungan, perancangan
'
r
ks, itu,
bil lan
}lh larr .at1
2'
Ian larr )alt
ng an
lat alr
alr al.)
iN de
all at.)
3.
untuk.ienis penrbebanan yang beragam, serta analisis dan perancangan kolorr-kolont. Bagian II (Bab 7-15) disusun untuk ntenyajikan konsep perancangan sistern trarrsrnisi daya nrenyeluruh, yang meliputi beberapa elemen uresin utama seperti transnrisi sabuk, transnrisi rantai, roda gigi, poros, pasak. kopling tetap, sil, dan bantalan gelinding. Pokok-pokok bahasan ini sengaja dipersatukan untuk nrenekankan keterkaitan dan karakteristik rnasing-masing. Bab 15, Penyelesaian Perancangan'Iransmisi Daya, adalah pedoman ntengenai keputusan-keputusan perancangan yarrg rirrci senrisal tata letak rnenyeluruh, gambar rinci, toleransi. dan suaian.
Bagian III (Bab l6-22) rnenyajikan metode-nretode analisis dan perancalrgan beberapa elerrren rresin yang penting yang tidak berhubungan dengan perancangan transnrisi daya. Bab-bab ini dapat dicakup Lrntuk kepentingan pelnesanan atau dapat digunakan sebagai bahan rujukan untuk proyek-proyek perancangan ult.lultt. Di sini tercakup bantalan permukaan rata, elemen-elenren gerak linier, pengikat, pegas. rangka rnesin. sarnbungan baut, sarrbungan las, motor listrik, pengendali, kopling tidak tetap, dan rem. Ciri-ciri khas tampilan Cambar Keseluruhan, Antla sebagai Perancang. dan Tujuan Bab lni yang diperkenalkan dalanr edisi-edisi terdahulu tetap dipertahankan dan disenrpurnakan. Umparr balik rnengenai ciri-ciri khas tanrpilarr ini dari pengguna, baik dari para mahasiswa ataupun dari para tenaga penga.iar, sarrgat rnenrbesarkan hati. Mereka turut urentbantu pernbaca dalam nrengungkapkan pengalanran-pengalanran ntereka nrasing-ntasing dan dalant menyadarkan ketlaurpuan-kemantpuan apa sa.ia yang akan nrereka peroleh setelah metnpela.jari setiap bab. Teoriteori dari kaunt konstruktivis n.rengenai pembelaiararr nrerrdukung pendekatan ini. Secara ringkas, beberapa pokok bahasan baru atau diperbarui dari masing-rnasing bab adalah: ' Dalau Bab l, penrbahasan nrengenai proses perancangan nrekanis lebih disenrpurnakan dan beberapa fbto baru ditalnbahkan. Situs-situs internet untuk perancangan rnekanis Lrnrunr yang dapat diterapkan pada banyak bab berikutnya disuguhkan di sini. Beberapa di antaranya adalah merrgerrai organisasi-organisasi standar, perangkat lunak analisis tegangan dan basis data yang dapat ditelusuri untuk rlendapatkan berbagai produk dan layanan teknis yang luas. ' Bab 2, Bahan-Bahan dalam Pcrancangan Mekanis, lebih disenrpurnakan, khususnya dengan bahan tantbahan tnengenai petnuluran, besi ulet austemper'(ADl), ketanggulran, energi turnbukan, dan pertirrbanganpertirnbangan khusus dalarn pernilihan plastik. Sebuah subbab yang secara rrenyeluruh dikhususkan untuli pentilihan bahan-bahan telah ditambahkan. Daftar situs internet disediakan agar para penrbaca dapat mengakses data industri tnengenai kebenaran senruajenis bahan yang dibahas dalarl bab ini dengan beberapa di antaranya dilibatkan pada persoalan-persoalan praktis yang balu. ' Bab 3, sebuah kajian ulang rnengenai Analisis Tcgangan dan Dcformasi, mempunyai tarrbahan kajian ulang Inengenai analisis gaya dan penyenrpurnaan konsep-konsep nreugenai elernen-elelnen tegangan, tegangantegangan trornral gabungan, dan balok-balok dengarr l11ou1elt lengkung terpusat. ' Bab 5, Perancangan untuk Bertragai Jenis Pembebanan, secara luas telah ditingkatkan dan diserrpurnakarr dalanr pokok-pokok bahasan rnengenai kekuatan lelah, f-alsafhh perancangan, faktor-faktor perancangan,
prediksi kegagalan, ganrbaran uurun.r rnengenai perrdekatan-pendekatan statistik untuk perancangan, batasan
'ai erl rS-
'
utnuq dan akumulasi kerusakan. Pendekatan yang dian jurkarr terhadap perancangan terhadap lelah telali diubalr dari kritet'ia Soclerberg menjadi metode Gooclnun. Modifikasi rnetode Mohr ditanrbahkan untuk batang-batang yang terbuat dari bahan-bahan getas. Dalau Bab 7, transmisi sabuk sinkron ditanrbahkan, ternrasuk data perancangan yang baru untuk tingkat-tingkat daya pada rantai.
vi
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancongan Mekanis Bab 9, Perancangan Roda Gigi Lurus, disenrpurnakan densan tbto-f oto baru rnesin-rnesin pembuat roda gigi, standarAGMA yang baru untuk kualitas roda gigi, penrbalrasan r anS barLr rnengenai ukuran lirngsional kualitas roda gigi, keterangan tanrbahan nrengenai fhktor geornetri / untLrk kc'talranan terhadap cacat tnuka, inlbrnrasi peluurasan roda gigi yang Iebih banyak, dan sebuah subbab yang dikernbarrgkan secara lLtas dengan sisteur roda gigi plastik. Dalarn Bab I l, disediakan informasi baru nrengenai nal tanpa pasak Lrrrtuk hubungan-hubungart poros.ienis Ringfeder@ dan poligon serta sambungan univelsal Colnayr\r. Daltar situs irrternet yang paniang dintaksudkan untuk urenyediakan akses ke data untuk pasak, kopling tetap, satttbungan urtiversal. dan perapat. Kecepatan kritis, tin jauan-tin iauan dinarn ika lainnya, dan poros fl eks ibe I d itanr bah kan kc dalam Bab I 2 tentang Perancangan Poros. SebLrah subbab yang selnua isinya baru, Tribologi: Gesekan, Pelunrasan, dan Keausan ditanrbahkan pada Bab 16, Bantalan Luncur. Tersedia lebih banyak data tentang./hktor-./dktor 7;l'untuk bantalan-bantalan dengan pelurnasan batas. Bab l7 telah diberi judul ulang dengan Elemcn-Elerncn Gcrak Linier yang nreliputi sekrup daya, sekrup bola, dan aktuator lurus. Penyeurpurnaan pada Bab 18, perihal Pengikat, rneliputi kekuatan geser ulir-ulir, kontponen-kontponen torsi yang dialarni pengikat, dan rretode-rnetode pengencatlgan baut.
Penghargaan Penghargaan saya tu.iukan dipersernbahkan kepada senrua yang telalr bersedia uret.ubantu dalaur bentuk usul saran denti penyelnpurnaan buku ini. Saya urengucapkan terima kasih kepada staleditorial Prentice Hall Publishing Cornpany, yang telah nrenyediakar.r ilustrasi-ilustrasi dan kepada para pengguna buku ini, para tenaga pengajar dan para ntahasiswa, serta siapa saja yang telah rnerrbantu penulis untuk rnernperolelr bahan-bahan diskusi. Penghargaan yang khtrstrs ditujukan kepada telnau-tel.llan sejawat di University of Dayton, Prof-essor David Myszka, Jantes Penrod, Joseph Untener, Philip Doepker', dan Robert Wolff. Saya .juga rnengucapkan terirra kasilr kepada rnereka yang telah bersedia rnencurahkan pikirannya dalanr mengka.ii ulang edisi sebelumnya: Marian Barasclt, Iludson Valley Conrmunity College; Isrrrail Fidan. Tennesee Tech Univelsity; Paul Unangst; M ilwaLrkee Sclrool ol Engineeling; Richard Alexander, Texas A & M University dan Gary Qi, The University of Memphis. Teristinrerva saya lnengucapkan terinra kasih kepada para tnahasiswa sayayang dulu dan yang sekarang-atas pemberian senrangat dan utnpan balik yang positif terhadap bLrku ini.
Roberl L. Motl
I
\ ll
tas asi
Pengantar dari Penerbit
da
ris alt
3:ku yang ada di hadapan pernbaca ini rnerupakan terjemalran dari buku Machine Elements in Mechanical Design 4,r, :.lition, karya Robert L. Mott. Sebuah buku yang nrenurut kanri sangat istirlewa karena buku ajar ini dirancang untuk - :'nuka.iikeperluan-keperluan dalam perancangan mekanis yang praktis. Siapapun yang rxenggLrnakan buku iniclianggap
ab an
:;3a$ai perancang, yaitu orang yang bertanggung.jawab atas penentuan konfigurtasi sebuah ntesirr atau sebuah bagian '-'esin.
Sebenarnya alangkah baiknya bila sebuah buku tetap cliterbitkan sebagai sebuah buku nrengingat satu buku adalah la.
,
'sl
:':nirnbangan, kami ntetnutuskan untuk membagi buku ini nren.iadi dua.jilicl, di nrana.jilicl yang satu nrelengkapi.jilid yarrg -- ;1. Arrda tidak nrerrdapatkan manf'aat yang maksirnal hanya urenrbaca salah satu di antaranya, yang lxaua ptrn yang Anda ::ca. Bila keduanya Arrda satukan, barulah Anda akan mendapatkan yang sernpurna. Elenren-Elenren Mesin dalam Perancangan Mekanis Jilid I nrerrbahas clua bagian utaura:
Prinsip-Prinsip Perancangan dan Analisis Tegangarr
r o r o o o
Il t(,
ta
It ip rll
Dasar-Dasar Perancangan Mekanis Bahan-Bahan dalant Perancangan Mekanis
Analisis Te.gangan dan Deforurasi Tegangan Gabungan dan Lingkaran Molrr Perancangan untuk Berbagai Jenis pembebanan Kolorn
1.
v
I
Perancangan Penerus Gerakan Mekanis Transrnisi Sabuk dan Transrnisi Rantai Kinenratika Roda Gigi Perancangan Roda Gigi Lurus Roda Gigi Miring, Roda Gigi Kerucut dan Roda Gigi Cacing Pasak, Kopling dan perapat
o o o o o o o o o
Perancangan Poros Toleransi dan Suaian Bantalan Gelinding Penyelesaian Perancangan Transrrisi Daya
Elenten-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis Jilid II merrbahas satu bagian utanla:
Detail Perancangan dan Elemen-Elerren Mesin Lainnya o Bantalan Luncur o Eleruen-Elemen Gerak Linear
o . o o o o
Pengikat Pegas
Rangka Mesin, Sambungan Baut dan Sarnbungan Las
Motor Listrik dan Kendali-Kendalinya Kendali Cerakan: Kopling Tidak Tetap dan
Rern
Proyek-ProyekPerancangan
':ngan hilangkan kesentpatan Anda untuk menjadi ahli lranya dengan melervatkan bLrku ini. Jangan biarkan cliri Anda -renladi setengah ahli karena hanya membaca
jilid
ini.
Penerbit ANDI
Daftar lsi
tl.;rl,r
t
BAGIAN
lll Detail Perancangan dan Elemen-Elemen Mesin Lainnya
16
Bantalan
Luncur
Garnbar Keseluruhan
2
2
18 Pengikat 50
llr" i
Gambar Keselurultan 50
l$"-:
Anda sebagai Perancang 52
:1il.
16.2 Tugas Perancangan Bantalan 16.3 Paranreter Bat'fialan, P.nlp 6
18.2 18.3 18.4
Bahan dan Kekuatan
16..1
Bahan-Bahan
Bantalan
7
16.5 Perancangan Bantalan Berpelurras Batas 9 16.6 Bantalan Hidrodinamik Lapisan Penult 14 16.7 Perancangan Bantalan Berpelutrras Hidrodinanlik Lapisan
Penuh
Pertimbangart-Peftimbangan Praktis Lrntuk Bantalan Luncur 2l
16.9
Bantalarr
l0
Hidrostatis 22
Intcrnet
Soal-Soal
17
30
Elemen-Elemen Gerak
Linier
33
Anda sebagai Perancang 36
Ini
37
17.2 Sekrup Daya 31 17.3 Sekrup Bola 43 17.4 Pertirnbangan Petnakaian Sekrup Sekrup Bola 46 Refcrensi Situs
Soal-Soal {8
Kekuatarr Lucut
Ulir
48
Bar-rt
1l 60
62
Jenis Pengikat dan Aksesori yang
Lain
63
Cara Lain Pengikatarr dan Penyantbungan 64 65
q,,rI \I.: -;I
65
Soal-Soal 66
19 Pegas 67 Anda sebagai Perancang 68 Tujuan Bab
Tekan
19.5 19.6 19.7 19.8 19.9
Ini
'l r
69
Daya dan
:1 Pegas
Ulir
80
Analisis Karakteristik Pegas Perancangan Pegas UIir Pegas
Tarik
Pegas
Ulir PLrntir
83
Tekan
85
93
98
r
:I :t"l
I
:t
r
R.e
f,
I,]I
U
:,ial
Memperbaiki Uniuk Kerja Pegas dengan Sfior
Peening
105
19.10 Pembuatan Pegas
Referensi Situs
48
Internet
Penerapatt Ca1'a Luar pada Sambungan
19.2 Jenis-Jenis Pegas 69 19.3 Pegas Ulir Tekarr 12 19.4 Tegangan dan Defleksi untuk
32
Tujuan Bab
i:*
55
57
Internet
l9.l
Gambar Keseluruhan 33
l7.l
Tegangalr
Gambar Kcscluruhan 61
Tribologi: Cesekan, Pelutnasan, dan Keausan 26
Refercnsi 30 Situs
53
I5
16.8
16.
Baut
)ru
Bebarr Jepit dan Pengencangan Satllburlgall
Rcfcrcnsi Situs
52
Penandaart UIir dan Area
18.5 18.6 18.7 18.8
5
{
n"(n
Tujuan Bab
Baut
4
lni
l8.l
Anda sebagai Perancang 4
l6.l Tu.iuan Bab Ini
Ir,l
22
106
lnternet
Soal-Soal
106
107
106
Can
\nd
::.
I
r1
1
--.f
11 i
1'lu
=
Tegongan Gabungan clon Lingkat'an
20 Rangka Mesin, Sambungan Baut, dan Sambungan Las 110 Cambar Keseluruhan
I
l0.l
II
I
20.2 Rangka dan Struktur Mesin I 12 10.3 Sarrbungan Baut Dibebani Secara Eksentris I l5 :U.{ Sambungan Las 18 1
127 Situs Internet 128 Soal-Soal 128 Referensi
21
22.10 22.11 22,12 22.13 22.14
Bahan Gesek dan Koefisien
Gesek Kopling atau Renr Jenis Pelat 187
I
85
Kopling atau Renr Kerucut Rem
189
Tronrol l9l
Pita
196
Jenis-Jenis Lain dari Kopling Tidak Tetap dan 198
200
Internet
200
Soal-Soal 201
l3l
Cambar Keseluruhan
182
Ren Cakrarrr I 89
Refcrensi Situs
Panas
Waktu Respons 183
Renr
kendalinya 131
I
Penyerapan Energi: Syarat Disipasi
22.15 Rem
Motor Listrik dan Kendali-
18
22.8 22.9
22J6
;.n 'v
Kelenrbarnan Efektif untuk Benda yang Bergerak
Lurus
Ini ll2
Tujuan Bab
Kelenrbanran Sistenr dan Kecepatan Polos
KoPling t79
22.7
l0
Antla sebagai Perancang
22.6
,llttltr ir
\nda sebagai Perancang 132
ll'l :1.2 :1.3
lni 133
rujuan Bab
Faktor-Faktor Peurilihan
Motor
Sumber DayaAC dan Inforrnasi
MotorAC 134
23
Utnurrr
Prinsip-Prinsip Operasi Motor Induksi
:r.8
renis-renis Rangka dan penurup
Unjuk Kerja
MotorAC
AC
Fasa l4l
t66 \nda sebagai Perancang 168 ::.1 Tujuan Bab Ini 16g ::.1 Deskripsi Kopling Tidak retap dan Renr 169 Gambar Keseruruhan
Jenis-Jenis Kopling dan Rem
Kerja
Gesek
176
170
JlJ,',,:llll?lll"S...:l?r,,n urir Sckrtrp 2ll
3
Sifirt-Silirt Perancangirn Bilia Karhon Ba.ja
Lampiran Lampiran Lampiran Lampiran Lampiran Lampiran
Lampiran Lampiran Lampiran Lampiran Larnpiran Lampiran Lampiran Lampiran Lampiran
4 5 6 7 8 9
Silirt-Sifirt Sifirt-Siliit Silirl-Silirt Silht-Sifirt
BajaKarburisasi 220
Silht-Sifirt
Aluminium
Ba'iaTahan
Karat
2lj
221
Baia Struktural 222 Perancan-qan Besi
Cor
223
224
i? :iff:llli:i::xfi:iil;l.,.;'j'* l2
l3 l,l 15 l6 17 l8 19 20
clan
Pacluan 214
Sifirt-Sitirt Ba.japerlakuan panas
225
Silirt-Silat Pcrung-uu 226 Silirt-Sifirt l']lastik 226
Rutltus DelleksiBalok 227 l:aktor Konsentrasi '[b-uangan 236 Plolil Biria Slruktural 240
I'rol)lAltrrri,itrm Struktttral lraktor-Iaktor Konversi 248
246
Tabcl Konversi Kekerasan 249
[aktor (]eorretri Iuntuk
cigi l'Lrrus
Menrpercepat lndekS 255
C]acat Mrrkrr
R.rll
251
Jawaban untuk Soal-Soal
174
Waktu yang Dibutuhkan untuk
Beban
Lanr piran
:iliHl
'63
Paranreter Unjuk
203
Lampifan-lampifan
t44 ilil]]ff:l
ZZ Kendali Gerakan: KOpling Tidak Tetap dan Rem 166
::.3 ::.J ::.5
Ini
136
Fasa 138
MotorAC :1.9 Berbagai Kendali untuk MotorAC 147 I l.l0 Sumber Daya DC I 56 :l.ll Motor DC 156 ll.l2 Kendali Motor DC 159 ll.13 Jenis-Jenis Motor Lainnya 159 Referensi 162 :itus Interne t 162 soa,_Soa'
I Tu.iuan Bab
138
Motor Induksi Sangkar Tupai Tiga Motor Satu
23.
23.2 proyek-proyek perancangan 203
l.{ :1.5 :1.6 :1.7 :
Proyek-Proyek Perancangan 2og
133
Terpilih 253
.I
IIIIIIIIIIIIIII'III-
BeE'ien'III
I I
I I I I
I
I I ! I t I
Detait Perancangan dan Etemen-Etemen Mesin Lainnya
I I I I
I I
I !
I I I
I I I I
I I
I I
I I I
I I !
I I I I I
I I
I I I
I
Tujuan dan lsi Bagian lll Bab I 6-23 nrenyajikan metode analisis dan perancangan untuk berbagai elenren rnesin yang penting yang tidak menjadi bagian yang berhubungan dengan perancangan transntisi daya seperti diberikan dalant Bagial II dari buku ini. Bab-bab pada bagian ini dapat dikaji dalarr urutan serrbarang atau dapat digunakan sebagai rrateri r:Lrjukan untuk proyek-proyek perancangan utnunt. Ba b I 6: Bantalan Lu ncu r metn bahas bantalan-bantalan luncur, yang kadang d isebut banta la r.t tap ournul Q bearing). Bantalan tersebut Inentakai eletnen-elenren berpcrnrukaan lralus untuk menopang beban dari poros atau dari alat-alat lainnya di tnana terladi gerakan relatif'. Ancla akan bela,iar bagairnana nrenentukan bahan untuk bagian-bagian dari bantalan, geornetri bantalan, dan nrinyak pelurnas. Bab ini mernbahas pula pelurrasan hidrodinarnik lapisan penuh dan pelumasan batas. Bab l7: Elemen-Elemen Gerak Linier rnernbahas peralatan yang mengubah gerakan berputar menjadi gerakan linier, atau sebaliknya. Alat-alat tersebut sering digunakan dalanr peralatan mesin, peralatan otornasi, dan komponen-konlponetr mesin konstruksi. Anda akan bela.jar tentang geometri dan bagaimarra nrenganalisis unjuk kerja alat tersebut. Bab l8: Pengikat menjelaskan tentang sekrup, baut, rn ur, dan sekrup dalant permesinan. Anda akan bela-iar tentangjenis-jenis bahan yang digunakan untuk pengikat dan bagainrana rrerancangnya untuk menghasilkan unjuk kerja yang aman dan andal. Di sini juga dibahas secara singkat tentang paku keling, pengikat operasi cepat, pengelasan, perratrian, penyolderan, dan perekatan adhesif-.
Bab l9: Pegas nlernbahas nrengenai cara nrerancang dan rnenganalisis pegas ulir tekan, pegas ulir tarik, dan pegas torsional.
Bab 20: Rangka Mesin, Sambungan Baut, dan Sambungan Las trenyajikan keteranrpilan yang penting tentang perancangan sebuah rangka yang kokoh dan kuat. Anda akan ntentperoleh pengalantan dalanr menganalisis gaya dan tegangan dalan.r sanrbungan-sanrbungan berbaut dan sambungan las yang nretrahan anggota struktur yang ntetnbawa beban bersama. Anda juga akan bela.far bagaintana rlenganalisis beban eksentris pada sambungan.
Bab 2l: Motor Listrik dan Kendali-kendalinya nrembahas banyak jenis motor AC dan DC yang tersedia di pasaran. Karena banyak sekali proyek perancangan rnekanis melibatkan pentakaian ntotor listrik sebagai penggerak utalrra, Anda akan belajar bagainrana ntencocokkan karakteristik unjuk kelianya dengarr kebutuhan-kebutuhan mesin yang dirancang dan untuk nrenentukan kenclali ntotor.
Bab 22: Kendali Gerakan: Kopling Tidak Tetap dan Rern r.nenrbahas banyak .jenis kopling tidak tetap dan renl yang dapat digunakan. Kopling tidak tetap rnentberikan.jalan untuk rnenghubungkan claya clari pemindah utama ke rrresin yang bergerak. Renr rnenyebabkan peralatan yang bergerak nrenjadi berlrenti atau melnperlambatnya. Anda akan belajar bagainrana nrenganalisis unjuk kerja kopling tidak tetap dan renr dan merancang atau menentukan unit-unitrlya yang tersedia di pasaran.
Bab 23: Proyek-Proyek Perancangan menyajikan berbagai proyek yang dapat Anda
I
L
selesaikan
I ! I I I I I I I
I I
I I I I I I I
I I
I ! I I
I I I I I
I -::'--
r
r
rrrr
-
r
r
-
r
r
r
r
r
r
r
r
r
r-
r
-
r
r
r
J
t0 Bantalan Luncur
Bantalan Luncur Lingkup Pembahasan tetapi tetap rreutberi kemungkinan terjadinya Tujuan dari suatu bantalan adalah untuk lxenopang beban, bantalan-bantalan luncur di n.rana dua r.nernbahas ini gerakan relatif antara dua elemen dari sebuah 'r.rin.-suu ntengelinding di antara keduanya' yang elerrrerl komponen bergerak relatif satu sarna laitr, tetapi tidak ada
Tugas PersiaPan banlqlan luncur. Carilah beberapa Carilah di sekilar runtah dan clalant ntobil Anda barang-bctran{ltqngmemiliki geser lurus' lngal kemboli konlak lctin yang, nrertgalomi benda yang nrengalami gerakan berpular clan bencla ruillpttl Kebanyokan pentolonsa nesin pintu, gerenclel, alrnt rocltr bencla-bencla seclerhanaieperti erginl, kunci benda tersebut metnbuluhtar pelumasan batas'
infttrntasi tenlong banlalan-bantalan poros engkol tlulunt Sekorang perhatikan apakah Anda clapal ntenetnukan itu hiusanya menggunakar pelutnasan hidrodinamis lapisan ntesin kendaroan Anda. Bant(llan-bantalan sentacont seperli iltr? p.nrfr. Apayang dapat Ancla temttkan dengan bentla-bcndd raclio qstronomi clisangga sehingga dapat bergcrak Menurut Anda bagainrqnakah teleskop besar atan ontana Apol'ang denganntudahdantetappadaposisinya? [tu-merttpakanscttttmetocleyangdisebutbantalanhidrostatis' Ania ketahui tentang bantalan sernacant itu? tcrscbut dan Bab ini akan nrcnlbanttr Ancla mcnl'clicliki sctnua.icnis bantalan
nlcnyclcsaikatlanalisispcrancangirnclasaryangdibutuhkanuntuknlclnaslikan opcrasi yang tncmuaskan
beban tetapi tetap memberikan kemungkinan terjadinya Tujuan dari suatu bantalan adalah untuk rnenopang suatu Bab ini melnbahas bantalan-bantalan ltnur di mana dua gerakan relatif di antara dua elemen dalam sebual., ,r.rin. elernen-elemen yang menggelinding di antara keduanya' komponen yang bergerak relatif satu sama lain tidak rnengandung dalarr Bab l4' Perhatikan bantalan-bantalan gelinding yang dibahas seperli yang berputar, tentu saja adalah benda silindris dengan susunan konrponen-komponen Bantalan luncur untuk dari bagian adalah tapQournal),biasanya dalarr.,, yang disebut yang ditunjukkan dalam Gambar 16.1. Komponen'bafran
sebuahporosdimanagayareaksiradialsebarangdipindahkankelandasannresin.
.i:
:(
Buntulctn
GAMBAR
Diameter bantalan Kelonggaran radial
D,,
Kelonggaran diametral
Ltrnctrr 3
I6.I
Geometri bantalan
('
Bagian yang tidak bergerak yang bersinggungan dengan tap disebut banlalan. Narna-nanra lain yang digunakan untuk :antalan luncur adalah bantalan lap dan bentalan selongsong. Di mana Anda pernah melihat bantalan luncur yang sedang beroperasi? Seperti yang Anda lakukan dalarn Bab l4 :.ntang bantalan gelinding, carilah barang-barang konsunren, nresin industri, atau alat angkutan (nrobil, truk, sepeda dan -bagainya-suatu alat dengan poros yang berputar). Jika bantalan tidak nanrpak dari luar (dan hal itu sering terjadi), \nda mungkin perlu.membongkar benda itu sebagian untuk ntelihat bagian dalatnnya. Tetapi ada beberapa contoh nyata yang akan dapat Arrda lihat. Roda rresin potong rurrput, kereta dorong, ataLr \ereta sederhana biasanya melekat langsung pada tap untuk nrenrbentuk bantalan luncur. Peralatan tangan seperti guntirrg -:nrput dan pagar tanaman, gunting pemangkas tanarnan, tang pelipat, dan kunci yang dapat disetel atau kunci roda -rset menggunakan bantalan-bantalan luncur pada titik-titik di urana satu konlponen berputar relatif terhadap korrponen :innya. Lihatlah engsel sebuah pintu. Engsel tersebut menggabungkan pena pe.lal yang berputar di dalam benda silindris di -3mya. Itu merupakan contoh bantalan luncur. Pintu garasi sering kali nrerniliki rol-rol yang menggelinding nrenyusuri .:lan beralur, tetapi poros-poros yang membawa rol-rol tersebut beroperasi di dalanr bantalan silindris rata, sering kali :3ngan kelonggaran yang sangat besar. Sistem kawat yang berhubungan dengan pegas pengirlbang bergerak nrelalui :'-1i 1'ang rnerniliki bantalan luncur yang berputar pada poros yang tak bergerak. Jika sebuah pintu dioperasikan dengan :cmbuka pintu listrik, beberapa dari komponennya kernungkinan menggurrakan bantalan luncur. Anrbillah tangga dan -:rklah untuk memeriksanya. Tetapi berhali-hatilah terhatlttp komponen yang bcrgeruk! Selain gerakan berputar dari jenis-jenis aplikasi yang di.ielaskan sebelurlnya, beberapa bantalan luncur merniliki ::rakan luncur linier. Lihat bagian dalam sebuah printer untuk kornputer dari .ienis ink-jet atau dol-natt'ix-pin. Kuralilah (;'mponen yang mengirimkan cetakan gambar ke kertas ketika kornponen tersebut bergerak nrelintasi halanran kertas. \rmponen ini biasanya bergeser pada sebuah batang halus dengan tingkat kepresisian yang besar. Banyak sambungan -.ailg nlengandung komponen-komponen yang bergeser. Lihat rnekanisrne penguncian, gerendel, stapler, saklar, pengatur *-rr mobil, penggeser roda gigi untuk kendaraan, kornponen peralatan jendela luncur, dan mesin-rnesin yang dioperasikan :i<:rgan koin. Dapatkah Anda mengenali korrponen-kol.nporlen yang merniliki gerakan geser lurus? JikaAnda datang ke pabrik, Anda mungkin akan nrelihat banyak contoh dari aksi gerakan lurus dan berputar. Alat.1.,,:.t pemindah, ntesin bolak-balik, Iuncuran alat rlesin, dan alat pengenrasan rnenggunakan banyak bantalan luncur. Sebagian besar contoh yang telah disebutkan nrengalarni gerakan yang kadang tirrbul dan relatif lambat antara r-',nponen-komponen yang berpasangan, apakah gerakan berputar atau lurus. Dalam aplikasi derrikian, acap kali ada :t umas antara komponen-komponen yang bergerak. Atau bahan-bahannya dipilih secara saksarna untuk ntenghasilkan i:sekan rendah dan gerakan yang halus dan andal. Jenis bantalan ini mengalauri pelurnasan batas sepeffi yang akan : :ahas dalam bab ini. Anda mungkin mengenal bantalan pada poros engkol pada rrrotor bakar. Bantalan tersebut sering disebut bontulLut ;: karena mereka memiliki konfigurasi klasik yang ditunjukkan dalarn Garrbar 16. l. Tetapi ingat kerlbali operasi --:umnya. Setelah mesin dihidupkan, engkol berputar pada beberapa ribu putaran per ntenit, yang biasanla sekirlr r,'rl hingga 6000 rpm. Ini merupakan salah satu aplikasi terpenting dari bantalan luncur yang menggunakarl pelutti.;,-; ,:''-,dinamis lapison penuh. Dalarn bantalan semacan.r itu, ada lapisan pelurnas yang kontinu, biasanla ntinlak. ;.:-=
4
Elemen-Elemen Mesin dalam Peroncongon Mekuni,v
biasanya mengangkat komponen poros yang berputar dari bantalan yang tidak bergerak. Jadi, tidak ada kontak logatn dengan logam di antara bagian-bagiannya. Sebagian besar isi bab ini rnenrbahasjenis bantalan ini dan analisis rlengenai ,yo*t-ryurut yang dibutuhkan untuk rnentpeftahankan lapisan minyak bantalan. Bantalan mesin adalah beberapa clari alat mekanis yang sangat terencana. Dapatkah Alda mengenal contoh-contoli lain dari bantalan yang nrenggLrnakan pelurrrasan hidrodinamis lapisan perruh?
Contoh lain dari kelas bantalan luncur disebut hidrosttttis. Pompa tnenciptakan tekanarr tinggi dalam fluida serrlisal rlinyak yang dikirinrkan oleh pelat-pelat alas yang dibentuk dengan saksarna, di rlrana tekanan yang tinggi digunakan r"r.tik prengangkat suatu konrponen untuk dipindahkan. Kenrudian korrponetr ini dapat dipindalrkan dengan mLrdalr. baik lambat utur..put. pikirkan teleskop besar atau antena radio yang halus diletakkan secara tepat dan bergerak dengan ntudah. Aplikasi semacam itu jarang narnun penting, yarrg ntentbutuhkan upaya teknis dan kealrlian teknik nterancang, lutellasang, dan merawatnYa. Bab ini akap rneurbantu Anda mentaharni pelurrrasan batas, pelumasan hidrodinatnis lapisan penult, dan peltrnrasan hidrostatis. Juga dibahas aspek-aspek yang lebih unruur clari gesckan, pclutnasan, keausan, dan peltrrnas yang digunakan untuk memperkeci I gesekan.
Fry
And a seba g,ai Per ancan g
untuk dan sistem
perusahaan Anda sedang merancang sistem konveyor
dalim suatu pengapalan penerimi dari sebuah pabrik besar. Perancangan itu mengangkut produk
berjalan hingga titik di mana perusahaan telah memutuskan
,enggunat an konveyor sabuk yang fleksibel, yang
telah
untuk
dibahas dalam bab ini, atau bantalan gelinding, yang dibahas dalam Bab 14. Untuk bantalan luncur, Anda harus menentukan apakah pelumasan hidrodinamis lapisan penuh dapat dicapai, dengan keuntungan gesekan rendah dan umur yang panjang.
poros akan beroperasi pada bantalan dengan pelumasan batas? Bahan-bahan apa yang akan digunakan untuk membuat bantalan dan tap tersebut? Berapa ukuran-
digerakkan Atau, apakah
puli
oten puti rata pada kedua ujungnya. Poros yang membawa harus ditopang pada bantalan pada rangka-rangka sisi konveyor. ukuran yang akan ditetapkan untuk semua komponen? Pelumas Tugas Anda adalah merancang pertamaAnda harus memutuskan jenis bantalan apa apa yang akan digunakan? Pertanyaan tersebut dan pertanyaan
bantalan,
yang
,-rr rrtt.r-..'r,
16.1 TUf UAN BAB lNl Setelah menyelesaikan bab ini, Anda diharapkan mampu: is Menjelaskan tiga mode operas i dari bantalan luncur (pe lurnasan batas, lapisan carn puran, dan pelumasan h idrod inarn I. lapisan penuh), dan membahas syarat-syarat yang harus terpenuhi sehingga nlasing-rtrasing operasi terseLrut dapat terjadi secara nornral. 2, Membahas pentingnya parameter bantalan, trtnlp. 3. Menyebutkan kepgtusan-keputusarl yang harus dibLrat oleh perancang bantalan untuk ntenetapkan sistem bantalan luncur sepenuhnya. 1. Menyebutkan bahan-bahan yang sering digunakan untuk tap darr bantalan, dan rnenjelaskan sifat-sifat pentingnya. Menentukan. /'aktor pV dan menggunakarrnya dalanr perancangan bantalan berpelulrlas batas. 5. Menjelaskan operasi bantalan berpel ulrras h idrod i nanr is lap isan penuh. 6. Melyelesaikan perancangan bantalan lapisan penuh, rrenetapkan ukuran tap dan bantalan, kelonggaran diatnetral. panjang bantalan, ketebalan lapisan minimal, kehalusan perntukaan, pelutnas, dan unjuk kerja gesekan yang
g. g.
dihasilkan dari sistem bantalan. Menjelaskan sistem bantalan hidrostatis dan rnenyelesaikan perancangan dasardari bantalan settracatll ittt' Menltapkan tribologidarr r.nembahas karakteristik pokol< dari gesekan, pelunlasan, dan keausan seperti yang berlaktr pada mesin.
10.
Menjelaskan sifat untum dari minyak dan gemuk dan efeknya terlradap peltrnlasan dan keattsan.
Bqnlalan
Luttctrr 5
16.2 TUGAS PERANCANGAN BANTALAN Istilah bantalQn lttncur mengacu metnanfaatkan kontak gelinding. sedernikian sehingga memberikan silindris konsentris. Gambar 16. I
kepada jenis bantalan di mana dua pernrukaan bergerak relatif satu sanra lain tanpa Jadi, yang ada adalah kontak luncur. Bentuk aktual permukaan dapat berupa apa pun keleluasaan gerak relatif. Bentuk-bentuk yang paling umunr adalah pennukaan rata dan rnenunjukkan georretri dasar dari bantalan luncur silinder.
Sistem bantalan yang diberikan dapat beroperasi dengan salah satu dari tigajenis pelurrrasan:
Pelunrusan balas (boundary lubricotion).'Ada kontak aktual antara pernrukaan padat dari korrrponen yang bergerak dan yang diam dari sisterr bantalan, r.rreskipun ada suatu lapisan pelurnas. Pelunrusan lapisotr carnpuron (ntired-film lubrication): Ada wilayah transisi antara pelumasan batas dan lapisan penuh.
Pelunrusun lopisan penuh (/illl-Jilm lubrication): Konrponen yang bergerak dan yang diarr dari sistem bantalan dipisahkan oleh suatu lapisan pelutrtas lengkap yang nrenrbawa beban. lstilal't pcluntasan hiclroclirarrs sering digunakan untuk rnenjelaskan jenis pelumasan ini. Semua jenis pelumasan tersebut dapat dijurrpai dalam suatu bantalan tanpa penekanan dari luar bantalan. Jika pelumas di bawah tekanan diberikan ke bantalan, nraka disebut bontolan hidro:;tati;;, yang dibahas tersendiri. Bergerak bersatna pada permukaan kering tidak disarankan, kecuali jika acla sifat ntelurnas yang baik antara bahan-bahan yang berhubungan. Beberapa plastik digunakan dalanr keadaan kering, seperti dibahas dalarn Subbab 1 6.4 dan I 6.5. Perancangan bantalan meliputi banyak sekali keputusan perancangan, sehingga tidak rnungkin rnetnbuat prosedur rang menghasilkan perancangan tunggal terbaik. Jadi, ada beberapa perancangan yang mungkin dapat diusulkan, dan perancang harus mernbuat keputusan berdasarkan pengetahuan tentang aplikasi clan pada prinsip-prinsip operasi bantalan rntuk menentukan perancangan akhir. Daftar berikut ini rnenentLrkan inforrnasi yang dibutuhkan untuk rxerancang suatu )istem bantalan dan jenis-jenis keputusan perancangan yang harus dibuat. (Lihat Referensi 18.) Dalarn pentbalrasan ini liasumsikan bahwa bantalan berbentuk silinder, seperli yang digunakan untuk l.nenopang poros yang berputar. perubahan Jaftar dapat dilakukan untuk pennukaan luncur linier atau geonretri Iainnya.
Syarat Bantalan Besar, arah, dan tingkat variasi beban radial
Besar dan arah dari beban aksial,jika ada Kecepatan putar komponen (poros) Frekuensi awal dan akhir, dan durasi dari periode-periode bebas Besar beban ketika sistem dihentikan dan ketika dinrulai
Umur yang diharapkan dari sistem bantalan Lingkungan tempat bantalan beroperasi
Keputusan Perancangan Bahan untuk tap dan bantalan Diameter, termasuk toleransi, untuk tap dan bantalan
Nilai norninal dan kisaran dari kelonggaran tap dalam bantalan Kehalusan permukaan untuk tap dan bantalan Panjang bantalan
Metode pernbuatan sistern bantalan Jenis pelumas yang digunakan dan cara menyuplainya Suhu operasi dari sistem bantalan dan suhu pelurnas
Metode perawatan kebersihan dan suhu pelurnas
6
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancongqn Mekunis
Analisis yang Dibutuhkan Jenis pelumasan: batas, lapisan campuran, lapisan penuh
Koefisien gesek Pelepasan daya gesek
Ketebalan Iapisan minimal Pemuaian panas Penyebaran panas yang dibutuhkan dan cara trrenyelesaikannya Kekakuan poros dan sudut kemiringan poros dalarn bantalan
16.3 PARAMETER BANTALAN, ltnlp Daya guna bantalan yan_q satu dengan yang lain berbeda-beda secara radial. beruarttung pada.ienis peluntasatt rnatta yang digunakan. Ada penurunan yang nyata dalam koefisien gesek ketika operasirrla berubah dari pelr-rntasan batas ke pelurnasan lapisan penuh. Keausan juga berkurang ketika ntengrrunakan pelurnasan lapisan penuh. Jadi, kita perlu rnenrahami kondisi-kondisi pemakaian jenis pelumasan yang satu atatt 1'ang lain. Pelumasan lapisan penuh, yaitu jenis pelunrasan yang paling disukai. diarrjurkan diberikan Lrntuk beban ringan, kecepatan yang relatiftinggi antara konrponen yang bergerak dan yartg diarl, dan adanya pelunras kental pada bantalan dengan persediaan yang banyak. Untuk bantalan tap yang berputar, ef'ek gabungan dari tiga faktor tersebut, yang berkaitan dengan gesekan dalarn bantalan, dapat dievaluasi dengan cara nrenghitung pclrqtnclcr bontulan, purlp. Viskositas pelullas dinyatakan dengan p, kecepatan putar dengan r, dan beban bantalan dengan tekanan, p. Untuk nrengh itung tekanan, bagi lah beban radial yang bekerja pada bantalan dengan luas bantalan terhitutrg, yaitu hasil kali paniang dengan dianreter. Pararrreter bantalan ltnlptak berukuran jika rnasing-nrasing diungkapkan dalarn satuan-satuan yang sesuai. Beberapa sistem satuan yang dapat digunakan antara lain:
Sislcn Saluan
Viskosilas,
Kecepctlon pul0r, n
Tekonan, p
Ukr-rran Standar Internasional (Sl)
N.detik/mr atau Pa.detik
putaran/detik
N/rnr atau
Inggris
lb.detik/inr atau revn
putararr/detik
lb/inr
Ukuran Lar.na
dyne.detik/culr atau poise
putaran/detik
dynes/cnrr
p"
Pa
Pengaruh dari parameter bantalarr ditunjukkan dalam Ganrbar 16.2. kadarrg disebut f,rrn,a Stribcck,yang nrenun.iukkan hubungan koefisien gesek..fi bantalan terhadap nilaip ttlp.Padanilai pniTr yarrg rendah. teriadi pelutnasan batas, dan koefisien geseknya tinggi. Misalnya, dengan geseran poros baja yang latnbat pada bantalan perunggu berpelumas (pelutnasan batas).
nilai./'akan kira-kira0,08 hingga0,l4. Pada ptnlpyangtinggidilakukan pelumasarr lapisan hidrodinanris penuh, dan nilai ./biasanya antara 0,00 I hingga 0,005. Sebagai catatan balrwa perbandingan ini sesuai dengarr bantalan gelinding yang presisi. Antara pelumasan batas dan lapisan penuh ada jertis pelunrasan lapisan cantpuron, yang tnerupakan kontbinasi dari kedua pelurnasan tersebut. Kurva garis putus-putus rrtenuniukkatr sifat untunt dari variasi ketebalarr lapisan dalam bantalan.
OAMBAR
I6.2
Unjuk kerja bantalan
dan
jenis
pelunrasan yang berkaitan dengan
parameter bantalan, p.nlp. Kurva Stribeck.
c
I
o
g o
o
o c
o '6 0
.4
o
I
o
I
C
Pelumasan batas
o o o
c
0)
o
Y
Y
,/ ,, /
Pelunrasan lapisan campuran
Parameter bantalan, yn/p
Dianjurkan agarperancang lnenghindari daerah lapisan canrpuran karena biasanya tidak nrungki n dapat nrern perk r r,r..:' daya guna sistem bantalannya. Juga perhatikan bahwa kurva ini sangat tinggi pada daerah ini. Jacli, perubalran k.-cil p.i;" salah satu dari ketiga faktor, yaitu lL, n,atau p, rnenyebabkan perubahan besar pada./, yang mengakibatkan un-juk keri.i nresin yang tak menentu. Nilai prip pada pernakaian pelumasan lapisan penuh sulit diperkirakan. Selain faktor.faktor kecepatan. rekanan lbeban), dan viskositas (fungsi darijenis pelumas dan suhunya), variabel-variabel lain yang nrenrenganrhi pernbuaran lapisan rneliputi banyaknya pelurnas yang digunakan, adhesi pelulras pacla permukaarr, bahan-bahan pernbuatan tap dan bantalan, ketegaran strukturtap dan bantalan, dan kekasaran perrnukaan tap dan bantalan. Setelah rnenyelesaikan proscs perancangan yang disampaikan nanti dalam bab ini, Anda disarankan untuk mengLrji perancangarr tersebut. Secara ulrlulll, pelumasan batas lebih disukai untuk operasi berkecepatan larlbat dengan kecepatan perrnukaarr kurang dari sekitar l0 ftlrnenit (0,05 m/detik). Cerakan bolak-balik atau berosilasi, atau kombinasi pelunras ringan dan tekanan tinggi juga akan menghasilkan pelumasan batas. Perancangan bantalan untuk menghasilkan pelunrasan lapisan penLrh dijelaskan dalanr SLrbbab 16.6. Urnurnnya perancangan ini memerlukan kecepatan pennukaarr yang lebih besar dari 25 ftlrnenit (0, l3 m/detik) terus-rlenerus pada satu arah, dengan suplai rninyak yang rnerrradai pada viskositas yang tepat.
16.4 BAHAN.BAHAN BANTALAN Dalarn aplikasi putaran, komponen pada poros sering kali dibuat dari baja. Bantalan yang dianr/tak bergerak dapat dibuat dari salah satu dari bahan berikut: Perunggu
Babit
Alurliniunr Seng
Logam berpori Qtorous mela[) Plastik (nilon, TFE, PTFE, phenolic, acetal, polikarbonat, filled polyimide)
Sifat-sifat yang disukai untuk bahan-bahan yang digunakan untuk bantalan luncur cukup unik selringga perlu sering
:ilakukan kompromi. Sifat-sifat tersebut antara lain:
l.
Kekualarl.'Fungsi bantalan adalah untuk mernbawa beban dan rnengirirrrkannya ke struktur penopang.
Beban
sewaktu-waktu berubah-ubah, sehingga memerlukan ketahanan lelah serla kekuatan statis. Manrpu benam(Enbeddabilily): Sifatmampu benarn ini berkaitan dengan kentanrpuan bahan menalran kotoran cli dalam bantalan tanpa menyebabkan kerusakan pada tap yang berputar. Jadi, bahan yang relatiflunak lebih disukai. Thhan karsl: Seluruh lingkungan bantalan harus dipikirkan, ternrasuk bahan tap, pelumas, suhu, paftikel-partikel dari udara, dan gas atau uap air yang dapat merusak/menirnbulkan karat. Biayo:Yangselalu menjadi faktor penting. Biaya bukan hanya nreliputi biaya bahan saja, tetapij uga biaya perl rosesan dan pemasangan.
Berikut ini adalah pembahasan singkat mengenai unjuk kerja beberapa bahan bantalan.
Perunggu Goran mengacu pada beberapu.r,rprron Iogarn dari tembaga dengan timah, tintbal, seng, atau alurniniunr, baik atau dalam kombinasi. Perunggu timbal rnengandung25Yo-35% tinrbal sehingga menriliki sifat nrarrpLr l'enam yang baik dan tahan terhadap himpitan dalam kondisi berpelurras batas. Akan tetapi, kekuatannya relatif rendah. ?:runggu bantalan coran, SAE CA932, mengandung tembaga 830%, tirrah 7oh, tinir,al 7%o, dan seng 3%o. Canrpurarr lorarn :i memiliki kombinasi sifat-sifatyang baik untuk pemakaian pada pornpa, rnesin, dan perabotan rurnah tang_ua. PerunggLr : nah dan aluminium memiliki kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi dan dapat ntenrbawa beban yang lebih beslr.
"3rnaperunggt/ ;-'ndiri-sendiri
'.:,ususnyadalamsituasi tubrukan,tetapi sifatmampubenarnnyarendah.LihatSituslnternet
1,6,7,9.dan
10.
8
Elemen-Elemen ll4esin clalant Perancatlgen lr'fukctnis
Babit Babit (babbitl) mungkin berbahan dasar tim bal atau berbahan dasar timah yang secara nonr ina I rnenr i I ik i 80o,; lo'anr indu k. Berbagai komposisi paduan tembaga dan antirnon (serta tintbal dan tirnah) dapat diolah sifat-sitatnla unluk nrenrenulri suatu aplikasi klrusus. Karena lunak, babit rnerniliki sifat ntarnpu benanr yang nyata dan tahan terlradap hirnpitan, yarrg nrerupakan sifat-sifat penting dalam aplikasi yang nrenggunakan pelurrrasan batas. Narnun babit kurang begitu kuat dan sering digunakan sebagai pelapis dalam rurnah-runrah rnesin dari ba.ia atau besi cor. Lihat Situs Internet 9.
Aluminium Aluminium rnerniliki kekuatan terlinggi yang unrun.rrrya digunakan sebagai bahan barrtalan. Alurniniunr digunakarr dalarn beberapa aplikasi dalam rnesin, pompa, dan pesawat terbang. Kekerasan yang tinggi dari bantalan alunriniurl nrenghasilkan sifat mampu benanr yang buruk, sehingga rnernerlukan pelunras yang bersih.
Seng Bantalan yang terbuat dari paduan seng menrberikan pelindungan yang baik tanpa suplai pelurlas yang terus-rlrenerus, meskipun akan beroperasi dengan sangat baik.jika dilurnasi. Minyak gerntrk bantalan standar sering digurrakan. Ketika beroperasi pada tap-tap dari baja, lapisan tipis dari balran seng yang lebih lunak akan berpindalr ke baja sehingga rnelindunginya dari aus dan kerusakan. Bahan seng sangat baik dalarrr kebarryakan korrdisi udara, kecuali untuk lingkungan yang terus-rnenerus lembab dan terkena air laut. Lihat Situs Intertret 8.
Logam Berpori Sebagai hasil dari industri logam serbuk, logam berpori hasil sinteran dari bubuk perunggu, besi, dan alunriniurrr; beberapa
di antaranya dicampur dengan tinrbal atau tenrbaga. Hasil penyinteran ini tnertinggalkan sejurnlah bcsar lubang-lubang kecil pada bahan bantalan yang diisi paksa dengan rninyak pelumas. Kemudian selanra operasi minyak yang menrenuhi barrtalan akan keluar dari lubang/pori-pori tadi. Bantalan senlacanr itLr khususnya baik untuk gerakan bolak-balik atau osilasi dengan kecepatan lambat. Lihat Situs Internet 6 danT.
Plastik Plastik,urnutnnyadisebutsebagai bahanyangdapatmelutnusisentliri(sel.f-lubricating),digunakandalanraplikasibantalan dengan karakteristik gesekan yang rendah. Bahan ini dapat dioperasikan dalarn keadaan kering, tetapi kebanyakan daya gunanya meningkat bila diberi pelurnas. Sifat ntampu benamnya biasanya baik, dernikian pula ketahanannya terlradap himpitan. Tetapi kebanyakan bahan plastik rnenriliki kekuatan yang rendah, yang nrembatasi kapasitas penrbawaan bebannya. Penrberian selongsong logarn sering dilakukan untuk mernperbaiki kapasitas pernbawaan bebannya. Keuntungan utanranya adalah tahan karat dan jika beroperasi kering akan terbebas dari kotoran. Sifat-sifat tersebut khususnya penting dafam pernrosesan bahan makanan dan produk-produk kimia. Lihat Situs Internet 2,3,4,5, dan 7. Karena nalna-rlalna kirnia yang konrpleks dari bahan plastik dan kombinasi bahan dasar yang tak terbatas, baharr penguat dan pengisi yang digunakan, maka sulit urrtuk nrenrberikan ragarr plastik-plastik untuk bantalan. Kebanyakan adalah campuran dari beberapa kornponen. Kelorrrpok yang dikenal sebagai .fluoroltolynrer.r cukup populer karena koefisien geseknya sangat rendah (0,05-0, I 5) dan sifat tahan ausnya cukup baik. Phenol ic, polycarbonate, acetals, nilon, dan banyak plastik lainnya juga digunakarr untuk barrtalan. Di antara narna-nanra kirnia dan singkatannya yang ditemLrkan di lapangan adalah sebagai berikut: PT F E .' Polytetrafl uoroethylene
P/.'Polyarride PP.S. Polyphenylene sulfi de PY D F : Polyvinyl idene fl uoride PE E K :
Polyetheretherketone
PE1.' Polyetherirr ide PES.' P FA
:
Po P
lyethersu I fone
erff uoroal koxy-mod ifi ed tetrafl
u
oroethy
I
en e
Bahan-bahan penguat dan pengisi yang digunakan bersanra bahan-bahan bantalan plastik melipLrti serat kaca (gluss fibar1. kaca giling (milled glass), serbuk perunggu, PTFE, PPS, dan beberapa pelunras padat seperti grafit dan nrol)'bdenunr J isu lfide.
16.5 PERANCANGAN BANTATAN BERPELUMAS BATAS Faktor-faktor yang perlu dipertirrrbangkan ketika rnerrilih bahan untuk bantalan dan urenentukan detail perancangarl
neliputi hal-hal sebagai berikut: Koefisien gesek: Baik kondisi statis ataupun dinamis perlu dipertinrbangkan. Kapusilas behan,2.' Beban radial dibagi dengan luas bantalan terhitung (lb/in'? atau Pa). Kecepatan operasi, Z.' Kecepatan relatif antara kornponen-konrponen yang bergerak dan yang diam, biasanya dalanr ftlmenit atau rn/detik.
Sultu poda kondisi opertsi. Bolas-butos kequsort. Mantpu prodult.si.' Pemesinan, pencetakan, pengikatan, pernasangan, dan pemakaian.
Faktor pV :tlain pertimbangan tersendiri dari kapasitas
beban, p, dan kecepatan operasi,
4
hasil perkalian
plt
adalah paranteter
-n.iukkerjayangpentinguntukperancanganbantalanketikanrenggunakanpelunrasanbatas.Nilai pVadalahukurandari ...mampuan bahan bantalan untuk rnenampung energi gesekan yang dihasilkan dalam bantalan. Pada rrilai ambangpl/, ::ntalan tidak akan mencapai batas suhu yang stabil, dan akan terjadi kegagalan. Nilai perancangan praktis untuk pll .:alah satu bagian dari nilai batas pV, yang diberikan dalam Tabel I 6. l.
Satuan-SatuanuntukpV. Satuan-satuan norrrinal untukplzadalah hasilkalidari satuan-satuan untuk tekanan dan satuan
-rtuk kecepatan. Sistern yang lazim di Arnerika Serikat hanya nrernpertinrbangkarl
p : F/LD:
lb/in'z
:
satuan-satuan,
psi
V: nDnl12: Itlmenit : pV: (lblin'z) (lt/nrenit) :
fprn psi-fpnr
-.:ra lain melihat satuan-satuan tersebut adalah dengan nrenyusunnya kembali nrenjadi bentuk: pV
:
(t\.lb I nten it)i
i
n2
::mbilang mewakili satu satuan untuk daya atau enelgi yang dipindahkan per satuan waktu.
PenyebLrt nrewakili luas.
'J tka, pV dapat dianggap sebagai angka input energi ke bantalan per satuan luas terhiturrg,.lika koefisien geseknya adalalt .r. Tentu saja, koefisien gesek sesungguhnya biasanya kulang dari satu. Kernudian Anda dapat nrenganggap/r/sebagai -\uran perbandingan dari kemarnpuan bantalan untuk ntenyerap energi tanpa pelxanasan yang berlebihan. Dalam satuan Sl, gaya F, adalah dalam newton (N) dan ukuran bantalan adalah dalan-r nrrn. Maka tekanannya
::alah:
I2 --^
Tekonon Bontolon
p: F/LD: N/mrn2
Untuknilai-nilai yangdijumpai secarakhusus,akantepat.iikarrrengubahnyamenjadi
kPaatau I0rN/nr::
l0
Elemen-Elenten Mcsin dalqnr Peroncangan lVlekani.s
TABEL 16.1 Parameter unjuk kerja yang lazim untuk bahan-bahan bantalan dalam pelumasan batas pada suhu ruangan Bahan
(lb/inr).
VespeloSP-21 polymide Perunggu mangan (C86200) Perunggu aluminium (C95200) Perunggu timah-be(imbal (C93200) Bantalan pelumas kering KU Perunggu berpori/ berisi minyak Babit: kadar timah tinggi (89%) Rulon@ PTFE: M-liner Rulon@ PTFE: FCJ Babit: kadar timah rendah (10%)
Grafit/Berlogam Rulon@ PTFE: 641 Rulono PTFE: J Polyurethane: UHMW Nylon@ 101
pl' (ftlnrnt) (kl'a).(ru,'dctik)
I05(X) 5250 4375 2625 l7ti5
000 000 125 000 75 000 51 000 50 000 30 000 25 000 20 000 l{t 000 15 000 I0 000 7 500 4000 3000
300 150
\lcrcl
da!.lr)n,e
DllPont Co.
Di:chLrt iuga S.\L J30A DischLrt itr-la S.\E
(,11,\
Discbut.iuea S.\[ 660 Lihat catatan I
1750 1050
lt75 700
Bcrbalran dasar logattt
Ccrakln hcrgor ang-gor
an-q clan lunrs
630
525 350 263 140 105
(iraphite \lctallizing Cotp. Aplikasi rrrakarrart & rttinuurart 1lih. Cat. 2) Tcrisi l'}-f FE Bcrat nrolckul ckstrl tinrgi lVlcrok dagang DuPont Co.
Sutnber: llunting Bearings Corp., IJolancl. OtJ.
rBantalan KU terdiri atas lapisan-lapisan berikatan dari rlralriks berbahan dasar baja dan perunggu berpori yang dilapisi PTFE/bahan bantalan timbal. Lapisan bahan bantalan berpindah ke tap selama operasi. rRulon'!'adalah rnerek dagang terdaftar dari Saint-Gobain Perforntance Plastics Company. Bantalan-bantalan terbuat dali bahan Rulon@ PTFE (polytetrafluoroethylene) dalam berbagai rurnus dan konstruksi fisik.
N (lo3 nrrtt)z I o(' N lkN 'l'---;,-:-:2=trrnrrr ,ttr2 ,,,) ,,,2 lol ,v
lor
tN
. ,. r
,^
tn
Singkatnya, tekanan, p, dalanr N/rnrrrr adalah sanra seperti l0'kPa. Kecepatan linier pernrukaan tap biasanya dihitLrne dari:
:
n Dn / (60 000) m/detik
derrgarr D dalam rnm dan ri dalarn rpnr. Maka satuan-satuarr untuk pV adalah'.
pV
:
(kPa) (rn/detik)
Konversi yang berguna untuk sisteur yang lazim di AS adalah: 1,0
Sekali lagi, satuan-satuan untuk
Trtrl
psi.rpm
:
0,035 kPa.rn/detik
dapat difornrat kernbali untuk rnencernrinkan nilai transfer energi per satuan luas:
pV :kPa.rrVdctik:
kf .,"'', :g ,,,2 dctik
,.,.,2
dengan
I kW
:
I kN.rn/detik
Buntulon Lttnc'ttt' I I
Suhu Pengoperasian Kebanyakan plastik rnerniliki kenratnpuan operasi terbatas, hanya kira-kira pada suhu 200'F (93'C). Nanrun PTFE dapat :eroperasi pada suhu 500"F (260"C). Babit terbatas sampai 300'F (l50oC), sementara perunggu-timah dan aluminiurn ;apat beroperasi hingga pada suhu 500'F (260"C). Keuntungan utanta dari bantalan karbon-grafit adalah ker.narnpuan ..perasinya hingga suhu 750'F (400"C).
Prosedur Perancangan 3erikut ini adalah satu cara menyelesaikan perancangan awal dari bantalan luncur berpelurnas batas.
Prosedur untuk Merancang Bantalan-Bantalan Luncur Berpelumas Batas Itrfitrnrusi yong diketolrni: Beban radial pada bantalan, F (lb atau N); kecepatan putar (rprn); cliameter poros norlinal :rinimum, Dn,.n (in. atau mrr) (berdasarkan analisis tegangan atau analisis clefleksi). Tuiuott proses peroncongott.'Untuk rnenentukan dianreter nominal dan panjang bantalan dan bahan yang akan rnerriliki "ilai pVyangantan.
.t.
Menentukan diameter coba-coba, D, untuk tap dan bantalan. Menentukan rasio panjang bantalan dengan diameternya, l/D, khususnya dalam kisaran 0,5-2,0. Untuk bantalarr berporitanpa pelumas (gosokan kering) atau berisi minyak, dianjurkan agar LlD: l. (Lihat Ref-erensi 18.) Unruk bantalan karbon-grafit, dianjurkan LID: 1,5. Menghitung L -- D (LlD) panjang norrinal dari banralan. Menentukan nilai yang tepat untuk L. Menghitung tekanan permukaan (lbi in, atau Pa).
p: 6.
t. q.
FILD
Menghitung kecepatan linier permukaan tap: Satuan Standar Amerika: V : nDnl 12 ftlmen it atau fpnt. Satuan SI: V : nDnl(60 000) rn/s Sebagai cataran: 1,0 ftlmenit : 0,005 08 m/detik | .0 m/detik = I 97 l'Urxen it Menghitung pll (psi-fpm atau Pa.m/detik atau kW/rr2) Mengalikan 2(pl) untukrnernperoleh satu nilai perancangan untukpl/. Menentukan bahan dari Tabel l6.l dengan nilai yang dihitung dari pV sarna dengan atau lebih besar dari nilai perancangan.
r0.
ll.
Menghitung perancangan dari sistem barrtalan yang nrernpertimbangkan kelonggaran diarnetral, pentiliharr pelunras, pemberian pelumas, spesifikasi kehalusan perrnukaan, kontrol panas, dan pertiurbangan-perlirnbangan penentpatan. Sering kali pernasok bahan bantalan rnernberi saran untuk banyak keputusan perancangan tersebut. Kelonggaran diarretral norninal: Ada banyak faktoryang nrernengarulri spesifikasi akhir untuk kelonggaran, sepefti kebutuhan akan presisi, penyebaran panas dari serrua kornponen sistem bantalan, variasi beban, defleksi poros yang diharapkan, cara-cara pemberian pelutnas, dan kenrarrpuan pernbuatan. Satu aturan baku yang telah larna digunakan adalah dengan memberikan kelonggaran sebesar 0,00 I in per inci dianreter tap. Garnbar 16.3 rnenunjukkan nilainilai rninirnum yang dianjurkan untuk kelonggaran berdasarkan diameter tap dan kecepatan putar dengan beban tetap. Nilai tersebut berlaku untuk kelonggaran terkecil dengan korrbinasi toleransi pada ukuran-ukuran sistenr bantalan untuk menghindari masalah pernanasan dan hinrpitan akhir bantalan. Kelonggaran operasinya kernudiarr akan lebih tinggi dari nilai tersebut karena adanya toleransi penrbuatan. Unjuk kerja terhadapjangkauan kelonggaran keseluruhan perlu dievaluasi, lebih disukai dilakukan dengan pengu.iian.
12
Elenten-Elenten ll'lesin dalam Perancongan Mekanis
cdr,tTh- sd?il rB.r
SebLrah bantalan akan dirancang untuk rnembawa beban radial sebesar 150 lb dari sebuah poros yang nremiliki diarrreter rttinimurn yang dapat diterinra sebesar 1.50 in dan berputar dengan kecepatan 500 rpnr. Buatlah perancangan bantalan a_uar dapat beroperasi dengan korrdisi pelurrasarr batas.
ESTEEBAOAGS
Kita akan rnenggunakan prosedur perancangan vang diielaskan sebelunrrrva.
/.'
Longkah
Diarreter coba-coba: Cobalah D = D,.,,, = 1.50 in.
Luttgkolr 2-4. Cobalah
LID:
1,0. Kenrudian
L:
D -- 1.50 in.
Longkah 5. Tekanan perntukaan: p
:
il LD = ( I 50 lby( 1.50 in)( 1,50 in) :
66.7 psi
(:
66.7 lbi in:) 150 ;trrr
GAMBAR
I6.3
Kelonggaran diametral minimum yang disarankan untuk bantalan dengan mempertimbangkan diameter tap dan kecepatan putar (Diambil dari R. J. Welsh. Plain Bearing Design Handbook, London: Butterworths, 1983).
600 500
6()(X)
.l()0
,1(X)0
,i(
){
50{x)
3(l(x)
)
2(X)()
200
Io
100
p
ri{)
s G
A{)
6 -ir) E b{0 o c
€ o
l0{)0 E
-ro
d.
o c o
e o
tt(x) 600 50{)
o
4U)
o
300
c 5
o
:0
l(N
tu
100
It
130
)
60
t(x)
r
25
Diameter tap (mm)
"l
-...-..-.1 ,,h
.-,.....-:
Diameter tap (in)
Longklh 6. Kecepatan lirriel tap: V=
nDnl12:
n( I ,50)(500)l12
:
196 ftlmenit
Langkalt 7. Faktor pl/: pV
:
(66.7 psi) ( le6 fpm)
:
I
3
100 psi-fpnr
Longkah 8. Nilai perancangan untuk pV :2(13 100) : 26 200 psi-fpnr Lturgkah 9. Dari Tabel 16. l, kita dapat rnertentukan bantalan yang terbuat dari babit dengan kandungan timbal tinggi yang memiliki nilai pV rata-rata sebesar 30 000 psi-fprn. Langkah l0-ll. Kelonggaran dianretral norninal: Dari Ganrbar 16.3, kita dapat menyarankan m inirnal C,/:0,002 berdasarkan D: I ,50 in dan r: 500 rpnr. Detail perancangan lainnya berganturrg pada sistern di tttatta bantalan akarr ditenrpatkan.
Banlolan Ltrnctrt- 13
Eilntt]t- S0A rc.!
Buatlah perancangan sebuah bantalan luncur berpelumas batas untuk rnernbawa beban radial sebesar 2,50 kN dari sebuah poros yang berputar pada kecepatan I I 50 rpur. Dianreter nominal nrinirnum tap adalah 65 mrn.
En@rreAEAGg
Kita akan menggunakan prosedur perancangan yang dijelaskan sebeluurnya. Lurrgkah .1.' Diameter coba-coba: Cobalah
D: 75 rnrrr L: D:75 mrn.
Langkah 24. Cobalah LID: 1,0. Kenrudian Lungkah 5. Tekanan perurukaan:
p: FILD: (2500 NX75 mm)(75 mrn) :
0,444 N/mm2
Dengan mengonversikannya ke kPa, kita peroleh:
p
:
0,444 N/rnnrz ( l0r kPa)/(N/rxrn2)
:
444 kPa
:
4,52 mldetik
Langkah 6. Kecepatan liniertap: V
:
nDnl(60 000)
:
n(7 s)(11 50y(60 000)
Lutrgkult 7. Faktor pV'. pV
:
(aaa kPa) (4,52 m/detik)
:
2008 kPa.m/detik
Lungkuh 8. Nilai perancangan untukpZ: 2(2008) : 4016 kPa.rn/detik Langkah 9. Dari Tabel 16.1, kita dapat menentukan aluminium perunggu (C95200) yang rrerrriliki nilai pV sebesar 4375 kPa-rn/detik. Langkuh I0-l l. Dari Gatrrbar 16.3, kita dapat rnenyarankan min irnal C,t:7 5 nrn (0,075 rnm atau 0,03 in) berdasarkan D: 75 mm dan I150 rprn. . Perancangan alternatif: Faktor pV untuk perancangan awal, sekalipun cukup nternuaskan, namun agak tinggi dan rnungkin memerlukan pelurnasan yang saksama. Pertimbangkan perancangan alternatif berikut ini yang rnemiliki diameter bantalan yang lebih besar. Langkah 1. Cobalah D : 150 rrrm. Langkulr 2. L/D: 1,25. Langkah -1. Maka L = D(Ll
D):
(150 rnrn)(1,25)
:
187,5 rnrn
Lungkah 4. Mari kita gunakan nilaiyang lebih tepat, yaitu 175 nrrn untuk L. Langkah 5. Tekanan bantalan: p
: FILD:
(2500 N)/( 175 mrn)( 150 mm)
:
0,095N/mm:
:
95 kPa
Lungkulr 6. Kecepatan linier tap: V
:
pV:
nDnl(60 000)
:
n( I s0)( I I 50y(60 000)
(95 kPa) (9,03 m/detik)
Langkah 8. Nilai perancangan pV
:
:
9,03, rn/derik.
860 kPa.m/detik
: 2(860):
:
1720 kW/rn2.
860 kW/m2
l1
Eletnen-Elemen Mesin dalam Perancango,l lVlekani.y
Langkah 9, Dari Tabel 16.I, kita dapat nrenentukan bantalan perunsgu berpori yang terisi minyak dengan nilai pllsebesar 17,i0 kPa-ni detik atau bantalan ber'pelr.rrlas kering KU yang memiliki penilaian pl,' 1785 kPa-nr detik. Lungkah l0-ll. Dari Carnbar 16.i. kita dapat nrerr.rarankarr rnirrirnal C',: l5Opun (0, 150 rnrn atau 0,006 in) berdasarkan D = 150 rrrrr darr ll5(l rprrr Pelincian perancangarl lain bergantung pada sistern di ntana bantalan akarr dilc'ta(kan.
16.6 BANTALAN HIDRODINAMIS LAPISAN PENUH Dalar"n banlalan hidrodinamis lapisan penuh. beban pada bantalan dipikul oleh lapisan pelunras )ang lerus-rxenerus diberikan, biasanya minyak, sehingga tidak ada kontak antara bantalan dan tap rarrs berputar. Tekartan harus dihasilkan dalarn minyak agar mampu nrernikul beban. Dengan perancangan yang tepat. gerakarr tap di sebelalt dalam bantalan akan
menciptakan tekanan yang diperlukan. Gambar 16.4 rnenunjukkan aksi nraju dalanr bantalan luncur dari perrnulaarr lringga operasi hidrodinarnis berjalan rrantap. Amati bahwa pelurrrasan batas dan pelumasan lapisan canrpurarl nrendahului pembentukan pelunrasan h idrodinarn is lapisan penuh. Pada permulaan operasi, beban radial yang diberikan rnelalui tap ke bantalan rrreuraksa tap rnenjauhi pusat searah beban, sejauh kelonggaran yang diberikan (Canrbar l6.aGD. Pada kecepatan putaran awal .varrg lanrbat, gesekan arltara tap dan bantalan menyebabkan tap rrerrranjat dinding bantalan, seperli diturrjukkan dalarr.r Ganrbar 16.4(b). Karena timbulnya tegangan-tegangan geser viskos dalam rninyak, rnaka tap yang bergerak akan nrendesak nrinyak rnenyatu ntembentuk sebuah luasan berbentuk baji di atas daerah kontak. Aksi pemornpaan yang dihasilkan akan meny'ebabkan timbulnya tekanan dalarn lapisan minyak; jika tekanan itu cukup tirrggi, nraka tap akan tel'angkat dari bantalan. Gayagaya gesek banyak berkurang dalanr kondisi operasi senlacarr itu, dan tap aklrirnya bergerak ke posisi yang mantap yang ditunjukkan dalam Gambar 16.4(c). Perhatikan bahwa tap agak lrergeser keluar dari arah beban. di rnana terdapat eksentrisitas teftentu, e,antaru pusat geonretri bantalan dan pusat tap; dan terbentuk titik ketebalarr lapisart rninirrrurn, /2,,, yakni di bagian moncong daerah bertekanan berbentuk lraii. Gambar 16.5 nrengilustrasikan bentuk urnunr distribusi tekanan di dalanr barrtalan berpelurnas hidrodinanris lapisan penuh. Kelonggaran antara bantalan dan tap ditunjukkan dengan dilebih-lebihkan. Bagian (a) dari gantbar ini nrenrrnjLrkkan
naiknya tekanan ketika poros yang berputar nrendesak minl'ak nlenyatu rnernbentuk ba-;i, yang nrendekati titik dengan ketebalan lapisan rninimum. Tekanan nraksirrtunr terjadi di sana dart kentudiarr turuit deng,arr cepat nrcndekati nol ketika kelonggaran antara tap dan bantalan kenrbali menjauh. Efek terpadu dari distribusi tekanan ini adalah suatu gaya yang cukup untuk menopang poros dengan lapisan minyak tarrpa terjadi kontak logarn dengan logarn.
Cambar 16.5(b) menunjukkan distribusi tekanan secara aksial sepanjang poros melalui garis ketebalan lapisan
minilnurn atau tekanan rnaksitnurn. Tekanan tertinggi terjadi di tengah-tengah panjang bantalan, dan tekanan itu kemudian menurun dengan cepat ketika rnendekati ujung-u.jLrng bantalan karena tekanan di luar bantalan adalah tekanan dari lingkungan sekitar (ambienl pressure), lazinrnya adalah tekanan atnlosl'er. Ada kebocoran yang berlangsLrng secara terus-menerus dari kedua ujung bantalan. Ini nrenjelaskan pentingnya penyediaArl sarana penrasok nrinyak yang teruslrenerus ke bantalan untuk menjaga operasi lapisan penuh. Tanpa pasokan minyak yarrg tetap dan memadai, sistenr tidak
EAMBAR
I6.4
Posisi tap relatif terhadap bantalan sebagai fungsi mode operasi
Beban radial, F
Minyak mengisi ruang antara bantalan dan tap
i
I
(a) Keadaan diam
,,/*' (b) Awal gerakan
(c) Operasi lapisan penuh
D . -.
D-t1,,-,--,
Bantalan
0AIYIBAR 16.5
Bantalan
Minyak
Distribusi tekanan dalam Iapisar minyak untuk pelumasan hidrodinamis
Minyak
Tap
r5
Tap
., Kebocoran
tekanan
Distribusi lapisan minyak
(a) Penampang melalui lengah-tengah bantalan
tePi
(b) Penampang diametral melalui garis ketebaian lapisan minimum
akan rnampu menciptakan lapisan bertekanan untuk lxenrbawa poros, dan akan terjadi pelunrasan batas. Maka kernudiarr akan terjadi gaya-gaya gesek yang secara signifikan Iebih tinggi, yang rnenyebabkan pemanasan antaruuka bantalan dan :ap secara cepat, dan kemungkinan himpitan akan terjadi derrgan sangat cepat.
16.7 PERANCANGAN BANTALAN BERPELUMAS HIDRODINAMIS IAPISAN PEN UH Pembahasan berikut ini menyajikan beberapa pedoman perancangan bantalan untLrk aplikasi industri secara khusus. Prosedur perancangan ini terutarrra didasarkan pada informasi dalam Referensi l-3.
Kekasaran Permukaan h ingga 32 rn ikroinci (pin), atau 0,40 h ingga 0,80 pttt, Jianjurkan untuk bantalan yang bermutu baik. Bantalan harus sarra halusnya atau salah satu bahannya dibuat lebih lunak sehingga pengausan yang terjadi dapat rnenglraluskan bintik-bintik yang rnenonjol, yang rnenciptakan suaian yang baik
Tap hasil penggerindaan dengan kekasaran perur ukaan rata-rata I 6
rntaratapdanbantalan.Untukperalatandengantingkatkepresisianyangtinggi, Jntuk menghasilkan lapisan permukaan dari 8 hingga l6 pin (0,20-0,40 pnr).
polishingataulappingdapatdigunakan
Ketebalan Lapisan Minimum
\ilai
batasan yang dapat diterirna dari ketebalan lapisan minirrurn bergantung pada kekasaran pennukaan tap darr :rntalan, karena lapisan harus cukup tebal untuk menghindari kontak yarrg kasar selarna kondisi pengoperasian. Nilai :rncangan yang disarankanjLrga bergantung pada ukuran tap. Untuk tap-tap dasar, hubungan berikut ini dapat digunakan rntuk memperkirakan nilai rancangannya: h
:engan
D:
:
0,00025D
(r 6-r )
diameter bantalan
Kelonggaran Diametral Kelonggaran antara tap dan bantalan bergantung pada diameter nonrinal dari bantalan, tingkat kepresisian mesin yan-9 :antalannya akan dirancang, kecepatan putar, dan kekasaran perrnukaan tap. Koefisien r.nuai panas, baik untuk tap atauptlrt rantalan, juga harus dipertirlbangkan untuk nremastikan kelorrggaran yang menluaskan dalarn serrrua kondisi operasi -..rng diharapkan. Pedoman keseluruhan untuk pembuatan kelonggaran dalanr kisaran 0,00 I hingga 0,002 kali dianteter
16
Elenen-Elemen Mesin dalam Perancangan h'lekutti.s
bantalan dapat digunakan. Cambar 16.3 nrenunjukkan garnbar kelongraran diarretraI nrinimal yarrg diarrjLrrkan sebagai satu fungsi dari dianreter bantalan dan kecepatan putar. Beberapa variasi di atas rrilai dari kurva, diperbolehkan.
BAHI
Rasio Panjang Bantalan dengan Diameter Karena tap merupakan bagian dari poros itu sendiri, dianreter ruinimumnya biasanya dibatasi oleh pertinrbangan jenis tegangan dan defleksi, yang dibahas dalanr Bab I2. Kernudian paniang bantalan ditentukan, tujuannya untuk rlernberikan tingkat tekanan permukaan yang sesuai. Bantalan uresin industli utttuk tujuan unrurr secara khusus beroperasi kira-kira pada tekanan pernrukaan dari 200 hingga 500 psi (l ,4-3.4 MPa), berda.sarkan luas bantalan yang sLrdah dihitung [r = beban/(fD)1. Tekanannya dapat berkisar dari paling rendah 50 psi (0,34 MPa) untuk peralatan dengan beban ringan hingga 2000 psi ( I3,4 MPa) untuk rnesin berat dengan beban berubah-ubah, seperli pada nrotor bakar. Kebocoran nrinyak dari bantalan juga dipengaruhi oleh panjang bantalarr. Jangkauan panjang yang lazim untuk rasio dianreter (L/D) untuk bantalan-bantalan hidrodinamis lapisan penuh adalah dari 0,3-5 Irin-e,ga 1,5. Tetapi banyak bantalan yang sukses beroperasi di luarjangkauan ini. Referensi l8 menyarankan Ll D:0,60 untuk banyak aplikasi industri.
t.
Suhu Pelumas Viskositas rninyak merupakan paranreter penting untuk uniuk kerja bantalan. Canrbar 16.6 urenunjukkarr variasi viskositas
yang luas menurut suhunya, yang nrenyatakan lrahwa kontrol suhLr sebaiknya dilakukan. Kebanyakan minyak pelunras petroleurn harus dibatasi kira-kira pada suhu 160"F (70'C) untuk nrernperlanrbat oksidasi. Tentu saja suhu yang rneniadi perhatian adalah suhu di dalam bantalan. Energi gesekan atau enerei panas dari peralatan itu sendiri dapat menaikkan suhu minyak yang melebihi suhu dalarn wadah persediaan nrinyak itLr. Dalant contolr perancangan, kita akan nremililr pelumas yang akan nrenjamin viskositas yang nrenruaskan yaitu pada suhu l60oF, kecLralijika dinyatakan lain. Jika suhu operasinya lebih rendah, lapisan yang dihasilkan akan rrrenjadi lebilr tebal dari nilai rancangan--hasil yang terlalu kaku. Perancang berkewajiban untuk nrenrastikan agar sulru batas tidak terlanrpaui, jika perlu den-9an nrenggunakan pendingin.
Viskositas Pelumas Spesifikasi pelurnas untuk bantalan rnerupakan salalr satu keputusan akhiryang perlu dibuat dalanr prosedur perancangan selanjutnya. Dalarn penghitungan, yang digunakan adalah viskositas dinamis, p. Dalam sistetn satuan yang lazinr di AS (lb-in-detik), viskositas dinarnis dinyatakan dalanr lb.detik/inr, yang diberi rtanra rzyn untuk nrenghonnati Osbourne Reynolds, yang mengerjakan banyak pekerjaan yang penting dalanr aliran fluida. Dalanr satuan SI, satuan standarnya adalah N/deti}
:
6895 Pa.detik
1,0 Pa.detik
:
1000 centipoise
Konversi viskositas lainnya rnungkin juga berrlanfaat. (Lihat Referensi 12.) Cantbar 16.6 rnenunjukkan grafik hubungan viskositas dinarnis dan suhu baik untuk satuan standar internasional (SI) atau satuan yang lazirn diAS. Perhatikan dalanr Garnbar 16.6 (b) bahwa nilai-nilai umum dalarn satuan yang lazim di AS. sangat kecil. Nilai dari skalanya harus dikalikan dengan I0 6.
GAiIE' Hubun keteba dan bil S (Disi dan All "A Solr Journa Applici and De dan ll. the An,
Lubrict Edisi l,
Bilangan Sommerfeld Pengaruh gabungan dari banyak variabel yang terlibat dalarn operasi bantalan dengan pelurnasan hidrodinanris dapat digolongkan menurut bilangan tak berdimensi, S, yang disebut bilangan Somntct'fcld. Beberapa orang nrenyebutnya bilongan khas banlalan (bearing characlerislic numbu) yang didefirrisikan sebagai berikut:
? -\
Bilongon Khos Bonlolon
c_/r,r,(Rlclz l)
(t6-2)
Bantalan
ebagai
Ltrttcur
17
@AMBAR 16.6
Hubungan viskositas dan suhu untuk minyak SAE 1.0
I
50
t.0
1,,
0,8
n Jerlrs
ra-kila
0."1
rgkr:
0"1
operas
i
0. 6
I
0.01r
f .9 E
().06
G
.c D
o
(l
l{)i)
^C
\ 0w
o-
.l{xl
20rv
ringan
ninyak ) untuk
8(I) 60{}
){ \
{).6
>erikart
\
t\
w
c! i(x) ;8( o- 6{) il
110 o o. .]0 l O
raikkan
0.(xx;
;c
\ \ \ \ \
\ \
kos itas
,
@
.\
o rl ft:
remililr in. Jika
x.
t
0.0-i
0.001t
lixr
q)
0.1
elunras nenjad i
(XX)
0)
*l(l a
\
0.0t
li
.d
50
5o
JO
,g
E o{ G
o
0$
>2
().(x).1
5rv
(1.(x).'l
terlalu
urtakan
0.fi)2
I
0.tJ
().(x)
0.6 I
J0
8(|
60
0,,r
I (.)0
40 60 8t) l(o t:0 l{0 l6{) lr{o
Suhu.'C
Suhu, "F
(a) Satuan melris Sl
(b) Satuan yang lazim di AS
cangarl
rzinr di bortrue darnya sistenr
)ungan dalant
lalikan
OAtrlBAR 16.7
Hubungan variabel ketebalan lapisan, holC,, dan bilangan Sommerfeld, S (Disadur dari John Boyd dan Albert A. Raimondi, "A Solution for the Finite Journal Bearing and lts Application to Analysis and Design," Bagian I dan ll. Transactions of the Americans Society of Lu brication Engineers, Edisi I, No. '1, 1985).
1.0
0.9 I t')
o'
().7
.6
0.6
€o
)utnya
..,,,,,Y
I
(.,1
II
/
o.+
o.r
ti i
\:t
I
o 6 c,.^ ,
()
'1
/
Ii
.t
o
i
l, /
o 6 n< gc
.,*4 '*
z
0.i)l 0.0:
/ a. rl
0 (ld 0.00
0.10 0.24
Bilangan sommerfew
"t6-2)
4
,/-
.q
0,1
dapat
0li
0.8
0.'10
(l.fn)
s = Al:!!iQ) p
10
{.0 60
18
Elenen-Elenren Mesin dalam Perancangon Mekenis
Perhatikan bahwa S santa dengan parameter bantalan, pn/p. yarrg dibahas dalarn Subbab 16.3. rane rneliputi perrgaruh gabungan dari viskositas, kecepatan putar, dan tekanan pernrukaan. Agar S rnenjadi tak berdintensi. ntaka satuan-satualr berikut ini perlu digunakan untuk faktor-faktornya:
AS lb.detik/in'?(reyns) putaran/detik lb/in'?(psi) in.
Satuan yang lazim di
p tl, p R, C,.
Sutuan Sl Pa.detik (N.detik/m':)
putaran/detik Pa
(N/mr)
ur atau nru
Sebarang satuan konsisten dapat digunakan. Ganrbar 16.7, yang disadur dari Relerensi 3, menunjLrkkarr hubungan antara bilangan Somnrerfeld dan rasio ketebalan lapisan, h,fC,. Garnbar 16.8 nrenunjukkan hubr"rngan antara S dan koefisien
variabel gesekan, /(RIC,). Nilai-nilai tersebut digunakarr dalam prosedur perancangan selanjutnya. Karena banyak keputusan perancangan yang dibutuhkan, rnaka nrungkin ada beberapa solusi yang dapat diterirna.
Prosedur Perancangan Prosedur untuk Merancang Bantalan Berpelumas Hidrodinamis Lapisan Penuh Karena perancangan bantalan biasanya dilakukan setelah analisis tegangan poros selesai diker-iakan, nraka item-itenr berikut ini biasanya diketahui: Beban radial pada bantalan, F, biasanya dalam 1b atau N Kecepatan putaran,
r,
biasanya dalarn rpnr
Diameter poros nominal pada tap, kadang ditetapkan sebagai dialneter uriniurunr yang dapat diterirna berdasarkarr kekuatan dan kekakuan
Hasil dari prosedur perancangan menrberikan nilai-nilai untuk diarreter tap sesungguhnya, paniang bantalan. kelonggaran diametral, ketebalan lapisan nrininral dari pelumas selaura operasi, lapisan pennukaan untuk tap, pelumas dan suhu operasi maksimalnya, koefisien gesek, torsi gesekan, dan rugi-rugi daya karena gesekan.
l. 2,
Menentukan nilai diarneter coba-coba untuk tap, D, dan.iari-.lari, R: Dl2. Menentukan tekanan nominal permukaan operasi, biasarrya 200 hingga 500 psi (1.4-3,4 MPa). di rnanap -- FILD. Selesaikan untuk L:
L:
3. 4, 5.
F/PD
Kernudian hitunglah L/D. Mungkin lebih disukai untuk rnenetapkan kernbali L/D sebagai nilai yang tepat dari 0,25 hingga 1,5 untuk dapat rnenggunakan bagan yang ada. Aklrirnya, tentukan nilai rancangan sesunggultnyadari LlD dan L, dan hitunglah FILD yang sebenarnya. Lihat Gambar 16.3, tentukan kelonggaran dianretral, C,, berdasarkan nilai-nilai Lrntuk Ddan rz. Kernudian hitunglah
p:
C,:
C,l2 dan rasio R/C.. Tentukan kehalusan pernrukaan yang diin-qinkan untuk tap dan bantalan dan rrenurut aplikasi. Nilai urnurrnya adalah
l6-32 pin (0,40-0,80 pm). Hitunglah ketebalan lapisan nominal minirrurn dari Persarnaan (16-l), h,,:0,00025D
6. 1.
Hitunglah h,fC,,rasio ketebalan lapisan. Dari Gambar 16.7, tentukan nilai bilangan Somrrrerfeld untuk rasio ketebalan lapisan yang terpilih dan rasio L/D. Anda harus teliti ketika rnenyisipkan dalarr bagan inidikarenakan sutnbu logaritmik dan sebaran tak linierdi antara kurva-kurva. Untuk Ll D > I , hanya data perkiraan sa.ia yang dapat d ipero leh. Untuk L/ D 1,5, laku kan interpolas i kira-kira l/4 darijarak antara kurva untuk LID-- | dan LID: tak berhingga. Untuk LID:2lakukan hingga separulr jarak kedua kurva tersebut.
:
Bantolan Ltrnc'ttr
8.
Hitung kecepatan putam dalam putaran per detik:
n,: di rrana
9.
r
nl60
dalam rpnr.
Karena tnasing-trtasing faktor dari bilangan Somnrerfeld dikenal kecuali viskositas pelurnas, pr, carilalr jarvabarr urrtuk viskositas rninirrtal yang dibutuhkan yaug akan rnenghasilkan ketebalan lapisan minintal yarrg diinginkan: S,,
,,
'' -
Viskosiios Pelumos Minimol
yong Dibuluhkon
l0'
l9
(
,,,qR lC,.)2
r
6-3)
Tentukan suhu peluntas maksimal yang dapat diterin:a, biasanya l60oF atau 70"C. Pilihlah satu pelurrras dari Gambar 16.6 yang akan merniliki sekurangnya viskositas yang dibutuhkan pada suhu operasi. Jika pelumas yang terpilih
nremiliki viskositas yang lebih besar dari yang dihitung dalant Larrgkah 9, hitung kembali S untuk nilai viskositas yang baru. Nilai yang dihasilkan untuk ketebalan lapisan rnininral yang sekarang akan sedikit lebih besar dari nilai rancangan, hasil yang umumnya diinginkan. Jika perlu Anda dapat rrelihat kentbali Gambar 16.7 untuk rnenentukarr nilai baru dari ketebalan lapisan minirnunt. OAMBAR
n-
,/
l0o
*:
#80 P60 E40 o 920 o
I I
I I
c
L,
o
E i8
l:::;:,::
I
0)
to
g6 8a
I:" lor*U: ;ffi':.ii
I6.8
Hubungan koefisien variabel gesekan, f(RlC,), dan bilangan Sommerfeld, S
lD;c
-;'t'
1
1.0
7
0'{}
r 0.2 0.6 I 0 ${ 0 08 0.4 0.lt 0.c)6 0.
0.01 0,01
2
,1 6 8l
>'/ )' Fn,(ffiC, - * P!1r!' Bilangan Sommerfeld S p
il. l].
Dari Cambar 16.8, dapatkan koefisien variabel gesekan,./(R/C,). Hitunglah /': J(RlC,)l(RlC,) = koefisien gesekan. t3. Hitunglah torsi gesekan. Hasil kali dari koefisien gesek dan beban Frrenrberikan gaya gesek pada permukaan tap. Nilaiyang dikalikan dengan jari-jari ini memberikan torsi: Iorsi Gesekon
T,: F,R: lFR
(r
6J)
11. Hitunglah rugi-rugi daya dalarn bantalan dari hubungan antara daya, torsi, dan kecepatan yang telah serirrg kita gunakan:
-\ ?
Rugi-nugi Doyo koreno
Gesekon
P,= 77163 000 lrp
(r
Rugi-rugi daya karena gesekan ini rnewakili besarnya input energi ke pelurnas dalarl bantalan yang
6-s)
dapat
rrenyebabkan suhu naik. lni merupakan bagian dari energi yang harus dibLrang dari bantalan untuk rnenrpertalrankatr viskositas pelumas yang rnerruaskan. ,-ontoh Soal 16.3 dapat menjelaskan prosedur tersebut.
20
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancqn{:an Mekonis
EdTtTh- $l[I|I
fEJ
EiVE:trf:BA0 69
Buatlah perancangan barrtalan tap luncur untuk rnembawa beban radialy'ang mantap sebesar 1500 lb dengan poros berputar pada kecepatan 850 rpnr. Analisis tegangan poros rnenetapkan bahwa dianreter rnininral yang cocok pada tap adalah 2. I 0 in. Poros nrerupakan bagian dari sebuah mesin yang r.nenuntut kepresisian yang baik.
Lungkuh /. Mari kita pilih D :2,50in. Kenrudian R= I.25 in. Langkah 2. Untuk p:200 psi, L harus:
L:
F/pD = ls00(200)(2,50)
:
3.00 in
Untuk nilai I tersebut, t'naka LID:3,0012,50: 1,20. Agar dapat menggunakart salah satu bagan perancangan standar, rnari kita ubah l. rnenjadi 2,50 in, sehingga L/D: 1,0. lni tidak penting, tetapi dapat rrenghilangkan interpolasi. Maka tekanan sesungguhnya adalah:
p: FiLD:
1500(2,50)(2,s0):240
psi
lni nrerupakan tekanan yang dapat diterima. Langkah 3. Dari Garnbar 16.3, C,t:0,003 in sesuai untuk kelonggaran diarnetral, : 2,50 in dan r = 850 rpm, dan C,. : C,l2 :0,0015 in. Demikian pula:
berdasarkan nilai D
Rlc,:
t,25t0,0015
:
833
Nilai ini digunakan dalanr penghitungan narrti. Luttgkolt 4. Untuk kepresisian yang diinginkan dalam rnesin ini, gunakan kehalusan perrrukaan l6-32 pin., yang nrernerlukan tap dasar. Lungkalt 5. Ketebalan lapisan nrininrunr (nilai rancangan):
h,,: 0,00025D:
0,00025 (2,50)
:
0,0006 in (kira-kira)
Langkah 6. Variabel ketebalan lapisan: It,,
lC,
:
0,0006/0,00 I 5
:
0,40
Luttgkult 7.Dari Garnbar 16.7, untuk h,,lC,.- 0,40 dan
LID: l, kita dapat rnenrbaca S
= 0,13.
Langkah 8. Kecepatan putar dalanr putaran per detik:
n,:
nl60 =
850i60:
14,2 putaran/detik
Lungkulr 9. Carilah jawaban urrtuk viskositas dari bilangan Somrnerf'eld,
S:
":#:#*#:3r7xro.rcYrr Lungkah 10. Dari bagan viskositas, Garnbar 16.6, SAE 30 minyak dibutuhkan untuk rnemastikan viskositas yang nretnadai pada sulru 160"F. Viskositas yang diharapkarr sebenarnyadari SAE 30 pada suhu l60oF kira-kira 3.3 X l0 6 reyn. Langkuh /1. Untuk viskositas sesungguhnya, bilangan Somrnerf'eld-nya akan men jadi:
a
J:-
ltn\(R
lC,
p
f
(3,3)(r0 6;1r+,2;1s::;2 (240)
:0,135
:
Langkah /2. Koefisien gesek (dari Garrrbar 16.8):/(R/C,): 3.,i
l. Sekarang, karena R/C-, :
urrtLrk .t =
r-r. ,
-:: :,,-
.
833, maka: .f = 3,s1833
:0,0042
Longkah 1J. Torsi gesekan:
Tt: /FR :
(0,0042X ls00x I ,25)
:
7,88 lb in
Langkah 14. Daya gesekan:
P,: Ulasan
T,nl63 000
:
(7,88X850)/63 000
Evaluasi kualitatif dari hasil
di
:
0, I 06 hp
atas rreuuntut kita Lrntuk lnetrperoleh
pengetahuan yang lebih banyak lagi tentang aplikasi. Tetapi sebagai catatan. bahwa koefisien gcsek sebesar 0,0042 adalah cukup rendah. Kernungkinan nresin yang nrenrerlukan poros sebesar itu dan dengan gaya-gaya bantalan setinggi itu juga akan uemerlukan daya yang besar unttrk ntenggerakkannya. Maka kemudian gaya gesekan 0, 106 hp akan nantpak kecil. Peftimbangan-pertiurbangan panas juga penting untuk trtenentukan seberapa besar rugi-rugi energi dari bantalan. Dengan mengubah rugi-rugi daya akibat gesekan rrenjadi daya panas, nrenrberikan:
Pr
:
o'106
nPJllZ
rL
-
7e'o
w
Dengan rnenyatakannya dalarn satuan yang lazirn di AS, mentberikan:
P, -i9.0 '
*
I Btu/lrr :270 Bturhr 0.291 w
16.8 PERTIMBANGAN.PERTIMBANGAN PRAKTIS UNTUK BANTALAN LUNCUR ?erancangan sistem bantalan harus rrrenrpertinrbangkan cala pengiriman pelurras ke bantalan, distritrusi peluntas dalant :antalan, banyaknya pelumas yang dibutuhkan, .junrlah panas yang terjadi dalarn bantalan dan pengaruhnya terhadap .ihu pelurnas, disipasi panas dari bantalan, perawatan pelunras dalam kondisi bersih, dan daya guna bantalan terhadap :trbagai kondisi pengoperasian yang mungkin dialarni bantalan tersebut. Banyak dari faktor tersebut rnerupalian detail perancangan yang harus diker.lakan bersanra dengan aspek-aspek lain :rri perancangan nresin. Tetapi beberapa pedoman dan saran-saralr uurum akan diberikan di sini. Pelurnas dapat dikirirrkan ke bantalan dengan pompa, rl ungkin didorong dari surnber yang sanra yang rnenggerakkan .r'luruh mesin. Dalarn beberapa transrnisi roda gigi, salah satu roda gigi dirancang untuk nrasuk ke dalam penampung riny'ak dan mengangkat minyak menuju ke roda gigi pasangannya dan ke bantalan-bantalan. Mangkuk minyak di luar .:epat digunakan untuk mengirirnkan minyak secara gravitasijika.iunrlah pelurnas yang diperlukan hanya sedikit. Cara-cara memperkirakan jurnlah urinyak yang dibLrtulrkan, dengan menrpertirrbangkan kebocoran rninyak dari ung-ujung bantalan, juga tersedia. (Lihat Referensi l, 3, 5, I 4-l 8.) -.' Pengiriman rrinyak ke bantalan harus selalu ada di daeralr yang berlawanan lokasinya dari tekanan hidrodinarnis . eng Inembawa beban. Jika tidak, lubang pengantaran nrinyak akan nrer.lrusnahkan tekanan udara dari lapisan.
22
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangqn Mekanis
Pembuatan alur sering digunakan untuk nrendistribusikan minyak sepanjang perpanjangan banralan. Minl,ak akan dikirirrkan melalui lubang radial dalarn bantalan pada titik perterrgahan panjangnya. Alur harus rrerrran.janr secara aksial dalam dua arah dari lubang, tetapi kemudian harus berakhir sebelunr ujung bantalan agar rrinyak tidak bocor ke sarnping. Putaran tap kentudian membawa minyak ke daerah terjadinya lapisan hidrodinarris. Garnbar 16.9 menunjukkan beberapa
rlodel pembuatan alur yang digunakan. Pendinginan bantalan itu sendiri, atau pendinginarr rr inyak dalanr rvadah pensuplai rl inyak, harus selalu dipertirnbangkan. Konveksi alami mungkin cukup rrenradai untuk ttrentransler parras dan rnernpertahankan suhu barrtalarr tidak, konveksi buatan dapat diusahakan. Dalanr kasus lain dari terjadirrya panas, khususnyajika sistenr bantalan bekerja di area yang panas seperti dalam tungku petnbakaran, cairan pendin gin (licluicl coolont) dapat dipompakan rrclalui sebuah selubung yang menutupi bantalan. Beberapa bantalan yang tersedia di pasaran rnerniliki ciri-ciri khas tersebut. Penenrpatan alat penukar panas (heat exchanger) juga dapat diusahakan. Carnbar 16.10 menuniukkan sebuah Irodel bantalan luncur yang tersedia di pasaran dengan ruang-ruang pendingin yang nengizinkan penggLrnaan air, udara, atau rninyak sebagai zat pendingin internal. r ang sesuai. Jika
& ",w g":w
t:w wee)
&
II II ti
OAMBAR
I6.IO
Blok bantalan Sleevoil RTL yang berpelumas hidrodinamis OAMBAR
I6.9
Contoh-contoh model pembuatan alur untuk bantalan datar (Bunting Bearings Corp., Holland, OH)
dengan ruang-ruang pendingin. (Hak cipta Rockwell Automation/ Dodge, Milwaukee, Wl. Digunakan dengan izin.)
Pelumas dapat dibersihkan dengan nrengalirkannya rnelalui filter-filter ketika pelurnas tersebut dipornpakan ke bantalan. Plug-plug magnetis di dalam wadah rninyak cukup baik untuk rnenarik dan menahan partikel-partikel loganr y'ang dapat menggores bantalan.iika mernungkinkan mernasuki celah antara tap dan bantalan. Tentu saja, penggantian minyak secara teratur juga sangat perlu. Prosedur perancangan yang digunakan dalam bagian terdahulu diselesaikan dengan seperangkat kondisi: suhu yang diberikan, kelonggaran diametral, beban, dan kecepatan putar. Jika salah satu dari faktor tersebut berubah-ubah selanra operasi mesin, maka unjuk kerja dari bantalan perlu dievaluasi dalarn kondisi-kondisi yang baru. Pengujian prototipe dalam berbagai kondisi juga sangat perlu. Referensi l, 2, 8 dan l3-19 rnernbahas peftimbangan-pertimbangan praktis lainnya untuk perancangan bantalan-bantalan luncur.
16.9 BANTAIAN HIDROSTATIS lngat kembali bahwa pelurnasan hidrodinamis yang berasal dari pembentukan lapisan minyak bertekanan udara cukup nremadai untuk mernikul beban pada bantalan, di mana lapisan tersebut dihasilkan oleh gerakan tap di dalam bantalan. Perlu diperhatikan balrwa diperlukan gerakan yang relatif mantap antara tap dan bantalan untuk rrrenghasilkan dan nrenrpeilahankan lapisan.
Bzn!alan
:
':: :'::
Ltrnarr 23
Pada beberapa jenis peralatan, tidak terdapat syarat-syarat seperti pada lapisan hidrodinamis. Contohnya antara lain peralatan yang bergerak bolak-balik atau yang berosilasi atau rnesin yang bergerak dengan sangat lambat. Jika beban bantalan sangat tinggi, rnaka tidak rnungkin menghasilkan tekanan yang cukup tinggi Jalam lapisan untuk rnenrikul
-"::':rl tersebut. Bahkan dalam kasus-kasus ketika pelunrasan lridroclinarris dapat te{adi selarna operasi normal nresin, - :' : ada pelutnasan lapisart catnpuran atau pelunrasan batas selanra pengawalan dair penghentiap nresin. Irri r,ungkin
::r
dapat diterirna.
lnlrat kernbali perancangan sistem pergerakan untr.rk teleskop atau antena yang menuntut agar landasannya berputar
' : - l3r'l kecepatan yang sangat lambat dan bergerak dengan lralus. Gesekannya j uga harus kecil agar.tetap bisa rnenggurrakan
:-:n
penggerak yang kecil dan untuk tnentberikan respons yang cepat dan penenrpatan yang tepat. Bagian ini pacla -,:.:,;rr\ a nrerupakan bantalan aksial yang ntenyangga berat sistell Dalam jenis aplikasi ini, lebih disukai pelurnasan hidrostatis. Pelumas dikirirnkan ke bantalan dengan tekanan tinggi, -'::€:'3P0 ratus psi atau lebih, dan tekanan yang bekerja pada area bantalan itu benar-benar rrampu menrikul beban pada -:,-:rlan. bahkan untuk peralatan yang tidak bergerak.
|IEAR t6.t I ::-en-elemen -:-:statis
utama dari sistem bantalan Distribusi tekanan terasumsi Lapisan minyak Jari-jari ceruk, R,
P,.,
Katup kendali aliran atau katup penyempit
Katup pembatas tekanan Pompa Penampang A
(a) Sistem bantalan hidrostatis
-A
(b) Geometri landasan
Gambar 16. ll menunjukkan elemen-elenren utarna dari sistenr bantalan hidrostatis. Pontpa pernindahan positif minyak dari tangki dan mengirimkan minyak bertekanan ke rranipol yang rnenyalurkan rninyak ke beberapa '-:J-ian bantalan. Di tiap landasan bantalan, rrrinyak rnengalir melalui sebuah elenten kendali yang akan nrerrjadikan '::n seimbang. Elemen kendali ini dapat berupa katup kendali aliran, pipa berdianreter kecil, atau orifis. Sebarang : : -i3Il tersebut menawarkan harrbatan terhadap aliran m inyak dan ntemungkinkan beberapa landasan bantalan beroperasi :.'; tekanan yang cukup tinggi untuk mengangkat beban pada landasan tersebut. Ketika sistem beroperasi, rlinyak "-:-:3suki ceruk dalarrl landasan bantalan. Misalnya, Garnbar 16. ll(b) menunjukkan landasan lingkaran dengan ceruk -:\aran di tengahnya yang terisi rrinyak ntelalui lubang tengah. Beban awalnya terletak pada daerah permukaan atas
*:-:rik
- '1e!3 menutup ceruk. Ketika tekanan dalam ceruk mencapai tingkat di rrana hasil perkalian tekanan dengan luas ceruk dengan beban yang diberikan, maka beban akan terangkat dari landasan. Segera kernudian ter.iadi iliran rninyak -:-3robos daerah permukaan landasan di bawah beban yang terangkat, dan tekanan nrenunln hingga mencapai tekanan I -.'ster di luar landasan. Ketika terjadi kesetimbangan, hasil perkalian tekanan lokal clengan liis akan mengangkat ":r':n ke jarak terlentu, /2, biasanya berkisar dari 0,00I hingga 0,0I0 in (0,025-0,25 mrn). Ketebalan lapisan, lr, t,urut - -' -p besar sehingga menjarrin tidak ada kontak benda padat dalam berbagai kondisi operasi, tetapi ketebalan iniju_ea :':- : dipertahankan sekecilrrungkin untuk rnernperkecil aliran nrinyak melalui rrrasing-rnasing bantalan dan daya ponrpa ';
;-r
--:
dibutuhkan untuk menggerakkan sistem.
24
Elemen-Elenten Mesin dalatn Perancangqn Mekqnis
Unjuk Kerja Bantalan Hidrostatis Tiga faktor yang nrenandai unjuk kerja bantalan hidrostatis, yakni kapasitas penrbarvaan bebannya, aliran rninyak yang dibutuhkan, dan daya pemompaan yang dibutuhkan, seperli ditunjukkan oleh koefisiert-koefi sien tak berdimen si a, c1, dan H,. Besarnya koefisien-koefisien ini bergantung pada perancangan landasan:
+ + + dengan
Koposilos Pembowoon Bebon
Alkon Minyok yong Dibutuhkon
Tenogo Pemompo yong Dibutuhkon
F : p : P: a, : 4 :: H, 1,, : p. : /r : l"t :
F-oA I t,n ,
_
(r 6-6)
Ftl
0:rt - ,,, A,,
(16-7)
lr
P:t,,Q-H,l I r)'t,' l: \4,')
(r 6-8)
tt
beban pada bantalan, lb atau N kecepatan aliran voluure rninyak, in3/detik atau mr/detik tenaga pompa, lb'in/detik atau N'm/detik (watt) koefisien beban landasan, tak berdimensi koefisien aliran landasan, tak berdirnensi koefisien daya landasan, tak berdinrensi (Culolutt: H,: l/o) luas landasan, in2 atau rn2 tekanan rninyak dalam ceruk landasan, psi atau Pa ketebalan lapisan, in atau ur viskositas dinamis rninyak, lb'detik/in'] (reyn) atau Pa'detik.
Gambar 16. 12 rnenunjukkan variasi yang lazirn dari koefisien tak berdirnensi sebagai sebual.r fungsi dari geornetri landasan untuk landasan lingkaran dengan ceruk lingkaran. Bila ukuran ceruk, R,iR, beftarnbah, kapasitas pernbawaan bebannya meningkat, sepefti ditunjukkan oleh a, Tetapi denrikian pula, aliran rrelalui bantalan nreningkat, seperli dinyatakan oleh q, Peningkatan secara perlahan terjadi hingga nilai R,/R tnencapai kira-kira sebesar 0,7 dan selanjutnya akan terjadi peningkatan dengan cepat untuk rasio-rasio yang lebih tinggi. La.iu aliran yang lebih tinggi ini rnernerlukan claya pompa yang jauh lebih tinggi, seperli ditunjukkan oleh koefisien daya yang nteningkat dengan cepat. Pada rasio R,/R ),ang sangat rendah, koefisien bebannya Inenurun dengan cepat. Tekanan dalarn ceruk harus sedenrikian sehingga mampu mengangkat beban. Tekanan yang lebih tinggi menrerlukan daya perrorrpaan yang lebih tinggi. Maka, koefisien daya )'ang tinggi baik pada rasio R,/R yang sangat rendah atau pada rasio R,/R yang tinggi. Daya rnininrurr dibutuhkan untuk rasio antara 0,4 dan 0,6. OAtvlBAR 16.12
Koefisien unjuk kerja tak berdimensi untuk bantalan hidrostatis landasan Iingkaran (Cast Bronze lnstitute. Casf B ro n ze H yd rostatic Be ari n g Design Manual. New York: Copper Development
0 io "6 C
.o
o o
c 0 !
Association, 1975). o
!6 o o o
Y
1i Karakteristik umum dari unjuk kerja landasan bantalan hidrostatis tersebut adalah lazint trntuk bartlak georltett.i endasan yang berbeda-beda. Data tentang unjuk kerja dari bentuk landasan yang berbeda juga banyak dipublikasikarr. Lihat Referensi 6.) Contoh Soal 16.4 menjelaskan prosedur perancangan dasar untuk bantalan-bantalan hidrostatis.
lb akan disangga dengan tiga
EilntTli SOI|I ]$.{
Sebuah puncak antena besar beratnya 12 000
Eg1CI'6EAI
Kita akan memilih perancangan landasan lingkaran yang koefisien unjuk kerianya tersedia
6s
bantalart
hidrostatis sedernikian rupa sehingga tiap landasan bantalan mentikul beban 4000 lb. Ponrpa pemindahan positif akan digunakan untuk rnengirimkan rninyak pada tekanan hingga 500 psi. Buatlah perancangan bantalan-bantalan hidrostatisnya.
dalam Gambar 16.12. Hasil perancangan akan menentukan ukuran-ukttran landasan, tekanau
rninyak yang dibutuhkan dalanr ceruk dari tiap landasan,.ienis minyak yang dibutLrhkan dan suhunya, ketebalan lapisan minyak ketika bantalan menopang beban, kecepatan aliran minyak yang dibutuhkan, dan tenaga pemornpaan yang dibutuhkan.
Luttgkuh 1. Dari Ganrbar 16.12, tenaga rninitnunr yang dibLrtultkatt ttntuk
sebtrah
landasan bantalan lingkaran akan terjadi dengan rasio R,/R kira-kira sebesar 0.50. Unttrk rasio di atas, nilai koefisien bebannya adalah o,:0,55. Tekanan pada ceruk barttalan akan sedikit
di bawah nilai maksintal yang tersedia sebesar 500 psi, karena tekanan turun dalartl katup penyempit yang diternpatkan antara manipol penyalur dan landasan. Misalkan pgrancangan untuk tekanan ceruk kira-kira 400 psi, kemudian, dari Persamaan (16-6),
F
4,, tt
Tetapi
;
P
4000 lb
t.
0,55(400 lb/in
21
=
18,2 in2
A,,- nD2l4. Maka diameter landasan yang dibutuhkan 4A,,
lp=
Untuk tepatnya, mari kita tentukan D
adalah:
4.81 in
:
5,00 in. Maka Iuas landasan sesungguhnya akan
menjadi:
A,,: nD2l4: (trX5,00
in)z I
4:
19,6 in2
=
370lblin2
Maka tekanan ceruk yang dibLrtuhkan adalah,
4000 lb 0,55( 19,6 in2 )
Juga,
R: Dl2: R,
:
0,50R
5,00 inl2: 2,50 in : 0,50(2,50 in) : 1,25 in
Lurtgkult 2. Tentukan nilai rancangan ketebalan lapisan, h. Dianjurkan agar adalah antara 0,001 dan 0,010 in. Mari kita gunakan l:0,005 in.
nilai /i
Langkah .1. Tentukan peluuras dan suhu operasi. Mari kita pilih minyak SAE i0 dan anggap bahwa suhu maksirnal minyak dalanr lapisan Irrinyak adalah 120"F. Satu car;t rnemperkirakan suhu lapisan sesungguhnya selarra operasi dapat dilihat dari Refer.'nsi t
26
Elemen-Elentcn Mesin dolttm Perancongan Mektnis
Dari kurva viskositas/suhu, Canrbar I6.6, viskositasnla kila-kira adalah 8,3
x
l0
('re.vtr
(lb'detik/in'?).
Langkah 4. Hitungaliran rrinyak nrelalLri bantalan dari Persarnaan (16-7).Nilai 17,: 1,4 dapat diternukan dari Carnbar i6. 12. (0.005 in)r 8.3
8:
x l0 6lb.cletik,'in2
4,30 inr/detik
Luttgkalt 5. Hitunglah daya penrornpaan yang dibutuhkan dari Persanraan ( l6-8). Nilai
H,=2,6
clapat ditemukan dari Ganrbar 16.12.
P
: p,Q -'
,
,2
.2
r
l;li:'.[flT] t*#:'63''b
iridc'ik
Untuk mudahnya, kita dapat nrengubahnya nieniadi da1,a kuda (hp):
,_ l6Jl lb.irr 1.0 ft 1.0 hp :0,241 hp dctik I 2 in 550 lb.ti/dctik
16.lOTRIBOLOGl: GESEKAN, PELUMASAN, DAN KEAUSAN Studi tentang gesekan, pelurrrasan, dan keausan, yang disebut tribology, nreliputi banyak disiplin ihrru, seperli rnekanika benda padat, nrekanika fluida, ilrrru bahan, dan ilnru kirnia. Beberapa spesialis perlu dilibatkan dalanr tint perancangan untuk menyelesaikan perancangan bantalan atau pelunrasarl umr-url yang kritis. Untuk studi di luar ruang lingkup buku ini, lilrat Rel-erensi l,2,8-10, ll, l3-15, dan 17. Bagian ini rnenyajikan beberapa prinsip umunr pelurnasan yang dapat berlaku untuk berbagai situasi perancangan bila gerakan relatif terjadi antara elernen-elernen nresin yang berpasatrgart. Tuiuannya adalalr urttuk ntenrbantu Anda rnengenali banyak parameter yang harus dipertirnbangkan dalam nlerancang uresin dan dalam menganalisis kegagalan atau operasi yang kurang meuruaskan dari nresin-rnesin yattg ada. Banyak pernbalrasan dalartt bagian ini akan belkaitart dengan rlinimalisasi atau pengendalian gesekan yang umumnya ditetapkan sebagai pengltanrbat terhadap gerakan sejajar dari pernrukaan-permukaan yang berpasangan. I'eluilrascrrt digunakan untuk rn'ernperkecil gesekan dengarr rnernberikan lapisan bahan yang dengan sendirinya mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk merrgeerakkarr satu konrponen relatif terhadap komponen pasangannya. Beberapa bahan rnerniliki sifat koefisien gesek yarrg rendah darr dapat beroperasi dengan cukup rrrenruaskan tanpa pelumasan di bagian luar. Jika gerakan relatif nrenyebabkan kontak fisik antara perrnukan-pennukaan dari konrponen-konrponen yang berpasangan, nraka lreberapa bahan perrrrukaan dapat terkikis,
yang menyebabkan
keau,se n.
Gesekan Tidak sernua gesekan tidak diinginkan. Ingat kembali perlunya roda penggerak yang nrenggunakan gesekan untuk nrenrbuat gaya dorong terhadap lantai, rel, atau jalan. Kopling tidak tetap dan rern nrenggunakarl gesekan untuk rnenangani mesin, nrempercepat, memperlambat, membuatnya berhenti, atau tnenaharr pada posisinya. Lihat Bab 22. Klem dan kolet menggunakan gesekan untuk rnenahan kornponen yang sedartg dikerjakan selarna operasi pernesinan. Dalarn aplikasi senracam itu, gaya-gaya gesekan yang besar dan konsisteu sangat dibLrtuhkan.
Kebanyakanaplikasi laindi manaterjadi kontakgeserantarakonrponen-kontponenyangberpasrnSrnn:r:lt:-.:....-' ,:esekan nlinilttunt agar dapat meminiuralkan gaya, torsi, dan daya yang dibutulrkan untuk ntensgerakkan sisrenr D-,,.,.. raqian ini kita akan merrbahas aplikasi tersebut. Fenomena utama yang terlibat dalarn te{adirrya gesekan adalalr adlresi; efek-efek elastis seperti ltarl baran _!:e lind in_i. :tek viskoelastik; dan harnbatan hidrodinanris. Adhesirnerupakan ikatan antara rnateri-nrateri yang berbeda. Kc-kuaran :dhesi bergantung pada struktur dan sifat kimia dari bahan-bahan yang berpasangan. Karakteristik pentrLrkaan .iuga rerpengaruh, seperli ketinggian puncak dan lernbalr (tinggi atau renclahnya) kekasaran bahan, yang disebut cr.speritias. Kadang asperities pada kornponen-komponen yang berpasangan dipisahkan atau dipecah selanra gerakan relatitl senrentara -ntuk kondisi Iain, gerakanltya ditahan ketika asperi/ies-r'tya naik ke atas atau di bawah yang lain. Hanbatrttr gelincling
:isebabkan oleh deforrnasi elastis dari benda yang bergerak atau penrukaan telnpat benda itu bergerak. Georrretri clari :enda-benda dalam kontak gelinding, besarrrya gaya yang digunakan, dan elastisitas bahan-bahan yang bersinggungan :.rrruanya nrentainkan peran dalant rnenentukan besarrrya harnbatan. E/bk vi,skoclu.lll,t berhLrburrgan dengan gaya-gaya '.ang disebabkan oleh deforntasi bahan-bahan fleksibel, seperti elttstomers,se lama kontak. Hombuton hidroclinamis,yang - rrra disebut e/bkviskos (viscous q/lbct), disebabkan oleh gerakan relatif antarrnolekul pelurnas fluida di antara kontponenrtrrlPollert berpasangan yang bergerak. Ini merupakan bentuk utanra dari harnbatan dalam bantalan-bantalan berpelurnas ::Jrodinarnis lapisan penuh. Setnua atau banyak dari bentuk gesekan tersebut ada secara bersantaan dalarn banyak llesirr : rakt i s.
Pelumas 3tberapa fungsi penting dari pelumas adalah nrengurangi gesekan, ntenghilarrgkan panas dari bantalan-bantalan dan
:
r'rnen-elemen mesin lainnya di mana gesekan terjadi, dan urrtuk rrenyingkirkan kotoran. Beberapa sifat yang lrentberikarr ..;rnbangan bagi unjuk kerja peluntas yang nterruaskan adalah:
' . . ' ' ' ' .
Kernampuan melumas yang baik untuk nteningkatkan gesekan rendalt Viskositas yang mentadai sesuai penggunaallnya Penguapan yang rendah dalarn kondisi operasi
Karakteristik aliran yang menruaskan sesuai suhu-suhu yang dijLrrnpai dalam penrakaiannya Konduktivitas panas yang tepat dan panas spesifik Lrntuk rlelaksanakan fungsi pernindahan panas Stabilitas kimia dan panas yang baik dan kenranrpuan ntentpertalrankan karakteristik yang cliinginkan untuk periode pernakaian yang wajar Kecocokan dengan bahan-bahan lain dalam sistenr seperti bantalan, perapat, dan kornponen-kor.nponert ntesin. khususnya berkenaan dengan perlindungan karat dan degradasi Rarnah Iingkungan
ir'rikut ini kita
nrernbahas sifat dasar dari pelunras nrinyak, pelunras gernuk, dan pelunras padat.
\lin)'ak. Penjual minyak peluuras nrenawarkan berbagai kelas. Klasifikasi urlurl adalah antara minyak buntialanr yang :".'rsih/disuling dan pelunras sintetis. Secara khas, minyak alarn harganya lebih nturah dan dapat memberikan servis ..;nluaskan untuk pelurnasan tujuan urnunr. Bahan aditif sering kali dinrasukkan dengan minyak alarn untuk nreningkatkan . .kositasnya, rnemperbaiki indeks viskositas (rrenurunnya viskositas dengan naiknya sr.rhu), nrengLrrangi potensi karat, -!'nlperlambat oksidasi atau bentuk-bentuk lain dari gangguan kinria, atau nteningkatkan kelrrantpuan rlenahan tekanan
. :,:lui pada lokasi tertentu. Pelutnas sintetis adalah rumus kirria yang dibuat secara khusus yang dapat disesuaikan dengan .:likasi-aplikasi khusus. Sekalipun unjuk kerjanya lebih baik daripada nrinyak alanr, nanrun harganya lebilr mahal. Pelurnas ditawarkan dalam kategori-kategori seperti nrinyak nresin, rninyak roda gigi, minyak korlpresor, minyak '-:bin, minyak pelumasan untuk petnakaian secara unrum, pelurras rantai, rninyak bantalan, peluntas rlesirr rlakanan. -:nsntisi fluida otornatis, rninyak hidrolik, dan fluida pekerjaan logarn. Situs lnternet ll-13 dan l6 rnenrberikan contoh
:ris-jenis pelumas yang ada. Sifat-sifat pelurnas yang dapat rrcnrengaruhi penrilihan adalah kualitas viskositas, indeks . .kositas, dan perlindungan karat. Kualitas viskositas ulnurltnya dilaporkan dengan rnenggunakan sistem penilaian ISO (lnternational Standard -::anization). Bilangan kualitasnya merupakan viskositas kinematik minyak dalant centistoke yang diukur pada suhu - , 'C ( 104'F). Angka ISO yang unrunr untuk pelumas adalah 32, 46, 68, I 00, I 50, 220,320,460, 680, dan I 000. lll irrr ak ',Ja gigi biasanya berangka 1 50-680, bergantung pada suhu lingkungan dan tingkat pernbebanan. Sering kali viskositas -:a akan dilaporkan pada suhu 100"C (2 l2'F) sebagai indikasi dari variasi viskositas rnenurut suhu. Ini bukan nrerupakan :,:ian dari klasifikasi ISO dan terutanra dipengaruhi oleh sifat-sifat incleks viskositas, yang dibahas nanti dalarn bagit;r
28
Eltnren-Elenten Mesin dalqtn Peranc(ttlgqn Mekunis
Anrerican Gear Manufacturers Association (AGMA) nrenentukan angka-angka pelurnas dari 0 hingga 15, dengan rln,qka 3-8 yang paling unrur.rr urrtuk transrnisi daya yang urlurr digunakan. Viskositas dasar untLrk ACI\4A berangka dari r,l-8. sesuai dengan angka viskositas ISO sebagai berikut:
AGMA 0
ISO )
AGMA
ISO
AG\I,{
I00
6
ISO
i20
^!-
J
I
46
4
150
l
460
2
68
5
220
8
680
Beberapa akhiran ditarnbahkan untuk penentuan arrgka AGMA; EP untuk cxlretna pressurc (tekanan ekstrem). dan S untuksl,nthelir: oil(nrinyak sintetis). Lihat Referensi 8 dan 26 Lrntuk Bab 9. Angka viskositas SAE juga digunakan untuk nrelapolkan viskositas nrinyak. Sarna seperti angka-angka yang digunakan dalarn mesin mobil, minyak-urinyak SAE juga baik untuk pelur.nasan unrunr dan untuk transnrisi daya roda gigi. Angka urnumnya adalah SAE 20, 30,40, 50,60, 85, 90, 140, dan 250. Angka tersebut harus sesuai dengan batasbatas viskositas kinematik dalarn centistokc yartg diukur pada suhu 100'C (2 l2"F). Kelas W dari nrinyak SAE seperli SAE 20W, harus memiliki viskositas kurang dari batas-batas yang ditetapkan pada suhu rendah yang berkisar dari -5oC hingga -55'C (23'F hingga 41"F). Lihat Ref'ererrsi 12. Ini nrernastikan bahwa pelumas dapat nrengalir ke pernrukaanperrnukaan kritis dalam lingkungan yang dingin, khususnya selanra petr.jalatran au,al alat. Mirtyak roda gigi biasanya adalah SAE 20 hingga 250. lndeks viskosilas (Vl) adalah ukuran seberapa besar viskositas fluida berubah bersarra suhunya. Vl ditentukan clengan nrengukur viskositas fluida sampel pada suhu 40"C (104'F) darr 100'C (2 l2"F) dan densan rnenrbandingkan nilai-nilai tersebutdengannilai dari fluidarujukantementuyangnilai Vl-nyaditentukansebesar0dan 100.
Fluidu dengan VI linggi ruenunjukkun perubuhan viskosilus ),atrg kecil lerhudap perubulturt sultu. Fluida dengan VI rendult nrcnunjukkun perubahun viskttsilus.l'aug hesur lcrhudop pcrultuhan suhu. Untuk kebanyakan pelunras, VI yang tinggi sangat diperlukan karerta akart rnerttberikan perlindtrngan vang lebih arrdal dan nter.runjukkan unjuk kerja yang lebih rnerata ketika sLrhunya berubah-ubah. Pelunras yang tersedia di pasaran nrelaporkan nilai-nilai Vl dari kira-kira 90 hingga 250. Pelunras roda gigi lazirnnya nierniliki Vl kira-kira l-50. Zat aditit, khususnva organik polimer, digunakan untuk rrreningkatkan viskositas dan menyesuaikan indeks viskositas. Untuk aplikasi-aplikasi khusus, perlindungan korosi dapat ditingkatkan. caranla dengan niencantpurkan berba-qai zat aditifdengan minyak dasarnya. Penghanrbat karat untuk bahan-bahan dari besi atau perlindungan korosi ten.rbaga dan perunggu sudah unrum digunakan. Pengharnbat oksidasi digunakan rrntuk rttetnperpan.iang uulur penggurtaan minyak. Zat aditif tekanan ekstrem membantu mencegah lecet-lecet pada aplikasi berbeban berat. Zat aditif busa (foont) mencegah tinrbulnya busa/buih ketika roda gigi elenren-eleuren rnesin lain teradLrk-aduk dalarn tangki minyak.
Minyak Genruk. Minyak gemuk nrerupakan pelumas tahap dua yang tersusun dari bahan pengental lthickener) yang ntenyebar dalarn fluida dasar, biasanya miny'ak. Ketika digunakan pada antartnuka di antara konrponen-kolnponen yans bergerak, minyak gerruk cenderung tetap di tempat dan rrtelekat pada perrnukaan. Minyak nreurberikan pelutttasan dengan cara yang sarna sepefti pelurnas lain yan-q telah dibalras. Selarna ada se.iunrlah tninyak getnuk yanu tnencukupi pada pennukaan, maka pelurlasan yang terus-menerus bisa diberikarr. Ada beberapa ntekanisme pelutttasan supa)'a awet. Narnun, perancang perlu nremastikan dengan saksama bahwa minyak gentuk ini tidak berpindah dari daerah-daerah yang kritis yang memerlukannya, atau perlu dirancang sebualr sistem urrtuk penggantian nrinyak ini secara berkala. Beberapa konrponen seperti bantalan disediakarr bersama nipel genrLrk untuk tnengisi kernbali persediaan dan untuk rttenrbuatrs nrinyak yang sudah kotor atau teroksidasi. Beberapa jenis bahan pengental digunakan bersama detr-qan nrinyak alanr atau buatarr. Sebagai contoh. lihat Situs lnternet l4 dan 15. Zat pengental adalah sabun yang terbentuk oleh reaksi dari lenrak hervani atau nabati deugarr unsur'unsuralkalinseperti lithiunr,kalsiunr,alunriniunrkorrpleks, lernpung(c[1,),polyurea,danlain-lain.Lithiutn
l2-hy'droxy
stearate adalah bentuk yang paling sering digunakan. Sabun nremiliki konsistensi nrinirak yang halus dan nrenahan tninyak
dalarn suspensi hingga ditarik keluar di daerah yang akan dilunrasi. Zat aditif nrenrberikan kapabilitas tekanan ekstrenr (EP), perlindungan korosi. stabilitas oksidasi, dan nrernperbaiki kernampuan penronlpaan dari nrinyak gernuk tersebut. National Lubricating Crease Institute (NLGI) nrenetapkarr senrbilan tingkat konsistensi yang berlabel 000 hingga 6, dari semicair hingga lembek, agak keras, keras, dan balok kaku. Kualitas #2 adalah baik untuk aplikasi-aplikasi industri u
lll u ll-t.
Bctntttlutt
Ltrtt.'trr' 29
Pelumas Padat. Beberapa aplikasi tidak dapat rnenggunakan nrinyak atau minyak gemuk karena kontarninasi dari komponen-komponen lain dari sistem, pemaparan pada nrakanan, suhu yang sangat tinggi atau sangat rendah. operasi dalam ruang vakum, atau peftimbangan-pertinrbangan lingkungan lainnya. Dalam kasus dernikian ntaka perancanu clapat menentukan bahan-bahan padat yang merniliki sifat-sifat pelunrasan yang baik atau ntenalnbahkan pelumas padat pada permukaan yang kritis. Bagian tentang pelurrasan batas telah rnernbahas berbagai forrnu lasi PTFE (polytetrafluoroethy lene) sebagai contoh bahan-bahan dengan peluntasan yang baik. Pelutrtas padat adalah lapisan padat tipis yang nrengurangi gesekan dan keausan. Beberapa pelurnas digunakan dalarn bentuk bubuk dengan cara penggosokan, penyerxprotan, atau perendantan, dan kernudian rnenempel pada perrnukaan lang berpasangan. Bahan pengikat (binder) sering dicanrpLlr dengan bahan dasar untuk rnerlperrludah aplikasi darr nreningkatkan daya rekatnya. Biasanya diperlukan pengeringan di udara atau dengan pertrbakaran. Molybdenum disulfide lVoSr) dan grafit adalah dua jenis pelurnas padat yang sering digunakan. Jenis lainnya adalah lead iodide (Pblr), silver sul,fal (AgSOo), lutlf:sten tlistr(ide, dan stearic-ucirl. Contoh efektivitasnya adalah dalarl penurunan koefisien gesek geser untuk baja pada baja dari kira-kira 0,50 untuk perrnukaan-permukaan bersih kering hingga kisaran 0,03 hingga 0,06.
Keausan Keausan nrerupakan pengikisan bahan perrnukaan secara bertahap dari pennukaan geser. Ini nrerupakan proses kornplel
Bopeng, berlubang-lubang, lecet-lecet, atau bintil-bintil yang secara khas berasal dari tegangan kontak yang tinggi dan kelelahan bahan permukaan selartra kontak gelinding atau ge.ser. Keausan abrasi, kikisan nrekanis, pelrotongan atau goresan seperti oleh kontantinan yang keras dalarr antarrnuka di antara kornponen-kornponen yang berpasangan. Carutan, luncuran berulang dengan arnplitudo sangat kecil yang rnenghilangkan bahan perrlukaan. Akunrulasi dari serpihan-serpihannya cenderung nrernpercepat proses. Operasi yang berkelanjutan akan rrenghasilkan penampilan pennukaan yang sama dengan karat dan dapat rnenyebabkan retak kecil yang akhirnya rnenyebabkan kegagalan lelah. Ini seringterjadijika komponen-komponen yang dipasang sangat kencang dikenai beban yarrg berosilasi atau
dikenai getaran. Keausan timpaan yang disebabkan oleh pengikisan bahan dikarenakan bahan keras yang rtreruukul suatu perntukaan,
mungkin terbawa oleh udara atau fluida. Fluida berkecepatan tinggi, seperti pada perrbuangan rrresin pencuci bertekanan tinggi, dapat menyebabkan keausan. Sekalipun tidak mungkin Ilenentukan pendekatan-pendekatan spesifik untuk rnengurangi keausan, berikut ini :dalah hal-hal yang harus perancang coba. Sekali lagi, pengujian adalah satLr-satunya cara untuk rlenjarnin operasi yang remuaskan.
l. :. l. {. 5. 6.
Peftahankan agar kontak gaya tetap rendah antara pernlukaan-perrnukaan yang bergeser. Pertahankan suhu rendah pada permukaan-pernrukaan yang berhubungan. Gunakan permukaan-pennukaan kontak yang keras. Haluskan pennukaan-perntukaan yang berhubungan. Pertahankan pelumasan yang terus-ntenerus untuk ntengurangi gesekan. Pertahankan agar viskositas relatifantara pernrukaan-pennukaan tetap rendah. Tentukan bahan-bahan yang nrenriliki sifat keausan yang baik.
3anyak penyalur bahan akan melaporkan sifat-sifat bahan nrereka ketika balran tersebut beroperasi terhadap bahan yang s.lma atau yang berbeda. Data tersebut diperoleh dengan rnenguji dalam kondisi laboratoriurn yang dikendalikan dengan :aksama. Lazinnya satu bagian dari sepasang bahan digerakkan dengan kecepatan yang diketahui, sernisal dengan femutaran. Bahan yang berpasangan dipertahankan tetap diarn dan dengan beban yang diketahui. Pengukuran berat Iang .eksama dilakukan dengan berat orisinil dan ukuran-ukuran contoh dari balran-bahan yang berpasangan. Setelah rvakrLr -'perasi yang terukuq contoh tersebut kembali ditirnbang dan diukur untuk rnenentukan seberapa banyak bahan l,ang telah :erbuang. Hasilnya dilaporkan sebagai keausan, yang dihitung dari persarnaan berikut:
K:
W/FVT
(16-9t
30
Elenen-Elenten Mesin dalam Peroncongan Mckani,s
dengan
K: faktor keausan untuk bahart I/: keausan yang diukur sebagai hilangnya berat atatr volttnle F: beban yang berlaku tr/: kecepatan linier relatif antara batang-batattg yattg bergeser
f-
waktu operasi
Menrbandingkan faktor-faktor K untuk berbagai bahan 1'ang clipcrtirnbangkan dapat tnetttbanlu peratlcang dalam memililt bahan.
REFERENSI L
in
9.
Ludema. Kenneth C. Friction, ll/eqr, Lubrictttion: A Textbook in Tribolog,. New York: CRC Press, 1996.
Bloch, Heinz P. Practical Lubricnlions.for lnclustriol Facilities. New York: Marcel Dekker, 2000. Boyd, John, and Albert A. Raimondi. "A Soltrtiort for the Finite Journal Bearing and lts Application to Analysis and Design." Part l, II, and III. Trcrrtscrctitttts
t0
Mang. Theo, and Wilried Dresel. Lubricunls untl Lrrbricolion:;. Nerv York: Wiley-VCH, 200L Miuoslri. Kazuhisa. Sol itl Lubricution Ftrnclumcnluls
of'lhe Americon Socicty of Lubricatittn Enginccrs. Vol. l, No. I, pp. l59-209, 1958. Boyd, John, and Albem A. Raimondi. "Applying
Saddle River, Ncw Jersey: Prentice-l-lall, 2000. 13. Neale, John J. Lubricutir,trt antl Rcliubility Hundbctctk. London: Butterr'vorth-Heinrnann. 2000. t4. Neale, Michael J. Bearings: A T'ibologX, Hqntlhrxtk.
Abraham, Hanroy. Bearing Desigrt
Muchincrl'.
Nerv York: Marcel Dekker, 2002. 2.
4
Bearing Theory to the Analysis and Design of Journal Bearings." Part I and ll.,lournal rtfApplietl Nlechuttic'.; 73 ( l95l ):298-3 16.
Cast Bronze Institute. Casl Bronze Bcoring Da.tigtt M onual.New York: Copper DevelopmentAssociatiott'
II
I t.
untl Applicutiorr.s. New York: Marcel Dekker, 200 12. Mott, R. L. Applied
7.
8.
.
Fluid Mechuric,r. 5th ed. Upper
West Consholrocken, PA: Socicty
of
Autontotive
Engineers, I 993. 15.
Pirro, D. M., A.
A.
Wessol, and
J. G.
Willis.
Ltrhricution Funtlumcnluls. 2d ed. Nerv York: Marcel Dekker, 2001.
1979. 6.
I
Cast Bronze Institute. Cqst Bronze Hydroslulic Beoring Design Mantral. New York: Copper Developnrent Association, I 975. Juvinall, R., and Kurt M. Marshek. Fundumentuls of Machine Component Desigrt.3rd ed. New York: John
Wiley & Sons,200l. Khonsan, Michael, and E. R. Booser. Applietl Tribology: Beoring Design ttncl Ltrbricalior. Nerv York: John Wiley & Sons, 2001 .
t1
Sonreya, Tsuneo, ed. ,lrrurnel Beuring Dutcr Bortk. New York: Springer-Verlag, 1989. Stolarski, T. A. Tribologt in Muchine Design. Londorl: Butterworth-Heinerrann, 2000.
18.
Welsh,
16.
R. J. Pluin Beuring Desigrt
Hunclbortk.
London: Butterrvorth-l-leinemann. I 983. t9. Wolverton, M. P.. et al. "Horv Plastic Composite Wear at High Tetrtperatures." 14uchinc Desig,n Mugl:ittc (February 10, 1983).
SIIUS INIERNEr UN\UK PERANCANEAN flIEKANIS SECARA U\IIUIYO l.
Copper DevelopmentAssociation (CDA) lllrru'. copper.org Perserikatan industri perusahaan dan
1.
dari konrposit plastik PTFE, perunggu berpori, dan baja atau fiberglass dengan tnerek DU'i), DXo, Gar-
organisasi yang bergerak dalarn bidang pelnbuatau
dan
penggunaan tembaga, termasuk bantalall
Fil'0, dan Car-Max'i'.
perunggu coran dan selongsong perunggu berpori' Situs rnemasukkan beberapa inforntasi teknis tentang perancangan bantalan luncur dari perunggu. Juga
2.
nrenerbitkan buku panduan yang bernranfaat, 14anual Perancangan Banlalan Perunggtr Coran. Thomson lndustries, lnc. wtttttt.thomsonindustries. cont Pabrikan bantalan plastik luncur dengan nterek
Nyliner- dan Nyliner Pluso. 3.
llurlll Saint-Cobain Performance Plastics sctinlgobain.cont Pabrikan bantalan plastik lunctrr dengan merek Rulon'i', tersedia dalam
l5 lbrrnulasi.
GlacierGarlock Bearings vlvll,.gttrlrrckbeurings. corl Pabrikan berntacat.t.t bantalan luncur yang terbuat
G
6.
raphite Metallizing
Corporation
l.{r'Ilr1
I
J
gruphullol,.stlnl Patrrikanbantalan lttncurdengan rnerek Craphalloy'i). Graphalloy'D adalah paduan grafit yang terbuat dari logarn cair dan grafit untuk menladikan bahan bus yang seragatn, padat darr r.nelurnas sendiri. tersedia lebih dari 100 kelas. Bcemer Prccision, Inc. wttv'.heentcrprec'isitttt.c'ttttt Pabrikan barrtalan luncur yang terbuat dari perunggu coran dan perunggu sinter berpori yang mengandung rrr
irryak. dettgan rtterek Oiliteo
.
Buntulun
Bunting Bearings Corporation bunlingbectrings.com Pabrikan bantalan luncur yang terbuat dari perunggu coran dan perunggu sinter berpori yang mengandung minyak, dan
Lenrbar-lenrbar data tersedia 12.
luar jalan raya. Teaur Tube Ltd. adalah
sebLralt
13.
11.
15.
berpori mengandung rninyak, dan bantalan-bantalan bus dari babit dan perunggu, dan bantalan-bantalan hidrodinamis seri M bercangkang dengan flens yang khusus dirancang untuk motor dan generator.
lainnya. I
l.
Exxon-Mobol,
Inc.
www.mobil.com Produsen
beragam pelurnas untuk aplikasi industri uul-lnt, otomotif, turbin, kotnpresor dan nlotor bakar.
halanran Protlttct.s
ShellOilCompany
y,tyty.sltell-lultriccutts.cottt
National LubricatingGre:rse
lnstitute
rr1r,r:
nlgi.cont Sebuah asosiasi penrsahaan dan organisasi penelitian yang nrengernbangkan, rrrembuat,
Pabrikan bantalan luncur rata bercangkang rnelunras yang digunakan dalam industri-industri unturn, pengangkat-
luncur hidrodinamis lapisan fluida, bantalan-bantalan landasan aksial rniring dan bantalan tap dan rurlahrumah bantalan. Bantalan-bantalan ini digunakan untuk turbin, kornpresor, generator, unit transntisi roda gigi dan rnacarn-macanl peralatan berputar
di
Produsen beragarn pelunras untuk aplikasi industri unrunr, otornotif, turbin. konrpresor dan nrotor bakar. Lentbar-lerrbar data tersedia di halarlan Indtrstriul Lubriconls yang diperoleh nrelalui fitur "Brorvse by appl ication".
sendiri di bawah merek dagang Solidlube'D
10. Waukesha Bearings Corporation ll/tl,]ll v,aukbearing.com Pabrikan bantalan-bantalan
y,tvtr,.bplubricunts.ct.t.ttk
Lembar-lerrbar data tersedia
Rockwell Automation/Dodge wvv,.dodge-pt.cont
pengangkut dan industri bahan-bahan padat. Juga tersedia Bronzoilo, bantalan-bantalan perunggu
Inc.
and Scrvice:;.
penyalur resmi bantalan Zincaloy. 9.
BP-Amoco,
Produsen beraganr pelurras Lrntuk aplikasi induslri uurum, otorrotif, tulbin, kompresor dan ntotor bakar.
bilah bertulang baja, matrik perunggu berpori yarrg
8.
halaman Protluct,s
and Applicotions.
bantalan plastik yang terbuat dari Nylon, Rulon'r,, darr Vespelo. Juga membuat bantalan KU yang terdiri atas mengandung PTFE dan dilapisi dengan lapisan tirnbal untuk mendapatkan koefisien gesek yang rendah. Zincaloy, Inc. www.teamlube.com Pabrikancoral'l kontinu paduan seng-aluminiunt ZA- I2 (ZincaloyrN') yang digunakan untuk bantalan dalarn pertarrrbangan, konstruksi, kehutanan dan industri-industri kendalaarr
di
Luncur 3l
rnendistribusikan dan rrrenrakai genruk. Menetapkan standar dan nrenyediakan publikasi dan artikel teknik nrengenai gerluk. Lubrizol Corporation wy,w.lttbt'izol.corr Pabrikan beragant gemuk dan aditif untuk industri pelumasan. Sesi Kntn,ledge situs ini menyediakan banyak
informasi nrengenai pengetahuan dan teknologi
t6.
pelurnasan, daftar rumus-runrus produk yang sangat panjang, pedornan pemilihan aditif dan anjurananjuran penrakaian. LubeLink.corn lrytv.lubelinkcorr "Pintu Cerbang Infonnasi Pasar Pelumas Dunia." Mendaftarkan
.jaringan-jaringan penghubung ke pertrsahaanpcrusahaan yang menyediakan produk-produk dan pelayanan pelurnas, laboratoriuur pengulian, pabrikan peralatarr orisinil yang rnerupakan pengguna-
pengguna pelunras untuk aplikasi kendaraarr dan industri dan asosiasi-asosiasi industri yang berkaitan dengan bidang pelunrasan.
32
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancangan Mekanis
Untuk Soal
l-8
dan data yang ada pada Tabel
16.2,
rancanglah sebuah bantalan luncur dengan Inenggunakan pendekatan pelumasan batas sebagairnana dijelaskan
pada Subbab 16.5. Gunakan rasio LID untuk barrtalan dengan kisaran 0,50 hingga 1,50. Hitunglah faktor pV dan tentukanlah bahan dari Tabel I 6. I .
TABEL 16.2 No. Soal
TABEL 16,3 Diarneter Soal
9. 1250 lb 10. 22501b I t. 875 lb 12. 1250 lb 13. 500 lb 14. 850 lb t 5. 4200 lb I
Beban
radial
(lb)
Diameter Poros
(in)
Kecepatan poros (rpm)
l. )
225
3,00
I
r00
It50
3. 4.
200
1,50 1,25
850
0,50 4,50
6.
s00
3,7 5
1
800
8.
60
3,00 0.75
600 62s 450 350 150
75
750
850
Kecepatan
Beban poros rad ial nr in irr urn
No.
2.60 in 3,50 in
2,25 irt 1,75 in
600
Spindel presisi
l. I 5 in
2500
Spindel presisi
1,45 in
1200 450
Puli antara
4,30 in
16. I 8.7 kN t7. 2,25 kN
100 mm
18.
65 mm
5.75 kN
poros
(rpm) Aplikasi 1750 Motor listrik 850 Konveyor I I 50 Kontpresor udara
25
rnrr.r
Poros untuk
transnrisi ratrtai Konveyor
500 2200 Mesin perkakas 1750 Printer
TABEL 16.3
Untuk Soal 9-18 dan data pada Tabel 16.3, rancanglalt
No. Soal
Beban
Tekanan
bantalan berpelumas hidrodinamis dengan menggunakan rrretode yang dijelaskan dalam Subbab 16.7. Tentukan
19.
r250 rb
300 psi
20.
5000 lb
300 psi
21.
3500 lt)
500 psi
.,,,
750 lb
500 psi
,1
2s0 lb
150 psi
diameter nominal tap, panjang bantalan, kelonggaran diarretral, ketebalan minimum lapisan pelutnas selanla operasi, kehalusan permukaan tap dan bantalan, dan suhtr operasi maksimum. Untuk perancangan yang Anda buat, hitunglah koefisien gesek, torsi gesekan, dan daya sebagai
50 psi
24.
500 lb
akibat dari gesekan.
'r<
22,s kN
2.0 MPa
Untuk Soal l9-28 dan data pada Tabel 16.4, rancanglalr
26.
1,20 kN
750 kPa
11
8,25 kN
28.
12.5 kN
I,5 MPA I.5 MPa
bantalan hidrostatis bentuk lingkaran. Tentukan diameter landasan, diameter ceruk, tekanan ceruk, ketebalan
lapisan, pelumas dan suhunya, tingkat aliran minyak, dan daya pemompaan. Beban ditetapkan untuk bantalan tunggal. Anda dapat menrilih untuk menggunakan banyak bantalan. (Tekanan maksimum terjadi pada pompa.)
I
lt Etemen-Etemen
Gerak
Li
nier
Elemen-Elemen Gerak Linier Lingkup Pembahasan Banyak jenis peralatan mekanis yang menghasilkan gerakan peralatan otonrasi, untuk mesin sistem pengemasan/pengepakan, dan mesin-rlesin perkakas. Sekrup daya (sekrupyang di/ilngsikan unluk penggerak/penrindah daya),dongkrak dan sekrup bola dirancang
untuk mengubah gerakan putar menjadi gerakan linier dan menghasilkan gaya yang diperlukan
r-rntuk
menggerakkan elemen-eletnen rnesin sepanjang lintasan yang diinginkan. Mereka menggunakan prinsip ulir dan mur pasangannya.
Tugas Persiapan Kunjungi bengkel mesin dan lihat apakah Anda dapat ntenyebutkan sekrup cloya, sekntp bola, atau percrlutrrn gerak linier lainnya. Secara khusus lihatlah pada tnesin bubut dan mesin.fi'is. Mesin-me.cin manual menggunctkan seknrp claya.
Mesin yang menggunakan CNC (compuler numerical control) menrpunltqi sekrup bola. ,leluskan bentuk ulir. Bagaimana sekrup digerakkan? Bagaimana sekrup mcngikat bugian-bugian mesin lainnya? Dapalkah Anda menemukan alat lainyctng menggunakun gerokan linier? Lihatlah dolum laboratoriunt tli manu bahan diuji atau di mana goya-gctyq yang besar hdrus dihasilkun. llab ini akan rncrnbarrtu Ancla bclirjar menganalisis peng-eerak sekrup daya dan sekrLrp bola clan rrrenentukan ukuran yang sesuai clengan penggunaan.
Kebutuhan umum dalam perancangan mekanis adalah menggerakkan kornponen-koulponen dalarn arah linier. Elevator rergerak secara vertikal naik atau turun. Mesin perkakas ntenggerakkan alat potong atau bagian yang dikerlakan dalant :rah linier baik horizontal ataupun veftikal, untuk mernbentuk logant menjadi bentuk yang diinginkan. Alat ukur presisi nenggerakkan bagian pengukur dalam arah linier untuk nrenentukan ukuran suatu benda secara elektronik. Mesin:lresin rakitan memerlukan banyak gerakan linier untuk rrrenyelipkan komponen dan rnengikatnya bersarna-sarna. Mesin rengepak menggerakkan produk ke dalam kardus, lnenutup, dan merapatkan kardus. Beberapa contoh komponen dan sistem yang menghasilkan gerakan linier adalah:
3{
Elemen-Elenen Mesin dalam Perancangan Mekctnis
Aktuator linier
bola Peluncur linier
Solenoid linier
Pengatur posisi
Sekrup daya
Sekrup
bertahap
Dongkrak
Silinder tenaga fluida
Bus bola
Pasangan batang gigi dan pinyon
Me.ia X-Y-Z
Me.ia peluncur
Gambar 17. l(a) rnenunjukkan potongan sebuah dongklak yan,r.t rrenggunakan trlir petn indah dal a untuk nlenghasilkan gerakan linier. Daya disalurkan ke poros input oleh sebuah ntotor listrik. Roda cacing dibentuk lllen)'atu dengan poros input, menggerakkan roda gigi cacing, hasilnya adalah turunnya kecepatan putar. Bagian dalarl roda cacing trletrlpttnyai ulir-ulir hasil perresinan yang berhubungan dengan ulir-ulir luar dari sekrup daya. dan nrenggerakkattltya secara vertikal. Garnbar l7.l (b) rnenunjukkan dongkrak ulir yang berpasangan dengan roda gigi luar penurun kecepatan datt tnotor untttk rnernbuat sistem gerak linier yang lengkap. Saklar pernbatas, sensol posisi, dan PLC Qtrogranttnoble logic controllcr) dapat digunakan untuk rnengendalikan siklus gerakan. Aktuator linier.ienis ini dan lainnl'a dapat dililrat pada Situs Internet l-10. Batang gigi dan pinyon dibahas pada Bab 8. AktLrator berdaya fltrida nrerrggttnakan minyak hidrolik atau udara bertekanan pneurnatik untuk rnendorong keluar atau rrrenarik masuk batang piston dalam silinder seperti dibahas dalarrl buku-bLrku mengenai daya fluida. Pengatur posisi bertahap, rne.ia X-Y-z, dan meja peluucur biasanya digerakkan oleh lrotor lapgkah presisi atau servor.nekanisure yatlg ulelnungkinkan penenrpatan kontponen di ntana saia secara presisi delgan rnerlgatur ruang geraknya. Solenoid linier adalah peralatan yarrg rnenyebabkan batang inti ntendorollg atatl rnenarik bila kulrparannya dialiri listrik, rnenglrasilkan gerakarr cepat pada.iarak yang dekat. Aplikasinya dapat dilihat pada peralatan kantor, alat-alat otornasi, dan sisterr pengepakan. Lihat Situs Internet ll.
OAMBAR
I7.I
Contoh elemen mesin gerak linier (Joyce/ Dayton Corporation, Dayton, OH)
(a) Belahan dongkrak ulir mesin
(b)Aktuator dengan motor ComDRIVE@ bermuatan mandiri
peluncur linier dan bus-bus bola dirancang untuk nlengarahkan kornponen ntekanis sepanjang lintasan linier yang presisi. Digunakan bahan dengan gesekan kecil atau elerren kontak gelinding untuk trenghasilkan gerakan yang halus dengan tenaga yang dibutuhkan kecil. Lihat Situs Internet l, 3, 5' dan 7-9. Sekrup daya dan sekrup bola dirancang untuk mengubah gerakan putar rnenjadi gerakan linier dan rnenghasilkan gaya yang diperlukan untuk menggerakkan elemen rnesin sepanjang lintasan yang diinginkan. Sekrup daya beroperasi d.rgun prinsip klasik ulir dan mur pasangannya. Jika batang ulir didukung bantalan dan berputar selnentara rrrur ditahan tidak berputar, mur akan bergerak linier sepanjang batang ulir. Jika rnur dibuat nreniadi satu bagian dari nresin, sebagai
Elenten-Elenren Garuk
Lirticr. 35
contoh pemegang pahat mesin bubut, batang ulir akan nrenggerakkan pernegang pahat sepanjang me;a nresip unrLrk melakukan pemotongan. Sebaliknya, jika rnur didukLrng dan sainbil berputar, batang ulir akan bergerak linier. Dorrskrak u lir rnenggunakan pendekatan ini. Sekrup bola nririp dengan fungsi sekrup daya, tetapi konfigurasinya berbecla. Mur berisi banyak bola kecil yanu rrembuat kontak gelinding dengan batang ulir, menrberikan gesekan yang kecil dan efisiensi yang tinggi bila diban
r
Perseoi
IraOesiun
\
-,
,
GAITIBAR 17.2
Bentuk-bentuk ulir dari sekrup
daya [(b), ANSI Standard 81.51973; (c), ANSI Standard B1.9I 9731
lrr
.--\ " l'-1
1t
l-*l s,, l* ll"'l
l+i,+l
(a) ulir persegisegi
l*,,* (b) ulirAcmeme (Ref.:ANSI 81.5-1973)
]l*"- It"'o'1' l*7, *j I
(c) ulir bentuk gergajituk gergati (Ref.:ANSI 81.9-1973)
Pipa sirkulasi
GAMBAR
I7.3
Sekrup bantalan bola (Thomson lndustries, lnc., Port Washington, NY)
36
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancon{:on Mekani.s
Selanjutnya lihatlah dalarn bengkel trresin. Apakah ada nresin-nresin yang rnenggunakan perrbacaan digital untuk nrenunjukkan posisi meja atau peralatan? Apakah ada nresin perkakas CNC? Mesin-rrresin -ienis irri rnertrpunyai sekrutp bola, bukan sekrup daya tradisional, karena sekrup bola menrerlLrkan daya dan torsi \ang sangat kecil untuk bergerak ntelarvan bebannya. Sekrup bola juga dapat digerakkan lebih cepat dan lebih akurat ketinrbang sekrup daya. Anda mungkin dapat atau mungkin juga tidak dapat nrelihat sirkLrlasi bola dalam nrLrr dari sekrup daya. seperti diilustrasikan pada Carnbar 17.3. Tetapi Anda akan rnelihat ulir dengart bentuk yang lain yanu kelihatan seperti alur-alur rnelengkung
di bagian bawah. Apakah Anda pernah nrelihat sekrup daya atau sekrup bola di nrarra saja di luar bengkel rnesin? Beberapa pernbuka
pintu garasi menggunakan penggerak ulir, tetapi yang lailr nrenggunakalr perr-qgerak rantai. Baranskali rurralr Anda rnernpunyai dongkrak ulir atau dongkrak gunting untuk rtrengangkat nrobil quna nrengganti ban. Keduanya rnenggunakan sekrup daya. Apakah Anda pernah duduk pada kursi pesawat terbang di rrana Anda dapat rnelilrat rnekanisrne yang menggerakkan tutup pada sisi belakang sayap? Cobalah kapan-kapan, dan anrati aktuatolrrya selarla lepas landas atau nrendarat. lni mirip dengan yang akan Anda lihat pada gerakan sekrup bola. Bab ini akan metrrbantu Anda nrempelajari nretode analisis unjuk kerja dari sekrup daya darr sekrup bola darr nrenentukan ukuran yang tepat untuk suatu aplikasi.
Fg
Anda sebagai Perancang
Anda seorang anggota tim rekayasa untuk pabrik pengolahan
atas dipasang sistem transmisi roda gigi cacing Satu poros
baja yang besar. Salah satu dapur/tungku dalam pabrik tersebut
digerakkan langsung oleh transmisi roda gigi sementara poros kedua digerakkan bersamaan oleh transmisi rantai. Poros-poros
dipanaskan sebelum perlakuan panas akhir dipasang
di
bawah lantai, dan ingot besar diturunkan vertikal ke dalamnya. Sementara ingotdidiamkan dalam tungku, tutup yang besar dan berat ditempatkan di atasnya untuk meminimalisasi rugi-rugi panas dan memberikan suhu yang lebih merata. Berat tutup itu 25 000 rb. Anda diminta merancang sistem yang dapat mengangkat
tutup ke atas minimal 15 in dalam waktu 12 detik
dan
menurunkannya kembali dalam waktu '12 detik. Bagaimanakah konsep rancangan yang Anda usulkan? Tentu saja ada banyak konsep yang layak, tetapi misalnya Anda mengusulkan sistem seperti sket pada Gambar 17.4. Disarankan sebuah struktur pendukung di mana pada bagian
OAMBAR
I7.4
Sebuah sistem pengangkat tutup yang digerakkan ulir trapesium
\\''orn rgclrr rlrn'e Transmisi rantai
**\
Kerah+
Bantalan radial
itu adalah sekrup daya yang didukung bantalan pada bagian atas dan bawahnya. Sebuah batang pembawa beban yang berfungsi sebagai mur dihubungkan dengan tutup dan dipasang
pada poros berulir. Oleh sebab rtu, bila poros berulir berputar, mur akan menggerakkan batang pembawa beban dan tutup bergerak naik atau turun.
Sebagai perancang sistem pengangkatan tutup, Anda harus membuat beberapa keputusan, Berapa ukuran ulir yang dibutuhkan untuk menjamrn bahwa sistem dapat mengangkat tutup 25 000 lb dengan aman? lngat bahwa ulir mengalami tegangan tarik karena didukung kerah pada bagian atas dudukannya, Berapa diameter ulil jenis ulir, dan ukuran ulir yang
--**"
Eie rtt.,rt- E..
:re^::--:.:-
akan digunakan? Pada sket disarankan bentuk ulir Acme. Apa model lainnya yang tersedia? Pada kecepatan berapa sekrup
beban yang berat seperti ini? Apa kelebrhan Di,a sekrup bola darrpada sekrup daya?
harus berputar untuk menaikkan tutup dalam waktu 12 detik atau kurang? Berapa daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan ulir?
Materi dalam bab ini akan membantu Anda r€-:-:: keputusan-keputusan di atas dengan memberikan rnelcis-
tsagaimana sistem pengamanannya karena sistem menangani
metode perhitungan tegangan, torsi, dan efisiensi
17
.1 TUf UAN BAB IN I
Setelah menyelesaikan bab ini, Anda diharapkan manrpu:
l. :' 3. {. 5. 6.
Menjefaskan operasi sekrup daya dan bentuk urnum dari ulir pcrsegi, ulir !rttpe.tiutn, dan ulir benluk gergctjiyang digunakan untuk sekrup daya. Menghitung torsi yang harus diterapkan pada sekrup daya untuk menaikkan ataLl menurunkan beban. Menghitung efisiensi sekrup daya. Menghitung daya yang dibutuhkan untuk rnenggerakkan sekrup daya. Menjelaskan perancangan sekrup bola dan tnur pasangan. Menentukan sekrup bola yang tepat untuk suatu kebutuhan beban, kecepatan, dan umur hidup. Menghitung torsi yang dibutuhkan untuk menggerakkan sekrup bola dan rnenghitung efisierrsinya.
17.2 SEKRUP DAYA Cambar 17.2 menunjukkan tiga jenis sekrup daya: ulir persegi, ulir trapesiurn (Acrne), dan ulir bentLrk gergaji (bttttres,s). Llir persegi dan ulir bentuk gergaji adalah jenis yang paling efisien karena membutuhkan torsi paling kecil untuk :lenggerakkan suatu beban sepanjang ulir. Tetapi tidak berarti ulir trapesiurrr kurang efisien, karena ulir ini lebih rnudalr lenrbuatannya. UIir bentuk gergaji diperlukan bila gaya yang harus dipindahkan hanya dalam satu arah. Tabel l7.l memberikankornbinasi diaureterrnayordasar,D,danjurnlahulirperinci,n,untukulirtrapesiunr.Jarak
:agi,p,adalahjarakdari sebuahtitikpadasatuulirketitikyangsesuai padaulirberikutnya, danp=lln. Ukuran lainnya yang berkaitan disajikan pada Tabel 17. l, meliputi diarneter rninor rrrirriururn clan diameterjarak bagi :rinimum sekrup dengan ulir luar. BilaAnda rrelakukan analisis tegangan pada sekrup, pendekatan paling aman adalah :lenghitung luas penampang diameter nrinor terhadap tegangan tarik atau tekan. Tetapi hasil perhitungan tegangan yang :bihakuratakibatpenggunaanluasbidangtegonganlarlt(disajikanpadaTabel l7.l)diperolehdari
Luos Bidong Tegongon Torik untuk Ulh Persegi
A =L412.:2')'
(r7-r)
38
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
TABEL 17.1 Ulir trapesium (Acme) Diameter mayor norninal, D
(in)
Jumlah ulir per inci, r
ll4 5l t6
t6
t4
l2
bagi. p : lln (in) Jarak
0,026332
0,3355
0,2140
0,2614
0,0443 8
0,4344
0,2632 0,3253 0,3594
0,3
r6l
0,06589
0,09720 0,1225
2s0
0,4570 0,5371
0,3783 0,4306 0,5408 0,6424
0,5276 0,6396 0,1278 0,9180 r,084
0,6615
0,'7663
0,7-509
0,8726 0,9967
0,5 175
r,3 l3 1,493
0,6881
I 1))
l, l2l0
0,883 I r,030
2,1 10
t2
%
l0
s/8
8
0,
314
6 6
0,t667 0,t667
118 I
5
I l/8
5
l/q
|
5
r 3/8
4
t% t%
4 4
2
4
t/a
2
J
1t//2 L n L 3/ /4
J
J
2
)
'/2
4
4
t/z
5
3
2 2
2 2
tttittortttittitnultl D,, (in)
0,2043
7lt6
r
Diarrreter
0,l6l8
0,062s 0,07 t4 0,0833 0,0833 0, r 000
3/8
jarak
Luas bidang Luas bidang bagi minimum, tegangan tarik. tegangan geser, ;{., (in'])* 1,, (inr) o,,, (in)
Dianleter
0,2000 0,2000 0,2000 0,2500 0,2500 0,2500 0,2500 U.JJJJ 0,3333 0,3333 0,5000 0,5000 0,5000 0,5000 0.5000
0,8753 0,9998
0, I 955
0,2732 0,4003
t,952
t,4456
t88 t,3429 r,59 t6
1,6948
1,8402
t,8572
2,0450
2,454 2,982
2,1065
? ,o10
3,802
2,3558 2,4326
) \t)7
4,7
2,1044
5,181
2,9314 3,4302
3,2026 3,7008 4,1991
7,388 9,985
5,700
12,972 16,35 |
1,571
1,2
1,0719
I, r 965
3,9291 4,4281
1,266
l,8l
4.6913
I
11
2,341 2,803 3,262 3,6 r0 4"015 4,53 8 4,7 51
6,640 8,511
*Pcr inci paniang pasangan.
P
0ArlBAR r7.5 Analisis gaya ulir
= Gaya yang diperlukan untuk menaikkan beban
F, = Gaya gesekan
N
= Gaya normal kisar % = Diameter Jarak bagi
A = Sudut F = Beban yang digerakkan
(i Permukaan
ulir "\
**r
L = kisar {
,Dt, (a) Gaya untuk menaiki bidang
(b) Gaya untuk menuruni bidang
jarak bagi, D,,. Data lni adalah luas lingkaran berdiameter sama dengan rata-rata dari dianreter utinor, D, dart diarneter menggalnbarkan ulir yang tersedia di pasaran minimurn sesuai dengan toleransi yang disarankan. Model kegagalan yang lain p4uk sekrup daya adalah geseran ulir dalarn arah aksial, yang dapat lllerontokkan ulir dari batangnya di"sdkitar aLmetei;aiak bagi. Tegangun g.r., dihitung dari runtus g.ielan langsung.
"c=FlA,
Elcmcn-Elcnten Oerok
Linicr
39
Luas bidang tegangan geser, 1., yang disajikan pada Tabel I 7. l, juga ditemukan dalam data yang dipublikasikan dan menggambarkan area geser dekat garis jarak bagi ulir untuk panjang pertautan I in. Panjang yang lain trrenterlukarr nrodifikasi dengan cara mengalikan area itu dengan lasio paniang sebenarnya dengan panjang I in.
Torsi yang Dibutuhkan untuk Menggerakkan Beban Bila penggunaan sekrup daya untuk menghasilkan gaya, sernisal dongkrak rnenaikkan beban, Anda perlu mengetaltui berapa besar torsi yang harus diberikan pada mur untuk nrenggerakkarr beban. Pararneter yang terlibat adalah gaya yang dipindahkan, F;ukuran ulir, ditunjukkan dengan dianreterjarak baginya, gesekan,/. Ingat Q,; kisar ulir, L;dan koefisien bahwa llsar didefinisikan sebagaijarak aksial yang ditenrpLrh oleh ulir bila diputar satu kali putaran penuh. Untuk kasus umumulirtunggal,kisarsamadenganjarakbagi dandapatdibacadari Tabel 17. lataudihitungdari L: p=lln. Dalam pembuatan Persamaan(17-2) untuk torsiyang dibutuhkan untuk rnernutar ulir, digunakan Gantbar 17.5(a) yang nrencantumkan beban yang didorong ke atas pada sebLrah bidang rniring rrelarvan gaya gesekan. Hal ini nrengganrbarkart ulir persegi yang dikupas dari batangnya dan diletakkan pada bidang rata. Torsi untuk ulirtrapesium/Acrne sedikit berbeda dari ulir persegi karena sudut ulirnya. Persarnaan untuk ulir Acnre akan ditunjukkan kernudian. Torsi yang dihitung dari Persarnaan (17-2) ditandai dengan I,, dengan merrrbayangkan bahwa gaya dipakai untuk nrenggeser beban menaiki bidang, yaitu untuk menaikkan beban. Pengarrratan ini sangat tepat jika beban dinaikkan rertikal, semisal dengan sebuah dongkrak. Tetapi, jika bebannya dalanr arah horizontal atau rrenyudut, Persantaan (17)) masih berlaku asalkan beban yang diberikan sepanjang sekrup cenderung "mertaiki ulir". Persatrraan(174) rnenunjtrkkan torsi yang dibutuhkan, {,, untuk nrenurunkan beban atau nrenggerakkan beban "nrenunrni ulir". Torsi untuk menggerakkan beban rrrenaiki ulir adalah
Torsi untuk Menggerokkon
Bebon Menoiki Sekrup Doyo dengon Ulir Persegi
t
'":
FDt,lL+ n/ D,,l
2l-D,-t't-l
(17-2)
Persamaan ini, selain rnengandung gaya yang diperlukan hanya untuk rnenggerakkan beban, juga melibatkan gaya yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan antara ulir dan mur. Jika ulir atau nrur rllenekan permukaan yang diam sarnbil berputaq pada permukaan itu akan tirnbul tarnbahan torsi gesekan. Untuk alasan inilah banyak dongkrak dan peralatan
sejenisnya menggunakan bantalan antigesekan. Koefisien gesek untuk penggunaan Persanraan (17)) bergantung pada bahan yang digunakan dan cara pelurnasan ulir. Untuk ulir baja dan mur baja dengan pelurnasan yang baik,./= 0,15. Faktor yang penting dalarr analisis torsi adalah sudut kemiringan bidang. Pada ulir, sudut kemiringan berkaitan dengan sudut kisar,l". Sudut kisar adalah sudut arrtara perrdakian ulir dan bidang tegak lurus surnbu ulir. lrri dapat dilihat dari Carnbar 17.5 bahwa tan
tr:
Ll(nD,,)
(r 7-3)
di mana nD,, : keliling lingkaran jarak bagi ulir Kernudian jika putaran ulir cenderung rnenaikkan beban (beryerak menaiki bidang nriring), gaya gesek r.nelarvan gerakan dan beraksi menuruni bidang nriring. Sebaliknya, jika putaran ulir cenderung nrenurunkan beban, gaya gesekan akan beraksi nrenaiki bidang nriring, seperti ditunjukkan pada Cambar 17.5(b). Analisis torsi berubah, ntenghasilkan Persatuaan (17-4):
Torsi yong Dibuluhkon unluk
Menurunkon Bebon Menuruni Sekrup Doyo dengon Ulir Persegi
-'':
FD,,lnl D,,-Ll
21.D,,+./'I-)
(t7_4)
Jika ulir curam (yaitu jika ulir rnempunyai sudut kisar yang besar), gaya gesek mungkin tidak rnarnpu mengatasi kecenderungan beban pada bidang mirirrg meluncur ke bawah, dan beban akan jatuh karena gravitasi. Dalarrr banyak kasus untuk sekrup daya dengan ulir tunggal, bagairnanapun sudut kisar adalah kecil, dan gaya gesekan cukup besar' untuk melawan beban dan mencegah beban rneluncur ke bawah. [Jlir seperti itu disebut nrengunci sendiri (seff-locking).
{0
Elemen-Elenren Mesin dalam PerancongLtn lVlekonis
sifat y'ang diinginkan untuk dongkrak dan peralatan sejenisnya. Secara kuantitatif, kondisi vang lrarus dipenuhi agar dapat nrengunci sendiri adalah
/'>
(r 7-s)
tan ),
Koefisien gesek harus lebih besar daripada nilai tangen dari sudut kisar. Untuk /= 0.15. nilai sudut kisar yang sesuai adalah 8,5o. Untuk./:0, l, perrnukaannya sangat halus, dilurrasi dengan baik. sudut kisar agar dapat rnengunci sendili adalah 5,7o. Sudut kisar untuk perancangan Lrlir yan_e disa.jikarr pada Tabel l7.l berkisar 1,94o sarrpai -5,57". Jadi. diharapkan bahwa semuanya dapat rnengunci sendiri. Tetapi operasi yang diseltai derrgan getaran Irarus dilrirrdari karena dapat rnerryebabkan gerakan sekrup.
Efisiensi Sekrup Daya Efi:siensi untuk pemindahan gaya dengan sekrup daya dapat dinyatakan sebagai perbandingan antara torsi yang dibutuhkan
untuk ntenggerakkan beban tanpa gesekan dengan torsi dengan gesekan. Persarnaan (17-2) rnenrberikan torsi yang dibutuhkan dengan gesekan, {,. Dengan /'- 0, torsi yang dibutulrkan tanpa gesekan, I, adalah
Tt FDt, L 2 r D,,
FL
(r 7-6)
2tr
Maka efisiensi, e, adalah
T, 7,,
Efisiensisek,uPDoYo
+
FL
(17-7)
2trT,,
Bentuk Alternatif dari Persamaan Torsi Persarnaan (171) dan (17-4) dapat dinyatakan dalant besaran sudut kisar, selain dalam kisar dan diameter.ialak bagi, caranya dengan rnengubah hubungan dalanr Persanraan (17-3). Dengan substitusi ini. torsi yang dibutulrkarr untuk
menggerakkan beban adalah
Torsi
yong Dibuluhkon unluk
Menoikon Bebon dengon Ulk
n
FD,,
[
(truI+ I )l
'"- 2 l(r-',r,l)]
(r 7-8)
dan torsi yang dibutuhkan untuk rnenururtkan beban adalah yong Dibutuhkon unluk Menurunkon Bebon dengon Torsi
Ulir
-
'''
| (l - tarr,l; : FD,, 2 rr',
l(l r-
l
(l 7-e)
)r
^
Pengaturan untuk Ulir Acme Perbedaan antara ulirAcme dan ulir persegi adalalr adanya sudut ulir, Q. Ingat dari Ganrbar 17. I bahwa 2Q:29', darr karenanya Q: I4,5". Ini rnengubalt arah aksi gaya pada ulir dari yang tercantunr pada Carnbar 17.5. Carnbar 17.6 menunjukkan bahwa F harus diganti dengan F/cosQ. Dengan ini analisis untuk torsi akan rnemberi perr.rbahan bentuk Persantaan (17-8) dan (17-9) berikut. Torsi untuk menggerakkan beban naik adalalr
yong Menoikkon Bebon dengon Ulh Acme
Torsi
'":
FD,,[(cosc5tlnf
2 l(.r*rr
rl)]
l,r,,,\)l
(r7-r0)
Linier 4l
Elemen-Elenten (ierak dan torsi untuk menggerakkan beban turun adalah
Torsi untuk Menurunkon Bebon
dengon
Ulir
Acme
-
FD,,
[(l -
cos,rrrrr,\)l
(r7-il)
"': 2l.r.rr",,^l
Daya yang Dibutuhkan untuk Menggerakkan Sekrup Daya Jika torsi yang dibutuhkan untuk Ineurutarkan ulir diterapkan pada kecepatan putar konstarr. rr. rnaka da1,a ulrruk nrenggerakkan ul ir adalah Ttt
D_
63 000
Referensi
I dan2 memuat
OAMBAR
I7.6
lebih detail tentang rulnus yang rnengganrbarkan karakterisasi unjuk ker.ja sekrup daya.
Gaya pada ulirAcme
<-J,\ = t.1.5"
--<\
1,"
r,
10
I
(a) Gaya nornral pada ulir persegi
E0-ntII-
En@E
SIII
17.I
E
Gs
(b) Gaya nornral pada ulirAcme
Dua sekrup daya dari ulirAcnre digunakan untuk nrenaikkan tutup palka yang berat, seperli sket pada Garnbar 11 .4. Bera| totalnya 25 000 lb, terbagi sanra antara dua ulir. Pilihlah Lrlir yang metnenuhi dari Tabel I 7. I berdasar kekuatan tarik, batas kekuatan tarik adalah I 0 000 psi. Kemudian tentukan tebal batarig pembawa beban yang berfungsi sebagai rrrur pada ulir untuk metnbatasi tegangan geser pada ulir sanrpai 5000 psi. Untuk sekrup yang dirancang. hitunglah sudut kisar, torsi yang dibutuhkan untuk rnenaikkan beban, efisiensi ulir, dan torsi untuk menurunkan beban. Cunakan koefisien gesek 0, I 5. Beban yang diangkat nrenyebabkan setiap ulir nrengalarni gaya tarik lurus. Oleh sebab itu, luas bidang tegangan tarik yang dibutuhkan adalah
F o(t Dari Tabel
17.
l, ulir Acrne diarrteter
12 s00 lb :1.25 inl l0 000 lb /in2 lt/z in dengan enrpat ulir per inci memberikan luas
bidang tegangan tarik 1,266 in:.
Untuk ulir ini, setiap inci paniang rnur rner.nberikan luas bidang tegangan geser 2,34 in?. Maka kebutuhan luas bidang tegangan geser adalah
. F A,=r,!
t2 500Ib :2.50in: 5000 lb / irr-
I
12
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancqngcl,'t Mekanis
Kemudian tebal batang petnbawa beban yang dibutLrhkan adalah
h=
^i r.oin I - irr 2,5inr|''""',|-l.o7 [2.341 irt-
Untuk mudahnya, ditentukan h : 1,25 in. : lln Sudut kisarnya (ingat bahrva L: p
:
I
'/q: 0,250 in) adalah
l:rs" , L -,u,.,-, (1.i129) 9'250,=i,i9" P PD, Torsi yang dibutuhkan untuk nrenaikkan beban dapat dihitung dari Persarnaan (17-10):
,'tt_ r.p,, 2
(cosf tant + f
l(cosf
-.l
/)l
,t7_lo)
tanl )l
Menggunakancoso:cos(14,5'):0,968,dantg)':tg(3,39'):0,0592,rrraka
ltX!,42e',,)[(o'qosXo'osqz)+o'rs] (12 T,,:---7-@-,. - t80e s90
lb.in
Efisiensi dapat dihitung dat'i Persamaan (l 7-7):
ot (tz soo tu)(o,zso-in) :0,2./5arau2.',5yo -": ZPr,, - z (n)(l aoo tu in ) Torsi yang dibutuhkan untuk nrenururrkan beban dapat dihitung dari Persanlaan (17I
l):
,," _
rp,,
[(/
_cosf tart
2 lcosf+/tanl
)] ]
, _- (tz soo tbxt.:+zq in)[o.rs-(o.qes)(o.osqz) = 7e6 tb. in 2 e68 + (o. "t )(o. osoz )l lo. ts
,t7_ll)
Elttttt'tt-El'ntcli
L;r r..: .'
J-l
EOn-tTIi $[AI fZ.Z
Untuk mengangkat tutup palka pada Carnbar 17.4 setinggi l5 in, rvaktun),a tidak lebih d:r: 12,0 detik. Hitunglah kecepatan putar ulir yang dibutuhkan dan daya yang dibutuhkan.
E5\7qrell0
Ulir yang terpilih dalanr penyelesaian Contoh Soal 17. I adalah ulirAcme | % in dengan erlpat ulir per inci. Jadi, beban digerakkan % in per putaran. Kecepatan Iinier yang dibutuhkan
69
adalah
y
: -!54 !-:1,25 12,0 dctik
in/derik
Kecepatan putar yang dibutuhkarr adalah 1.25 irr I nutaran 60 dctik
1:
dctik
0,25
in
:-100
nrqrit
rnrn
Kemudian torsi yang dibutuhkan untuk nrenggerakkan setiap ulir adalah
D_
Ttt
63
000
(tsoq tb. inX:oo rpm)
63
000
:
8,6 I ltp
Bentuk UlirAlternatif untuk Sekrup Daya U lir Acme standar paling banyak digunakan, namun ulir lainnya.juga tersedia. Ulir stuh Acme rnetnpunyai bentuk yang mirip dengan sudut antara sisi adalah 29o, kedalaman ulirnya lebih pendek, sehingga ulir lebih kuat dan lebih kaku.
Sekrup daya metrik biasanya dibuat sesuai bentuk trapesiunt ISO yang menrpunyai sudut 30o. Rendahnya efisiensi ulirAcme tunggal (kira-kira 30o/o) dapat rrenjadi kelerrahan. Efisiensiyang lebih tinggi dapat d icapai dengan menggunakan perancangan kisar yang tinggi dan u lir ma.iem uk. Sudut kisar yang lebih tinggi rnenghasilkan efisiensi antara30Yo sarnpai T\oh.Tetapi harus dirnengerti bahwa beberapa keuntungan mekanis hilang, sehingga torsi 1'ang dibutuhkan untuk rnenggerakkan beban rnenjadi lebih besar bila dibandingkan dengan ulir tunggal. Lihat Situs
Internet I 0.
17.3 SEKRUP BOLA Cerakandasarpenggunaanuliruntukmenghasilkangeraklinierdari putarantelahdijelaskandalarrrsubbab lT.2tentang sekrup daya. Adaptasi khusus dari gerakan ini, yang meminimalisasi gesekan antara ulir dan ntur pasangannya, adalah sekrup bola.
Gambar I 7.3 menunjukkan pandangan potongan sekrup bola yang tersedia di pasaran. Sekrup bola nrengganti gesekan
luncur pada sekrup daya konvensional dengan gesekan gelinding bola-bola bantalan. Bola-bola bantalan bersirkulasi dalam cincin-cincin baja yang dikeraskan yang berbentuk alur cekung miring dalam ulir dan mur. Seluruh beban reaktil' antara ulir dan mur dibawa oleh bola-bola bantalan yang hanya bersinggungan fisik antara bola-bola itu. Saat ulir dan mur berputar relatif satu terhadap yang lain, bola-bola bantalan dialihkan dari satu r-rjung rrrur dan dibawa oleh pipa sirkLrlasi petnandu bola menuju ke ujung mur bola lainnya. Sirkulasi ini menrungkinkan perjalanan tanpa batas dari mur dan utir.
(Lihat Situs Internet 3.) Aplikasi sekrup bola terdapat pada sistem kemudi otonrotif, meja mesin perkakas, aktuator linier. rnekanisme dongkrak dan pengatur posisi, kendali pesawat terbang seperti peralatan penggerak pintu, alat pengepakan. dan instrumentasi. Cambar 17.7 menunjukkan mesin dengan sekrup bola yang dipasang untuk menggerakkan kornponerr sepanjang meja.
-l{
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis ,z:,,i'{',:::.
OAlrlBAR 17.?
, *rl
Aplikasisekrup bola (Thomson lndustries, lnc., Port Washington,
#
NY)
Mur
=:,,
r
i- Sekruobola \ ',t=';*o
:::,
:;27ii
parameter aplikasi yang diperlimbangkan dalanr pemilihan sekrup bola rrreliputi hal berikut: Beban aksial yang dialami sekrup selama operasi Kecepatan putar sekruP Beban statis maksimum pada sekrup
Arah beban Cara penumpuan ujung-ujung sekrup Panjang sekrup Perkiraan utnur
Kondisi lingkungan
Hubungan Beban dan Umur Ketika memindahkan beban, sekrup bola mengalami tegangan yang nririp dengan tegangan pada bantalan bola, seperti ur ur ke peralatan yang d igerakkan. d ibahas pada Bab 14. Beban d ipindahkan dari u lir ke bola-bola, dari bo la ke m ur, dan dari rnenciptakan kegagalan lelah, akan cincin-cincinnya antara di Tegangan kontak antara bola-bola yang rnenggelinding cincinnya. yang ditunjukkan oleh cacat permukaan pada bola atau Jadi, nilai dari sekrup bola memberikan kapasitas beban ulir untuk umur teftentu di mana 90Yo dari ulir akan bertahan. Ini mirip dengan umur l,obantalan bola. Karena sekrup bola biasanya digunakan sebagai aktuator linieq parameter umur yarrg paling berkaitan adalah jarak yang ditempulr oleh mur relatilterhadap ulirnya. pabrikan biasanya melaporkan besarnya beban yang dapat ditahan untuk I juta in. (25,4 krn) jarak tempuh kLrrnulatif. Hubungan antara beban, P, dan ulnuq L, mirip juga dengan bantalan bola:
{5
Elurtart-E.'.',:.,'
, . '] t.^ lP, t_--l-t t, - lPr) l
__L
Hubungon ontoro Bebon don Umur Bonlolon
(l--llr
jika
beban pada sekrup bola dua kali lipat, urnurnya berkLrrang menjadi seperdelapan kali urrur aslinla. Jika behal dikurangi setengahnya, umurnya bertambah menjadi delapan kalinya. Gambar 17.8 menunjukkan unjuk kerja nonrirral sekrup bola ukuran kecil. Masih banyak tersedia ukulan yang lebilr besar, demikian pula dengan n.rodelnya.
Jadi,
Torsi dan Efisiensi Efisiensi sekrup bola biasanya diambil 90oh. lnijauh melampaui efisiensi untuk sekrup daya tanpa kontak gelinding lang biasanya berkisar 20ohsan'rpai 30%. Jadi, untuk ukuran sekrup yang sama, torsi yang dibLrtuhkan untuk nretrbawa beban jauh lebih kecil. Daya yang dibutuhkan juga dengan scndirinya akan berkurang. Perhitungan torsi untuk rnenltrtar dradaptasi dari Persamaan (17-7), hubungan efisiensi dengan torsi:
T, 7,,
EfisiensisekruPbolo
+ Kemudian menggunakan e
(t7 -7 )
2tT,,
:0,90 FL :0.177 FL
r..: "
Torsi untuk Menggerokkon Sekrup Bolo
t00
FL
(r7-r3)
1tta
OAMBAR
un
I?.8
Unjuk kerja sekrup bola Data perancangan ulir r0
fix) Dianleter nominal
o o
:':
c
I r_i
1/:
,i
lo?
Ulir per in
ci
lth I
Kisar
$
6b1
1,fi)
2
il.
l !
0, J0
-1
I
-10
0..50
,) )t) () t:5
tots
Umur perjalanan. in
Karena gesekannya kecil, sekrup bola sebenarnya tidak pernah dapat mengunci sendiri. Dalam kenyataannya. ini dengan sengaja rnenggunakan beban yang diterapkan pada rrrr.rr unttlk nremutar ulir. lni disebut putaran balik(bac'kdriuirg); torsi putaran balik dapat dihitung dari perancang juga rnenggunakan kelebihan sifat
Torsi Puloron Bolik untuk
Eolo
Sekup
7,.:FL':o,r43FL '2t
h{I}:nE Idr;r FerFusi.ll::,
d:.:r !i.:ar;lpen
(r7-r.r)
46
Elemen-Elemen Mesin dalqm Perancangan Mekanis
Emmh- SOel UJ
msrclcEattaGc
Pilihlah sekrup bola yang sesuai untuk aplikasi rarre di.ielaskan pada Contoh Soal
l7.l
dan
diilustrasikan pada Garnbal 17.4. Penutup harus dianskat 15.0 in untuk mernbukanya delapan kali per hari. dan kemudian harus ditutup. Urrrur direrrcanakan l0 talrun. Pengangkatan dan penurunan selesai dalarn waktu tidak Iebih dari 12.0 detik. Untuk sekrup yang terpilih, hitunglah torsi untuk nrerlutar sekrup. daya yartg d ibutLrhkan. dan umur ekspektasi aktualnya. Data yang dibutuhkan untuk rnerrrilih sekrup dari Carnbar I7.8 adalah beban dan panjang langkah mur pada sekrup selama urnur yang diinginkan. Beban pada setiap sekrup l2 500 tb:
Paniang
l5'02lilngklrlr8sikltrs3(,5lraril0tahtrrr.< : X, /6x l(, langkah langkah siklus hari talrun
rrr
--=-:--
Dari Gambar 17.8, sekrup 2 in dengan dua ulir per inci dan kisar 0,50 in rnenrenuhi. Torsi yang dibutuhkan untuk rnernutar sekrup adalah:
7,,:0,177 FL = 0,177(12 500)(0.50)
:
r
r06 Ib.in
Kecepatan putar yang dibutuhkan adalah
n
I nutaran 15.0 irr 60 cletik : _:_ 0.50 in I2,0 s nrcnit
=
l)u
mnl
Daya yang dibutuhkan untuk setiap sekrup adalah
P
rtr = 63"'000
(t t0o)(tso')
63
()00
:2.6-1hn
Barrdingkan ini dengan 8,61 hp yang dibutultkan untuk ulir Acme pada Contoh Soal 17.1. Perkiraan umur langkah aktual urrtuk ulir ini pada beban 12 500 lb kira-kira 3,2 x l06 in, rrrenggunakan Persarnaan ( 1 7-8). lni 3,65 kali lebih panjang dari yang dibutuhkan.
17.4 PERTIMBANGAN PEMAKAIAN SEKRUP DAYA DAN SEKRUP BOLA Bagian ini membahas pertimbangan aplikasi taurbahan yang diterapkan untuk sekrup daya dan sekrup bola. Detailnya dapat berubah sesuai dengan geometri spesifik dan proses pembuatannya. Data pernasok hendaknya dikonsultasikan.
Kecepatan Kritis Aplikasi sekrup bola yang tepat harus rrrernperhitungkan kecenderungan getarannya, khususnya bila beroperasi pada kecepatan yang relatif tinggi. Ulir yang paniang ramping mungkin menunjukkan l'enorrena kecepulun krililr di mana
ulir cenderung bergetar atau bergoyang terhadap sunrbunya, kemungkinan rnencapai arnplitudo yang urembahayakan. Oleh sebab itu, disarankan kecepatan operasi ulir di bawah 0,80 kali kecepatan kritisnya. Estimasi kecepatan kritis yang diberikan oleh Roton Products, Inc. (Situs lnternet l0), adalah:
Eit iti.,:- E
lr,:
4,7()x106 dK5
rl--li,
(sr)t
dengan
d: Diarneter minor sekrup (in) K.: Faktor pengekangan ujung L : Panjang antara dukungan/tumpuan Str : Faktor keamanan
(in)
Faktor pengekangan ujung, K", bergantung pada cara rnenuutpu uiung-ujung ulir dengan kemungkinan berikut:
l. 2. 3. {.
Ditumpu sederhana pada setiap ujung dengan satu bantalan: K, : 1,00 Dijepit setiap ujung dengan dua bantalan yang mencegah putaran pada turnpuan:
K":2,24
Dijepitpadasatuujungdanturnpuansederhanapadaujungyanglain:1(.:1,55 Dijepit pada satu ujung dan ujung yang lain bebas:
K.:
0.32
Nilai faktor keamanan adalah keputusan perancangan, sering diambil dari 1,25 saurpai 3,0. Ingat bahwa panjang ulir, pada Persamaan ( l7-5) pangkat dua (kuadrat), rnenun jukkan bahwa
l,
lir yang relatif panjang akan rnernpunyai kecepatan kritis yang rendah. Perancangan terbaik akan rnenggunakan ulir yang pendek, dilepit kaku pada tuntpuan, dan dengan u
diarneter yang besar.
Tekukan Kolom Sekrup bola yang membawa beban tekan aksial harus diperiksa tekukan kolornnya. Pararneteq seperti yang telah dibahas pada Bab 6, adalah bahan ulir, kondisi pengekangan ujung, diameter, dan panjang. Uliryang panjang dianalisis menggunakan rumus Euleq Persarnaan (6-5) atau (6-{), sementara rulrus J. B. Johnson, Persamaan (6-7), digunakan untuk ulir yang lebih pendek. Pengekangan ujung bergantung pacla kekakuan tumpuan, seperli dijelaskan untuk putaran kritis. Bagaimanapun, faktor-faktor itu berbeda dengan penrbebanan kororn.
L 2. 3. ,1.
Turnpuan sederhana pada setiap ujung dengan satu bantalan: K, : 1,00 Dijepit setiap ujung dengan dua bantalan yang tnencegah putaran pada turrpuan: Dijepit pada satu ujung dan tumpuan sederhana pada ulung yang lain; K,:2,00 Dijepit pada satu ujung dan ujung yang lain bebas; K, -- 0,25
(, :
4,00
Pemasok sekrup bola yang tersedia di pasaran rnemasukkan data untuk beban tekan yang diizinkan dalarn katalog mereka.
Lihat Situs Internet 3, 5, dan
10.
Bahan untuk Sekrup Sekrup bola biasanya dibuat dari baja karbon atau baja paduan dengan nrenggunakan teknologi penggilasan ulir (threatl-
rolling). Setelah ulir terbentuk, pemanasan induksi diberikan untuk rneningkatkan kekerasan dan kekuatan pernrukaan yang nantinya sebagai tempat bola-bola bersirkulasi rnenggelinding sehingga tahan aus dan awet. Mur sekrup bola terbuat dari baja paduan yang dikeraskan dengan karburisasi. Sekrup daya biasanya dibuat dari baja karbon atau ba.ia paduan seperli AlSl l0l 8, 1045, 1060, 4 130, 4140, 4340, 4620, 6150,8620, dan yang lain. Untuk lingkungan yang korosif atau suhu tinggi, digunakan baja tahan karat, seperli
AISI 304,305,316, 384,430,431,atau 440. Beberapaterbuat dari paduan aluminium I 100,2014, atau 3003. Mur sekrup daya terbuat dari baja untuk beban sedang/rnenengah dan bila beroperasi pada kecepatan yang relatif rendah. Disarankan menggunakan pelumas gemuk. Untuk beban dan kecepatan yang lebih tinggi, gunakan mur perun_ggu yang dilumasi yang mempunyai unjuk kerja tahan aus yang sangat baik. Aplikasi untuk beban yang lebih ringan dapat menggunakan mur plastik yang mempunyai kemarrpuan urelurnasi sendiri tanpa diberi pelumasan eksternal. Contoh aplikasi ini adalah peralatan pengolahan makanan, peralatan rnedis, dan operasi-operasi nranufakturyang bersih.
{8
Elenen-Elenten Mesin dalam Perancongan Mekanis
REFERENSI l
Faires, V. M., De.rign of Machine Elements, 5th ed'
2.
Shigley.
J. E.. and C. R. Mischke,
Mechcrniccrl
Ettgitrcering Dasign, 6th ed. Nerv York: McGrawHill.200l.
New York: Macrnillan, 1965.
SI(US INqERNEr UNTUK PERANCANEAN MEKANIS SECARA Ufl[AflO l.
Power Transm ission.com wlrlr. povt er t r a n s m i s s i ott. cont Daftar panjang online pabrikan dan penyalur peralatan gerak linier, yang rneliputi sekrup bola,
sekrup daya, aktuator linier, dongkrak ulir,
6.
Ball-screws.net www.ball-screrrs.nel Situs ini
1
{.
Bagian dari Danaher Corporation. Membuat dan rrrernasarkan komponen-kotnponen pengendalian gerak dengan merek-lnerek dagang Thomson, BS&A
(Ball Screws &
Actuators), Deltran, Warner Linear,
dan merek lainnya.
v'ttv.jrt1'ccjalcks.cttttt
konrersial dan industri. Terntasuk di dalarnnya jenis sekrup daya darr sekrup bola dengan penggerak.ienis roda gigi integral dan sistenr aktuator dengan tllotor yang lengkap.
dan
rnendaftarkan banyak pabrikan sekrup bola, beberapa rnerniliki katalog online. Thomson Industries, lnc. www.thttmsoninduslries. com Pabrikan sekrup bola, bantalan bola, peurandu gerak linieq dan berbagai elelnen gerak linier lainnya. Situs berisi informasi katalog dan data perallcarlgan untuk beban, umur, dan panjang langkah. Tholrrson adalah bagian dari Linear Motion Systems Division dari Danaher Motion GrouP. Danaher Motion Group tuwv'.clonoherntcg.cont
Company
Pabrikan sejuntlah besar dongkrak untuk aplikasi
peluncur linier.
)
Joycc/Dayton
SKF Linear Motion wtvv,.linearnrotir.tn.skJ.u;nt Pabrikan ulir efisiensi tinggi, sistent pemandu linier,
1
dan aktuator. 8.
Specialty Motions, lnc.
(SMI)
tltt'tt'.sntilttttttiott.
cotn
9.
Pabrikan dan pentasok sistenl dan kourponenkonrponen gerak linier dari miniatur hingga ukuratt besar. Sekrup bola, pengatur posisi bertahap, bantalan dan bus linier, peluncur bola dan lain-lain. v,rvtt'.tachno-iscl.cottr Pabrikan Techno, lnc. beraganr produk gerak linier ternlasuk pelunctrr. nreja-nreja X-Y dan X-Y-Z , rreja-rneja peluncur, dan aksesori.
10.
ll.
Roton Proclucts, lnc. wwrt'.rolotl.cottt Pabrikan beragarn gerak linier daya dan batang gigi (cacing). Ledcx tltrtr,.latlcx.cont Pabrikan aktuator-aktuator solenoid linier dan rotari kecil dan produk-produk terkait di bawah tnerek dagang Ledex and Dornleyer. Sebuah unit dari Saia-Burgess Cotllpany.
THK Linear Motion Systems v'tvtv.thk.cont Pabrikan sekrup bola, seplain bola, pemandu gerak linier, bus linier, aktuator linier, dan produk-produk kendali gerakan lainnya.
SOAL-SOAL l.
Sebutkan tigajenis ulir yang digunakan untuk sekrup
1
daya.
2. 3. {. 5.
Buatlah gambar skala ulir Acme yang rnempunyai diameter l'/z in dan empat ulir per inci. Gambarlah potongan sepanjang 2,0 in. Ulangi Soal 2 untuk ulir bentuk gergaji. Ulangi Soal 2 untuk ulir persegi. Jika sebuah sekrup daya dengan ulir Acme dibebani gaya sebesar 30 000 lb, berapa ukuran ulir dari Tabel 17.1 yang akan digunakan untuk menjaga agar tegangan tarik kurang dari l0 000 psi?
6. Untuk ulir yang dipilih pada Soal 5'
berapa
panjang aksial rnur yang dibutuhkan pada ulir yang memindahkan beban ke rangka mesin jika tegangan geser pada ulir harus kurang dari 6000 psi?
8. 9.
Hitunglah torsi yang dibutuhkan untuk nenaikkan beban 30 000 lb dengan ulir Acn.re yang dipilih pada Soal 5. Gunakarr koefisien gesekan sebesar 0,1 5. Hitunglah torsi yang dibutuhkan untuk menurunkatt beban dengan ulir dari Soal 5.
Jika ulir persegi trentpunyai dianreter rnayor % in dan enanr ulir per inci digunakan ttntttk rnengangkat
10.
beban 4000 lb, hitunglah torsi yang dibutuhkan untuk lner.nutar ulir. Gunakan koefisien gesekan 0, 15. U ntuk u I ir dari Soal 9, h itunglah torsi yarrg d ibutuhkan
ll.
untuk nremutar ulir ketika tttenurutlkan beban. Hitunglah sudut kisar untuk ulir dali Soal 9. Apakalt dapat ntengunci. sendiri?
t2. Hitunglah efisiensi ulir dari Soal 9.
t3. Jika beban 4000
Ib diangkat dengan ulir yang
dijabarkan pada Soal 9 pada kecepatan 0,5 in/detik, hitunglah kecepatan putar ulir yang diperlukan dan daya yang dibutuhkan untuk menggerakkannya. 14. Sebuah sekrup bola untuk penggerak meja nresin akan dipilih. Gaya aksial yang dipindahkan oleh ulir adalah 600 lb. Meja bergerak 24 in per siklus, dan siklus yang diharapkan l0 kali perjanr untuk urnur yang direncanakan l0 tahun. Pilihlah ulir yang tepat.
15.
Untuk ulir yang dipilih pada Soal I-i. yang dibutuhkan untuk rnen-egerakkan
h;:-:- ;- r ': r:i:r-
16. Untuk Lrlir yang dipilih pada Soal lJ. i;;e:":-.' nonnal rneja adalah 10,0 in per rrerrit. HitLrngllh J;;. : yang dibutuhkan untuk menggerakkan ulir. 17. Jika waktu siklus untuk mesin pada Soal l.l dikuran_gr untuk rnendapatkan 20 siklus per jarr, berapa tahun unrur yang diharapkan dari ulir yang terpilih?
t8 Pengikat
Pengikat lingkup Pembahasan Pengikat menghubungkan atau tnenyarnbung dua komponen atau lebih. Jenis yang unrunr adalalt btrut dan sekrup seperti diilustrasikan pada Cantbar I8.I sampai I8.4.
Tugas Persiapan Lihatlah contoh baul dan sekrup. Dafiorkanlah berttpa borryuk.jenis yung Ando ternukcrn. Untuk apa rtrereko digunakan?Jenisgayaapaktrhyangclialaniolchpengikut'? Ilohunopa),qngcligunakonunlukpcngikat'?
Dalarn bab ini Ancla akan bclajar untuk rnerrgiuralisis Lrniuk kerfa pengikat clan untuk rnenrilih.ienis dan ukuran 1,an-u cocok.
Pengikat adalah sebuah alat yang digunakan untuk rnenghubungkan atau rnenyambung dua komponen atau lebih. Tersedia ratusan ienis pengikat dan variasinya. Paling umum adalah pengikat berulir yang berkaitan dengan banyak sebutan, di antaranya baut, sekrup, rnur, baut tap, paku sekrup, dan seklup petletap. Baut adalah pengikat berulir yang dirancang untuk nrenenrbus lubang pada bagian-bagian yang disambung dan dikunci dengan pengencangan mur dari sisi di balik kepala baut. Lihal baut harkapolu segicnom pada Garnbar l8.l(a). Beberapa jenis baut yang lain ditunjukkan pada Gambar 18.2. Sekrup adalah pengikat berulir yang dirancang untuk diselipkan melalui lubang pada salah satu bagian yang disambung dan menjadi lubang berulir dalam bagian itu. Lihat Ganrbar l8.l(b). Lubang berulir mungkin sudah dibuat. misalnya dengan tap, atau dapat dibentuk oleh sekrup itu sendiri selarna sekrup ditekan nrasuk ke dalam bahan. Sckrtrp mesin, juga disebut sekrup tanqnt. adalah pengikat presisi dengan bodi berulir lurus yang diputar dalanr lubang berulir (lihat Garnbar 18.3). Jenis sekrup mesin yang populer adalah sekrup tananr den-uan kepala berselubung. Konfigurasi yang lazim ditunjukkan pada Gambar 18.3(0, nrernpunyai kepala silindris dengan selubung segienarn. Juga banyak tersedia rnodel kepala rata dengan bentuk tirus agar permukaan yang disekrup rata; model kepala setengah bola untuk penampilatr yang sederhana; dan sekrup-sekrup berkerah rnernberikan tekanan perrnukaart yang presisi untuk penetnpatan atau pirr engsel. Lihat Situs Internet 9 dan I l. Sekrup-sekrup pelut loganr, sckrup dengan kepalu limbul, ,sckrup mcngctap-sandiri, dan sekrup kalubiasanya nrembentuk ulirnya sendiri. Ganrbar 18.4 nrenunjukkan beberapa model. Carilah corrtoh-contoh di rnana jenis pengikat seperti diilustrasikan pada Garnbar l8.l sampai 18.4 digunakan. Berapa banyak yang Anda temukan? Buatlah daftar rnerrggunakan nanra-nallra untuk pengikat dalaln garrrbar. Jelaskan
50
5r aplikasinya. Apa fungsi pengikat itu? Jenis gaya apa yang tirnbul pada setiap pengikat selanra pemakaian? Seberapa L,es.: pengikat itu? Ukurlah sebanyak mungkin ukuran. Terbuat dari balran apa setiap pengikat? Lihatlah rrobil Anda, khususnya di bawah tutup/kap ruang rnesir.r. Jika Anda bisa, lihat juga di barvah rangka (c/r.r.r i r ) untuk melihat di mana pengikat digunakan untuk menahan berbagai korrponen yang berbeda agar rnelekat pada rangka atau beberapa bagian struktur lainnya.
OAIYIBAR
l8.l
Perbandingan baut dengan sekrup (R. P. Hoelscher et al., Graphics for Engrneers. New York: John Wiley & Sons, 1968)
berkepata segienam
(b) Sekrup tanam berkepala segienam
(a) Baut
o+MBAR t8.2 Model-model baut. Lihat juga baut kepala segienam pada Gambar 18.1. (R. P. Hoelscher et al., G raph ics for Engi nee rs. New York: John Wiley &
#td
-z-1---J"-FqH
.}-H EF{ t=E l=Fl l=Fl
}#
Lrl
l=Er
l:ET
EEI
EErt
EB
'1-
w
(a) Baut eretan
(b) Baut elevator
ffi [=l=t
=f" (c) Baut berkepala tirus
L-f".
ffiT17ffi Ht*l r+l I€Et ta EB t#l
trH ffiffiffi
*r
*r
Baut
(d) penjajag
(e) Baut
rel
ffi tt
I
I
\-.Jr7
rrl
Ul ffiffi
ffi H t=Ei
ffi
tj#l'd
*T-
rllgw II
Ll
B
(f) Baut tap
tn=t
Baut perapian (g)
(h) Baut peraPian
Sons,1968) OAIYIBAR 18.3
Sekrup tanam atau sekrup mesin. Lihat juga sekrup tanam kepala segienam pada Gambar 18.'1. (R. P. Hoelscher et al. G ra ph ics for E ngi nee is. New York: John Wiley &
Selubung segienam ----1 f,i dalam f,^r^\ di
(a) Kepala
Sons,1968)
(b) Kepala tombol
OAtvlBAR 18.4
Sekrup pelat logam dan sekrup berkepala segienam. (R. P. Hoelscher et al., G raphics for Engineers. New York: John Wiley &
Sons,1968)
@ ,/h\
V ffi V H Y
(a) Kepala bulat
@ f? a
(d) Kepala benam rata
(c) Kepala benam
/r\ \t/ r{r-,
H
a )4t
w
ffi n
w a
*)
(b) Kepala elip
J4?
J.h
I*
a I
(c) Kepala tirus alur lurus
(e)
Kepala bulat
(f) Kepala berselubung
@q+ Y
lil
ww ,(
TFW trffi t4 8*t
(d) Kepala tirus alur silang
*44
v
(e) Sekrup berkepala segienam
l
52
Elenren-Elenten Mesin dalam Perencangqn Mekanis
Lilrat juga pada sepeda, peralatan tarnan dan kebun, kereta toko nrakanan. tempat penr irnpanan barang di gudang, alat-alat tangan, perabotan dapur, rnainan anak-anak, alat-alat olahraga, dan perabotan nrebel. Jika Anda mempunyai akses ke pabrik, Anda dapat mengidentifikasi ratusan atau ribuan contoh. Cobalah untuk nrendapatkan wawasan tentang di rnanajenis-jenis pengikat teftentu digunakan dan apa nraksudnya. Dalanr bab ini Anda akan metttpelajari banyak jenis pengikat yang akan Anda jurrrpai. tenuasuk bagairnana rnenganal isis unjuk kerjanya.
Fry
And a sebaga
i Per ancan lt
Lihatkembali Gambar 15.6 yang menunjukkan rakitan transmisi daya jenis roda gigi yang dirancang dalam bab tersebut.
berapa ukurbn ulirnya dan berapa panjangnya? Model kepala apa yang akan Anda pilih? Berapa besar torsi yang diterapkan
Pengikat dibutuhkan di beberapa tempat dalam rumah transmisi,
pada pengikat untuk menjamin bahwa gaya jepit antara bagianbagian yang disambung mencukupi? Bagaimana perancangan gasket antara tutup dan rumahan memengaruhi pilihan pengikat dan spesrfikasi torsr pengencangan untuk mereka? Alternatif
tetapi tidak dijelaskan dalam bab itu. Empat penahan bantalan
diikat pada rumahnya dan ditutup dengan pengikat berulir. Tutupnya sendiri dipasang pada rumahan dengan pengikat. Akhirnya, tempat pemasangan mempunyai kelengkapan untuk menggunakan pengikat guna menyangga seluruh transmisi pada struktur pendukung.
Anda adalah seorang perancang. Jenis pengikat
apa
yang akan Anda pertimbangkan untuk aplikasi ini? Bahan apa yang akan digunakan untuk membuatnya? Berapa kekuatan yang harus dimiliki bahannya? Jika digunakan pengikat berulir,
apa saja yang ada untuk menggunakan pengikat berulir untuk memegang komponen-komponen bersama-sama dan masih memungkinkan untuk dibongkar? Bab ini menyajikan informasi yang dapat Anda gunakan untuk membuat beberapa keputusan perancangan. Referensi pada bagian akhir bab memberikan sumber informasi berharga lainnya tentang pengetahuan yang luas tentang pengikat.
18.1 TUTUAN BAB tNl Setelah menyelesaikan bab ini, Anda diharapkan manrpu:
l. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 8. 9,
Mengganrbarkan perbandingan baut dengan sekrup rresin. ' Menyebutkan dan menggambarkan sembilan model kepala untuk baut. Menyebutkarr dan menggambarkan enanr model kepala untuk sekrup ntesirt. Menggarlbarkan sekrup pelat logarrr dan sekrup berkepala segienarn. Menggarnbarkan enam model sekrup penetap dan aplikasinya. Menggambarkan sembilan jenis alat pengunci yang nrenahan rnur dari kendorrrya pada baut. Menggunakan tabel data untuk berbagai kelas bahan baja yang digunakan untuk baut seperti dipublikasikan oleh Society of Autornotive Engineers (SAE)dan Aurerican Society forTesting and Materials (ASTM) dan untuk kelas
metrik standar. Membuat daftar sekurang-kurangnya l0 bahan selain baja yang digunakan untuk pengikat. Menggunakan tabel data untuk ulir sekrup standar dalam Arnerican Standard dan sisterl nretrik untuk dimensi dan arralisis tegangah.
10. Mendefinisikan beban murni, bebanjepit, dan tnrsi pcngencangan yang diterapkan pada baut dan sekrup,
ll. 12.
13.
dan
menghitung nilai-nilai perancangan. Menghitung efek penarnbahan beban luar pada sanrbungan baut, ternrasuk gaya akhir pada baut dan bagian-bagian yang dijepit. Mentbuat daftar dan menggambarkan l6 teknik pelapisan dan penyelesaian akhir, yang digunakan untuk pengikat logatn. Menggarnbarkan paku keling, pengikat operasi-cepat. pengelasan. pernatriarr, dan adhesif, dan nrenrbandingkannya dengan baut dan sekrup untuk aplikasi pengikatan.
P.t;:
1B.2,,,IBAHAN DAN KEKUATAN BAUT Dalam perancangan mesin, kebanyakan pengikat dibuat dari baja karena kekuatannya tinggi, kekakuannya tinggi. tr let. darr kemampuan untuk dibentuk dan dikerjakan dengan penresinan tergolong baik. Tetapi digunakan berbagai konrposisi darr kondisi baja. Kekuatan baja yang digunakan untuk baut dan sekrup digunakan untuk nrenentukan kelasnya, sesuai dengan salah satu dari beberapa standar. Tingkat kekuatan berikut ini sering tersedia: kekuatan tarik-yang sudah lazinr, kekuatarl lufuh, dan kekuatan asli (proo/'strength). Kekuatan asli, nririp dengarr batas elastis, didefinisikan sebagai tegangan di mana baut atau sekrup akan mengalami defonnasi pernranen. Biasanya kisaran antara 0,90 dan 0,95 kali kekuatan lulrrh. SAE menggunakan nomor kelas berkisar dari I sanrpai 8, dengan penarnbaharr nolnor menunjukkan kekuatan yang lebih tinggi. Tabel l8.l berisi beberapa aspek sistem kelas yang diarnbil dari SAE Standard 1429 (Refererrsi l2). Cambar yang ditunjukkan dicetak pada kepala baut. ASTM memublikasikan lima standar yang berkaitan dengan kekuatan baja baut, sepefti ditarnpilkan pada Tabel 18.2 (Referensi 2.) Ini sering digunakan dalarr pekerjaan konstrttksi. Baut dan sekrup metrik menggunakan sistem kocle arrgka berkisar dari 4,6 sat.npai 12,9, dengarr arrgka yang lebilr besar menunjukkan kekuatan yang lebih besar. Angka sebelum titik desinral adalah kira-kira 0,0 I kali kekuatan tarik bahan dalam MPa. Digitiangka terakhir dengan titik desirnal adalah rasio kira-kira kekuatan ltrluh balran terhadap kekuatan tarik. Tabel I 8.3 menunjukkan data yang bersangkutan dari SAE Standard J I I 99 (Referensi 7).
Perkiraan Ekivalensi Antara Kelas SAE, ASTM, dan Metrik Baja Baut. Daftar berikut tnentrnjukkan perkiraarr ekivalensi yang berguna ketika perbandingan rancangan di nrana spesifikasi rreliputi kolnbinasi kelas SAE, ASTM, dan metrik baja baut. Standar individual sebaiknya dikonsultasikan untuk data kekuatan yang spesifik. Kelas SAE J429 Kelas
1
Kalas ASTM
Kelas Metrik
A307 Kelas A
Kelas 4.6 Kelas 5.8
1429 Kelas 2
J429 Kelas 5
4449
Kelas 8.8
J429 Kelas 8
A354 Kelas BD
Kelas 10.9
Sekrup benam kepala berselubung dari Seri I960 terbuat dari baja paduan yang diberi perlakuan panas rnenrpunyai kekuatan berikut:
[Jkurun 0-5/8 %-3
Renlang
Kekuatan Torik
(ksi)
90 180
Kekuqlon Luluh (ksi) 170
r
155
TABEL 18.1 Kelas baja SAE untuk pengikat Kekuatan
tarik (ksi)
luluh
asl i
(ksi)
(ksi)
Gambar kepala
60 74 60
36 57 36
55
Tidak ada Tidak ada
l15
r00
65
1/c-1
t20
92
85
>1-1%
r05
8l
74
IJJ
115
105
t50
r30
120
Ukuran baut
kelas
(inci)
I
l/t
2
t/o-314
-lt/z
>314-l'/z 4 5
Kekuatan
Kekuatan
Nomor
t/o-l
t/z
7
t/rlt/z
8
t/q-lt/z
JJ
Tidak ada
5-l
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancongan Mekanis
TABEL 18.2 StandarASTM untuk baja baut Kekuatan
Kekuatan
Kekuatan
luluh
asl i
Grade
Ukuran baut
tarik
ASTM
(inci)
(ksi)
(ksi)
(ksi)
Garr bar kepala
A307
t,/c4
60
(Tidak
dilaporkan)
Tidak ada
A325
%-1
120
92
85
lr !'l
>1-11/z
105
8l
14
A354-BC
YolYz
t25
100
105
A354.BD
t/,_)
A449
A574
t/"
150
t30
120
t/r1
120
92
85
>1-11/z
105
8l
14
>l-lt/z
90
58
0,060-l12
180
r40
5184
t70
135
8::
1
1..')
55
(Sekrup tanam dengan kepala berselubung)
TABEL 18.3 Kelas metrik baja untuk baut Kekuatan
Kekuatan
Kekuatan
tarik
luluh (MPa)
(MPa)
240
225
340* 415*
310 380 600 650
Kelas
Ukuran baut
(MPa)
4,6 4,8
M5-M36 M r,6-M r6
400 420 520 830 900 I 040 1220
5,8 8,8
9,8 10,9 12.9
M5-M24 M r7-M36 M 1,6-M l6 M6-M36 M r,6-M36
660
720* 940 I t00
asl i
830
910
*Kekuatan luluh adalah kira-kira dan tidak termasuk dalanr statrclar
Secara kasar unjuk kerja ekivalen diperoleh dari sekrup tanam kepala berselubung metrik dibuat untuk kelas kekuatan
metrik 12,9. Bentuk yang sama tersedia dalam baja tahan karctl yang tahan korosi, biasanya jenis l8-8, pada tingkat kekuatan yang sedikit lebih rendah. Aluntinium digunakan karena ketahanan korosinya, beratnya ringan, dan tingkat kektratan yang cukup. Konduktivitas panas dan listriknya yang baik nrungkin juga diinginkan. Palirrg banyak digunakan adalah2024-T4,201l-T3, dan 6061T6. Sifat-sifat bahan ini tercantum pada Lampiran 9. Kuningan, tembaga, dan perunggtLjugadigunakan karena ketahanan korosinya. Keuntungan lain adalah pemesinannya mudah dan penampilan menarik. Paduan tertentu secara khusus baik untuk ketahanan korosi dalam aplikasi kelautan. Nikel danpaduannya, seperti Monel dan Inconel(dari Interntional Nickel Coinpany), Inernberikan unjuk kerja yang baik dalam hal kenaikan suhu, selain juga mempunyai ketahanan korosi yang baik, keuletan pada suhu rendah, dan penampilan yang menarik.
Baja tahan karctt secara primer digunakan karena ketahanan korosinya. Paduan yang digunakan untuk pengikat meliputi l8-8,410, 416,430, dan 43 l. Di samping itu, ba.ia tahan karat dalam seri 300 adalah nonmagnetis. Lihat Lampiran 6 untuk sifat-sifat baja. Rasio yang tinggi antara kekuatan dan berat adalah keuntungan utanta paduan titctniunt yang digunakan untuk pengikat dalam aplikasi kedirgantaraan. Lampiran I I memberikan daftar sifat-sifat beberapa paduan. plastik digunakan secara luas karena beratnya ringan, tahan korosi, ketrratnpuannya sebagai insulator, dan mudah pembuatannya. Bahan yang paling sering digunakan adalah Nylon 6/6, tetapi yang lain terrllasuk ABS, TFE fluorocarbon, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polyvinylchloride (PVC). Lampiran l3 berisi beberapa plastik dan sifatsifatnya. Selain penggunaan dalam baut dan sekrup, plastik digunakan secara luas di mana pengikat dirancang secara khusus untuk aplikasi-aplikasi tertentu. pelapisan dan pengerjaan akhir bagi pengikat loganr urenrberikan perbaikan penampilan atau ketahanan korosi. Juga koefisien gesekan yang lebih kecil untuk hasil yang lebih konsisten berkaitan dengan torsi pengencangan pada
P
engi
r.:: f f
gaya penjepitan. Pengikat baja dapat dikerjakan akhir dengan oksida hitarn, diberi warna biru, nikel mengilat. tbstal. dan dicelupkan dalam seng panas. Pelapisan dapat digunakan untuk rnelapiskan kadmium, tembaga, krom, nikel. perak. timahputihdanseng.Berbagai pengerjaanakhirdenganpengecatan,vernis,dan pewarnaanjugadigunakan.Alulriniunl biasanya dianodisasi. Pelapisan dan pengerjaan akhir perlu diperiksa, khususnya berkenaan dengan bahaya terhadap I
ingkungan.
18.3 PENANDAAN.UTIR DAN AREA TEGANGAN
. ...
::
Tabel 18.4 menunjukkan ukuran untuk ulir dalam model Anrerika, dan Tabel 18.5 mentberikan model metrik SL Untuk peftimbangan kekuatan dan ukuran, perancang harus urengetahui diarneter nrayor dasaq jarak bagi ulir, dan area yang tersediauntukmenahanbebantarik. Ingatbahwajarakbagi samadengan l/n,di manaradalahjumlahulirperinci dalanr sistem Amerika.
TABEL 18.4 Ukuran ulir sistem Amerika A. Ukuran bernonror bulat Ulir-ul
LJlir-ulir kasar: UNC
Ukuran 0
2
Diarneter mayor dasar (in.)
Ulir per in.
Luas bidang tegangan tarik (in'])
0,0600
Ulir
halus: UNF
per in.
Luas bidang tegangan tarik (in'?)
80
0.001 80
0,0730
64
0.00263
12
0.002 78
0,0860
56
0.00370
64
0.003 94
56
0.005 23
48
0.006 6
)
0,0990
48
0.00487
4
0,1 1 20
40
0.00604
r
5
0, I 250
40
0.00796
44
0.008 30
6
0. I 380
32
0,00909
40
0.010 l5
8
0.1640
)Z
0.0140
36
0,014 74
l0 l2
0, I 900
24
0.0175
32
0,0200
0,2160
24
0.0242
28
0.0258
l8
28
0,0364 0,0580
B. Ukuran pecahan t/a
0,2500
20
0,03
5il6
0,3125
8
0.0524
24
%
0,37s0
6
0,0775
24
0.0878
7il6
0.4375
4
0. r 063
20
0,r r87
l/ /2
0,5000
J
0.14t9
20
0, I 599
9lt6
0,562s
2
0,1 82
8
0.203
8
0.256
%
0,6250
I
0,226
%
0,7s00
0
0.334
6
0.373
%
0,87s0
9
0,462
4
0,509
r,000
8
0.606
2
0,663
t/a
t,t25
7
0,763
2
0,856
,/o
I,250
7
0.969
2
1.073
%
1,375
6
I,1 55
2
t.3 r5
t/ /2
1,500
6
1,405
2
1,58
%
I,750
5
1.90
2
2,000
4t/z
2.50
r
56
Eitmen-Elenten lylesin dalam Perttncangon Mekartis
TABEL 18.5 Ukuran ulir metrik Ulir-ulir
Ulir-ulir halus
kasar
Dianreter mayor dasar
Luasan bidang tegangan tarik
(mrn)
(mnr2)
2
)\
Jarak bagi (rnm)
(mnrr)
0,20 0,2s 0,35 0,35
1,51 7 zlS
0,460
0,2s 0,35 0,4 0,45
I
1,6
Luas bidang tegangarr tarik
1,27
2,07 3,39 5.03 8,78
3,70
5
0,5 0,7 0,8
14,2
0,5 0,5
6
I
20"1
0.75
22.0
8
1,25
I
'lc) 1
3
4
5,61
9,'79
t6,r
l0
1,5
36,6 58,0
t,25
6t.2
t2 t6
1,75
84,3
t,25
92,1
2
1,5
t67
20 24
?5
t57 245
1,5
212
3
353
2
30
1S
561
2
36 42 48
4
817
J
384 621 865
4,5
1t2t
5
1473
Dalarn SI, jarak bagi dalam milimeter ditandai secara langsung. Luas bidang tegangan tarik yang clinruat dalant Tabel 18.4 dan 18.5 dianrbil untuk menghitung area aktual yang dipotong olelr bidarre nrelintang. Karena lintasan helik ulir pada sekrup, satu sisi bidang akan memotorrg dekat lembah lekukan, tetapi sisi yang lain akan rnentotong dekat dianteter nrayor. Persantaan Iuas bidang tegangan tarik untuk ulir Anrerika adalah
+ dengan
Iuos Eidong Tegongon Torik unluk Ulir UNC olou UNF
D
p
:
A,:
(0.7854) lD ,0,9743)
pl'
(
l8-l
)
diameter mayor
: iarak bagi ulir
Urrtuk ulir metrik, luas bidang tegangan tarik adalah Luos Bidong Tegongon Torik
unluk
Ulir
Melrik
A,:
(0,7854)[D
-
(0,9382) p]:
(l 8-2)
Untuk kebanyakan ukuran ulir sekrup standar, sekurangnya tersedia dua.iarak bagi: seri ulir kusqr dan seri ulit' hultrs. Keduanya termasuk dalam Tabel 18.4 dan I 8.5. Ulir Amerika yang lebih kecil mengguuakan nonror pertandaan dari 0 sampai 12. Dianreter rnayol yang sesuai tercantulndalanrTabel 18.4(a).UkumnyanglebihbesarrnenggLtnakanpenandaanangkapecahaninci.Ekivalerrsi desinral untuk diameter mayor ditunjukkan dalam Tabel 18.4(B). Ulir metrik rnencantumkan dianreter mayor dan.larak bagi dalanr
milimeter,sepertiditunjukkanTabel lS.5.Sampelpenandaanstandaruntukulirdiberikanberikutini.
Slundar Anrcruiln.' Ukuran dasar diikuti dengan jurnlah ulir per inci dan penandaan seri.
UNC 10-32 UNF UNC li2-20 UNF I%_{ UNC I %-I2 UNF
10-24
l/2-13
Metrik: M (untuk "metric"), diikuti dengan diarreter rnayor M3 X
0,5
M3 x
dasar dan kenrudian jarak bagi dalarl milinteter
0,35
M
l0 X
1,5
18.4 BEBAN JEPIT DAN PENGENCANGAN SAMBUNCAN BAUT Beban fepit Ketika baut atau sekrup digunakan untuk menjepit dua bagian, gaya yang tintbul antara bagian-bagian iIu adalah bebun iepit. Perancang bertanggung jawab untuk spesifikasi beban.jepit dan nten jantin bahwa pengikat utampu rnenahan beban. Bebanjepitmaksimumseringdiarnbil0,T5kali bebanmurni,di rrana bebanmurniadalahhasil perkalianteganganrnurni dengan area tegangan tarik baut atau skrup.
Torsi Pengencangan
lmhtreln1l ffi'1-JI\JlY
Beban jepitdalarn bautatau sekruptimbul karenatorsi pengencangan padanuratau kepalasekrup. Hubungan antara torsi dan gaya tarik aksial dalanr baut atau sekrup kira-kira adalah
T:
Torsi Pensencongon
+ dengan
KDP
( r 8-3)
7: torsi, lb.in D: diarneter luar nominal ulir, inci P = beban jepit, lb K: konstanta bergantung pada pelunrasan yang diberikan
Untuk kondisi komersial rata-rata, K:0, l5 digunakan.iika diberi suatu pelumasan pada seluruh bagian. Bahkan cairan pernotongan atau sisa minyak lain pada ulir akan rnenyebabkan kondisi yang konsisten dengan (: 0, 15. Jika ulir bersilr dan kering, lebih baik K:0,20. Tentu saja nilai-nilai ini adalah nilai yang rnendekati (kira-kira), dan diharapkan ada
variasi
di
antara rakitan-rakitan yang tampak identik. Disarankan untuk rnelakukan pengujian dan analisis statistik
terhadap hasil-hasilnya.
CE-ntTh-
S0A 18.1
Tiga baut digunakan untuk rnenrberikan gaya jepit l2 000 lb antara dua konrponen rrresin. Bebarr terbagi rnerata pada tiga baut. Tentukan baut yang cocok, terrrasuk kelas bahan.jika setiap baut dirancang mengalanri tegangan 75oh dari kekuatan aslinya. Kemudian hitunglah
torsi pengerrcangan yang diperlukan.
EnrureaEn6s
Beban pada setiap sekrup 4000 lb. Kita pilih baut terbuat dari baja SAE kelas 5, nrenrpunl ai kekuatan asli 85 000 psi. Kenrudian tegangan yang diizinkan adalah
o,,
:
0,75(85 000 psi)
:
63 750 psi
58
Elemen-Elenten Mesin dalarn Perancangan Mekanis Luas bidang tegangan tarik yang diperlukan untuk baut adalah Ib ,4
"t- -_-
bebarr
4000 lb
sd
63 750Ib/ in2
:0.0627
in:
Dari Tabel 18.4(B), kita temukan bahwa ulir 3/8-16 UNC rnempunyai luas bidang tegangan tarik yang dibutuhkan. Torsi pengencangan yang diperlukan adalah T
:
KDP
:
0,ls(0,375 in)(a000 lb)
:
225 lb.in
Persantaan (18-3) sudah mencukupi untuk perancangan mekanis untut.n. Analisis torsi yang lebih lengkap, yang dirraksudkan untuk menciptakan gaya jepit, mernerlukan infbrrnasi lebih banyak tentang perancangan sarnbungan. Ada tiga kontributor untuk torsi. Satu, yang
dinamakan 7,, yaitu torsi yang diperlukan untuk menghasilkan beban tarik dalarn baut, P,, dengan menggunakan sifat bidang rniring ulir.
qnl t1 _ t^
P,
tp
lpn
-
dengan / adalah kisar ulir baut dan
l: p:
(r8J)
lln.
Komponen torsi yang kedua, 7r, diperlukan untuk rnengatasi gesekan antara pasangan ulir, dihitung dari:
T,: dengan
d
t,nP,
2cosa
: diarneter jarak bagi ulir [, : koefisien gesek antara permukaan A : l/2 sudut ulir, biasanya 30o
(
r
8-s)
d,
ulir
Komponen torsi yang ketiga, (, adalah gesekan antara sisi bawah kepala baut atau mur dan pennukaan yang dijepit. Caya gesek ini diasurnsikan beraksi pada tengah-tengah permukaan gesek, dihitung dari:
(d
"* dengan
d: b: F,
:
*
hlrnP,
4-
(r 8-6)
diameter mayor baut diameter Iuar permukaan gesek pada sisi bawah baut koefisien gesek antara kepala baut dan perrnukaan yang dijepit
Maka torsi totalnya adalah
7,,',: T, + T2+
Tr
(r 8-7)
Lihat Referensi 3,4,9, dan I0 untuk pembahasan tarnbahan tentang torsi untuk baut. Penting untuk diingat bahwa banyak veriabel yang terlibat dalarr kontribusi keterkaitan alttal'a torsi yang diterapkan dan beban tarik sebelumnya yang diberikan pada baut. Prediksi yang akurat mengenai koefisien gesek adalah sesuatu yang sulit. Akurasi torsi yang diterapkan dipengaruhi oleh ketelitian alat pengukuran yang digunakan, senrisal kunci torsi (kunci momen), pemutar mur pneuluatik, atau pernutar rnur hidrolik, juga keterampilan operatornya.
Perrgri.i: 59 molnen), pemutar trur pneumatik, atau pemutar nrur hidrolik, juga keterarlpilan operatorrtr Referensi 3 menrbahas secara luas lnengenai banyakjenis kunci torsi yang ada.
.r.
Analisis Baut Berbantuan Komputer. Karena diperlukan banyak variabel dan perhitunuan angka untuk menganalisis salrbungan baut, tersedia paket perangkat lunak kornputer untuk menyelesaikan analisis yang perlu. Untuk contolr lihat Situs Internet 12.
Metode Lain Pengencangan Baut Pengukuran torsi yang diterapkan pada baut, sekrup, atau mur selanra pentasangan adalah baik untuk dilakukan. Akarr tetapi, karena banyak variabel yang terlibat, gaya jepit aktual yang dihasilkan ntungkin rnenyirrpang secara signifikan. Pengencangan satnbungan kritis
sering menggunakan nretode pengencangan baut yang lainnya, yang secara langsung lebih berhubungan dengan gaya jepit. Situasi di rnana metode-nretode ini digunakan adalah satnbungan baja struktuq flens untuk sistern tekanan tinggi, kornponen pabrik tenaga nuklir, kepala silinder, dan baut-baut batang penghubung untuk mesin, struktur ruang angkasa, korrrponen rnesin turbin, sistem propulsi, dan peralatan ntiliter.
Metode Memutar Mur. Baut dikerrcangkan lebih dahulu untuk mengepaskan dengan rapi agar senlua bagian satnbungan rnenjadi ntenernpel rapat. Kemudian ntur diberi pLrtaran tambahan dengan kunci antara sepertiga sarnpai satu putaran penuh, bergantung pada ukuran baut. Satu putaran penuh akan menghasilkan peregangan dalarn baut sebesar kisar ulir, cli mana I : p : lln. Perilaku elastis baut rnenentukan besarnya gaya jepit yang dihasilkan. Referensi I dan 3 rnernberikan intbrmasi lebih detail.
Produk-Produk Pengendali Tarikan dengan Baut. Ada baut khusus yang rnemasukkan dengan hati-hati leher baut pada satu ujung yang dihubungkan dengan bagian seplain. Seplain akan terpegaug tetap jika ntur diputar. Ketika torsi yang telah ditetapkan sebelumnya diterapkan pada mur, bagian leher rusak dan pengencangan pun berhenti. Dihasilkan unjuk kerja sambungan yang konsisten. Bentuk lain dari baut pengendali tarikan rnenggunakan alat yang nrenirnbulkan tarikan aksial langsung pada baut, nrenarik kerah ke dalam alur atau ulir pengikat, dan kentudian memutuskan bagian diameteryang kecil dari baut pada gaya yang telah ditetapkan sebelurrrnya. Hasilnya adalah besarnya gaya jepit pada sarnbungan dapat diprediksi. Baut dengan Flens Bergelombang. Sisi bawah kepala ini dibentuk dalarn pola bergelornbang selama proses pernbuatan. Ketika torsi diterapkan pada sarnbungan, pennukaan bergelourbang terdeformasi menjadi rata nrelawan pernrukaan yang terjepit bila besarnya tarikan yang ditimbulkan dalarn bodi baut telah sesuai.
Cincin IndikatorTarikan Langsung (Direct Tension Indicator/DTI). Cincin (washer)DTl mentpunyai beberapa bagian yang rrriring pada perrnukaan atasnya. KemLrdian cincin biasa ditempatkan di atas cincin DTI dan nrur nrengencangkan rakitan sarnpai bagian yang rliring diratakan pada derajat yang ditetapkan, rnenciptakan tarikan dalam baut dapat diprediksi.
Pengendalian dan Pengukuran Tarikan Ultrasonik. Pengembangan terakhir telalr menghasilkan peralatan yang rlernberikan gelombang akustik ultrasonik pada baut setelah baut dikencangkan dengan pengaturan waktu gelornbang terpantul yang akan berkorelasi dengan besarnya regangan dan tarikan dalarn baut. Lihat Referensi 3.
Metode Pengencangan Sampai Luluh. Kebanyakan pengikat tersedia dengan jatnirran kekuatan luluh. Oleh sebab itu, besarnya gaya tarik yang menyebabkan baut luluh perlu diperkirakan. Beberapa sistetrr ototnatis menggunakan prinsip ini dengan menunjukkan keterkaitan antara torsi yang diterapkan dan putaran ntur dan rnenghentikan proses bila baut
60
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancongon Mekctnis
mulai menjadi luluh. Selalrra bagian elastis kurva tegangan-regangan untuk baut, terjadi perubahan linier torsi terhadap putaran. Pada titik luluh, putaran rneningkat secara drantatis dengan sedikit atau tidak ada penambahan torsi yang signifikan. \hriasi pada metode ini, disebut logarilhmic rote methocl (LRM, Inenentukan puncak kurva losaritnra dari tingkat torsi terhadap data putaran dan kernudian rnenerapkan jurnlah putaran r ans diset sebelurrrnya pada r.nur. Lihat Situs Internet 9.
18.5 PENERAPAN GAYA LUAR PADA SAMBUNGAN BAUT l8.l rnenrpertirnbangkan tegangan pada baut hanya di bawah kondisi statis dan hanya untuk beban.iepit. Disarankan bahwa tarikan pada baut sangat tinggi, kira-kiral5oh dari beban murni baut. Beban ini akan Inenggunakan kekr.ratan baut secara efisien dan akan nrencegah terpisahnya bagian-bagian yang tersanrbung. Ketika beban diterapkan pada saurbungan baut rnelebihi dan di atas beban jepit, maka perilaku sambungan harus rtterrdapatkan perhatian khusus. Awalnya, gaya pada baut (gaya tarik) sarna dengan gaya pada bagian yang dijepit (gaya tekan). Kentudian diasumsikan beberapa gaya tarnbahan akan beraksi nreregangkan baut ke arah rnerrranjang setelah beban-iepit diterapkan. Porsi yang lain akan menghasilkar) pcnurunan gaya tekan pada bagian yang dijepit. Jadi, hanya sebagian gayayang diterapkan yang ditahan oleh baut. Besarnya bergantung pada kekakuan relatifbaut dan bagian yang .\nalisis yang ditunjukkan dalam Contoh Soal
d i-1epit.
Jika sebuah baut kaku menjepit bagian yang fleksibel, seurisal gasket yang ulet/kenyal, sebagian besar gaya tantbahan diambil oleh baut karena baut rnernbutuhkan sedikit gaya untuk mengubah tekanan pada gasket. Dalarn kasus ini. perancangan baut harus memperhitungkan tidak hanya gaya.jepit awal, tetapijuga gaya tambahan. Sebaliknya, jika baut relatif fleksibel dibandingkan dengan bagian yang dilepit, senrua gaya luar yang diterapkan sebenarnya sejak awal akan tnenurutrkan gaya jepit sanrpai bagian yang dijepit secara nyata terpisah. Kondisi ini biasanya diinterpretasikan sebagai kegagalan sambungan. Kenrudian baut akan rnenahan seluruh beban luar. Dalam perancangan sambungan praktis, situasi yang diuraikan sebelurnnya secara normal akan terjadi. Pada model sarlbungan "keras" (tanpa gasket lunak), kekakuan bagiarr yang dijepit kira-kira tiga kali bautnya. Beban luar yang diterapkan kemudian terbagi oleh baut dan bagian yang diiepit sesuai dengan kekakuan relatifsebagai berikut:
F,:P1--!J:-p,
(r
41, T h,.
k' r F:P+ ' kt, + k,, dengan
{ :: P
EOfr'tTh-
(r 8-e)
beban luar yang diterapkan
beban jepit awal [seperti dalarn Persarnaan ( Fh: gaya final pada baut gaya final pada bagian yang dijepit
F,: i, : i :
8-8)
l8-3)]
kekakuan baut kekakuan bagian yang dijepit
SI][| f$.Z
Asumsikan bahwa sambungan yang diuraikan dalam Contoh Soal l8.l rnendukung beban luar tambahan 3000 lb setelah diterapkan beban jepit awal 4000 lb. Juga asumsikan bahwa kekakuan bagian yang dijepit tiga kali bautnya. Hitung gaya pada baur, gaya pada bagian yang dijepit, dan tegangan final pada baut setelah diterapkan beban luar.
Es7EIEEe{lAcg
Kita terlebih dahulu akan rnenggunakan Pelsarnaan ( l8-8) dan 4 : 3000 lb, dan k, = 3kn:
(I
8-9) dengan P : 4000 lb,
Pattgiktr 6l
Ft,:
P+k1,
F1,:
Pt
: p1 , k''^-F, : pa Jtp k,, ) 3k,, ' 4kn - k, J]:-_
r,
F,,14:4000+3000/ 4:47501b
f, : P- : k' : F,. : p-- 3k!,- : kr,-k, ' kt,+3kt,' p,.
F,
:
P
-3F., I 4 : 4000- 3(3000)/4
:
l7
p_ 3!tp. 4k,,
50llt
Karena F masih Iebih besar dari nol, sanrbungan masih kencang. Sekarang tegangan pada baut dapat ditemukan. Untuk baut 3/8-16, luas bidang tegangan tarik adalah 0,0175 iri. Jadi.
P
4750tb
At
0.Oj75in2
Kekuatan aslibahan Kelas 5 adalah 85 000 psi, dan tegangan ini kira-kira T2ohdari kekuatan asli. Dengan dernikian, baut yang dipilih masih aman. Tetapi peftirnbangan tentang apa yang akan terjadi dengan sanrbungan yang relatif "lunak" dibahas dalam Contoh Soal 1 8.3.
EilntTli- SE?II 18.3
Selesaikan Contoh Soal 18.2 lagi, tetapi asunrsikan bahwa sarnbungan rnernpunyai gasket elastometrik fleksibel yang Inemisahkan bagian-bagian yang dijepit dan bahwa kekakuan baut I0 kali sanrbungan itu.
En?Ef!reA[ 6c
Prosedurnya sama sepefti yang digunakan sebelumnya, tetapi sekarang
kh:
F,,:P+ kt' F.:Pt lok' F.:P,lok'F kt, + k, l0{', -t {i I ll. Fr, : P +10F,, Il : 4000 + l0(3000)/ |:6721tb p, : p_,--!.-F : p_,- .k,- F.,: p- k, r.. ' kt, + k,. l0k, + i-, ' I l*. F, : P - F,, I I I : 4000-3000/ I I : 3727 lb
lO
k,. Jadi,
(
Tegangan pada baut adalah 6727 tb
": oln';:
868ooPSr
Ini melampaui kekuatan asli bahan Kelas 5 dan berbahaya karena mendekati luluhnya.
kekuatan
62
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancangan Mekanis
18.6 KEKUATAN LUCUT ULIR Di sarnping penentuan ukuran baut berdasarkan tegangan tarik aksial, ulir harus diperiksa untuk nrenjarrin bahwa mereka tidak akan terlucuti oleh gaya geser. Variabel yang terlibat dalanr kekuatan geser ulir adalah bahan baut, rrur, atau ulir' dalam lubang yang ditap, panjang terhubung, L", dan ukuran ulir. Analisis detail bergantung pada kekuatan relatif bahan.
Ulir Dalam Lebih Kuat dari Bahan Baut. Untuk kasus ini,
kekuatan ulir baut akan rrrengendalikan atau panjang yang diperlukan, 1,,, ulir baut yang persarxaan perancangan. kita untuk terhubung rlenentukan Di sini sajikan geser yang itu kekuatarr tarik baut sendiri. sama seperti akan mempunyai kekuatan
Bahan
L": dengan
1,, ID**"0,
r PDrn,,,
: : :
:
2A,s
r (l D r,,,,,s)10,
5
+
0,
5l I 3 5
r
t( P D 0,,,,n
-
(r 8-r 0) I D N,,,
*,)]
luas bidang tegangan tarik baut diameter dalam ntaksitrum ulir mur jurnlah ulir per inci diarreter jarak bagi rnininruln ulir baut
lndeks (subscript) B dan lVbefturut-turut menunjukkan baut dan tnur. Indeks min dan nal.s berturut-turut r.nenunjukkan nilai minimum dan maksimum, menrpertirrrbangkan toleransi pada ukuran ulir. Referensi 9 nremberikan data untuk toleransi sebagai fungsi dari kelas ulir yang telah ditetapkan. Untuk panjang terhubung yang diberikan, luas bidang geser yang dihasilkan ulir baut adalah
(r8-rr)
A,n: n L" lDN.,,k, [0,5 + 0,57735 n(PDr,,,,,,- 1Dr,,,,,,)l
Bahan Mur Lebih Lunak daripada Bahan Baut. Ini aplikasi khusr-rs bila baut disisipkan ke dalam lubang yang ditap pada besi tuang, aluminium, atau beberapa bahan lain dengan kekuatan yang relatifrendah. Panjang pelnasangan yang diperlukan untuk mernbuat sekurang-kurangnya pada kekuatan penuh dari baut adalalr
L,: dengan
: : ODru,,, : PDruu,o, :
S,,, S,,,
5,,,R(2 A,B) s u,rr
L"oD u,rin [0,5
t
0,57135tt(ODBr,i,
(r8-r 2)
-
PD u,,,,k.,)
batas kekuatan tarik bahan baut batas kekuatan tarik bahan mur
diameter luar minimurn ulir baut diarneter jarak bagi maksimum ulir nrur
Luas bidang geser ulir mur adalah
A.,,: n Le
OD
n.,,[0,5 + 0,57735 n (OD r,,,,,-
PD
N,,,,,,))
(r
8-r3)
Kekuatan Bahan Baut dan Mur Sama. Untuk kasus ini kegagalan diprediksi sebagai geser dari salah satu bagian pada diameter jarak bagi norninul, PD,,,,,,,. Panjang terhubung yang diperlukan untuk rnembuat sekurang-kurangnya kekuatan penuh dari baut adalah 4A,a
t_ LtT
(r8-r4)
PD,,,,,,
Luas bidang tegangan geser untuk ulir baut atau Ixur adalah
A:nPD t
ilt)nt
L12 c
(r 8-r s)
Pctt'1t,,.;l 6-]
18.7 IENlS.pENGtKAT DAN AKSESORT YANG LAtN Kebanyakan baut dan mur rllempunyai kepala yang diperbesar yang nrenekan pada bagian yang dijepit sehingga rnenimbulkan gayajepit. Sekrup penelaptidak mempunyai kepala, disisipkan ke dalam lubang yang ditap dan dirancang untuk rnenekan secara langsung pada bagian yang dipasang, rnenguncirrya pada tempat itu. Cambar 18.5 menunjukkan beberapa rrodel ujung dan cara memutar sekrup penetap. Penggunaan sekrup penetap harus diperlratikan, semisal pengikat berulir, sehingga getaran tidak mengendorkan sekrup. OAIYIBAR 18.5
Sekrup penetap dengan model kepala dan ujung berbeda diterapkan untuk memegang kerah pada sebuah poros (R. P. Hoelscher et al., Graphics for Engineers, New York: John Wiley &
Sons, 1968)
(a)Tak berkepala, ujung
OAMBAR
rata
(b) Kepala br,rjursangkar, ujung cekung
(c)
Kepala
Ujunq berkaki panjang
(e)
(d) Kepala
berselubung denganselubung
segienam, bergalur. ujung tirus ujung rangkap
(f) Ujuns berkaki pendek
%Ml @ @ ff*i]*l WW M bffi
I8.6
------f-** I r-t-.<-r -l
Peralatan pengunci (R. P. Hoelscheretal., G ra ph ics for E ng i nee rs, New York: John Wiley &
Sons,1968)
ffi
ttril
1G
,d.h*
I
f=T=\ I i
-fT?*)
N
{il
{.i
i
/+' rrffirl lr't
}
Cincin (washer) dapat digunakan di bawah satu atau kedua kepala baut dan mur untuk rnendistribusikan beban jepit di atas area yang luas dan memberikan permukaan tekan untuk putaran relatif mur. Jenis cincin sederhana adalah cincin rata. piringan rata dengan lubang untuk baut atau sekrup. Model yang lain, disebut cincin pengunci (lockwasher), rnerrpunyai deformasi aksial atau proyeksi yang menghasilkan gaya aksial pada pengikat ketika tertekan. Gaya ini rnenjaga ulir bagian yang disambung dalam kontak yang erat dan mengurangi kemungkinan bahwa pengikat akan kendor ketika digunakan. Cambar 18.6 menunjukkan beberapa cara penggunaan cincin dan jenis peralatan pengunci lainnya. Bagian (a) adalalr rnur penjepit (kontra) yang dikencangkan melawan mur reguler. Bagian (b) adalah cincin pengunci standar. Barian (c) adalah pelat pengunci yang mencegah rnur berputar. Bagian (d) adalah pena pasak yang disisipkan rrelalui lubang ranr dibor menembus baut. Bagian (e) menggunakan pena pasak, tetapijuga melalui alur pada murnya. Bagian (f) adalah salah
61
Elemen-Elenren Mesin dalam Perqncangan lr,[efurnis
satu dari beberapa jenis yang menggunakan teknik defonrasi ulir. Bagian (g) adalah rrrur penahan elastik. rnenggrrnakan plastik yang diselipkan untuk menjaga ulir rrur dalanr kontak yang erat/kencang den-slan baut. Ivlur ini dapat digunakan dengan baik pada sekrup mesin. Pada bagian (h), mur penahatr elastik yang dikeling dengan pelat tipis. nremungkinkan bagian yang disarnbung dibaut dari sisi sebaliknya. Elenren loganr tipis pada bagian (i) rrerrekan nrelarr an nrur bagian atas dan mencekarn uliq rnencegah gerakan aksial tnur. Baut tap seperti baut stasioner yang dipasang secara pernranen pada salah satu bagian yarru akan disanrbung. Bagiarr yang akan disambung kemudian diternpatkan di afas bauf tap, dan rnur dikencangkan urrtuk nren-iepit bagiarr yang d i sarn bung bersatna-sama. Variasi tambahan terjadi bila jenis-jenis pengikat ini dikornbinasikan dengan rnodel kepala yarrs berbeda. Beberapa di antaranya ditunjukkan dalam garlbar yang baru saja dibahas. Yang lairt adalah sebagai belikut:
High crown
Hex Hex flat Low crown
Pan
Truss
Plow Hex socket
Cross recess Spline socket
Square
Hex castle
Heavy hex Hex slotted Round Hex waslrer
Fillister Buttort
Hex.ianr
l2-point T-head
Flat countersunk Oval countelsunk Ilincling
Kornbinasi tarnbahan diciptakan dengan peftinrbangan American National Standard atau British Standard (nretrik); kelas bahan; penyelesaian akhir; ukuran ulir; panjang; kelas toleransi; cara peurbentukan kepala (peruesinan, pernotongan dengan cetakan, pengetapan, penggilasan, dan pencetakan plastik). iadi, Anda dapat melihat bahwa perlakukan rnenyeluruh pengikat berulir rnerrcakup banyak data. Lihat referensi dan situs irrternet yang dicanturnkan pada akhir bab.
1B.B CARA LAIN PENGIKATAN DAN PENYAMBUNCAN Hingga kini. bab ini difokuskan pada sekrup dan baut karena pernakaiannya yang luas. Jenis lain cara pengikatan akart dibahas sekarang. Keling adalah pengikat tidak berulir, biasanya terbuat dari baia atau alurniniurtt. Mereka aslinya dibuat dengan satu kepala, dan ujung sebaliknya dibentuk setelah paku kelirrg diselipkan rnelalui lubang pada bagian yang akan disanrbung. Paku keling baja dibentuk dalam keadaan panas, sedangkan alurniniunt dapat dibentLrk pada suhu nrangan. Tentu sa.ia sanrbungan keling tidak dirancang untuk dirakit lebih dari satu kali. (Lihat Situs Internet 3, 4, dan I l.) Banyak macam pengikat operasi cepul (quick-operating./ir.steners) tersedia. Kebanyakan adalah .jenis seperelnpat putaran (cluarter-turn), hanya rnemerlukan putaran 90o untuk nrenyarnbung atau nrelepas pengikat. Panel akses, lubang, tutup, dan siku untuk peralatan yang dapat dibuka dipasang dengan pengikat tersebut. Dernikian pula, barryak.jenis koncing tersedia untuk memberikan aksi yang cepat barangkali dengan nrenarnbahkan tenaga pen.)egangan. (Lihat Situs Internet 3 dan 4.) Pengelasan termasuk penyatuan metalurgis logarn, biasanya nrenggunakan panas dengan bLrsLrr listrik, pembakalan gas, atau pemanasan tahanan elektris di bawah tekanan yang berat. Pengelasan dibahas pada Bab 20. Pematrian dan penyolderd,? lrenggunakan panas untuk tnertcairkan bahan perekat yang ntengalir ke dalam ruangan antara bagian yang disarnbung, menyatukan kedua bagian dan kentudian dingin rnentbeku. Pcmulriun rnenggunakan suhu yang relatif tinggi, di atas 840'F (450"C), nrenggunakan paduan ternbaga, perak. aluminiuur, silikon, atau seng. Tentu saja logam yang disarnbung harus rnenrpunyai sulru cair yang secara signifikan lebih tinggi. Logam yang dapat dilakukan pematrian meliputi baja karbon biasa dan baja paduan, baja tahan karat, paduan nikel, tentbaga, aluuriniunr, dan rnagnesium. Penyolderan ntirip dengan pernatrian, kecuali dilakukan pada suhu yang Iebih rendah, kurang dari 840olr (450'C). Beberapa paduan solder yang digunakan adalali tinrbal-tinrah, tinrah-seng, tirnah-perak, tirnbal-perak, sengkadrniurn, seng-alunrinium, dan lainnya. Sarnbungan penrafrian unrunurya lebih kuat daripada sanrbungan penyolderarr karena kekuatan paduan patri lebih tinggi. Kebanyakan san.rbungan solder dibuat dengan sarnbungan tekukan tunrpang tindih untuk memberikan kekuatan mekanis, dan kemudiatr digunakan solder nrengikat rakitan dan memberikan kerapatan. Sambungan-sambungan pada pipa dan tabung sering kali disolder. Adhesif digunakan secara luas. Keanekaraganran dan kernudalran aplikasinya adalah keunggulan dari adhesif yarrg digunakan dalarn sederetan produk mainan anak-anak dan peralatan runrah tangga sanrpai otomotif dan struktur ruang angkasa. (Lihat Situs Intemet 3.) Jenis-jenisnya antara lain rneliputi:
65 Acrylics: Digunakan untuk banyak logarn dan plastik. Cyonoacrylures.' sangat cepat mencair; mengalir dengan nrudalr antara pennukaan yang disarnbung.
Epo-ries: Kekuatan struktur baik; sambungan biasanya kaku. Beberapa kebutulran fbrmulasi dua-bagian. TerseJia banyak macam fonnulasi dan properti.
Anaerobics: Digunakan untuk pengatnan urur dan baut dan sarnbungan lain dengan kelonggaran kecil; ntencair dalam ketiadaan oksigen.
Silicones: Adhesiffleksibel dengan unjuk kerja yang baik pada suhu tinggi (400.F,200.C). Polysler hot ntelt: Adhesif struktur yang baik; mudah diterapkan dengan peralatan khusus. Polyurethane.' Adhesif yang baik; urernberikan sanrbungan yang
fl
eksibel.
REFERENSI l.
Arnerican Institute of Steel Construction. Allowable Stress Design Specification .fbr Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolls. Chicago: American
Institute of Steel Construction, 200
2.
American Society
for
I
Testirrg
9,
.
and
Materials. Fasleners, Volume 8. Philadelphia: Anterican Society for Testing and Materials, 200 l. Bickford, John H. An Introduction to the Design oncl Behavior of Bolted Joints. 3rd ed. New york: Marcel Dekker, 1995. Bickford, John H. (ed.), and Sayed Nassar (ecl.).
3. 4.
Handbook of Bolts and Bolted Joirls. New york:
5. 6. 7.
Marcel Dekker, 1998. Bickford, John H. (ed.). Gaskets and Gosketed Joinls. New York: Marcel Dekker, 1997. Industrial Fasteners Institute. Fastener Stcrnclarcls. 6Llt ed. Cleveland: Industrial Fasteners Institute, 1998.
l0
il.
Kulak, C. L., J. W. Fisher, arrd J. H. A. Struik. Grrlrlc lo Design Criterio.fbr Bolted ancl Rivetccl Joints.2d ed. New York: Jolrn Wiley & Sons, 1987. Oberg, E., F. D. Jones, and H. L. Horlon. Machinery,'.s Honclbook. 26th ed. New York: Industrial Press. 2000. Parnrley, Robert O.,Standord Handbook of' Fastenittg and Joining.3rd ed. New York: McGraw-Hill, 1991 .
Society
of Automotive
Engineers. SAE Fustenet.
Slandards Manrrol. Warrendale, 12.
PA: Society of
Autonrotive Engineers, 1999. Society of Automotive Engineers. SAE Slandard .1129; Mcchtrnical und Materiql Recluircnents .fbr
Exlernally Tlu'eoded Fastcners, SAE Handbook. Warrendale, PA; Society of Autotlotive Engineers,
2001. t3.
Industrial Fasteners Institute. Metric Fas/aner Standards. 3rd ed. Cleveland: Industrial Fasteners
Hoelsclrer, R. P., et al. Graphic.s fbr Enginecr.r. New York:John Wiley & Sons, 1968.
Institute, 1999.
SIIAS NfERilEf UN1UK PERANCANhAN fr\EKANIS SECARA Ul0tttvl l.
ndustrial Fasteners I nstitute (l Fl ) wwtt,. in dus t r i u I .fasleners.org Asosiasi pabrikan dan pemasok baut, I
4.
mur, sekrup, keling, kornponen yang dibentuk khusus
dan bahan dan peralatan untuk meutbuatnya. IFI membuat standar, mengelola riset, dan ntengadakan
program pendidikan yang berhubungan
)
Research Council
on Structural
6.
Inc.
tr,'lr,vv. h u), cl o n b o I I s. c o
t t
t
Plodusen baut, mur, dan sejuntlah.jenis pengikat yan_u lain untuk industri konstruksi. Nucor Fastener Division y,w'u,.ttucot'fuslencr.cont
www.boltcouncil.org Organisasi yang
Pabrikan sekrup tanarn kepala segienarn dalanr kelas
merangsang dan mendukung riset tentang sambungan
SAE, ASTM, dan metrik, ntur segienam, dan baut
struktuq persiapan dan publikasi standar,
Accurate Fasteners,
lnc.
7. ttt.tu.u,.ac|fast.conr
Pernasok baut, sekrup tanam, rruq keling, se.jumlalr jenis pengikat yang lain untuk penggunaan urnunt di
industri.
struktur. mur dan cincin.
dan
mengadakan prograrn pendid ikan. 3.
industri.
dengan
Connections
tltt'tv..fuslenet'group.cont Pernasok baut, sekrup tanant, nruq keling, se.julnlalr -jenis pengikat yang lain untuk penggunaan untun.r di
5. Haydon Bolts,
pengikat industri.
(RCSC)
The Fastener Group
Nylok Fastener Corporation
y,utr.n.tlok.c'onr
Pabrikan pengikat yang dapat nrengunci sendiri. Nylok*', untuk otomotif, ruang angkasa. pefianiiln. industri, perabotan/mebel, dan banyak aplikasi larrr lain.
66 8.
9.
10.
Elemen-Elenten Mesin dalam Perqncangan ll(ekanis
Company
y,lvyt.phillips-.tcrar. con Pengembang obeng Phillips. Pabrikan yang berhubungan dengan pengikat untuk ruang angkasa, otornotif, konstruksi, dan pasar industri. SPSTechnologies, Inc. v,ww.spslech.corn/unbrako Pabrikan pengikat teknik di bawah merek Unbrako'o, Flexloc@, dan Durloko, termasuk sekrup tanarn kepala berselubung, mur pengunci, dan nrur tahan getaran dan baut untuk aplikasi mesin industri, otomotil, dart ruang angkasa. Situs memasukkan katalog dan data teknik.
Phillips Screw
I
l. Textron Fastening
S1'stems
lextronfasleningsyslen.s.com Pabrikan berbagai variasi pengikat berurl ir untuk otonroti fl ruang angkasa, komersial, elektronik, dan industri konstruksi di barvah merek Canrcar'', Elco'. Fabco'u'. Avdel'*'.
dan Cherryo'. Situs memasukkan deskripsi produk, katalog, dan data teknis.
12. Sensor Products,
Inc.
\':l.'tt'.,tensorprod.cont
Pengenrbang perangkat lunak BoItFAST'-' untuk analisis kegagalan sambungan baut dan perrgujian
lnr')r,. St. Louis Screrv & Bolt Company stlouisscrewbolt.com Pabrikan baut, nrur, dan
kekuatan. Meliputi program analisis sanrbungan, analisis ulir, dan analisis torsi pengencangan. Pabrik ini juga rnenrberikan konsultasi pada perancangan
cincin standarASTM untuk industri konstruksi.
dan analisis sartrbungan baut.
sOAL.sOAL l. 2. 3. 4.
Uraikan perbedaan antara sekrup dan baut. Definisikan istilah kekuatan asli Qtroof'strength). Definisikan istilah beban jepit(clamping loacf. Spesifikasikan sekrup mesin yang cocok untuk
dipasang dalarn pola ernpat, ruang yang sanra sekeliling flens, jika gaya jepit antara flens dan struktur pasangannya adalah 6000 lb. Kemudian rekomendasikan berapa torsi pengencangan yang
5.
cocok untuk setiap sekrup. Berapakah gaya tarik dalanr sekrup rnesin yang
mempunyai ulir 8-32 jika terbuat dari baja SAE Peringkat 5 dan diberi tegangan sarrrpai kekuatan aslinya?
6.
Berapakah gaya asli tarik dalam newton
7.
sekrup mesin yang mempunyai diameter mayor 4 mm dengan ulir halus standarjika terbuat dari baja yang mempunyai perirrgkat kekuatan nretriks 8,6? Ukuran ulir sekrup metrik standar berapakah yang
(N)
ll.
pada
paling dekat dengan ulir Amerika '/a-14? Seberapa
12.
Diterrrukan sebuah sekrup mesin tanpa informasi mengenai ukurannya. Data berikut diperoleh dengan jangka sorong mikrometer standar: Diarneter rnayor 0,196 in; panjang aksial untuk 20 ulir penuh adalalr 0,630 in. Buatlah identifikasi ulir itu.
9.
10.
Pengikat berulir terbuat dari nylon 6/6 dengan ulir Ml0 x 1,5. Hitunglah gaya tarik rnaksirnunr yang diizinkan jika tegangannya 75oh dari kekuatan tarik nylon 66 kering. Lihat Larnpiran I3. Hitunglah gaya tarik yang dapat dibawa oleh sekrup t/o-20 jika tegangannya 50oh dari kekuatan tariknya dan jika masing-masing terbuat dari bahan berikut:
Uraikan perbedaan antara pengelasan, perrratrian, dan penyolderan. Logam jenis apa yang biasa disarnbung dengan cara pernatrian? Paduan apa yang biasa untuk pernatrian? Bahan apa biasa digunakan untuk solder?
13. 14. 15. Sebutkan lima adhesif yang
besar perbedaan diameter mayornya?
8.
(a) Baja, SAE Kelas 2 (b) Baja, SAE Kelas 5 (c) Baja. SAE Kelas 8 (d) Baia, ASTM Kelas 4307 (e) Baja, ASTM Kelas A574 (0 Baja, metric Kelas 8.8 (g) Aluminiurn 2024-T4 (h) AISI 430 teranil (i) Ti-64I-4V teranil U) Nylon 66 kering (k) Polycarbonate (l) High-irnpact ABS
16.
biasa digunakan, dan beri kan s i fat masing-mas ing adhes if tersebut. Pada label wadah adhesif tertulis cyanoacrylate. Sifat apa yang Anda harapkan?
17.
Temukan tiga adhesif yang tersedia secara komersial
driri rumah Anda, laboratoriurn, toko mesin, atau ternpat kerja Anda. Coba identifikasi korrdisi generiknya dan bandingkan dengan tabel yang disajikan dalanr bab ini.
t$ Pegas
Pegas Lingkup Pembahasan Pegas adalah sebuah elenren fleksibel yang digunakan untuk menghasilkan gaya atall sama untuk menyimpan energi.
pada saat yang
Tugas Persiapan Carilah di sekitar Anda dqn lihallah apakah Anda dapat nenemttkqn sqtu pegas altru lebih. .Jelaskan benluk dasar pegas-pegas itu,jenis gdya olau torsiyangdihasilkan, cora penggunaannye, dan ciri-ciri lainnya. Bahaslah hasil pengamalon Anda clengctn rekan Anda dan pelojarilah hasil pengomotan mercko.
htlis laporan singkat mengenai sedikitnya dua.jenis peg,cts ))ong berbada. Ma.sukkon skelsa yong menunjukkan bentuk dasar, ukuran, tlan tampilannya. Jelaskan./irngsi-fungsinya, termosuk bagaimana caru kerjanyn tlan bagaimana pengaruhnya pada peralatan yqng menggttnokon pegos tcrsebut.
llab ini akan nrcmbantu Ancla mcnrpcrolclr kctcrarnpilan dalam analisis
dan
pcrancangan pcgas ulir tckan. pcgas ulir larik, dan pcgas puntir.
Pegas adalah sebuah elernen fleksibel yarrg digunakan untuk rnenghasilkan gaya atau torsi dan pada saat yang santa nrenyirnpan energi. Caya itu dapat lurus tarik atau tekan, atau radial yang beraksi serupa dengan gelang karet di sekeliling gulungan gambar. Torsi digunakarr untuk menghasilkan putaran, sernisal untuk menutup pintu lerrari atau menrbuat gaya penyeirnbang untuk suatu elemen mesin yang berputar pada engselnya. Pegas yang mengalami defleksi akan rnenyimpan errergi dan akan rnelepas energi itu bita gaya yang menyebabkan defleksi dihifangkan. Perhatikan mainan anak-anak yang dinarnakan Jack-in-lhe-Box. Bila Anda tekan Jack ke dalanr kotak, Anda memberikan gaya pada pegas dan menrindahkan energi padanya. Kemudian bila Anda rnenutup tutup k0tak, pegas itu terjepit dan berada dalam keadaan tertekan. Apa yang terjadi ketika Anda nrelepas grendel pada tutup kotak? Jack melompat keluar dari kotak! Lebih tepatnya: gaya pegas menyebabkan Jack mendorong tutup kotak terbuka, dan kemudian eneryi yang tersirrrpan dalarn pegas terlepas, menyebabkan pegas kernbali menranjang ke keadaan sernula, yaitu panjang saat tidak terbebani. Beberapa peralatan menggunakan pegas dayaQtower springatav nolor sprirgs) yang dalanr kondisi tergulung rapat, dan kemudian mernindahkan energinya dengan langkah terukur untuk rnemberikan aksi dalam waktu yang lama. Contohnya mainan anak-anak yang dianirnasi nrekanis, rnainan mobil balap, beberapa arloji, pengukur waktu, dan jam.
67
68
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis
Carilah di sekitarAnda dan lihatlah apakah Anda dapat ntenenrukan satu pegas atau lebih. Atau barangkali pikirkan
di rnana baru-baru ini Anda rnertjurnpai suatu peralatan yang trienggunakan pegas. Perhatikan aneka alat runrah tangga, mobil, truk, sepeda, alat perkantoran, kunci pintu, mainan, rnesin-rnesin produksi, atau beberapa peralatan lain yang rrrernpunyai bagian-bagian yang bergerak. Jelaskan pegas-pegas itu. Apakah menghasilkan gaya tarik atau tekan? Atau apakah mengliasilkan torsi yang cenderung menyebabkan putaran? Dibuat dari bahan apa pegas tersebut? Seberapa besarnya? Apakah gaya atau torsinya sangat besaq atau cukup ringan bagi Anda untuk menggerakkan pegas itu dengan mudah? Bagaimana pegas itu dipasang pada suatu peralatan yang menggunakan pegas? Apakah pegas nlengalami pernbebanan sepanjarrg rvaktu? Atau, apakah dalarrr siklus waktu operasinya, pegas suatu saat bebas dari penrbebanan? Apakah pegas dirancang untuk sering digerakkan sehingga mengalami siklus pernbebanan (dan tegangarr) )'ang sangat besar selarna umur pakai yang diharapkan? Seperti apa lingkungan kerja tempat pegas dioperasikan? Panas atau dingirr? Basah atau kering? Apakah berada dalanr lingkungan korosifl Bagaimana lingkungan rremengaruhijenis bahan yang digunakan urttuk pegas atau jenis pelapisan pada pegas? Bahaslah hasil pengamatan Anda dengan rekan lain dalam kelompok Anda dan dengan instrukturAnda. Dengarkan hasil pengamatan mereka dan bandingkan dengan contoh pegas Anda. Arrbillah setidaknya dua pegas yang sangat berbeda satu dengan lainnya dan siapkan laporan singkatnya, ternrasuk sketsa yang nrenunjukkan bentuk dasar, ukuran, dan tampilannya. Jelaskan fungsi-fungsinya, terrnasuk bagaimana cara kerjanya dan bagaimarra pengaruhnya pada peralatan yang menggunakan pegas tersebut. Rujuk paragraf sebelurrrrya untuk beberapa faktor yang dapat Arrda jelaskan. Pada dallar tersebut, sertakan penjelasan singkat tentang masing-nrasing jenis pegas yang ditemukan rekan Anda. Bab ini akan rnenyajikan informasi dasar rnengenai berbagai jenis pegas. Prosedur perancangan akan dibuat untuk pegas ulir tekan, pegas ulir tarik, dan pegas puntir. Kita akan menrpertinrbangkan beban dan tegangan, karakteristik defleksi. penrilihan bahan, harapan ulnur pakai, penarnbatan dan instalasi.
Fry Anda sebagai Perancang Satu rancangan untuk sebuah susunan sistem katup mesin otomotif ditunjukkan pada Gambar 19.
1
.
Saat nok (cam) berputar,
batang tekan bergerak ke atas. Kemudian lengan ayun berputar menekan gagang katup ke bawah sehingga menyebabkan katup terbuka. Bersamaan dengan itu, pegas yang mengelilingigagang katup tertekan dan energi tersimpan, Selama nok terus berputar, pegas akan menyebabkan gerakan dari susunan sistem ini kembali ke posisi semula. Gerakan ke atas dan aksiduduk katup dibantu oleh pegas yang memberikan gaya menutup katup di akhir siklus.
Anda sebagai perancang pegas untuk susunan sistem
ukurannya, termasuk panjang, diameter luar, diameter dalam, diameter kawat lilitannya? Berapa jumlah lilitan yang akan digunakan? Seperti apa ujung pegasnya? Berapa besar gaya yang dihasilkan pada katup dan bagaimana gaya ini berubah selama susunan sistem katup bergerak sampai siklus selesai? Bahan apa yang akan digunakan? Seberapa tingkat tegangan yang terjadi pada kawat dan bagaimana pegas dapat dirancang
agar aman di bawah pembebanan, umur, kondisi lingkungan tempat pegas harus beroperasi? Anda harus menentukan atau menghitung semua faktor tersebut untuk menjamin perancangan pegas yang sukses.
katup ini. Apa jenis katup yang akan Anda tetapkan? Berapa OAIYIBAR
l9.l
ryI-
Susunan sistem katup motor bakar yang menunjukkan penggunaan pegas ulir tekan
c\--**lJ Batang tekan
Pengangkat
(a) Katup tertutup: panjang pegas,
Ll
(b) Katup terbuka: panjang pegas, L2
lD. --
69
19.1 TUJUAN BAB tNt Setelah mempelajari bab ini, Anda diharapkan mampu:
l.
Mengidentifikasi dan menjelaskan berbagai jenis pegas, terrnasuk pegas ulir tekan, pegas ulir tarik, pegas puntir. pegas piring, pegas rata, pegas rajutan tarik, pegas kuntparan cincin, pegas gaya konstan, dan pegas daya.
2.
Merancang dan menganalisis pegas-pegas ulir tekan untuk rrrernenuhi kebutuhan perancangan, sentisal gaya atau karakteristik defleksi, umuq ukuran fisik, dan kondisi lingkungan kerja. Menghitung dimensi berbagai fitur geometri pegas ulir tekan. Menentukan bahan yang cocok untuk pegas berdasarkan parameter kekuatan, umur, dan defleksi. Merancang dan menganalisis pegas ulir tarik.
3. 4. 5. 6. 7.
Merancang dan menganalisis pegas puntir. Menggunakan program komputer untuk membantu perancangan dan analisis pegas.
19.2
JEN IS:JEN|S PEGAS
Pegas dapat dikelornpokkan sesuai dengan arah dan sifat gaya yang dihasilkan ketika pegas mengalami defleksi. Tabel f
9.
I
mendaftar beberapa kelompok pegas seperti tekan, tarik, radial, dan puntir. Cambar 19.2 rnenunjukkan beberapa
jenis rancangan pegas. Pegas ulir lekan utnurrnya terbuat dari kawat bundar, dililitkan lurus, berbentuk silindris dengan jarak bagi konstan antara lilitan satu dengan lilitan berikutnya. Kawat persegi atau segiempat juga dapat digunakan. Empat konfigurasi ujung pegas ditunjukkan pada Carnbar I 9.3. Panjang pegas tanpa beban disebut panlang bebas. Bila clikenai gaya tekan, lilitan-lilitan pegas tertekan semakin dekat sarnpai sernua bersinggungan, dan pada saat itu panjang pegas mininrurn dan disebut paniang solid. Peningkatan besarnya gaya secara linier diperlukan untuk dapat menekan pegas ketika defleksinya bertambah. Di antara berbagai jenis, pegas ulir tekan silindris merupakan jenis yang paling banyak digunakan. pada cambar 19.2 juga ditunjukkan jenis kerucut, tong, jarn pasir, dan jarak bagi bervariasi. Pegas ulir tarikkelihatan mirip dengan pegas ulir tekan, rnernpunyai lilitan-lilitan berbentuk silindris. Tetapi pada pegas tekan, jarak antarlilitan lebih dekat atau bersinggungan ketika pegas tidak terbebani. Kernudian selama gaya tarik dikenakan, lilitan-lilitan itu meregang. Gambar 19.4 nrenunjLrkkan beberapa konfigurasi ujung dari pegas tekan.
TABEL
19.1
Penggunaan Tekan
Jenis-jenis pegas Jenis-jenis pegas Pegas ulir tekan Pegas piring Pegas puntir: gaya beraksi pada ujung lengan puntir Pegas rata, semisal kantilever atau pegas daun
Tarik
Pegas ulir tarik Pegas puntir: gaya beraksi pada ujung lengan puntir Pegas rata, semisal kantilever atau pegas daun Pegas rajutan (aplikasi khusus pegas tekan) Pegas gaya konstan
Radial Torsi
Pegas kurnparan cincin, pita elastomerik, pegas Pegas puntir, pegas daya
jepit
Pegas raitrlan (drawbar sprirg) menggabungkan pegas ulir tekan standar dengan dua kawat yang dikaitkan di dalanr
lilitan pegas. Dengan rancangan seperti itu, gaya tarik dapat dihasilkan dengan cara menarik kawat pengait setnentara pegas dalam keadaan tertekan. Hal inijuga memberikan batas terlentu selanra pegas tertekan hingga panjang solidnya. Pegas punlir (torsion spring), sesuai dengan namanya, digunakan untuk menghasilkan torsi selarna pegas terdefleksi leh putaran pada sumbunya. Pada umum nya pegas jepitan baju nrenggunakan pegas puntir u ntuk menghasilkan penjep itan. Pegas-pegas puntirjuga digunakan untuk rnemutar pintu pada posisi terbuka atau tertutup, atau untuk pengimbane tutup
o
suatu wadah. Beberapa pengatur waktu dan pengendali lainrrya menggunakan pegas puntir untuk rnenggerakkan saklar
70
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangqn Mekanis
atau tekan penghubung atau menghasilkan gerakan serupa. Pegas puntir dapat rnenghasilkan gaya tarik pegas puntir diikatkan pada bagian yang akan digerakkan'
GAIIBAR
I9.2
Berbagaijenis Pegas
I
*
* I
w
J
I
T
w w
I
t
t
Dengan larak bagi konstan
Benluk kerucut
Bentuk tong
& 44 944 w
Y
I
I
I
* €
ffi 7# &. ffi, &
*ffi
ffi. ffi
ffi ffi
{
*
*F1
ujung
satLr
*
W)
JC,*tu
jika
I
t
I
Bentuk.iam pasir
Dengan jarak bagi bervariasi
(a) Variasi bentuk pegas ulir tekan
---> (c) Pegas rajutan
(b) Pegas ulir tarik
(e) Pegas piring
(g) Pegas gaya konstan
,ffi (d) Pegas ulir puntir
(f) Pegas kumparan cinctn
(h) Motor pegas gaya konstan
l; a.;,
(a) Pegas ulir kanan dengan ujung bebas
(b) Pegas ulir kiri dengan ujung disiku dan digerinda
(c) Pegas ulir kanan dengan ujung disiku tidak digerinda
GAMBAR
19.4
-I
GAIIBAR I9.3 Tampilan pegas ulir tekan dengan perlakuan pada ujungnya
(d) Pegas ulir kiri dengan ujung bebas digerinda
Konfigurasi ujung pegas tarik
Jenis
(ait terpuntir (ait rnelintang di engah
(ait menyamping
Konfigurasi ujung
@@ -m@ ffi@ @@ @@ $/@
(ait memanjang
Jjung-ujung khusus
A?,Al1? @& @# v**7+a
Pegas dattn (leafspring) terbuat dari bilah-bilah datar kuningan, perunggu, atau ba.ia atau bahan lain yang dibebani sebagai batang kantilever atau balok sederhana. Pegas tersebut dapat rnemberikan gaya tarik atau tekan selama terdefleksi dari kondisi bebasnya. Pegas daun dengan ruang gerak yang sempit dapat menghasilkan gaya yang besar. Dengan menumpuk dan mengikat daun-daun pegas yang berbeda ukurannya, seorang perancang dapat memperoleh karakteristik gaya dan defleksi yang khusus. Perancangan pegas daun nrenggunakan prinsip analisis tegangan dan defleksi, sebagainrana disajikan pada pelajaran ilmu kekuatan bahan dan seperti yang clibahas pada Bab 3. Pegas piring(Belleville sprirg) mempunyai bentuk cekungan dangkal atau cakram konis derrgan lubang di tengahnl a. Kadang-kadang disebut cincin Belleville karena kelihatan r.nerryerupai cincin rata. Pegas piring dapat nrenglrasilkan gaya pegas yang sangat besar dalarn ruang aksial yang sernpit. Dengan rnengubah-ubah tinggi dan ketebalan piring. seorang perancang dapat menrperoleh karakteristik gaya dan defleksi yang bervariasi. Menumpuk beberapa pegas saling berhadapan atau saling membelakangi juga dapat menghasilkan banyak tingkatan kernampuan pegas.
Pegas kumparan cincin (garter spring) adalah lilitan kawat yang dibentuk menjadi sebuah cincin sehing_ga menghasilkan gaya radial di sekeliling objek di mana pegas ini digunakan. Dengan rancangan yang berbeda dapat diperoleh gayayangmengarah ke dalam atau ke luar. Bekerjanya pegas kurrparan cincin dengan gaya yang mengarah ke dalam adalah serupa dengan karet ban, dan aksi pegas ini nrenyerupai pegas tarik. Pegas gaya kctnstan (constant-force spring) berbentuk gulungan bilah pelat. Gaya yang diperlukan untuk menarik pelat keluar dari gulungan memang konstan sepanjang tarikannya. Besarnya gaya tarik tersebut bergantung pada Iebar. ketebalan, radius lengkungan gulungan, dan modulus elastisitas bahan pegas. Pada dasarnyagaya ini berkaiian dengan deformasi bilah pelat, dari bentuk lengkung awarnya rnen jadi bentuk lurus. Pegas daya Qtower spring), kadang disebut pegas motor atau pegas.jam, terbuat dari baja pegas rata. digulun: menjadi bentuk spiral. Torsi dihasilkan oleh pegas rrengingat pegas cenderung terbuka dari gulungannya. Garnbar l9.l menunjukkan pegas motor yang terbuat dari pegas gaya konstan.
72
Elentcn-Elenten lllesin dalam Perancangan lv'tekanis
Batang puntir (torsion tlar), sesuai namanya, merupakan batang yang dibebani puntiran. Bila batang yang digunakan bulat. analisis tegangan puntir dan defleksi mirip dengan analisis r"rntuk poros bulat pada Bab 3 dan 12. Bentuk penampang lintang I ang lain dapat digunakan, dan perlu perhatian khusus pada titik sar.rlbungannya.
19.3 PEGAS ULIR TEKAN Pada bentuk paling umum pegas ulir tekan, kalvat bulat dililitkan menjadi bentuk silindris denganjarak bagi antarlilitan r ang konstan. Bentuk dasar ini dilengkapi dengan berbagai perlakuan pada ujungnya, seperti ditunjukkan pada Canrbar 1
9.i.
Untuk ukuran pegas sedang sampai besar yang digunakan dalarn pemesinan, ujung disiku dan digerinda memberikan pernrukaan yang rata untuk dudukan pegas. Lilitan ujung (terakhir) ditekuk rnerapat dengan lilitan sebelahnya, dan pennukaannya digerinda sehingga lilitan terakhir yang bersirrggungan dengan permukaan dudukan paling tidak mencapai ll0'. Pegas yang terbuat dari kawat yang lebih kecil (kurang dari 0,020 in, atau 0,50 mm) biasanya hanya disiku, tanpa digerinda. Pada kasus-kasus yang tidak biasa, ujung-ujungny'a digerinda tanpa disiku, atau mungkin dibiarkan dengan u.iung bebas dengan tujuan untuk rnenrudahkan pernotongan setelah pembentukan lilitan. Anda rnungkin terbiasa dengan banyaknya penggunaan pegas ulir tekan. Pena balpoin dapat keluar-masuk karena pegas ada ulir tekannya, biasanya dipasang di sekeliling tabung tintanya. Sistern suspensi pada nrobil, truk, dan sepeda nrotor sering menggunakan gabungan pegas-pegas ini. Penggunaan lain pada otomotif meliputi pegas katup pada mesin, pengimbang pada engsel kap rnobil, dan pegas pada kopling plat. Pada proses nranufaktur, pegas digunakan pada cetakan untuk menggerakkan bagian striper; pada katup pengontrol hidrolik; pada silinder pneumatik untuk gerakan balik piston; dan pada penrasangan alat berat untuk lneredam kejutan. Banyak peralatan kecil seperti saklar listrik dan katup satu arah rnenggunakan pegas ulir tekan. Kursi memiliki pegas untuk ntengembalikan posisi ketinggian tempat duduknya. Dan jangan lupa "pogo stick" (sejenis alat bermain berbentuk tongkat yang ada pegasnya). Paragraf berikut menetapkan variabel-variabel yang digunakan untuk menjelaskan dan rnenganalisis unjLrk ker.ia pegas ulir tekan.
Diameter Gambar 19.5 menunjukkan notasi yang digunakan dalam kaitannya dengan karakteristik diameter pegas ulir tekan. Dianreter luar (DO), diameter dalan (l D), dan diameter kawat (D, ) adalah besaran-besaran yang nyata dan dapat diukLrr dengan alat-alat ukur standar. Dalarn perhitungan tegangan dan defleksi pegas, kita menggunakan diarneter rata-rata, D,,,. Perhatikan bahwa DiomelerPegos
iltI
+ OAMBAR
OD:D +D
ID:D D'I
I9.5
Notasi untuk diameter
D
t)
a
TABEL 19.2 Gage dan diameter kawat untuk pegas
No.
Gage Kawat Baja Amerika
Gage
(in)"
7t0
0,4900
6t0 5t0 4t0 3t0 2t0
0,46r 5 0,4305 0,3938
0
0,3065 0,2830 0,2625 0,2437
I
2 J
Gage Kawat
Musik
0,3625 0,33 r0
(ir)'
Gage
)iameter rretrik yang
Brown & Sharpe
disukai
(ir)'
(mm)'t r3,0
0.004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009
0,5800
12.0
0.5165
I 1,0
0,4600 0.4096
10,0
0.3648
8,5
0,3249
It,0
0,0 r0
0.2893
7"0
0,01 I 0,012 0,013
0.2576 0,2294 0.2043
65
9,0
6.0
55
5
0.2253 0,2070
0,0 r4
0,
6
0, I 920
0,01 6
0. I 620
4.tt
7
0,t770
4.5
0,1620
0. t2tt5
9
0, I 483
4.0 3,ti
l0
0, I 350 0, I 205
0,018 0,020 0,022 0,024 0,026
0, I 443
8
t2 l3 t4 l5 t6 t7
0, r 055
0,029
0,091 5
0,031
0,0800
0.033
0,0720
0.03 5
0,0625
0,03 7
0,0540
0,039
l8
0,041
2t
0,0475 0,04 t0 0,0348 0,03 r7
22
4
ll
l9
lti l9
50
0. I r44
t0l9
15
0.0907 0.0ti08 0,0720
3"0
0,
0.0641 0.057 t 0,0508 0.0453 0,0403
0,0359 0,0320
0,0286
0.043 0,045 0,047 0,049
23
0,0258
0.051
0.0226
24 26
0,0 r8
27 28 29 30
0,01 73
0,0162 0,0 r50
3r
0,0132
32 JJ 34
0,0 128
0,055 0,059 0,063 0.067 0.07 r 0,075 0,080 0.0tt5 0,090 0,095 0,1 00 0.1 06
0,0201
25
0,0230 0,0204
20
35
36
3t 38 39 40
r
0,0 140
0,01
t8
0,0104 0,0095 0,0090 0,0085 0,0080 0,0075
0.0070
0,1
l2
0,1 18
0.t24 0,1 30 0.1 38
0.0285 0.0253
0.0 r79 0,0 t59 0,0 r42 0,0126 0,01
l3
2.8 2.5
)o l,tt 1.6 1.4
t.2 1,0
0.90 0.u0 0.70 0,65 0,60 atau 0.55 0.50 atau 0,55 0,45 0.45 0,40 0.40
0.0100
0,3 5
0.00893 0.00795
0.30 atau 0.35
0,0070r1
0,3 0
0,00630 0.0050 I 0.00500 0,00445 0,00396 0,00353 0.003 l4
0,2[i
0.3 5
o r5 i)) h)) 0.20 0,20 0.18
Suntber: Associated Spring, Barnes Group, Inc. Engineering Guide to Spring Design. Bristol, CT, 1987. Carlson. Harold. .Spliiig Designerb Handbook. Nerv York: Marcel Dekket l97ti. Obeg. 0.. ct al. ll,lochinerlt's llunclbook.26'r'cd. Nerv York: Incil"rstrial Pre.s. 2000.
n"Cage Karvat Baja Amerika digunakan untuk karvat ba.ia. kecuali karvat nrusik. Gage ini .iuga clisebut LlLrshburn ancl ,lloert C,i;:. (WAl0, Anterican Steel ll/ire Co. Gage, dan Roebling Llire Gctge. b"Cage Kawat Musik hanya digunakan untuk karv:rt nrusik (ASTM A22tt). ""Brown & Sharpe Cage digunakan untuk kawat-kawat nonbesi serrisal kuningan clan perunggu firslirr. dUkuran metrik yang disukai adalah dari Associated Spring, Barnes Croup, lnc., clan cliclallarkan sebagai ukuran metrik lang pl.;::rnendekati Gage Kawat Ba.ia Anrerika. Angka gage ticlak berlaku.
71
Elemen-Elemen Mesin dalarn Perancangan Mekqnis
Diameter Kawat Standar. Spesifikasi diameter kawat yang diperlukan adalah salah satu hal r anr paling penting dalam perancangan pegas. Ada beberapajenis bahan yang biasa digunakan untuk kawat pegas, dan karvat dibuat dalant ukuran standar yang mencakup interval yang luas. Tabel 19.2 mendaftar gage kawat standar yane paling Lunun.l. Perhatikarr bahwa kecuali untuk kawat musik, semakin kecil ukuran kawatnya, semakin besar nomor goge-n>a.
Panjang Adalah penting untuk memahami hubungan antara panjang pegas dan gaya yang dihasilkannya (lihat Carnbar 19.6). Paniang bebas, L, adalah panjang ketika pegas diasurnsikan tidak rnenghasilkan gaya, sepefti tercantunr pada tabel. Paniang solid, L", diperoleh ketika pegas tertekan penuh sehingga semua lilitannya bersinggungan. Jelas ini merupakan panjang terpendek yang dapat dirniliki pegas. Selama digunakarr, biasanya pegas tidak tertekan sarnpai panjang solidnya. Panjang terpendek pegas selama digunakan nonnal disebut panjang opera,si, L,, Suatu ketika pegas akan dirancang beroperasi di antara dua batas defleksi. Sebagai contoh perhatikan pegas untuk katup mesin, seperli rtitunjukkan Carnbar I9.I. Ketika katup terbuka, pegas mengalarni panjang terpendek, L.,. Kemudian ketika katup teftutup, pegas rnenjacli lebih panjang, tetapi masih menghasilkan gaya untuk menjaga katup tetap pada dudukannya. Panjang pada kondisi ini disebut paniang lerpasang,1,. Jadi, panjang pegas berubah dari L,,menjadi L. selama beroperasi nornral karena katupnya sendiri bergerak bolak-balik.
OAI,IBAR 19.6
(/.'=
0)
Notasi untuk panjang dan gaya
-r-
Defleksi op
f.= L, - L.
I I
Panjang bebas, Ll
i
T_
I
Panjang terpasang,
I
Panjang operasi,
L,
L
-rI
Paniang solid,
L.
Kelonggaran lilitan
fiarak antara lilitan yang berdekatan)
Gaya Kita akan menggunakan simbol F untuk menunjukkan gaya yang dihasilkan oleh pegas, dengan berbagai indeks untuk rnenyatakan padatingkatan managayayang sedang dibahas. Indeks sesuai dengan yang digunakan untuk panjang. Jadi,
{ : guyu pada panjang solid, L.; gaya maksimum yang dapat diberikan pegas. F,,= gaya pada panjang operasi, L,,; gaya maksimunr pegas pada saat operasi nornal. F, : gaYa pada panjangterpasang L,; variasi gaya antara F,,dan F,untuk pegas bergerak bolak-balik. F, : gala pada panjang bebas, L,; gaya ini adalah nol Konstanta Pegas Hubungan antara gayayang dihasilkan pegas dan defleksinya disebut konstanta pegas, dengan rnembagi perubahan gaya dengan perubahan defleksi:
? -J\
Konstonlo Pegos
k=L,FlA,L
/<.
Konstanta pegas dapat dihitung
(l e-r )
Pr!-;' -5 Untuk contoh,
,.
F,,-
F,
- L,- L,,
(19-la)
atau
l-
-
Ft,
Ll(, _L
(re-rb)
atau
t--
Fi
Lr-L,
(l 9-l c)
Di samping itu, jika konstanta pegas diketahui, gaya pada suatu defleksi dapat dihitung. Sebagai contoh, jika
pegas
nrempunyai konstanta 42,0 lblin, gaya yang dihasilkan pada defleksi 2,25 in dari panjang bebas akan nrenjadi
F
:
k(Lt- L) : (42,0lblin)(2,25 in) : 94,5 lb
lndeks Pegas Perbandingan diameter rata-rata pegas dengan diameter kawat disebut indeks pegas, C:
A
?
C:D /D
lndeksPegos
DisarankanClebihbesardari 5,0,denganpegaspemesinanrnempunyai rentangnilai Cdari 5sampai l2.UntukCkurang dari 5, pernbentukan pegas akan sangat sulit dan diperlukan deforrrrasi berat yang mungkin rnenyebabkan kawat retak. Tegangan dan defleksi dalarn pegas bergantung padaC, dan Cyang lebih besar membantu rnenghilangkan kecenderungan pegas tertekuk.
Jumlah Lilitan Jumlah total lilitan pada pegas dinyatakan dengan N. Tetapi dalanr perhitungan tegangan dan defleksi pegas, beberapa lilitan tidak aktifdan diabaikan. Sebagai contoh, pada pegas dengan ujung disiku dan digerinda atau ujung disiku saja,
setiapujunglilitantidakaktifdanjunrlah lilitanaktif,N,,,adalahN-2.Untukujungbebas,semualilitanaktif:N:N. Untuk lilitan bebas yang ujungnya digerinda, N,, :
N- l.
Jarak Bagi Jarak bagi, p, adalahjarak aksial dari satu titik di suatu Iilitan sampai titik pada lilitan terdekat berikutnya. Hubungan antara jarak bagi, panjang bebas, diameter kawat, dan jurnlah lilitan aktif adalah sebagai berikut: Ujung disiku dan digerinda, Ujung disiku saja: Ujung bebas digerinda: Ujung bebas:
Lr: L,: L,: L,:
pN,,+ 2D,, pN,,+ 3D,, p(N,,+ l) pN,,+ D,,
76
Elenen-Elcnten Mesin dalon Perancangan lllekani.s
Sudut Jarak Bagi Carnbar 19.7 rnenunjukkan sudut jarak bagi, ),; perhatikan bahwa untuk sudut jarak bagiyang lebih besaq kemiringan
lilitantanlpaklebihcuram.Rancanganpegasyangpalingpraktisnrenghasilkansudutiarakbagikurangdari l2o.Jikasudul .larak bagi lebih besar dari 12", terjadi tegangan tekan yang tidak diinginkan pada kawat, dan runrus yang ditarrpilkan berikut ini tidak akurat. Sudutjarak bagi dapat dihitung dengan runtus
.\: tan-r[-Z-l ln D,,
(te-2) )
0AIIBAR t9.7 Sudut jarak bagi
tr, gudut iarak bagr
=tan '
(#,i
Anda dapat rnelihat logika rumus ini dengan nrengarnbil satu lilitan pegas dan nrenrbukanya pada bidang datar sepefti diilustrasikan pada Gambar 19.7. Caris horizontal adalalr rata-rata keliling pegas dan garis vertikal rnenuniukkan.jarak bagi, p.
Pertimbangan Pemasangan Sering kali pegas dipasang dalam sebuah lubang silindris atau pada seputal'batang. Pada pentasangan sepefti ini. kelonggaran yang diberikan harus nrernadai. Ketika pegas tekan teftekan, diameternya rnenjadi lebih besar. Jadi, diarneter dalam lubang harus Iebih besar daripada diarneter luar pegas untuk nrenghilangkan gesekan. Untuk pegas dengan dianreter
0,50 in (12 mm) atau lebih, disarankan kelonggaran diametral awal sepersepulLrlr diameter kawatnya. Jika dibutuhkan estimasi yang lebih presisi untuk dianreter luar pegas aktual, Itraka rurrtus berikut dapat digunakan untuk OD pada kondisi panjang solid:
OD,:
D;,+++D t
l)
-
l)
(r e-3)
Sekalipun diperoleh /D pegas lebih besar. disarankan juga bahwa kelonggaran pada ID rnendekatai 0, 1D,,. Pegas dengan ujung disiku saja atau disiku dan digerinda sering dipasang pada dudukanjenis tombol atau pada soket dengan kedalarnan sama dengan tinggi dari beberapa lilitan, tujuannya untuk penempatan pegas.
Kelonggaran Lilitan. lstilah kelonggarun lilitctn adalah.jarak antara dua lilitan yang berdekatan ketika pegas tertekan sarnpai paniang operasi, L,,. Kelonggaran lilitan aktual, cc, dapat diperkirakan dari Kelonssoron tililon
cc: (L,,- L.)1N,,
+ Satu pedoman bahwa kelonggaran lilitan hendaknya lebih besar dari D,,ll0, terutarna pada pegas yang terbebani secara
siklis. Rekomendasi lain berkaitan dengan defleksi keseluruhan pegas:
\1,,-
L,) > 0, rs(t/
-
l,,)
Pc J-)
Bahan yang Digunakan untuk Pegas Sebenarnya sebarang bahan elastis dapat digunakan untuk pegas. Tetapi, sebagian besar aplikasi mekanis rnenggunakan kawat logam-baja karbon tinggi (paling umum), baja paduan, baja tahan karat, kuningan, perunggu, tenrbaga beriliurl. ataupaduanberbasisnikel.Sebagianbesarbahanpegasdibuatsesuai denganspesifikasiASTM.Tabel lg.3menunjukkan beberapa jenis yang umum. Lihat Situs Internet 8-l l.
TABEL
19.3
Bahan-bahan pegas
Jenis Bahan
ASTM no.
Biaya
Batas
relatif
suhu, oF
A. Baja karbon tinggi Ditarik keras
4227
r,0
0-2s0
4228
2.6
0-250
Baja tujuan umum dengan 0,600/o-0,70% karbon; biaya rnurah
Kawat rlusik
Baja kualitas tinggi dengan 0,80%4,95% karbon; kekuatan sangat tinggi; kehalusan perrnukaan sangat baik; ditarik keras; unjuk kerja kelelahan baik; paling banyak digunakan dalarn ukuran lebih kecil sanrpai 0,125 in Pengerasan minyak
A229
I'J
0-3s0
Baja tujuan umum dengan 0,600/o-0,70%okarbon; paling banyak digunakan dalant ukuran lebih besar sarnpai di atas 0,125 in; tidak baik untuk kejutan
B. Baja paduan
Krom-vanadium
A23t 3,t Baik dalarn kekuatan, ketahanan lelah, kekuatan impak, unjuk kerja suhu tinggi; kualitas pegas katup
Krom-silikon
A40
I
4.0
042s 0475
Kekuatan sangat tinggi dan kelelahan baik dan tahan kejut
C. Baja tahan karat Tipe 302
A3 r 3(302)
7,6
<0-550
Sangat tahan korosi dan unjuk kerja suhu tinggi; hampir nonrnagnetis; tarik-dingin; tipe 304 dan 3 l6.juga dalam kelas ASTM ini dan mampu diperbaiki, tetapi kekuatannya lebih rendah
Tipe l7-7 PH Unjuk kerja suhu tinggi baik
A3 r3(63 r)
I
1,0
D. Paduan tembaga: Semua memiliki ketahanan korosi dan konduktivitas elektrik yang baik Kuningan pegas B t34 Tinggi Perunggu fosfor B 159 8,0 Tenrbaga beriliurn Bt97 27,0
0-600
0-r50 <0-212 0-300
E. Paduan nikel: Semua tahan korosi, rnerniliki sifat baik pada suhu rendah dan tinggi, nonmagnetis atau hampir nonmagnetis (narra perdagangan International Nickel Courpany). MonelTM K_Monel'rN! lnconelrNt
lnconel-XrM
-
425 450 -l sarrpai 700 sampai 850
-100
00
44,0
Suntber: Associated Spring, Barnes Croup, Inc. Engineering Guide to Spring Design Bristol. CT. l9tt7. Carlson, Harold..Si,lr'irg Designer'.s Handbook. New York: Marccl Dekker, 1978. Oberg, 0.. ct al. llloclinery'.s Hunclbook.26th ed, Ner,v York: Inclustrial Press. 2000.
-8
Elenten-Elemen Mesin dalant Perancangan Mekanis
Jenis Pembebanan dan Tegangan yang Diizinkan Tegangan yang diizinkan untuk pegas bergantung padajenis perrbebanan, bahan, dan ukuran kawat. Pernbebanan biasanya dikelompokkan rnenjadi tiga jenis:
o o
Servis ringan: Beban statis atau sarnpai dengan l0 000 siklus pernbebanan tingkat rendah (tanpa kejutan). Servis tott-rfito: Situasi perancangan mesin pada unrunlnya; pentbebanan tingkat sedang dan sampai dengan I juta siklus. Servis berat: Pengulangan cepat sampai di atas l juta siklus; kemungkinan adanya kejutan dan beban turnbuk; contohnya pegas katup mesin.
Kekuatan bahan yang diberikan lebih besar untuk ukuran yang lebih kecil. Garnbar 19.8 sampai 19.13 menunjukkarr tegangan untuk enam bahan yang berbeda. Perhatikan bahwa beberapa kurva dapat digunakan untuk lebih dari satu bahan dengan nrenerapkan sebuah faktor. Sebagai pendekatan perancangan yang konservatif, kita akan rnenggunakarr kurva servis rata-rata untuk sebagian besar contoh perarlcangan, kecuali pada kondisi yang siklusnya sangat tinggi. Kita akan rrrenggunakan kurva servis ringan sebagai batas atas tegangan saat pegas tertekan sampai pada panjang solidnya. Jika tegangan melampaui nilai servis ringan dengan jurnlah yang sedikit, pegas akan ntengalarni perubahan tetap karena batas luluhnya.
OAMBAR
I9.8
Perancangan tegangan geser untuk kawat baja ASTM A227, ditarik keras (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 144, seizin Marcel Dekkel lnc.)
Diameter kawat. mm
'?
ar
t60
'tltl
\
120
C
\C a.l
r
*
a
a
ll(Y) pegas
II i
I I
\k
ilil
il
l;l:
;r
035 965
Servrs ringan
s(ri 0-( sls >c
Servis ratz -rata
;frO p
te 'a
o
hqi) .E F
l\
90
g
ltlttttt
Se
t[x)
0a 3 I ?
6:()
tl
-t
80 70
rl
\
E o rro
F
?
t"k"nrn dan pemanjangan IASTr\4A227Kelasll r I
t40
,o
C
--.]
t5D
F o
*
*
.i.i0 -{t{-s
?
^:Y.x
t t -(,trlr,
:;-l
.r - €
a
Diameler kawat, in
GAMBAR
I9.9
Perancangan tegangan geser untuk kawat baja (kawat-musik) ASTM A228 (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Deslgners Handbook, hlm, 143, seizin Marcel Dekker, lnc.)
Diameter kawat, mm
r5 r5
2(Xl I
Tekanan dan pemanjangan pegas Kawat Musik. ASTM A 228
lltt0
l{0
t:.t{
)
s
@
a o
{x)
16{}
o,
c ,,,. 6 l{1, o Fo
u
=i 6
,ro5 P
82: 691' 55() f,r3
t,
Diarneter kawat, in
r3*n,v,
.t
ri
r,
N o e
-
.r
-
t60
CAMBAR
Diameter kawat, mm
n.la.*qr.rjxC .r
r.
-
€
€
r
*.1C,*Cn
lifi)
ll
I10 '6
r_ l:0 c o o lfi) E o o ' K(l
Perancangan tegangan geser untuk kawat baja ASTM A223 ditemper dalam minyak (Drceta< ulang dari Harold Carlson. Spring De sig ne r's H a nd boo k. hlm. '146, seizin Marcel Dekker. lnc.)
iscari
Tekanan dan pemanjangan pegas ASTM A 229 Kelas I.-l-'l
q()5
o
Servis rata-rata
I9.IO
r-)q L
c
690 3; c 6
o
g
55{}
6{)
o?, I c
-iio
=
i
3
at at
;
Diameter kawat, in
GAMBAR
Diameter kawat, mm
.-rqnqn
afal(,*6tt
nqa9"q $<,c.1
n€€r&
-*:ei^iri*
r
Tekanan dan pemanjangan pegas
ASTMA231l
r80
'6 i
I
tt
r240
o Servis ringan
t6{)
ll00 o_o
Servis rata-rata
3
lao
P
r2o
g o 6
I I I I I rI
tt!tlttittttt
380
A/iS
c
o c
I9.I I
Perancangan tegangan geser untuk kawat baja ASTM A231, paduan krom-vanadium (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's H andbook, hlm. 147, seizin Marcel Dekker, lnc.)
825 $ F
r00 u0
690
0i E 8 ? ? ? 3 I ? g i € t
550
Diameter kawat. in
Diameter kawat, mm f.lC-\O-t
'.rq*:9 a.\c\cr
o-.iG;;;
dNa€\6-'
2fi1
rlto
Tekanan dan pemanjangan pegas
ASrMA4ollllllllll I I I I L}{ Servis rinsan l-f
180
nrm
Hffi+
c
$ o
r+o
I
il00
o 9(r,5 f; o Fo
O)
c1<
€ 3 t ;
dicid
.r€ar
;;; ric{--
Diameter kawat, in
=^ c
6
+.+"41':1!"1'"-1"?
F ll0
rli
o
(L
,o
100
240
atat
0AlrlEAR 19.12 Perancangan tegangan geser untuk kawat baja ASTM A401, paduan krom-silikon, ditemper dalam minyak (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 148, seizin Marcel Dekker, lnc.)
80
Elcmen-Elenten Mesin dalqm Perancangan Mekanis
GAiIBAR I9.I3 Perancangan tegangan geser untuk kawat baja tahan karat tahan korosi ASTM A313 (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 150, seizin Marcel Dekker, lnc.)
Diameter kawat, mm
.r<:!99 t'c\cr
f.i
1.1 x$
--€1
r60
r40
96-5
r20
co
toO
,o
x0
o c a o
"-.'o=c
f,t]0 E c o
o o 55()' 4t5
08 E 8 ?
?
--== ,.!ca -'.1?
rt€C?
-t
ciiii
Diameter kalvat. in Kawat ba.ia tahan karat tipe 302
ilixl
ii3: 3?i
ii[:ii[:t
3:31
1:9..4TEGANGANDAN.DEtLEKslUNTUKPEGAsUtlRTEKAN Ketika pegas tekan dikenai beban aksial, kawat terpuntir. Oleh sebab itu, tegangan yang timbul pada kawat adalah legangan geser puntirar, dan dapat diturunkan dari persattraan klasik t: Tc/.l. Bila persamaan itu diterapkan secara khusus pada pegas ulir tekan, diperlukan beberapa faktor nrodifikasi untuk menghitung lengkungan kawat pegas dan untuk tegangan geser lurus yang ditirnbulkan karena lilitan rnenahan beban aksial. Juga baik sekali menyatakan tegangan geser dalarn hal variabel-variabel yang ditemui dalant perancangan pegas. Hasil persamaan untuk tegangan dilengkapi dengan faktor Wahl, (Lihat Ref'erensi 9.) Tegangan geser maksimum yang terjadi pada permukaan kawat bagian dalam adalah:
? FJ\
8KFD,,,
regongon Geser Podo Pegos
ND:,
SKFC
(re-4)
"D?,,
Di sini ada dua bentuk persamaan yang sama sepefti dituniukkan definisi C:D,,,/D,,. Tegangan geser untuk suatu gaya yang diterapkan, F, dapat dihitung. Secara normal kita akan mernerhatikan tegangan bila pegas ditekan sarnpai panjang solid di bawah pengaruh F, dan bila pegas dioperasikan pada beban tnaksitnutn normalnya, F,. Ingat bahwa tegangan berbanding terbalik dengan diameter kawat pangkat tigo. Hal ini menggambarkan besarnya pengaruh variasi ukuran kawat terhadap unjuk kerja pegas. Faktor Wahl, K, dalarn Persamaan (19-4) adalah istilah yang menunjukkan perhitungan untuk Iengkungan kawat dan tegangan geser lurus. Secara analitis, K dikaitkan dengan C:
q --^
toklor wohl
,, 4C-l 0,615 --T-4C_4 C
(r e-s)
/\
Gambar 19.14 menunjukkan kurva hubungan K dan C untuk kawal bundar. Ingat bahwa yarrg disarankan. Nilai K nreningkat tajanr untuk C < 5.
C:
5 adalalt nilai C ntininrurn
Defleksi Karena cara utama pembebanan pada kawat pegas ulir tekan adalah puntiran, ntaka defleksi dihitung dari rumus sudut
puntir: 0
= TL/GJ
!I oAilBAR
te.t{
Hubungan faktor !'ie^ :aindeks pegas untuk ra*a: bundar
9 l() ll 12 t3 t{ t.5
16
lndekspegas, C=D.,lD*
,. 4C-r 0,615 4C_4 C dengan 0 = sudut puntir dalarn radian
I: :
torsi yang diterapkan
L
panjang kawat G = modulus elastisitas geser bahan J: momen kelembaman polar kawat
Agar lebih mudah kita akan menggunakan bentuk persamaan yang berbeda untuk menghitung defleksi linier pegas,.l dari variabel-variabel perancangan pegas. Hasil persamaannya adalah:
? --\
De,leksi pegos
t _gFDl,,N,,
'-
gFCrN,,
GD:,: cq
(re-6)
Ingat bahwa N, adalah jumlah lilitan aktif, seperti dibahas pada Subbab 19.3. Tabel 19.4 menarnpilkan nilai G untuk bahan-bahan pegas umumnya. lngat lagi, dalanr Persamaan (19-{), bahwa diameter kawat mempunyai pengaruh kuat pada unjuk kerja pegas.
Tekuk Kecenderungan pegas akan tertekuk bertarnbah bila pegas tinggi dan rarnping, sama seperti kolom. Garnbar 19. l5 menunjukkan kurva hubungan rasio kritis defleksi terhadap panjang bebas dengan rasio panjang bebas terhadap diarneter rata'ratapegas. Gambarmenunjukkantigakondisi ujungyangberbeda. Sebagai contoh penggunaangarnbarini, perhatikan pegas yang mempunyai ujung disiku dan digerinda; panjang bebasnya 6,9 in dan diameter rata-ratanya0,75 in. Kita ingin mengetahui berapa defleksi yang akan rnenyebabkan pegas teftekuk. Pertama, kita rnenghitung
6'o :s.o : D,,, 0,75
4,
82
Elenert-Elenten Mesin dalom Perqncqngan Mekanis
TABEL 19.4 Modulus elastisitas geser (G) dan tarik (E) kawat pegas Modulus tarik, E
Modulus geser, C Bahan dan No. ASTM
Baja ditarik keras A227 Kawat musik:. A228
(psi)
(CPa)
(psi)
1,5 x 106 I 1,85 x 106 ll,2 x 106 ll,2 x 106 ll,2 x 106
79,3
71,2 71,2 71,2
28,6 x 106 29,0 x 106 28,5 x 106 28,5 x 106 29,5 x l}n
10,0 x 10,5 x
69,0 12,4
28,0 29,5
I
Ditemper rninyak: 4229 Krom-vanadium: A23 I Krorrr-silikon: A40 I Baja tahan karat: 43 l3 Tipe 302, 304, 3 I 6
Tipe l7-7 PH
8 r,7
106 106
x 106 x 106 x 106 x 106 10.5 x 106 5,0 6,0 7,0 9,5
Kuningan pegas: Bl34 Perunggu fosfor: Bl59 Tembaga beriliurn: B 197 Monel dan K-Monel Irrconel dan Inconel-X
(GPa)
t97 200 196 196
203
x I06 x 106 15,0 x 106 15,0 x 106 17,0 x I06 26,0 x 106 3 1,0 x 106
34,5 41,4 48,3 65,5
12,4
r93 203 r03 r03
n7 179
2t4
Cutatan: Data adalah nilai rata-rata. Mungkin ada scdikit penf inrpangan ukuran dan perlakuan karvat.
OAIYIBAR
I9.I5
Kriteria tekuk pegas. Jika rasio aklual f/L, lebih besar daripada rasio kritis, pegas akan tertekuk saat terdefleksi sebesar itu.
0.75
0.70 .J
0.65
0.60 vi o6 o o 0.55 o c 6 0.J0 E
6 0.45 o
'6
E
{.)
!
lt
,C
.9 6
(.
0.40
/''
\
0.3J
\
0.30
.8
\
,\ \
0.25
0.20 0. r5 0,
t0
0.0J
2345618910
Kurva A: Kedua ujung ditumpu jepit (semisal, ujung-ujung disiku dan digerinda dipasang pada permukaan berpengarah. datar dan sejajar) Kurva B: Satu u.iung ditumpu jepit, lainnya sendi (semisal, satu ujung pada permukaan datar, ujung lainnya dihubungkan dengan persinggungan berupa bola) Kurva C: Kedua ujung adalah sendi (semisal, kedua ujung dihubungkan dengan permukaan struktur yang bersendi dan memungkinkan berputar)
Rasio: panjang bebas/diameter rala+ala, LfD^
Kemudian dari Garnbar 19.15, rasio defleksi kritis adalah 0,20. Dari sini kita dapat rnenghitung defleksi kritis:
!:o,zo Lt
atau
J),:0,20(Lt):0,20(6,0 in)= 1,ro
'n
Berartijika pegas terdefleksi lebih dari 1,20 in, pegas akan terlekuk. Pengembangan tambahan dan pembahasan rumus unluk tegangan dan defleksi pegas ulir tekan dapat diperoleh dalam Referensi 4 dan 6. Referensi 3 memberikan inforrnasi yang berharga tentang analisis kegagalan pegas.
l
\-:
:r9.5 ANALIS|S
KARAKTERTSTTK PEGAS
Subbab ini menunjukkan penggunaan konsep yang telah dikembangkan pada subbab sebelunrnla unruk nreir::::: : : geonretri dan karakteristik unjuk ke{a suatu pegas. Anggaplah bahrva Arrda telah menetnukarr pegas. terapi rii:^ '-., data tentang unjuk kerjanya. Dengan rnenrbuat beberapa pengukuran dan perhitungan, Anda akan nranrpu rlrencntLrn;'r karakteristiknya. Satu informasi yang harus Anda ketahui adalah bahan untuk rnembuat pegas itu sehingua Anda dapr: mengevaluasi seberapa besar tegangan yang dapat diterirra. Metode analisis disajikan dalam Contoh Soal 19.1.
EmffiIi SE!fl f$.f
Sebuah pegas diketahui terbuat dari kawat rrusik, ba.la ASTM A228,tetapi data yang lainnl a tidak diketahui. Anda dapat r.nengukur beberapa fitur berikut dengan rnenggunakarr alat-alat
ukur sederhana: Panjang bebas = L, : 1,75 in Diameter luar = OD: 0,56I in Diaureter kawat: D,, : 0,055 in Kedua ujungnya disiku dan digerinda Jumlah total lilitan adalah 10,0 Pegas ini akan digunakan derrgan beban kerja normal 14,0 rnendekati 300 000 siklus. Untuk pegas ini. hitung dan atau kerjakan hal berikut:
lb. Diharapkan
pernbebanan
l.
Nomorgage karvat rnusik, dianreter rata-rata, dianreter dalam, indeks pegas, dan faktor
2. 3. 4. 5. 6.
Tegangan yang diharapkan pada beban kerja 14,0 lb. Defleksi pegas pada beban 14,0 lb. Panjang operasi, pan.iang solid, konstanta pegas. Gaya pada pegas dan tegangan ketika pegas berada pada panjang solidnya. Tegangan yang direncanakarr untuk bahan; kemudian urernbandingkan dengan tegarlgalt
Wahl.
7. 8. 9.
kerja aktualnya. Tegangan maksimuur yan-q diizinkan; kemudian rnembandingkan dengan tegangan pada panjang solidnya. Memeriksa pegas terhadap tekuk dan kelonggaran lilitan. Membuat spesifikasi dianreter lubang yang sesuai untuk pemasangan pegas.
@Penyelesaiandisajikansarnasepertiitem-itemdiatas.Rttt-t-tus-rutlttSyangdigunakandapat ditemukan pada subbab sebelunrnya dalam bab ini.
Langkah 1. Nomor gage untuk kawat musik adalah 24 (Tabel 19.2). Jadi,
: OD - D,, : 0,561 - 0,055 : 0.506 in : D,,,- D,, : 0,506 - 0,055 :0,451 in Indeks pegas : C : D,,/D, : 0,506/0,055 :9,20 Faktor Wahl : K: (4C - l)l( c - 4) + 0,615lC K : [4(e,20) - t)tL4(e,20) - 4] + 0,61 s/e,20 K : r,158 D,,,
lD
Langkah 2. Tegangan dalant pegas akibat F
,,,:V!{'
TD:,.
:F,,:
8(l'ls8)(14.0)(e.20)
r(0,055)'
l4,0lb [Persamaan (19-4)]:
:
r25
560 psi
84
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangqn Mekanis
Longknh J. Defleksi pada gaya operasi [Persarnaan
,,,
: r of;,:' :
(
I
rlo##Hffi
9-6)]:
:,.
07,
in
Ingat bahwajurnlah lilitan aktif untuk pegas dengan ujung-ujung persegi dan digerinda adalah 1 0,0 N,, -- N - 2 : 8,0. Demikian pula, modulus kawat pegas, G, dapat ditemukan dalarrr tiUet tg.+. Nilai.{ adalah defleksi dari paniang bebas sanrpai dengan panjang operasi.
-2:
Langkuh r'. Panjang operasi: Kita rnenghitung panjang operasi sebagai berikut
L": L,-./" : Panjang
1,75
-
solid: L,:
1,07
D,,
I
:
0,679 it'r
(AD:0,055(10,0):0,550
in
Konstanta pegas: Kita gunakan Persattraan ( l9-l).
*:LF LL
L,
F" :!r-: - L,, .1,,
14'olb :13.07 tb/ 1.07
I in
in
Lungkuh 5. Kita dapat menerrukan gaya pada paniang solid dengan mengalikan konstanta pegas dengan defleksi dari panjang bebas sarnpai dengan panjang solid. Untuk ini,
F,:
k(1,-
t.):
(13,07 lb/in)(l ,75
in-
0,550
in):
15,69 lb
Tegangan pada panjang solid, t., dapat diperoleh dari Persamaan (194), menggunakan F: {. Tetapi metode yang lebih mudah adalah nrengetahui bahwa tegangan berbanding lurus dengan gaya pada pegas, dan bahwa semua data lain dalam persamaan itu sama dengatr yang digunakan untuk menghitung tegangan di bawah gaya operasi, F,. Kita kemudian dapat menggunakan perbandingan yang sederhana
r":
t,,(F,l F,,): (125 560 psi)(15,69114,0):
140 700 psi
Lungkah 6. Tegangan perancangan t,,: Dari Gambar 19.9, dalam grafik
tegangan
perancangan dan diameter kawat pegas untuk baja ASTM A228, kita dapat menggunakan kurva servrs rata-rata berdasarkan ekspektasijumlah siklus pembebanan. Terbaca t,,: 135 000 psi untuk kawat 0,055 in. Karena tegangan operasi aktual, t,,. kurang dari nilai tersebut, maka perancangan memenuhi syarat. Langkah 7. Tegangan yang diizinkan maksimutn, r,,,.,,: Disarankan untuk menggunakan
kurva servrs ringan untuk tnenentukan nilai ini. Untuk D, : 0,055, rn,"* : 150 000 psi. Tegangan maksirnum ekspektasi aktual yang terjadi pada panjang solid (t,: 140 700 psi) kurang dari nilai tersebut, karenanya perancangan memenuhi dalam hal tegangan. Langkah 8. Tekukan: Untuk menghitung tekukan, kita harus menghitung
Lt/ D,,: ( 1,75 in) i (0,506 in) : 3,46 Berkaitan dengan Gambar 19.15 dan penggunaan kurva ,4 untuk ujung disiku dan digerinda. kita ketahui bahwa rasio defleksi kritis sangat tinggi dan bahwa tekukan tidak akan terjadi. Pada kenyataannya, untuk sebarang nilai t, / D,,, < 5,2 kita dapat menyirnpulkan bahwa tekukan tidak akan terjadi. Kelonggaran lilitan, cc: Kita evaluasi cc sebagai berikut:
cc: (1,,- L,) I N,,:
(0,679
-
0,550) /
(8,0):0,016
in
Pegas 85 Dengan membandingkarr nilai tersebut dengan kelonggaran mininrum yang disarankan
D,,.I
l0: (0,055 in) / l0 :
0,0055 in
rraka kita dapat memutuskan bahwa kelonggaran ini dapat diterirna. Lmgkuh 9. Diameter lLrbang: Disarankan agar lubang tempat pegas dipasang diarrreternya lebih besar daripada OD pegas ditarnbah D,, / 10. Maka D,uonn*'
OD + D,, / l0
:
0,561 in + (0,055 in)
/ l0 :
0,567 in
Diameter 5/8 in (0,625 in) rrrenrenulri ukuran standar. Contoh soal selesai.
!p1$,11PER.ANCAN
GAN P EGAS
U
L I R TE
KAN
Tujuan perancangan pegas ulir tekan adalah untuk rrrenentukan geornetri pegas yang dioperasikan dengan batas beban dan defleksi, juga kernungkinan adanya keterbatasan ruang. Kita akan nrenentukan bahan dan jenis servis dengan menrpertimbangkan lingkungan dan aplikasi. Contoh soal akan diberikan berikut ini. Kernudian ditunjukkan dua prosedur penyelesaian, dan rnasing-masing diirnplementasikan dengan bantuan spreadsheet.
EoTtTh-
@ EirecIS
sda H.z
Sebuah pegas ulir tekan digunakan untuk menghasilkarr gaya 8,0 lb ketika teftekan sanrpai panjang 1,75 in. Pada panjang 1,25 in, gayanya harus 12,0 lb. Pegas akan dipasang dalanr mesin yang siklusnya pelan, dan ekspektasi total siklusnya rnendekati 200 000 siklus. Suhu tidak akan melampaui 200'F. Pegas akan dipasang dalarn lubang berdiarreter 0,75 in. Untuk aplikasi ini, tentukan bahan yang cocok, diameter kawat, diarneter rata-rata, OD, /D, panjang bebas, panjang solid,junrlah lilitan, danjenis kondisi ujungnya. Periksa tegangan pada beban operasi maksimurn dan pada kondisi panjang solid. Akan ditunjukkan prosedur pertanla dari dua prosedur penyelesaian. Sejurnlah langkah dapat digunakan sebagai petunjuk untuk soal-soal berikutnya dan sebagai algoritrra untuk pendekatan spreadsheet yang nrengikuti penyelesaiarr manual.
Prosedur ini secara langsung mengerjakan seluruh geometri pegas dengan nrernbuat spesifikasi diarneter rata-rata untuk memenuhi batasan ruang. Perancang perlu rnerniliki tabel datadiameterkawatyangtersedia(seperti Tabel 19.2)dangrafikteganganrancanganuntuk bahan yang akan dipakai untuk rnenrbuat pegas (seperli Tabel 19.8 sampai Tabel 19. I 3). Kita harus menrbuat perkiraan awal untuk tegangan rancangall bahan dengan cara menreriksa diagram tegangan rancangan dan diameter kawat untuk nrernbuat pilihan yang wajar. Pada ulnunlnya harus dilakukan percobaan lebih dari satu kali, tetapi hasil percobaan terdahulu akan rnembantu Anda dalanr nrenentukan nilai untuk digunakan pada percobaan berikutnya. Langkah 1. Tentukanlah bahan dan rnodulus gesernya, C. Untuk soal ini, beberapa bahan standar pegas dapat digunakan. Pilihlah ASTM A23 kawat baja krom-vanadium, nrempunyai nilai G : I I 200 000 psi (lihat Tabel 19.4).
I
Longkah 2. Dari keterangan soal, periksalah gaya operasi, {,; panjang operasi di mana gaya tersebut harus dihasilkan, L,,; gaya pada beberapa panjang lainnya, disebut.qaya lerpasang, {; dan panjang terpasang, L-. Ingat, F, adalah gaya nraksimum pegas pada saat mengalami kondisi operasi normal. Kerap kali tingkatan gaya kedua tidak ditentukan. Dalam kasus seperti ini, anggap F, = 0 dan tentukanlah suatu nilai rancangan untuk panjang bebas, L, sebagai pengganti L. Untuk soal ini, F, :12,0 lb:, L,,: 1,25 in', tr, :8,0 lb;dan L = 1,75 in.
86
E.tcntcn-Elanten ll,lesin dalant Peronctlngan Mekanis
Langkoh J. Menghitung konstanta pegas,
l,
rrrenggunakan Persarnaan (19-la):
, F,,- F, 12,0-9,0 : g.oo lb/ in n: "' t.,,:lJ5-r,25 Lungkah y'. Menglritung paniang bebas, L,:
L,: L,+ F,/ k:
1,75 in + [(8,00 lby(8,00
lb/in)]:2,75
in
Tennin kedua dalarn persalnaan terdahulu adalah jurnlah defleksi dari paniang bebas sanrpai dengan panjang terpasang untuk trrernbuat gaya terpasang, F. Tentu saja langkah ini meniadi tidak perlu jika panjang bebas ditetapkan dalam data asli.
Langkuh 5. Tentukanlah perkiraan arval untuk dianreter rata-rata,
D,,,.
Ingatlah bahwa diameter rata-rata akan lebih kecil daripada OD dan lebih besar daripada /D. Diperlukan pertimbangan untuk rnenrulai. Untuk soal ini, tentukan D,,,:0,60 in. Ini akan rnernungkinkan penrasangan ke dalarn Iubang berdianreter 0,75 irr.
Langkah 6. Tentukanlalr tegangarr rancangan awal. Diagrarn tegangan rancangarl untuk bahan terpilih dapat dipertinrbangkan, juga pertimbangarr servis. Pada soal ini, kita akan nrenggunakan servis rata-rata. Kernudian untuk baja ASTM A23 l, seperti dituniukkan pada Garnbar l9.ll, tegangan rarlcangan nominal adalah 130 000 psi. lni adalah perkiraan yang kaku berdasarkan kekuatan balran. Proses ini nreliputi penreriksaan tegangan belakangan.
Ltngkoh 7. Menghiturrs percobaan diarrreter kawat dengan nrenrecahkan
Persarnaan
(19-4) untuk D,,. Ingat bahrva dalaut persarnaan itu segala sesuatunya diketahui, kecuali faktor Wahl, r(, karena bergantung pada dianreter karvat itu sendiri. Tetapi K hanya bervariasi
kecil di atas rentang normal indeks pegas, C. Dari Ganrbar 19.14, ingat bahwa
K:
1,2
adalah nilai norrrirral. Nanti ini.iuga akan diperiksa. Dengan nilai Kyangdiasunrsikan, dapat dilakukan beberapa penyederhanaan:
D,, :18KF,,D,,,l,,,
l. Trl I
Pen
L? -N
:
(8)(t.2)(F,,)(D,,, ) I
(n)tr,r
t
)
l'"
ggabungan konstanta nrerrrberikan
(te-7)
Diomeler Kowol Percoboon
Untuk soal ini.
r
^ -,r
l(3,06x
-l-l
lrrlt
rrr.1
F,,l(D,,,)l
t I
( 3,
-l
D,, = 0,0553
06X r 2X0. 6 )ln'"'
130 000
l
in
Langktrh 8. Mernilih diarneter kawat standar dari tabel, dan kenrudian menentukan tegangan rancangan dan tegangan maksinrurrr yang diizinkan untuk balran pada dianreter
Pcg.i.i
8'
tersebut. Tegangan rancangan secara normal untuk servis rata-rata, kecuali kalau tingkar siklus yang tinggi atau kejutan rnenunjukkan bahwa servis berat akan terjamin. Kurva serr is ringan sebaiknya digunakan dengan hati-hati kalena ini sangat dekat dengan kekuatan lulu[. Dalam kenyataannya kita akarr rnenggunakan kurva servis ringan sebagai perkiraan tegangan maksimum yang diizinkan. Untuk soal ini, ukuran kawat yang lebih besar berikLrtnya adalah 0,0625 in, no. l6 pada diagrarn U.S. Steel Wire Cage. Untuk ukuran ini, kurva-kurva pada Cantbar I9.ll untuk kawat baja ASTM A23 I nrenunjukkan tegangan rancangalt mendekati 145 000 psi untuk servisrata-rata,danteganganrraksirrrumyangdiizinkanadalah l70000psi dari kurvaservis ringan.
Langkolt 9. Menghitung nilai aktual C dan K, indeks pegas dan faktor Wahl:
a
.. 4C -t "K - 4C-4'
D,,,
0,60
Du,
0,0625
:9,60
4(9,60)- r 0.6r5 -.--:--:-:---:---,,., 4(9.60) - 4 9.60
0.615 C
-1-
Longkah 10. Menghitung tegangan ekspektasi aktual yang disebabkan gaya operasi, F,, dari Persamaan (194): (8Xr,
"
n
Dl,,
lsxl2,0x0,60)
:
(r.)(0,0625)l
86 450 psr
Merrrbandingkan nilai di atas dengan tegangan rancangan I45 000 psi, kita lihat bahwa nilai
ini aman.
Langkah 11. Menghitung .junrlah lilitan aktif yang diperlukan untuk nrernberikan karakteristik defleksi pegas yang seurpurna. Dengan menggunakan persamaan (19-6) dan tnemecahkan untuk iV, , kita tnempunyai
, :'u,ij;,|,,
N,,:+:P: .,
?
8FC]
Jumloh liliton Aktif
(Cararan: 8TCJ
Fll:
*.konsranra pegas)
(r
e-8)
-N
Kemudian untuk soal irri,
'
Ingat bahwa
t:
'tt
GD",
(r
Stcl
l
200 000x0,062s) (8X8,0Xe,60)3
:
l2,36lilitan
8,0 lb/in adalah konstanta pegas. Jangan rrrerancukan ini dengan K, faktor
Wahl.
Langkah /2. MenghitLrng panjang solid, L. gaya pegas pada panjang solid, F,; dan t.. Perhitungan ini akan rnenghasilkan tegangan
tegangan dalam pegas pada panjang solid, maksimum yang akan diteriura pegas.
Panjang solid terjadi bila sernua lilitan saling bersinggungan, tetapi ingat kembali bahrva ada dua Iilitan tidak aktifuntuk pegas dengan ujung disiku dan digerinda. Jadi,
L":
D,.(N,,+
2):0,0625(t4,36): 0,8e8 in
88
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis Gaya pada panjang solid adalah hasil kali konstanta pegas dengan defleksi sampai panjang
solid
(Lr- l.);
F,: k(1,- t.):
(8,0lblin)(2,15 -0,898) in =14.8 lb
Karena tegangan dalarrr pegas berbanding lurus dengan gaya, nraka rnetode sederhana perhitungan tegangan panjang solid adalah
t,: (t,,)({
t F,,): (864s0 psi)(14,8/12,0): 106 750 psi
Bila nilai ini dibandingkan dengan tegangan rnaksimum yang diizinkan, 170 000 psi, kita lihat bahwa nilai ini anran dan pegas tidak akan luluh bila,terlekan sanrpai panjang solidnya.
Langkah /3. Lengkapi perhitungan fitur-fitur geornetris dan bandingkan
dengan
keterbatasan ruang dan operasionalnya:
OD
:D
+D
ID =D . ill\
:
0,60 + 0,0625 : 0,663 in 0.062s = 0.538 in
D :0,60
-
Ukuran-ukuran ini mernenuhi untuk pernasangan dalarn sebuah lubang yang memiliki diameter 0,75 in.
Langkah 14. Kecenderungan untuk tertekuk diperiksa, bersarna-sama
dengan
kelonggaran lilitan. Prosedur tersebut melengkapi perancangan sebuah pegas yang memenuhi untuk aplikasi ini. Barangkali diperlukan percobaan lain untuk nrendapatkan pegas yang lebih rrrendekati
optimum.
Spreadsheet untuk Perancangan Pegas Metode
1
Ernpat belas langkah yang diperlukan untuk menyelesaikan satu percobaan perancangan dengan rnenggunakarr Metode I yang ditunjukkan dalam Contoh Soal 19.2 adalah agak berbelit-belit, rnenrbosankan, dan rlerrrakan waktu. Lagi pula, sangat mungkin diperlukan beberapa iterasi untuk rnenghasilkan solusi optiururn yang mernenuhi peftinrbanganperlimbangan aplikasi dari ukuran fisik pegas, tingkat tegangan yang dapat diterima di bawah sernua beban, biaya, dan faktor-faktor lain. Anda mungkin ingin rnenyelidiki penggurraan bahan yang berbeda untuk sasaran-sasaran perancangan dasar yang sanra untuk gaya, panjang, dan konstanta pegas. Untuk alasan tersebut dan alasan lainnya, disarankan untuk nrenrbuat pendekatan pemncangan dengan bantuan komputer guna menyelesaikan sebagian besar perhitungan dan menuntun Anda melalui prosedur penyelesaian. Hal ini dapat dilakukan dengan program komputer, spreadsheet, perangkat lunak analisis ntaternatis, atau kalkulatoryang dapat diprogram. Sekali ditulis, program atau spreadsheet dapat digunakan untuk suatu masalah perancangan yang sejenis di waktu mendatang, oleh Anda sendiri atau orang lain. Gambar I 9. I 6 menunjukkan satu pendekatan menggunakan spreadsheet dengan data dari Contoh Soal I 9.2 digunakan sebagai gambaran. Pendekatan ini menarik karena seluruh penyelesaian ditarnpilkan pada satu halaman, dan pengguna dituntun melalui prosedur penyeleshian. Maritah kita meringkas penggunaan spreadsheet ini. Saat Anda merrrbacanya, Anda perlu membandingkan seluruh spreadsheet dengan detail penyelesaian Contoh Soal 19.2. Berbagai runlus yang digunakan di sana diprograrnkan menjadi sel-sel spreadsheet yang sesuai.
l.
Sebagaimana langkah perancangan sebarang pegas sebenarnya, proses dirnulai dengan penetapan hubungan antara gaya dan panjang untuk dua kondisi yang terpisah, yang biasanya disebut gaya-panjang operasi dan gaya-panjong terpasqng. Dari data ini, konstanta pegas dapat ditetapkan dengan baik secara efektif. Kadang-kadang panjang bebas diketahui dan disamakan dengan panjangterpasang, sehingga gaya terpasang sama dengan nol. Selain itu, perancang harus mengetahui pula perkiraan ruang yang digunakan untuk ureruasang pegas.
Pi--,;'
89
GAMBAR 19.16 Spreadsheet untuk Perancangan Pegas Metode 1 dari Contoh Soal 1g.2
PERANCANGAN PEGAS ULIR TEKAN-METODB
1
Menetapkan diarneter rata-rata dan tegangan rancangan. Menghiturrg diameter kawat dan.iurnlalr lilitan.
l.
Masukkan data untuk gaya dan panjang.
2. Tentukan bahan; modulus geseg G; dan perkiraarr untuk tegangan rancangan. 3. Masukkan diameter rata-rata pegas percobaan, tlletnpertinrbangkan ketersediaan ruang. 4. Periksa nilai terhitung untuk konstarlta pegas, panjang bebas, dan diameter baru untuk kawat percobaan. 5. Masukkan pilihan Anda untuk diameter kawat ukuran standar. 6. Masukkanteganganrancangandanteganganrnaksirnurnyangdiizinkandari Cambarlg.8sarnpai 19. l3untuk
D
baru.
Nilti,numerik dalam ietak miring paOabagian yang diblok'harus dimasukkan untuk setiap soal.
ID Soal:
..:-.
Contoh Soal 19.2
Data.Input Awal:
Ulasan
;u,:1,1.,
r;.,:l
Gayd operaii maksimuin'=
-
. , '. ,
.
',
Gaya terpasang:
F. L= I
i,zs,in
D: m
0,60 in
o
Panjang terpasang: Jenis kawat pegas
:
.,,,',:,i*:,.',Modulus geser kawat pegai
i
.; i::i::'.':i--
12,01b
L_
Diameter rata-rata percobaan = ,
=
:
Panjang operasi ,..,,,,,,.:,'','
Fo
'
.,:'.:
:1
'
,25 in 8,0 tb
Baja ASTM A23l
L,
{ :0 jika
: panjang bebas
Lihat Gambar 19.8 sarrpai 19.13
C; t,t2E::+ bi;;il r,ti= 130.000 psi
Perkiraan awal tegangan rancangan =
Catatan:
DariTabel 19.4 Dari grafik tegangan perancangan
Data Terhitung: Konstanta pegas terhitung
:
k: L=
Panjang bebas terhitung =
8,00 lb/in
2,75 in
:
D:
=
D
legangan-maksimum yg dii2intcan =
T=
luar:
D
0,663 in
D
0,583 in
Diameter kawat percobaan terhitung
0.055 in
Data lnput Sekunder: , ,.iir.::,Diarneter kawat st.andar
' ' , :' ' ., .., Te€angan rancangan : .
0,0625 in
T.
DariTabel 19.2
145 000 psi',
Dari grafik tegangan rancangan
1lig,g6
Gunakan kurva servis ringan
p;s;
NilaiTerhitung: Diameter
Diameter dalam : Jurnlah Iilitan aktif : Indeks pegas :
12,36
C
Faktor Wahl:
9,60
Tegangan pada gaya operasi =
T
: : Caya pada panjang solid Tegangan pada panjang solid : Panjang solid
Tidak boleh < 5,0
I,l5
K
86 459 psi
o
L
0,898 in
F
t4.82 tb 106 768 psi
T
Tidak boleh > Tidak boleh >
1,25
Tidak boleh >
170 000
145 000
Periksa Tekuk, Kelonggaran Lilitan, dan Ukuran Lubang:
: : Kelonggaran lilitan Rasio tekuk
Jika dipasang pada sebuah lubang, diameter Iubang
mininrum:
L/D
=
4,58
Periksa Gb. 19. l5 jika > 5,2
cL -
0,029 in
Harus > 0,00625
D,un"''*'
0,669 in
Untuk kelonggaran sisi
90
{.
5.
6.
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
Bagian kepala spreadsheet memberikan gambaran singkat tentang pendekatan perancangan yang dibuat dalam \letode l. Perancang menetapkan target diarneter rata-rata untuk pegas sehingga pas dengan sebuah aplikasi tertentu. Bahan pegas ditentukan, dan grafik kekuatan bahan tersebut digunakan sebagai penuntun untuk ntetnperkirakan tegangan rancangan. Untuk hal ini pengguna perlu mernbuat perkiraan kasar diarneter kaw'at. tetapi ukuran spesifik belurn dipilih. Servis (ringan, rata-rata, berat) juga harus ditetapkan pada saat itu. Spreadsheet kemudian rnenghitung konstanta pegas, panjang bebas, dan diameter karvat percobaan untuk nrenghasilkan tegangan yang dapat diterima. Digunakan Persatnaan (19-7) untuk menghitung ukuran kawat. Perancang kemudian memasukkan ukuran kawat standar, biasanya lebih besar daripada nilai hasil perhitungan. Tabel 19.2 adalah daftar ukuran kawat standar. Pada saat ini perancang.iuga harus nrelihat lagi pada grafik tegangan rancangan untuk bahan yang terpilih dan harus nrenentukan revisi nilai untuk tegangan rancangan sesuai dengan d iameter kawat yang baru. Tegangan lnaksimum yang diizinkan.iuga d iurasukkan, diperoleh dari kurva servis ringan untuk bahan pada ukuran kawat yang ditetapkan. Dengan data yang dimasukkan, spreadsheet rnenyelesaikan seluruh sisa perhitungan. Pegas harus dibuat dengan dianreter dan jumlah lilitan aktif ditentukan secara pasti. Kondisi u.iung pegas, dari kemungkinan yang dituniukkan dalam Cambar 19.3, hendaknya juga ditentukan. Tugas perancang adalah rxengevaluasi kesesuaian hasil untuk geonretri dasar. tegangan. potensi tertekuk, kelonggaran lilitan, dan pernasangan pegas ke dalam lubang. Bagian Ulasan sisi kanan nrenrasukkan beberapa petuniuk. Tetapi inilah tanggungjawab perancang: untuk rnernbuat penyesuaian dan keputusan perancangan.
lngat keuntungan penggunaan spreadsheet: Perancang berpikir, spreadsheet yang rnenghitung. Untuk iterasi-iterasi perancangan berikutnya, hanya nilai-nilai yang berubah yang perlu dimasukkan. Sebagai contoh, jika perancang ingin nrencoba diameter kawat yang berbeda untuk bahan pegas yang sama, hanya tiga nilai data pada bagian yang disebut Data lnput Sekunder yang perlu diubah, dan dengan segera diperoleh hasil yang baru. Banyak iterasi perancangan dapat diselesaikan dalam waktu yang singkat dengan pendekatan ini. Anda mungkin mengetahui cara meningkatkan kegunaan spreadsheet, dan Anda dirninta untuk melakukan hal te
lsebut.
Spreadsheet untuk Perancangan Pegas Metode 2 Sebuah alternatif metode perancangan pegas ditunjukkan pada Gatnbar 19. 17. Metode ini men.rungkinkan perancang lebih bebas dalam mernanipulasi parameter-parameternya. Data yang digunakan secara nrendasar sanla dengan Contoh Soal 19.2, kecuali bahwa tidak ada kebutuhan untuk pernasangan pegas dalam lubang dengan ukuran tertentu. Kita menyebut
pernyataan masalah yang dimodifikasi ini sebagai Contoh Soal 19.3.
Edfr'tTh-
Sf]fl Ig.3
Prosesnya mirip dengan Metode l, karenanya hanya perbedaan-perbedaan utanra yang dibahas di bawah ini. Berikut bersaura-sama dengan spreadsheet pada Cantbar 19.17 untuk uraian Metode 2, Percobaan I dan 2.
@1. E[EE@ A,
Prosedur umum diuraikan pada bagian kepala spreadsheet. Perancang memilih bahan, rnemperkirakan diarneter kawat sebagai percobaan awal, tnenrasukkan tegangan
reaa6gs
I
rancangan sesuai perkiraan. Spreadsheet kemudian mengh itung diameter kawat percobaan baru dengan menggunakan rumus yang diturunkan dari persanraan dasar untuk tegangan geser dalarn pegas ulir tekan, Persamaan (19-4). Pengembangannya diuraikan di sini.
SKFC
(l
e-4)
7TD:,
F -- F,,dan
t
= r,/ (tegangan rancangan). Pemecahan untuk diameter kawat nrenrberikatr
(r e-e)
Pd{,r.r 9l Nilai K dan C belunr diketahui, tetapi perkiraan yang baik untuk dianreter karvat
dapat
dihitung jika indeks pegas diasumsikan rnendekati 7,0, sebuah nilai yang rvajar-. Nilai yang sesuai untuk faktor Wahl adalah K: 1,2 dari Persarraan (19-5). Penggabungan nilai-nilai asumsi dengan konstanta yang Iain dalarrr persamaan terdahulu rnerrrberikan
D,,:
2t,4(F,,)
l(r,,)
(r 9-r 0)
Rumus ini diprograrn menjadi spreadsheet dalam sel di kanan satu label D,,,, dianreter' kawat percobaan terh itung. 3.
Perancang kemudian nrerrasukkan ukuran kawat standar dan menentukan nilai revisi
untuk tegangan rancangan dan tegangan nraksinrum yang diizinkan dari grafik sifat bahan, Gambar I9.8 sarnpai 19.13. 4.
Spreadsheet kemudian rnenghitung tegangan nraksinrurn yang diizinkan untuk lilitan aktif pegas. Di sini logikanya adalah panjong solid harus hrrang tlari pcrtqf ang operasi. Panjang solid adalah hasil kalidianreter kawat dengan jumlah total lilitan. Untuk ujung
disiku dan digerinda, adalah
L.:D,,(N,,+2) Ingat bahwa untuk kondisi ujung pegas yang berbeda, keterkaitan untuk.jurnlalr
total lilitan juga berbeda Lihat pernbahasan "Jurnlah Lilitan" pada Subbab 19.3. Sekarang, dengan mengambil L,: L,,sebagai batas dan penrecahan untuk jurllah lilitan, dihasilkan (N,,)",.u,
:
Q,,- 2D,,) I D
Inilah rumus yang diprograrn menjadi sel spreadsheet ke kanan dengan label 5.
(r9-rr) N,,,,0..
Perancang sekarang ntempunyai kebebasan untuk mernilih jumlah lilitan aktif kurang
dari nilai maksimum terhitung. Ingat pengaruh dari keputusan itu. Perrilihan -junrlah
lilitan yang kecil memberikan kelonggaran lebih antara lilitan yang berdekatan dan lebih
sedikit kawat untuk setiap pegas. Tetapi tegangan yang dihasilkan untuk beban yang diberikan akan rnenjadi lebih besaq sehingga ada keterbatasan praktis. Satu pendekatan adalah mencoba secara progresif lilitan yang lebih sedikit sampaitegangannya mendekati tegangan rancangan. Sekalipun jurnlah lilitan dapat dibuat sembarang, bahkan jumlahnya pecahan, kanri rnenyarankarr untuk ntencoba nilai bulat yang diberikan pabrikan. 6.
Setelah nilai jurnlah lilitan terpilih dimasukkan, spreadsheet dapat menyelesaikan sisa perhitungan. Spreadsheet rnenggunakan satu tambahan rumus baru untuk menghitLrng nilai indeks pegas, C. Rurrrus ini dibuat dari bentuk kedua Persarraan (19-6) yang berhubungan dengan defleksi pegas,.l sesuai dengan gaya yang diterapkarr, 4 nilai C', dan parameter-parameter lain yang sudah diketahui. Peftarrra kita ntenrecahkan Cr:
.,8./D:,N,, :
,, Derleksi Pesos
+
8FC3 N,, GDu
GD:,
-t
-.|GD,,. 8FN,,
Sekarang perhatikan bahwa kita rnempunyai gaya F sebagai penyebut dan defleksi./ sebagai pembilang. Tetapi konstanta pegas i didefinisikan sebagai perbandingan F//. Kenrudian kita dapat mensubstitusi * sebagai penyebut dan pernecahan untuk C:
92
Elemcn-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis
GAMBAR 19.17 Spreadsheet untuk Perancangan Pegas Metode 2 dari Contoh Soal 19.3, Percobaan
PERANCANGAN PEGAS ULIR TBKAN-METODE
1
2
Menetapkan diameter kawat, tegangan rancangan, dan jumlah lilitan. Menghitung diameter rata-rata'
l. Masukkan data untuk gaya dan panjang. 2. Tentukan bahan; rnodulus geser, C; dan perkiraan untuk tegangan rancangan. 3. Masukkan diameter kawat percobaan. 4. Periksa nilai terhitung untuk konstanta pegas, panjang bebas, dan diameter baru untuk kawat percobaan. 5. Masukkan pilihan Anda untuk diameter kawat ukuran standar. 6. Masukkan tegangan rancangan dan tegangan rnaksinrunr yang diizinkan dari Cambar 19.8 sarttpai I 9. I 3 untuk D,,.
baru.
7. Periksa jurnlah lilitan rnaksinrum terlritung. Masukkan jLrrrlah lilitan aktualterpilih
ID Soal:
Nilai numerikilaiam'cetak miring pada bafian yang diblok harus dimasukkan untuk setiap soal.
Ulasan
Data InputAwal: l.',.,,
r,
:,,,' Gayaoperasi maksimunr = Panjang operasi :
.
Gaya terpasang:
Panjang terpasang : Jenii kawat pegas :
Modulus elastisitas geser kawat pegas =
Peikiraan awal tegangan rancangan : :. " Diameter awal kawat percobaan :
f'= l-F: L= o
',
o
12,0 lb 7,25 in
Catatan:{ :0 jika
.
l.
1,75 in
:
x,l,:
t,l2E + 0,7 ,,,;',:,144 000
D.": ',:
panjang bebas
Lihat Gambar 19.8 sampai 19.13
BajaASTMA23l G
l, :
psi
psi
DariTabel 19.4 Dari grafik tegangan rancangan
0,06 in
Data Terhitung:
: Panjang bebas terhitung : kawat percobaan terhitung : Konstanta pegas terhitung
Diameter
k:
8,00 lb/in
L,:
2,75 in
Du,:
0,042 in
Data lnput Sekunder:
.,-'''; '.,.,;:,,. :,r: :',..: Diameter kawat
standar =
I :.:::ll'iffilingU'mukrirnrrn yg diizinkun =
Terhitung: Maksimum jumlah lilitan
:
D,,rd = r.*. :
0,0475 in
"
Dari Tabel I9.2
149 000 psi
Dari grafik tegangan rancangan
174 000 psi
Gunakan kurva servis ringan
)/. i)
ilrxks
Input: Jumlah lilitan aktif =
22
Disarankan bilangan bulat
Nilai Terhitung: lndeks pegas : Faktor Wahl : Diameter rata-rata: Diameter luar: Diameter dalam : Panjang solid :
: : Tegangan pada panjang solid : Tegangan pada gaya operasi Gaya pada panjang solid
1)1 t,2t
C
K D D
0,343 in
D
0,296 in
Tidak boleh < 5,0
0,39r in
L
I,140 in
T
ll8030psi
F
r2,88 lb
T
126 685 psi
Tidak boleh > 1,25 Tidak boleh > 149 000
Tidak boleh >
174 000
Periksa Tekuk, Kelonggaran Lilitan, dan Ukuran Lubang: Rasio
tekuk:
Kelonggaran lilitan :
Jika dipasang pada sebuah lubang, diameter lubang
minimum:
l./D:
8,01
Periksa Gb.l9.l5 jika > 5,2
-
0,005 in
Harus > 0.00475
D,uouu*'
0,396 in
Untuk kelonggaran sisi
LL
9-l I
rl/J
n
(19-llr
' --lGD,,l [aatr,,
]
Rumus ini diprograrn ke dalarn sel spreadsheet di kanan label
7.
C:
Ingat bahwa C didefinisikan sebagai rasio D,,,1D,,. Kita sekarang dapat rnenrecahkarr diameter rata-rata:
D =CD Ini digunakan untuk menghitung diarneter rata-rata dalam sel ke kanan
8.
Ea@reA0 EHOEE Aa' t:lrcaacsa
cs
D,,,
:.
Sisa perhitungan lnenggunakan persarxaan yang telah dibuat dan yang digunakan sebelumnya. Lagi, perancang bertanggungjawab untuk mengevaluasi kesesuaian hasil dan untuk menyelesaikan suatu iterasi tambahan guna mencari hasil yang optilrum.
Sekarang perhatikan bahwa solusi yang diperoleh pada Percobaan I dan ditunjukkan dalam Ganrbar 19.17 adalahjauh darioptimum. Panjang bebasnya, sebesar 2,75 in,lebih paniang dibandingkan dengan diarneter rata-rata,0,343 in. Rasio tekuk L,/D,,,:8,01 menuniukkan bahwa pegas panjang dan ramping. Periksalah Cambar 19.15, kita dapat rnelihat bahwa pegas terprediksi tekuk. Satu cara untuk mernperbaiki geornetri agar lebilr sesuai adalah ntenambah diameter kawat dan mengurangi jurnlah Iilitan. Hasil akhirnya diameter rata-rata lebih besar, mernperbaiki rasio tekuk. Gambar 19. 18 menunjukkan hasil beberapa iterasi, akhirnya menggunakan D,. : 0,0625 in (lebih besar daripada nilai yang terdahulu: 0,0475 in) dan l6 lilitan aktif (tururr dari22 pada percobaan pertama). Rasio tekuk turun menjadi 4,99, menuniukkan bahwa tidak mungkin tertekuk. Tegangan pada gaya operasi lebih rendah daripada tegangan rancangan. Fitur geometris lainnya juga terlihat nternenuhi.
Contoh ini menunjukkan nilai penggunaan spreadsheet atau perhitungan dengan bantuan komputer lainnya. Anda hendaknya lebih peka terhadap jenis-jenis keputusan perancangan yang dapat membuat perancangan lebih optirnurn. Lihat Situs Internet 1 dan2 untuk perangkat Iunak perancangan pegas yang tersedia di pasaran.
I 9.7*P#,9-4-tJ5Rt
lffintrCl/:n, Ii:-El "s!!fLJl\JI\l
K,r
*;;=;r;;+11,,,,,;,i,,=,,.,
1
'l':''
:
Pegastarikdirancanguntukmenghasilkangayatarikdanuntukmenyimpanenergi.Merekadibuat darililitan-lilitanyangdigulungrapatrniripdenganpegasulirtekan.Kebanyakanpegastarikdibuat
dengan lilitan-lilitan yang berdekatan dan saling bersinggungan, sehingga harus diterapkan gaya awal untuk memisahkan lilitan-lilitan itu. Sekali lilitan dipisahkan, gaya secara linier proporsional dengan defleksinya, seperti pada pegas ulir tekan. Gambar 19.19 menunjukkan ciri pegas tarik dan Gambar 19.20 rnenunjukkan karakteristik jenis kurva beban-defleksi. Sebagai perjanjian, gaya awal diperoleh dengan rnenarik garis lurus dari kurva menuju ke defleksi nol. Tegangan dan defleksi untuk pegas tarik dapat dihitung dengan rumus yang digunakan untuk pegas tekan. persamaan (194) digunakan untuk tegangan geser puntiran, Persamaan (19-5) untuk faktor Wahl untuk rnenghitung lengkungan kawat dan tegangan geser lurus, dan Persamaan (19-6) untuk karakteristik defleksi. Semua lilitin pada pegs tarih dinyatakan aktif. Sebagai tambahan, selama ujung kait (loop atau hook) pegas mengalami defleksi, deflekiinya dapat memengaruh i konstanta pegas aktual.
Tarikan awalpada pegas tarik biasanya l0% sampai 25oh darigaya rancangan maksimum. Gambar 19.2 I menunjukkan rekomendasi dari pabrikan untuk tegangan puntiran yang disebabkan oleh tarikan awal sebagai fungsi indeks pegas.
9J
Eie
nen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
2 GAMBAR 19.1g Spreadsheet untuk Perancangan Pegas Metode 2 dari Contoh Soal 19.3, Percobaan
PERANCANGAN PBGAS ULIR TEKAN-MBTODE
2
rata-fata. Menetapkan diameter kawat, tegangan 136ss6g3n, dan juntlah Iilitan. Menghitung diarlleter
l.
Masukkan data untuk gaya dan panjang. 2. Tentukan bahan; modulus geser, (i; dan perkiraan untuk tegangall rancangan' 3. Masukkan diameter kawat percobaan. kawat percobaan' -1. Periksa nilai terhitung untuk konstanta pegas, panjang bebas, dan dianreter baru untuk standar' ukulan kawat 5. Masukkan pilihan Anda untuk diameter l9' I3 untuk D 6. Masukkan tegangan rancangan dan tegangan nraksirnunt yang diizinkan dari Garnbar 19.8 sanrpai
r.
baru.
periksa jumlah lilitan maksinrurn terhiturrg. Masukkan junrlah lilitan aktual terpililt Contoh Soal 19.3, Percobaan 2: ID Soal: Mtai numerik dalam cetak miring pada bagian yang D,, = 0,0625 diblok harus dimasukkan untuk setiap soal'
Data Input Awal:
'' : r'
, '. ,
:
,:
GaYaoPerasimaksimum:
I
CaYa terPasang
:
Panjang terpasang =
Jenis kawat Pegas : : Moduliis plastisitas geser kawat pegas ,r Perkiraan awal tegangan rancangan :
biameter awal kawat Percobaan =
Fo= L,,: F, : L,=
12,0Ib 1,25 in 8,0 lb
t'75 in
Baja ASTM A23
Catatan:
L, :
{ :0 jika
panjang bebas
Lihat Garnbar 19.8 samPai 19.13
I
: l,l2E + 0,7 psi r,t,: l4J 000 Psi 0,06 in D,, = G
DariTabel 19.4 Dari grafik tegangan rancangan
Data Terhitung:
: :
k:
8,00 lb/in
L/--
2,15 in
Diameter kawat percobaan terhituttg =
D,,,:
0,042 in
= ra : r,nuk. :
0,0625 in
Konstanta Pegas terlritung Panjang bebas terhitung
Data Input Sekunder: Diameter kawat standar = Tegangan perancangan :
feAangan maksimum Yg diizinkan =
Terhitung: Maksirnum jumlah Iilitan Input: Jumlah lilitan aktif
:
=
D,,
Nn,"k,
I
42 600 Psi
167 40A psi
DariTabel
19.2
Dari grafik tegangan rancangan Gunakan kurva servis ringan
: Disarankan bilangan bulat
N" =
Nilai Terhitung:
: : Diameter rata-rata : Indeks Pegas Faktor Wahl
Diameter
luar:
Diameter dalam : Panjang solid : Tegangan pada gaya oPerasi : Gaya pada panjang solid : : Tegangan pada panjang solid
C: K: D: D: D: L:
8,81
Tidak troleh < 5'0
t,t] 0,55 r in
0,613 in 0,488 in 1,125 in
80341 psi
F:
Tidak boleh > l'25 Tidak boleh > 142600
r3,00 lb 87 036 psi
Tidak boleh >
167 400
Periksa Tekuk, Kelonggaran Lilitan, dan Ukuran Lubang: Rasio
tekuk:
L/D:
LL_ Kelonggaran lilitan: D,unnn,' lubang diameter lubang, Jika dipasang pada sebuah
lnlnlmum:
4,99
0,0078 in
0,6r9 in
Periksa Cb.l9. l5 jika > 5,2 Harus > 0.00625
Untuk kelonggaran sisi
I oAilBAR t9.t9 Pegas tarik
r i
1
oAUBAR t9.20 Kurva beban-defleksi untuk pegas tarik
Defleksi
OAMBAR
200
'6
J
1<
o
6 =
c
150
o
*xo o G
€
3rs
g
€c l o
l-
o
o-
i o c o o
I9.2I
Tegangan geser puntiran yang disarankan pada pegas tarik akibat tarikan awal (Data dari Associated Spring, Barnes Group, lnc.)
o
-Rentang yang dis ut
100 P
I
El0 o o
o
.o
-\
5 6 7 I 9 l0 lt t2 t3 14 15 16 lndeks pegas, C = D,, lD*
Konfigurasi Ujung untuk pegas Tarik Banyak variasi konfigurasi ujung untuk mengaitkan pegas pada elernen rnesin, beberapa di antaranya ditunjukkan pada Gantbar 19'4. Harga pegas dapat sangat dipengaruhi oleh jenis u.iungnya, dan disarankan untuk berkonsultasi dengap pabrikan sebelum menentukan ujung-ujung pegas. Sering kali bagian terlemah dari pegas tarik adalah ujungnya, terutama dalam kasus-kasus pembebanan lelah. Ujung kait yang ditunjukkan dalarn Gambar 19.22, misalnya, rnempunyai tegangan lengkung yang tinggi pada titik,4 dap tegangan geser puntiran pada titik B. Perkiraan untuk tegangan pada ritik- titik ini dapat Jirritrng sebagai berikut:
96
Ejemen-Elenren Mesin clqlant perancongon ll4ekani,s
eAil8AR t9.22 Tegangan pada ujung_ujung pegas tarik
1.,,
I I
p-
tll l,l
#'
(a) Tegangan lengkung pada A
(b) Tegangan puntir pada
Tegangan Lengkung pada A orl
_ l6Du,F,,Kt 4F., -_-'---.-.:_-+', nD:i. ,rD:,,
,
l\l--
(r
_aCl _c, _t
(t9-t4)
4C,(cr _ t)
C1
:2R,
e-I3)
/ D,,,
Tegangan puntir pada B 8D...F K. ,,---..--.:(r e-t s)
"D;',
,, Ar:_+- 4C2_4 4C._l
C2
:2R2
(r
e-l 6)
/ D,,.
Berkenaan dengan kelengkungan kawat, rasio '-'- C-i dan C', sebaiknya besar, biasanya lebih besar tegangan yang tinggi. dari 4, untuk ntencegall
Tegangan yang Diizinkan untuk pegas Tarik Tbgangan geser puntiran dalam lilitan pegas dan kait-kait uiung dapat dibandingkan dengan satnpai l9'13' Beberapa perancang kurva pada Ganrbar lg.g rnengurangitegangan yrng Jiirintun
ini kira--kirr;.-.;;.
XlilT::Il[Jilll.TX;X;*:"Um;15,,,Jt*#*l*ilL','XXI,*0,,,
a"ngu,,
irz. r.*rrgan rengkung t.st,g;n r.ng,.ungyans diizinkai
m,,mIi-sEiIf$.{Sebuahpegasulirtarikdipasangouou*un.
fl:tifl'fffl;lT[llT'[:x::":l
in. Bita kancing dibura, pegas tertarik :"ro-o"ou 0.,:.i; ?;;;; punju;gn;;;',r#;rlX:T 26,7s tb. Diharapkan diameter kira-kira hanya r0 kari
tuar 5/8
l,
f,o,oij"irj.
ilk-tirik
penarnbaran j,56
;t,;;li,It*j:*:ffj#
#;;;;i;,J,*li,uou,
perl:lirdu], *grrg"r r..cangan
derrgan siklus
akan didasal.kan pada servis rata. Cunakan kawat baja ASTM rara_ A227."Ruicangtan pegas tersebut.
@|.p:nisebelumnya'prosedttrperancanganyangdisarankanakandiberikandalambeberapa langkah, diikuti perhitungan-pernitunga-n
untuk sekunrpulan data di atas.
Pcg.r.t 9Lungkah /. Asurnsikan dianreter rata-rata percobaan dan tegangan rancangan percobaan untuk pegas. Tentukan diameter rata-rata 0,500 in. Untuk kawat ASTM A227 dengan servis rata-rata. tegangan rancangan ll0 000 psi adalah wajar (dari Garnbar 19.8).
Lungkah 2. Menghitung diarneter kawat percobaan dari Persanraarr (19-4) untuk gaya operasi maksimum, tegangan rancangan dan diameter rata-rata yang diasumsikan, dan nilai K yang diasumsikan 1,20. rl/.1
f^
" :prr,,o,,,{
o,.
t rr,t ]
r
rl/3
:l(8xr.20x26.7sx0.50)l :n,nrrin t (zrXll0 000) l
Ukuran ini tersedia dalam ukuran kawat standar pada sistem U.S. Steel Wire
Gage.
Menggunakan gage- I 5.
Longkah J. Menentukan tegangan rancangan aktual untuk ukuran kawat terpilih. Dari Gambat'19.8, untuk ukuran kawat 0,072 in, tegangan rancangannya adalah
120
000 psi.
Langkah 4. Menghitung nilai aktual untuk diarneter luar, dianreter rata-rata, diarneter dalanr, indeks pegas, dan faktor Wahl, K. Faktor-faktor in i sanra seperti yang telah didefin isikan untuk pegas ulir tekan. Tetapkan diarneter Iuar pegas 0,625 in. Kenrudian D,,,
= OD
-
D,, :0,625
tD = oD -2D,, :
- 0,072: 0,553 in
0,625
-2(0,072):
0,48
r
in
C = D,,/D,,: 0,553/0,072 = 7,68
K
_ 4C -t _ 0.615 _ 4(7.68)-l _ 0.615 : 4C-4 C 4(1.68)-4 7,68
t.t9
Langkuh 5. Menghitung tegangan ekspektasi aktual dalarn kawat pegas akibat beban operasi dari Persamaan (19-4):
,,, :8KF,,?,,,
nD:,
{!2!1492:
:
l2o ooo
r$,072)
psi (baik)
Lungkah 6. Menghitung jLrrr lah lilitan yang diperlukan untuk rnenghasilkan karakteristik
defleksi yang diinginkan. Menyelesaikan Persauraan substitusikan k : gayaldefleksi : F//: k
r
"
:
-
26'75 4.25
-
l-6'25
(19-{) untuk jurnlah lilitan,
darr
: l4,o lb/in
-3.50
k: #jrEryg, :
16,3 rlitan
Langkdt 7. Merrghitung panjang bodi pegas, dan rnengusulkan rancangan
percobaan
untuk ujung-ujung pegas. Parrjarrg bodi
:
D,,(N,
+
l):
(0,072)(16,3 +
l):
1,25 in
Kita usulkan untuk rlenggunakan kait penuh pada setiap ujung pegas, tarnbahan panjang ID pada setiap ujung. Kemudian panjang bebas total adalah
sanra dengan
98
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancqngan Mekanis L,
:
panjanS bodi + 2(lD) -- 1,25 + 2(0,481) = 2.2
I
in
Lungkah 8. Menghitung defleksi dari panjang bebas ke panjang operasi:
F,,: L,,* Lr: Langkilt 9. Menghitung gaya awal
4,25
-2,21
:2,04
in
dalarrr pegas pada saat lilitan mulai terpisah. Hal irti
dilakukan dengan rrengurangijurrrlah gaya yang merryebabkan defleksi,./ F,
:
F,,- U,
:
26,75 -(14,0X2,04)
:
:
-1,81 lb
Gaya negatifyang dihasilkan dari panjang bebas yang terlalu kecil untuk kondisi tersebut jelas tidak mungkin. Mari kita coba L,= 2,50 in, yang akan merner'lukan perancangan ulang untuk kait-kait ujungnya. Kemudian
r,:
tr:l-r\_r50:l,75in zc.)i- ri+olr
i)rl:
2.2s tb(wajar)
Langkoh 10. Menghitung tegangan dalanr pegas pada tarikan awal, merrrbandingkannya dengan tirrgkat yang dlsarankan dalaln Canrbar 19.2 Karena tegangarl adalah proporsional terhadap beban,
n, :r,,(F,/F,,): (120 000)(2,25126,75): l0
darr
l.
100 psi
Untuk C = 7,68 tegangan ini ternrasuk dalam rentang yang disarankan dari Gambar 19.2 l. Padatitik ini, porsi lilitan pegas nreurenuhi. Konfigurasiakhirdarikait-kait ujung harus dilengkapi dan tegangannya harus dianalisis.
19.8
PEGAS ULIR PUNTIR
Banyak elemen mesin memerlukan pegas yang menghasilkan momen putar, atau torsi, daripada gaya tarik atau tekan. Pegas ulir puntir dirancang untuk memenuhi kebutuhan ini. Tampilan urr.rurll [ryIUE)lL] @ pegas ulir puntir sama seperti pegas ulir tarik atau tekan, dengan kawat bulat yang digulung menjadi bentuk silindris. Biasanya lilitan-lilitannya sangat rapat dengan kelonggaran kecil, tnenlungkinkan tidak ada tarikan awal pada pegas seperli yang terjadi pada pegas tarik. Ganrbar 19.23 menunjukkan beberapa contoh pegas puntir dengan
try-i-\ -?tt^*, l\
perlakuarr ujung yang bervariasi.
Jepitan baju menggunakan pegas puntir untuk rnenghasilkatr gaya jepit. Banyak pintu lenlari dirancang dapat tnenutup secara otomatis dengan pengaruh pegas puntir. Beberapa pengatur waktu (tinter) dan saklar lrlenggtrnakarl pegas puntir untuk menggerakkan mekanisme atau menutup kontak. Pegas puntir sering rtrelrrberikan pengirrrbang pada eletrrenelernen mesin yang dipasang pada pelat yang menggantung.
oAlilBAR 19.23 Pegas puntir menunjukkan jenis ujung yang bervariasi
o
W
@ ffi
m \r/
bW a
# ffi
,'"-
r--
9q
Berikut adalah beberapa ciri khas dan petunjuk perancangan pegas puntir:
l. 2. 3.
Momen yang dikenakan pada pegas puntir harus selalu beraksi dalarn arah yang rnenyebabkan lilitan rnengsulung setnakin kencang, bukan nternbuka gulungarl pegas. Hal ini nrenranfaatkan keuntungan tegangan sisa dalanr karr at setelah proses pembentukan pegas. Dalam kondisi bebas (tanpa beban), definisi dianreter rata-rata, diameter luar, dianreter dalanr, dianreter kar.vat. dan indeks pegas adalah sama seperti yang digunakan untuk pegas tekan. Bila beban pada pegas puntir bertambah, diarrreter rata-ratanya, D,,,, berkurang, dan panjangnya, L, bertambah, sesuai dengan hubungan berikut;
D* = D,,,,N,,(N, + D,,,,
dengan
0)
(19-17)
:
dianreter rata-rata awat pada kondisi bebas pegas (akan didefinisikan kerrrudian) pegas defleksi angular dari kondisi bebas, dinyatakarr dalanr putaran atau bagian putararl
N,,: jurnlah lilitan aktif dalarn
0:
L--D,,((,+t+e)
4.
(le-r
8)
Persatrraan ini rnengasuursikan bahrva senrua lilitarr bersinggungan. Jika ada suatu kelonggaran, sebagaimana sering diinginkan untuk rnengurangi gesekan, rnaka panjangnya ditarrrbah N,, kali kelonggarannya. Pegas puntir harus didukurrg pada tiga titik atau lebilr. Pegas ini biasanya dipasang di sekeliling batang untuk menyediakan lokasi dan untuk rnemindahkan gaya-gaya reaksi ke struktur. Dianreter batang sebaiknya kira-kira 90% dari lD pegas pada saat beban nraksimurn.
Perhitungan Tegangan Tegangan dalarn lilitan pegas ulir puntir adalah legangon lengkung yang timbul karena nlorrren yang diberikan cenderung
melengkungkan setiap lilitan menjadi berdiarreter lebih kecil. Oleh sebab itu, tegangan dihitung dari sebuah rumus o: Mc/1, yang dirnodifikasi untuk perlritLrngan kawat nrelengkurrg. Juga, karena kebanyakan pegas puntir dibuat dari kawat bundar, nraka nrodulus penantpang I/c adalah S : xD3,,/32. Dengan dernikian pelengkungan ,
McK6
MKr,
I Ko adalah
:MKN: rol,
tlz
(r e-r e)
n D',,
faktor koreksi lengkungan dan dilaporkan oleh Walrl (lihat Referensi 9) sebagai
Kr,
4c2 -c -l 4C(C -t)
denganC =indekspegas
Defleksi, Konstanta Pegas, dan Jumlah Lilitan Persamaan dasar untuk menentukan defleksi adalah
0'
dengan
32MKt,
0':
defornrasi angular pegas dalam radian (rad) diterapkan atau torsi panjang kawat pada pegas modulus elastisitas rnomen kelembanran kawat pegas
M = nromen yang
: : / : L,,
E
:
A4L,,lEl
(t9-20)
l(10 (.la
Elemen-Elenten Mesin dalqm Perancengon Mekqnis
dapat mensubstitusi persamaan untuk 2,,, dan
r:ntuk lang lebih baik bagi aplikasi
,, MLu.
"
l dan mengubah
0'(r'adian) nrenjadi 0 (putaran) untuk menghasilkan
pegas puntir:
putaran 10,2MD,,,N,, t 64) 2" ,"*t - -- E*.
M(nD,,,N,, I
- EI - iG*
(re-21)
Untuk menghitung konstanta pegas, k, (rnomen per putaran), pecahkan untuk M/0
, M
Kn=
Gesekan antarlilitan dan antara
lD
EDI,
o:ro2D,Jrl ,
pegas dengan batang pengarah mungkin sedikit mengurangi konstanta dari
(te-22) nilai di
atas.
Jumlah lilitan, N,, terdiri dari kombinasijurnlah Iilitan bodi pegas, disebut No, dan juga kontribusi ujung-ujung pegas yang dilengkungkan. Kontribusi ujung-ujung pegas, disebut N,, rnernpunyai panjang L, dan L, kita rnernpunyai N ..
: (L, + L,)l(3 xD,,,)
(le-23)
Kemudian rnenghitung N,, = N, + N"
Tegangan Rancangan Karena tegangan pada pegas puntir adalah lengkung dan bukan geser puntiran, rnaka tegangan rancangannya berbeda dari yang digunakan untuk pegas tarik dan tekan. Gambar 19.24 sampai 19.29 meliputi enam grafik hubungan tegangan rancangan dan diameter kawat untuk paduan-paduan yang sarna dengan yang digunakan sebelurnnya untuk pegas tekan.
Prosedur Perancangan untuk Pegas Puntir Prosedur umum untuk perancangan pegas puntir disajikan dan diilustrasikan dengan Contoh Soal 19.5.
setelah timer berputar satu putaran penuh. Saklar penghubung digerakkan oleh pegas puntir yang akan dirancang. Nok pada poros timer pelan-pelan menggerakkan tuas yang dikaitkan pada salah satu ujung pegas ke suatu titik di rnana torsi maksimum pada pegas 3,00 lb'in. Pada akhir putaran, nok mernungkinkan tuas secara tiba-tiba berputar 60o dengan gerakan yang dihasilkan oleh energi yang tersimpan dalarn pegas. Pada posisi yang baru ini, torsi pada pegas I ,60 lb'in. Karena keterbatasan ruang, OD pegas tidak boleh lebih besar daripada 0,50 in dan panjangnya tidak lebih dari 0,75 in. Gunakan kawat musik, kawat ba.ia ASTM 4228. Jurnah siklus kerja pegas adalah sedang, sehingga menggunakan tegangan rancangan untuk servis rata-rata.
Pego.s EAMBAR
I9.24
l0l
Diameter karvat, mm
1r. 4 .l rt
Perancangan tegangan lengkung untuk pegas puntir kawat baja ASTM A227, ditartk keras (Dicetak ulang dari Harold
Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 144, seizin Marcel Dekker, lnc.)
'a
e. .i 1
?a
tr.
4 .;t
.,
ta
"i /-
ir
i:t
i
:
x.
.q
=
l5{}
I
r]li
oo
c
s co
3 0
\l,i
t:rr
a
o C
F
o
o
Fo
:;aaa: rl
a,
1:ta.
Diameter kawat, in
0AITIBAR 19.25
Diameter karvat. mm
Perancangan tegangan lengkung untuk pegas puntir kawat musik ASTM A22B (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 143, seizin Marcel Dekker, lnc.)
lili{ Pegas puntir Kawat Musik. ASTM A228
trlrl
lrrrl
t?t"i
l.l0
l{r.i-i e
'6 l:{l i
3 c
l
0_
:tttt
Lxil
r8{)
llt(r
o
o
e
I If)0 t)6
j
N]:
Diameter kawat, in
c o
P G o Fo
Ittl
-..
-:.':-E.'.'ntett .\lcsin dalam Perottcangon Mekattis
GAIIBAR I9.26 f, e:ancangan tegangan Iengkung -r:;k pegas puntir kawat baja 4229, ditemper dengan ^STM - nyak. MB grade (Dicetak - ang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, "im 146, seizin Marcel Dekker,
lnc
)
Diameter kawat, nrnr
a'a€1
arl
.r
tr'.
7:
? a
a
q
a-
-r. "l t;:?::
l6t)
=
a
a.
1. i
l9i
I
{ri.t
r:t.i .-
l.1lJ(]
lr){}
@
0-
i
c o
I
Ifi() P 6
ll0 ooc o
o
,o
I I {}{l
I6(l
I
o Fo
.)b-<,
"l{}
sli f)9{i
i:-a a.i
a
:)
-:a Diameter kawat. in
Diameter kawat. mm
GAIvIBAR 19.27
1
Perancangan tegangan lengkung untuk pegas puntir kawat baja ASTM A23'1, paduan krom-vanadium, kualitas pegas katup (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 147, seizin Marcel Dekker, lnc.)
.r
a.
?.t ? a, c
a c
L. r
-i z
.t j. r
7r5
r
655
I515 'o c 6 o
f
o Fo
rti0
1{)(l
r8{)
r r{n)
9i,i N::
Dian'reter kawat. in
o
0-
i 3,
c 6 o 0
I tt3
CAMBAR I9.2S
Diameter kawat, mm
Perancangan tegangan lengkung untuk pegas puntir kawat baja ASTM A401, paduan krom-silikon, ditemper dengan minyak (Dicetak ulang dari Harold Carlson, Spring Designer's Handbook, hlm. 148, seizin Marcel Dekker, lnc.)
'i.carli
l:-'i l5s5
o
0-
ia o
lliLi
C
rc
o
o t".11{}
tllll
rla " .t
a
€ =
a I
-
:
:
l),'lj
r
i!ii
4Xn;-
y-
Diameter kawat, in
GAIvIBAR 19.29
Diameter kawat, mm
tr3*-€
Perancangan tegangan lengkung untuk pegas puntir kawat baja tahan karat ASTM A313, tipe 302 dan 304, tahan korosi (Dicetak ulang dari Harold
:
rt
al
ra
*
Ii0
l1-i0
Carlson, Spring Designer's
t90
Handbook, hlm. 150, seizin Marcel Dekker, lnc.)
-9 l?o 6 o c
o o o
il
:il{)
J!
I
f
_-
I
l{1
I{):15
-\{l
3 c o o o
F
rl0
-{,)5
?a{1
It
a)
.a
Diameter kawat. in
101
Elenren-Elcnten llle:;itt tlolan Peroncan{acrn Mekuni.v
pEf,n
EEA[f 65
Longkult 1. Asumsikan nilai percobaan untuk diarneter rata-rata dan estinlasi ulrtuk tegangan rancangan. Kita gLutakan diarneter rata-rata 0.100 in dan estinTasi tegangan ralcangan untuk kawat ntLrsik A228, servis rata-rata, adalah 180 000 psi (Gambar 19.25).
Lungkah 2. Memecahkan Persantaan (19-19) untuk diarleter karvat, ntenghitung dipilih K, - 1,15.
ukLrran percobaan, dan rremilih ukuratr karvat standar. Sebagai estilllasi Juga rtrenggunakan torsi yalrg paling besar diterapkan: ,
,l -'l
L PSr
I
D' lit^/(/, I _
r
rl
.l
li2(i.0xl.l5)l ooo)]
o.or,
,,.,
IPtl8o
Dari Tabel 19.2, kita dapat nrenrilih kawat nrusik gage-25 dengan diarneter 0,059 in. UntLrk tukuran kar.vat ini, tegangan rarlcangarr aktual urrtuk servis rata-rata adalah 178 000 psi.
Langkulr 3. MenghiturtgOD, 1D, indeks pegas, dan K, baru: OD =
+ D,, :0,400 + 0,059 = 0,459 in (baik)
D,,,
- - D,, :0,400 - 0,059 : 0,341 in c - D,,,/ D,, : 0,400 / 0,059:6,78
lD
D,,,
.. 4c: ('- | " l( '(( ' - l)
4(6,78)r
- 6,78- I
4(6. 78X6. 78
-
,
l)
Lungkalt 4. Menghitung tegangan ekspektasi aktual dari Persat]laan (19-19):
, :rr*1,,_ 32(3,,xt,t2j):167 000 psi(baik)
pD;
(pXo, ose)'
Langkolt 5. Menghitung konstanta pegas dari data yang diberikan' Torsi yang dihasilkan pegas berkurang dari 3,00 menjadi 1,60 lb'in bila pegas berputar 60o. Konversikan 60o nleniadi fi'aksi putaran:
u
At no- q
:
60
360
3.00
-
:0'167
PLrtaran
1.60
0,167
Lurtgkult 6. Menghitultg -iuntlalr lilitan yang diperlLrkan dengan ntettrecahkan N, dari Persatttaatt
(19)2):
r, :
#*,: ###ffi
:
ro 3 riritan
Lungkah 7. Menghitung.iunrlah lilitan ekuivalen 1'ang disebabkan ujung-ujung pegas dari Persamaan (I9-23).
Hal ini lrenrerlukan beberapa keputusan perancaltgan. Marilah kita nrenggunakan ujung-ujunglurus,panjangnya2.0inpadasatusisi dan l.0irrpadasisi lainnya.Ujung-uJung ini akan dikaitkan pada struktur titner selanta operasi. Dengarl dernikian
N,:
(1, + L.) l(3nD,,): (2.0 + l-0)1[3n (0.400)]
:
0,80 lilitan
I {15
Langkult 8. Menghitung jurnlah Iilitan pada bodi pegas:
N,:N,, N : t0,3-0.8:9,5 liliran Langkult 9. Menghitung rancangan georletris pegas, tenrasuk ukuran batartg cli rttatta pegas akan dipasang. Pertarna kita nreurerlukan defieksi angular total pegas dari kondisi bebas sarttpai beban rnaksinrum. Dalarn kasus ini, kita rlengetahui bahrva pegas berputar 60o selanra opclasi. Kita
harus rnenan.rbah putaran dari korrdisi bebas ke torsi awal, 1,60 lb'in..ladi. 0, = M,
/ kt): 1,60 Ib'in/(8,4 lb'in/putaran)
= 0,19 pLrtaran
Kerrudian putaran total adalah 0,
:
0,
+
0,,
:
0,
l9 + 0, 167 = 0,357
ptttaran
Dari Persanraan ( l9-15), diarleter rata-rata pada torsi opelasi nraksirrutn adalah
D,,:
D,,,N,,4N,, +
0,): [(0.400Xr0,3)]/(r0,3
+ 0,357)l:0,387 in
Diaureter dalanr rnininrurl adalalr
lDu,;.:0,387
-
D,,
:
0,387
-
0,059
:
0,328 in
Diameter batang yang digLrnakan untuk rlremasang pegas sebaikrrya 0.90 kali nilai di atas. Kemudian
D,
:
0.90(0.328)
:
0,29-5
in
(katakarr. 0,30)
Asurnsikan bahrva semua lilitan aslinya saling bersinggungan, panyang pegas dihitLrng clari Persamaan (19-18):
In,nu,: Du
({,+
t +0,):(0,059X10,3 + I +0,356):0,688
in
Nilai panjang ini adalah ruangarl rnaksirnunr yang dibutuhkan dalarl
(bail<) at'ah rnentaniang
lilitan bila pegas digeral
19.9 MEMPERBAIKI UNJUK KERIA PECAS DENGAN SHOT PEENING Data yarrg disajikan dalam bab ini untuk bahan karvat pegas adalah data urttuk katvat pegas yang tersedia di ltasararl dengan kehalusan pennukaan yang baik. Berikan perhatian untuk nrencegah takik dan goresan pada ka'uvat pegas, yang dapat rnenyebabkan awal retak akibat kelelahan. Ketika perrbentukan u.iung-ujung pegas tarik atau ketika menciptakan bentuk khusus yang lain, jari-jari lengkungan sebaiknya sebesar nrun-qkin untuk nrencegah daeralt tegangan sisa 1'ang tinggi setelah proses pelengkungan. Aplikasi kritis dapat dilakukan dengan nrenggunakan shot peening untuk mernpertinggi ketahanan lelah pada pegas dan elemen-elernen mesin yang lain. Contohnya adalah pcgas katup untuk nresin, pegas siklus cepat dalant peralatalt otornasi, pegas kopling tidak tetap, aplikasi kedirgantaraan. peralatan nredis, roda gigi, baling-baling pornpa. datt sistcnr militer. Sltot peening adalah sebuah proses di rnana peluru-peluru kecilyang keras, disebut.sfiol, dengan kecepatan tinggi diarahkan pada perrnukaan yang hendak diberi perlakuan. S/ro1 rru'nyebabkan teriadinya defbrnrasi plastis lokal ranl kecil di sekitar permukaan itu. Bahan di bawah area defbrrrasi kerrrudian akan rnengalanri tegangan tekan oleh karcn-t bahan cenderung berusaha rnengernbalikan permukaan tersebut ke bentuk semula. Tegangan tekan sisa )'ang. tinggi p,:.1.r pen.nukaan adalah hasilyang akan dicapai dan merupakan suatu kondisiyang diharapkan. Retak kelelahan biasanl.l J ., ,, "
106 pacla
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis
titik yang mengalami tegangan tarik yang tinggi. Olelr sebab itu, tegangan tekan sisa cenderttng ntenghindarkan
retak dari pengawalannya, dan kekuatan bahan terhadap kelelahan bertambah secara signifikan. l-ihat Situs Interrret 12.
19.10 PEMBUATAN PEGAS Mesin pernbentuk pegas adalah contoh yang sangat rrenarik dari peralatan kecepatan tinggi, fleksibel, dapat diprogranl, nrLrltistirnbu, dan multifungsi. Situs lntemet 6 menun-iukkan ganrbar dari beberapa.lenis nresin yang ntelipLrti sistem kawat, roda-roda lilit, dan aneka raganr kepala pentbentuk. Sistenl yang lnenggunakan CNC (compulcr pengulrpanan 'n,,,,reriiol control) dapat rnelakukan pengaturan dan penyesuaian secara cepat dalarn nrentbuat berbagai variasi bentuk bodi dan ujung pegas secara otomatis seperli ditunjukkan pada Ganrbar 19.2 dan 19.4. Selanjutnya, benluk-bentttk kawat yang lebih kornpleks dapat dibuat dengan nrenggunakan penlepit, pencekant, dan penyiku yang khusus. Peralatan tambahan ttntuk tnesin-rnesin penlbentuk pegas adalah:
.
Sistern yang digunakan untuk ntenangani lilitan besar kawat bakalan, yang dapat ntelepas lilitan secara halus seperti
.
yang diperlukan. pelu-rus yang digunakan untuk nrenghilangkan berrgkokan pada kawat yang dililitkan sebelrtntnya santpai lrretllbentuk pegas.
Gerinda yang dipakai untuk membentuk ujung pegas tekanjenis disiku dan digerinda. Tr.rngku perlakuan panas yang digunakan untuk menghilangkan tegangan pada pegas segera setelah penlbentukan seh ingga tetap melllpertahankan geometinya yarrg klr usus. Peralatan shot peening seperli dijelaskan pada Subbab 19.9.
'. .
REFERTNSI |
.
Associated Spring, Barnes Group, lnc. Engineering
6.
Shigley,
l.
Society
Guide to Spring Design. Bristol, CT: Associated 2.
Spring, 1987. Carlson, Harold. Spring Designeris Hqndbook. New York: Marcel Dekker. 1978.
Carlson, Harold, Springs-Troubleshootittg 4.
5.
Hill,
ttncl
Failure Anal);sis. Nerv York: Marcel Dekker, 1980. Faires, V. M. Desrgtt o/'Muchine Elements, 4th ed. New York: Macmillan. 1965. oberg, E., et al. MachinarytisHandbook,26th ed' New York: Industrial Press. 2000.
J. E., and C. R. Miscl'rke. Mechunicul Engineering Design, 6th ed. Nerv York: McGrarv-
8.
9.
200
r.
of Automotive
Engineers. Spring De.sigtt Nlanuol.2d ed. Warrendale, PA: Society ofAutonrotive Engineers, 1995. Spring Manufhcturel's Institute. Hunclbook o/. Spt'irtg Design. Oak Book, IL: Spring Mantrfhcturers Institute, 2002. Wahl, A. M. Mechqnical Springs. Nerv York:
McGraw-Hill,
1963.
SIqUS INIERNEf UNTUK PERANCANEAN AOEKANIS SECARA ATIUIII l.
Spring Manufacturer's
Instituts
v;\4tvt.5n1i/111.
J.
org
Asosiasi industri pentbuat pegas dan penyedia publikasi teknis, perangkat lunak perancangan pegas, pendidikan, dan berbagai jasa pelayanan. Perangkat
lunaknya yang disebut Advance Spring Dc.sigtt
mernfasilitasi perancangan beragam jenis pegas, terurasuk tekan, tarik, puntir, dan lain-lainnya.
2.
Institute of Spring TechnologY
uk
vtutw. tst.org..
Menyediakan berbagai riset, pengembangan, pemecahan masalah, analisis kegagalan, pelatihan, perangkat lunak CAD, pengujian bahan dan mekanis untuk industri pegas.
4.
Associated Spring-Barnes Group, Inc. lltlrll'. asbg.utn Pabrikan besar pegas-pegas presisi untuk industri seperti transportasi, telekomunikasi, elektronik, peralatarr rumah tangga, dan alat-alat perkebunan. Associatecl Spring
Raymond vtttttr.qsroymoncl.cont Produsen berbagai ntacalr pegas dan kourponetr-
kornponen terkait. Katalog online pegas-pegas dari jaringan SPEC yang menyediakan pegas tekan, tarik, dan puntir, ring pegas, pegas gas, pegas gaya konstan, pegas-pegas urethane.
lr'Century Spring
cont
Corporation
kawat rnusik (biasa dan dilapisir. i.i"r,,: tinggi untLrk peluru (riir.r.irlc). ba.ia talrrn ^
:,lr:;'':,l,.century)sprittg.
Produsen berbagai utacant pegas. Katalog online pegas tekan, tarik, puntir, pegas cetak, pegaspegas urethane, dan pegas rajutan.
la in n1,a.
10.
Unidex Machinery Company unidexmachinery.com Pabrikan
1
OriirnecCorporation
cont
ofAmerica
lt. Alloy Wire lntcrnational
Mapes Piano String
Cornpany
-
dan
irll,r,.rrllo\'t.r1,'r.rr,,,,
Pabrikan karvat bulat dan berbagai bentLrk dari paduarr super sepefii Ir.rcorrel'*', Incoloy'o', Monel*' (rnerek dagang perusalraan Special Metals CroLrp), hastellol. dan titaniurr.
ant er icans pr i npgu i re. co
9.
itnr.littla/ull.i,r/i,,,i'
Daftar produk rneliputi data sifat-sifat fisis
American Spring Wire Corporation l.,ll,ll nr Pernbuat kawat pegas untuk katup kualitas tinggi dan biasa dari baja karbon darr baja paduan. Juga nremproduksi kawat 7-helai untuk aplikasi beban tarik yang berat seperti pentbebanan awal atau akhir pada struktur beton.
lnc.
rrekan is.
w.,r,ty.ot'iinrcc.
Pabrikan pegas mesin CNC pentbentuk nrultisurnbu, rnesin lilit CNC, dan pegas tarik mesin.
Little Falls Alloys,
Perrbuat kawat nonfbt'rorr,s seperti terlba{:a bc'r'i I iulr. kuningan, perunggu fosl'or, nikel. dan cupro-nikcl.
l,r/11 pegas CNC bentukan mesin, rnesin lilit, dan alat-alat terkait.
t2.
Metal
Im
provenrent
Conr
pany
1r'r'11
nrelolintpru.tvctnctll.cont Penyedia layanart,slt.r/peening untuk industri-indLrstri kcdirgantaraarr.
y,tt'ty.nrapestrit'c.
otornotif', kinria. kelautan, pertanian, pertarlbangarr.
corr
Pabrikan kawat pegas, kalvat piano, dan karvat khusus untuk tali gitar. Kawat-kawat pegas terutasuk
dan keselratan.
SOAL-SOAL Pegas Tekan
L
2.
Data sebLrah pegas diketahui sebagai berikut:
Jumlah lilitan total
keseluruhan 2,75 in dan ketika mentbawa beban 12.0 lb panjangnya rnenjadi 1,85 in. Hitunglah konsranta pegas tersebut.
U.i rrng-rr urrg pegas cl is iku drrr d igelincla Dianreter lLrar : 0.-560 irr Diarneter kawat - 0,059 in (karvat rrusik gage-25) Pan jang bebas = 4,22 i'r Untuk pegas ini, hitunglah indeks pegas, -larak bagi,
Sebuah pegas dibebarri arval dengan 4,65
nrerrpunyai panjang 1,25
in.
dan pegas bebas
sudutjarak bagi, dan panjang solid.
pegas? Sebuah pegas lnelxpunyai konstanta pegas 76,7
lblin.
Pada beban 32,2 lb, panjangnya 0,830 in. Panjang solidnya 0,626 it. Hitunglah gaya yang dibutuhkan untuk rrrenekan pegas sampai pada panjang solidnya. itunglah juga panjang bebas pegas. Sebuah pegas ketika tidak terbebani ntenrpunyai H
panjang keseluruhan 63,5 nrm dan ketika rnentbawa beban 99,2 N panjangnya menjadi 37,I ntrn. Hitunglah konstanta pegas.
Sebuah pegas dibebani awal dengan 54,05 N dan rnernpunyai panjang 39,41 ntnl. Konstanta pegas diketahui 1,47 N/mnr. Berapakah paniang bebas pegas?
7.
Sebuah pegas mempunyai konstanta pegas 8,95 N/ trrnr. Pada beban 134 N panjangnya 29,4 nrrr. Panjarrg solidnya 21,4 mrn. Hitunglah gaya yang dibutuhkan untuk rnenekan pegas sarnpai pada panjang solidnya. Juga hitunglah panjang bebas pegas. Sebuah pegas ulir tekan dengan ujung persegi dan digerinda merrpunyai dianteter luar I , 100 in, diaurctcr kawat 0,085 in, dan tinggi solid 0,563 in. Hitunglah diarneter dalarn ID, diarneter rata-rata, indeks pegas, dan perkiraan jurnlah lilitan.
l9
j
lb
Konstanta diketahui 18,8 lb/in. Berapakah panjang 1
:
Sebuah pegas ketikatidak terbebani merniliki panjang
Untuk Soal 8, hitunglah gaya yang dibutuhkan untuk nrengurangi panjangnya rnenjadi 3,00 in. Pada gaya itu, hitunglah tegangan dalarr pegas. Apakah tegangan tersebut r.nernenuhi untuk servis rata-rata? 10. Apakah pegas pada Soal 8 dan 9 cenderung tertekLrk bila ditekan sanrpai panlang 3,00 in? ll. Untuk Soal 8, lritunglah estinrasi diarneter luar bila pegas ditekan sampai pan jang solidnya. 12. Pegas Soal 8 harus ditekan sanrpai pan-jang solid ur.rtuk nrernasangnya. Berapa gaya untuk melakukan ini? Hitunglah tegangan pada saat panlang solidnya. Apakah tegangan itu memenuhi? t3. Sebuah batang penyangga untuk konrponen rnesin dilengkapi suspensi agar halus dalaur penrbebanan. Selarra operasi, beban pada setiap pegas bervaliasi dari 180 sarrpai 220|b. Posisi batang digerakkan tidak lebih dari 0,500 in sesuai variasi beban. Rancanglah
9.
sebuah pegas tekan untuk keperluan
ini.
Dalanr
operasinya dilrarapkarr terjadi beberapa jLrta siklus
lt.
pernbebanan. Gunakan kawat baja ASTM A229. Rancanglah sebuah pegas tekan yang rnenghasilkan gaya22,0 lb ketika ditekan sarnpai panjan_r: 1.7-5 in. Ketika pan-iangnya mencapai 3,00 in, pegas lrarLrs
I
ll8
f.iencn-Elenten Mesin dqlqm Perancqngan Mekonis
yang rnernpurtrai diarnetcr luar 0.531 in. Panjang
:renghasilkan gaya 5,0 lb. Pegas akan lnengalanri s
15.
ik lus yang cepat dengan
bebas pegas l.l-i irr. u.lung persegi dan digelinda, dan total 7.0 lilrtarr. Hitunglalr konstanta pegas dan defleksi dan tegangan kc'tika ntett.tbarva beban 10,0 lb. Pada tingkat te-gangan ini. tingkat servis ntarrakalt (ringan, sedang. atau bcrat) r ang cocok?
tingkat servis berat. Gunakalr
ka* at baja ASTM A401. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan untuk katup tekanan. Ketika katup tertutup. paltjang pegas 2,0 in dan gaya pegas 1,50 lb. Jika tekanan pada kattrp bertambah, gaya 14,0 lb nrenyebabkart katup terbtrka dan menekan pegas rnenjadi panjang 1,25 in. Gttnakan
16.
kau,at baja tahan korosi ASTM A3l3 tipe 302 dart perancangan untuk servis rata-rata. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan yang digunakarl untuk trengernbalikarr silinder pneutratik ke posisi artalrrya setelah digerakkan. Pada panjang 10,50 in, pegas harus menghasilkan gaya 60 lb. Pada panjarrg -1.00 in, pegas harus menghasilkatt gaya 250 lb.
11 .
r8.
Ekspektasi tirrgkat servis berat. Gunakan kawat baja ASTM A23 I. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan ntenggunakan kaivat nrusik yang akan menghasilkart gaya 14,0 lb ketika panjangnya 0,68 in. Panjang bebasnya 1,75 in. GLrnakan tingkat servis rata-rata. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan trrenggunakan kau,at baja tahan karat ASTM 43l3 tipe 316, untLrk servis rata-rata, yang akan ntenghasilkan gaya 8,00 lb setelah nrengalami defleksi 1,75 in dari panjang bebas
Pegas Tarik Untuk Soal 25-31, pastikan baltu'a tegangan dalanr pegas a'uval adalah nrasuk dalant rentang yang
di balvah tarikan
disararrkan dalam Carrbar lr9.21
25.
panjang antara titik-titik cantolannya 2,75 in, dan gaya 5,25 Ib pada panjang 2,25 it'r. Dianreter luar harus kurang dari 0,300 in. Gurrakan tingkat servis berat.
26.
21
.
yang
pegas harr.rs beroperasi berdiameter 0,625 in. 20. Ulangi Soal l7 dengan tantbahan kebutuhan bahwa pegas harus dipasang dalam lubang yang berdianleter
)1
0.750 in. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan ntenggunakan karvat baja ASTM A23 I untuk servis berat. Pegas akan rnenghasilkan gaya 45,0 lb pada panjang 3,05 in dan gaya 22,0 lb pada panjang 3,50 in. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan ntenggunakan
Rancanglah sebuah pegas ulir tarik untuk servis rata-rata dengan ntenggunakart kawat nrusik untuk rrenghasilkan gaya 15,0 lb ketika panjartg antara titik-titik cantolannl,a 5,00 in, dan gaya 5,20 lb pada panjang 3,75 in. Diaureter lLtar harus kurang dari 0,7-5
29.
beberapa juta siklus operasi. Ketika piringan kopling bersinggungan, pegas akan ntemiliki panjang 2,50 in
darr harus rnenghasilkan gaya20 lb. Ketika kopling
30.
tellepas, panjang pegas akan rnenjadi 2,10 in dan harus menghasilkan gaya 35 lb. Pegas akan dipasang
di sekeliling poros bulat yang berdiarneter 1,50 in. Rancanglah sebuah pegas ulir tekan menggunakan
kawat baja bulat ASTM A227. Pegas akan menggerakkan kopling tidak tetap dan dalant beberapa juta siklus operasi. Ketika piringan kopling bersinggungan, pegas akan ntemiliki panjang 60 rnnr
dan harus menghasilkan gaya 90 N. Ketika kopling terlepas, panjang pegas akan nterrjadi 50 rttm darr harus menghasilkan gaya 155 N. Pegas akan dipasang di sekeliling poros bulat yang berdianteter 38 Ilnl. 21. Evaluasilah unjuk kerja sebuah pegas ulir tekan yang terbuat dari kawat baja ASTM A229 dari gage-I7
Rarrcanglah sebualt pegas ulir tarik untuk servis berat nrenggLrnakan kar.vat nrusik untuk menghasilkan gaya nraksinrr.rnr 10,0 lb pada panjang 3,00 itt. Konstanta pegas 6,80 lb/irr. Dianreter luar hartts ktrrang dati 0,75 in.
28.
kawat baja bulat ASTM A221. Pegas akatt rnenggerakkan kopling tidak tetap dan dalam
71
menggLtnakau
in.
Ulangi Soal l8 dengan tambahan kebutuhan bahrva
di sekeliling batang
ll.
ulir tarik
karvat musik untuk menghasilkan gaya 7,75 lb ketil
2.75 in. 19.
Rancanglah sebuah pegas
.
31.
Rancanglah sebuah pegas ulir tarik untuk servis berat dengan rnenggunakan karvat ntusik untuk nrenghasilkan gaya maksinrum l0,0 lb pada panjang 6,00 in. Konstattta pegas 2,60 lb/in. Diameter luar harus kurang dari 0,75 in. Rancanglah sebuah pegas ulir tarik trntuk servis rata-rata derrgan menggunakatt kawat musik untuk rrenghasilkarr gaya nraksirrunr 10,0 lb pada panjang 9,6 I in. Kottstanta pegas 1,50 lb/in. Diameter luar harus kurang dari 0,75 in. Rancanglah sebuah pegas ulir tarik untuk servis ratarata lxenggunakan kawat baja tahan karat ASTM A3l3 tipe 302 untuk menghasilkan gaya rnaksinttttu 162 lb pada parrjang 10,80 in. Konstanta pegas 38,0 lb/in. Diameter luarnya kira-kira 1,75 in. Sebuah pegas tarik mentpunyai Ltjung yang santa dengan yang dituniukkan dalam Gatttbar 19.22. Data yang bersangkutan adalah sebagai berikut: Kawat U.S. Gage no. l9; dianteter rata-rata : 0,28 in; R, : 0.25 in; R, : 0,094 in. Hitunglah tegaltgan ekspektasi pada
titik,4 dan B dalam garnbar untuk gaya 5,0
lb. Apakah
tegangan tersebut terperruhi dengan menggunakart kawat baja ASTM 4227 Lrntuk servis rata-rata?
P.: Pegas Puntir
Rancanglah sebuah pegas
uiir puntir urttuk
I09 ser'\ ls
berat menggLrnakan kawat rnusik untuk ntengltasiIkan
1t
Rancanglah sebuah pegas
ulir puntil untuk servis
rata-rata dengan nrenggunakan kar,vat baja tahan karat ASTM 43 I 3 tipe 302 untuk nrenghasilkan torsi I.00 lb'in setelah terdefleksi 180" dari kondisi bebas.
11
Diarneter luar lilitan tidak lebih dari 0.500 in. Tentukan batang yang akan digunakan untuk utertrasang pegas tersebut. Rancanglah sebLrah pegas ulir puntir untuk servis berat dengan menggunakan kawat baja tahan karat ASTM
43l3 tipe 302 untuk nrenghasilkan torsi
12,0 lb.in
setelah defleksi 270'dari kondisi bebas. Diameter luar lilitan tidak lebih dari 1,250 in. Tentukan batang yang akan digunakan untuk nlemasang pegas tersebut.
torsi tnaksinturl 2.50 lb'in setelalr terdelleksi i6tt' dari korrdisi bebas. Dianteter lual lilitan tidak lc'bih dari 0,750 in. Tentukan batang yang akan digtrnakarr untuk nrerrasang pegas tersebut. Sebuah pegas ulir puntir merrpunyai diarneter kalral 0,038 in; dianreter Iuar 0.368 in: 9,-s lilitan dalarl bodi; satu ujung panjangnya 0,50 in clau rrjung y'arrg lain panjangrrya 1,125 in: dan bahan baja ASTM A401. Berapa torsi yang dapat tnenyebabkan pegas berputar l80o? Kenrudiarr, berapa tegangall yang tirrrbul? Apakah keadaan denrikian itu arrtan?
2t Rangka Mesin, Sambungan Baut,
dan Sambungan Las
Rangka Mesin, Sambungan Baut, dan Sambungan Las Lingkup Pembahasan o
KetikaAnda mernbuat perancangan elernen-elerrren ntesin (seperti yang Anda pela.iari dalarn bLrku ini), Anda
juga harus merancang ruurah nresin, rangka, atau struktur yang nrertdLrkungnya dan rnelirrdurtginya dari elernen-elemen lainnya.
Tugas Persiapan Pilihlah berbogai produk, mesin, kendaroan, dan b(lhkan ntoinon anak-qnak. Amatilqh bagaimanu mcreko dibuot. Apa bentuk dasar dari stnrklur yang mewedahi segcrla sesualunya meniadi sctlu'? Mengapa benltrk ilu ycutg dipilih oleh perancang? Fungsi qpa yqng clilqkukan oleh rangka'? .lenis goya, momen lengkung, dun momen punlir a;tukoh ),ang limbul keliku produk tlioperu.sikun'l Btrguintonu mereka dikelola dan dikendalikan? Bctgointuna lintasort beban 1,s11g meminttohkun nereka putla struktur ukhir? Bab ini akan urcutbarttu Ancla ntengidentilikasi beberapa pcllclckatatl f iut-e ellsien unluk Incrancang struktur clan rangka scrta untuk rnongarlalisis uniuk ker.ja pcngikat clau sarttbutrgan las 1'an-u clibcbani tlengatt cat'a-cal'a vallg herbecla.
Di seluruh buku ini, Anda rnernpelajari elenren-elenren r.lresin secara terpisah sembari terus-lttetlerus tlletrerhafikan bagaintana elernen-elemen itu harus bekerja sarna dalanr sebuah tnesin yang lebih kompreherrsif. Selrentara perancangan terus mengalami kemajuan, ada waktunya saat Anda haru.s men))otukan.seluruhnyo bersqntu-.sama. Tetapi ketnudiarr Anda diperhadapkan pada perlanyaan, "Dalanr [wadah] apa saya meletakkannya? Bagaimana saya mewadalti setrlua korrponen fungsional ini dengan alxan, yang memungkinkart perakitan dan pelayanan sementara nretrberikarl jarrlinan bahwa strukturnya kokoh?' Mernbuat pendekatan urnum secara lengkap untuk rnerancang struktur atau rangka sebuah mesirr, kendaraan, prodtrk kebutuhan sehari-hari, atau bahkan mainan anak-anak adalah hal yang tidak praktis. Masing-rrrasing berbeda dalam lral firngsi; jurrrlah, ukuran, dan jenis kontponen dalam produk; tujuan penggunaan; dan tuntutan yang diharapkan unttrk perancangan estetika. Sebagai contoh, rrainan anak-anak sering tlenunjukkan pendekatan perancangan yang cerdas karena produsen ingin memberikan mainan yang arnan dan fungsional setnentara rlenlinirnalkan bahan yang digunakan dan junrlalr personel sefta waktu yang dibutuhkan untuk tnenrproduksi nlainan tersebut.
110
lri
Rungkct Nlc.s itt, Sont hun!dt? B,iit,
DalarnbabiniAndaakanntenggalibeberapakonsepdasaruntuknrenciptakanperancansanrangkl\.llrl
r'.."..,--.
ntetnpertitnbangkan bentuk kornponen struktural, sifat-sitat bahan, penggunaan pengikat sernisal baLrt. .l:,r .'.:r'i..... perakitan dengan pengelasan. Anda akan mempelajari beberapa teknik untuk nrenganalisis dan rrrerancarl! [.r-i.:r i,. derrgan baut utttuk nrelnpertiulbangkan beban pada baut dalanr beberapa arah. Perancangan sanrbungan las ran.: .ir.,' dan kokoh juga dibahas.
Bab l8 rrenyajikan pembahasan yang berkaitan dengan baut yang terbebani tarik nrurni. senrisal pada firngs; penjepitan. Bab irri rnengembangkan bab tersebut, yakni dengan mempertimbangkan sarnbungarr yang dibebani secara eksentris: yang harus utenahan konrbinasi dari geser lurus dan nronren lengkung pada pola baut. Kernatrpuan santbungan las untuk rrenahan berbagai beban dibahas dengan tujuan perancangalt las. Di sirri sanrbungan diperlakukan dengan beban rnerata (uni/itrnt) dan beban eksentris. Untuk nretrahanti ntateli ini. pilihlah suatu.lenis produk, nresin, dan kendaraan, sefia anrati bagainrana nlerel(a dibuat. Apa bentuk dasar dari struktur yang rnervadahi segala sesuatun),a? Di nranakah gaya-ga)'a, nronrelr lengkung. dan nrorrlen pttntir (torsi) ditimbulkan? Apa jenis tegangan )'ang nrereka tirnbulkan? Perlratikanlal't lintasttrt bebwr (loatl puth) dengan rnengikuti gaya dari ternpat di mana gaya itu ditirnbulkan, nrelalui senrua cara bagairrana gaya atau pengarurhnya disalurkan ke serangkaian bagian dan ke titik di nrana bagian-bagian nresin ditunrpu olelr rangka dasar nresin atau di nrana bagian itu dipindahkan keluar dari sistem yang ditirr.lau. Memerlratikarr lintasan beban untuk senrua gava y'ang ada pada peralatan tnekanis akan rnemberi Anda pengertian tentang karakteristik struktLrr yang diinginkarr dan akan nreurbantu Anda mengetahui bagaimana nrenghasilkan perancarrgan yang rlcrrgoptirlalkan pengelolaan gaya-gaya yang tinrbul. Arnbil komponen dari berbagai peralatan rrekanis untuk rrrenganrati strukturnya. Bagaimana bentLrk nrernengaruhi kekokohan dan kearnanan peralatan? Apakah cenderung kaku? Atau lebih fleksibel? Apakah ada lusLrk atau bagian vang ditebalkan untuk memberikan kekuatan khusus atau kekokohan untuk bagian-bagiarr tertentu? Bab ini akan rnernbarrtu Anda mengidentifikasi beberapa pendekatan yarrg efisien untuk nrerancang struktur dan rangka sefta untuk nrenganalisis unjuk kerja pengikat dan santbungan las yang dibebani dalarr banyak cara. Pokok bahasan mengenai rangka rnesin dan struktur sungguh kompleks. Materi ini dibahas lebih dari sudut prinsipprinsip urnunt dan petunjuk-petunjuk ketimbang dari sudut pandarrg teknik perancangan yang spesifik. Rangka kritis unlulxnya dirancang dengan analisis eletrren hingga terkornputerisasi. Teknik analisis tegangan eksperinrental.juga sering digunakan untuk melakukan verifikasi perancangan.
Fry Anda sebagai Perancang Dalam Bab 16, Anda telah menjadi perancang bantalan untuk
sistem konveyor untuk pusat distribusi produk. Sekarang, bagaimana Anda merancang rangka dan struktur sistem konveyor? Apa bentuk umum yang diinginkan? Bahan dan bentuk apa yang sebaiknya digunakan oleh elemen-elemen strukturalnya? Apakah elemen dibebani tegangan tarik, tekan, lengkung, geser, torsi, atau beberapa kombinasi dari jenis-jenis
tegangan tersebut? Bagaimana pembebanan dan tegangan dalam struktur memengaruhi keputusan-keputusan ini? Akankah rangka dibuat dari bentuk struktural standar dan dibaut bersama? Atau akan dibuat dari pelat baja dan dilas? Bagaimana tentang penggunaan aluminium? Atau akankah ia dicor dari besi cor atau baja cor? Dapatkah dicetak dari plastik? Apakah bahan komposit dapat digunakan? Bagaimana berat struktur akan terpengaruh?
Jika struktur meliputi baut dan pengelasan, bagaimana sambungan dirancang? Berapa besar gaya, dan bagaimana arah gaya yang harus ditahan oleh pengikat atau las?
Materi dalam bab ini akan membantu Anda membuat beberapa keputusan perancangan ini. Banyak informasi diberikan
secara umum daripada memberi Anda prosedur perancangan yang spesifik. Anda harus menggunakan pe(imbangan dan kreativitas tidak hanya dalam perancangan rangka konveyor, tetapi juga dalam analisis komponen-komponennya, Karena perancangan rangka akan berkembang menjadi sebuah bentuk yang terlalu kompleks untuk dianalisis dengan menggunakan
teknik-teknik tradisional analisis tegangan, maka Anda harus menggunakan pemodelan elemen hingga untuk menentukan apakah perancangan mencukupi atau barangkali perancangan
Seberapa kekakuan yang diinginkan untuk jenis struktur ini?
berlebihan. Barangkali perlu dibuat satu prototrpe atau lebih
Bagaimana kontribusi bentuk elemen penahan beban terhadap
untuk tujuan pengujian.
kekakuan, struktur tegar, dan keamanan dalam menahan tegangan yang diterapkan?
112
Elemcn-Elenten llle,sin dalqm Perancangqn ll.{ekani.s
20.1 TUf UAN BAB rNr Setelalr menyelesaikan bab ini, Anda diharapkan rnarnpu:
l.
Menerapkan prinsip-prinsip analisis tegangan dan defleksi untuk nrengusulkan bentuk ranu la1ak dan efisien untuk struktur atau rangka dan komponen-konrponen terkait. 2. Menentukan bahan yang cocok dengan tuntutan suatu perancangan, korrdisi beban teftentu. lirrgkLrngan, syarat-syarat pabrikasi, keamanan. dan estetika. 3. Menganalisis sarnbungan baut yang terbebani secara eksentris. 4. Merancang sambungan las untuk rnenahan banyak.ienis pola penrbebanan.
20.2 RANGKA DAN STRUKTUR MESIN Perancangan rangka dan struktur mesin sebagian besar adalah seni dalam hal menqakonrodasi konrponen-kourponerr mesin. Perancang sering mengalami hambatan berkaitan dengan peletakan berbagai tumpuan agar tidak l.nengganggu operasi mesin atau agar tnentberikan akses urrtuk perakitan atau servis. Tentu saja syarat-syarat teknis harus terpenulri, sebagairnana stnrktul itu sendiri. Beberapa paralreter perancanqan yang lebih penting meliputi hal berikut:
Kekuatan Penanrpilan Ketahanan korosi Ukuran Pernbatasan getaran
Kekakuan
Biaya manufaktur Berat Reduksi kebisingan
Urnur
Detail perancangan rangkadan strukturadalah tidak terbatas, karena itu bagian ini akan rnerrrusatkan pada petuniukpetunjuk urlrurr. lmplementasi petunjuk-petunfuk itu akan bergantung pada aplikasi spesifiknya. Beberapa faktor yanu perlu dipertirnbangkan pada awal proyek perancangan rangka adalah:
. . . . ' . '
Gaya yang ditimbulkan oleh kornponen-kornponen mesin rrelalui titik-titik pelnasangan seperti bantalan, engsel, siku, dan kaki-kaki dari elerren mesin yang lain. Cara dukungan rangka itu sendiri. Kepresisian sistem: defleksi komponen yang diizinkan. l,ingkungan ternpat rnesin akan beroperasi. Jurnlah produksi dan fasilitas yang tersedia. Ketersediaan alat-alat analitis seperli analisis tegangan dengan komputer, pengalarran masa lalu dengan produkproduk sejenis, analisis tegangan eksperirnental. Keterkaitan dengan rnesin yang lain. dinding. dan sebagainya.
Faktor-faktor ini perlu rnenjadi perhatian perancang. Pararneter yang paling dapat dikendalikan oleh perancang adalah peniilihan bahan, geonretri bagian rangkayang rrrenahan beban, dan proses rranufaktur.
Bahan Seperti elernen-elemen mesin yang dibahas dalarn buku ini, sifat-sifat bahan, yakni kekuatan dan kekakuan adalah kepentingan yang utal.na. Bab 2 rnenyajikan banyak infonnasi tentang bahan, bagian Larnpiran.juga berisi bany'ak informasi yang bernranfaat. Pada umurnnya baja merniliki kekuatan lebih tinggi dibandin-e bahan-bahan lain untuk rangka. Sering kali lebih baik jika Anda mempeftimbangkan tidak hanya kekuatan luluh, batas kekuatan tarik. atau kekuatarr lelah. Perancangan yang telah selesai dapat dilaksanakan dalarn beberapa bakal bahan, tLriuannya untuk rnengevah,rasi selurulr unjuk kerja. Perhatikanlalt rasio kekuatctn terhadup rdpot mo.\sa, kadang-kadang dikaitkan dengan rasio kekuatun tct'hadcrp berat atau kekuatan spesifik,yang rnungkin rnenjadi pertirrbangan urrtuk rnenrilih bahan yang berbeda. Mernang rasio tersebut adalah alasan untuk menggunakan alunriniurn, titaniunr, dan bahan-bahan komposit dalarn pesarvat terbang, kendaraan ruang angkasa, dan peralatan transpoftasi.
Il-: Dibanding kekuatan, ketegaran struktur atau rangka sering r.nerupakan faktor penentu dalarl perancalrgail D:,-, kasus-kasus ini, kekakuan bahan, ditunjukkan oleh nrodulus elastisitasnya, aclalah faktor yang palin_e p..ntirru. ,?.;. kekakuan terhadap ropal massa. disebLrt kakakuon spesit'ik. nrungkin perlu dievaluasi. Lilrat Tabel 2.10 darr CarrrL.ar l l dan2.22 untuk data.
Batas Defleksi yang Disarankan Hanya pengetahuan yang nrendalanr tentang aplikasi bagian ntesin atau rangka yang dapat nrenrberikan nilai defleksi yang dapat diterirna. TetapiAnda dapat rremulai dengan beberapa petunjuk yang tersedia. (Lihat Referensi 3.) Defleksi yang Disebabkan oleh Pelengkungan Bagian nresin urnum: 0,0005 sanrpai 0,003 in/in panjang balok Presisi sedang: 0,000 0l sarnpai 0,0005 in/in Presisi tinggi: 0,000 001 sarrpai 0,000 0l in/in Defleksi yang Disebabkan Torsi Bagian mesin unrum:0,00 lo sanrpai 0,0 l'/in parrjan. Presisi sedang: 0,000 02" sampai 0,0004"/in Pr.esisi tinggi: 0.000 00lo sarrpai 0,000 02"/in
Saran untuk Perancangan Tahan Lengkung Tabel rumus-runtus defleksi balok akibat pelengkungan seperli Larrrpiran I4 untuk defleksi akan rnenghasilkarr benttrk berikut:
.
PL,
1\:=KEI dengan
P: L: E: 1=
K:
(20-t
t
beban
jarak antartumpuatl modulus elastisitas bahan balok momen kelembarnan penampang lintang balok sebuah faktor bergantung pada cara penrbebanan dan tunrpuannya
Beberapa kesimpulan yang jelas dari Persamaan (20-l) adalah bahwa beban dan jarak sebaiknya diusahakan kecil. dan E dan / sebaiknya besar. Ingat.iaraknya firngsi pangkat 3. Ini berarti, sebagai corrtoh. bahrva menqurangi jarak dengan faktor 2,0 akan rnengurangi defleksi dengan faktor 8,0 dan hal inijelas et'ek yang diinginkan. Gambar 20. I menunjukkan perbandingan empat jenis sisteur balok untuk rnendukung beban, P. pada.iarak. a, clari tulxpuan yang tegar. Sebuah balok sederhana yang hanya diturnpu pada setiap u.jung diambil sebagai "kasus dasar." Menggunakan rur.rlus-rumus balok standar, kita nrenghitung nilai monren lerrgkung dan defleksi dalanr ketentuan P dan rr, dan nilai-nilai ini secara sebarang dinormalkan rneniadi 1.0. Kernudian nilai-nilai untuk tiga kasus yang lain dihittrng dan ditentukanlah rasio relatif terhadap kasus dasar. Data nrenuniukkan bahwa balok dengan u.jung diiepit nrentL'rerikan
momen len-qkung dan defleksi terkecil. setnentara balok kantilever rnemberikan nilai terbesar untuk keduanya. Berikut ini saran-saran untuk rnernbuat perancangan yang talran pelengkungan:
l. 2. 3. 4. 5.
Usahakan panjang balok sependek mungkin. dan letakkan beban dekat dengan tumpuan. Maksimurnkan momen kelernbaman penampang lintang dalarn arah lengkungan. Pada uttturnnya, Anda dapat mel.akukan dengan menenrpatkan bahan sejauh mungkin dari sumbu netral lengkungan" seperti pada batang dengan flens yang besar atau penalnpang segiernpat berlubang. Gunakan bahan yang modulus elastisitasnya tinggi. Gunakan tumpuan jepit pada ujung-ujung balok jika nrerrungkinkan. Selain defleksi dalam arah beban utama, pertimbangkarr juga defleksi Iintang. Beban-beban tersebut akan dihadapi selanta pabrikasi, penanganan, pengirirnan, penggunaan yang tidak hati-hati, atau tanpa sengaja berbenturan.
l1{
Elcnen-Elemen Mesin dalam Peroncongan ll'lekcrnis
OAMBAR
20.I
Momen lengkung relatif.
Perbandingan metode tumpuan beban Pada balok (Robert L. Mott, Applied Strength of Material,4th ed. UPPer Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 200'1)
ll
llr Defleksi relatif,
n
Ujung-u1ung
Kantilever
dijepit
.: .\''
;4
I l)
,r it, t! ,-----l --l I"I
I
It
i:l'
4
+17
1
I
Kasus dasar
&l = l'Lt
:\i t = P,,J'>
.
t't.t
Jri/ /
6.
--l
l ,l
ll =]l\tl\ rl.) r rttl/'/
M
'
*
l'rr/4 tt)
)El
pastikan mengevaluasi perancangan final rnengenai kekuatan clan ketegarall. Beberapa pendekatan untuk memperbaiki secara nyata rnengurangi tegangan dalam balok karena modulus penanlpang
ketegaral (nrenanrbah
I)
dapat
g.
bertarrbah. Buatlah penguat sudut yang tegar pada rangka terbuka' Proses ini kadang-kadarrg Tutuplah bagian rangka yangierbuka dengan bahan lembaran untuk rnerrahan distorsi. disebut perrgkakuan panel (panel sl ffining). peftimbangkan konsiruksijenis rangka batang (lrrr^r^r) urrtuk nrendapatkan kekakuan strukttrral dengan bagian yang
10.
ringan. bentuk yang Bila nterancang rangka terbuka, gunakan penguat diagorral untuk nreltlbentuk segitiga yang lllerupakan
7, g.
tegar.
ll. 12. 13.
l,l.
kebisingan' Pertirnbangkan pengkaku untuk panel yang besar guna mengurangi getaran dan t.netrlbantu rnemindahkarl Tambahkun p.ngrul pada bidang di mana beban diterapkan atau pada tulrlpuan trntuk gaya-gaya ke bagian-bagian struktur yang lllenyatu' yang tipis yang nlungkin Berhati-hatilah dengan bagian struktur penlbawa beban dengan tanrbaharr flens-flens terjadi. menerima tekanan. t krkun lokal, kadang disebut crippling atau v'rinkling, akan
pilihlah titik yang bertegangan rendah untuk menetrrpatkan sanrbungan, selatna melnungkinkarl' LihatjugaReferensi 7,8,dan l0untuktarrrbahanteknikperancangandarranalisis.
Saran-Saran untuk Perancangan Bagian-Bagian yang Menahan Torsi puntiran dapat tirnbul pada bagian rangka mesin nrelalui banyak cara: Perrrukaan tumpuan mungkin tidak rata, mesin pada sisi luar sutnbu balok (atau suatu atau motor mungkin memindahkan reaksi torsi pada rangka; beban yang beraksi puntiran. menghasilkarl telxpat yang jauh dari pusat lengkungan balok) akan Perbandingan deformasi puntiran sebagai fungsi dari bentuk' Semua penampang mempunyai ketebalan dan keliling yang sama I = Sudut puntir untuk suatu pan.iang dan torsi yang diterapkan'
-ll It--
kanal, 0=24.3'
(b) Bentuk (a) Bilah tipis a = zJ,a
oAMBAR 20.2
Perbandingan deformasi torsional sebagai fungsi
L
o'"
(c) Pipa berongga terbuka, 0= (d) pipa berongga
25'0'
tertutup, (e) Pipa
8=0.10'
e ntu k Y a n g d i su ka nilai keteg aran torsional, R, sangat tinggi
Be nt uk- b
persegi tertutup.
0=0'15"
i-
i"'t"-
Rungkct Me.yiu, Sontbtrngtttt Bttttl, dan .\trtttbrrtrgttn
Ltis I l5
GAI|IEAR 20.3
Perbandingan sudut puntir torsional, 0, untuk rangka menyerupai kotak. Masing-masing mempunyai dimensi dasar dan torsi yang diterapkan sama.
{\r
(a) Penguat melintang 0 = 10,8'
r-*\r
B
(b) Penguat diagonal tunggal 6 = 0.30'
/--\ r
(c) Penguat diagonal ganda
I
= 0.10'
Pada umumnya, defleksi torsional sebuah batang dihitung dari
0:dcngan
I:
(20-2) GR
torsi atau lnotnen puntir yang diterapkan
: panjang di rnana torsi beraksi G : rnodulus geser bahan R : konstanta ketegaran torsiorral L
Perancang harus berhati-hati dalam memilih bentuk bagian yang akan lnengalarni puntiran untuk mendapatkan struktur ),ang tegar. Berikut ini saran-saran untuk ntelakukannya:
l.
Bila rnemungkinkan gunakan penampang yang tertutup. Corrtoh-contohnya adalah batang pejal dengan penanlpang lintang yang luas, pipa berlubang atau tabung, tabung persegi atau segierrrpat yalrg tertutup, dan bentuk-bentuk tertutup spesial yarrg mirip pipa. 2. Sebaliknya, hindari bagian-bagian terbuka terbuat dali bahan-bahan tipis. Canrbar 20.2 rnenunjLrkkan ilustrasi i,ang d
ibesar-besarkan.
3.
Untuk rangka yang besar, siku, me.ia, dudukan, dan sebagainya. gunakan penguat diagonal yang diterlpatkan 4-5' terhadap sisi rangka (lihat Garnbar 20.3).
4,
Gunakan sarnbungan yang tegar, semisal ntenggunakan pengelasan.
Kebanyakan saran-saran yang ada di bagian ini dapat diirnplementasikan tanpa memerhatikan spesifikasi.jer)is rangka yang dirancang: pengecoran dari besi tuang. baja tuang. alunriniunr. seng, atau nragnesiunrl konrponen-kornponen \ang dilas terbuat dari pelat baja atau alurriniunr;rurnah mesin yang dibentuk dari lenrbaran logarn atau pelat; atau pencetakan plastik. Ref'erensi-referensi dalarn bab ini memberikan petun juk tarnbahan yang berharga bagiAnda untuk nrenyelesaikarr perancangan rangka, struktur, dan rurnah mesin.
20,3 SAMBUNGAN BAUT DIBEBANT SECARA
EKSENTRIS
Garrrbar 20.4 rnenunjukkan sebLrah contoh sambungan baut l,ang dibebani secara ekserltris. \'lotor lmhE(l,a Jr1 r- J I \r I r pada siku yang diperpanjang menyebabkan baut rnengalami tegangan geser karena beratny'a beraksi ::EF\ "s}}f, secara lurus ke barvah. Tetapijuga ada nronren sebesar P x a yang harus ditahan. Mornen cenderung rnernutar siku sehingga menyebabkan tegangan geser pada baut. Pendekatan dasar untuk menganalisis dan rrerancang san)bungan yang terbebani secara eksentris adalah rlenc-ntLrkarr gaya-gaya yang beraksi pada setiap baut karena sernua beban yang diberlakukan. Kenrudian dengan proses supr.r'posisi. beban digabungkan secara vertikal ut.ttuk urenentukan baut nlana yang nrerrahan beban paling besar. Ukuran baut itu kentudian ditentukan. Metodenya akan diilustrasikan dalarn Contoh Soal 20.1 . Atnerican Institute of Steel Construction (AISC) rnendaftarkan tegangan yang diizinkan untuk baut 1'ang terbrrat dari baja grade ASTM, seperti dituniukkan dalanr Tabel 20. l. Data ini adalah untuk baut-baut yang digunakan dalarr ltrbang
116
Elamen-Elenten Mesin dqlan Perancengon Mekonis
ukuran standar, l/16 in lebih besar daripada baut. Diasumsikan ada sombungan.jcni.\-gesckdn. di rlana gaya jepit cLrkup besar sehingga gesekan antara komponen-komponen yang disanrbung trtelttbantu tttettahan sebagian beban geser. (Lihat
Referensi l.) Dalanr perancangan sambungan baut, Anda sebaiknya ntenjamin bahwa tidak ada ulir pada bidang yang terkena gaya geser. Dengan demikian, bodi baut akan mernpunyai diameter sauta dengan diameter Inavor ulir. Anda dapat rlenggunakan tabel-tabel dalarn Bab l8 untuk memilih ukuran baut standar.
GAMBAR 20.4
Sambungan baut dibebani eksentris
Rangka tegar
=
o
o
o
o
Beban dari motor
Siku
TABEL 20.1 Tegangan yang diizinkan untuk baut Tegangan geser yang diizinkan
Kelas ASTM
l0
A307
ksi(69 MPa)
l2l MPa) 22 ksi(152 MPa)
\325 dan A449 {490
17,5 ksi (
Tegangan tarik yang diizinkan 20 ksi (138 MPa) 44 ksi (303 MPa) 54 ksi (372 MPa)
:
fgnt[tr- SEI|I Z0.l
Untuk siku dalam Cambar 20.4, anggaplah bahwa total gaya P adalah 3500 lb dan jarak a l2 in. Rancanglah sarnbungarl baut, tennasuk letak dan jurnlalr baut, bahan, darr dianteter.
trEbs\retrEEfAl]
Penyelesaian yang ditunjukkan adalah garis besar prosedur yang dapat digunakan untuk menganalisis sanrbungan-sanrbungan sejenis. Data soal ini trengganrbarkan prosedur tersebut.
6s
Langkah 1. Mengusulkan jurnlah baut dan polanya. Ini adalah keputusan perancarlgan, didasarkan pada pertirrrbangan Anda dan geometri korrporren-komponen yang disantbung. Dalam soal ini, kita coba pola enrpat baut ditempatkan seperti dalarn Carnbar 20.5. Latrgkulr 2. Menentukan gaya geser lurus pada pola baut dan padatiap individual batrt, diasumsikan bahwa beban geser terbagi sama untuk sentua baut: Gaya geser: P Bebarr tiap baut =
:
3500 lb
{ : P/4:3500 lb/4 :
875 lb/baut
Gaya geser beraksi ke bawah secara lurus pada tiap baut.
llLongkah 3. Menghitung momen yang harus ditahan oleh pola baut: perkaii:n jaraknya terhadap titik berat pola baut. Dalarn soal iri, M : P x a = (3500 lb rr ll 000 lb'in. OAMBAR 20.5 Geometri sambungan baut dan gaya-gaya pada baut 1
2,
L*!
f
?-
-.t-"-
/'-+
$- {-*
(a) Pola baut yang diusulkan
-Tr
L*_
= 2520 lb z.oo
+
.50
/.t = a?00Ih
_t
8r
-
4911t lh
Tltik berat /'^r
"
= 1160tb
1-r
=
8?5 ttr
(b) Gaya-gaya pada baut
1
Lurtgkah y'. Menghitung .larak radial dari titik berat pola baut ke pusat setiap baut. Dalam soal ini, tiap baut mentpunyai.jarak radial
r
:
J(t, so in)2 +
(2, oo in)2
:
2,50
in
Langkuh 5. Menghitung junrlah kuadrctt semua jarak radial ke semua baut. Dalam soal ini, keernpat baut nternputryai.larak /. yang sarna. Maka L
r'1
:
4(2,50 in)2
:
25,0
in'z
Langkah 6. Menghitung gaya pada setiap baut yang dibutuhkan untuk menahan tnotren lengkung dari relasi E_
Mt'.t
(20-3)
)_ t'
dengan
r
F:
jarak radial dari titik berat pola baut ke baut ke-i gaya pada baut ke-i yang disebabkan rr.rornen. Caya itu beraksi tegak lurus terhadap jari-jari.
118
Elenten-Elenren lv,lesin dalom Perancangan Mekanis Dalanr soal ini, sentua gaya tersebut sarrra. Sebagai contoh. untuk baut l,
(42 000 Ib. in)(2,50 in)
,-M'i )-t't
2-s,0 in
r
:
4200 lb
Langkoh 7. Menentukan resultan dari sernua gaya yang beraksi pada setiap baut. Penjumlahan vektor dapat dilakukan secara analitis atau secara grafis, atau setiap gaya dapat diLrraikan rnenjadi kornporten lrorizontal dan vertikal. Konrponen-koluponen itu dapat dijumlahkan dan kenrudiart lesultan dapat dihitung. Mari kita menggunakart pendekatan terakhir untuk soal ini. Caya geser beraksi ke bawalr secara lurus dalanr arah surnbu J,. Konrltonert r dan 1,dari F, adalah F,*
:
F,r:
F, sin 0 : (4200 lb) sirr (36,9") :2520 lb F, cos 0: (42001b) cos (36,9"):3360 lb
Maka total gaya dalarn arah sunrbu
/
adalalr
F,r* F,:3360 + 875:4235|b Kerrrudian resultan gaya pada baut I adalalr
235)2
:4928|b
Lungkah 8. Menentukan baltan baut; rrenghitung luas penanrpang baut yang dibutuhkarr; dan menrilih ukuran yarlg sesuai. Untuk soal ini, kita rnenrilih bajaASTM 4325 untuk baut yang nlelllpunyai tegarrgan yang diizinkan I7500 psi dari Tabel 20. l. Maka luas -qesel penampang baut yang dibutuhkan adalah
.t:R, "' t,, -
4
928
lb-:o.r82in:
l7 500 |b/ irr-
Sehingga diameter baut yang diperlukan
f-
D-.t '\p t+n
4(0,282 itt2) p
:0,599 in
Kita memilih baut 5/8 in yang rrrenrpunyai diameter 0,625
2O.l SAMBUNGAN
in.
LAS
Perancangan satrtbungan las nterrerlukan peftimbangan dalarrr hal pentbebanan pada sarnbungan, jenis bahan las dan konrponen-kolxponen yang disambung, dan georletri sarrrbungan itu sendiri. Beban dapat terbagi secara lnerata pacla las karerta seluruh bagian las ntengalami tingkat tegangan yang sanra, atau beban dapat diterapkan secara eksentris. Keduanya dibahas pada bagian ini. Baltarr las dan kotnporten yang dilas uretrentukan tegangan yang diizinkan. Tabel 20.2 utencantuurkan beberapa contolt untuk baja dan aluntiniurr.r. Yang dicanturnkan adalah untuk tegangan geser pada las filet. Untuk baja, dilas dengan rnetode busur listrik, jenis elektroda adalah indikasi kekuatan tarik logarr pengisi. Sebagai contoh, elektroda E70 nrenrpunyai kekuatan tarik ntirrimurn 70 ksi (483 MPa). Data tarrrbahan tersedia dalarrr publikasi Arnerican Welding Society (AWS), American Institute for Steel Construction (AISC), dan Alunrinum Association (AA). Lihat Referensi I darr Situs Internet 3 dan7.
Rangka Mesin, Sambungun Baut. d(1tt Sdntbutis,in
L,:, I l9
Jenis.Jenis Sambungan Jenis samburtgan mengacu kepada hubungan antara susunan komponen yang disambung, seperti diilustrasikan dalarrr Garnbar 20.6. Pengelasan ujung memungkinkan sarnbungan merniliki ketebalan nonrirral sama seper-ti konrponerr rang disambung dan biasanya dibebanitarik. Jika sambungan dibuat senrpurna dengan logarrr las yang sesuai, sarnbunqan akan nterljadi lebih kuat daripada logam dasarnya. Jadi, tidak diperlukan analisis khusus jika kornponen yang disanrbung sendiri sudah aman. Tetapi perlu diperhatikan bahwa ketika bahan disarnbung, ada pengarulr yang tidak baik yang disebabkan oleh panas proses pengelasan. Contohnya adalah baja yang telah diberi perlakuan panas dan banyak pacluan alurnirriunr. Jenis-jenis sambungan yang lain dalam Gambar 20.6 ditujukan untuk rnenempatkan lasan menerirna geseran.
TABEL 20.2 Tegangan geser yang diizinkan pada tas fitet
A. Baja Jenis elektroda
Tegangan geser yang diizinkan
Logam yang umumnya disambung (kelas ASTM)
E60
A36, A500
E70
4242, A441 A572, Kelas 65
E80 E90 E1 00 E110
1B ksi (124 MPa) 21 ksi (145 MPa)
24 27 30 33
ksi (165 MPa) ksi (186 MPa) ksi (207 MPa) ksi (228 MPa)
B. Aluminium Paduan Pengisi I 100
4043
53 56
Tegangan Geser yang Diizinkan
Logam yang disambung
ksi
MPa
ksi
MPa
I 100
1)
22
4,8 5,0 5,0
34
3003 606
5556
1
6063
22
5,0
ksi
MPa
ksi
MPa
7,0
48
6,5
45
8,s 6.5
59 45
JJ
34 34
20.6 Jenis-jenis sambungan las OAIYIBAR
,c ,
Bertindih
120
Elemen-Elemen Mesin dalam Perqncqngan Mekanis
Notasi ukuran las filet t = 0.707 w I = Lebar leher
L (a) Las filet (tanpa persiapan sisi sambungan)
0AifBAR 20.7 Beberapa jenis las menunjukkan persiapan sisi sambungan
L-_---JJJ---J ---tfl(b) Kampuh persegi
(c) Tirus tunggal
(d) Tirus ganda
TI (e) Bentuk-V tunggal
(h) Sambungan kampuh alur-U
(f) Bentuk-V ganda
$m
(g) Alur-J dengan sambungan
NZrr L_l (i) Sambungan menyudut dengan alur-U
Jenis-Jenis Las Carnbar 20.7 menunjukkan beberapa jenis las untuk geor.netri sisi konrponen yang disarnbung. Ingatlah bahwa diperlukan sisi sambungan khusus, terutama untuk pelat tebal, tujuannya agar batang pengelasan dapat rnernasuki sarnbungan dan nrernbuat titik-titik las yang kontinu.
Ukuran Las Lirna jenis alur las dalam Ganrbar 20.1 dibuat saat penetrasi pengelasan selesai. Karena itulah, seperti ditunjukkan sebelumnya untuk pengelasan kampult (butt), Ias lebih kuat daripada logam dasar dan tidak diperlukan analisis selanjutnya. Las filet biasanya dibuat sebagai segitiga sama kaki, dengan ukuran las ditunjukkan dengan panjang kaki. Las filet yang dibebani geser cenderung patah sepanjang ukuran terpendek las, yaitu garis dari alas las sanrpai perrnukaarr las teoritis dan tegak lurus terhadap pernrukaan. Panjang garis ini diperoleh dari trigorrometri sederhana sebesar 0,701 v,, di nrana u/ adalah ukuran kaki. Tujuan perancangan sarnbuugan las filet adalah untuk nrenentukan paniang kaki filet; bentuUpola las; dan panjang pengelasan. Di sini ditampilkan rnetode yang rnemperlakukan las sebagai garis yang tidak mernpunyai ketebalan. Metode ini rneliputi penentuan gaya maksintum per ireci untuk panjang kaki las. Membandingkan gaya aktual dengan gaya yang diizirrkan menrungkinkan perhitungan panjang kaki yang dibutuhkan.
TABEL 20.3 Tegangan geser dan gaya yang diizinkan pada las Tegangan geser
Logam dasar Kelas ASTM Struktur jen is bangunan: 436. A441
A36, A44t StrLrktur jen is jenr batan
A36 A441, A242
Elektroda
yang diizinkan
E60
870
l3 600 psi l5 800 psi
860
l2 400 psi
E70
I4 700 psi
Gaya yang diizinkan per inci kaki
I
9600 lb/in I 200 lb/in
:
8800 lb/in I0 400 Ib/in
Rungka /,'lesin, Sunrbttngun Bttul. tlun.stnthrutgtti L.;
'
I
jl
Tabel 20.3 memberikan data untuk tegangan geseryang diizinkan dan gaya per inci yang diizinkan untuk L.eberal: kornbinasi logam dasar dan elektroda pengelasan. Pada unruurnya yang diizinkan untuk struktur ienis bangunan adal.ril untuk beban diarn/statis. Nilai untuk pernbebanan jenis jembatan nrenyebabkan efek siklis. Untuk jenis kt-'lelahan peurbebanan yang berulang-ulang, lihat literatur. (Lihat Referensi 2,3,4, dan 6.)
Metode Perlakuan Las sebagai Garis Ertrpat
jenis peurbebanan berbeda yang dibahas di sini adalah: (l) tarik atau tekan lurus, (2) geser veftikal lurus,
(-11
lengkung, dan (4) puntir. Metode ini nrernungkinkan perancang rnelakukan perhitungan dalanr cara yang mirip derrgan yang digunakan untuk merancang konrponen-komponen yang rnenahan beban. Pada umunrnya las clianalisis secara terpisah urrtuk tiap jenis pembebanan, tujuannya untuk nrenentukan gaya per inci ukuran las yang ditinrbulkan oleh setiap beban. Beban-beban itu kernudian digabungkan secara vektor untuk menentukan gaya maksimurn. Caya rnaksirnurtr lantas dibandingkan dengan gaya yang diizinkan (Tabel 20.3) untuk nrenentukan ukuran las yang dibutuhkan. Lihat Referensi 2.
Keterkaitan yang digunakan selanjutnya diringkas sebagai berikut:
Jenis Penbebanan
Tarik atau tekan Iurus Geser vettikal lurus Lengkung Puntir
Rumus (clan Nomor Persantaan) unluk Gaya per lnci Las
./' =
P/A,,
f : V/A,, .f : M/5,, f : rc/J,,
(20--/-)
(20-s)
(204) (20-7)
Dalam rurrus-rurnus di atas, geometri las digunakan untuk rnengevaluasi l,,,S,,dan./,, nrenggunakan keterkaitan yang ditunjukkan dalarn Garrrbar 20.8. Perhatikan kesarnaan antara rur.nus-rumus tersebut dan yang digunakan untuk melakukan analisis tegangan. Ingat juga kesamaan antara faktor geornetri untuk las dan sifaGsifat area yang digunakan untuk analisis tegangan. Karena las diperlakukan sebagai garis yang tidak mempunyai ketebalan, rnaka satuan untuk fhktor geometri berbeda dari satuan sifat-sifat area, sebagainrana ditunjukkan dalam Garnbar 20.8. Penggunaan metode analisis las ini akan ditunlukkan dengan contoh-contoh soal. Pada unrurnnya rnetode ini merrrerlukan langkah-langkah yang disebutkan di bagian prosedur untum untuk perancangan sarrtbutrgan las.
Prosedur Umum untuk Perancangan Sambungan Las
l. 2. 3. 4,
Mengusulkan bentuk sarrrbungan dan tnerancang konrponen yang disaurbung. Mengidentifikasijenis tegangan yang dialarrri sanrbungan (lengkung, pLrntir, geser vertikal, tarik atau tekan lurus) Menganalisis sambungan untuk menentukan besar dan arah gaya pada las yang disebabkan oleh setiap jenis beban. Menggabungkan gaya-gaya verlikal secara vektor pada suatu titik atau titik-titik di nrana gaya-gayanya paling besar.
5.
Menrbagi gaya paling besar pada las dengan gaya yang diizinkan dari Tabel 20.3 untuk nrenentukan ukuran kaki las yang dibutuhkan. Ingat bahwa bila pelat yang dilas tebal, ada ukuran mininrum yang dapat diteriura untuk las seperti d icantumkan pada Tabel 20.4.
TABEL 20.4 Ukuran las minimum untuk pelat tebal Ketebalan pelat
Ukuran ntinimurn kaki untuk
(in)
las fi let (in)
<
l12
>t/2-% >314-lt/z >lt/z-2t/q >21/q4 >6
3/t6 U4 5l t6 318
t/2 5/8
172
Elenen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis
'^#J
,'i)
T:t ll o
av
_. dw=
d
0AIiIBAR 20.8
Puntiran
Lengkung
Ukuran las
,4P ,^W
Faktor geometri untuk
analisis las Jn = d)llz T =Pa
l* * tlll6 jrl * Po Las
LnJ l"l
P
Sn = tt2/3
El.l-* a
-
-1,1
o
dlll}: + dr) 6
f*r,l -r-_ d x--*t
l-
A**2b
/i\ \:/
, *lrbl
I l-.t .r*rfI-
x
Las I
4hd + dl ---)/ ,. Atas: \B = ---;., d?t4b + d\ uawan: .\p = -6dr;"t-
+
t{ -J b' i I -xt- r | ^ ltb+dl .4..=b+d rlt r- - 2(b+dl
O r- LrJ -l r.*
* l2lb + d) ^Q+d\'-*6_rt4t,
s*=
|
btt
*
t|zl6
d,-*.-,
Las
I
Ll_ A*=tt+ZA' i = # @-. ! +2d
b
ur A
(tt
@
-
AtaS
: ,\,
Ib + :d)r
12.
4t16
+
d\2
{.\+2d)
Las keliling penuh
s*=
bd
* r!2t3
bd
+
o--{
ri-i
rlr
i*:$:" S*=
A*=2tt+2d
d2/3
Las keliling
Las keliling penuh
d
A*= qd
* dl
w)
2lxt + t!'
-
?b + 2d
o
l2b
p
Las
trrE
A*=
8(b t dtl
l2
= G;_fri
Hl
vt:h.,lt'
.
tr-5
A*=
P
il
Las
S**
x\d2/41
x@'i41.
Rangka Mesin, Samhungon Bout, clan .Sonhtttt.!dtt
fOntdli- S[]ft 20.2
L,;, l2-l
Rancanglah siku rnirip pada Canrbar'20.4, tetapi menggunakan pengelasan untuk mernasanS siku pada kolom. Tinggi siku 6,00 in dan terbuat dari baja ASTM 436 dengarr ketebalan I l in. Kolom jLrga terbuat dari baja A36 dan lebarnya adalah 8,00 in.
@Langkah/.BentuklasyangdiusulkanadalahkeputuSanperanCangandanhartrs trrengalami beberapa iterasi untuk rrrencapai perancangan yang optimurn. Untuk percobaan peftama, kita nrenggunakan las bentuk-C seperti dituniukkan pada Gambar 20.9.
Langkah 2. Las akan menahan gaya geser veftikal lurus dan puntir yang disebabkan beban sebesar 3500 lb pada siku.
Langkah -L Untuk menghitung gaya pada las, kita harus rnengetahui faktor geonretri 1,, Titik berat penampang las.juga harus dihitung Iihat Garnbar 20.9(b)]. Gunakan Kasus
dan J,,.
5 pada Garnbar 20.8.
A,,:2b+d=2(4)+6:t4in
,
"
b2@+d)2 0q2 12badf ----:-;--
-rr.-------l^
12
t6(to)2
(2lt -Y,1', 12
-"T!T
14
l,l4
ill
in
GAMBAR 20.9
Pengelasan siku bentuk-C
Momen
3:t)0 lh
Titik gaya maksimum
ff (a) Rancangan dasar siku
n,r0",.,,
(b) Ukuran siku
lr" = 950
Penjumlahan vektor gaya-gaya satuan pada titik gaya maksimum
/, = 250 (c) Analisis gaya
Gaya yang Menyebabkan Geser Vertikal
v:P:3500tb .f": P/A,, : (3500 lb)/14 in :
250 lb/in
1? puntir = P{a) = 7
121
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangqn Mekanis Gaya ini beraksi vertikal ke bawah pada seluruh bagian las.
Gaya yang Menyebabkan Momen Puntir
r
:
p[8,00+(6-r)] 7
:
:
3500[8,00+(4,00- r, r4)]
3500( r0,86)
:
38 o ro lb'in
Morrren puntir nrenyebabkan tinrbulnya gaya pada las yang tegak lurus terhadap garis radial darititik berat penampang las ke titik yang ditinjau. Dalanr hal ini, uiung kanan atas las mengalami gaya yang paling besar. Paling rnudah jika kita urenguraikan gaya nrenjadi komponen horizontal dan vertikal, Iantas nrenggabungkan kernbali senrua komponen untuk rnenghitung gaya resultan :
. .l
tlr
Tc..
- --l-
Tc,
(38
010)(3,00)
I14,4
(38 010)(2,86) I14.4
:991 lbli'r
:
950|b/in
Langkah y'. Kornbinasi vektorial gaya pada las ditunjukan pada Gambar 20.9(c). Jadi, gaya maksimurr adalah 1560 lb/in.
Langkah 5. Mernilih elektroda 860 untuk pengelasan, kita temukan bahwa gaya yang diizinkan per inci ukuran kaki las adalah 9600 lb/in (Tabel20.3). Maka ukuran kaki las yang dibutuhkan adalah
)l/:
1560
9
lb/
in
600 lb/ in pcr in kaki
:
0,163 in
Tabel20.4 menunjukkan bahwa ukuran las minirnum untuk pelat l/2 in adalah 3/16 in (0,188 in). Ukurarr tersebut sebaiknya dipilih.
fOntTT $flil l[.]
Sebuah pelat gantungan dari ba.ia, tebalnya % in, dilas pada rangka untuk nrenahan beban
l2 500 lb seperti ditunjukkan pada Gambar 20.10. Rancanglah
pelat gantungan
dan
pengelasannya.
Egvtr[tr€;lgll6g
Tujuan dasar dari perancangan adalah untuk rnenentukan bahan yang cocok untuk pelat gantungan, elektroda pengelasan, ukuran las, dan ukuran Llt dan h, seperti ditunjukkan pada Garnbar 20.10. Kita tentukan bahwa pelat gantLrngan dibuat dari baja struktur ASTM A44 I dan dilas dengan elektroda E70, menggunakan ukuran las minimum,3/16 in. Lampiran 7 memberikan kekuatan luluh baja A44 I sebesar 42 000 psi. Menggurrakan faktor rancangan 2, kita dapat rnenghitung tegangan yang diizinkan,
o,,:4200012:21 000psi Kemudian Iuas pelat gantungan yang dibutuhkan adalah n
P --
12
500 lb
o,, 2l 000 lb/ in2
_ ll \Lr\ ln'
Rongka llrles'in, Sttnbtrttgott Batrt. tldtt .\',ntiittt;:.;,:
-..
I
l5
Tetapi luasnyaadalah Wxt,diurana/:0,25in.MakalebariI/1,2n=clibutuhkanadalah
tv:
A/r
:
0,595/0,25 = 2,38 in
Kita tentukan bahwa llt = 2,50 irr. Untuk menghitung panjang pengelasan /r yang dibutuhkan, kita rlenrerlukan gaya y,ang diizinkan pada ukuran las 3/16 in. Tabel 20.3 menunjukkan gaya yang diizinkan pada ba.ja A44l yang dilas dengarr elektroda E70 adalah ll 200 lb/in per inci ukuran kaki. Maka
" -''
/..
OAMBAR
I
I 200 '- in" x0.l8tl in kaki:2 l00lb/in - " lb/ 1.0 in kaki
20.IO
Pelat gantungan dari baja
Struktur penahan
*Ketebalan=%in Bala ASTM A441
Gaya aktual pada las adalah
f,,:
P/A,,
: P/2h
Kemudian penyelesaian /r mernberikan
ll: Kita tetapkan /r
Edfr't[Ii SEA pfl.\
:
3,00
P : 2(./',,)
t2 500 lb
2(2 t00lb/
in)
:2,98
in
irr.
Evaluasilah perancangan yang ditunjukkan pada Ganrbar 20.11 dengan penirnbart,'arr tegangan pada las. Serrua konrponen rakitan terbuat dari ba.ia struktur ASTM 436 dan dilas dengan elektroda E70. Beban yang ditahan sebesar 2500 lb.
MTitikkritisterletakpada|asbagianataspipayangdisalnbungpadapernrukaanvefiikal.Pada titik ini, ada sistern gaya tiga dirnensi beraksi pada las seperti ditunjukkan
pada Carrrbar
20.12. Letak beban rnenyebabkan puntiran pada las yang menghasilkan gaya /, pada las maju ke kiri dalam arah surnbu.rr Lengkungan rnenghirsilkangaya.f ,,beraksi di sebclah luar separtjang sumbu r. Gaya geser vertikal /- beraksi ke bawah sepanjang surnbu :.
126
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan lvlekanis
cAilBAR 20.t
I
Rakitan siku
penuh dengan fllet 3/16 in Las keliling penuh dengan
lilel
Pelal % in
114 in
I
P
Pipa baja Schedule 40, 4 in
(JIf = 4.50 in
f.--ta.il) 0AIifBAR 20,12 Vektor gaya
2500 ltt
=
irr
/r = 6?9lbrin
,r/
.f;
Penjumlahan vektor:
.fa=.fn+!,+/' ilsl*t'1u?+li+1'; Dari statika, resultan dari tiga konrponen gaya adalah
/',,: J.l,'+
ti
+
f!
Sekarang tiap komponen gaya pada las akan dihitung.
Gaya Puntir,f,
^Tc t - jr T : (25001bX8,00 in) 20 000 lb.in 't
c = OD,2: 4,50012 -- 2,25 in J,,
-
(o)(OD)r /4
:
(o)(4,500)t t4
:1t,57 inl
Maka Tc .f,
J,,
(20 ooox2,2s) :62e 71,57
Gaya Pelengkung,f
.'r,
-
M ^s,,,
tbtin
Rangka Mesin, Sambungon Baut.;,:'ri .!-;,"; -: /:---,.-
--
r:-
M -- (25001bX14,00 in):35 000 lb.in = (oXOD)'z 14: (o)(4,500), 14: 15,90 in,
S,,,
Maka
,-M
.tt,
35 000
S,,,
r
5,90
:220t
tbtin
Gaya Ceser Vertikal,.(
.f,:*Au, 4,,: (o)(OD):
(o)(4,500
in): t4,14
ln
r,:+:#:n7vo1in Sekarang resultan dapat dihitung:
:2
+220f
296lblin
Membandingkan hasil di atas dengan gaya yang diizinkan pada las 1,0 in rnemberikan
w-
9
2 2961b /in :0.239 600 lb/ in per inci ukuran kaki
in
Filet l/4 in yang ditentukan pada Cambar 20.1 I rnernenuhi.
REFERENSI l.
American Institute of Steel Construction. Manual of Steel Construction. 9th ed. New York: American
7.
2.
Institute of Steel Construction, 1989.
Blodgett, Omer W. De.sign of Welded Slructures, Cleveland, OH: James F. Lincoln Arc Welding
8.
3. 4. 5. 6.
9.
Foundation, 1 966. Blodgett, Omer W. Design of lleldments, Cleveland, OH: James F. Lincoln Arc Welding Foundation,
I0.
1963. Brandon, D. G., and W. D. Kaplan . Joining processes. New York: John Wiley & Sons, 1977.
I
Fry, Gary T. ll/eldntents in Steel Frame Structures. Reston, VA: American Society of Civil Engineers, 2002. Hicks, John. llelded Joint Design.3rd ed. New york: Industrial Press, 1999.
Marshek, Kurl M. Design of Machine anclstrutr: -. Parls. New York: John Wiley & Sons, 1987. Mott, Robert L. Applied Strength rf Materials. 1tl. : Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 200 l. North American Die Casting Association. Prt,-,: -
Design
Ca.sting. Rosentont,
IL: \c:- -
American Die Casting Association, 1998. Slocurn, Alexander H. Precision Manhine Dc, .' Dearborn, MI: Society of Manufacturing Engin::-, I
l.
f|
998.
of Automotive Engineers, Spt ll ,,.. and Weld ,Joint Failure Processes. Warrendale. ?: Society
Society of Autornotive Engineers, 2001
.
12. Weiser, Peter F., ed. Steel Casting Handbt,,,.. :'ed. Rocky River, OH: Steel Founder's Socie:r America. 1980.
l:8
Elenen-Elemen Mesin dalam Perancangqn Mekonis
SITAS INIERNEr ANTAK PERANCANEAN IYOEKANIS SECARA UMAflI .luga Iihat situs Internet dari Bab l9 tentang pengikat yang nieliputi barryak sambungan baut.
L
Steel Founder's Society of
America
5.
dan aksesoli untuk konrunitas pengelasan plofesional dan tukang las. Situs rnernasukkan bagian Pelatihan/ Pendidikan, di bagian ini kita dapat urencari inforrnasi tentang beberapa proses pengelasan.
org
2.
6.
perkurnpulan profesional yang nternprontosikan riset dan teknologi untuk industri pengecoran.
3.
American Welding Society www.q\rs.org Sebuah
/l n col n el ectt' i c. cont
Hobart Brothers Cornpany vvtt.hobartltruttlrcr.s. conl Pablikan beberapajenis produk loganr pengisi,
Struktur Code-Steel (2002), AWS Dl.2 Pengelasan Struktur Code-Steel (1997), dan banyak Iainnya. James F Lincoln Foundation y11yyt..ffiorg Sebuah
Lincoln Electric Com pany rlrlrr:
Pabrikan bermacaln-nracam peralatan pengelasan datr aksesori untuk industri pengelasan. Situs mernasukkan bagian Pengetahuan yang merrberikan artikel teknis tentang teknologi pengelasan.
perkumpulan profesional yang nrerr.rbuat standar untuk industri pengelasan, rneliputi AWS Dl.l Pengelasarr
J.
t'wtr.ntillerweltls.cont
Pabrikan berrracanr-rnacanr peralatan pengelasan
wwyt.s/iu.
Sebuah asosiasi perusahaan yang menyediakan layanan pengecoran. American FoundrySociety u,rvu,.ufsinc.org Sebuah
Miller Electric Company
elektroda, dan karvat ba.ia untuk industri pengelasan. 8.
organisasi yang mernprourosikan pendidikan dan pelatihan dalam teknologi pengelasan. Situs nremasukkan rnakalah/paper teknis dan inforrnasi unlurl tentang proses pengelasan, perancangan sambungan, dan petunjuk pengelasan baja
Hobart Institute of Welding Technology l.l/rl/u/. v,eldirtg.ot'g Sebuah organisasi pendidikan yang rnemberikan penjelasan tentang unfuk kerja teknik pengelasan. Situs nrencakup kiat-kiat pengelasan untuk berbagai proses darr daftar istilah pengelasan.
konstruksi.
5OAL-sOAL Untuk Soal l-6, rancanglah sambungan baut untuk nrenyambung dua komponen yang ditunjukkan dalam garnbar yang disebutkan. Tentukan juntlah baut, bentuk, kelas baut. dan ukuran baut. l. Gambar P20.1
2.
Gambar P20.2 Penahan tegar
-T'f1r ll
*-l*, i2il 1i
8.t4xli2 Penampang kotak
lz Mgt j**f*u.r.ny"
Setiap gantungan membawa 750 lb
Pelat 0,50
P= GAMBAR
Ts in
l2000lb
P20.1 (Soal '1, 7, dan 13)
GAMBAR P20.2
Sudut baja
L6x4xY?
Rangka Mesin, Sanbungan Baut, dan Sambungan
3.
6.
Gambar P20.3
Lq.s 129
Gambar P20.6
beban dibagi merata pada empat siku (hanya dua yang ditunjukkan)
Kanal baja
C6,13
GAMBAR
P20.6 (Soal6 dan 10)
GAMBAR P20.3
4.
Untuk Soal 7-12, rancanglah sambungan las untuk nrenyarnbung dua kotnponen sebagairnana ditunjukkan
Garnbar P20.4
dalam gambar yang disebutkan. Tentukan bentuk
t oinains
z
pengelasan,jenis elektroda yang digunakan, dan ukuran las. Dalam Soal 7-9, konrponen yang dilas adalah baja ASTM
inT-
A,36. Dalam Soal l0-12, kontponen yang dilas adalah baja ASTM A44 L Gunakan ntetode perlakuan sarnbungan sebagai garis, dan gunakan gaya yang diizinkan per inci kaki untuk strukturjenis bangunan dari Tabel 20.3.
57x20 Penampang baja Area sambungan deng pandangan diperbesar
Tarrpak atas
7. 8. 9. 10. I
Tampak samping
GAMBAR P20.4 (Soat4 dan
5.
l.
12.
Gambar P20.I
Cambar P20.4 Gambar P20.5 Gambar P20.6
Garrbar P20. I I Carnbar
P20.ll (tetapi P,
B)
Gambar P20.5
GAMBAR P20.11 (Soal
Struktur kaku
*-r*- Area 8in
I
:0)
t-l-*-
sambungan (kedua sisi)
l0 in
---l
)e(v
ln+
GAMBAR P20.5 (Soat 5 dan 9)
1'1 dan 12)
Untuk Soal l3-16, rancanglah sambungan las dua korrponen aluminiurn sebagaimana dituniukkan dalant garxbar. Tentukan bentuk las, jenis paduan pengisi, dan ukuran las. Jenis bahan yang disarrbung dicanturnkan dalanr soal-soal.
130
Eletnen-Elenten Mesin dalqtn Perancangan Mekanis
13. Gambar 14. Gambar
P20.1: 6061: paduan (tetapi P P20.14:6061 paduan
:
4000 lb)
16.
Gambar P20,16 3003 paduan Beban toial 10 000 lb (dibagi 2 penumpu)
Las keliling penuh
GAMBAR P20.14
GAMBAR P20.16
15.
11,
Garnbar P20.15: 6063 paduan
Lasan Pandangan perbesaran penambat
GAMBAR P20.15
Bandingkan berat batang tarik yang menahan beban 4800 lb jika terbuat dari (a) baja AISI 1020 HR; (b) baja AISI 5160 OQT 1300; (c) aluminium 2014-T6; (d) al unr in iurn 7 01 5 -T 6; (e). titan i um 64 I -4Y teran i l, dan (f)titanium 34l-l3V-llCr, dituakan. Cunakan N = 2 berdasarkan kekuatan luluh.
2t Motor Listrik dan Kendati - Kenda[i nya
Motor Listrik Lingkup Pembahasan Motor listrik digunakarr sebagai penyedia daya untuk berbagai produk runralr tangga, pabrik, sekolah, fasilitasfasilitas komersial, perlengkapan transpofiasi, dan berbagai peralatan yang dapat dibawa kerrrana-mana. Motor listrik ini dibedakan dalarn dua kelornpok utarna, yaitu arrs bolqk balikfolternating currcnt (lC)], dan arus searah fdirect current (DC)]. Beberapa d i antaranya dapat d ioperas ikan dengan jen is daya yang berbedabeda.
Tugas Persiapan Carilah berbagai jenis mesin dan produkyang diberi pa,sokan daya oleh molor listrik. Pilih beberapa peralatan, baik 1,ottg besar alaupun ),ang kecil; bcberapa )'ang clapal dibawa kentqnct-ntana, dan beberapo yang hants terhubung tetap pada konlaklor listrik stqndar Carilah di sekitar tempat tinggal Anda, di tempqt Anda bekeria. dan di sualu pabrik. Coba temtrkan pelat nonta untuk setiap nrotor lersebut clutt salinltrh iufttrnrctsi schanvakyang bisa Anclo dupotkon. Bagaimana data dalam pelat nama dapat dikaitkon clcngon karakleristik unjuk ker.ja sebuuh motor? Apakah nrotor lersebut termasuk motor AC atau Dlolor DC'? Bcrupa kcccpatan putar molor larsebut? Berupu ukuron nilai kelistrikannya, dalam hul tegangan dan kuat arusnlta2
Beberapa clari motor yang beroperasi dengan baik di Ameriku Serikat dapat dilalankan dengan kecepotan putar ),ang berbeda qtau samo sekqli tidak dopat clijalankan hila cligunakan di ncgora luin. Mcngapu? Bcrapa standqr tegqngan danfrekuensi vang diterapkan dalant berbagai bagian dunia? Jenis gaya, momen leng,kung, dan ntomen puntir apakah yang timbul ketika produk clioperasikan? Bagaintanct ntereka dikelolq dan dikendalikan? Bagaintana lintasan beban yong memindahkan mereka pada struklur akhir'/
Bab ini akan nrembantu Ancla mengenali berbagai .jenis motor, menraharri karakteristik urr juk kcr.ia unrunr setiap mot()l; dan menggunakannya secara tepat.
131
132
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancangan Mekani.s
secara luas sebagai penyedia daya prinrer pada rnesin industri, produk konstttlten, dan perlerrgkaparl bisn is. Bab in i akan memaparkan berbagaijenis motor dan nrembahas karakteristik unjuk ker'lanya. Tujuannya adalalr untrrk nrembekaliAnda dengan latar belakang pengetahuan yang diperlukan dalanr pemilihan nrotor dan dapat rnendiskusikannya
\lotor listrik digunakan
dengan penyalur motor, sehingga Anda akan mendapatkan ntotor yang tepat untuk suatu aplikasi teftentu' Jenis-jenis rnotor yang dibahas dalam bab ini adalah jenis arus searah (DC), arLrs bolak-balik (AC, satu fasa dan tiga fasa), motor universal (universal molors), motor langkal'r (.stapper motctrs), dan ntotor AC dengan kecepatan bervariasi (vctriable speed AC motors). Kendali motor juga akan dibahas di sini. Carilah berbagai jenis mesin dan produk yang diberi asupan daya oleh nlotor-motor listrik. Pilih beberapa peralatan, baik besar ataupun kecil; beberapa yang dapat dibawa kenrana-rnana darr beberapa yang harus terhr.rbung tetap pada kontaktor listrik standar. Carilah di sekitar tempat tinggal Anda, di tenlpat Anda bekerja, dan di suatu pabrik. Coba temukan pelat nama untuk setiap ntotor tersebut dan salin informasi sebanyak yang bisaAnda dapatkan. Apa arli dari setiap potong infonnasi tersebut? Apakah beberapa diagram pengawatan listrik tercakup di dalamnya? Bagairnarra data dalam pelat nama tersebut berkaitan dengan karakteristik unjuk kerja sebuah ntotor? Apakah motor tersebut termasuk rnotorAC atau motor DC? Berapa kecepatan putarnya? Berapa ukuran nilai kelistrikannya, tegangan dan kuat arusnya? jenis Untuk rrrotor-motor pada peralatan yang dapat dibawa ke nrana-rnana, apa jenis pasokan daya yang digunakan? Apa baterai yang dibutuhkan? Berapa jurnlahnya? Bagaiurana baterai-baterai tersebut terhubung? Bersusutt seri? Bersusun jenis paralel? Bagaimana hubungan faktor-faktor tersebut dengan tegangan norninal motor? Bagairnana huburlgan antara usaha yang dilakukan motor dengan waktu antar sesi-sesi pengisian? Bandingkan beberapa motor besar dengan foto-foto yang tersedia di dalarr Subbab 2l .8. Dapatkah Anda nrengenali jenis rangkanya? Apa nanta perusahaan pernbuat nlotor tersebtrt? Usahakan menemukan banyak informasi mengenai rllotor atau per.trbuatnya dari irrternet. Cermati beberapa nanra perusahaan di dalam bab ini untuk mernpelajari berbagaijenis nrotoryang nrereka usahakan. Lakukan perrelusut'an yang
Iebih luas untuk mendapatkan jenis-jenis motor sebanyak yang bisa Anda dapatkan. Berapa daya nominal untuk masing-rnasing motor tersebut? Apa satuan yang digunakan untuk daya norrr inal tersebut? Konversikan semua daya norninal itu ke dalam watt. (Lihat Larnpiran 18.) Selanjutnya konversikan semtlanya ke dalant hp (dari horsepower) untuk rnemperoleh perbandingan ukuran fisik berbagai nrotor dan untuk rrrenunjukkan perbandingan ar.ltara satuan SI dalam watt dan satuan yallg lazim di AS dalarr hp' pisahkan motor-rnotor yang telah Anda peroleh ke dalam dua kelompok: AC dan DC. Apakah Anda dapat nrelihat perbedaan yang signifikan di antara dua kelompok ntotor tersebut? Di dalarn masing-ntasing kelontpok, variasi apa saja pelat nanra yang tersedia menjelaskan jenis motor, misalnya sebagai nlotor 1,ang dapat Anda temukan? Apakah sebarang (split-phase), kelas C dari NEMA, atau dengan penunjukan lainnya? terpisah sinkrctn (sylchronuous),universal,.fasa Jenis saklar? Jerris berpengawalan? Jenis berpengendali kecepatan? tersebut? Berjenis kendali apa saja motor-motor Jen is
beralat pelindung?
Bab ini akan membantu Anda ntengenali banyak jenis nrotor, mernahami berbagai karakteristik urrjuk kerja urnunr dari rnasing-rnasing motor dan perrakaiannya secara tepat.
B,-roI fiw
Anda sebagai Perancang
Perhatikanlah sistem konveyor yang Anda rancang. Salah satu kemungkinan yang dapat digunakan sebagai penggerak sistem konveyor ini adalah motor listrik. Tetapi motor jenis apa yang harus digunakan? Berapa kecepatan operasi motor tersebut? Apa jenis daya listrik yang tersedia untuk disalurkan ke motor?
Berapa daya yang diperlukan? Apa jenis rumah dan model rakitan yang dipilih? Berapa ukuran motor? Bagaimana caranya motor dapat dihubungkan ke transmisi puli sistem konveyor? lnformasi di bab ini akan membantu Anda menjawab pertanyaanpertanyaan ini dan yang lainnya.
Alotor Listrik clou Kentluli-l','atrLl,tlittt.; 133
21.1 TUJUAN BAB lNl Setelah menyelesaikan bab ini, Anda diharapkan rnarnpu: I' 2. 3. 1.
Merrjelaskan faktor-faktor yang harus ditetapkan dalarn nrenrililr sebLrah rnotor yang sesLrai. Menjelaskan prinsip-prinsip pengoperasian rrotor AC.
5. 6. 7. 8' 9. 10. I
l.
12. 13. 14. 15. 16. 17.
Mengenali kelornpok-kelompok motor listrik AC yang lazinr nrenurut claya nonrinalnya. Mengenali tegangan dan lrekuensi utnunr dari sunrber daya AC dan kecepatan operasi rnotor AC yan-q bcrop.-rasi dalam sistem-sistem terkait. Menjelaskan sunrber daya AC satu fasa dan tiga fasa. Menjelaskan perancangan yang lazinr untuk kerangka, ukuran, dan model rurnah n.rotor-rnotor AC. Menjelaskan bentuk urnuln sebuah kurva unjuk ker.ia rrotor. Menjelaskan unjuk kerja korrrparatif nrotor AC satu fhsa jenis kutub tellindLrng (.shaded-pole). kapasitor penrisah telap Qtermanent-split capacitor), fasa terpisah, dan kapasitor pengawalarr (cupoci/rtr-starl). Menjelaskan rrotor AC sangkar tupai (scluirrel cage) tiga fasa. Menjelaskan unjuk ke{a kotnparatif mengenai kelonrpok-kelorlpok rnotor dari NENTA: kelcts B, kelu,s C, dan kelcr,s D, serla ntotor AC tiga fasa dengan rotor belkuntparan (v'outttl-r.otor). Menjelaskan motor-lt.lotor sinkron. Menjelaskan Inotor-ntotor universal. Menjelaskan tiga pengeftian sutrber daya DC yang dilrasilkan dan tegangall-tegangan urxunt yang dihasilkan. Menjelaskan beberapa kelebihan dan kekurangan dari ntotor DC dibandingkan clengan nrotor AC. Menjelaskan etnpat macant dasar perancangan rnotor DC kurnparan shunt (.r/rrril-ttound), kuntparan seri (.reric.swound), kumparan koinpon (compound-v)ounfi. dan rragnet permanen (pernunent magnet)-dan rllenjelaskan kurva unjuk kerja masing-nrasing. Menjelaskan motor torsi (.lorr1ue molor,s), nrotor servo (:;et't,otttotors), ntotor-rnotor langkah, motor DC tanpa sikat. dan rnotor dengan sirkuit tercetak Qtrintetl circuil rrtotot..s). Menjelaskan sistern-sistenr kendali tnotor untuk pcrlindungan sistcm, pengendalian kecepatan, pengalvalan. pemberhentian, dan perlindLrngan beban lebih.
18. Menjelaskan kendali kecepatan motor-nrotorAC. 19. Menjelaskan kendali ntotor-rnotor DC.
21.2 FAKTOR.FAKTOR PEMI LIHAN MOTOR Minirrral hal-hal berikut ini harus ditetapkan dalarn pentililran rnotor:
. t r . . .
Jenis rnotor: DC, AC, satu fasa, tiga fasa, dan sebagainya Daya norninal dan kecepatan Tegangan dan frekuensi operasi Jenis rurnalr Ukuran rangka Rincian rakitan
Selain itu, mungkin terdapat banyak syarat khusus yang harus dibicarakan dengan penyalur nrotor. Faktor.faktor utanra yang perlu dipertirnbhngkan dalanr pemiliharr sebualt nrotor nreliputi:
'
Torsi operasi, kecepatan operasi, dan daya nonrinal. Ingatlah bahwa ketiganya ini saling berlrubLlngalt ntenurut persamaan
Daya: torsi x kecepatan putar
. ' ' .
Torsi pengarvalan. Variasi beban yang diharapkan dan toleransi terhadap variasi kecepatan kaitanrrya. Perrrbatasan-perrbatasan arus selanra beroperasi dan fasa-fasa pengawalan operasi.
Siklus kerja: berapa sering ntotor dihidupkan dan dirnatikan.
l3-l
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
Faktor-faktor lingkungan: suhu, potensi ter.iadinya peristiwa korosi dan ledakan, keterbukaan terhadap segala cuaca atau terhadap cairan. ketersediaan udara pendingin, dan sebagainya. Variasi tegangan yang diharapkan: Sebagian besar rnotor rnenlpunyai toleransi variasi sampai dengan + 109/o dari tegangan nominal. Lebih dari ini dibutuhkan perancangan khusus. Pernbebanan poros, terutarxa beball samping dan bebart dorong yang dapat tnernengaruhi urnur bantalan poros.
Ukuran Motor Pengelompokan lnotor secara kasar berdasarkan ukurannya digunakan untuk menrbedakan tnotor-utotor dengan rancangan yang serupa. Daya dalarn hp saat ini rnasih sangat sering digunakan, sedangkan dalam satuan nretrik. watt atau kilorvatt juga digunakan sekali-sekali. Konversinya adalah
l'0 Pengelornpokannya adalah sebagai bcr iki
. . o
hP = 0'746 kW
:746
W
t
I sanrpai 40 nrhp (dari tnillihorsepo*cr'), di nrana 0,001 sampai 0,040 hp (sekitar 0,75 sanrpai 30 W). Perpuluhun hp: l/20sarnpai 1,0 hp(sekitar3T sanrpai l46W). Per suluan hp: 1,0 hp (0,75 W) dan di atasnya. Per ribuarr /rp.'
I
mhp = 0,00
I
hp. Jadi,.iangkauan ini nreliputi
Referensi I sampai 4 menyediakan inforrnasi tambahan mengenai pertrilihan dan pernakaian motor listrik. Lihat.iuga Situs Internet l-4.
21.3 SUMBER DAYA AC DAN INFORMASI UMUM MOTOR AC Surrber daya arus bolak-balik (AC) dimaksudkan untuk rnernasok kebutulran listrik dalarrr berbagai industri, perdagangan atau pelanggan tetap yang disalurkan dalarn kondisi yang beragarr. Di Anrerika Serikat, sunrber daya AC mentiliki frekuensi 60 Hertz (Hz) atau 60 siklus. Banyak negara lain juga rnenggunakan frekuensi 50 Hz. Beberapa pesawat terbang menggunakan sunrber daya dengan frekuensi 400 Hz yang diperoleh dari generator di atas pesawat. Sunrber daya AC juga dikelornpokkan dalarn satu fasa atau tiga fasa. Sebagian besar unit yang tetap dan instalasi kornersial ringan hanya rrenrpunyai surnber daya satu fasa, yang disalurkan dengan ntemakai dua kawat konduktor dan satu kawat tanah. Bentuk gelombang daya yang terjadi adalah seperti yang ditunjukkan dalam Garnbar 21.1, yaitu setruah gelornbang sinus tunggal kontinu yang arnplitudonya adalah tegangan notninal daya. Dayatiga fasa disalurkan ke sistenr tiga kawat dan tersusun dari tiga gelornbang berbeda dengan arrplitudo dan frekuensi yang sama dengan beda tiap fasa 120o, seperti yangdiilustrasikan dalam Gambar2l.2. Instalasi industri dan komersial yangbesartnenggunakan dayatiga fasa untuk menanganibeban listrik yang besar, karena rrrenrungkinkan pentakaian urotor-motoryang lebih kecil dan lebih ekorrorrris dalarn pengoperasiannya.
GA]YIBAR
2I.I
Sumber daya AC satu fasa Tegangan
Amplitudo
t_ Periode = Frekuinsi
Motor Listrik don Kendali-Kendaliny'o 135 OAIYIBAR
21.2
Sumber daya AC tiga fasa Tegangan
TABEL 21.1 Tegangan motorAC Tegangan norrinal motor Tegangan sistenr
Satu fasa
Tiga tasa
120
il5
t20/208
ll5 il5
200
240
230
230
480
460
600
5t5
TABEL 21.2Kecepatan putar motorAC dengan daya 60 hertz
"
Jumlah kutub
Kecepatan putar sinkron (rprn)
Kecepatan putar beban penuh (rpnt)
2
3600
3450
4
I
800
t725
6
t200
r 140
8
900
850
l0
720
690
12
600
575
Kira-kira 95%oditri kecepatan putal sinkron (sclip nornral)
Tegangan AC Beberapa tegangan nourinal yang biasanya tersedia dalanr sunrber daya AC didaftarkan dalam Tabel 2 l . l . Di dalarn tabel ini dicanturnkan tegangan sistenr dan tegangan nolninal ntotor yang lazim untuk sistenr satu fasa dan tiga fasa. Dalartr sebagian besar kasus, untuk suatu nilai daya tertentu digunakan tegangan tertinggi yang telsedia agar arus y'ang nrengalir lebih kecil. Dengan dernikian, dapat digunakan kawat konduktor yang kecil.
Kecepatan Putar Motor AC Sebuah motorAC tanpa beban akan cenderung beroperasi pada atau sekitar kecepatan putar sinkronnya, 17,, yang rnerr hubungan dengan frekuensi,./, dan jumlah kutub listrik./r, yang dililitkan di dalanr nrotor, menurut persanraarl
Kecetonon PulorSinkron
+
1201'
tr, =-
p
fPlll
l-.u
rrr rti
(l l-l
)
136
Elenen-Elenten Mesin dalam Peranccttlgctn Mekanis
\loror-ntotor ini mempunyaijurnlah kutub genap, biasanya dari 2 sanrpai 12, yang rlenghasilkan kecepatan putar sepefti lang didaftarkan dalam Tabel 21.2 untuk daya 60 Hz. Tetapi motor induksi, yang rlerupakan jenis motor yang palin-r:, banyak digunakan, beroperasi dengan kecepatan yang senrakin lebih lambat dari kecepatan putar sinkronnya dengan semakin meningkatnya beban (torsi). Pada saat nreneruskan torsi nominal, nrotor jenis ini akan beropet'asi dengan kecepatan sekitar kecepatan nominalnya atau kecepatan beban penuhnya, seperti yang-luga didaftarkarr dalam Tabel 2 1.2. Ingatlah bahwa kecepatan beban penuh yang tercantum bLrkanlah nilai pasti karena nilai-nilai tersebut harrya berlaku untuk rnotor-nrotor dengan selip nornral sekitar 5%. Beberapa nrotor seperti yang akan dijelaskan berikutnya adalah nrotor dengan selip yang besar sehingga mempunyai kecepatan putar beban penulr yang lebih rendah. Beberapa ntotor 4-kutub nreutpunyai kecepatan putar nominal 1750 rprn pada beban penuh, yang nrenunjukkan hanya mengalarni selip 3oh.Tetapi untukjenis motor sinkron selalu beroperasi tanpa selip dan berputar secara tepat salla dengan kecepatan putar si
nkronnya.
21.4 PRINSIP.PRINSIP OPERASI MOTOR INDUKSI AC Selanjutnya dalam bab ini kita akan rnernbahas secara rinci masing-rtrasing dari berbagai .jenis nrotor AC, hanya saja llotor yang paling umurn dari jenis motor ini adalah motor incluk:;i (incluction nrolor). Dua bagian aktif dalant sebualt nrotor induksi adalah stqtor atau elenren yang tetap dan rotor atau elenren yang berputar. Gaurbar 21.3 menunjukkarr sebuah penampang lintang longitudinal sebuah motor induksi yang menunjukkan stator berbentuk silinder berongga ) altg terpasalrg tetap dalarn rurnah rnotor. Rotor diletakkan di sebelah dalanr stator dan terlrubung tetap pada poros. Poros sendiri ditumpu oleh bantalan-bantalan di dalam runtah t.t.totor. Stator dibuat dari piringan-piringan pelat baja tipis, yang disebut sebagai curtoi-canai (lantination.s), yang disusun rapat dan diberi penyekat satu terhadap lainnya. Garnbar 2 1.4 nrenunjukkan bentuk dari canai-canai tersebut, ternrasuk sederet alur di sekeliling sisi dalamnya. Alur-alur ini lazimnya dibuat berjajar trenurut arah penuurpukan canai-canai sraror. sehingga rnembentuk kanal-kanal sepanjang lubang stator. Beberapa lapis kawat tenrbaga dilewatkan ntelalui kanal-kanal tersebut dan dibuat simpul-sinrpul di sekelilingnya untuk rlenrbentuk seperangkat lilitan kontinu, yang disebut kumparan. Banyaknya lilitan dalanr stator ini akatr nrenentukan.iunrlah kutub motor, biasanya 2.4,6,8, l0 atau 12. Tabel 21.2 menunjukkan bahwa kecepatan putar rnotor bergantung pada.juntlah kutub.
GAMBAR
2I.3
Batang sangkar tupai
Penampang longitudinal sebuah motor induksi Gelang ujung sangkar tupai
Bantalan
Penutup motor Kumparan
stator
I
-1-
Rotor Stator
GA]vIBAR 21.4
Canai-canai motor induksi
OAMBAR
2I.5
Sangkar tupai
Rotorjuga mempunyai canai-canai dengan kanal-kanal sepaniang rotor. Kanal-kanal ini diisi dengan batapg-batang yang terbuat dari bahan konduktor listrik yang baik, senrisal tenrbaga atau aluntiniurn, yang ujung-ujungnya rlihubungkan dengan gelang-gelang kontinu pada setiap ujungnya. Untuk beberapa rotor yang kecil, kurnpulan bitang dan gelang-
gelang ujung dibuat rnenjadi satu kesatuan dari bahan alurniniunr nrelalui proses pengecoran. Seperli yang ditunjukkan dalanr Gambar2l .5,jika dilihat tanpa canai-canai, hasil pengecoran ini akan tanrpak sepefti sarang tupai. Karepa itulalr motor induksi ini sering disebut sebagai motor sarang tupai. Gabungan sangkar tupai dan canai-canai dipasang tetap pada poros motor dengan presisi tinggi untuk menjarnin keseja.jarannya dengan stator dan keseimbangan dinalrris yang baik pada saat rotor berputar. Bila rotor dirakit ke dalarn bantalan-bantalan penuntpunya dan dimasukkan ke dalant stator maka terdapat sebuah celah antara permukaan luar rotor clan pernrukaan dalant stator sekitar 0,020 in (0,50 ntm).
Motor Tiga Fasa Prinsip-prinsip operasi motorAC yang akan dibahas peftarna kali adalah untuk nrotor induksi tiga fasa. Rancangan nrotor satu fasa akan dibahas kemudian. Sumber daya listrik tiga fasa yang ditunjukkan secara skematis clalam Ganrbar 21.2 dilrubungkan dengan kumparan-kumparan stator. Ketika arus nrengalir melalui kumparan-kun.lparan ter.sebut, nraka akan tinrbul medan elektromagnetik yang dinampakkan pada konduktor-konduktor dalanr rotor. Karena ketiga fasa daya ini bergantian dalam selang-selang waktu teftentu, nraka akibat yang ditinrbLrlkan adalah seperangkat medan yang berputar nlengelilingi stator. Sebuah konduktor yang terletak di dalanr rnedan rnagnet yang bergerak akan merrpunyai arus yane terinduksi di dalamnya dan akan muncul sebuah gaya yang tegak lurus terhadap konduktor tersebut. Gaya ini bekerja di sekeliling rotor sehingga menciptakan sebuah torsi yang akan nrernutar rotor. Karena menghasilkan arus yang terinduksi di dalarn rotor, rraka ntotor ini disebut sebagai motor induk.si. Per.lu dicatat bahwa tidak terdapat hubungan listrik langsung ke rotor. Dengan demikian, akan sangat rnenyederhanakan perancan-ean dan konstruksi motor, sefia keandalannya tinggi.
138
Elenten-Elenren Mesin dalam Perancdngan Mekanis
2"t.s UNJUK KER|A MOTOR AC Unjuk keria motor listrik biasanya ditampilkan melalui grafik hubungan kecepatan putar terhadap torsi, seperti yang ditunjukkan dalarn Gambar 2l .6. Sumbu vertikal rrrerupakan kecepatan putar nrotor yarrg dinyatakan dalam persentase terhadap kecepatan putar sinkronrrya. Suntbu horizctntal adalah torsi yang dihasilkan oleh tnotor yang dinyatakan dalaut persentase terhadap torsi beban penuh atau torsi norninalnya. Ketika rnemberikan torsi beban penuhnya, motor beroperasi pada kecepatan beban penuhnya dan merrgantarkan daya norrrinalnya. Lihat Tabel 2l .2 yang rnendaftarkan kecepatan putar sinkron dan kecepatan putar beban penuh. Torsi di bagian bawah kurva untuk kecepatan putar sanra dengan nol disebut sebagai torsi pengawalan (starting lorque) atau torsi dengan rotor terkunci (locked-r'otor torquc). Tolsi inilah yang tersedia untuk penggerakan beban mulantula dan awal terjadinya percepatan. Ini merupakan salalr satu dari paralneter penrilihan yang sangat penting untuk llotor, seperti yang akan dibahas dalarn penjelasan nrengenai rnasirrg-rnasing.jenis nrotor. "Belokan" pada kurva yang disebut sebagai torsi puncuk (breoktkn,n tot'c1ue) adalah torsi rraksirnum yang dihasilkan oleh motor selanra tahap percepatan. Sudut kemiringan pada kurva hubungan kecepatan putar dan torsi, yang dekat dengan titik operasi beban penuh, adalah sebuah petuniuk trrengenai regulusi keceputan. Kurva rata (dengan sudut kenriringan kecil) nrenunjukkan regulasi kecepatan putar yang baik, yaitu balrwa berubahnya beban hanya menimbulkan variasi kecepatan putaryang kecil. Sebaliknya, kurvayang curanr (derrgan sudut kerniringan yang besar) menunjukkan regulasi putaran yang buruk dan motor akan menatnpilkan kecepatan putar yang nrengayun jaLrh bila teriadi perubahan beban. Motor-motor denrikian ini ntenghasilkan sebuah percepatan beban yang "halus" yang dapat ntenguntungkan dalanr beberapa penerapan. Tetapi bila yang diharapkan adalah kecepatan putar yang benar-benar konstan, rnaka rnotor dengan regulasi kecepatan yang baiklah yang harus dipilih.
OAMEAR
2I.6
Bentuk umum kurva unjuk kerja motor
j
Torsi beban penuh
Kecepatan putar beban penuh
Sudut kemiringan kurva, menun.jukkan regulasi kecepatan putar
ooE
, 6: JoE acA
Torsi puncak
6drl
oco
.qEE" *oo
()
ttx)
2(X)
.3{X)
Torsi (persentase terhadap torsi beban penuh)
21,6 MOTOR INDUKSI SANGKAR TUPAI TIGA FASA Tiga dari sejurrlah besar motorAC tiga fasa dirancang secara sederhana dalanr kelas B, C, dan D oleh National Electrical Manufacturers Associatiott (NEMA). Perbedaan utama ketiga rnotor ini adalalr pada rrilai torsi pengawalannya dan regulasi kecepatan putar di sekitar beban penuh. Garrbar 21.7 menunjukkan kr-rrva unjuk kerja untuk ketiga kelas rrrotor tersebut sebagai perbandingart. Setnua kelas menggunakan jenis rotor sangkar tupai, sehingga tidak ada hubungan Iistrik ke rotor. Jenis rancangan 4-kutub dengan kecepatan putar 1800 rprn rnerupakan yang paling urrrurn dan tersediadalarn sernLra daya notninal virtual dari'/o hp sarnpai 500 hp. Ukuran-ukuran lainnya tersedia dalam.jenis rancangan 2-kutub (3600 rprrr),6-kutub (1200 rpm),S-kutub (900 rpm), l0-kututr (720 rpnr), dan l2-kLrtub (600 rprn).
,\lotor Li.strik clttr llLn.i,;i;-A.,,'..'.;
,'
l -ltf
Motor Kelas B dari NEMA Unjuk kerja dari motor tiga fasa kelas B ini serupa dengan motor satu fasa dengan fasa terpisah lanr akan ii.l<,:.r., kemudian. Motor ini melnpunyai torsi pengawalan sedang (sekitar 150% dari torsi beban penuh) dan regulasi kr;..t::.:putar yang baik. Torsi puncaknya tinggi, biasanya2000/, dari torsi beban penuh atau lebih. Arus pen_ea*alannr: -t',.=., tinggi, sekitarenam kaliarus beban penuh. Sirkuit pengawalannya harus dipilih sedemikian sehing-ea rnanrpu nren3nJ;" arus yang besar ini dalam waktu singkat, yang diperlukan untuk rnenuntun ntotor ntencapai kecepatann\ a \ alt{ n\ f,il. Biasanya motor kelas B digunakan untuk porrpa sentrifugal, kipas angin, blower, clan ntesin-rrresin perkakas sernis.,. rnesin gerinda dan mesin bubut.
Motor Kelas C dari NEMA Torsi pengawalan yang tinggi merupakan kelebihan utarna dari rnotor kelas C. Beban-beban yang ntenrerlukarr perrgau li.-,:: 200% sampai300% dari torsi beban penuh dapat digerakkan dengan rrotor ini. Arus pengawalan nrotor ini lazinrnl a l.'b:i: rendah dari rnotor kelas B untuk torsi pengawalan yang sarxa. Regulasi kecepatan putarannya baik dan kurang leb,ii: salna dengan motor kelas B. Biasanya motor kelas C digunakan untuk kontpresor torak, sistern pendinginan, konrer.,: berbeban tinggi, dan penggiling dengan hasil bulatan dan batangan.
Motor Kelas D dari NEMA Motorkelas D mempunyai torsi pengawalan yangtirrggi, sekitar 300%odaritorsi beban penuh. Tetapi rnotor irri rlernpur: . .. regulasi kecepatan putar yang buruk yang menghasilkan perubahan kecepatan putar yang besar akibat berubahnya beL.., Kadang-kadang disebut sebagai urotor selip tinggi, karena beroperasi dengan selip sekitar 5%o santpai 30%o pada L'e:..' penuh, sedangkan motor kelas B dan C beroperasi dengan selip sekitar 3%o sampai 5%0. Dengan demikian, kecepatan p..:.,motor kelas D adalah yang paling rendah.
Iiull-lo;rd ol)erlti,u pr)irt\
Design
*
_= **
GATIEAR
2I.7
Kurva unjuk kerja motor tiga fasa kelas B, C, dan D
Il
l{0
60
ZU
C
.)
320 a
r00
2{)0
'ltlrque { p*rucn tag*
o1'
l{x)
lir I I-lri;ul rcrquc
.{{x) )
Regulasi kecepatan putar yang buruk dianggap sebagai keuntungan dalam beberapa penerapan dan sebagai alasan utarna pemilihan motor kelas D seperti untuk mesin press tumbuk, rnesin potong pelat, mesin gilas logarn lenrbaran. kran, elevatoq dan pornpa minyak. Dengan rnernberikan keleluasaan pada rnotor untuk rnelantbat secara signifikan bila beban-beban rreningkat, akan memberikan respons yang halus pada sistem, yakni rnengurangi kejutan dan sentakan yarrg berasal dari sistem transrnisi dan mesin yang digerakkan. Misalkan untuk sebuah elevator: Pada awal pengangkatan beban yang berat, percepatan yang terjadi akan rnenjadi halus dan kecepatan rneluncurnya akan dicapai tanpa sentakan yang berlebihan. Keterangan inijuga berlaku untuk sebuah kran. Jika sebuah sentakan yang besar terjadi ketika kait kran mendapat beban yang berat, maka percepatan puncaknya akan menjadi tinggi. Kondisi ini akan rnenyebabkan ter.ladinla gaya kelerrbaman yang tinggi dan dapat rnengakibatkan tali kran putus.
I
{U
E..metrElenten Mesin dalam Perancangan Mckanis
Motor dengan Rotor Berkumparan Seperti nanrayang diberikan (wouncl-rotor nrotors), rotor pada ntotorjenis ini rnenrpurrvai kunrparan-kunrparan listrik rang dihubungkan rnelalui gelang-gelang selip ke sirkuit daya eksternal. Penyisipan selektif suatu lraurbatan (resistance) di dalanr sirkuit rotor akan rnemungkinkan unjuk kerja rnotol dapat disesuaikan berdasarkan kebutuhan sistern dan dapat diubalr dengan relatifrrrudah sehingga sistem dapat diubalr atau secara nyata urengubah kecepatan rlotor.
GAIiIBAR 21.8
ia) Kurva unjuk kerja sebuah motor tiga fasa dengan rotor berkumparan dengan variasi hambatan eksternal dalam sirkuit rotornya (b) Skema motor dengan rotor berkumparan dilengkapi kendali hambatan eksternal.
c
.ioC lul '6 o
3-
*c oN rA oO -9l GO 6v oo 0o 06 {c
tltl Hambatan eksternal semakin
diperbesar
60
{U
o o
920 c @
o o
o
{)
0
l0(l
2&,
3ft1
'1(X)
Torsi (persentase terhadap torsi beban penuh)
(u)
Kendali harnbatan eksternal untuk sirkuit rotor
(b) Skema motor dengan rotor berkumparan dilengkapi kendali hambatan eksternal
Carnbar 2l .8 menunjukkan hasil-hasil yang diperoleh berdasarkan perubahan hanrbatan dalam sirkuit rotor. Ingatlah bahrva keenrpat kurva dalarn gambar ini adalah untuk nrotor yang sanra, dengan kurva 0 memberikan un.juk ker.la dengan harnbatan eksternal nol. lni serupa dengan motor kelas B. Kurva 1,2, dan 3 nrenunjukkan uniuk kerja dengan nilai-nilai hanrbatan dalarn urutan yang semakin rnernbesar di dalam sirkuit rotor. Dengan denrikian, torsi pengar.valan dan regulasi kecepatan putar dapat disesuaikan berdasarkan beban. Penyetelan kecepatan untuk beban tertentu dapat diperoleh sanrpai nrendekati 50oh dari kecepatan putar beban penuh. Rancangan rotor berkumparan ini digunakan dalanr aplikasi-aplikasi seperti pada mesin press cetak, mesin penghancur, konveyoq dan pengangkat.
Motor Sinkron Berbeda dengan motor induksi sangkar tupai atau motor dengan rotor berkurnparan, motor sinkron beroperasi secara tepat sarna dengan kecepatan putar sinkronnya tanpa selip. Motor-nrotor demikian ini tersedia dalarn ukuran dari perseribuan hp
digunakan untuk alat-alat penunjuk waktu dan instrurren, sanrpai ratusan hp untuk transrnisi penggerak kontpresor udara, pornpa, atau blower yang besar. Motor sinkron harus diawali dan dipercepat secara terpisah di luar konrponen-kornponen nrotor sinkron itu sendiri karena nrotorjenis ini menyediakan torsi yang sangat kecil pada kecepatan nol. Laziurnya, terdapat scbuah kunrparan .lenis sangkar tupai yang terpisah di dalanr rotor nornral, yang pada awalnya akan nrenrpercepat poros nrotor. Apabila kecepatan putar rotor berada beberapa persen dari kecepatart putar sirrkron, nraka akarr nruncul kutub-kutub rnedarr rlotor 1,ang
Motot' Li,strik clon Kcncloli-Kettclulrtn,i I { I sehingga rotor ditarik ke dalam sikronisrre. Pada saat itu, sangkai tupai tidak akan berlungsi clarr rnotor rerus br.rl,rLri.; pada kecepatan putarnya tanpa dipengaruhi oleh berubalrnya beban sarnpai pada suatu batas tertentu ),ang disebur 1. /.. larik-keluar (pull-out tot'c1tre). Bila beban ntelantpaui torsi ini, rnaka r.r.rotor akan ditarik keluar clari sinkronisrrrc .1.,r berhenti.
Motor Universal Alolor univer'.srzl dapat beroperasi baik dengan sumbel daya AC ataupun DC. Konstruksi rnotor ini serupa dr-nS.1:. konstruksi rnotor DC kurnparan seri yang akan dijelaskan kenruclian. Di clalam tlotor ini terdapat r.otor. 1,arrg,,r.,,,p,.,,^., kunlparan-kulxparan listrik yang berhubungan dengan sirkuit eksternal melalui sebuah komutator yarrg terclapat pl.i., poros, sejenis susullan gelang selip yang dibuat dari beberapa potongan ternbaga sebagai tenrpat lur.rcuran sikat-sik.-,: karbon tetap. Persinggungannya dipertahankan dengan tekanan pegas ringan.
^c
2I.9
r60
OAMBAR
l4{}
Kurva unjuk kerja sebuah motor universal
e
c
I o
r:o
o ; !! 100 :o *o co oo 6r ,r) oo -,,' oo o! oo vl
e60 o a
c
910 0
g
()
l(x)
2u)
300
4tx]
Torsi (persentase terhadap torsi beban penuh)
Motor univel'sal biasanya berputar pada kecepatan yat)g tinggi, yakni 3500 sampai 20 000 rpnt. Motor jenis ::menlpunyai daya per bobot yang tinggi dan rasio daya per ukuran yarrg tinggi, yang diinginkan untuk perkakas-perkak.:. tangan selnisal dril, gergaji, dan pencarrpur rnakanan. Pernbersih vakunr dan rlesin jahit.juga sering rrenggunakan nroror ttniversal. Cambar 2 I .9 menunjukkan sepelangkat contoh kurva hubungan kecepatan putar clan torsi untuk versi kecepatap
tinggi dari rnotor universal, yang lrenunjukkarr unjuk keria untuk sutnber daya AC 60 Hz dan 25 Hz serta suntber dara DC. Perhatikanlah bahwa unjuk kerjayang ditun-jukkan di sekitar beban nontinalnya adalah sama, tidak bergantung pacla kekhasan sulrtber daya inputnya. Juga perlu diperhatikarr balrwa rnotor ini nrempunyai regulasi kecepatan putar )'ans buruk, di rxana kecepatan putarnya akan berubah besar akibat berubahnya beban.
2,1.7 MOTOR SATU FASA Enrpat jenis nlotor satu fasa (single-phase motors) yang paling urnunr adalalr jenis-jenis .fttsu tcrpiscrh, kctpasitot. pengavalan, kapasilor petnisoh ;ternanen, dan kulub tcrlindrlrg. Masing-masing rlentpunyai kekhasan dalanr konstruksi fisik dan cara penghubungan kontponen-komponen listrik yang disediakan untuk pengawalan dan penjalanan rnotor. yang akan ditekankan di sini bukanlah bagaiurana merancang nrotor-nrotor tersebut, tetapi unjuk kerja nrasing-masing sehingga dapat dilakukan pemilihan sebuah tnotor secara tepat. Gambar 21.10 rnenunjukkan karakteristik dari keenrpatjenis rnotor di aras, sehingga dapat diperbanclin-gkan. Keistitrewaan dari kurva unjuk kerja untuk keenrpat-ienis nrotor ini akan clibahas pacla subbaL berikutnya.
112
Elemen-Elemen Mesin dalant Perancangon Mekanis
OAMBAR
2I.IO
Kurva unjuk kerja empat jenis motor listrik satu fasa
c o
-Y c t00 '6,
6 l :6
E ;J
o
xt)
I
{rt)
c
oo o6 OI
voo€
o "lt]
{)
o
5:l o
a
tff)
:(x)
"i(x)
J00
Torsi (persentase terhadap torsi beban penuh)
Secara urlull, konstruksi motor satu fasa serupa dengan konstruksi motor tiga fasa, yang terdiri atas sebualt stator yang terpasang tetap, sebuah rotor yang pejal, dan sebuah poros yang ditumpu dengan bantalan-bantalan. Prinsip induksi yang dibahas sebelumnya juga berlaku untuk rnotor satu fasa. Tetapi perbedaan te{adi karena daya satu fasa tidak rnenriliki sifat berputar mengelilingi stator untuk rnenciptakan sebuah rnedarr yang bergerak. Masirrg-nrasing jenis nrotor ini rnerrggunakan sebuah skema pengawalan rnotor yang berbeda. Lihat Garnbar 2l .l l. Motor satu fasa biasanya tersedia dalarn jangkauan perseribuan dan persepuluhan hp dari l/50 hp ( l5 W) sampai 1,0 hp (750 W), meskipun beberapa di antaranya tersedia sampai l0 hp (7,5 kW).
Motor dengan Fasa Terpisah Stator pada motor dengan fasa terpisah [Gambar 2l.ll(b)] trernpunyai dua kunrparan: kuntpctron utanta (moin y,inding), yang secara kontinu berhubungan dengan saluran daya; dan kumparun pcngawalctn (slctrting t,inding), yang berhubungan hanya selama pengawalan motor. Kurrparan pengawalan ini rnenciptakan sedikit pergeseran fasa yang akan rrrenghasilkan torsi pengawalan dan rnempercepat putararr rotor. Setelah rotor Irencapai kecepatan sekitar 75o/o dari kecepatan sinkronnya, kumparan pengawalan ini akan diputus oleh saklar sentrifugal dan rotor terus berputar dengan arus pada kumparan utama.
Kurva unjuk kerja untuk rnotor dengan fasa terpisah ini ditunjukkan dalarl Garrbar 21.10. Motor ini menrpunyai torsi pengawalan sedang, sekitar 150% dari torsi beban penuh. Motor ini juga rnernpunyai efisiensi yang bagus dan dirancang untuk operasi yang kontinu. Regulasi kecepatan putarnya bagus. Salalr satu kekurangannya adalah perlunya saklar sentrifugal untuk memutus hubungan dengan kumparan pengawalan. Tangga yang tergarnbar pada kurva hubungan kecepatan putar dan torsinya menunjukkalt terputusnya hubungan ini. Karakteristik-karakteristik demikian inilah yang menyebabkan rrrotordengan fasaterpisah nrerupakan salah satujenis trotor yang sangat populer digunakan dalam mesin-rnesin untuk bisnis, rresin perkakas, pompa sentrifugal, pentangkas runrput listrik, dan sebagainya.
Motor dengan Kapasitor Pengawalan Sepefti pada motor dengan fasa terpisah, motor dengan kapasitor pengawalan [Garnbar 2l.ll(c)] juga mempunyai dua kurnparan: sebuah kuntparan utama atau kumparan pcnjalon dan sebuah kuntparan pengav,alan. Tetapi pada Inotor ini, sebuah kapasitor dihubungkan dalam susunan seri dengan kunrparan pengawalan yang akan rnernberikan torsi pengarvalan yang sangat lebih tinggi dari yang diberikan oleh motor dengan fasa terpisah. Urnurrrnya menrberikan torsi pengawalan 250oh atau lebih dari torsi beban penuhnya. Motor inijuga rrrenggunakan sebuah saklar sentrifugal untuk memutuskan hubungan listrik ke kumparan pengawalan dan kapasitor. Karakteristik operasi normal motor ini selanjutnya serupa dengan karakteristik yang dimiliki motor dengan fasa terpisah: dengan regulasi kecepatan yang bagus dan nreuriliki efisiensi yang bagus u.ntuk operasi yang kontinu.
llotor Listrik
ci.r/i A./:,;-;
GAiIBAR 2I.I I Diagram skematis fasa
I
.$_:
mc::' sa:-
Arus pada kumparan utama
(a) Penggeseran fasa di antara arus pada kumparan utama dan arus pada kumparan pengawalan
Kapasitor pengawalan Kumparan pengawalan
I Ll
I
I
I
Saklar pengawalan sentrifugal
L:r
Saklar pengawalan sentrifugal Saklar utama
(b) Motor dengan fasa terpisah
(c) Motor dengan kapasitor pengawalan
Lilitan terlindung Kumparan pengawalan
(d) Motor dengan kapasitor pemisah permanen
L
Lititrn
utr.a
(e) Motor dengan kutub terlindung
Kekurangan-kekurangannya adalah diperlukannya saklar dan kapasitor yang relatif tebal. Sering kali kapasitor dipasang secara menyolok di bagian atas motor (lihat Garnba r 2l .17). Kapasitor inijuga dapat disatukan dalarn satu kotak yang terdiri atas saklar pengawalan, sebuah relai, atau elerren-elerren kendali lainnya. Pernakaian motor dengan kapasitor pengawalan meliputi banyak jenis mesin yang melxerlukan torsi dengan pengawalan tinggi. Contoh-contohnya adalah konveyor berbeban berat, kompresor dan pompa pendingin, serta penggerak
fluida berat.
Motor dengan Kapasitor Pemisah Permanen Sebuah kapasitor dihubungkan tetap secara seri dengan kumparan pengawalan. Lazimnya, torsi pengawalan pada lrotor dengan kapasitor pemisah permanen [Gambar 2l-ll(d)] agak rendah, sekitar 40o/o atau kurang dari torsi beban penuh.
Karena itu biasanya hanya digunakan untuk beban-beban kelernbaman yang kecil seperti kipas angin dan blouer.
l-l-l
Elemen-Elenten Mesin dalam Percrncengon Mckonis
Kelebihannya adalah pada unjuk kerja dan regulasi kecepatarr putarnya yang dapat diperbaiki selringga cocok
den_ean
beban yang diberikan dengan ntemililt nilai kapasitor yang tepat. Selain itu tidak diperlukan saklar sentrifugal.
Motor dengan Kutub Terlindung Motor derrgan kutub terlindung [Ganrbar 2l.ll(e)] hanva nrempunyai satu kunrparan, yakni krrntporon utcttlto ataLt petlalan. Reaksi pengawalan diciptakan oleh adanya pita tembaga di sekeliling salalr satu sisi dari masingnrasing kutub. Pita dengan tahanan rendah "melindungi" kutub supaya rnenghasilkan sebuah rnedan rnagnet untuk
krrtrrpcrt'trn
nrenjalankan rnotor. Motor dengan kutub terlindung ini sederhana dan nrurah, tetapi nrenriliki efisiensi yang rendah dan torsi pengawalan yang sangat kecil. Regulasi kecepatan putarnya jLrga buruk dan perlLr didinginkan dertgan kipas selarna operasi nornral. Karena itu motor ini terutarrra digunakan dalarn kipas dan blorver yang terpasarrg pada poros di rrarra udara diherrbuskan ke nrotor. Beberapa pompa kecil, mainan, dan kadang-kadang peralatan rurnalt tangga juga nrenggLrnakarr motor dengan kutub terlindurrg karena harganya yang nrurah.
21.8
f
EN|S-JENTS RANCKA
DAN PENUTUP MOTOR AC
Jenis-Jenis Rangka Bentuk rancangan peralatan sebagai tempat rnotol akan dipasang rnenentukan ienis rangka yang diperlukan. Beberapa .jenis rangka nrotor akan dibahas berikut ini.
Rangka Berkaki. Jenis yang paling banyak digunakan Lrntuk mesin-mesin irrdustri adalah .lenis rangka berkaki (/ootntorrntetl.fi'anre), yang ureurpunyai kaki-kaki yang rnenyatu dengarr pola lubang standar untuk menrasang nlotor ke nresin dengar.r baut-baut pengikat (lihat Ganrbar 21.12).
Rangka dengan Kaki Bersekat. Jenis rangka dengan kaki bersekat (arshion bose.fi'onte)juga nrempunyai kaki untuk penrasangan nrotor ke rangka nresin, tetapi di antara dasar kaki dan rangka nlotor dilengkapi dengan lapisan penyekat yang kenyal untuk tnengurangi getaran dan suara (lihat Carrrbar 2 l. l3).
OAIYIBAR
21,12
Motor-motor berkaki dengan berbagai jenis penutup (Rockwell Automation/Reliance Electric, Greenville, SC)
(a) Terlindung, tahan tetesan
(b) Tertutup rapat. tanpa ventilasr
('
:*I
(d) Tahan ledakan, tahan api
lllotor Li.strik dan Kendali-Kentlolint,tt l -15
2t,tq
OAIYIBAR 21,13
OAIYIBAR
Motor tertutup rapat dengan kaki bersekat dan dengan ujung poros ganda (A. O. Smith Electrical Products, Tipp City, OH)
Motor dengan rangka bermuka C. Lihat Gambar 8.25 sebagai contoh sebuah transmisi penurun putaran yang dirancang menggunakan motor dengan rangka bermuka C. (Rockwell
GAMBAR 21,15
Motor dengan rangka bermuka C dari NEMA, dengan dasar yang tegar dan tahan tetesan, yang digunakan untuk pompa terkopel rapat (A. O. Smith Electrical Products, Tipp City, OH)
Automation/Reliance Electric, Greenville, SC)
Rangka Bermuka C. Jenis rangka berrnukaC (C-/acc tttounting.fi'unrc) ini rnenyediakan rnuka berberrtuk C yang diperolch dari proses petnesinan yang terdapat pada ujung poros motor yang memiliki pola lubang ulir standar. Peralatan larrg digerakkan selanjutnya dipasang secara langsung ke rnotol dengan nrenggunakan baut-baut pengikat. Perarrcangatt nrukrt ini distandarisasikan oleh National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Lihat Gambar 21.14 dan 2 l. 15. Rangka dengan Flens-D. Jenis rangka dengan flens-D (D-flunge mounting./rune) ini rrrenyediakan flens yang diperol.'h dari proses pemesinan yang terdapat pada uiung poros luotor dengan pola lubang-lubarrg baut standar untuk perlasarrs.ir: motor ke peralatan yang digerakkan. Perancangan flens dialur oleh NEMA.
Rangka untuk Pemasangan Tegak. Rangka untuk perlasangan tegak (t'erticul mounting) adalah perancangan kltLt.t:. karena orierrtasi yang tegak akan rnemengaruhi bantalan-bantalan pada nrotor. Penrasangannya pada peralatan rar:_digerakkan biasanya menggunakan muka C atau flens D melalui lubang-lubang baut yang tersedia seperti )ang tc'l;r' di jelaskan sebelunr nya
(
I
ihat Ganr
ba
r2
I.|
6).
Tanpa Rangka. Beberapa pembuat peralatan hanya rnembeli rotor dan stator tanpa rangka (unmounlecl) dari pertrL.. ntotor, ketnudian merakitnya langsung ke rnesin. Kompresor untuk peralatan pendinginan biasanya dirancang derrcara ini.
Penutup Motor Penutup-penutup di sekeliling urotor berfungsi sebagai penutnpu bagian-bagian aktif dan rnelindungi bagian-batr;rn tersebutterhadap perubahan yang rnungkin terjadi sesuai dengan tingkat perlindungan yangdiperlukan. Beberapa dlrti jerris penutup ditunjukkan dalam Garnbar2l.l2 sampai 21.11 dan akan dijelaskan berikut ini.
Terbuka. Jenis terbuka (open) lazirnnya mernpunyai sebuah penutup dari loganr lerlbaran tipis di sekelilin_u stator seltil pelat-pelat ujung untuk nrenahan bantalan-bantalan poros. Penutup ini menriliki lubang atau alur )'ang rnelnunskinkan udara pendingin masuk ke motor. Motor ini harus dilindungi oleh penutup nresin yang digerakkan (lihat Ganrbar I L l7). Terlindung. Jenis terlindungQtrotectec[), yang kadang-kadang disebut.luga tuhan tetcsotl (drippt'or1). nterliliki Iubanglubang ventilasi hanya pada bagian bawah penutup sehingga cairan yang rnenetes di atas motor dari atas tidak dapat masuk ke motor. Ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan (lihat Gantbar 21.12(a)1.
Tertutup Rapat Tanpa Ventilasi. Jenis teftutup rapat tanpa ventilasi lTotull.v
Enclo.secl lt'otttt'utilulett
(TENI/)l
sama
sekali tidak merniliki lubang pada penutupnya dan tidak rnemiliki perlengkapan khusus yang dibuat untuk pendinginan
146
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangon Mekanis
tnotor kecuali sirip-sirip pada rangka coran sehingga akan mentberikan pendinginan secara konveksi. Perancangan ini dimaksudkan untuk melindungi motor dari atmosfer yang rneurbahayakan Iihat Ganrbar 2l .12(b)].
Tertutup Rapat Berpendingin Kipas. Jenis teftutup rapat berpendingin kipas ltotall.l, encloscd Fan-cooled OEFC)I dirancang serupa dengan TENV kecuali sebuah kipas pada salah satu ujurrg porosnya yang digunakan untuk nrengherrbuskan udara ke bagian-bagian bersirip
Iihat Garnbar 21.l2(c)].
CAMBAR 21.16
OAIYIBAR 21,17
Motor tertutup rapat tanpa ventilasi, dengan rangka bermuka C dan dengan tutup atas tahan tetesan untuk operasi vertikal (A. O. Smith Electrical Products, Tipp City, OH)
Motor dengan rangka terbuka dan kaki bersekat. Pemasangannya dapatjuga dengan memakai bautbaut utuh, prta (belly band) atau gelang penyekat (A. O. Smith Electrical Products, Tipp City, OH)
CAMBAR 21,18
Menunjukkan maksud dari ukuran rangka motor standar dari NEMA yang terdaftar dalam Tabel 21.3 TEFC-XP. Penutup jenis TEFC-XP (explosion-proofl [Tertutup Rapat Berpendingin Kipas Tahan Ledakan] ini serupa dengan penutup jenis TEFC, kecuali tersedianya perlindungan khusus untuk sambungan-sarnbungan listrik untuk mencegah api atau Iedakan dalarn lirrgkungan yang berbahaya Ilihat Ganrbar 21.12(d)].
Ukuran-Ukuran Rangka Ukuran-ukuran penting rangka motor diatur oleh NEMA. Ukuran tersebut meliputi tinggi dan lebar menyeluruhl tinggi sumbu poros dari dasar; diameter dan panjang poros, ukuran pasak; dan ukuran-ukuran pola lubang untuk pernasangan. Ukuran rangka motor untuk nlotor-motor dengan kecepatan putar 1725 rprrr;jenis tiga fasa; induksi; berkaki darr tahan tetesan, didaftarkan dalam Tabel 21.3. Penjelasan mengenai ukuran-ukuran dalam tabel ini dapat dilihat dalam Garnbar 21.18.
l{TABEL 21.3 Ukuran-ukuran rangka motor
Daya (hp)
Ukuran (in)
Ukuran rangka
t/q 1/z
Alur pasak
48
5,63
9,44
3,00
2,13
I,38
56
6,50
r0,07
3,50
2,44
1,50
2,50
I
I
437
7,00
10,69
3,50
2
l45T
7,00
I r,69
3,50
)'7\ )'7\
5
I
847
9,00
13,69
4,50
1 75
2,50
l0 l5
2t5T
10,50
t7,25
{
4)\
3,50
2547
12,50
6,25
5,00
4,t3
6,25
5,00
5,00
?q
2,00
20
2s6T
t2,50
)) )\ )) )\
25
2847
I4,00
23,38
7,00
5s0
4,7 5
30
2867
14,00
24,88
7,00
5,50
5,50
40
3247
r6,00
26,00
8,00
6,25
s 7s
50
3267
16,00
27,500
89,00
6,2s
6,00
5,88 6,7s 1,00 7,00 9,00 10,56 12,50 12,50
r4,00 t4,00 16,00 16,00
0,500
1,50
0,62s
r,88
3/16 x 3,'31
0,875
2,00
3/16 x 3
0,875
2,00
3ll6 x 3'32
1,125
2"50
0,05 datar
t/a \
3l
1,''t
1,375
3,
l3
5/16 x 5
ll
t,625
3,75
3/8 x 3
16
I,625
3/8 x 3,'16 4,3 8
Yz
X t/t
1,875
4,3 8
t/z
X
2,125
5,00
1/z
X
t/a
5,00
1/z
X
t/t
1,875
2.t25
l/a
Catalan" Scnlua motor adalah tnotor inciuksi AC 60 Ilz cmpat kutub tiga lasa. t-ilrat Carnbar 21.8 untirk clcskripsi ukuran.
Kendali motor harus rnelaksanakan berbagai fungsi seperti yang diringkaskan dalam Gambar2l.lg.Tingkat kerunriran kendali bergantung pada ukuran dan jenis rnotor. Motor-nrotorlecil [ersepuluhan atau perseribuan hp [adang-kadanu dapat dijalankan dengan saklar sederhana yang menghubungkan rnotor secara langsung ke jaringan bertegangan perruh. Motor besar atau beberapa rnotor kecil pada peralatan pentirrg nrenrerlukan perlindungan yang ketat. 0AIIIBAR
2l'19
Diagram blok kendali motor
Pasokan listrik risrrik
Peranti kendali motor
Fungsi-fungsi kendali rrotor adalah sebagai berikut:
t. I 3. 4. 6. 1
8. 9. 10.
Untuk rrenjalankan dan menghentikan ntotor Untuk melindungi motor dari beban lebih yang akan rnerryebabkan motor menyedot arus besar yarrg berbahaya Untuk rnelindungi motor dari peningkatan panas yang berlebihan Untuk rrelindungi orang dari persinggungan dengan bagian-bagian sistern Iistrik yang berbahaya Untuk melindungi kendali itu sendiri dari Iingkungan yang buruk Untuk rnenghindari kendali-kendali itu sendiri dari penyebab kebakaran atau Iedakan Untuk menyediakan torsi, percepatan, kecepatan atau perlantbatan yang terkendali pada ntotor Untuk menyediakan pengawalan yang berurutarr dari sederet ntotor atau peranti-peranti Iainnya Untuk menyediakan operasi terkoordinasi pada bagian-bagian sistem yang beraganr, yang rnungkin rrelibarl,: beberapa motor Untuk melindungi konduktor-konduktor dari sirkuit cabang yang dihubungkan ke motor
Untuk pemilihan sistem kendali motor yang tepat dibutuhkan pengetalruan paling tidak nrengerrai taktor-r:i,:
berikut:
l{8
Elemen-Elenren Me,sin clolam Pcrancongan Mekcrni;;
l. 2.
Jenis layanan listrik: tegangan dan fi'ekuensi; satu atau tiga tasa; pembalasan-penrbatasan ar.gs Jenis dan ukuran rnotor: daya nominal dan kecepatan rronrinal; arus beban penuh nonrilal, alus rotor terku,ci
3.
Operasi yang diinginkan: siklus pekerjaan (kontinu, hidup/nati. atau terpurus-putus): kecepatan tunggal atau kecepatarr bertingkat banyak, atau operasi dengan kecepatan berubaht searalr atau berlarvanan arah Lingkungan: suhu; air (hujan, salju, hujan bercanrpur salju, tersetnbur air atau tergeltang air), debu dan kotoran; gas atau cairan yang korosiI uap atau debu yang dapat rneledak; rninyak atau pelLlltas
norn irral
4. 5. 6. 7.
Batasan-batasantenlpat Kentudahan dalarl ntendapatkan kendali Suara atau faktor-faktor yang ntuncul
Peralatan Pengawalan Motor Terdapat beberapa pengelontpokan peralatan penearvalan nrotor (rrolor.stortcr): ntanual atau nragnetis; searah atau berlawanan aralt, berkendali dua kawat atau tiga kawat; dengan tegangan penuh atau dengan reduksi tegangall; dengan satu atau banyak kecepatan putar; dengan perrberhcrrtian biasa, pengerenlan, atau pemberhentian colok. Sellua i1i lazirnnya nrermiliki beberapa bentuk perlindungan terlradap beban lebih, y.ang akan clibalras kenru'c.lian.
Peralatan Pengawalan Manual dan Magnetis, Bertegangan penuh dan Searah Carllbar 21.20 rnenunjukkan diagranr hubungan skentatis untuk peralatan pengawalan ltapual ptotor safu fasa dan tiga fasa. Sinrbol Mnrenunjukkan kontaktor (saklar)terbuka norrral (nrtrnrollv ope n)S,angclijalankan secara nranual, nrisaln-va dengan cara trenrindahkan tuas. Ukuran norrrinal kontaktor ini didasarkan atas dava nrotor yang akan ditanganinva secara arltan. Daya nolninal secara tidak langsung berhubungan derrgarr arus yang dipasok rnotor dan perancangan korrtaktor llarus (l) melrbuat hubungan kontak yang anlan selarla pengarvalan nrotor, ciengan rnengingat arus pengawalarr yarrg tinggi; (2) rnengantarkan arus dalatri jangkauan yang diharapkan tanpa nrenirnbulkari panas yang berlebihan, dan (3) ntelnutuskan hubungan tanpa ntentaltcarkan bunga api lislrik yarrg dapat rlenehanguskan lrubungan-hubungan kontak. Ukuran nominal peralatan pengarvalan ditetapkan oleh NEMA.'fabel 21.4 dan 21.5 menunjukkan r.rkuran nolninal peralatarr pengawalan terpilih dari NEMA. Cantbar 21.20 Inenunjukkan bah,'va rtrotor tiga fasa perlu diberi perlindungan beban lebih pacia ketiga jalur, tetapi runtuk rnotor satu fasa hanya perlu diberikan pada satu jalur. ,\l I
Pelindung beban lebih
l*t-**rXt**'.
l-l P
aso k.rn
ltsIflk
l1 (a) lt4otor satLr fasa
OAMBAR 21,20
Peralatan pengawalan manual, M = kontaktor terbuka normal. Semua bekerja serempak.
(b) Ivlotor tiga fasa
Molor Li,slrik clan Kenclali-Kendolin,a
21.4
TABEL
lJ9
Ukuran nominal peralatan pengawalan dengan tegangan penuh AC untuk sumber daya satu
fasa Daya nominal pada tegangan tertentu
ukuran
Nonror
NEMA
IIO V
Arus nominal (amper)
220 Y
(hp)
(kw)
(hp)
(kw)
t/z
0.37
%
0,56
I
0.7-i
lt/z
t"t2 ))t
l'/, 5
i7i
s,60
l0
1.46
25
18,65
00 0
l5
I
25
l'/,
I. t2
2a
50
J
1)J
ta
5.60
'7
100
3a
440 dan 550 V
J 7
t/z
l5
r
l.19
(hp)
(kw)
t.t2
"Hanva berlaku unluk pcralatan pcngarvalan lnagtrctis.
21.5
TABEL
Ukuran-ukuran nominal peralatan pengawalan dengan tegangan penuh AC untuk sumber daya
tiga fasa Da1,a
ukuran
Nornor
NEMA
IIO V
Arus nontinal (anrper)
220 V
(hp)
(kw)
3/ /4
lt/z
l,
00 0
nonrinal pada tegangan tertentu
l5
440 dan 550 V
(hp)
(kw)
0,56
I
0,75
tl
2
t,49
5
1 .)J
(hp)
(kw)
I
0,75 1,49
3.13
2 at/ I /2
5,60
I
25
J
2
s0
t/. 7
5,60
l5
It,19
25
187.6_s
100
t5
ll.r9
30
22"38
50
37.30
Gambar2l.2 I rnenunjukkan diaglarn hubungan skenratis untuk peralatan pengawalan magnetis yarrg menggunakan kendali dua kawat dan tiga karvat. Tonrbol "start" dalanr kendali tiga karvat nterupakan jenis kontak sesaat. Mengirrgat kendali ini bekerja secara nranual. rnaka kunrparan yang seja.iar dengan saklar terscbut akan dialiri arus dan secara rnagnetis akatr tnenutup kontaktorjaringan yang diberi tanda M. Kontaktotkontaktor iniakan terus tnenutup sarnpai tontbol "stop" ditekarr atau sarnpai tegangan jaringan turun sanrpai pada nilai terendah yang ditentukan. (lngat, tegangan.jaringan y'ang rerldah akan menyebabkan motor meutasok arus yang berlebilrarr.) Hal ini .iuga akan menyebabkan kontaktor nragrretis melnbuka dan akan menghentikan rxotor. Tonrbol start harus ditekan lagi secara nranual untuk menjalankan rnotor kenrbal i.
Kendali dua kar.vat mempunyai tombol start yang dioperasikan secara nranual. yang akan tetap dalanr keadaan terhubung setelah rnotor dijalankan. Sebagai penganranan, saklal ini akan terbuka bila terjadi kondisi penurunan tegangan. Tetapi bila tegangan rneningkat lagi sarrrpai pada nilai yang diinginkan. kontaktor akan rnenutup dan nrenlalankan kenrbali nrotor. Anda harus dapat metnastikan bahrva ini merupakan sebuah cara operasi yang auran.
Peralatan Pengawalan Pembalik Garnbar 21.22 menuniukkan hubungan untuk sebuah peralatarr pengawalan pembalik untuk nrotor tiga fasa. Anda dapat membalik arah perputaran ll.lotor tiga fhsa dengan urenukarkan dua dari tiga.ialur aliran daya. Kontaktor F digLrnakan untuk arah maju. Kontaktor R akan menrpertukarkan I-l dengan L3 untuk menghasilkan arah yang berlawanan. Tornboi tekan Forrlra'd dan Ret,ersc hanya mengaktifkau salah satu dari kedua kontaktor'.
150
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancangan Mekqnis SemLra kontaktor /C magnetis mer.]utup serempak
oAMBAR 21.21
Peralatan pengawalan magnetis untuk motor tiga fasa
Pelinclung beban leblh (OL)
t*;l l_l
Motor
L: t.3
Startjton \
Saklar pemutus tegangan rendah
Kumparan magneiis menulup kontaklor N4 kelika dialiri arus Sebarang peranii overload memutlrs keseluruhan sirkuit. 1a) Kendalr dua
karal
LI
t.l l-l Sta(
I
\ \(un.rbrinn nlrgn"rin
Saklar pemutus tegangan rendah
Tombol start menutup relai. Kumparan magnetis n]enutup kontaktor M ketika dialiri arus. (b) Kendali tiga kav/at
GAMBAR 21.22
Kendali pembalik arah untuk motor tiga fasa
Jalur L1 dan L3 dipertukarkan oleh kontaktorkontaktor pembalik
PelindLrng beban lebih (OL)
LI
L: t_:]
l)L
t)1.
Sirkuit ini nlencegah bekeryanya tornboi fonvard dan reverse secara serentpak
\lolur 1,.'it'
Pengawalan dengan Tegangan yang Diturunkan Motor-trtotoryang dibahas dalarn subbab sebelurnnya dan sirkuit-sirkuit yang ditunjukkan dalarl Canrb.:; l - :- -':2l .22 r'nernakai pengawalan dengan tegangan penuh. Dalarn hal ini, ketika sistern diaktifkan. rnaka t!.nr ir-r -:.-'. 'Illotor nlenggunakan tegangan jaringan penuh. Ini akan rnernberikan Lrsalra pengawalan yang nraksirrrurl. i.i;:r ..'... beberapa kasus hal seperti initidak diharapkan. Untuk rrerrbatasi kejutan dengan mengendalikan percepatan sebLrr: :.-:.: ' dan menlbatasi arus pengarvalan, kadang-kadang digunakan pengawalan clengan tegangan yang ditLrrunkan. P!-nSa\\.i .r'. yang halus ini digunakan pada beberapa konveyor, pesawat pcngangkat, potxpa, dan beban-beban yang setara. Gambar 21.23 menunjukkan salah satu metode yang nrenrberikan tegangan yang diturunkan ke rroror k.-tik.-, pengawalan. Aksi peftamanya adalah rxenutup kontaktor-kontaktor yang ditandai dengan zl Dengan clertrikian. surnb..r' daya ke lrlotor mengalir rnelalu i seperangkat tahanan (res istor) yarts akan rnen u runkan tegangan d i rl asing-lr asing terrn ina i motor. Lazintnya, penurunatl yangter-iadi sekitar 65%o dari fesangan jaringan nonnal. Arus.iaringati purrcak furulrr sarlpai 650/o dari arus rotor terkunci nornral dan torsi pengawalan merrjadi 42%o dari torsi rotor terkunci norr.nal. (Lilrat Ref'erensi 4.) Setelah motor dipercepat, kontaktor-kontaktor M akan rrerlutup dan tegangan penuh akan diberikan ke rrotor. Sebuah /inter (pengatur waktu) lazim digunakan untuk rrrengendalikan Llrut-urutan pengaktifan kontaktor A dan M.
OAMBAR 21,23
Pengawalan dengan tegangan yang diturunkan dengan metode tahanan primer
4
Tahanan
Kontaktor-kontaktor bantu A nrenghubungkan tahanan ke seiiap jalut
Pelindung beban lebih (OL)
ft Kontaktor-kor.rtaktor bantu diaktifkan perlama kali. Timer kemudian mengaktifkan kontaktor-kontaktor utama, dengan menghubung-singkatkan tahanan-tahanan pengawalan
Pengawalan Motor dengan Kecepatan Rangkap Sebuah utotor dengan kecepatan rangkap dengan dua lilitan yang terpisah Lrntuk rirenghasilkan kecepatan putar yang berbeda dapat diawali dengan sirkuit yang ditunjukkan dalanr Carnbar2l .24. Operator harus nrenrilih, menutup kontak F f/hst (cepat)] atau S [.s/on (lambat)], untuk rremperoleh kecepatan yang dilrarapkan. Hal-hal penting lainnya nrengenai sirkuirsirkuit yang dibahas sebelurlnya dapat juga diterapkan pada sirkuit ini.
Menghentikan Motor Jika tidak terdapat kondisi-kondisi khusus ketika sisterr diistirahatkan, nrotor dapat dibiarkan berhenti dengan sendirinl a setelah pasokan daya ke motor menghilang. Waktu yang diperlukan untuk berhenti bergantung pada kelenrbarrarr dan gesekan di dalarn sistern. Jika diperlukan penghentian secara cepat, maka renl-rem eksternal dapat digunakan. Tetapi tersedia pula rnotor dengan rern (brake molors) yang llrelnpunyai sebuah rern yang menyatu dengan rnotor. Lazinrnra.
152
Elemen-Elenten Mesin clalatn Perancangon ltlekoni.s
GAI{BAR
2I.24
r r I
Kendati kecepatan untuk sebuah motor tiga fasa lilitan rangkap
-
Pelindung beban lebih (OL)
I
LI
l"l t.l
L_,l
,.\) I:)
L
/
/
Terminal hllan untuk putaran lambat
OL i)t-
(]1,
Sirkuit nrencegalr pengaktifan putaran cepat dan larrbat secara serempak.
perancangannya bersifat "J'ail-safe" yang dalam hal ini renr dibebas-fungsikan oleh sebuah kunrparan elektrouragnetik ketika rnotor nrendapatkan pasokan daya. Bila nrotor ulengalarni pernutusan daya. baik disengaja atau tidak disengaja, renr segera berfungsi oleh karena gaya pegas rnekanis yang tersedia. Plug stopping dapat digunakan pada sirkuit dengan peralatan pengawalan pernbalik arah. Bila rnotor yang sedang beeutar dalam arah rnaju akan dihentikan, rnaka kendali dapat dihubungkan secara cepat ke reverse (ke arah sebaliknya).
Dengan demikian, akan te{adi torsi perlambatan yang bekerja pada rotor yang akan menghentikannya secara cepat. Menrutuskan sirkuit pembalik ini harus dilakukan secara hati-hati, yaitu setelah rnotor benar-benar dalanr keadaan berlrenti untuk tnencegah motor rneneruskan putarannya dalarn arah sebaliknya.
Perlindungan terhadap Beban Lebih Penyebab utama kegagalan dalam motor-rxotor listrik adalah timbulnya panas yang berlebihan pada lilitan-lilitan kunrparan yang disebabkan olelr arus yang berlebihan. ArLrs ini berganturrg pada bebarr pada rnotor'. Tentu saja sirkuit pendek akan menyebabkan arus tirrggi sesaat yang rnerusak. Perlindungan terhadap sirkLrit pendek dapat diberikan dengan nrenggunakan penrutus arus (/irse), tetapi penrakaian peurutus arus pada nrotor perlu hati-hati. Penrutus arus ini terdiri atas sebuah eleuren yang akan nreleleh ketika besar arus yang nrengalir di dalarnnya nrelanrpaui harga tertentu. Dengan denrikian, sirkuitnya akan terbuka. Untrrk mengaktifkan kerrrbali sirkuit, diperlukan pemutus arus yang baru. Sirkuit urotor rnenrerlukan pernutus arus dengan penunda waktu (time-deluy-.fuse atau slotv blotving.firse), tujuannya untuk rttencegah peranti-perarrti irri neletus (blowing) ketika rnotor dihidupkan, menyedot arus pengawalan yang relatif tinggi secara nonual dan tidak nrerusak. Setelah nrotor dihidupkan, pemutus arus ini akan meletus pada harga arus lebih yang telah ditentukan sebelurnnya. Pemutus-pemutus arus demikian ini tidak sepadan digunakan untuk motor-rnotor yang besar atau yang lebilr kritis karena petnutus ini hanya nrernberikan perlindungan untuk satu tingkat arLrs lebih. Setiap motor nrenrpunyai sebuah karakteristik yang ditunjukkan rrelalui kurva panas lebih (ot,erheoting arn,e), seperti ditunjukkan dalarn Cambar 21.25. Ini menunjukkan bahwa motor dapat menahan tingkat arus lebih selama periode waktu yang berbeda. Sebagai contoh, untuk kurva panas lebih nlotor yang ditunjukkan dalanr Canrbar 21.25, arus sebesar dua kali arus beban penuh (200%) dapat tetap bertahan selama 9 rrenit sebelurr lilitan-lilitannya rnengalarrri suhu yang merusak. Tetapi beban lebih 400% akan urenyebabkan kerusakan kurang dari 2 menit. Sebuah peralatan perlindungan beban lebih yang ideal rnenrpunyai karakter yang sepadan dengan kurva panas lebih dari nrotor yang ditetapkan, selalu nrenrutus hr-rbungarr rnotor pada tingkat arus yang anran, sepefti yang ditunjukkan dalam Carrrbar 2l .25.Peranti-peranti yane melnberikan perlindungarr derrrikian ini tersedia di pasaran. Beberapa di antaranya rrenggunakan paduan-paduan dengan titik lebur khusus, stripstrip binretal yang nrenyerupai kumparan thennostatis atau nragnetis yang peka terhadap arus yang rnengalirdi dalanrnya.
l5-1 Kebanyakan peralatan pengawalan untuk motor yang besar nterniliki perlindungan beban lebih _r,ang disatukan den-1.,:r peralatan pengawalan tersebut. Jenis perlindungan beban lebih lainnya rnenggunakan sebuah peranti peka-sulru yang disisipkan di dalanr Iilitanlilitan motol ketika rnotor dibuat. Peranti ini akan nrernbuka sirkuit rnotor ketika lilitan-lilitan motor nrencapai suhu r ang nrenrbahayakan, apa pun penyebabnya.
0AIYIBAR 21.25
tttrt
Di daerah ini motor
5o
akan rusak
lrlil
sOo
C
Emo o !
fr roo o
itttlil pemanasan motor \-I trr r r
\Kurva
Kurva panas lebih motor dan kurva respons dari sebuah pelindung beban lebih yang lazim (Square D Company, Palatine, lL)
!
e
E ?00
I
t0
loo 0
I I ltiT-l-"'r* I
r
r"!
Waktu yang diperlukan untuk pen'rutusan arus
|
!
I
0r?3{567fi9t0ltt: Waktu (menit)
Relai Beban Lebih Kondisi Padat Kesulitan-kesulitan dengan elemen tennal atau peranti beban lebih dari bahan birnetal dapat diatasi dengan rnengeunakatt relai beban febih kondisi padat(solid-slatc overload relay).Peranti-peranti terrnal yang nrenggunakan sebuah eletlert yang nrencair rnenrerlukan penggantian elenren setelah elenren tersebut nrelaksanakan fungsinya, yang berarti Inenterlukan tarnbahan biaya untuk pengadaan perawatan dan tenaga kerja. Elemen terrral dan peranti-peranti beban lebih birrtetal dipengaruhi oleh variasi suhu sekitar, yang dapat mengubah tingkat perlindungan aliran arus sebenarnya. Perantiperanti dengan kompensasi suhu rnemang tersedia, tetapi perlu diatur secara hati-hati danjuga menrerlukan pengetahuan rnengenai kondisi-kondisi yang diharapkan. Relai beban lebih kondisi padat rnengatasi kesulitan-kesulitan ini karena ia hanya mendeteksi tingkat aliran arus yang digunakan untuk rnelakukan aksi pernutusan. Relai initidak sensitif terhadap perubahan suhu sekitar. Di sarrping itu, ia mantpu ntendeteksi aliran arus dalarn setiap Iilitan pada nrotor tiga fasa dan memberikan perlindungan jika salah satu fasa rnengalanri kegagalan atau kenaikan arus. Relai initidak hanya trrenrberikan perlindungan untuk nrotor, tetapijuga untuk peralatan terkait yang mungkin dapat rusakjika nrotor nrengalanri kegagalan secara tiba-tiba. Lihat Situs Internet 5 untuk informasi tambahan.
Penutup untuk Kendali Motor Seperti yang telah dinyatakan sebelurtrnya, salah satu fungsi sistem kendali nrotor adalah nrelindungi ltranusia dari persinggungan dengan bagian-bagian sistem listrik yang berbahaya. Di samping itu, harus nlarnpu pula nrelindung sistenr dari lingkungan sekitar. Fungsi-fungsi tersebut diwu.iudkan dengan menrberikan penutup. NEMA telah menetapkan standar penutup untuk berbagai lingkungan yang dihadapi oleh kendali motor. Jenis yang palirrg sering dihadapi dijelaskan dalam Tabel 21.6.
Metode Pengubahan Kecepatan Motor AC Motor AC standar beroperasi pada kecepatan yang tetap dengan beban teftentu ketika diberi daya oleh sumber daya AC pada frekuensi yang tetap, rnisalnya60 Hz. Operasi dengarr kecepatan yang beragarn dapat diperoleh dengan rnenrakai sebualr sistem kendaliyang dapat menghasilkarr daya dengan frekuensi lreraganr. Dua jenis kendaliyang umunl digunakart adalah ruetode enam langkah (six-step nethofl dan metode PWM Qtulse-width modulalion method). Ketika di antara kedua sistem ini mengambil tegangan jalur 60 Hz, maka pertanra-talra sistern akan rneralatnya rnenjadi beilegangan DC. Metode enam langkah mernakai sebuah inverter untuk nrenghasilkan sederet gelombang bujur sangkar yang akan n.reurberikan tegangan ke lilitan nrotor dengan rnengubah tegangan dan flekuensi dalanr enarrr langkah per siklus. Dalarn
l5{
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancangon Mekanis
sisterr PWM, tegangan DC merupakan input LrntLrk sebualr inverter yang akan menghasilkarr sederet pLrlsa dengan lebar belaganr. Laju pembalikan polarisasi akan ntenentukan fi'ekuensi yang diberikan ke tlotor. Lihat Garnbar 2l .26 dan 2t.21.
TABEL
21.6
Penutup-penutup kendali motor
Nornor standar NEMA I
Keterangan
Untuk keperluan utnuut: digunakan di dalam runtalr; tidak kedap debu Kedap debu, kedap hu.ian: tahan terhadap cuaca di Iuar rumalr
3R
9
Kedap debu, tahan terhadap hujan, tahan terhadap hujan bercanrpures dan saliu Kedap air: dapat menahan sernprotan air langsung dari slang; digLrnakan di atas kapal darr dalarrr instalasi peml'osesan nrakanan yang lnenrerlukan penrbasuhan Kedap air, tahan terhadap korosi Ternpat-tempat berbahaya, kelas I: dapat dioperasikan di karvasan yang ntengandung gas yang ntudah terbakar atau uap Tempat-tenrpat berbahaya, kelas II: di karvasan yang berdebu dan rnudah terbakar
t2
Digunakan di industri: tahan terhadap debu, kain tiras, minyak, dari perrdingin
l3
Kedan rrri
4
4X 1
kedap debu
21.26 Metode enam langkah CAIYIBAR
untuk pengendalian motor AC dengan kecepatan beragam (Rockwell Automation/ Allen-Bradley,
Milwaukee,W)
arfi Penapis
IX: r:oltagu
lsyarat-isyarat kendali frekuensi output
lecriheck
Rujukan kecepatan
a: (a) Diagram skematis inverter dengan tegangan beragaln
Benluk Lrmum gelombang ena[) langk.th Tegangan jalur terhadap tegangan netral
Arus jaringan
(b) Bentuk'bentuk gelorlbang output
\lcttor Li.ttri;
. .,. /\1 -
Li.l /r
t55
..
oAIIBAR 21.27 Metode PWt'l untuk pengenda a-
1-* I I
Rujukan
kecepatan
f
{i'*
l*-*-*1,*
|
._._.^---;
R"su,",o,
lsyaratisYarat
kandali frekuenst output
motor AC dengan kecePatan beragam (Rockwell Automatior Allen-BradleY,
Milwaukee,Wl)
:
(a) Diagram skematis pengendali PWM
Tegangan jalur
terltadap
teqangan netral
Arus
ialur
0
(i
oulpul {b) Bentuk-bentuk gelombang
Transmisi dengan Kecepatan Beragam Alasan-Alasan Menggunakan sistem sistenr-sisterrr nrekarris kali diperlukan pengubahan kecepatan Dalanr sebuah aprikasi teftentu, sering
u,tuk rnendapatkan
optinral' Sebagai contoh: karakteristik operasi yang lebih mendlkati
l.Kecepatankonveyoryangdapatdiubahsehinggasesuaidengalltuntutallpfodtrksi. kontinu' proses yang dapat diubah secara
2. 3. 4,
pengangkutan uatran-uanln berserak uterllasuki suatu sistem' ,inkronirori pada dua atau lebih kontpotreu Kendali otomatis yang dapat rrrernberikan untuk pe.ge,daliart penghentia.' iu, p.,rgu*ut* dapat dipakai selanra rrrron operasisistem dalarn Kendalidinarnis dan perlanrbatan proses' pelllotongan'arls ',.,.,.rin-,rr.i, torsi, atau untuk pengendalian percepatan
5.
Kecepatan surnbu
6.
uL*a
dari
p!rr.r."r
dapat diubah-ubalt untuk rnenghasilkarl
keperluanoptimalberdasarkanbahan,kedalamanp.,,o.ong,n.l.l,],:]l:l]]l|anan,atattalat-alatpotongte(entu' .ri, yilig trup't diubah-ubah untuk lnerespons dan.pornpa-ponrpa zat Kecepatan kipas angin, kornpresor, pengangkutan produk' keperluan un,ur. p.iJinginan atau untuk
lebih baik' Di sar,pi.g itu
pemrosesan.yang pengendalian yang rebih fleksibel,dan pompa Semua situasi ini memungkinkan yang diperltrkan ut.rtuk mengoperasikau daya Perbedaan 6. ii.r", ,nirr. terutarna jika "do'i'otio biaya, penghematan diperoleh pula kecepatan' Sebagai co.toh' a.ngun po,rgr'Jt igu ,.frunaing uouruf, berbeda yang polllpa de.gan dua kecepatan ylng diperlukan untuk mengoperasikan aori r....puiu,, ,-.,ruro*, ,naka.iaya kecepatan kecepatan motor diturunkaf setengah p.;;;;;,"1",, yarrg^signifika,.,iup-., iicapard:]rgu], menves.raikan angin datt senrura. daya dari kari ,8 initurun sampai dapat dihasilkan dari kipas pornpa dengan taiu antaran fluida seperti v";;;t;;;i;run'1t'[t''t'.,;;';i'g' konrpresor.
lS
€.'cnen-Elenten Mesin dalem Perancangan ll4ekuni.v
2l.1OSUMBER DAYA DC Motor DC mempunyai beberapa kelebihan yang khas bila dibandingkan dengan nrotor AC, yang akan dibahas dalanr subbab selanjutnya. Kekurangan motor DC adalah keharusan tersedianya surnber claya DC. Kebanyakan telxpat tirrggal dan industri hanya merniliki sumber daya AC yang disediakan oleh perusahan unrunr setenrpat. Terdapat tiga macanr kourponen yang dapat digunakan untuk menyediakan daya DC:
t.
Baterui: Baterai-baterai yang lazinrnya tersedia rrrentpurtyai tegflngan 1.5;6,0; 12,0; dan 24,0 volt (V). Baterai-
)
baterai ini digunakan untuk peralatan yang mudah dibarva ke nrana-nrarra alau untuk aplikasiyang berpindah-pindah. Daya yang dihasilkan adalah DC murni, tetapi tegangannya berubah terhadap rvaktu seiring urengosongnya batelai tersebut. Ukurannya yang besaq berat, dan urnurnya yang terbatas adalah kekurangarr dari baterai ini. Generilor: Dengan digerakkan oleh rnotor-rnotor Iistrik AC, tnotor bakar, nrotor turbin, kincir arrgin, turbin air, dan sebagainya; generator DC akan menghasilkan arus searah (DC) rnurni. Tegangan-tegangan yang dihasilkan biasanl'a adalah ll5 dan 230 V. Beberapa indLrstri nrenriliki generator ini untuk menyediakan surrrber daya DC di seluruh i
n sta las
i.
Penyeurth (rectifier): Penyearahan (rcctificution) adalalr proses pengubahan sumber daya AC yang variasi
1
tegangannya sinusoidal terhadap waktu nreniadi surnber daya DC, yang idealnya tidak belvariasi. Sebualr contoh
peranti yang telah tersedia adalah.silicon-contrcllatl rectifier (SCR). Salalt satu kesulitan yang dijurrpai dalartt penyearahan sumber daya AC rnenjadi sumber daya DC adalah selalu ter'ladi "riak", yakni variasi kecil tegangan sebagai fungsi terhadap waktu. Riak yang berlebihan dapat nrenyebabkan penranasan yang berlebihar) pada motor DC. Kebanyakan peralatan SCR yang diperdagangkan nrertghasilkan daya DC dengarr riak kecill,ang dapat diterinra. Tabel 21.7 mendaftarkan perrakaian umurn tegangan-tegangart norrtirral DC yang ditetapkan oleh NEMA untuk ntotor yang digerakkan dengan sunrber daya AC yang telalr dise'arahkan.
TABEL 21.7 Tegangan-tegangan nominal motor DC Tegangan I
AC input
l5 V AC, satu fasa
ll0 V AC, satu fasa 130 V AC, tiga tasa -{60 V AC, tiga fasa -160
V AC, tiga fasa
Tegarrgan norninal nrolor DC
Kode NEMA
90VDC I80 V DC 240 V DC 500 V DC atau 550 V DC 240 V DC
K K C atau D
C atau D E
21.llMOTOR DC Kelebilran-kelebihan dari motor arus searah dapat diringkas sebagai beriktrt:
! a
Kecepatannya dapat diubah dengan rnen_qgunakan sebuah taharran atur (rheostar) sederhana, yaitu dengan nlengatur tegangan yang diberikan ke motor. Arah putarannya dapat dibalik dengan rnengubah hubungan polalitas tegangan yang diberikan ke nrotor. Kendali otomatis kecepatannya sederhana, yakni dengan rlenyelaraskan kecepatan-kecepatan dari dua atau lebih lutotor atau dengan nlernprogranl perubahan kecepatan sebagai sebuah fungsi terhadap waktu. Percepatan dan perlanrbatan dapat dikendalikan dengan nrenrberikan waktu respons sesuai dengan yang diinginkan atau dengan mengurangi sentakan. Torsi dapat dikendalikan dengan mengubah arus yang berikan ke rnotor. Hal ini biasanya diperlukan dalam aplikasiaplikasi yang nernerlukan pengendalian tarikan, nrisalnya dengan nretrrberikan lilitan suatu lapisan pada sebuah spul. Pengereman dinamis dapat dihasilkan dengan rnembalik polaritas daya ketika nrotor tnasih berputar. Torsi efektrl yang dibalik ini akan mernperlarnbat rnotor tanpa pengerentan rnekanis. Motor DC secara lazinr nrernpunyai respons yang cepat dan nrerrberikan percepatan yang tinggi ketika tegangarl berubah, karena motor-nrotor ini nrenrpunyai diameter rotor yang kecil sehingga rnenrberikan rasio torsi terhadap kelenrbaman yang besar.
Molor Listrik clan Kendali-Kendalint'u 157 Motor DC melllpunyai kuntparan-kunrparan listrik di clalarl rotornya dan setiap lilitan mempunyai dua buah hubungan ke kornutator yang terdapat pada poros. Komutator ini nrelupakan deretan potongan ternbaga sebagai laluan daya lisirik yang diteruskan ke rotor. Lintasan arus dari bagian motor yarrg tetap ke konrutator melaluir.purung sikat, yang biasanva terbuat dari karbon yang ditahan mengltadap konrutator olelr kurnparan ringan atau pegas-pegas daun. pera*atan yang harus dilakukan untuk sikat-sikat nrerupakan salah satu kekurangan motor DC.
Jenis-Jenis Motor DC Empat jenis motor DC yang ulttutu digunakan adalah nrotor lilitttn shunt (shunl-t,otutcl), lilitctn sari (scries-tysund). konrpctn (compound-u'ouncl),dan magnet pernctnen (pernrcrnent mognet). Keseluruhan nrotor ini dijelaskan dengan nlenggunakall kurva-kurva hubungan kecepatan dan torsi, sarla sepefti yang diberlakukan untuk nrotor AC. Salah satu perbedaannya adalah bahwa sunrbu kecepatannya dinyatakan dalarn persentase terhadap kecepatun bebcrn penuh nontincrl, bukan pet'sentase terhadap kecepatan sinkron karena istilah irri tidak berlaku untuk nrotor DC.
lilitan
Motor DC Lilitan Shunt. Medan elektrornagnetiknya terhubung sejajar clengan jangkar rragnet yang berputar, seperti sketsa yang ditunjukkan dalam Ganrbar2l .28. Kurva Irubungan kecepatan dan torsinyu,.,.,.nrnlukkan regulasi kecepatan
yangbagussampairnendekatiduakalitorsibebanpenuh,dan penurunankecepatanyangbesarsetelahtitikini.Kecepatan tanpa bebannya hanya sedikit lebih tinggi dari kecepatan beban penuh. lnilah perbedaan nyata antara ptotor lilitan shLrnt dengan motor lilitan seri, yang akan dijelaskan berikutnya. Motor Iilitan shunt terutarna
CAMBAR 21,28 +
Pasokan tegangan
-sc
UL
tr
o
c c
Kurva unjuk kerja motor DC lilitan shunt
+
Il0
o fq
3! ro^
60
g
.10
N6 on od Oc
:<
o 6 c 0
b20 o 100
2(p
3U)
Torsi (persentase terhadap torsi nominal)
Motor DC Lilitan Seri. Medan elektromagnetiknya terhubung seri dengan .iangkar magnet yang berputar, sepefii sketsa yang ditunjukkan dalam Garnbar 21.29. Kurva hubungan kecepatan dan torsinya berbentukiurarn, yang akan nlenlberikan unjuk kerja yang halus pada motor seperti yang diperlukan untuk kran, mesin pengangkat, dan transrlisi traksi untuk kendaraan. Torsi pengawalannya sangat tinggi, nrencapai 800% dari torsi beban penuh norninalnya. Tetapi kesulitan utamanya adalah bahwa dengan motor lilitan seri, kecepatan tanpa bebannya secara teoritis adalah tak terbatas. Motor dapat mencapai kecepatan yang rrrernbahayakan jika suatu ketika bebannya terlepas. Peranti-peranti kearlanan yang segera akan memutuskan hubungan daya Iistrik bila beban terlepas, sernisal pendeteksi kecepatan lebihQtverspeeLl det ector), harus digunakan. Motor DC Lilitan Kompon. Motor DC lilitan kornpon, selain nrenggunakan nredan seri, juga nrenggunakan rredan shunt. seperti sketsa yang ditunjukkan dalarrr Gatrrba r 2l .30. Motor jen is ini rrenrpunyai unjuk kerja gabungan antara rnotor lilitap seri dan Iilitan shunt. Motor ini rnelnpunyai torsi pengawalan yang cukup tinggi aan karakteristik kecepatan yan_u halus.
158
I"tnen-Elenren Mesin dalant Perancangan Mekanis
tetapi mempunyai kecepatan tanpa beban yangterkendali. Hal ini nrenyebabkan nrotor ini baik digunakan untuk kran-kran yang dapat mengalarni kehilangan beban secara tiba-tiba. Motor ini akan berputar larnbat ketika rrenrbarva beban berat demi keamanan dan pengendalian dan berputar cepat bila rnenrbawa betran ringan denri nrenrperbaiki produktivitas.
GAMBAR 21,29
Kecepatan tanpa beban yang sangat tinggi dan berbahaya
Kurva unjuk kerja motor DC lilitan seri
+
Pasokan tegangan DC
G
,=
*
E
lr,ledan
seri Jangkar magnet Sikat
o
c lil) c o
aH
60
6^
sa 05 :i € J9
.1(l
o G
c o
g.
Torsi
^". -(,
pengarvalan yang tinggi
o
o
.+
0
.){X}
t{xl 2tNj 'l{Xl Torsi (persenlase terhadap torsi nominal)
cArfBAR 21.30 Kurva unjuk kerja motor DC lilitan kompon
t
lvledan se
Pasokan tega ngan DC
t
=oc
lilecia n shu nt
a C
o
{*0 &
r.Lr
6^ 60
ao iE
{{}
0
€o
:rr
0
o (l T
Motor DC Magnet Permanen. Sebagai pengganti elektrorttagnet, motor DC magnet permanen nrenggunakarl nragnetrnagnet perrxanen untuk nrernberikan ntedan untuk jangkar nragnetnya. Arus searah dilewatkan rrelaluijangkar nlagnet. seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 21.3 l. Medan nragnet selarnanya rnendekati konstan dan menghasilkan kurva hr.rbungan kecepatan dan torsi yang linier. Arus yang dikonsurrrsi -juga berubah secara linier terhadap torsi. Penerapanpenerapan rnotor jenis ini rnelipLrti kipas dan blower yang dipakai untuk rrendirrginkan barang-barang elektronik dalam pesawat terbang, aktuator kecil untuk pengendalian dalarn pesawat terbang, sebagai penrasok daya bantu untuk pintu dan terxpat duduk dalam otomotif, serta kipas dalarn rrobil untuk pernanasan dan uir conditioniirg. Motor-urotor ini kerap dibangurr bersama transmisi penurun kecepatan jenis roda gigi untuk nenglrasilkan kecepatan yang rendah dan torsi output yang tinggi.
1 ,\lotor Listrti rl.;,r d!,
15"
GAIiIBAR 21.31
Kurva unjuk keqa rnc::'33 magnet permanen
t Pasokan tegangan
lfi)
DC
6c
5 C
Kurub-kutub
stt
C
LO
g
:d *o
6u
cl SG OD
3F
;s
40
0)
€
870 g0 f
00
2r$
,U)
Torsi (persentase terhadap torsi nominal)
21.12KENDALI MOTOR DC Ketika nrenjalankan motor DC akan rrruncul persoalan-pel'soalan pokok yang sanra sepefii yang dibahas untuk motorAC dalam hal perlbatasan arus pengawalan dan ketersediaan peranti-peranti penghubung dan relai dengan kapasitas yang nretnadai untuk rrenangani beban operasi. Namun nrungkin sedikit lebih parah karena adanya konrtttator dalam sirkuit rotor yang lebih sensitif terhadap arus lebih. Kendali kecepatan diberikan dengan cara nrengubah tahanan dalarn jalLrr-.jalur yang urengarrdung iangkar tllagnet atau medan ntotor. Susunannya bergantung padajenis nrotoryang digunakan: apakah seri, shunt, atau kontpon. Perattti dengan tahanan yang dapat diubah, kadang-kadang disebut rhcostcrt, dapat nremberikan variasi tahanan yang bertingkat atau mengubalr tahanan secara kor.rtinu. Cambar 21.32 nrenuujukkan dia-eranr-diagrant skerratis untuk berbagai jenis kendali kecepatan motor DC.
21.131EN rs-f EN rS MOTOR LAr N NYA Motor Torsi Seperti nama yang diberikan. illotor torsi(torclue ntolor.s) dipilih karena kenratnpttanny'a rrtenghasilkan sebuah torsi nyata, bukan daya nonrinal. Sering kali rnotor jenis ini dioperasikan pada kondisi nrelentah untuk rnetlpertahankan tarikan tefientu atas sebuah beban. Operasi yang terus-nrenerus pada kecepatan yang rendah atau pada kecepatarl nol akan rrrencetuskan panas, yang dapat nrenjadi persoalan potensial. Dalanr kasus yang berat, kipas-kipas pendirrginan eksternal dapat digunakan. Dengan rancangan yang khusus, berbagaijenis rnotorAC darr DC yang dibalras di ternpat lain dalam subbab ini dapat digunakan sebagai rnotor torsi.
Motor Servo Motctr servo(sen'ont
relatiftingginyatorsi yangdihasilkanolehrnotor.LihatSituslnternet3,T-l0,dan
12.
Garnbar 21.33 rrrenunjukkan sebualr diagram skernatis rnengenai sisterr kendali nrotor servo. Di dalarn garrtbar r:ditunjukkan tiga loop kendali: (l) loop posisi, (2) loop kecepatan, dan (3) loop arus. Kendalikecepatan putar dieltLiri.,
160
Elemen-Elenten Mesin dalatn Perancangun Mekanis
berdasarkan kecepatan Inotor yang dirasakan oleh sebuah takorneter dan rrrenrberikan urrpan balik isyarat ke pengendali melewati loop kecepatan. Posisi dirasakan oleh sebuah encodcr optik atau sebuah peranti yang serupa pada beban yarrg digerakkan dengan tnernberikan ulllpan balik isyarat ke pengendalinrelewati /oop posisi. Kendali iniakan nrenjurllahkalr inputan, membandingkannya dengan nilai dalam peran-qkat program kendali yang diinginkan, dan mencetuskan sebuah isyarat guna rnengendalikan ntotor. Penrakaian-pemakaian yang lazirn untuk jenis kendali inidijunrpai dalanr nresin-nresin perkakas kendali numeris, tnesin-ntesin yang dirakit untuk nraksud-rnaksud khusus, dan aktuator-aktuator perntukaan kendali pesawat terbang.
OAtrfBAR 21.32
Kendali motor DC [Sumber untuk (a), Rockwell Automation/Allen-Bradley, Milwaukee, Wll rujukan
yang
diinginkan Kendali-kendali operator (rujukan)
Simpang penjurnlahan
Mesin yang digerakkan
lsyaral galat
Tegangan DC yang dapat diatur
Pengendali
Penurun jenis roda gigi
gerak
Cara manual, kendali jarak jauh. atau terprogram Isyarat umpan balik (kecepatan aktual) (a) Diagram skerratis kendali motor DC
Pasokan tegangan UU
Ivlotor OC lilitan shunt dasar (lihat Gb.21.28)
Kendali tahanan dengan jangkar
seri magnet
Kendali tahanan paralel dengan jangkar magnet
('tahanan diperbesar, kecepatan berkurang)
Kendali tahanan seri dengan medan (tahanan diperbesar kecepatan meningkat)
(b) Kendali motor DC lilrtan shunt
lvledan seri
Pasokan legangan DC
I tulotor DC lilitan seri dasar (lihat Gb. 21 ,29)
Kendali tahanan seri dengan jangkar magnet (tahanan diperbesar kecepatan berkurang)
(c) Kendali motor DC lrlitan seri
Kendali tahanan paralel dengan
jangkar magnet (kecepatan berkurang dan kecepatan lanpa beban terkendali)
Ibl Loop posisi Loop kecepatan I
Loop arus
I I
.ncocJer
/'^\' [ \,-/
)
__1"_ Transnrisi
GAIYIBAR
*--\
/'\tseDan / \,.._,,
21,,?
Sistem kendali motor servo (Rockwell Automation/Allen-Bradley, Milwau kee, Wl)
Motor Langkah Aliran pulsa-pulsa elektronik diantarkan ke sebuah motor lungkuh (stepping tuotor) dart selanjutnya rneurberikan respolts berupa suatu putaran (langkah) yang tetap untuk setiap pulsa. Dengan dernikian, posisi anguler yang sangat presisi dapat diperoteh dengan menghitung darr rnengendalikan jurnlah pulsa yang diantarkan ke nrotor. Beberapa sudut langkah tersediasecarakomersial untukmotor-motorini,semisal I.8';3,6"; 7,5'; I5'; 30"; 45odan90".Bilapulsa-pulsatersebut terhenti, motor akan berhenti secara otonratis dan mempertahankan posisinya. Mengingat banyak motor yang terlrubung ke beban melalui sebuah transmisi penurun putaran jenis roda gigi, nraka penenlpatan yang sangat presisi dapat dicapai pada sebuah fi'aksi langkah yang kecil. Selain itu, transntisi penurLln putaran nrerryediakan sebuah torsi yang bertarrbalr besar. Lihat situs Internet 8 dan 10.
Motor Tanpa Sikat Motor DC pada urnumnya rnernerlukan sikat-sikat untuk rrelakukan persinggungan dengan konrutator yang berputar pada poros motor. Ini merupakan rnodus kegagalan yang kerap terjadi pada motor-rnotorjenis ini. Dalalrn notot' DC lctttltct sikat (bru,shless DC motor), penghubungan kunrparan-kunlpararr rotor disernpurnakart dengan peranti-perartti elektronik bentuk padat, yang dapat memberikan urnur yang sangat panjang. Pernancaran gangguarl elektromagnetik juga lebih sedikit dibandingkan dengan motor DC jenis bersikat.
Motor dengan Sirkuit Tercetak Rotor pada molor dengan sirkuit tercetak (printed circuit motor) berupa sebuah piringan rata yang beroperasi di antara dua rnagnet pennanell. Hasil rancangannya mempunyai diarreteryang relatif besar dan panjang aksial yang kecil; kadang-
kadangmotorjenisinidisebutsebagai notorpicak(pancakemo!or). Rotorrnotorjenisini lnelnpunyai keletnbaurartyang sangat rendah sehingga memungkinkan dioperasikan dengarr laju percepatan yang tinggi.
Motor-Motor Linier Kelistrikan motor linier (linear motor,s) rnenyerupai tnotor-nrotor yang berputaq kecuali komponen, stator, dan rotorn\ a yang berbentuk datar, bukan silindris. Jenis-jenisnya dapat berupa motor DC jenis bersikat, motor DC tanpa sikat. ntotor langkah, dan motor jenis satu fasa. Kapasitasnya diukur dalanr besarnya gaya yang dapat dihasilkan, lazirnnya berkisar dari beberapa lb sarnpai 2500 lb. Jangkauan kecepatannya berkisar dari sekitar 40 sarnpai 100 in/detik. Lihat Situs lnlenret 3, I l, dan 12.
162
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancqngan Mckonis
REFERENSI l.
Avallone, Eugene P., and Theodore Baumeister Ill. Nlarks' Handbook.for Mechanical Engineer^s. lOth ed. New York: McGraw-Hill, 1996. Hubert, Charles l. l. Eleclric Machines: Theor1,, Operoling Applications, crnd Controls. 2d ed. Upper
NJ: Prentice Hall Professional Technical Ref-erence.
l. Wildi, Theodore. Eleclrical lVluchines, Drivcs, untl Pov,er ^S1,,r/err,r. 5th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall Professional Techrrical Rel'ercnce. 200
4.
2002.
Saddle River, NJ: Prentice Hall ProfessbnalTechnical
Reference, 2002. J.
Skvarenina, Thimothy L., and William E. DeWitt. Electrical Pov,er and Controls. Upper Saddle River,
SITUS NTERNEr UN|AK PERANCANEAN flIEIUNIS SECARA AMUIYI t.
Reliance Electric/Rockwell
Automation rfll/rl
produk-produk distribusi daya untuk aplikasi industri. konrersial, dan tenrpat tinggal dengan jangkauan yang luas. Menyediakan informasi-infbrmasi produk untuk pusat-pusat kendali urotor, penrutus sirkuit, perlengkapan pengkondisian daya, roda-roda gigi penghubung, rern, dan banyak produk lainnya.
reliance.ccttu Pabrikan motorAC dan DC dan kendali-
kendali terkaitnya. Situs ini menyediakan suubersurnber Rujukan Teknis Motor yang metnberikan unjuk kerja motor, pedoman pemakaian, informasi konstruksi nrotor, dan katalog.
)
3.
A. O. Smith Electrical Products Company rl,wlt ctosmithnrotr,trs.cont Pabrikan motor listrik dari daya per ratusan (l/800 hp) sampai ratusan (800 hp), di bawah merek dagang A. O. Smith, Universal, dan Century. Baldor Electric Company wv,w.baldor.cont Pabrikan motor AC dan DC, motor roda gigi, rnotor servo, motor linieq generator, produk-produk dengan
gerakan linieq dan kendali untuk aplikasi-aplikasi industri dan komersial dalam jangkauan yang luas. Meliputi katalog, gambar-gambar CAD, dan diagrarldiagrarn unjuk kerja. Brosur produk sebanyak 124 halaman memberikan banyak infonnasi rrengenai teknologi motor dan ukuran-ukuran rangkanya. 4.
Emerson, dan Hurst. Lihat juga www.emersonmolors. c0nt.
Square
Pabrikan kendal i-kendal i berskala luas untuk otonras i.
8.
pusat kendali motor, rnotor seruo, pengendali logika terprograur, sellsor, relai, peranti perlindungan sirkuit, kornunikasi.jaringan, dan sisterr-sistem kendali. G E Fanuc wtlvl.gefunuc.cotrt Sebagai bagirrr
dari GE, Industrial Systern, GE Fanuc Autontation nrerupakan usaha kerja sarna dari General Electric Conrpany dan FANUC LTD ofJapan. Penrbuat urotor servo, nrotor langkah, pengendali logika terprogranr (PLC), dan kendali gerakan otonratis. 9.
Parker Automation/Compumotor Division
D
wwru.squared.com Pabrikan kendali rnotor
merek dagang Square D, Modicon, Merlingerin, dan Telernecanique.
Eaton/Cutler Hammer Company
rNwttt).
ch.cutlerhantmer.conl Pabrikan kendali listrik dan
r,Ir,1l'.
contptrmolor.corl Pabrikan llrotor-nlotor servo tanpa sikat dan kendali-kendalinya untuk berbagai aplikasi produk industri otonrasi dan komersial. r0.
Oriental Motor U.S.A.Corporation u,u'lr: orientulmolor.com Pabrikan urotor langkalr
dengan daya input AC dan DC dan nrotor sinkron berkecepatan rendah untuk berbagai aplikasi produk industri otonrasi dan komersial. ll. Tri logy Systcm s Com pany vt11tv;. v i I s g:51)s I e ttt s. c o nt Pabrikan motor listrik linier dan alat-alat peneurpatan linier untuk berbagai aplikasi produk industri otourasi dan komersial. 12. Beckhoff Drive Technology tt,ttw.beckhrif.cotrr Pabrikan rnotor servo sinkron tanpa sikat dan nrotor linier sinkron Lrntuk berbagai aplikasi produk industri otomasi dan kornersial. I
listrik yang dilengkapi distribusi Iistrik dan sisterr, layanan, serta produk otolxasi industri di bawah
6.
Allen-Bradley/Rocwell Automation v,v,tt'.eb.cottt meliputi kontaktor nrotor, pengerak rnotor DC, pusat-
U.S. Electric Motors Company wv)tt'.ttstttolu's.
cont Pabrikan beragam motor AC dan DC dari '/o sampai 4000 hp untuk aplikasi umum dan khusus. Memberikan sebuah katalog. Sebagai bagian dari Emerson Electric Company, motor-motor tersebut dibuat di bawah merek dagang U.S. Motors, Doerr, 5.
1
Molor Li.strik clon Kenclqli-Kandulitrt
,r
1
63
SOAL-SOAL l.
Buatlah dafiar enam hal yang harus ditetapkan untuk rnotor Iistrik.
2. Iluatlah daftar delapan faktor yang harus
,< .lelaskan nrengertai nrotor TEFC. 26. Jelaskan rnengenai rnotor TENV. )1 Apa jenis penutup motor yang harus Anda pilih
dipertirnbangkan dalam pemilihan sebuah nrotor listrik.
3. 4. 5.
Definisikan rnengenai .siklu.s kerja. Seberapa besar variasi tegangan yarrg masih dapat diterirna oleh kebanyakan rrotor AC? Tunjukkan hubungan-hubungan di antara torsi. daya.
6.
dan kecepatan putar. AC adatah singkatan dari apa?
7.
Jelaskan dan buatlah sketsa bentuk daya
AC
satu
lasa.
Jelaskan dan buatlah sketsa bentuk daya
AC tiga
fasa. 9. 10.
ll.
Berapa ftekuensi daya
AC
standar
di
Arnerika
Serikat? Berapa frekuensi daya AC standal di Eropa? Apa jenis daya listrik yang disediakan untuk rurnahrumalr tenrpat tinggal orang Amerika lazinrnya?
12. Berapa
.1ika
akan digunakan dalarn sebuah instalasi penrburt tepurrg? 28.
Apa jenis nrotor yang harus Anda pilih
jika
akarr
digunakan untuk sebuah penggiling daging datt ntotot' tersebut berada di luar? 29. Carnbar P2l .29 rnenunjukkan sebuah rnesin 1'anr: digerakkan oleh sebuah motor AC 5-hp. terlindunu dan bt-'r'kaki serta lnenrpunyai rangka 18"1T. IVlotor yang digunakan harus segaris dengan poros trtesitt 1,ang digerakkan. Buatlah garrbar berukuran lengkap. dengan nrenuniukkarr pandangan sarnpirrg datt atas standar dari nresin dan motor. Rancanglah alas y'artg sesuai untuk penrasangan rnotor dengatt trenunjtrkkalt lubang-lubang untuk pernasangan ntotor. Ukuran-Lrkuran dalanr inci
jurnlah konduktor yang diperlukan untuk
nrengantarkan daya satu fasa? Berapa yang diperlukan untuk daya tiga fasa? 13.
Andaikan Anda sedang mernilih sebuah motor listrik
untuk sebual.r nresin yang akan digunakan
L4esin yang digerakkan
dalanr
sebuah industri. Tersedia jenis daya AC: 120-V, satLr fasa; 240-V satu fasa; 240-Y, tiga fasa; 480-V tiga fasa. Secara umurn, jenis daya rnana yang harus Anda tetapkan untuk motor Anda? 14. Definisikan urengenai kecepatan putar sinkron untuk sebuah motor AC. t5. Definisikan menganai kecepatan beban penuh untuk sebuah motor AC.
(a) Pandangan sarr0ing
Berapakah kecepatan putar sinkron dari motor AC empat kutub bila dijalankan di Arnerika Serikat? Berapa bila dijalankan di Prancis? 17. Sebuah pelat nama nlotor r)rendaftarkan kecepatan beban penuh sebesar 3450 rprrr. Berapa barryak kutub yang dirniliki motor lersebut? Berapa kira-kira
16.
/ /
,'Poros berdianreter
t.so
in
kecepatan putarnya bila berbeban kosong?
18. Jika sebuah motor empat kutub beroperasi pada daya AC 400-Hz, berapakah kecepatan sinkron motor' tersebut?
19. Jika sebuah motor AC didaftarkan sebagai nrotor dengan selip normal. ernpat kutub/enam-kutub,
20. 21. 22. 23. 24.
berapakah kecepatan-kecepatan bebarr penuhnya? Apa jenis kendali yang harus Anda gunakan agar rrrotor Anda dapat berputar dengan kecepatan yang beragam? Jelaskan mengenai motor berrnuka C. Jelaskan nlengenai nrotor dengan flens D. Singkatan dari apakah NEMA? Jelaskan mengenai motor berpelindung.
ib) Pandangan depan
GAMBAR P21.29
30. 31.
Defirrisikan nrensenai torsi rotor terkultci. Apa istilah lain sebagai pengganti pararreter ini? Apa nraksudnya jika salah satu ntotor Ilernpun)ai regulasi kecepatan yang lebih buruk dari rttotor lainnya?
32. Definisikan mengenai torsi puncak (hraakclovn l
33.
orc1u e).
Sebutkan nalra-nalna dari errpat jenis ttrotor AC fasa yarrg paling urnurr
satLr
l6l .3{.
J,:niett-Elenten il{esin dolam Perancangon A.lekanis Lihatlah kurva unjuk kerja rnotor AC dalam
Garrrbar
31 .
P21.34.
(a)
Ganrbar P2l.37 nrenunjukkan kurva hubungan kecepatan dan torsi untuk sebualr kompresor pendingin rurrrah tangga. yang dirancang beroperasi pada 3450 rpnr. Tetapkan sebuah rnotor yang sesuai, dengarr ntenrberikan jerris, daya nonrinal dalanr wa1t,
Jenis rnotor apa kira-kira yang ditun-iukkan oleh kurva tersebut? (b) Jika rnotor tersebut adalah jenis enam kutub, dengan daya nonrinal 0,75 hp, berapa torsi yang dapat dihasilkannya pada beban nontinal? (c) Berapa besar torsi yang dapat dihasilkan rrrotor dalaru nrengawali sebuah beban? (d) Berapakah torsi puncak dari motor ini? 35. Ulangi Bagian (b), (c). dan (d) Soal34 jika motornya adalah jenis dua kutub dengan daya nominal 1,50
dan jumlah kutubnya. ..1
E
l)l)()
.1(Xl0
o 6
kw
f o c :000 o o
100
o
0 o o
c o
Y
Exo
I{XXl
c
s
1
gO
oo :o d- 3 cv 6Q oo o6 HE v)v
(r(l
{)
{}
t}s
{O
,.*i.tl *
I5
l(l
GAMBAR P2'1.37
C)
o
Ern
38.
Bagaimana caranya nrengatur kecepatan untuk sebuah motor rotor berkunrparan?
39.
Berapakah kecepatan beban penuh sebuah urotor
o
o 0
t)
tfil
l(X
sinkron I 0 kutub?
.l(X)
200 Torsi (persentase terhadap torsi beban penuh)
40. Apa yang
GAMBAR P21.34 (Soal 34 dan 35)
36. Sebuah kipas pendingin untuk sebuah kontputer beroperasi dengan kecepatan I750 rpm, digerakkan langsung oleh sebuah motor listrik. Kurva hubttngan kecepatan dan torsi untuk kipas ini ditunjukkan dalaur Garnbar P2l .36. Tetapkan sebuah nlotor yang sestrai. dengan rnemberikan jenis rnotor, daya, dan jurnlalr
41.
dimaksud dengan torsi tarik-keluor' (pullorrt torclue), sebagainrana yang diberlakukan pada sebuah nrotor sinkron? Sebutkart alasan-alasan nlengapa motor universal sering digunakan untuk perkakas tangan dan alat-alat kec i l.
42. Mengapa kata sifat univcrsal digunakan
untuk
nrenjelaskan rnotor universal?
43. Sebutkan tiga cara yang digunakan
untuk
rurenghasilkan daya DC.
kutubnya.
44. Buatlah daftar untuk l2 tegangan DC yang umurr. 45. Apa yang dinraksud dengan kendali SCR? Digurtakan
l0{x)
untuk apa?
46. Jika sebuah nrotor DC menggerakkan
/
-tro l5(x)
47. Jika Anda ingin menggunakan
o f
o
c6
1ft)0
o
o o o (,
:a
5lr0
0
5
r0 Torsi. lb in
-GAMBAR P21.36
l-5
sebuah papan
iklan dan rrenghasilkarr riak kecil, apa istilahnya?
:0
sebuah rnotor DC di
rumah Anda dan rumah Anda hanya rrrerriliki daya standar I I5 V AC satu fasa, apa )'ang Anda perlukan? Apa jenis rllotor yarlg harus Anda peroleh? 48. Buatlah daftar untuk tujuh kelebihan rnotor DC jika dibandingkan dengan motor AC. 49. Sebutkan dua kekurangan dari rnotor DC. 50. Sebutkan empat jenis nrotor DC. 51. Apa yang terjadi pada rnotor DC dengan lilitarr seri jika beban pada rrotor anjlok mendekati nol? 52. Andaikarr sebuah rnotor DC rlragnet perrnanen dapat menghasilkan torsi 15,0 N.m ketika beroperasi pada 3000 rprn. Berapa torsi yang dapat dihasilkannya pada kecepatan 2000 rprn?
I r'5 53. 54.
Buatlah daftar l0 manfaat dari sebuah kendali motor. Berapa ukuran alat pengawalan motoryang diperlukan
58.
untuk motor tiga fasa l0 hp, yang beroperasi dalanr
59.
tegangan 220 Y?
Motor AC satu fasa ll0-V AC mempunyai sebuah pelat nama dengan daya nominal 1,00 kW. Berapa
57. Mengapa sebuah pemutus arus (filse) tidak memadai
digunakan untuk sebuah motor industri?
\.lir: rrj:..:
,r.--,.
Apa yang terjadijika Anda menghubungkan sebuair
ukuran alat pengawalan yang diperlukan? Apa rnaksud dari istilah p/ug stopping dan bagairnana rurengatasinya?
Apa jenis penutup kendali ntLrtLrr
tetapkan untuk digunakan dalartr usalra cL.cr ::'r: Apa yang dapat Anda lakukan pada sirkuil ^r:::-, untuk motor DC seri standarsehingsa tnentberiiienit\.: sebuah kecepatan tanpa beban yang terkendali'l tahanan dalam susunan seri dengan jangkar ntagnet
61.
rrotor DC lilitan shunt? Apa yang te{adi jika Anda rnenghubungkan sebuah tahanan dalarn susunan seri dengan ntedan shunt pada
nrotor DC lilitan shunt?
22 Kendati Gerakan: Kopting Tidak Tetap dan Rem
Kendali Gerakan: Kopling Tidak Tetap dan Rem Lingkup Pembahasan c .
Rem adalah peralatan yang digunakan untuk menghentikan gerakan, rlernperlantbat kecepatan, atau untuk mengatur kecepatan pada suatu nilai terlentu di bawah berbagai kondisi. Kopl ing tidak tetap (clutch) adalah pera latan yang d igLrnakan u ntuk menghubungkan atau nt etlt Lltus kont ponen yang digerakkan dari penggerak utama suatu sistent.
Tugas Persiapan Di mana Ancla menggunakctn
rem'?
Perhatikan rem unluk nobil atau sepeda. {Jraikan konrponen-kontponen dan siklus gerokonnya secletctil yang Anda bisa. Diskusikan temuan-temuan Anda clengan rekan-rekan Ando..leni,s peralalon apakah selain kendaroan, yang menggunakan kopling tidak tetap alatr rem'? Uraikan beberalta sketturio. IJraikan pengoperasian.fisik kopling tidak tetap clan rem, perhatikcrn energi clan cfbk kelentbantun.
Ilab ini nrcrubitutu Anda nrcngcmbangkan bcrbagai Banyak.icnis kopling tidak diuraikan di sini. Mari kita
mcuggali scrnua pcrsoalan di atas. llab ini .luga pcrancangan yang tcpat scrta pcrsamaan analisis. tctap clau rct.n tcrscclia di pasaran digarnbarkan dan lihat scluruh isi bab ini.
Sisterrr rnesin memerlukan pengendalian rnanakala kecepatan atau arah gerakan satu atau lebih korrponen harus diubah. Ketika sebuah peralatan awalnya dijalankan, alat ini harus dipercepat dari keadaan berhenti sarnpai pada kecepatan
operasinya. Apabila fungsinya telah selesai, sistem sering harus diberhentikan. Kecepatan sistem yang beroperasi terus-menerus sering perlu diubah untuk mengatur kondisi operasi yang berbeda. Kadang-kadang keatnanan tlenuntut pengendalian gerakan, seperti beban yang diturunkan dengan katrol atau elevator. Dalarn bab ini kita akan rnenitikberatkan pengendalian gerakan berputar dalam sistetn yang digerakkan oleh rrrotot listrik, mesin, turbin, dan sejenisnya. Pada akh irnya gerakan lin ier mungkin terlibat melalu i link, konveyor atau Ilekanistne lainnya. E,lemen-elemen mesin yang paling sering digunakan untuk mengendalikan gerakan adalah kopling tidak tetap dan renr. \,ang didefinisikan sebagai berikut:
166
\
Kcnclali Garakon: Kopling Tictak Telap tlctrt
Rant 161
Kopl ing tidaktetap adalah peralatan yang digunakan untuk nrenghubungkan atau nremutus kontponen yang digerakkarr dari penggerak utarna suatu sistent. Sebagai contoh. pada mesin yang harus sering berputar, rrtotor penggerak
dibiarkan terus berputar dan kopling tidak tetap dipasang antara nrotor dan mesin yang digerakkan. KetttLrdiart kopling tidak tetap digerakkan on atau o//untuk merrghubungkan atau nrenrutus beban. Hal ini memungkinkan motor beroperasi pada kecepatan yang efisien dan juga rrernungkinkan siklus sistem lebih cepat karena tidak perlu akselerasi rotor motor yang berat untuk setiap siklusnya. Rerr adalalr peralatan yang digunakan untuk menghentikan gerakan, rremperlar.nbat kecepatan, atau untuk nrerlgatur kecepatan pada suatu nilai tertentu di bawah berbagai korrdisi.
Di urana Anda menggurrakan renr? Jarvaban yang jelas adalah pada rlobil atau sepeda di trratra operasi yang antan merrbutuhkan penghentian cepat dan rnulus bila terjadi korrdisi darurat atau ketika Anda perlu berhenti. Dan Anda tidak selalu perlu nrerrghentikan sarna sekali nrobil atau sepeda. Menrperlanrbat untuk nrenyesuaikan dengan arus lalu lintas saat itu atau berbelok pada tikungan menterlukan pengerenran untuk mengurangi kecepatan. dari kecepatan yang lebih tinggi menjadi kecepatan yang lebih rendah. Sebenarnya apa yang te{adi ketika Anda rrenggunakan renr sepeda? Dapatkah Artda menguraikan elernen-elenten pokok sistem pengerentan? Dengan reut tangan gerakan tuas renr nrenarik kabel, dan kabel nrenarik ntekanisme pada rangkaian rem yang terpasang di atas bingkai roda. Mekanisnre rnenyebabkan karrtpas retn ntenekan bingkai. Bila Anda nrenarik tuas lebih kuat, gaya antara karrrpas renr dan bingkai nrenjadi lebih besar. Caya ini disebut g.q,a normul.lngal dari fisika dan statika balrrva gesekan diciptakan antara pel'nrukaan yang lrergerak relatif satu derrgan lainnya bila gaya norrnal rrrenekannya bersarna. Caya gesek beraksi dalaur arah berlawanan dengan gerakan relatif'. dan dengan demikian cenderung nremperlanrbat gerakan. Dengan penerapan gaya gesek yang cukup besar selaura \\,aktu tertelttu. roda akan berhenti. Catatjuga bahwa gaya gesek beraksi pada radius yang cukup besar dari surrrbu roda. Dengarr dernikian, gaya menyebabkan /orsi gesek, dan apa yang sesunggulrrrya teriadi adalah penurunan kecepatan sudut roda. Tetapi karena penurunan kecepatan sudut secara langsung proporsional dengan kecepatan linier sepeda, I.rtaka Anda nrengalami aksi penghentian sebagai penurunan linier. Tetapi itu tidak semual Pernahkah Anda gagal setelalr berhenti rnendadak? Kenyataan bahwa kanrpas retn ntenjadi hangat adalah indikasi bahwa ren.l nrenyerap energi selanta aksi penghentian. Dari nrana energi itu datang? Dapatkah Anda menghitungjumlah energi yang diserap? Paranreter-paranreter apa yang terlibat dalam perhitungan ini? Bandingkan junrlah energi yang diserap pada penghentian sepeda yang Anda kendarai dengan penghentian pesawat terbang besar saat rnendarat pada kecepatan lr20 nrph (rnil per janr) dengan beban penuh penurnpang, barang, dan ditarlbah berat pesa'vvat itu sendiri. Bayangkan seperli apa rem-renr itu dibandingkan derrgan rem sepeda! Apa peralatan jenis lain di santping kendaran transportasi yang rnenrerlukan rem? Perhatikan elevator, eskalator, katrol, dan derek, ydng harus berhenti dan nrernpeltahankan beban setelalt diangkat. Mesin perkakas, konveyor, dan peralatan rnanufaktur lain sering dapat dihentikan dengan cepat dan auran. Tetapi peralatan itu juga harus dipercepat padaawal siklus operasi yang baru. Bagaimana hal itu dapat dicapai? Satu cara adalah menjalankan dan menghentikan motor atau lnesin yang rnenggerakkan peralatan. Tetapi itu tidak nyantan dan r.nernakan waktu, dan mungkin rrrenyebabkan kerusakan dini pada sistelr.l. Bagairnana jika Anda harus nrernatikan rnesitr rnobil Anda setiap saat Anda sampai pada larrpu nrerah dan kerrudian harus menghidupkan kernbali untuk melanjutkan perjalanan? Bagaimana sistenr otomotif rnemungkinkan Anda untuk nrenghentikan dan kemudian meneruskan berjalan tanpa harus rneuratikarr rriesin') Pelnahkah Arrda nrengendarai mobil standar? Tuas persneling? Kopling tidak tetap digunakatr untuk nren-ghrrbLrngkarr dan melepaskan rangkaian yang digerakkan dari rresinnya. Pada rnobil-rnobil dengan lransnrisi otornatis, kopling tidak tetap juga dibuat nrenyatu dalarlr transnr isi.
Jenis peralatan lain apa yang ntenggunakarr kopling tidak tetap? Uraikan beberapa contoh dari pengalarrtan pribadi Anda atau buatlah skenario di rrrana akan diinginkan penggunaan kopling tidak tetap. Sekarang perhatikan apa tugas/fungsi kopling tidak tetap. Beberapa kornponen sebuah mesin berputar secara terusrlrenerus, sementara yang lain berhenti sebentar. Kernudian Anda rrrelepaskan kopling tidak tetap. Apa yang terjadi? Perhatikan situasi fisiknya. Komponen yang diam harus digerakkan dari kecepatan nol rlenjadi kecepatan yang diinginkan, sesuai dengan perancangan sisteln penggeraknya. Kelenrbanran harus diatasi-kadang-kadang kelembantan rotasional. kadang-kadang kelembarnan linieq dan kadang-kadang kedua.ienis kelernbaman dalam tnesin yang sama. Berapa lanta rvaktu yang Anda inginkan bagi bebarr untuk rrrencapai kecepatau operasinya? Anda halus menyadari balrwa rvaktu yartg lebih singkat memerlukan torsi percepatan lebih besar yang dihasilkan oleh kopling tidak tetap, dan hal ini nrenambalr tuntutan teknis pada sistem dalarn hal kekuatan konrponen-konlponennya, kehalusan, dan untur keausan bahan gesek yang secara aktual mengalami penghubungan dan pelepasan. Bab ini nrernbantu Anda menggali serrrua persoalan ini, dan nlengellbangkan banyak perancangan )'ang tep3l serta persamaan analisis. Beberapa jenis rem dan kopling tidak tetap yang berbeda dibahas, dan ditunjukkan lbto-tot..
168
Elcmen-Elenten Mesin dalam Perancctngotl Mekanis
atag gantbar-gantbar detail beberapa rancangarl yang ada di pasaran. Sekarang lihatlah seluruh bab untuk nrenrperoleh galtbaran IingkLrp ulasan dari bab ini. Barangkali perlu ntenyirrpan buku ini untuk proyek-proyek yang akan datang sehinggaAnda dapat rnencermati perbedaan detail perancangan kopling tidak tetap dan renl. C*
@
Anda sebagai Perancang
?'
"ii
Perusahaan Anda membuat sistem konveyor untuk gudang dan
terminal truk. Konveyor memindahkan kardus-kardus bahan ke beberapa stasiun di mana truk-truk akan dimuati. Untuk menghemat energi dan mengurangi keausan pada komponen-
komponen operasi sistem konveyor, diputuskan
6. 7.
berbagai konveyor.
Beberapa keputusan rancangan yang harus Anda buat
Berapa lama waktu yang diizinkan konveyor untuk mencapai kecepatannya, mulai dari awal perintah start diberikan?
2. 3, 4.
Berapa ukuran dan model apa unilunit yang seharusnya ditetapkan? Bersama dengan keputusan-keputusan di atas, Anda akan
membutuhkan informasi tentang sistem konveyor itu sendiri, seperti berikut:
1. 2.
adalah sebagai berikut:
,
drgunakan?
untuk
mengoperasikan hanya komponen sistem yang memindahkan sebuah kardus. Sistem dioperasikan secara otomatis melalui sederetan sensor, saklar, pengendali yang dapat diprogram, dan sebuah kendali komputer untuk pengawasan keseluruhan. Tugas Anda adalah membuat rekomendasi jenis dan ukuran unrlunit kopling dan rem untuk menlalankan dan menghentikan
1
Jenis kopling dan rem umum apa yang seharusnya
Seberapa cepat konveyor sampai berhenti? Berapa banyak siklus per jam yang diharapkan? Berapa luas ruang yang tersedia untuk memasang unitunit kopling dan rem?
Cara apa yang tersedia untuk menggerakkan unilunit kopling dan rem: tenaga listrik, tekanan udara, tekanan
3. 4.
Berapa besar beban pada konveyor ketika dijalankan dan dihentikan?
Bagaimana rancangan sistem konveyor itu sendiri, dan berapa beratnya, bentuk-bentuknya, dan ukuran komponen-komponennya?
Bagaimana konveyor digerakkan: motor listrik, motor hidrolik, atau cara-cara lainnya? Apakah produk-produk semua dipindahkan pada satu level atau ada perubahan kemiringan dalam sistem?
lnformasi dalam bab ini akan membantu Anda merancang sistem
seperti itu.
hidrolik, atau cara-cara lainnya?
22.1 TUIUAN BAB lNl Setelah selesai rnentpelajari bab ini, Anda diharapkan matnptt:
l. 2. 3. 4. 5.
Mendefinisikan istilah-istilah kopling tidak tetup dan rcnt. Merrbedakan antara kopling tidak tetap dan kopling lctolt. Menguraikan rem yang alnan dan relx yang tidak anlatt. Menguraikan rnodul kopling tidak tetap-renl. Menetapkan kapasitas yang dibutuhkan oleh kopling tidak tetap dan retn ttntuk nlenggerakkan suatu sistetn dengan andal.
6.
Menghitung waktu yang diperlukan untuk ntempercepat atau nrenghentikan sistern dengan aplikasi torsi yang
diberikan.
7, 8. g. lZ.
Menentukan kelembaman sisterr, dalarrr hal nilai Wkz-ttya. Menghitung keperluan energi untuk kopling tidak tetap atau retl. Menentukan waktu respons untuk sistern kopling tidak tetap-renl. Menguraikan sekurangnya lima jenis kopling tidak tetap dan renl. Menyebutkan enarrl cara penggerakan yang digunakan ttntuk kopling tidak tetap datr rerrl ' Membuat perancangan dan analisis rern dan kopling tidak tetap.ienis pelat, cakratl. keructtt. tronlol dan sepatu, dan
13.
pita. Merryebutkart sernbilanjenis kopling tidak tetap dan ret.t.t lainnya.
10. II
.
Kendali Gerokan; Kopling Ticluk Tct,t1, .i,tit R.
22.2
I
t-,
trl
DESKRIPSI KOPIING TTDAK TETAP DAN REM
Beberapa pemasangan kopling tidak tetap dan renr ditunjukkan pada Carlbar 22.1. Berdasarkan kesepakatan. isiii.,:: clutch digunakan untuk aplikasi di mana sanrbungan dibuat sejajar clengan poros rrotor, sepefti ilustrasi pada Canrl..,:
22.1(a).Jikasarnbunganporossegarisdenganmotor,cligunakarristilah
clutchcotrplirrg,t.p"rii ditunjLrkkanpadaCanrL.ii
22.1(b).
OAMBAR
22.I
Tipe pemakaian kopling tidak tetap dan rem (Electroid Company, Springfietd, NJ) cl
utch
Poros output
(a) Kopling tidak tetap "clulch": Memindahkan putaran ke poros hanya ketika kumparan menerima energi listrik dengan menggunakan puli, sproket. roda gigi. atau puli bergerigi
(b) Kopling tidak tetap (clutch coupling): Memindahkan putaran ke poros yang segaris hanya bila kunrparan menerirna energi listrik. Aplikasi poros terpisah.
Rem
Poros output
(c) Rem: Menghentikan beban bila kumparan menerima energi listrik. Panel menunjukkan kopling tidak tetap memberi putaran ke poros (beban) output selama rem tidak diaktifkan. Sebaliknya, dengan memutuskan pasokan energi ke kumparan kopling dan memberi energi listrik ke kumparan rem menyebabkan beban berhenti.
(d) Rem pengaman: Menghentikan beban dengan pemutusan pasokan energi listrik ke kumparan: daya menghilang-rem bekerja.
Motor
Kombinasi kopling dan renr dengan flens-C
(e) Tiga jenis konstruksi untuk modul kombinasi kopling dan rem: Kombinasi kopling dan rem menggabungkan fungsi kopling lidak tetap dan rem dalam sebuah paket prarakitan lengkap dengan poros input dan output. Kombinasi kopling dan rem dengan flens-C (C-flange clutch brake) melakukan iungsi yang sama, tetapi untuk digunakan di antara motorjenis flens-C dari NEMA dan penurun kecepatan. Kombinaii motor, kopling dan rerr 0notor clutch brake) adalah modul prarakitan yang menyatu dengan motorjenis flens "C" dari NEMA dan menunjukkan sebuah poros output untuk sambungan ke beban.
170
Elemen-Elenten lvlesin dalom Perancangon Mekctnis
Berdasarkan kesepakatanjuga, rem lGanbar22. l (c)] diaktifkan dengau beberapa aksi yang nyata: dengan rnenet'apkan tekanan fluida, menghubungkannya dengan arus listrik, atau nrenggeser tuas dengan tangan. Reln yang secara ototnatis rrrerrggunakan pegas dan tidak memerlukan aksi yang nyata disebut rem pengantun Uhil-sde brake) fGarnbar 22.1 (d)l: Bila dayanya rnenghilang, rem bekerja. Bila fungsi kopling tidak tetap dan rem dibutuhkan dalarn sebuah sistetn, keduanya sering dipasang dalartt satu urrit, yang disebut modul kombinosi kopling dan rem (clutch-brokc module). Bila kopling diaktifkan, renr tidak aktif, dan sebaliknya Iihat Gambar 22.I(e)]. Kopling selip (stip clutch) adalah kopling yang dirancang hanya untuk rnenrindalrkan torsi yang terbatas; jadi, akan te{adi selip pada torsi yang lebih besar. Kopling ini digurrakan untuk tnetlberikan percepatan yang terkendali pada beban yang halus dan yang rrrernbutuhkan daya rrrotor lebih kecil. Kopling ini juga digunakan sebagai alat pengatran, rrrelindungi komponen yang mahal atau sensitif ketika terjadi gangguan pada sistem. Sebagian besar pernbaltasan pada bab ini adalah tentang kopling tidak tctap dan renr yang ntemindahkan gerakarr ntelalui gesekan pennukaan antara dua bagian yang berputar pada kecepatan berbeda. Jenis-jenis lainnya dibahas secara
singkat pada bagian akhir. Referensi l-7 dan Situs Internet l-8 nrernberikan infornrasi tambahan tentang perancangan! pemilihan, dan aplikasi sistern kendali gerakan, kopling tidak tetap, dan retn.
22.3
JENIS-f ENIS KOPLING
DAN REM
GESEK
Kopling tidak tetap dan rern yang menggunakan gesekan perntukaatr sebagai cara pemindahan torsi untuk rnenialankan dal rnelghentikan mekanisme dapat diklasifikasikan sesuai dengan geonretri utltultt pertrukaan gesek dan cara ptenggerakkannya. Pada beberapa kasus, geornetri dasar yang sama dapat digunakan sebagai kopling tak tetap atau ren dengan pemasangan elernen gesek secara selektifpada penggerak, ntesin yang digerakkan, atau rangka ntesin yang diam. Jenis kopling tak tetap dan rem berikut dapat dilihat pada sket Garnbar 22.2:
l.
Kopting alou rempelul..Setiap pernrukaan gesek berbentuk piringan pada pelat rata. Satu atau lebih pelat bergerak aksial untuk menghubungkan pasangan pelat halus, biasanya terbuat dari ba.ia, dan ntelalui pelat itulah torsi
2,
Rem cakrunl.' Rotor berbentuk piringan/cakrarn dipasang pada rresin yang akan dikendalikan. Bidang geseknya hanya sebagian kecil dari piringan yang terdapat di dalarn sebuah komponen tetap yang disebut kuliper, dan bidang tersebut berdesakan dengan piringan akibat tekanan udara atau tekanan hidrolik. Kopling atau rem kerucul: Kopling atau renr kerucut m irip dengan kop ling pe lat, kecuali bahwa perrrt ukaan geseknya ada pada kerucut, bukan pada pelat rata. Rem pita: Digunakan hanya sebagai rent, bahan geseknya adalah bagian pita fleksibel yang rnengitari trontol silindris yang terpasang pada rnesin yang dikendalikan. Bila diinginkan pengercman, pita dikencangkan pada tromol sehingga menghasilkan gaya tangensisal untuk menghentikan beban' Rem blok alau sepalu: Pelat penahan yarlg rnelengkung dan kaku dengan bahan gesek ditekan pada permukaan tromol, baik dari luar atau dari dalam, akan menghasilkan gaya tangensial untuk ntenghentikan beban.
dipindahkan.
3. 4. 5.
Penggerakan Berikut adalah cara-cara yang digunakan untuk rrrenggerakkan kopling tidak tetap dan retn. Masing-rnasing cara dapat diaplikasikan pada beberapa jenis kopling/rem yang telah diielaskan di atas. Ganrbar 22.3 sarnpai 22.9 menuniukkan bebagai rancangan yang tersedia di pasaran.
Manual. Operator memberikan gaya, biasanya melalui serangkaian tuas untuk ntentperbesar gaya. Menggunakan Pegas. Kadang disebut rancangan umon terhotlap kegugulon (uil-sofe) bila diterapkan pada relll, relll
diterapkan secara ototnatis oleh pegas kecuali kalau ada gaya yang melawannya. Jadi, jika penyaluran dayanya gagal, atau jika tekanan udara atau tekanan hidrolik menghilang, atau.lika operator tidak nrampu rnelakukan fungsinya, pegas akan mengaktifkan pengerernan dan menghentikan beban. Konsep ini,iuga digunakan untuk rnenyarnbung atau rnelepas kopling.
Kendali Gerukan; Kopling Tidok Tetap tltttt OAMBAR 22.2
Jenis-jenis kopling gesek dan rem [(b) Tol-O-Matic, Mamel, MNJ
Bahan gesek
1
1^\\\/'
\-\
ff:-r)llf 0 \\lb
rnpq!
Ruti l -l
ou,ou,
' ll \ \J V Perat pelat
penggerak
Aktuaror menekan Pelat-Perat
bersama-sama
penggerak
\
(a)Kopling tipe pelat (dalam aksi pengereman, bagian "output" tidak bergerak)
(b) Rem cakram
Gaya attuasi
(e) Rem sepatLr pendek
Sepatu Gaya akluasi
(c) Kopling atau rem kerucut
(f) Rem sepatu panjang
EAMBAR 22.3
Kopling manual (Rockford Division, Borg-Warner Corp, Rockford, lL)
TLras kenda
J
t''z
Poros output 1
,t ,t;3i]fi:lr.i-,!
Garfu geser
172
Elemen-Elcnten lt4esin dalam Perancqngon Mekanis OAMBAR 22.4
t Pegas untuk aplikasi rem
/
/
Solenoid untuk pelepasan rem
Rem sepatu panjang, yang terlepas secara elektrik, dengan pegas (Eaton Corp., CutlerHammer Products, Milwaukee,
wt)
Sumbu-sumbu putar Sepatu dengan pelat penahan gesekan
OAMBAR 22.5
Kopling selip. Pegas memberi tekanan normal pada pelat gesek. Gaya pegas dapat diatur untuk mengubah besar torsi di mana kopling akan selip. (The Hilliard Corp., Elmira, NY)
['1ur penyetei
Sentrifugal. Kopling sentrifugal kadang digunakan untuk rnenrpercepat sistern tanpa terhubung dengan beban. Kemudiarr pada kecepatan yang telah dipilih sebelumnya, gaya sentrifugal akan rnenggerakkan elernen-elenren kopling sarnpai bersinggungan sehingga terhubung dengan beban. Bila putarannya melanrbat, hubungan dengan beban secara otonratis akan terputus.
Pneumatik. Udara bertekanan dialirkan rnasuk ke dalam silirtder atau nlangan-ruansan lainnya. Caya dihasilkalt oleh tekanan pada piston atau membran/diafragma mendorong perrrukaan-perrnukaan gesek bersinggungan dengan bagianbagian yang terhubung ke beban.
Hidraulik. Rem hidraulik mirip
dengan jenis pneunratik. kecLrali bahwa
hidrolik rnenggunakan fl uida nrinyak hidrolik, bukan udara. Aktuator hidrolik biasanya digunakan bila dibutuhkan gaya yang besar. E lektromagnetik. Arus listrik dialirkan pada kumparan, nrenghasi lkan rnedan elektromagnet. Caya nragnet kernudiarr rlenarik jangkar magnet yang terpasang pada rnesin yang dikendalikan. Jangkar rxaqrlet yang digunakan biasanya jerris pe
lat.
KettdaI i Garukdn. k'r,pI in,1 T,.;-;..
GAI|IBAR 22.6
Kopling atau rem udara (Eaton Corp., Airftex Division, Cleveland, OH)
(a) Detail rancangan kopling
:\it'tll: (_"1
r:
rrh
rl
i
rr'n;e!:cr
(b) Siklus kerja kopling
OAMBAR 22.?
Konstruksi rem cakram hidrolik (Tol-O-Matic, Hammet, MN)
l.
I
'-:
174
Elenen-Elenren Mesin dalam Perancqngan Mekanis 0AIvIBAR 22.8
Kopling atau rem pelat elektrik (Warner Electric, lnc., South Beloit, lL)
Kendalijarak otomatis (dengan sendirinya mengatur keausan)
Kumparan
Jangkar magnet
i.rl Cutaway
Yie rv
0t comFlcte assetlbil
lLrl Corrpr:ncnts o{' *l*(trr:lnri:nc1
OAIYIBAR
22.9
Modul kombinasi kopling dan rem elektrik (Electroid Company, Springfield, NJ)
(a) Tampilan luar
Sisi output (rem)
Sisi input (koplins)
(b) Potongan menunjukkan komponen bagian dalam
22.4 PARAMETER UN'UK KERIA prinsip-prinsip fisika mengatakan bahwa bila kecepatan atau arah gerakan dari sebuah benda diubalt. maka harus ada gaya yang bekerja pada benda itu. Jika berrda berputar, harus diterapkan torsi pada benda tersebut untuk rrreuaikkan otu, ,r.nr.rnkan kecepatannya. Bila ter.jadi perubahan kecepatan, tttaka akan teriadi perubahan energi kinetik' Jadi, pengendalian gerakan dengan sendirinya melibatkan pengendalian energi: apakah tnenatnbah energi untuk mempercepat sistem atau menyerap energi untuk memperlarnbat. Parameter-parameter dalam pengaturan kopling dan retn dituniukkan dalarn data berikut:
l. 2. 3.
Torsi yang dibutuhkan untuk mempercepat atau memperlarnbat sistem. Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan perubahan kecepatan. Tingkat siklus: jumlah siklus onloff per satuan waktu.
\ l.\'ctt.ltli (rul.;r.irr .\ .' . 4. 6. 1
8. 9. 10.
-'
i:
Kelenrbanran bagian yang berputar atau bergerak lurus. Lingkungan sistern: suhu, efek pendinginan, dan sebagainya. Kemarnpuan disipasi energi kopling atau rerlt. Ukuran fisik dan konfigurasi. Cara-cara rnengakt i fkan. Urnur dan keandalan sistell. Biaya dan ketersediaan.
Ada dua tnetode dasar yang digunakan untuk rnenentukan kapasitas torsi yarrg dibLrtuhkarr kopling tidak tetap ataLr rent. Metode pertarxa berhubungan dengan kapasitas daya nrotor penggerak sistenr. Ingat bahwa LurLunrl)'a da1 a = torsi x kecepatan putar (P: Zz). Kapasitas torsi yang dibutuhkan kenrudian biasanya dinyatakan dalarn bentuk
dengan
C: K:
cPK
-
Koposilos Torsi yong Dibuiuhkon Kopling Tidok Tetop olou Rem
(22-t)
n
faktor konversi satuan faktor layanan berdasarkan aplikasi
Ilal di atas akan dibahas kemudian. Ingat lrahwa torsi yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan kecepatan putarnya. Karena itulah disarankan untuk lltenlasang kopling atau renl pada kecepatan poros yang paling tinggi pada sistem, sehingga torsi yang dibutuhkan ntinimum. Ukuran, biaya, dan waktu respons selnuanya lebih rerrdah bila torsiny'a lebih rendah. Satu kelenrahannya adalah bahwa poros yang dipercepat atau diperlambat harus rnengalami perubahan kecepatan yang besar. dan selip yang te{adi rnungkin lebih besar. Efek inidapat meninrbulkan panas gesekan yang berlebihan dan nrenciptakan permasalahan panas. Tetapi ini diinrbangi oleh efek pendingirran yang rneningkat akibat gerakar.r bagian-bagiarr kopling atau renr yang lebih cepat. Nilai untuk faktor K pada persanraan torsi rnerupakan keputusan rarlcangan. Berikut ini beberapa pedoman secala
umulr:
l. 2. J.
4
5.
Untuk rern pada kondisi rata-rata, gunakan K: 1,0. Untuk kopling dengan beban ringan di rnana poros output diasunrsikarr tidak nrenerirna beban norrnal sanrpai
urencapai kecepatan tertentu, gunakan K: 1,5. Untuk kopling kerja berat yang harus menggerakkan beban yang besar dengan percepatan, gunakan K: 3,0. Untuk kopling pada sistem yang nreurpunyai beban bervariasi, gunakan faktor ( sekurang-kurangnya sarna dengan faktor di nrana torsi puncak nrotor nrelanrpaui torsi beban penuh. Ini dibalras pada Bab 21, tetapi untuk nrotor industri biasa(rancanganB),gunakan K:2,T5.Untuknrotordengantorsi pengarvalar.ryangtinggi (rancarrganCatau nrotor dengan kapasitor-pengawalan). diperlukan K: 4,0. Dengan ini, kopling akan marrpu rnemindahkan sekurangkurangnya torsi sebesar nrotornya dan tidak akan selip setelah nrencapai kecepatannya. Untuk kopling pada sistern yang digerakkan oleh ntotor bakar, nresin diesel, atau penggerak nrula yang lain, dengan ntetnpeft imbangkan kerrarnpuan torsi puncak penggerak, d iperlukan K : 5.0.
Daftar berikut merrrberikan nilai C untuk unit-urrit yang biasa digunakarr untuk torsi, daya, dan kecepatan putar. Sebagaicontoh. jika daya dalarn hp dan kecepatan dalam rpm, rnaka torsidiperoleh dalarn lb'ft, gunakan T:5252(Pln). Torsi
lb'fr lb'in N'rrr N'rn N'rrr
Daya hp hp W W kW
Kecepalan
C
rpn'r
5252
rprn
63 02-s
rad/detik
I
rpln
a
rprlr
9549
54c)
176
Elenen-Elenren Me.sin dalant perancqngqn Mekoni.s
Meskipun
metode perhitungan torsi dari Persarnaarr (22-l) ulrumnya. akan menghasilkan unjuk kerja ntelrtuaskan dalam aplikasi' tetapi yang tidak rnernberikan cara untuk r',.,rperkirakan waktu yang sebenarnya dibutuhkarr
ilHl"Hi'ff,ffi1'fiX:,Tffil,::fJ;f#U;i:f:U:il,','-T3ngan e-"' -v!vrrrverrrurr JorrE ussdr' stsrrrrsal Konveyor
ren)
v"i"a.l""g
dijerasran u.,.ir.,i,,yo
atau nresin pres yang rrrerlpunyai roda gila
(ly+,heel).
22.5 WAKTU YANC DIBUTUHKAN UNTUK MEMPERCEPAT BEBAN Prinsip dasar yang digunakan diambil dari dinamika:
T= ta di mana
/: a
rnomen kelentbanran rnassa dari konrponen yang diper.cepat
(alpha): percepatan sudut, yaitu laju perubalian [ecepatarr sudut
Tuiuan analisis ini adalah untuk menentukan torsi yang dibuturrkan unluk rnenghasilkan perubahan kecepatan putar,
* u'i,['iiin
fl;ffi::i:il ffH i:;';:"';';:::1,,l,liii,li,t;,I,"= k: Jt m
,,,aunivu, n,o,,.n re,en,ba,an
,;.;,.'i;;;
a1i1u k2: t/nt
di rrana /r, = lnassa nt _ llt/g Maka
l=nk2:llrkllg Kemudian persantaan untuk torsi menjadi Torsi yong Diperlukon untuk Mempercepot Kelembomon
Bebqn
T , t : t(t:-
tvk2
(Nr) '
(22-2)
(rl -!l
lstilah wk2 sering disebut
kelembaman beban, meskipun notasi itu tidak sepenuhnyabenar. Sebagian besar pada sistern mesin yang dipercepat berbeniuk dari kornponen silinder atau piri,.,gan. cu,rbu.22.l0 rrrembJrikan hubungan iari-;arl girasi dan lltk, untuk piringan berongga' Piringan.pejal (utuh)',r..,Ipur.u, kas.us khusus yang sederhana dengan jari-jari dalamnya sama dengan nol'.Kita aapu-t,,.ng#alisis obyek yorg r.[ir, r,ompleks dengan menganggap obyek itu dibuat dari piringan-piringan yang lebih s.ierhanu.?ontoh Soal 22. r nenggarnbarkan proses tersebut. Sekarang torsi yang dibutuhkan untuk mempercepat puli dapaid-ihitung. peisanraan (22-2)dapat diubah bentuknya menjadi lebih mudah mengingat bahwa 7 biasanya dinyaiakan ialanr rb.ft, H/k2 daram rb.ft2, ttdararn rpm, aan l aatanl detik. Dengan menggunakan g= 32,2ftldetik? dan konyersi satuan-satuannya dihasirkan
,:[t.b,,)
,o
,,
(22-3)
1 I
Kctilol i Gtr,tkttt l,',,1',,tt ;, .--..
]I
0AI{BAR 22.10 Sifat kelembaman piringan berongga Jari-jari girasi:
k2:t(n3+n,')
2\'
Piringan berongga
Volume:
rr:"(n?_
oi)L
Berat:
W=6*V 5,
=
Berat jenis (beraUvolume)
Kelembaman (Wl():
t(kz :6,,,vk2 :a,,," (nf u/k2
:{t'{-l
_
- oi)L(n? + ni\ z
-:)
Biasanya satuan: L, R1, R2dalam in.
6, dalam
lb/in3
Wk2 dalamlb.ft2
wk2
:Lr5,,.4*r(in)x
(ni
, lft2 - nr.)t,, '\------; 144 in'
^ 6,,1(nl - ni ) il'k-:-ffrbft, Kasus khusus untuk baja: 6, = 0,283 lb/in3
wk2
- ) :'(^l323,9 ^l ,o o,
OAMBAR 22.I
I
Puli baja sabuk rata
f*-o.ut
in
*1
I
-8
[,tmLn-Elenten ,\Iesin dalam Perancangttn Mekattis
5fr'tT'h- 55lil ZZ.I 5ESVEtrrc,A{l SS
Hitunglah nilai
lltk'1
puli
ba.ia
untuk sabuk I'ata yang diturrjukkan pada Ganrbar 22.1 l.
puli dapat dipertirrbangkan terbLrat clari tiga kornponen, nrasing-rrasing adalah piringarr berongga. l,l/ft2 untuk puli total adalah.iunllah dari ketiga kourponen ittl.
Btrgiutt I Menggunakan rulllus dari Persantaan22-10 untuk piringan baja, kita rnenlpunyai
.
(nl \'
Xr) ,
- nl-./'
'rr-
ltro
nj-l
ool -(r.ol](6
323,9 :
I,l/k,
0)
323,9
63,70|b .l\2
Bagian 2
Itr,o i' i:. f l(0. : l' 17'i q o
wk2
zs )
:t5.oolb.ttr
Bogian 3
t r.of
lf
il'k) --
sEr zz.z
Hitunc tyk'1 :
@
:
63.70
+
al,:?i':J,ili.i,H,r15i'l1t[ll
79,64 lb'flJ
:
0.91
lb li-
323.9
Total LltF
Edfrrrh-
1r.s)rli+.0; I
15,00 + 0,94
:
'79,64|b . ft2
::T',l]'J??lJ';:;l?,T-]';ff:::iff s:li
i;li
.
Menggunakan Persanraan (22-3)
f:'
(zq,' o+ Xsso)
.".'-56.9
i08 (2. s)
lb.lt
Ringkaslya, jika kopling ulantpu memindahkan lorsi sekurang-kurangnya 56,9 Ib'1't ke poro5 yung nrerrbawa puli seperti ditunlukkan pada Gambar 22.11, puli dapat mengalarni percepatan dari diarn meniadi 5-50 rprn dalam rvaktu 2,50 detik atau kttrang.
u
]I I i 1
Kentltli Gcr.i j..;,:
22.6 KELEMBAMAN
SISTEM
,:..
: ,'-
..
.
DAN KECEPATAN POROS KOPLING
Dalam banyak sistem mesin praktis, ada beberapa elenten atau beberapa poros yang beropera:i p.:;: .,:,-:berbeda. Dalarrr hal ini kelerrtbaman efektif dari sistenr keselurulran perlu ditentukan karerla akan lr,rri.i;;., : Kelelnbatnan efektif dari beban terhubung yang beropet'irsi pada kecepatan putar yang berbeda dengan f,i-r;.r::proporsional terhadap kuadrat rasio kecepatan, yaitLr
+ dengan
:,rt,'ljLl' '(,,.J
Kelembomon Efeklif
(22-1t
tvk2
n = kecepatan bebarr r. : kecepatan kopling
Gon-tEti SEIII zz.3
Hitunglah kelernbarnan total dari sistent pada Garlbar 22.12. Kerntrdiart hitungla: -. -' yang dibutuhkan untuk nrenrpercepat sistem dari keadaan dianr sarnpai kecepatarr nr rptn jikakoplingrrremindahkantorsi24,0 lb.ft. ll/k1 Lrntuk jarrgkarnragnetkopling.r:, harus dipercepat adalah 0,22 lb'It':, ternrasuk poros 1,25 in.
Kopling dan roda gigi z{ akan berputar -550 rprr, tetapi karena ada roda gigi roda gigi B, porosnya, dan puli akan berputar pada kecepatan
r,
:
- :-
reduk. ,. -
550 rpn(24166) = 200 rpnr
Sekarang hitunglah kelenrbaman untuk setiap elenren berkaitan dengan kecepatan ko; = Anggaplah bahwa roda gigi berbentuk piringan dengan diarreter luar sanra dengan dirrr'.:-jarak bagi roda gigi dan diarneter dalam sama dcngan dianreter poros. Persarrailn i;-,; Gambar 22.l0 untuk piringan baja akarr digLrnakan turtuk nrenghitung I'llkr. OAIvIBAR 22.12
Roda gigi A : 24 gigi
Pd=6
Sistem yang diberikan (Contoh Soal 22.3)
D = 4,00 ln F = 2.50 in
Poros: diameter 3,00 in "l Panjang
15,00,nJft
Puli: Wk2 = 79.64 in2
Poros kopling: diameter 1.25
L--t---J f ::f -:{
180
Elcmen-Elcmen lvle-\in clalom Perencangon Mekoni.s
Roda GigiA n/k2
:f
e, onI
-
10,
ozsf
]p
,so)1323.s:
0,
r22
rb
ri2
Roda Gigi B n k2
:lts.
-ro)'
-
1r,
so
f ]12. s o)t323.e
:
7,02 tb.
rt2
Tetapi karena kecepatannya berbeda. uraka kelernbarnan ef'ektifhya adalah
u/k: Pul
:
j,02(2oo / sso)2 =. e, e3
11,
. ,rz
i
Dari Contoh Soal 22.1 ,lltk'1:79.64 lb'flr. Kelenrbanran ef-ekti{hya adalah LYk:
:ls,64(2oots5of
- 10,53 lb. ri2
Porcts
w/kz
:
(t,
sof
(r s,
o)l:z:,,r
:
0, 234 lb
'
rt2
Kelernbarnan efektifirya adalah
w'k:
:
o,nt(2oo t 550)' :
o,
03 tb . ri2
Kelembaman totalny,a adalah
wk:
:
0,22+0,12+0,93+10,53+0,03
:
I 1,83 lb.ft2
Penyelesaian Persarrraan (22-3) untuk waktu rrenrberikan
1
IITir (1,l ) (l 1.83)f550) :--!-)----!:',",' :0.88detik losr 308(14.0)
't
Kendali Gerokan; Kopling Tidak Tetop tlLtn Retrt
l8l
22.7 KTLEMBAMAN EFEKTIF UNTUK BENDA YANG BERGERAK LURUS Sarnpai sejauh ini kita hanya mernbahas komponen-komponen yang berputar. Banyak sistern meliputi peralatan dengap gerakan lurus sernisal konveyor, tali katrol dan bebannya, atau batang bergigi yong b.rg.ruk lurus bolak-balik digerakian oleh roda gigiyang juga mempunyai kelerrbarnan dan harus digerakkan clengan akselerasi. Lebih rnudah nrerepresentasikarr peralatan ini dengan kelembanran efektif yang diukur dengan Wk'z, sebagairnana halnya pada benda-benda berpLrtar. Kita dapat rnelakukannya dengan cara menghubungkan persarraan energi kinetik untuk geiakan lurus dan berpuiar. Energi kinetik aktual untuk benda yang bergerak lurus adalah
KL
dengan
v:
lr I W z:_ ll/v2 : -ntv: __y ) o )o 2
kecepatan lurus benda
Untuk satuan kecepatan kita akan menggunakan ftlrnenit. Urrtuk benda berputar,
t.r 1,2 KL:-li'---,
lWk2
//
Bila
wk'z
2
ll/k2 a2
r
)o
S
rrenjadi kelembarrran efektif, menyamakan dua rurrus ini memberikan
,'2
: ' wl\l [r]
wk'?
di rnana
rrr
harus konsisten dalarr radlmenit
, t' wk2:wl '
\2nn
Edfr'tTli sdtil 22.4
')
(22-s)
I
)
Konveyor pada Gambar 22. I3 bergerak dengan kecepatan 80 ftlmenit. Berat gabungan sabLrk dan bagian-bagiannya 140 lb. I-litunglah kelerrbantan ekLrivalen llk2 konveyor terhadap poros penggerak sabuk. Kecepatan putar poros adalah
u: ! : R Maka
Wk2
8o
ft
I
mcnit 5,0
12
in
in
ft
r92 rad/menit
ekuivalen adalah ft
wk:'
- *l!l' l.,t)
- ( r4o
rur[-{I/''sll_l' : ,0,: rr, ,i, il92rad/rncnit./
182
Elemen-Elenten Mesin dalam Peroncangan Mekani,s
22.8 PENYERAPAN ENERGI: SYARAT DISIPASI PANAS Bila menggunakan rern untuk nrenghentikan obyek yang berputar atau ntenggunakan koplirrg trrtttrk tnetnpercepat gerakannya, kopling atau rem harus nrernindahkan energi ntelalLti pennukaan-permukaan gesek, di rnana ter-iadi selip antara yallg satu terhadap lainnya. Pada permukaan ini dihasilkan panas, yang berkecenderungan menaikkan suhtr. Tentu saja panas kernudian disebarkan, dan untuk suatu kondisi operasi akan dicapai keseirnbangan suhu. Suhu itu harus cukup rendah untuk rtrenjarrin keawetan elemen gesek dan bagian operasi lainnya, senrisal kulnparan listrik, pegas, darl bantalan.
GAMBAR 22,13
l"
=
liO
lt,'rnin
Konveyor bergerak pada kecepatan B0 fUmenit
Energi yang diserap atau didisipasikan oleh suatu unit per siklus sama dengan perubahan energi kinetik dari kornponen yang digerakkan atau dihentikan, yaitu
Energy yqng Dlserop
Rem2229
oleh
E
Untuk satuan dalam sistem Amerika,
E:
(
:
LKE
yly - ! lo' - !,,,k2r2 -
: r rprn; Wk2 dalarn lb'ft2; dan g -- 32,2 ti/detikz),
kita mendapatkan
wr'?(a rt'z) ,2 puraran2 (zn)2 raa I ,renit2
;@ ru@-;t--
Energi yong Diserop dolom Soluon Ameriko
E
:1,7 xlo
a
wk2
;,*.;
;d,r*,
kr
(224)
n2 lb- t\
Dalam satuan Sl, massa dalam kilogram (kg), jari-.iari girasi dalam nreter (nt), dan kecepatan sudut dalanl radian per detik
(rad/detik). Maka
t- : ! t o2 - !,,,k' o' 2 2-
(ko. n',' /dctik2
)/
Tetapi satuan Newton sama dengan kg'rn/detik2. Maka
Energi yong Diserop dolom Soluon Sl
Selanjutnya tidak diperlukan faktor konversi.
E
__
!,rk212 2
N.nr
(22-1)
Kendali Gerakon; Kopling Tidak Tetap clon
Rclt l8l
Jika ada siklus operasi berulang, energi dari Persarnaan (22-6) atatt (22 7) harus dikalikan dengan laju siklusnra. satuan yang biasanya digunakan di Amerika dalam siklus/nrenit dan untuk satuan SI dalarn siklus/detik. Hasilnya adalalr energi yang dihasilkan per satuan waktu, yang harus dibandingkan dengan kapasitas disipasi panas kopling atau renr van!r dipertimbangkan untuk apl ikasi. Bila kopling-renl bersiklus on dan o//, rnaka kornponen beroperasi pada kecepatan penuh sistenr dan kornponen dalanr keadaan diam. Kapasitas gabungan disipasi-panas adalah rata-rata dari kapasitas pada setiap kecepatan yang diberi bobot berdasarkan proporsi siklus pada setiap kecepatan (lilrat Contoh Soal 22.5).
lstilahwaktu respons berkaitan dengan waktu yang dibutuhkan bagi Lrnit (kopling dan rern) untuk nrelakukan firngsinya setelah diberi aksi awal dengan tnetnberikan arus listrik, tekanan uclara, gaya pegas, atau gaya rnanual. Garnbar 22.14 menunjukkan sebuah siklus lengkap penggunaan modul kombinasi kopling clan rent. Kurva garis-lurus diinginkan, selllentara garis lengkung nlemberikan bentuk umutn dari gerakan sistenr. Waktu respops sebenarnya akal bervariasi, bahkan untuk suatu unit dengan variasi beban, lingkungan, atau kondisi operasi lainnya. Kopling dan rem yang tersedia secara kornersial untuk.jenis aplikasi nresin rnernpunyai waktu respons dari beberapa nrilidetik (l/1000 detik) untuk peralatan kecil, semisal transport kertas, sampai 1,0 detik untuk mesin yang lebih besar, serrrisal konveyor perakitan. Literatur dari pabrikan harus diruiuk. Lihat Tabel 22.1 nrenrberikan data contoh untuk unitunit yang digerakkan secara elektrik. Dari tabel ini Anda dapat ntelihat kernanrpuan kopling dan reut yang tersedia di pasaran.
GOI'tTh- ffilil l!.$
Untuk sistem pada Cambar22.12, dan dengan rnenggunakan data dari Contoh Soal 22.3, perkirakan waktu siklus total .jika sistern dikendalikan dengan unit G dari Tabel 22.1 dan sistenr harus tetap on (pada kecepatan rnantap) untuk 1,50 detik dan of/'(pada saat dianr) untuk 1,75 detik. Perkirakan.iuga waktu resporrs kopling-rem sefia waktu percepatan dan perlambatan. Jika sistem berulang secara terus-menerus, hitunglah laju disipasi-panas dan bandingkan dengan kapasitas unit.
GAMBAR 22.14
I
Model siklus penyambungan dan pelepasan kopling c 6
/,
rr* Waktu
Waktu "offl'
t,
6
o
.s)
a o c 6
c ,6 o E
c 6 o q o o o
:a
\
/ Waktu percepatan Waktu respor kopling
Waktu I
perlambatan
I
Waktu respons rem Waktu sik lus total
I I
Wakt
l8-t
Elenten-Elenten lllesin dalam Perancangon il'fckattis
TABEL22.1
Data unjuk kerja sampel kopling-rem Kelenrbaman, Ll/ k,
Kapasitas
Ukuran torsi unit (lb ft)
(lb.1r2)
0,42
0,00017
B
t,25
0.0014
C
6,25
0,021
D
20,0
0.t08
E
50,0
0,420
F
150,0
t,t7
A
G
240.0
2.29
H
46-s,0
5,54
I
700.0
13.82
Saat
Disipasi panas
Waktu respons
(fi'lb/menit)
(detik)
dianr
750 800 l 050 2000 3000 9000 8 000 20 000 26 000 r
1800
rpm
Kopling
Ren.r
0.022
0,0r9
800
200
0,032
0,024
2250
0.042
0,040
I
6000
0,090
0.089
13 000
0.1
r0
0,r05
62 000
0,250
0.243
52 000
0.235
0,235
90 000
0,3 50
0,350
0.5 r2
0.5
r
90 000
l2
aclalah slatis. Kapasitas torsi ttreutrrtttt bila pcrbeclaan kecepatan antara bagian yartg herpasangan bcrtantbalr. Irrtcrpolasi dapat d igtrnakan pacla data di sipasi-panas.
Cululup:Nilai torsi
@Gatnbar22'l5menunjukkarrestinlasiwaktr'rsiklustotalsistemmenjadi2,896detik'Dari Tabel 22.1 , kita temukan bahrva rem-kopling rnenghasilkan torsi 240 waktu respons 0,235 detik untuk kopling dan t'enr.
lb'fi dan rnenrpunyai
Waktu Percepatan dan Perlanrbatan IPersarraarl 122-3)]
1
trk2 (Lil) (il.83)(5so) :___,_)_:_ . :,.,, :0.088 detik
losr
308(210)
Laju Pengulangan dan Disipasi Panas IPersarnaan (22-6)] Untuk waktu siklus total 2,896 detik,.lunrlah siklus per menit nrertjadi
C:
1.0 siklus 60 clctik :20.'7 siklus/rnenit
2,896
cletik
trtetrit
0AIvIBAR 22.15
Perkiraan waktu siklus total
"Offl'0,75 detik Percepatan, 0,088 detik Respons kopling. 0,235 detik Waktu siklus total 2.896 detik
Perlambatan, 0.088 detik
Kcnduli Gerokon: Kopling Tidok Tetop don
Rem 185
Energi yang dihasilkan setiap penr anrbungan kopling atau rent adalah
E
: t,7xt0-rt'1,:rr: :
l,7x ro 1 (r r,s:)(550)2
:
608
lb. li
E,nergi yang dihasilkan per rnerrit adalalr
Et:2EC:
(z)(oos tU
ft
siktus)(20,7 siklus/
menit): 25.200Ib.
ftlnrenit
Ini lebih besar daripada kapasitas disipasi-panas dari unit G saat diant (18 000 lb'ft/rnenir;. Kemudian kita hitun-e kapasitas rata-rata berbobot untuk siklus ini. Pertarna, ntengacu Gambar 22.15, kira-kira 1.7i5 detik "pada kecepatan" atau 550 rpr.n. Keseimbangan siklus itu, l,l6l detik, adalah saat dianr. Dari Tabel 22.1 dan interpolasi antara kecepatan nol clarr 1800 rpm, tingkat disipasi-panas pada -550 rpnr kira-kira 28 400lb.ftlnrenit. Maka kapasitas rata-rata terbobot untuk unit G adalah
. L,,,."
dengan
, /55,, -1-:f --lrr. 55tt -D,,
t, - waktu siklus total ln : rvaktu pada saat diarn (0 rpnt) tr,o : rvaktu pada 550 r'pnt Eo : kapasitas disipasi-panas pada saat diant E,o : kapasitas disipasi-panas pada 550 rpnr
Maka 28 400
c -- '''S('s """ / ' g96 \t' 000)*1J1112s I.8SA "
Lttt!
2,
400)- 24 230rb
rtlrncrrir
Ini sedikit di bawah daripada yang dibutuhkan, dan perancangan nrenjadi kecil. Beberapa siklus per rnenit akan dipilih.
??.IOBAHAN GESEK DAN KOEFISIEN GESEK Banyak jenis kopling dan relrr yang dibahas dalam bab ini nrenggunakan permukaan berpasangan yang digerakkan melalui bahan gesek. Fungsi bahan ini adalah untuk menghasilkan gaya gesek substansial ketika terjadi gaya normal akibat penggerakan rem. Gaya gesek nrenghasilkan gaya atau torsi yang nrenahan gerakan yarrg ada.iika diterapkan sebagai rern, atau menggerakkan bagian yang diarrr atau lreulpercepat bagian yang bergerak dengan kecepatan lebih rendah jika diterapkan sebagai kopl ing.
Sifat-sifat bahan gesek yang diinginkan adalah:
l. 2. 4. 5.
Mempunyai koefisien gesek yang relatif tinggi bila beroperasi nrenekan bahan pasangannya di dalanr sisrenr. Koefisien gesek yang paling tinggi tidak selalu rrenjadi pilihan terbaik karena penghubLrngan yang 6alus serins. dibantu dengan torsi atau gaya gesek yang lebih nroderat. Koefisien gesek relatif konstan pada kisaran tekanan kerja dan suhu pengoperasian sehingga diharapkan acia un,iuk kerja yang andal dan dapat diprediksi. Bahan mempunyai ketahanan aus yang baik. Bahan harus secara kirnia sesuai dengan kontponen pasangannya. Bahaya lingkungan harus dirninirnalkan.
186
Elemen-Elemen Mesin dalan Perancangan ll.lekanis
Elemen gesek pada kopling dan rent rnenggunakarr beberapa bahan yang berbeda. dan banyak bahan yang nterupakan
nrilik khusus sebuah pabrikan terlentu. Dulu sudah urrrunr belbagai konrporr caulpuran asbes rnernpunyai koefisien gesek berkisar antara 0,35 sampai 0,50. Asbes ten"lyata berbahaya bagi kesehatan, karena itu diganti dengan konrpon cetak dari
polimer dan karet. Bila diperlukan fleksibilitas, seperti pada renr tangan. bahan dasar ditenun nrenjadi serat, kadangkadang diperkuat dengan kawat loganr, diperruhi dengan resin, dan disatukan. GabLrs dan kayu kadang-kadang juga digunakan. Bahan berdasar kertas digurrakan dalam beberapa kopling basah. Dalant lingkungan yang berat, digunakan besi cor, besi atau logarn lain yang disinter, atau bahan grafit. Tabel 22.2 rnernberikan daftar kisaran koefisien gesek dan tekanan yang nrampu diterirrra oleh bahan. Standar untuk aplikasi otonrotif ditetapkan oleh Society of Automotive Engineers (SAE). SAE J866 (Referensi 7) ntenetapkan sejumlah kode untLrk nrengelorrpokkan bahan gesek sesuai dengan koefisien geseknya, tanpa nrenrerlratikan penggunaan bahan. Tabel 22.3 ntenyajikan kode-kode telsebut. Soal-soal dalarr buku ini, yang nremerlukan koefisien gesek, akan urenggunakatr nilai 0,25 kecuali kalau dinyatakan lain. Berdasarkan nilai-nilai yarrg ditulis di sini, rancangan konservatif nrernerlukan nilai yang relatif rendah.
Bahan untuk Piringan dan Tromo! Ada berbagai logarn yang digunakarr dalam pernbuatan piringan dan tronrol rem atau kopling. Bahan harus rrrenrpunyai kekuatan, keuletan, dan kekakuarr yang cukup agar bila dikenai gaya tetap menjaga kepresisian geometrinya. Bahan juga harus manrpu menyerap panas dari permukaan gesek dan nrendisipasikannya ke lingkLrngan sekitarrrya.
TABEL 22.2 Koefisien gesek Kisaran tekanan
Koefi sien gesek dinarn is
(psi)
Kering
Dilumasi ntinyak
Kompon cetak
0,25-0,45
0,06-0,l0
I
Bahan tenunan
0,25-0,4s
0.08-0, r0
50- r 00
t5-0,45
0.05-0,08
I
Bahan gesek
Loganr disinter
0,
Gabus
0,30--0,50
0,
Kayu
0,20-0,45
0,1
Besi cor
0,
t5-0,25
t5-0,25
0-0.
Bahan kertas
0,1
Crafitiresin
0, t 0-0,1 4
50-300 8-15
2-0,1 6
0,03- 0.06
50-300
I
(kPa) I
035-2070
345-{90 I
035-2070 55- r 00
50-90
345420
00-2s0
690-l'725
r5
TABEL 22.3 Klasifikasi kode koefisien gesek dari SAE Kode huruf
Koefisien gesek
C
Tidak lebih 0,l5
D
Lebih Lebih Lebih Lebih Lebih Tidak
E F
G H
Z
0,15 0,25 0,35 0,45 0.55
tetapi tetapi tetapi tetapi
tidak tidak tidak tidak
lebih lebih lebih lebih
0,25 0,35 0.45 0,55
telklasifikasi
Beberapa pilihan yang populer adalah besi cor kelabu, besi ulet, baja karbon, dan paduan tentbaga. Banyak piringan dan trornol dicor karena alasan biaya darr untuk nrendapatkarr bentLrk yang sebenar-nya dari bagian-bagian yang rnernerlukan sedikit perresinan setelalr pengecoran. Besi cor nrurah harganya dan rnenrpunyai kondLrktivitas panas yang tinggi bila dibandingkan besi ulet. Bagairnanapun besi ulet nrernpunyai kerranrpuan nrenerima beban kejut atau impak yang lebih baik. Paduan ternbaga rneurpunyai konduktivitas panas yangiauh lebih tinsei ketimbang bahan lainnya, tetapi rnenrpunyai unjuk kerja keausan yang lebih buruk.
Kendali Gerakcrn: Kopling Tiduk Tctop tlon
22.11KOPLING ATAU REM
Retn 187
PELAT
'ENrS
Gambar 22.2(a) menunjukkan sket sederhana dari kopling.jenis pelat, dan Canrbar22.8 nrenunjukkan garnbar potongarl yang tersedia di pasaran, kopling atau relr digerakkan secara elektrik. Pada Cantbar 22.8. sebuah elektronragnct menghasilkan gaya aksial yang rnenarik perrnukaan gesek bersanra. Bila dua benda bersinggungan dengan gaya norrnal di antaranya, tirnbul gaya gesek yang cenderung nrenghanrbat gerakan relatif'. Ini nrelupakan prinsip yang digunakan sebagai dasar pada kopling atau rem.jenis pelat.
Torsi Gesekan
lffintrCl/:11 L J I \J I \ -[tlg" ffi
Bilapelatgesekberputaldanmenyinggungpelatpasangannyadengangayaaksial
yangnrenekan
mereka bersarrra, gaya gesekan beraksi dalanr arah tangensial, menglrasilkarr torsi renr atau kopling. Pada serrrbarung iitik, tekanan lokal dikalikan luas sebagian pada titik itu rrenjacli gaya nctrrucrl.
Gayanortrral dikalikankoefisiengesekmenjadigayagesek.Gayagesekdikalikanjari-jari menjadi torsiyangdihasilkan pada titik ini. Torsi total adalah jumlah dari serrua torsi pada seluruh luas pelat. Kita dapat ntenentukan junr lahnya dengan menyatukan Iuas seluruhnya. Biasanya ada variasi tekanan pada perrrrukaan pelat gcsek. Beberapa asumsi nrengenai sifht variasi tersebut harus ditentukan sebelum torsi total dapat dihitung. Asumsi konservatif yang menrberikan hasil bernranf-aat adalah bahlva perrnukaan gesek akan mengalami keausan secara rnerata selanra renr atau kopling beroperasi. Asumsi ini menuniukkan bahwa tekanan lokal, p, dikalikan kecepatan relatif linier, rr, antarpclat adalah konstan. Keausan diperoleh kira-kira proporsional dengan hasil p kali v. Semua faktor ini diperhitungkan dan penyelesaian analisis rnenghasilkan torsi gesekan sebagai berikut
r : /N (R,,+ R,)12 Tetapi bagian akhir dari hubungan ini adalalr jari-jari rata-rata, R,,,, dari pelat anular. Maka Torsi
-.\ \1/
cesek Pddo Pelol
(22-8)
Tt:./NR,,,
Anvtor
Seperli dinyatakan sebeluurnya, ini adalah hasil konservatif', berarti bahrva torsi yang sebenarnya dihasilkan akan sedikit lebih besar dari yang diprediksi.
Tingkat Keausan Ingat bahwa torsi proporsional dengan jari-.iari rata-rata, tetapi tidak ada hubLrngannya dengan luas pada Persarraan (22 8). jadi, penyelesaian perancangan untuk ukuran akhir nrerrerlukan beberapa pararneter yang lain. Faktor yang hilang pada Persarnaan (22-8) adalah tingkat keausan bahan gesek yang diharapkan. Jelaslah bahrva bahkan dengan.iari-.iari rata-rata, rern dengan luas yang lebih besar keausannya lebih kecil daripada relr yang luasnya kecil. Pabrikan bahan gesek dapat membantu dalarn penentuan akhir hubungan antara keausan dan luas pernrukaan gesek. Bagaiuranapun, pedoman berikut rnemberikan estimasi ukuran fisik rern dan akan digunakan untuk menyelesaikan srralsoal dalarn buku ini. Tingkat keausan, WR,akan didasarkan pada daya uesekan, P, yang diserap oleh retn per satuan luas, l, di rnana
P,:
DoYo Gesek
+
T,a
(
l:-q
dan or adalah kecepatan sudut piringan. Dalam satuan SI, derrgan torsi dalam N'rn dan cu dalanr radian/detik. dara ":..-.. dalam N'm/detik atau watt. Pada sistem yang biasa diArrerika, dengan torsi dalanr lb'in dan kecepatan sudut dirrr:,::..:
sebagai n rpm, daya gesekan adalah dalam hp, yang dihitung dari
P,.
'
:
T, tr
63
'
000
l'ro
I ---
I'
I
188
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
Untuk aplikasi di industri, kita akan menggunakan Niloi
Keouson
WR
: P,l A
(22-1t)
di rrrana lyR:0,04 hp/in2 untuk aplikasi yang sering, nilai korrservatif
WR: WR:
fOnttli
0,1
0 hp/in': untuk servis rata-rata hp/in2 untuk rem yang jarang digunakarr yang nrernungkinkan pendinginan antaraplikasi
O,4O
rern jenis pelat anular untuk tnenghasilkan torsi pengerernan 300 lb'in. Pegas akan nrerrrberikan gaya nornral 320 lb antara pernrukaan geseknya. Koefisien gesek 0,25. Rem akan digunakan pada servis industri rata-rata, rnenghentikan beban dari 750 rprr.
Sd?iI NN.$ Hitunglah ukuran
@Langkah1.Menglritung.iari.jarirata.ratayangdibutuhkan.DariPersamaan(22-8), R,,:
Tt
lN
3001b. in (0,
zs)(:zo ru)
:3,75
in
Langkuh 2. Menentukan rasio R,,lR, dan rnenyelesaikan ukurannya. Nilai yang dapat diterirna untuk rasio ini adalah kila-kira 1,50. Kisarannya bisa dari 1,2 sarnpai kira-kira 2,5, bergantung pada pilihan perancang. Menggunakan 1,50, R,, : 1,50R-, dan
Ru,:(R,,+ Ri)t2: (1,5& + Ri)t2:t,25Ri rrraka
Ri
: (l,lS rn)fi,25 : 3,00 rn R,, - l. s0R, : 1,50 (3,00): 4,50 in
:
Ru,
I 1,25
Lungkah 3. Menghitung luas perrnukaan gesek:
A: " (R: - Ri ):
in' "l{+,so)' -(:,oo)'z]::s,:
Longkah y'. Menghiturrg daya gesek yang diserap: T, tr /:oo)/zso) ' -'\ /\ /:3.-57 [o P,: ' 63 000 63 000
Langkult 5. Menghitung rasio keausan:
ttR
P, hn : : J :'''-1 57"'tA 35.3 in'
0.101 hp/in2
Langkult 6. Mernpertirrrbangkan kesesuaian WR. Jika WR terlalu tinggi, kentbali ke langkah 2 dan tambahlah rasio. Jika lltR terlalu rendah, kurangilah rasio. Pada contoh ini, WR dapat diterima.
,\
Kendali Gerakan: Kopling Tidak Tetap clan
Rcrtt 189
Unit yang lebih kompak dapat dirancang jika digunakan lebih dari satu pelat gesek. Kita mengalikan torsi gesekan untLrk satu pelat dengan jumlah pelat untuk menentukan torsi gesekan totalnya. Satu kelentalran pendekatan ini adalah bahrra disipasi panas relatif lebih jelek daripada pelar tunggal.
Perbaikan Unjuk Kerja Keausan Rem Dalant suatu aplikasi, keausan sebenarnya bergantung pada kornbinasi dari banyak variabel. Bahan gesek relatif lebih lunak dan lemah ketimbang bahan logam yang digunakan untuk piringan dan tronrol. Keausan seringdicirikan sebagai adhesi' Setelah perrnukaan bahan gesek rnenggosok perrlukaan logam yang kasaq terjadi defonnasi plastis pada perrnukaan bahan dan parlikel-parlikelnya terlepas, nrerusak ikatan antarpartikel atau mengeluarkan bahan pengisi dari ikatan polimer. Proses ini semakin cepat bila permukaan bertambah panas akibat r",, r,l.ny..up energi yang dibutuhkan untuk menghentikan putaran sistem. Perilaku terrnal sistenr antat penting bagi umur sistem. Jika suhu naik di atas 400"F (200"C), tingkat keausan bertambah secara signifikan dan koefisien gesek berkurang, menyebabkan unjuk kerja pengerernan menjadi lebih buruk dan disebut layu. Sulit untuk urenrperkirakan untur suatu sistem rem secara analitis. Untuk rancangan yang baru, disarankan untuk rnelakukan perrgLrjian pada kondisi operasiyang sebenarrrya. Daftar berikut ini nrernberikan prinsip-prinsip urnurn untuk rnernperbaiki unjuk kerja keausan.
' ' ' ' ' . ' . '
Pilihlah bahan gesek yang merrpunyai adhesi relatif rendah dalam kontak dengan bahan piringan atau tromol. Pilihlah bahan gesek yang rnempunyai kekuatan ikatan yang tinggi antara parlikel-partikel pembentuknya. Buatlah kekerasan yang tinggi pada perrnukaan piringan atau trornol melalui proses perlakuan panas. Jagalah tekanan antara bahan gesek dan bahan piringan atau trornol serendah mungkin. Jagalah suhu penrukaan bahan gesek yang bersinggungan dengan balran piringan atau tromol serendah ntungkirr, dengan cara meningkatkan perpindahan panas dari sistem melalui konduksi, konveksi, dan radiasi. Hernbusan udara atau pendinginan dengan air sering diterapkan pada situasi yang kritis. Buatlah permukaan piringan atau tromol halus. Berikan pelurnas, sernisal minyak atau grafit, pada bagian yang bergesekan. Cegahlah kotoran abrasifdari bagian yang bergesekan. Minimalkan selip antara elemen-eleuren kopling atau rern dengan cara rleningkatkan cengkerarnan elenren yang bersinggungan.
22.12REM CAKRAM Pelat penahan rem cakratn digerakkan sampai bersinggungan dengan cakrarn yang berputar oleh tekanan fluida pacla piston dalam kaliper. Pelat penahan dapat berbentuk melingkar atau melengkung pendek untuk trenutup perrnukaan cakram Ilihat Garnbar 22.2(b) dan Gambar 22.7). Bagaimanapun, satu keunggulan dari rem cakraur adalah bahwa cakrarrr
terpapar dalarn udara terbuka, sehingga nreningkatkan disipasi panas. Karena cakrarr berputar dengan rnesin lang dikendalikan, maka disipasi panas meningkat. Efek pendinginan meningkatkan ketahanan jenis rern ini relatif terhadap rem jen is sepatu.
Perancangan torsi gesek dan tingkat keausannya mirip dengan rern jenis pelat yang telah dijelaskan sebeluntnya.
22.13KOPLING ATAU REM KERUCUT Sudut kemiringan permukaan yang tirus pada kopling atau rem kerucut biasanya
l2'.
Sudut yang lebih kecil digunakan
dengan hati-hati, tetapi ada kecenderungan perrnukaan gesek berhubungan secara tiba-tiba dengan sentakan. Jika sudutnya
ditarnbah, besarnya gaya aksial yang dibutuhkan untuk r-nenghasilkan suatu torsi gesekan bertambah. Jadi, 12, adalah kompromi yang dapat diterima. pada Gambar 22.l6,kita lihat bahwa ketika gaya aksial { diterapkan dengan sebualr lmh F q lG Nl pegasMengacu secaramanual atau dengan tekanan fluida, timbul gaya normal Nantara pernrukaan gesek. ,ffiLJtvr\' seluruh keliling kerucut. Gaya gesek yang diinginkan, ''-l {, dihasilkan dalam arah tangensial, di rnana F,:JN Ini diasumsikan bahwa gaya
gesek beraksi padajari-jari rata-rata kerucut sehingga torsi gesekannya adalah
Tr: F,R,,,:.lNR,,
(
ll.-S
r
190
Elemen-Elenten Alesin dalom Perancangon Mckuni,s
Di samping gaya gesek dalarn arah tangensial, gaya gesek tinrbul sepanjang perntukaan kerucut dan nrelarvan kecenderungan bagian pennukaan dalam kerucut untuk bergerak secara aksial nren-iauhi kerucut luar. Kita akan rrenyebut gaya gesek ini F, dan rrrenghitungnya juga dari
Fi
:lN OAMBAR 22,16
Kopling atau rem kerucut
I
-+I
Seplain
memungkinkan pergeseran aksial
ujung
i r
\-
nnggota bagian dalam kopling atau renr kerucul
<-
Anggota bagian luar (terpisah)
Untuk kondisi keseimbangan kerucut luar, julttlah gaya-gaya Irorizontal harus sanra derrgan nol. Maka
F,:
N
sinrrtF,
cos
:
Nsinrr *./N cosn
:
N (sin rr
*
/'cosor)
atau F,,
(22-t2)
sitto*./'cosrr Srrbstitusi ke dalam Persarnaan (22-8) akan rnenrberikan
Iorsi Gesek Podo Kopling olou Rem Kerucul
EIOntTIi
Tt
:
.{R,,F,,
(22-t3)
sinrr*./'cosrr;
Hitunglah gaya aksialyang dibutuhkan untuk sebuah rem kerucut agar rraurpu rnenghasilkarr ffiI ZZ.7 torsi pengererrran 50 lb'ft. Jari-.iari rata-rata dari kerucut adalah 5.0 irr.Crrnakanl:0.25. Cobalah sudut kerucut l0o, 12", dan l5o.
@Kitadapatmemecahkal]PerSatrraan(22_|3) f, (sinrr r./ coso) F,,
tr,
untuk gaya aksial tr,
1SO
.tR,,, :
480(sino+0,25coso) lb
lb'fi )(sin o (0.
zs)(s. o
*
0, 25 cos o )
'12)
ir
Kanclali Gertrkan; Kopting Tictak Tetap dan
Rem l9l
Kemudian nilai-nilai F, sebagai fungsi dari sudtrt kerucut adalah sebagai berikut: Untuk c
:
l0o
F,,:202|b Untuk o
:
l2o
F,,:21'7lb
u: l5' F :240|b Untuk
22.14REM TROMOT Rem Tromol Sepatu Pendek Gambar 22. l7 menunjukkan sket reur trornol di mana gaya penggerak I'lz beraksi pada tuas yang bersunrbu putar pada pena A.Hal ini nrenimbLrlkan gaya nonttal antara sepattr dan tromol. Caya gesek yang dihasilkan diasunrsikan beraksi tangensial terhadap tromoljika sepatunya pendek. Caya gesek kalijari-jari tromoI menghasilkan torsi gesekan yang melllperlarlbat putaran trotllol. Tujuan analisis adalah untuk nrenentukan hubungan antara beban yarrg diterapkarr dengan gaya gesek dan tllatrlpn rnengevaluasi ef'ek dari keputusan perancangan senrisal ukuratt trontol, ukuran tttas. dan penenlpatall engsel,'1.
l?fri\ - . t t- ^ , UnPtr)lUl\ ffi
OAMBAR
22.I7
Rem tromol sepatu pendek Sepatu dengan pelat penahan gesekan Tromol
Diagram benda bebas: tromol
Rt,tt (a) Rancangan tuas
(1 A
1
192
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
Diagram benda bebas pada Cambar 22.17(a) mendukung analisis ini. Untuk tuasnya, kita dapat menjumlahkan momen terhadap titik
l: DM,,
Tetapi ingat bahwa
F,: /N atau
LV
Na
*
(22-t4)
F,b
N = F,l .f. Maka 0
Penyelesaian untuk
:0:WL-
:II/L -
:
Fra I .f + Ffb
I4/L
-
Fl
(u
t
f-
O)
memberikan
F,(ul l'-b)
(22-ts)
L Penyelesaian
{
mernberikan It/L
Ft :
Goyo Gesek podo Rem
(u
Tromol
(22-t6)
I l'-lt)
Kita dapat menggunakan persalnaan-persalnaan ini untuk torsi gesekan
q
(22-t7)
Tt-- FtD,l2
Torsi Gesekqn
-N
dengan
D,,:
diameter tromol
perhatikan kemungkinan letak sumbu putar pada bagian (b) dan (c) dari Garnbar 22.17. Pada (b), ukuran b
:
0.
torsi Hitunglah gaya penggerak yang dibutuhkan untuk rem tronrol sepatu pendek dari Gambar 22.17 untuk menghasilkan
0AI{BAR 22,18 Hasil: hubungan gaya Penggerak beban dan jarak b
100
(xl 8u
70
o
loo Eso o o
P40 0) o o30 6
ouo t0 0
*10
"20
Jarak. b. in
Kendali Gerakan: Kopting Tidak Tetap dan
E[I'tmi- ffiEiI ?3.8
Rem 193
:
gesetan 50 lb.ft. Gunakan dianreter trornol I0,0 in, a = 3,0 in, dan L 15,0 in. Pertimbangkan nilai./= 0,25, .f:5,0, dan.l'= 0.75 dan titik-titik lokasisumbu putarl yang berbeda sehingga kisaran 6 dari 0 sampai 6,0 in. Gaya gesek yang diperlukan dapat diperoleh dari Persamaan (22-17):
Fr :2Tr
tD,t:
(z)(So
lb. ft)/(10/12
ft):
l20lb
Pada Persamaan (22-15), kita dapat nrensubstitusikan a, L, dan F,
F, (ar | _ b) l2o lbl(3,0 in)r fi, _ _J_!__!_!: l5J)
1-rtl :g(3t /_h)
lb
,-.r__-__1__r
Kita dapat mensubstitusikan beberapa nilai /dan 6 ke dalarn persanlaan terakhir ini guna rnenghitung data untuk kurva dari Gaurbar 22.18. yang menunjukkan hubungan gaya penggerak dan jarak b untuk n i lai yang berbeda-beda dari./ Perhatikan bahwa untuk beberapa kombinasi, nilai ll adalah negatif-. lni berarti bahwa renr bergerak sendiri (sef'-ac:tuuting) dan diperlukan sebuah gaya ke atas pada tuas untuk Inelepas rem.
Rem Tromol Sepatu Panjang
[FEtnrctt^^, IUUP tr ) l\J l\ ffi
Asumsi yangdigunakanuntukrelnsepatupendek,bahwaresultangayagesekberaksi padatengahtengah sepatu, tidak dapat digunakan pada kasus sepatu yang sudut kontaknya lebih dari 45o. Dalarn beberapa kasus, tekanan antara bidang gesekan dan tronrol sangat tidak nlerata, demikian pula lnomen dari gaya gesek dan gaya norma[ terhadap surnbu putar sepatu. Persamaan-persamaan berikut menentukan unjuk ker.ja rem sepatu panlang, rnenggunakan tenninologi dari Garnbar 22. I 9. (Lihat Referensi 4.) OAMBAR 22,19
Terminologi untuk rem tromol sepatu panjang
Pelat penahan rem (lebar = w)
Titik tekan maksimum
0
=
9tto
!
Sumbu pu:ar
l9-t l.
Elenen-Elcnten ll.{esin dalant Peroncongan Mckoni.s Torsi gesekun pado
lronutl:
T, :,'2.|ir]r,,,.,, (cosll, - cosl/,
2.
Gu1,u
)
(22-t8)
ps12**.rt*t
rr:@t di mana
M,:
M
Tanda
L
(22-te)
rnornen akibat gaya nornral terhadap pena sunrbu putar
:0,25
N
tMt)t
p,,,.,*
u'rc[2 (0, -
e,)- sirr2lr*
sin 2(i,
(22-20)
]
M,
=
momen akibat gaya gesek terhadap pena surnbu putar
M1
:
.fp,,.t*wr[r (cos//,
M,
negatif (-) jika pennukaan tronrol bergerak rnenjauh dari sunrbu putar dan positif (+).iika bergerak
-
cos0,
)+
O,
ZSC (.o
s2t),
-
2t)r)]
(22-2t)
rnendekati surrrbu putar.
3.
Duya gesek:
P,: di mana n : kecepatan putar dalaut
.1.
rpn.t
Luus sepatu rem (lngal: Yang digunakan adalah luas proyeksi) A
5.
(2212)
T,r/63 000 hp
: L,vr,: 2rlr- sin llo, -
0,1 t z1
(22-23\
Rasio keausorr:
WR: P,IA
(22-24)
Penggunaan hubungan ini dalam perancangan dan analisis renl sepatu panjang ditunjukkan pada Contoh Soal 22.9
guna rnenghentikan tronrol dari 120 rpnt.
E$CI1trEAIAG9
Langkolt 1. Merrilih bahan gesek, dan tentukan tekanan maksimunr yang diinginkarr serta nilai rancangan untuk koefisien gesek. Tabel 22.2 nrencantumkan daftar beberapa sifat umum untuk bahan gesek. Bila memungkinkan, digunakan nilai pengujian yang sebenarnya atau data yang spesifik dari pabrikan. Nilai rancarrgan untuk p,,,,,0, sebaiknya jaulr lebih kecil ketimbang tekanan yang diizinkan pada Tabel 22.2 agar lebih awet/tidak cepat aus. Untuk soal ini, kita pilih polinrer cetak dan dirancang untuk tekanan rnaksirnunt mendekati 75 psi. Ingat, sepefti yang ditunjukkan pada Gambar 22.19, bahwa tekanan rnaksimunr terjadi pada bagian 90o dari suntbu putar tuas. Jika sepatu tidak rnengernbang pada sekurang-kurangnya 90o, pelsanraan yang digunakan di sini tidak berlaku. (Lihat Referensi 4.) Kita juga rnenggunakan ./ = 0,25 untuk perancangan.
Langkuh 2. Mengusulkan nilai percobaan untuk geonretri tronrol dan bantalan renr. Beberapa keputusan perancangan harus dibuat di sini. Susunan urnunr yang ditunjukkan pada Ganrbar 22.19 dapat digunakan sebagai pedornan. Tetapi aplikasi spesifik Anda dan kreativitas dapat rnenuntun Anda untuk trert.todifikasi susunan tersebut. Nilai percobaan r:4,0 in; (= 8,0 in; l. = l5 in;0, =30';dan0,: l-50'.
Kenclali Gerctkcttt: Kopling Ticlak Tctctp dun
Langkrrlt
-1.
Renr 195
Menentukan lebar sepattl yang dibuttrhkan dari Persarraan (22-18): Tl (cos
r'2.1j.r,,,.,*
0,
cos 0,
)
Untuk soal ini, 750
(+,0 in)'(o,zs)(zs
lb/
lb.
irr
in2
:1,.14 in
|cos30"-cosl50')
1,50 in. Karena tekanan tnaksirltutlt berbanding terbalik dengan lebar sepatu, uraka tekanatl trlaksitnutl't sebellarnya akan nlenjadi
Untuk rnudahnya kita tentukan
u':
p,,,,,*
:
75 Psi (1,44l1,-50)
:
72 Psi
Lungkalt.4. Menghiturlg M" dari Persarilaan (22-20). Nilai 0,
dengan n radian :
-
0, harus dalanl radian'
180o. Maka 02
-
:
0t
120" Qr rad /
I
80')
:
2,09
racl
Momen akibat gaya nornlal pada sepattl adalah M
N:0.25,;2lDti12)t'so ln)(+'tl lz(z,oo)_sin (:oo')+
MN
:5 l08lb'
in)(s,o in)
sin (oo")]
in
Luttgkulr 5. Menghitung lllotnen akibat gaya gesek pada sepatu, M,. dari Persatlraau
(22-2t): M
t
:
t
so
b )(+,0 )t, 82 lr)(co.3o" - cos I 50") [(+,0 o,25
ln2
in
+0, 25 (8,0 in )(cos300" lvl
-
in
)
cos60")]
,-- 748lb'in
Lunghrtlr 6. Menghitung gaya penggerak yang dibutuhkan,
l/,
dari Persarnaan (22-
le): I1'
:
@N-
u
r)tt :
(5108
-748)t(ts):
2e1
15
ptrtar' lngat tanda tttinus karetra pertrukaatr tromol bergerak menjauh dari surnbtt
Langkuh 7. Menghitung daya gesek dari Persatnaan (22-22): Pr
-
r r tt t (63 000): (zso)(tzo)i
(o: ooo): 1,43 hp
196
Elemen-Elenten Mesin dalam Perancangan Mekanis
Lungkah 8. Menghitung luas proyeksi sepatu lenr dari Persanraan (22-23). A
: A
L.,tv
:
zu,r sinl(02 - o,)t z)
:2(r,s0
in )(+,
tl
in
)sin (lzo" / 2)
:
10,4 in2
Langkuh 9. Menghitung rasio keausan, lIlR:
WR:
Pr I
A:1,43 hP/10,4
in2
:0,14 hP/
in2
Lartgkult 10. Mengevaluasi kesesuaian hasil. Pada soal ini, kita uerrerlukan infbrmasi yang lebih banyak mengenai aplikasi untuk dapat nrengevaluasi hasilnya. Bagaimanaplttr, rasio keausan tampaknya dapat dipertanggungfawabkan untuk pelayanan rata-rata (lihat Subbab 22.11), dan geornetrinya kelihatannya dapat diterima.
22.15REM PITA
lffiiir r?.?rr IUUU E ) !LJ l\ /%
Cambar22.20menunjukkankonfigurasi sebuah rempita. Pitafleksibel,biasanyaterbuatdari baja, 611u0;ri bahan gesek yang dapat menyesuaikan terhadap kelengkungan trornol. Penerapan gaya pada
tuas menyebabkan tegangan pada pita dan gaya bahan gesek rnenekan tromol, sehingga tercipta gaya normal yang menyebabkan gaya gesek tangensial terhadap pertnukaan tronrol, yang ntenghalrrbat trotrol. Gayategangpadapitaberkurangdari nilai P, padasisi surnbuputarpitanreniadi P,padasisi tuas.Makatorsi pada
tromol adalah
r, :(P,-Pr),'
(22-2s)
OAIYIBAR Bahan gesek
22,20
Perancangan rem pita
Titik tekanan maksimum, p;k.
P,, Gaya tarik pita maksimum
(b) Rem pita diferensial
(a) Rem pita sederhana
Diagram benda bebas
Kendali Gerakctn: Kopling Tidak Tetop dan
Ren
197
Hubungan antara Pt dan P, dapat ditunjukkan (lihat Referensi 4) menjadi firngsi logaritnrik P,
-
P,
i et
(t
(22-26)
di mana 0 : sudut kontak pita pada tromol, dalarn satuan radian
Titik tekanan maksimum pada bahan gesek terjadi pada u.lung terdekat dengan gaya tarik yang paling
besar, P,, cli
ntana y'f
: 7r,,,.,./'lr'
(22-27)
dan u, adalah lebar pita.
Untuk dua jenis rem pita yang ditunjukkan pada Ganrbar 22.20. diagram benda-bebas tuas dapat digurrakan untuk nrenunjukkan hubungan gaya penggerak, W, sebagai fungsi dari gaya tarik pada pita. Untuk rem pita sederhana dari Gambar 22.20(a),
ll:PzulL
(22-28)
Modelyang ditunjukkan pada Gambar 22.20(b) disebut rem pita tlifbrensiul, di nrana gaya penggerak adalah ry
:(era -
p,o)t
L
122-zs)
Prosedur perancangannya disajikan dalam Contoh Soal 22. I 0.
EOf'tTh- SIil ZZ.IO
Rancanglah sebuah rem
pita untuk menglrasilkan torsi pengerenan 720 lb.in
guna
memperlambat tromol dari 120 rprrr.
@Lungkah1'Memilihbahandannrenentukannilairancanganuntuktekanantnaksirrrttttt. Bahan gesek tenunan diinginkan untuk nrenyesuaikan dengan bentuk trornol silindris. Kita gunakan puu,k,-- 25 psi dan nilai rarrcangan.f :0,25. Lihat Subbab 22.10.
Lortgkah 2. Menentukan geonretri coba-coba: r,0,w. Untuk soal ini, kita coba dan u,:2,0 in. Ingat bahwa 225" :3,93 radian.
r:6.1)
in,0:225",
Langkulr 3. Menghitung gaya tarik pada pita, P,, dari Persarnaan (22-27):
4
:
p,,,^^t.v,
:
Qs
rc t in,
)(0,
o in )(2, o in
):
:oo
ttr
Langkah.r'. Menghitung gaya tarik P, dari Persamaan (22-26):
: -, 4, _t7
_ :
3ootb
l,rr5),rrx
Langkah 5. Menghitung torsi gesekan,
rr :
(p,
I 12 lb
f:
- pr)r: (:oo- I l2)(6,0): I
128
tb.in
Catatan: Ulangi langkah 2-5 sampai Anda rnencapai geometri dan torsi van_g rrenrenuhi. Marilah kita coba rancangan yang lebih kecil, katakanlah, r: 5,0 in.:
198
Elemen-Elenren Mesin dalam Perancangan Mekanis
4
:
(zs)(s,o)(z,o): 256 11,
'':#h:e3'7rb T
/
:
(2so
-
:182lb.in
e3,7X5,0)
(baik)
Langkah 6. Menentukan geornetri tuas dan menghitung gaya penggerak yang dibutuhkan. Kita gunakan a
:
5'0
^
o)"
:t o
rt,,t
.
;: -, ;,, (s,o^ s,o ) :
3 t,
Langkah 7. Menghitung rasio keausan rata-rata dari lltR A
:
2tr
rw (0 t360)
:
z (zr )(s, o in )(2,
Pr
:Trnt63 000: (782X120)t($
wR
:
Pr t
t:
(r,so np)z
(:0,:
in2
):
:
2 tb P,/A:
o tn)(zzs t xo): 000):1,50 o,
3e, 3 in2
hp
s33 1,r7irz
Hasil ini tentunya agak kaku untuk pelayanan rata-rata.
22.16rENlS-rENlS LAIN DARI KOPLING TIDAK TETAP DAN REM Bab ini telah dernikian jauh menrusatkan pembahasarr pada kopling dan rern yang menggunakan bahan gesek trntuk memindahkarr torsi antaia bagian-bagian yang berputar, tetapi masih banyak tersedia jenis-jenis yang lain. Perrjelasan singkat diberikan di bawah ini, tetapi informasi perancangan yarrg spesifik tidak diberikan. Kebanyakan bersifat khususi unik, bergantung pada pabrikan dan data aplikasi yang tersedia pada katalog.
Kopling Cakar Gigi-gigi sepasang kopling cakar dibuat saling beftautan dengan menggeser ke arah aksial satu atau kedua bagian kopling. Srpuyu auput saling bertautan, bentuk sisi gigi dibuat lurus, segitiga, atau melengkung. Ketika gigi-giginya beftaut, ntaka ter.jadi pemindahan positif torsi. Kopling cakar biasanya dihubungkan ketika sistenr dalam keadaan dianr atau berputar sangat lambat.
Raset Meskipun secara tegas bukan kopling, raset (rotchet) dan pal (pawl) rreurungkinkan digunakan trntuk mengltubungkan atau mernutuskan bagian-bagian yang bergerak, dan karenanya dapat digunakan pada aplikasi sejenis. Biasanya raset setiap siklus hanya berputar sedikit (tidak sampai setengah putaran).
Kcntlali Gcrakan: Kopling Tidak Telap tlan Rem 199
Kopling-Kopling Galang, Rol, dan Nok Ada perbedaan dalam geometri spesifik dari kopling-kopling galangan (sprag),rol (roller), dan nok (can),letapi serluanya melakukan fungsi yang serupa. Ketika poros input berputar dalarn arah penggeraknya, eler.nen internal (galangan, rol. atau nok) terhirnpit di antara bagian perrggerak dan bagiarr yang digerakkan sehingga memindahkan torsi. Tetapi ketika input berputar dalam arah berlawanan, elenren internal akan lepas dari hirnpitan, selringga tidak rremindahkan torsi. Jadi, kopling-kopling ini dapat digunakan untuk aplikasi sejerris raset. tetapi dengan operasi yangjauh lebih halus dan dengan langkah gerakan yang tidak teftentu. Aplikasi lainnya adalah berhenti rnundur (backstopping), di mana kopling berputar bebas bila uresin digerakkan dalanr arah yang diharapkan. Tetapijika penggerak dilepas dan beban mulai berbalik arah. kopling mengunci dan mencegah gerakan. Jenis kopling ini-iuga digunakan untuk friwil (overrunning): penggerak positif sepanjang beban berputar tidak lebih cepat daripada penggeraknya. Jika beban cenderung berputar lebih cepat daripada penggeraknya, elemen-elemen kopling rnerrutuskannya. FIal ini melindungi peralatan yang ntungkin nrembahayakan karena kecepatan yang berlebilr. Lihat Situs lnternet 6.
Kopling Serat Kopling serat (t'iber clutch) beroperasi mirip dengan kopling frirvil yang dijelaskan sebelumnya. Torsi tidak dipindahkan nrelalui elemen pejal, tetapi dipindahkan melalui serat kaku yang rnerxpunl,ai orientasi khusus. Bila berputar dalam arah berlawanan dengan arah putaran yang diinginkan, serat akan kendor dan tidak nrentindahkan torsi.
Kopling Terbungkus Pegas Perrggunaannya juga rnirip dengan kopling friwil, kopling terbungkus ltegas (tlrap-spring clutclt) terbuat dari kawat segiempat dan biasanya mernpunyai diameter dalarrr sedikit lebih besar daripada diarneter poros tenrpat kopling itu dipasang. Jadi, tidak ada torsi yang dipindahkan. Tetapi bila satu ujung pegas dikekang, pegas nrencekam pertnukaan poros, dan torsi dipindahkan melalui pegas. Lihat Situs Internet 4.
Kopling Putaran Tunggal Sering diinginkan mempunyai siklus mesin satu putaran penuh dan kenrudian berhenti. Kctpling putoran tunggctl (singlerevolution clutch) melnberikan fitur ini. Setelah tersentuh, kopling ini akan nrerrggerakkan poros output santpai berhenti pada akhir satu putaran. Beberapajenis dapat dihubungkan untuk lebih dari satu putaran, tetapi akan kembali ke posisi yang tetap, sebagai contoh pada puncak langkah sebuah uresin pres. Lihat Situs Internet 6.
Kopling Fluida Koplingfluida terbuat dari dua bagian terpisah tanpa hubungan mekanik di antara rrereka. Fluida mengisi ruangan antara bagian-bagian itu, dan salalt satu bagian berputar cenderung mendorong fluida, merryebabkan torsi dipindahkan ke elettten pasangan. Hasil gerakannya halus karena bebannya rnenyebabkan satu bagian bergerak relatifterhadap yang lain. Dalarrr situasi ini mirip dengan kopling selip yang dijelaskan sebelutnnya.
Penggerak Pusaran Arus Bila piringan konduksi bergerak melalui rrredan magnet, ;tusoran rrrrrs terinduksi dalam piringan, menyebabkan tirnbulnl a gaya pada piringan dengan arah berlatvanan dengan arah putarannya. Caya itu dapat digunakan untuk rnenserent piringan atau untuk memindahkan torsi ke bagian pasanganr)ya, sernisal kopling tidak tetap. Kelebihan-ienis irri adalalr tidak ada hubungan rrrekanis di antara elernen-elernennya. Torsi dapat dikendalikan dengan mengubalr-ubah arus ke elektromagnet.
200
Elenen-Elenten Mesin dalam Perancangan l4ekanis
Kopling Beban Lebih Penggerak positif yang torsinya adapat diatur pada suatu nilai tertentu. Pada torsi yang lebih tinggi, secara otomatis beberapa elemen akan terlepas. Jenis ini menggunakan bola-bola yang diletakkan dalam penalran darr memegangnya dengan gaya pegas. Bila batas torsi tercapai, bola terdorong ke luar penalran dan nrelepaskan penggerak. Lihat Situs I nternet 6.
Penegang (Iensioner) Pembuatan produk kontinu seperli kawat, lembaran kertas, atau lernbaran plastik memerlukan sistem penggerak yang dikendalikan secara hati-hati untuk menjaga tegangan yang ringan tanpa rrerusak produk. Pengendalian sejenis harus diberikan ketika nremutar gulungan keftas, kerlas perak (foil). atau lernbaran logam yang dibuat, atau ketika merrrbukanya untuk diumpankan pada proses selanjutnya, sernisal pencetakan Qtrinling) atau pembentukan (brnting) dengan mesin pres. Penggerak untuk kran dan katrol harus dapat dikendalikan pengerelnarlnya ketika beban diturunkan. Karena beberapa kasus, dibutuhkan rem untuk memberikan pengerenlan yang memungkinkan gerakan halus. Banyak rancangan rent yang ditinjau kernbali dalarn bab ini dapat rnelakukan furrgsi tersebut dengan rnenerapkan gaya di antara elernenelenren geseknya. Sebuah contoh rem yang digerakkan dengan udara diturr-jukkan pada Gambar 22.6.Torsi pengerelnan bergantung pada tekanan udara yang diberikan dan dapat dikendalikan oleh operator atau secara otomatis. Lihat Situs Internet 5.
REFERENSI l.
')
4.
Avallone, Eugene A., and Theodore Baumeister III, eds. Marks' Stqndard Handbook ./br lvlechanical Engineers. lOth ed. New York: McCraw-Hill , 1996.
Juvinall, Robert C., and Kurt M. Marshek. F-unclamenlals of Machine Componenl Design. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2000.
5.
6.
Society of Automotive Engineers. Standard J286 Clulch Frictiott Test klachine Guidelines. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers, 1996. Society of Autorrrotive Engineers. Standard J66 I
Brakc Lining Quolilv Control Test Procedure. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers,
Ofthrvein, William C. Clutches and Brakes: De.sign
1991.
and Selection. New York: Marcel Dekker, 1986.
of Automotive Engineers. Stondard JB66 Friclion Coefficient ldenlification System ./br Brake Linings. Warrendale, PA: Society of Automotive
Shigfey,
J. 8,., and C. R.
Engineering Design.
6'h ed.
Society
Mischke. Mechanical
New York: McGraw-Hill,
E,ngineers, 2002.
2001.
SIIUS INIERNEr AN\AK PERANCANEAN ilIEKANIS SECARA Afi[UflI l.
halanran berurnput dan kebun, dan kendaraan. Melingkupi beragarn kopling tidak tetap dan renr
Rockfo rd Pot'ertra i n, I n c . wt tr. ro c kfo rdp ov, e r I r a i n. Pabrikan kopling dan komponen-komponen penerus daya lainnya untuk otomotif, truk, dan pasar peralatan kendaraan luar jalan raya.
cont
2.
Eaton/Cutler [Iam mer
3.
Pabrikan rem sepatu nrekanik untuk aplikasi industri dan komersial semisal konveyor, mesin perkakas, pres cetak. kran, dan kereta karnaval. Juga nrenyediakan kendali untuk sistem elektrik. BWD Automotive www.bw'dautomotive.cont
www. c h. cu
t I er-
ho nt
nt
er. co
Pabrikan seperangkat kopling otomotif
m
dan
komponen-komponen lainnya di bawah merek Borg Warner. -1.
Warner Electric, lnc.
jenis cakram, terbungkus pegas, dan partikel rlragnet untuk mengawali, memberhentikan, menangani dan
wrvrN.warnernet.cont
Pabrikan kopling dan rern untuk aplikasi industri,
5.
rurengendalikan tarikan. lnforrnasi katalog dapat diunduh dari bagian Literature. Eaton/Airflex www.airflex.conl Pabrikan kopling dan reul industri dengan nrenggunakan prinsip pembesaran pipa yang diaktuasikan oleh tekanan
pneumatik atau hidrolik. Aplikasinya r.nencakup motor bakar, mesin pembuat kertas, mesin pres. rem, pemotong pelat, transn.risi kapal laut, mesin dril dan peralatan penegang, penggulung dan pernbuka
gulungan. Katalog online memasukkan deskripsi dan data produk, inforrnasi aplikasi produk, dan intbnnasi teknis.
Kendali Geraken; Kopling Tidak Tetap clan
6. Hilliard Corporation
www.hilliardcorp.cot.n
Tol-O-Matic,lnc.
1
Pabrikan beragam jenis kopling dan rem untuk
kopling putaran tunggal, kopling friwil, kopling kopling bebas beban penuh berpenahan bola, kopling selip penrbatas torsi, translnisi antara, rern cakrarl. dan lain-lain.
,|
3.
4.
5. 6.
1
Tentukan torsi yang dibutuhkan untuk koling yang terpasang pada poros motor yang berputar 1750 rpm. Daya motor 5,0 hp dan tipe rancangan B. Tentukan torsi yang dibutuhkan untuk kopling yang terpasang pada poros sebuah mesin diesel yang berputar 2500 rpm. Daya rnesin 75,0 hp. Tentukan torsi yang dibutuhan untuk kopling yang terpasang pada poros rnotor listrik yang berputar ll50 rpm. Daya rnotor 0,50 hp dan menggerakkan kipas ringan.
Dipertimbangkan sebuah rancangan alternatif untuk sistem yang dijelaskan pada Soal l. Sebagai
pengganti, kopling tidak dipasang pada poros ntotor, tetapi diinginkan kopling dipasang pada poros ourput dari penurun kecepatan yang berputar pada kecepatan 180 rpm. Dayayang dipindahkan rnasih rnendekati 5,0 hp. Tentukan torsi yang dibutuhkan untuk kopling. Tentukan torsi yang dibutuhkan rem untuktiap kondisi pada Soal l-4 untuk kondisi industri rata-rata. Tentukan torsi yang dibutuhkan untuk kopling dalanr N'm jika terpasang pada poros motor listrik tipe rancangan B yang berdaya 20,0 kW dan berputar 3450 rpm.
Sebuah modul kornbinasi kopling dan
rem
dihubungkan di antara motor listrik tipe rancangan C dan penurun kecepatan. Daya motor 50,0 kW dan berputar 900 rpm. Tentukan torsi yang dibutuhkan untuk porsi kopling dan rem untuk pelayanan industri rata-rata. Penggerak ini digunakan untuk konveyor
8.
aplikasi industri, kolnersial, dan pesawat terbang.
Hitunglah torsi yang dibutuhkan reln pada porrrs
12.
derek untuk rnenghentikan dalam waktu 0,25 detik. Gambar P22.12 menunjukkan tong putar digerakkan
rnelalui unit penurun kecepatan jenis roda gir:i cacing. Evaluasi torsi yang dibutuhkan kopling untuk rnernutar bejana dari diam rnenjadi 3g,0 rpnt adalah
dalarn waktu 2,0 detik (a) .iika kopling dipasanr
pada poros ntotor, dan (b)
jika dipasang pada outpur
penurun kecepatan. Kelentbantan poros roda gili. cincin bantalan, dan kopling diabaikan. perhitunskan ulir cacing dan roda cacingnya adalah silinder pe-jal Roda gigi
-*l , t,
Diameter 3,00 Diameter 2.00 Poros: diameter Panjang 1 6,0
'1,25
I
Diameter 4,00
*J l*, Diameter I
It2.oo
I I
GAMBAR
P22.9 (Soat9, '14, dan 16) Kopling tidak tetap
Hitunglah torsi yang dibutuhkan untuk menggerakkan
Roda gigi A, diameter 4.00 in Tong silindris berongga
mempunyai diameter 24,0 in dan tebal 2,5 in.
Konstruksi yang ditunjukkan pada Ganbar p22.9 dihentikan dengan rem dari 775 rpm menjadi nol
(berhenti) dalam waktu 0,50 detik atau kurang. Hitunglah torsi rem yang dibutuhkan. 10.
ll.
Hitunglah torsi kopling yang dibutuhkan untuk menggerakkan sistem yang ditunjukkan pada Cambar P22.10 dari keadaan diam sampai kecepatan motor 1750 rpm dalam waktu 1,50 detik. Kelembaman kopling diabaikan.
Sebuah derek seperti sket pada Gambar p22.ll menurunkan beban dengan kecepatan 50 ftlurenit.
i-
Hanya cincin dalam yang berputar, diarnete, 2.00
Semua elemen dari baja pejal Semua ukuran dalam inci
piringan baja pejal dari keadaan diam menjadi berputar 550 rpm dalam waktu 2,0 detik. piringan 9.
pneurrrar,^
dan hidrolik dan produk-produk kendali oronrasi dr:: gerakan. Electroid Company wwtu.eleclroicl.com pabrikan beragam jenis kopling, rem, dan pengencang untuk
besar. 8.
wtvtv.lolomatic.cctnt pabrikr::
rern cakram yang dioperasikan secara
aplikasi peralatan industri dan kornersial. Mencakup kopling-kopling tidak tetap jenis kopling sentrifugal,
Rcnt 201
Naf (2): diameter 5,0 in lebar 1,50 in
Diameter 18,00
n
Poros: panjang 54,0 in diameter 2.50 in Roda gigi B
Diameter 15.00 in -1.0_*{ Bantalan diabaikan Semua elemen dari baja
GAMBAR P22.10
t--
12 0
in.+
201,
Elemen-Elenten lt'lesin dalam Perancangqn Mekanis 16.
Drameter 6,00 in (dalam)
dan gaya aksial yang dibutuhkan. 17. Hitunglah gaya penggerak yang dibutuhkan untuk rerx tronrol sepatu pendek dari Gambat 22.17 untuk rrenghasilkan torsi gesekan 150 lb'in. Gunakan diameter trontol 12,0 in, q : 4,0 in, dan L -- 24,0 ir"t'
Poros: panjang 24,0 in Diameter 1,50 in
*,* f,0,,, (a) Pandangan ujung
Rancanglah rem kerucut untuk aplikasi yang dijelaskan pada Soal 9. Tentukan koefisien gesek rancangan, diarneter rata-rata pernlukaan kerucut,
18. (b) Pandangan samprng
Gunakan./: 0,25 dan b : 5,0 in. Untuk senrua data yang lain dari Soal 17 tentukan ukuran send
19.
GAMBAR P22.11
13.
pengereman
75 lb'in.
Tekanan udara
rnenghasilkan gaya norrnal 150 lb antara permukaan
gesek. Gunakan koefisien gesek 0,25' Rem akan digunakan untuk industri rata-rata, menghentikan beban dari 1 150 rPm. 14. Rancanglah rem tipe-pelat untuk aplikasi yang dijelaskan pada Soal 9. Tentukan koefisien gesek rancangan, ukuran pelat' dan gaya aksial yang
Kopling tidak tetap
a
11,
b
n,,,
fr.
Rancanglah sebuah renr tromol sepatu pendek untuk menghasilkan torsi pengerelrlan 100 lb'ft. Tentukan
sumbu putar, dan gaya Penggerak.
21. Rancanglah rern pita untuk meninrbulkan torsi pengerelran 75 lb'ft guna melnperlambat trontol dari 350 rprn sampai berhenti. Tentukan bahan' diameter
trotnol, lebar pita, sudut kontak baharr
dan
:Z.U
Cacing: panjarrg 8,00 in Diameter 3,50 in
rrt
r8.oin-**J -l Kopling tidak tetap
I 150 rpm
i,,J"",,f I
I Il---'a- ---,J_ -+--{---+-* Diameter 24 in
j--l----l--*--r
Roda cacing: diarneter 16.0 in Lebar 2.50 in
GAMBAR P22.12
gesek,
konfigurasi tuas penggerak, dan gaya penggerak.
l5 lb'ft. Pernlukaan
in
I/'-
gaya penggerak.
dibutuhkan.
kerucut mempunyai diameter rata-rata 6,0 sudut l2o. Cunakan./= 0,25.
e
20. Rancanglah sebtrah rem trornol sepatu panjang untuk mengltasilkan torsi gesekan 100 lb'ft guna rnenghentikan beban dari 480 rpm' Tentukan bahan geseknya, ukuran tromol, konfigurasi sepatu, lokasi
15. Hitunglah gaya aksial yang dibutuhkan kopling kerucut yang memindahkan torsi
(s
diarneter tromol, konfigurasi tuas penggerak, dan
Hitunglah ukuran rem tipe-pelat untuk menghasilkan
torsi
iri
sanra,
yang dibutLrhkan agar rem aktif
Poros tong: panjang 36,0 in Diameter 4,0 in Naf: lebar 2,00 in Diameter 8.00 in
I
2t Proyek-Proyek Perancangan 23.1 TUf UAN BAB rNr Salah satu fokus utama utarna buku ini adalah.menekankan integrasi elemen-elemen nresin rnenjadi rancangan mesin yang lengkap. Keterkaitan antara elemen-elemen mesin sudah dibahas untuk banyak contoh. Gaya-gaya yang ditirnbulkan pada satu elernen oleh elemen yang lain sudah dihitung. Komponen-kornponen yang ada di pasaran dan peralatan selengkapnya sudah ditunjukkan pada gambar-gambar di buku.
Meskipun contoh-contoh dan pembahasan ini bermanfaat, salah satu cara yang lebih baik untuk mempelajari perancangan mekanis adalah dengan melakukan perancangan rnekanis. Anda hendaknya rnenentukan fungsi-fungsi dan syarat-syarat perancangan secara mendetail. Anda hendaknya rnernbuat konseptualisasi beberapa pendekatan untuk perancangan; menentukan pendekatan untuk menyelesaikannya; menyelesaikan perancangan dari setiap elemert secara rnendetail; rnembuat gambar rakitan dan gambar detail bagiannya untuk rnengonrunikasikan rancangan Anda kepada orang lain yang menggunakan atau berlanggung jawab untuk rnembuatnya, dan nrenentukan secara lengkap kolnponenkotnponen yang merupakan bagian rancangan yang harus dibeli.
Berikut adalah beberapa proyek yang mengundang Anda untuk rnengerjakan tugas-tugas tersebut. Anda atau instruktur Anda dapat mengubah atau memperpesar proyek untuk menyesuaikan dengan kebutuhan atau ketersediaan waktu atau informasi, semisal katalog para pabrikan. Sebagaiurana dalam kebanyakan proyek perancangan, banyak solusi yang memungkinkan. Solusi-solusi dari beberapa anggota suatu kelompok dapat diperbandingkan dan dikritisi untuk nrerrrperdalam pembelajaran. Barangkali pada saat ini ada baiknya nrelihat kembali Subbab 1.4 dan 1.5 tentang fungsi dan syarat-syarat perancan gan dan fa lsafah perancangan.
Pengunci Kap Mobil Rancanglah sebuah pengunci kap untuk mobil. Pengunci harus mampu memegang kap tertutup dengan antan selattta mobil dikendarai. Tetapi hendaknya juga rnudah untuk membukanya untuk keperluan servis komponen atau nresin di dalamnya. Aman dari pencurian adalah sasaran perancangan yang penting. Pemasangan pengunci pada rangka/bodi nrobil dan bagaimana pengunciannya harus diungkapkan. Produksi massal.juga menjadi kebutuhan.
Pesawat Pengangkat
H
idrolik
Rancanglah sebuah pesawat pengangkat (/r/i) hidrolik yang digunakan untuk reparasi rnobil. Tenrukan ukuran-ukuran yang terkait dari contoh mobil untuk berat awal, tinggi angkat, rancangan bantalan yang bersinggungan atau kontak dengan mobil, dan sebagainya. Pesawat ini harus nrengangkat mobil secara keseluruhan.
203
Mekanis clcrlam Perancangqn Eltnrett-Elemett lt4csin
204
Dongkrak Mobil
saja' Dongkra\ n-r1'l:0"' atau bagian belakang
bagiarr dePan saia tenaga mobil untuk ntengangkat i.,'gun tekanan pneurrtatik atau Rancanglah sebuah dongkrak Atau barangkali ;;;.;'00", niarotit'. atau dengan tangan' tnekanis'
;;.;;k[^,, listrik.
Kran Portabel
minimal 1000 dan garasi' Kapasitasnya
industri kecir, gudang' rlres',' untuk digunakan di runralr-ruurah, kran ,',-',.,,gu,ft u, konrponerr-korxponerl sebuah rr"iiiv", ori Ra,canglah ,rr"uir untut n.,etepJr"*ri" Jigunut rb (4,45 kN). Biasanyu
*
ol*
truk' ,r.',uittkan beban ke atas
Penghancur Kaleng
i.i akarr digunakan atau kalerrg bir' Penghancur kaleng rniuuura, ringan tangan atatr dengan nrenghancurkan u,tuk dapat dioperasikan Rancanglah sebuah uresin ulang.p.nshur.r, guna rnernban*';;;eur dari volutne arvalnva' di rumah-rumah arau restora, secara etektrik. Alat
trii;;;;;ffi,gharrcurkan *"H;;t*l.itailiia-tiraI0%
Pesawat Pemindah
dipindahkan adalah Kornponerr yang akan sebuarr tini produksi. untuk otornatis pesawat penrindah Rancangrah sebuah :
;;;;r;r;
den
gan karakteri sti k berikut
N)
ada lubarrg dan agak tuar tidak taiant atau tidak Pertrrttkaan in. 10.0 6'75 in dan tinggi Uktrran: Sitindris: diameter pengecoran' halus, sebagaimana hasil kotlt ponen' ellerus' seti ap 2'00 satu
Ber$t: 42,0lb
( 187
L ui u p e nt i tutctlt crt
Terus-trl
iniharus dinaikkan
"
ror. Komponen-komponen 24,0 irr di atas konveyor masuk pada ketinggian ke konvevor ya,g terpisalt' Komponen_komponen oo'o i"' r'lt"riu trlpi"aurtrtt" secara p"r:."gnya 48,0 in dalam *ranga'. ,u"g
#;;;i
Drum Mesin PenumPah Jenis mesi, penumpah jenis Rancangrah sebuah ukuran 55 galorr d"ri
tJ;[;;;pi
bahan padat curahan ini mengangkal drum berisi .umpcr).Mesin (drunt drum gerobak'
t.',i"ggiu,,,
ke dalarn uoiili''o'"'',,lt"'.,p'rt*"n isidrtinr
PengumPan Kertas
pada lajrr kecepatan foto copy. Kertas harus diumpanka, rnesi, untuk kettas pengumpan Rancanglah sebuah alat
120
lembar Per menit'
KonveYor Batu Kerikil m x 3 '66 Rancanglalrsebuahkonveyortrntukmenaikkanbatukerikilkedalamtruk.Tinggi ftlOuiu*unnva 4'0 ft ( I '98 l2l0 bak 6,5 ft' pun;ungnya
tanalr. Lebar r'u,rir'tf.
lt^lin
atau ktlrang' ,n.ngiti bak truk 5'0 rnertit
truk 8.0 ft (2'44 m) dari sisi -,^ atas bak x l.2Z rn). Waktu yang diinginkan
Proyek-Proyek Peroncangan
205
Pesawat Pengangkat Konstruksi Rancanglah sebuah pesawat pengangkat konstruksi. Pesawat pengangkat ini akan menaikkan bahan-bahan bangunan dari lantai dasar ke suatu ketinggian sampai 40,0 ft (12,2 nt). Pesarvat ini harus berada di puncak tangga kakLr yang bukan merupakan bagian dari proyek perancangan ini. Pesawat ini harus rlenaikkan beban sampai 500 lb (2,22 kN) dengan laju 1,0 ftldetik (0,30 m/detik). Beban akan ditempatkan di atas palet berukuran 3,0 ft x 4,0 ft (0,91 m x I ,22 t'n). Bagian atas dari pesawat pengangkat ini berarti harus dilengkapi untuk nrernbawa beban ke anjungan yang mendukung lift.
Mesin Pengepak Rancanglah sebuah sebuah mesin pengepak. Tabung pasta gigi diarrbil dari ban berjalan dan dirnasukkan ke dalarn kardus. Dapat dipilih suatu ukuran tabung standar. Perancangan alat tersebut rnungkin terrnasuk cara urenutup kardus setelah tabung dimasukkan.
Pengepak Kardus Rancanglah sebuah mesin untuk memasukkan 24 kardus pasta gigi ke dalam wadah pengirinran.
Tangan Robot Rancanglah sebuah tangan (gripper) untuk sebuah robot untuk nrengambil komponen rakitan karet dari rak dan memasukkan ke bodi mobil pada sebuah lini produksi. Dapatkan ukuran-ukurannya dari jenis mobil tertentu.
Alat Pengatur Posisi Pengelasan Rancanglah sebuah alat pengatur posisi pengelasan. Sebuah rangka yang berat dibuat dari pelat baja yang dilas dengan bentuk seperli pada Gam bar 23 .l . Alat pengelasan akan d ipandu robot, tetapi intinya bahwa jalur pengelasannya horizontal. Rancanglah alat untuk memegang rangka dengan anran dan nremindahkannya pada robot. Pelat memiliki ketebalan 3/8 in (9,53 mm).
Pembuka Pintu Garasi Rancanglah sebuah sebuah pembuka pintu garasi.
Penurun Kecepatan Roda Gigi Lurus Reduksi Tunggal Rancanglah sebuah penurun kecepatan jenis roda gigi lurus, reduksi tunggal lengkap. Buatlah spesifikasi dua roda gigi, dua poros, empat bantalan, dan sebuah runrah nresin. Gunakan data dari Bab 9, Soal 60-10.
Penurun Kecepatan Roda Gigi Lurus Reduksi Ganda Rancanglah sebuah penurun kecepatan jenis roda gigi lurus, reduksi ganda lengkap. Buatlah spesifikasi ernpat roda gigi. tiga poros, enam bantalan, dan sebuah rumalr mesin. Gunakan data dari Bab 9, Soal 74-76.
206
Elenen-Elenten Mcsin dalam Perancangan Mekonis
Penurun Kecepatan Roda Gigi Miring ReduksiTunggal Rancanglah sebuah penurun kecepatanjenis roda gigi nriring, reduksi tunggal lengkap. Gunakan data dari Bab 10, Soal
-i-il. Penurun Kecepatan Roda Gigi Kerucut Reduksi Tunggal Rancanglah sebuah penurun kecepatan jenis roda gigi kerucut, reduksi tunggal lengkap. Gunakan data dari Bab I 0, Soal
t4-t7.
Penurun Kecepatan Roda Gigi Cacing Reduksi Tunggal Rancanglah sebuah penurun kecepatan jenis roda gigi cacing. reduksi tunggal lengkap. Gunakan data dari Bab 10, Soal
t8-24.
OAMBAR
23.I
Rangka yang dipegang oleh alat pengatur posisi pengelasan
f*rr
inJ*n
Laslah semua lipatan dengan jalur las horizontal
Alat Pengangkat Menggunakan Ulir Acme Rancanglah sebuah alat seperti sket Gambar 7.3. Sebuah motor listrik urenggerakkan ulir cacing pada kecepatan 1 750 rprn. Dua ulir Acme berputar dan mengangkat batang pernikul beban, yang selanjutnya mengangkat pintu palka. Lihat Contoh Soal l7.l untuktambahan detailnya. Lengkapi seluruh unit, termasuk pasangan rodagigi cacirrg, transrnisi rantai. ulirAcme, bantalan, dan dudukan-dudukannya. Diarneter pernrukaan atas pintu palka60 in(1524 mnr). Panjang ulir'30 in (762 mm). Gerakan total batang pemikul beban adalah 24 in, dilakukan dalanr waktu 15,0 detik atau kurang. 1
Alat Pengangkat Menggunakan Sekrup Bola Ulangi perancangan alat pengangkat, menggunakan sekrLrp bola sebagai pengganti ulir Acme.
Rem untuk Poros Penggerak Rancanglah sebuah rem. Beban berputar (seperti sket Gambar 22. I I ) dihentikan dari 77 5 rpnt dalarn waktu 0,50 detik atau kurang. Menggunakan salah satu jenis rern seperli diuraikan pada Bab 22, lengkapi rancangan detailnya, termasuk cara penggeraknya, pegas, tekanan udara, tuas rnanual, dan sebagainya. Tunjukkan pentasangan renr pada poros dari Ganrbar 22.21.
P
royek-P ro1,ek
P
erancangon 207
Rem untuk Mesin Derek Rancanglah sebuah rem lengkap untuk pemakaian seperti diturr-iLrkkan pada Ganrbar'22.33 dan diuraikan pada Soal I I Bab 22.
Penggerak Meja lndeksi Rancanglah sebuah penggerak meja indeksi untuk sistenr perakitan otornatis. Barang yang dipirrdahkan dipasang pada pelat alat penetap dari baja persegi dengan sisi 6,0 in (152 nrm) dan tebalnya 0,50 in (12,7 mm). Berattotal setiap rakitan 10,0 lb (44,5 N). Setiap satu gerakan, pusat setiap alat penetap (titik perpotongan diagonalnya) berpindah 12,0 in (30,-5 rrrm). Satu gerakan mernerlukan waktu I detik atau kurang. dan alat penetap harus berhenti pada setiap stasiurr selartta minimal 2,0 detik. Diperlukan empat stasiun perakitan. Susunannya dapat linier. berputaq atau yang lain, dengan alat penetap bergerak pada bidang horizontal.
Kincir Ria
Anak-Anak
-i
Rancanglah sebuah kincir ria anak-anak. Kincir ria manrpu nlernuat satu sampai errrpat anak yang beratnya rrrasingmasing nrencapai 80 lb (356 N). Kecepatan putar I putaran per 6,0 detik, dan digerakkan oleh sebuah motor listrik.
Komedi Putar Rancanglah sebuah kereta hiburan untuk anak-anak kecil berurnur 6 tahun atau kurang, yang dapat diduduki anak-anak dengan aman selama menikmati pola gerakan yang nrenarik. Sekurangnya dua anak pada saat yang sarra dapat naik kendaraan itu. Kendaraan itu akan dijual ke pusat-pusat perbelanjaan dan supernrarket untuk nrenyenangkan konsutttett anak-anak.
Kereta Hiburan untuk Halaman Belakang Rancanglah sebuah kereta hiburan untuk halanran belakang yang berupa gerbong-gerbong beroda yang ditarik sepanjang lintasan melingkar. Kendaraan dijalankan oleh motor listrik. Panjang setiap kereta 1.0 nr (39.4 in) dan lebarnya 0,5 rn ( 19,7 in). Ada empat roda dengan diameter masing-rnasing 150 mrrr (6,0 in). Cerbong dihubungkan ke batang penggerak di bagian tuas biasanya berada. Jarak radial ke titik hubung 2 n (6,6 ft). Gerbong-gerbong berputar sekali dalanr 8 detik. Lengkapi cara menjalankan dan rnenghentikannya.
Peralatan Pemindah Rancanglah sebuah peralatan untuk memindahkan poros nok otomotif antarstasiun pemrosesan. Setiap perpindahan 9,0 in
(229 nl:r,). Poros nok ditumpu dua perrnukaan bantalan yang rneuriliki diarneter 3,80 in (96,5 mnr) dan panjang aksialnya 0,75 in (19,0 mrn). Jarak kedua permukaan bantalan 15,75 in (400,0 rnrn). Berat setiap poros nok I6,3 lb (72,5 N). Satu siklus gerakan diselesaikan setiap 2,5 detik. Rancanglah senrua urekanismenya, termasuk penggerak dari sebuah ntotor I istrik.
Konveyor Rantai Rancanglah sebuah konveyor rantai lurus untuk memindahkan delapan palet sepanjang lini perakitan. Ukuran panjang l8 in dan lebarnya 12 in. Berat maksimum palet besefta produk yang dibawanya 125 lb. Pada ujung konvelor ada gaya luar ke bawah 500 lb, yang mendorong produk yang harus diteruskan palet ke struktur konveyor. Anda dapat merancang konfigurasi bagian samping dan bagian bawah palet.
palet
208
Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis
Proyek-Proyek "Anda sebagai Perancang" Pada awal setiap bab dalam buku ini, pada bagian Anda sebagai Perancang, Anda diminta untuk rrelnbayangkan bahwa Anda adalah perancang berbagai peralatan atau sistenr. Pilihlah salah satu dari proyek-proyek tersebut.
Lampiran LAMPIRAN 1 SIFAT-SIFAT BIDANG
: nD2/4 I : nDa/64 S: nD/32
(a) Lingkaran
A
(b) Lingkaran berongga (pipa)
A
I
(c) Bujur sangkar
t*-l-l r -I-f-+--* I
I
I
I r,.
i Irll l''' I
l-(@ Empat persegi panjang
s-i
.s r
-
d)/64
r: 1a '[] ao'' : n(Dacf)/32
J
2,,: n(Da - cf)/l6D
A:S t : s/12
r: S/ Ji
,s
:,9/6
A
=BH
I
'
t
: BH3/12 : BLT/6
A -- BHr2
t, .S
fi) Setengah lingkaran
n(D'z- e)/4
-- n(Da
D/4
S=n(Da-d)/32D
s
(c) Segitiga
:
r:
J : nDa/32 Z = nD3/16
: BH3/36 : BTPN4
: nD2/8 r -- 0,007 D4
A
: H /^lt, r
I
--
B/Jt2
r,: H /Jtg
r :0,132D
S = 0,424D3
209
210
Elenren-Elenren Mesirt dalam Perancongan Mekanis
A :0,866D'1
I
:0,06D1
s:0.12D1
.-l
= Iuas
/:
nronren kelentbaman
.S: modulus penampang (secliort modtrlus) r' : jari-jari gnasi: \[t I A
-/ : Z,:
r.norrren kelenrbaman polar nrodrrltrs penalxpatlg polar Qtolar secliort nodultts)
r :0.264D
Lampirtut
2ll
LAMPIRAN 2 UKURAN-UKURAN DASAR DAN ULIR SEKRUP TABEL
L2.1
Ukuran-ukuran dasar Metrik (rrrrn)
Pecalran (in)
t64 t32 lt6 3t32 il8
Desinral(in)
0
I
0,015 625
5
5,000
0,0
t
0,03
I
5t/q
5 r50
t
0,062s
51/z
5,500
0,093 75
5%
5,750
0,012 0.016 0,020 0,025 0,032 0,040
5132
25
0,r250
6
6,000
0,ts6
6'/z
6,500
0, I 875
7
7,000
0,2500
7%
7,500 8,000
25
3lt6 '/o 5il6 318
0,3 125
8
0.3750
8t/z
8,500
7116
0,437 5
9
9,000
t/z 9lt6 5i8 nlt6 % 718 | lt/q
l'/, t% 2 2'/o 2t/z 2% 3 3t/o 3'/z 3% 4 4'/o 4tL 4%
0,5000
9'/z
9,500
0,5625
l0
0,000
0,62s0
l0,A
0.500
0,6875
il
r,000
0,7s00
I lt/z
r,500
0.8750
12
2,000
1,000
12,/.
2,500
1,250
t3
3,000
1,500
l3)/z
3,500
I,750
14
4,000
2,000
l4tA
4,500
2,250
l5
5,000
2,500
| 5'/z
5,500
2,750
l6
6,000
3,000
t6%
6,500
3,250
t7
7,000
3.500
ll,/z
7,500
3,750
t8
8,000
4,000
l8'/z
8,500
4,250
l9
e,000
4,500
l9t/t
9,500
4,750
20
0,000
t
0,05 0,06 0,08 0, r0 0,12 0,16 0,20 0,24 0,30 0,40 0.50 0,60 0,80 r,00 t,20 1,40 r,60 1.80
Kc-
2,00
8,50
2,20
9,00
2,40
9.50
2,60
0,00
2,80
0,50
3,00
1,00
3,20
r,50
3,40
?oo
3,60
2,50
3,80
3,00
4,00
3,50
4,20
4,00
4,40
4,50
4.60
-5,00
4,80
550
5,00
6,00
5,20
6,50
5.40
7,00
5,60
7,50
5,80
8,00
6,00
8,50
6,50
9,00
7,00
9,50
7,50
t0,00
I
Kc-2
Kc-
|
Kc-2
Kc-
t0
I
l.l
ll0 120
t4
t,4
140
l6
1,6
r60
l8
1,8
180
200
20
2
)) ,5
22
220
2s0
2_\
2,8
28
280
30
J
3,5 4
300
350
35
400
40
4,5
450
45 50
5
55
500
600
80 9
700
70
7 8
550
-55
60
6
Kc-2
100
II t2
1.2
I
800
900
90 I
000
8.00
I)icctak ulangdari ASMII ll4. l-1967, clcrrgan izin clari 'l'hcAmcrican Socicty o['Mcchanical Engirrccrs. Ilak ciptacliakui.
212
Elemen-Elenten Mesin dolam Perancangqn Mckanis
L2.2
TABEL
Ulir sekrup standarAmerika A. Dirlensi sekrup standarAmerika, ukuran bernonror
Ulir kasar: UNC Dianreter Ukuran
nrayor (in)
dasar, D
0
0,0600
Junrlah ulir per
inci,
r
Luas bidang tegangan tarik (in2)
Ulir halus: UNF Jumlalr ulir
inci,
n
per
Luas bidang tegangan tarik (in2)
80
0,00 r 80
I
0,0730
64
0,002 63
12
0,002 78
2
0,0860
56
0,003 70
64
0,003 94
J
0.0990
48
0,004 87
56
0,005 23
4
0,r t20
40
0,006 04
48
0,006 6l
5
0, r 250
40
0,007 96
44
0,008 30
6
0, 380
JZ
0,009 09
40
0,0r0 r5
8
0, I 640
32
0,0140
36
0,01414
IO
0, r 900
24
0,0 r75
32
0,0200
l2
0,2 r60
24
0,0242
28
0,0258
r
B. Dinrensi sekrup standar Amerika, ukuran pecaharr
Ulir kasar: UNC Diarneter rnayor,
Ukuran
(itt)
D
Jumlah ulir per'
inci,
r
UIir halus: UNF
Luas bidang Jumlah ulir per tegangan tarik (irr:) inci. n
Luas bidang tegangarl tarik (in:)
,/o
0.2500
20
0,03 l8
28
0,0364
5lt 6
0.3 125
24
0,0580
0,3750
l8 l6
0,0524
318
0,0715
24
0,0878
7n6
0,437 5
t4
0, I 063
20
0,r 187
t/z
0,5000
t3
0,1419
20
0, r 599
9il6
0,5625
t2
0,r82
0,203
5/8
0,6250
ll
0,226
l8 l8
3/
0,7500
t0
0,334
t6
0,373
718
0,8750
9
0,462
l4
0,509
I
I,000
8
0,606
t2
0,663
I li8
I, 125
7
0.763
t2
0,856
r,250
7
0.969
l2
t,073
t,375
6
0,r55
t2
t,3
6
1.405
t2
r,581
5
1,90
1/z
2,50
|
,/o
I 3/8 1/z
1,500
l%
1,750
|
2
2.000
4
0,256
15
Luntpit'cut 213 TABEL
L2.3
Ukuran metrik utir sekrup
Ulir Diarneter rnayor dasar, D (nrnr) I
Luas
Jarak bagi
(nrnr)
Ulir halus
kasar tegan gan
b idan,r_1
tarik (nrrl:)
o?s
Jarak bagi
(nrm)
Luas bidang tegangan
tarik (nln:)
0.460
1,6
0,35
1.21
0,20
1.57
2
0,4
2.01
0,25
2,45
?5
0,45
I
0,35
3,10
3
05
5 01
0
4
u,/
8.78
o5
5
0,8
lc)
l4')
is
5,6
0,5
r6,I
6
I
20,1
0,7-5
22,0
8
t,25
36,6
I
ia?
t0
t,5
5
8.0
1,25
61,2
l2
1,75
84.3
t,25
92,t
t6
2
t-57
)\
t,5
167
20
245
1,5
212
24
3
353
2
384
30
a\
561
2
621
36
4
42
4,5
n2t
48
5
t4t3
817
t
9,79
865
211
Elanren-Elenren Mesin dqlom Perancangon Mekanis
LAMPIRAN 3 SIFAT-SIFAT PERANCANGAN BAJA KARBON DAN BAJA PADUAN
Penandaan Bahalt
(nornor AISI) 020
I
020
I
Kondisi
Tegangan tarik
Tegangan luluh
(ksi)
(ksi)
(MPa) 379
30
207
25
ill
6t
420
5l
3s2
l5
122
43
296
38
121
Hot-rolled Cold-drarvn
(MPa)
Keuletan (persen
elongasi.panjang Kekerasan Brinell (HB) 2 in)
I
020
Annealed
60
414
I
040
Hot-rolled
12
496
42
290
l8
144
7l 6l
490
t2
160
421
J-l
183
262
I
040
Cold-drawn
80
552
I
040
oQT r300 oQT 400
88
601
il3
719
87
600
l9
Hot-rolled
90
620
49
JJ6
l5
180
040
r
050
r
050
Cold-drawn
r00
690
84
579
l0
200
I
050
66)
61
42t
30
192
I
050
oQT r300 oQT 400
96 143
986
ll0
758
r0
321
34
234
JJ
124
5l
352
20
r38
22
178
r
1il7
Hot-rolled
62
427
ltl
Cold-drawn
69
416
ll17
wQT 3s0
89
614
50
345
I 137
Hot-rolled
88
607
48
33r
t5
t76 196
t 137
Cold-drarvn
98
676
82
565
l0
|l37
oQT r300 oQT 400
87
600
60
414
28
t74
083
r36
938
5
352
94
648
5l
352
l5
188
r00
690
90
621
l0
200
96
662
68
469
25
200
127
816
9l
627
t6
211
tr0
I
t31
I144
Hot-rolled
I 144
Cold-drawrr
il44
oQT r300 oQT 400
1144
157
r
t2t3 t2t3
Hot-rolled
55
319
JJ
228
25
Cold-drarvn
75
517
58
340
l0
150
12L13
Hot-rolled
57
393
34
234
22
I
t2Lt3
Cold-drarvn
70
483
60
4t4
t0
140
l4
340
Anrrealed
t02
703
63
434
26
201
I
340
t00
690
517
25
235
r
340
oQT r300 oQT r000 oQT 700 oQT 400
75
t44
993
t32
910
t7
363
360
l0
444
I
r
340
I
340
3 r40
Annealed
3 140
oQT r300 oQT r000 oQT 700 oQT 400
3
t40
3 140 3
t40
221
1520
197
285
I
960
234
r6l0
8
578
95
655
61
462
25
187
l15
192
94
648
23
_J)
r
152
I
050
r33
920
t7
3il
220
I
520
200
I
380
l3
46t
280
I
930
248
I
710
ll
555 156
202
4130
Annealed
8l
558
52
359
28
4130
wQT r300
98
616
89
614
28
4130
QQT r000
143
4130
wQT 700 wQT 400
4 r30 + 140
Annealed
I l.l0
oQT
1300
986
t32
9t0
t6
302
208
I
430
t80
1240
l3
415
234
r6l0
t97
r
360
t2
461
95
655
60
414
26
197
l17
807
t00
690
:'t
235
L(tmpirdn 215
Penandaan Bahan
Tegangan tarik
Tesangan luluh
(ksi)
Keuletan (persen elongasi, pan-iang Kekerasan
in)
(nomor AISI)
Kondisi
(ksi)
4140
168
I 160
t5l
I
050
t1
341
231
I
590
212
r
460
l3
461
4140
oQT r000 oQT 700 oQT 400
290
2000
25r
t730
II
578
41 50
Annealed
r06
731
-55
379
20
t9l
4150
121
880
l16
800
20
262
4r50
oQT r300 oQT 1000 oQT 700 oQT 400
4340
Annealed
4340 .t340
140
965
t20
t7t
r 180
158
I
230
r
590
206
1420
t2
461
4340
oQT r300 oQT 1000 oQT 700 oQT 400
570
II
5-55
5 140
Annealed
290
29
167
4140
4150 4150
4340
5 140
oQT r300 oQT r000 oQT 700 oQT 400
5t50
Annealed
5150
oQT r300 oQT 1000 oQT 700 oQT 400
5
t40
5 140 5 140
5150
5t50 5
ts0
(MPa)
(MPa)
2
Brinell (FlB)
t97
I
360
l8l
I
2s0
ll
401
217
I
700
229
I
580
l0
49-5
300
2070
248
l7l0
t0
578
r08
745
68
469
22
211
827
IJ
280
090
r6
363
283
I
83
950
228
572
12
I
7t7
83
512
27
207
000
r30
896
l8
302
I
520
200
I
380
il
429
I
900
226
r
560
7
534
10.{
r45
I
220
2'/6 98
676
52
359
22
197
il6
800
102
700
22
241
r60
I 100
149
I
030
I5
321
240
t 6_s0
220
r
520
l0
46t
3t2
2
r50
250
1720
8
601
5 160
Annealed
t05
724
40
?76
t7
t9l
5 160
oQT r300 oQT r000 oQT 700
l15
't93
100
690
:)
)21)
110
I 170
t5l
I
040
l4
341
263
I
810
237
r
630
9
5t4
oQT.100
3)2
2220
260
I
790
4
6?.'.7
t97
5 160
5160 5
r60
6150
Annealed
6t50
oQT r300 oQT 1000 oQT 700 oQT 400
6
r50
6
r50
6
r50
96
662
59
407
:)
il8
8r4
101
738
2l
241
l2 l0
495
r83
1260
I t)
I
t90
247
I
700
223
I
540
I
37s
315
2t70
270
860
1
601
8650
Annealed
I04
717
56
386
22
2t2
8650
oQT r300 oQT r000 oQT 700
122
841
il3
119
2l
255
t76
l2 r0
15,5
I
070
t4
Jo-)
240
I
650
222
I
530
l2
495
8650
oQT 400
282
r
8140
Annealed
t00
8140
8740
oQT r300 oQT r000 oQT 700 oQT 400
9255
Annealed
8650 8650
8740 8740
940
250
1120
ll
555
690
60
414
22
201
ll9
820
100
690
25
241
175
l2l0
167
I 150
l5
363
228
I
570
212
1460
t2
46r
290
2000
240
l6-50
t0
-_s
lr3
780
7t
490
22
78
lt9
216
Eletnctr-Elentcn lLcsiu dalutrt Pcrurrcungttn llcktttris
(nornorAlSl) Kondisi
92ss 9255 9255 9255
(ksi)
farik (MPa)
(ksi)
r30 l8l 160 3 l0
896 l2_s0 t190 2140
r02 160 240 287
Tegangan
Penandaarr Bahan
1300 t000 Q&T 700 Q&T 400 Q&T Q&T
regantan
Cotctlan:Sifat-sifat unrum Lrntuk senrua ba-ja karbou dan ba.la paduan: Rasio Poisson: 0.27
Modulus geser: ll,5 x l0" psi; 80 GPa Koefisien ckspansi tlrernral: 6,5 x l0 ""Fr Rapat rrrassa: 0.283 lb/inr: 7680 kg/rnl Modulus elastisitas: 30 x l06 psi; 207 C Pa
luluh Ketrletatt (perselr clongasi, pan.iarrg Kekerasan (MPa) 2 in) Brinell([JB)
703 r 100 t650 1980
2t t4 5 2
262
352 534
60t
Lantpircttt 217
LAMP!RAN 4 SIFAT.SIFAT BAJA PERLAKUAN PANAS GAMEAR
[4.I
Sifat-sifat AlSl 1040 perlakuan panas, dicelup dalam air dan ditemper
Perlakuan: Normalisasi pada '1650'F. drpanasi ulang sampai 1550"F; dicelup dalam air Perlakuan pada benda silindris diameter 1 in; Pengujian pada benda silindrrs diameter 0.505 in Setelah dicelup menghasilkan HB 534
(Modern Steels and Their Properties, Bethlehem Steel Co., Bethlehem, PA)
i
Suhu temper,
t4.2 Sifat-sifat AlSl 1144 GAIYIBAR
perlakuan panas, dicelup dalam air dan ditemper
(Modern Steels and Their Properties,
'F -f liij 5()il
{}{r{}
HB .i l..i -l(ri I j,l
Kekerasan.
7{)i} .st){l !r0il I1)(jli ,lir
I l1}()
I .l.il lLr.i lrr(l :.i-i
l:{l{, l{}
l.it)11
I !? 1
Perlakuan: Normalisasi pada 1650'F, dipanasi ulang sampai 1550"F: dicelup dalam minyak Perlakuan pada benda silindris diameter 1 in.: Pengulian pada benda silindris diameter 0.505 in Setelah dicelup menghasilkan HB 285. Ir\r
li,().itt}{]
Bethlehem Steel Co., Bethlehem, PA)
Suhu temper, Keherasan.
'F -llll) 50i] l1lfi i(]1t 5(1{} 9{}il l{}iii) t'{}{} llt)0 l.ti}{} HU t.,,, l6il :fi: t"i: lts :,, I :.1.i ll!1 I l7 l{)l
218
Eienten-Elcnren l\lesin dolam Perancongan lVlekonis
GAIIBAR 14.3 Sifat-sifat AlSl 1340 perlakuan panas, diceluP dalam minyak dan ditemper (Modern Steels
and Their Properties,
Perlakuan: Normalisasi pada 1600'F. dipanasi ulang sampai 1525'F: dicelup dalam minyak yang diaduk. Perlakuan pada benda silindris diameter 0,565 in.; Pengujian pada benda silindris Setelah dicelup nrenghasilkan HB 601 diameter 0,505
in,
llri
:5{ l.{ }{ )()
Bethlehem Steel Co., Bethlehem, PA) l{}{} {}{t{l
,5{}.{i{x}
-i
tl'it
l'{Y..,
1ffi ,4tv:'(
Suhu temper,
'F
Kekerasan. HB
OAMBAR
t4.4
Sifat-sifat AlSl 4140 perlakuan panas, dicelup dalam minyak dan ditemper (Modern Steels
li)il 5:i
:{}i) {-.in} .i.l'j .]r:
){Y
il
Ttf
i
til
)i
?{}ti Eil{l 9i}il t{[]{) lir}I llr}{1 i3{:{1 .u,1 ..l l : jsx l6"j jl I l,t.] :"i:
'1550"F1 dicelup dalam Perlakuan: Normalisasi pada 1600'F, dipanasi ulang sampai minyak yang diaduk. Perlakuan pada benda silindris diameter 0,530 in ; Pengujian pada benda silindris Setelah dicelup menqhasilkan HB 601 diameter 0,505 in
and Their Properties, Bethlehem Steel Co., Bethlehem, PA) :( {}.{n )t} -l3.t
I
r10.0{}(i
!ol t -* lo1
iYl i:-'- , ..
Suhu temper,
;
l-
-.',^nplnu*Pu-ns
't *,U, 51i11 ii)l) 7{}{l sal{l 9{tli l{lrio I llxi 1l(,0 1.1{l(l <:f i.l JrJ: "1hI "119 .jSS .r.l I III ll7 :li
Kekerasan. HB
-<
Lantpiran 219 GAMBAR T4.5
Sifat-sifat AlSl 4340 perlakuan panas, dicelup dalam minyak dan
Perlakuan: Normalisasi pada 1600'F. drpanasi ulang sampai 1550'F: dicelup dalam minyak yang diaduk. Perlakuan pada benda silindris dianreter 0.530 in.; Pengujian pada benda silindris Seielah dicelup menghasilkan HB 601 diameter 0.505 in
llst
ditemper (Modern Steels and Their Properties, Bethlehem Steel Co., Bethlehem, PA)
:5(i,ixn
r
:ilI r.iltlt,
I
5rr.0{r{}
I
{Xr.*{}{1
-|iXl
Suhu temper, "F
OAMBAR [4.6
Sifat-sifatAlSl 6150 perlakuan panas, dicelup dalam minyak dan
ditemper (Modern Steels and Their Properties, Bethlehem SteelCo., Bethlehem, PA)
5(]{)
(,{l{} 7l1tl ;itX) ,{l{) l{.}ix} llU(} 1:(}.,
j55 j tJ 177 16l
Kekerasan, HB
::11.1
"i.\l.i .if,.l
i]1 ,r,
Perlakuan: Normalisasi pada 1600'F, dipanasi ulang sampai 1550'F: dicelup dalam minyak yang diaduk. Perlakuan pada benda silindris diameter 0,565 in.; Pengulian pada benda silindris Setelah dicelup menghasilkan HB 627 diameter 0,505
in.
rs1
:5r1.(xxl
L
lil{i.(xx)
,_o
c I
5|].0(X)
o
6 o
7l'ti {rtYi
50ii
l{r(r{}l()
.{.v;, .-1{}l-,i
)lY:i
Itvi 5tl.{x){i Suhu temper, Kekerasan.
'F 4(){} 5{X) rr{.}i., ltX, stx) HB
{r0l 5?li -ijJ
+(.}.i
.1lt
t)(l{r -{t}
I
100(J
il0i) l:0()
:i?.s .l{
I :r3
t:1{){)
:-1
I
220
Elerncn-Elenren ll,[esin dalam Pcrancengon Mckonis
LAMPIRAN
5
SIFAT-SIFAT BAJA KARBURISASI Silat-sifat utarla Kekuatan
Penandaan balran (norner
AISI)
l0l5 I
020
1022
il17 1il8 4l l8
Tegartgart
Tarik Kondisi
swQT swQT swQT swQT swQT soQT
(ksi)
(MPa)
lu
(ksi)
luh
(MPa)
Keuletau (persen elongasi,panjang 2 in)
Kekcrasan
Kckerasan kulit Brinell(l-lB) (FIRC)
3so
r06
131
60
4t4
l5
211
62
350
129
889
12
496
lt
255
62
3s0
135
931
75
5t7
l4
262
62
I
tnt,
23
-s
65
l3
285
6r
350
125
862
66
455
3so
144
993
90
621
300
t43
986
93
64t
t7
293
62
4ll8 4ll8
DOQT 300
126
869
63
434
2t
241
62
soQT 450
r38
952
89
614
t1
211
56
4l l8
DOQT 450
120
821
63
434
22
229
56
4320
soQT
300
218
500
r78
230
l3
429
62
4320
DOQT 300
r5t
I
040
97
669
t9
302
62
4320
soQT 4s0
2fi
|
450
173
t90
l2
415
59
4320
DOQT 450
r45
000
94
648
2l
293
59
4620
soQT
300
il9
820
83
572
l9
277
62
r
I
r
I
4620
DOQT 300
t22
841
7l
-53
22
248
62
4620
soQT 450
793
80
552
20
248
59
4620
DOQT 450
il5 il5
793
7l
53r
22
235
59
4820
soQT
300
201
I
430
t67
I
t50
li
415
6l
4820
DOQT 300
204
I
405
165
I 140
IJ
415
60
4820
soQT 4s0
205
r4 l0
184
t270
r3
4t5
57
4820
DOQT 450
196
I
350
t7t
I 180
l3
40r
56
8620
soQT
300
r88
I
300
t49
r
8620
DOQT 300
li3
9tl
83
I
030
ll
388
64
572
20
269
64
8620
soQT 450
161
It50
120
827
l4
341
6t
8620
DOQT 450
r30
896
11
531
22
262
6l
E93 r0
soQT
300
173
I 190
135
931
62
l0
DOQT 3oo
I
200
r39
9-58
l5 l5
363
t74
363
60
E93r0
soQT 4s0
r68
I 160
t37
945
l5
34t
59
E9310
DOQT 4s0
t69
I 170
r38
9s2
l5
352
58
E93
Catotan: Sifat-sifat ini adalah untuk seperangkat pengqjian pada batang silindris % in. SWQT: single water-quenched and ternpered (dicelup air dan diternper sekali) SOQT: single oil-quenched and ternpered (dicelup nrinyak datr diternper sekali) DOQT: double oil-quenched arrd tenrpeled (dicelup nrirryak dan diternper dua kali) 300 dan 400 adalah sulru penernperan pada oF. Baia dikarburisasi 8.lanr. Kedalauran kulit dari 0,045 sanrpai 0,075 in
Lttmpirott 221
TAMPIRAN
6 SIFAT.SIFAT BAJA TAHAN KARAT
Penandaan bahan
No. AISI Ba.ia
Kekuatan tarik
Kondisi
UNS
(ksi)
(MPa)
il5
193
Tegangan luluh
(ksi)
(MPa)
Kculetan (persen elongasi, pan jang 2 in)
Austenitik
20t
301
s20100
s30 r 00
Dianil
55
319
<(
862
15
5ll
20
030
il0
758
t0
t2t0
r35
931
5
280
140
966
1
758
40
276
60
% keras
t25
% keras
r50
|
% keras
t75
Keras penuh
185
I
Dianil
Ir0
% keras
125
1/z
150
keras
r
862
75
517
25
030
il0
758
t5
l2
% keras
175
t2 t0
ti)
93t
Keras penulr
185
r
280
140
966
8
241
60
304
s30400
Dianil
85
586
35
3r0
s3 I 000
Dianil
95
655
45
3r0
45
3r6
s3 I 600
Dianil
80
552
30
201
60
405
s40500
Dianil
70
483
40
276
30
430
s43000
Dianil
15
517
40
276
30
446
s44600
Dianil
80
552
-50
345
25
410
s4 I 000
Dianil
75
5t7
40
276
30
4t6
s4 I 600
Q&T 600
180
1240
140
966
l5
Q&T r000 Q&T 1400
t4s
I
000
l15
193
20
90
621
60
414
30
Q&T 600 Q&T 600
195
t344
t50
I
034
l5
280
r
930
270
I
860
r-t 900
200
r
380
r85
I
280
t4
il50
I45
r
000
t25
862
RH 950
200
I
380
175
t2t0
l9 l0
TH
t75
l2t0
t55
I
070
t2
Baja Feritik
Baja Martensitik
431
s43 I 00
440A
s44002
Baja pengerasan presipitasi
n-4PH
s I 7400
FI
t7-1PH
s r 7700
IO5O
222
Elcman-Elenten Nlesin dalant Perancongan Mekonis
LAMPIRAN Penandaan bahan (nomer
ASTM)
7 SIFAT-SIFAT BAIA STRUKTURAL Peringkat. produk, atau ketebalan
A36
l<8in
A242
t <3/q
4242
t < lt/z
A242
t<4
A500
Pipa struktur, silindris profiI bentukan dingin
ir-t
indris, Perirrgkat C
Profil, Peringkat A Profil, Peringkat B Profil, Peringkat C
A5I4
(ksi)
45 58 62 45 -s8 62 _58
Silindris, Perirrgkat B
I
(ksi)
(MPa)
(MPa)
Keuletan (persen elongasi, partjang 2 irr)
2l 2l
400
36
250
480
50
345
460
46
315
43s
42
294
2l 2l
3r0
JJ
228
25
400
42
290
23
421
46
317
2l
3r0
39
269
25
400
46
317
^!.)
421
50
345
2l
400
36
250
:)
100
690
t8%
ataLr
Silindris, Peringkat A
45O
Tegangan luluh
s8 70 67 63
it:r
in
Sil
KekLratarr tarik
Pipa struktur, silindris atau profil bentukan panas
Dicelup dingin dan ditenrper.
I
r0-r30 760-895
I < 2t/z itr 60
4l-5
",, a^
290
24
A572
42,t<6in 50./<4in
65
450
50
345
2t
A572
60,t
75
520
60
415
r8
A572
65.1
80
550
65
450
t7
A588
t<4in
't0
485
50
345
A992
W-shapes
65
450
50
345
2l 2t
A572
Catotqn: ASTM A572 adalah baja kekuatarr tinggi paduan rendah (HSLA) dan rnenriliki sifat yang sanra dengan ba.la SAE J4l0b yang ditentukan oleh SAE.
Latttpirun 223
LAMPIRAN B SIFAT.SIFAT PERANCANCAN BESI COR Kekuatan
Tegangan
tarik
lu lulr
Penandaan bahan
(nourerASTM)
Keuletan (persen elongasi, paniang
Modulus elastisitas
Peringkat
(ksi)
20
20
r38
t2
25
25
t72
t3
90
t<
r03
l7
ll7
(MPa)
(ksi)
(MPa)
2 in)
( 106
psi)
(CPa)
Besi cor kelabu
448-94A
83
50
50
345
t9
r3l
60
60
414
<1
20
r38
325 r0
50
34s
)1-
221
25
t72
35018
53
36s
35
241
25
112
40010
60
414
40
276
l0 l8 t0
26
179
45006
65
448
45
310
6
26
n9
50005
70
483
50
345
5
26
t'79
iouo,
85
586
70
483
J
26
119
9000 I
105
724
90
621
I
26
179
60-40- I 8
60
414
40
276
l8
22
152
i0
30
207
40
40
276
Besi cor mampu ternpa
447-99 4220-99
Besi cor ulet
As36-84
80-55-06
80
552
55
319
6
22
152
00-70-03
t00
689
10
483
J
22
r52
90
621
)
22
152
I
120-90-02
t20
827
Besi cor ulet austelnper
ASTM
897-90
I
t2s
850
80
550
l0
22
152
2
150
I
050
r00
700
a
22
152
175
t200
125
850
4
22
152
4
200
r400
t-55
I 100
I
22
152
5
230
r
600
185
r
300
22
r52
Cotatan: Nilai-nilai kekuatan yang tercantunr adalah umr.lur. Variabel-variabel pengecoran dan ukuran penatnpang mernengaruhi nilai akhir. Modulus elastisitas mungkin bervariasi. Rapat rrrassa besi cor berkisar dari 0,25 sarnpai 0,27 lb/inr (6290 sanrpai 7480 kg/mr). Kekuatan tekan 3 sampai 5 kali lebih tinggidaripada kekuatan tarik.
221
Elanert-Elentcn Mesin dalom Perancangon Meli.anis
LAMPIRAN
9
SIFAT.SIFAT ALUMINIUM Kekuatan
tarik
Paduan dan
peneniperan
(ksi)
Tegangan luluh
(MPa)
(ksi)
(MPa)
Keuletan (persen elongasi, panjang
2 in)
Kekuatan gcser
(ksi)
Kekuatan lelah
(MPa)
i
060-0
l0
69
4
28
1)
7
48
|
060-H I 4
t4
97
ll
76
t2
9
62
r
060-H I 8
l9
l3l
l8
t24
6
ll
t2l
r
3s0-o
t2
83
4
28
28
8
55
r
350-H r 4
t6
lt0
l.l
97
r0
69
I
i50-H
27
186
24
r65
l5
103
27
186
l4
97
l8
I8
t24
2014-T4
62
421
42
290
2.0
38
262
2014-T6
10
483
60
4t4
IJ
42
290
20
I
9
r4-o
2024-O
27
186
ll
76
22
l8
124
2024-T4
68
469
47
324
l9
4t
283
2024-T36t
72
496
57
393
t2
42
290
16
I8 t0
2219-O
25
112
ll
22t9-T62
60
414
4',
290
2219-T87
69
476
51
393
l0
3003-o
t6
ll0
6
4t
40
ll
t2t
(ksi)
(MPa)
321 534 64t 148 t3 90 20 138 18 124 13 90 20 138 l8 124 I5
r03
l5
r03
1
48
3003-H l4
22
t52
2t
l4-s
l6
t4
97
9
62
3003-H r 8
29
200
2'7
r86
l0
t6
I l(,
t0
69
5052-O
28
r93
l3
90
30
t8
t24
t6
il0
5052-H34
38
262
3r
2t4
l4
2t
145
l8
t24
s052-H38
42
290
)l
25s
8
24
165
20
138
r-o
I8
t24
8
-55
30
t2
83
9
62
606 I -T4
35
241
2t
145
25
.\ ,l :+
r65
l4
97
606 t-T6
45
3t0
40
276
t7
30
207
t4
97
6063-O
l3
90
7
48
l0
69
8
55
6063-T4
25
172
t3
90
22
35
24t
3l
2t4
l2
22
152
IO
69
)/
255
22
t52
t4
621
9
22
ts2
:)
r59
606
6063-T6 700
r
-o
7001-T6
98
6',76
9l
707s-o
JJ
228
t5
r03
l6
22
152
107 5-T6
6J
512
l)
503
ll
48
JJ
C
cr I
tt / o
n:
Sifat-sifat um u nr : Keuletan: 0,095 sarnpai 0, 102 lb/inr (2635 sanrpai 2829 kg/nrr) Modulus elastisitas: l0 sarnpai 10,6 x 106 psi(69 sanrltai 73 CPa) Kekuatan lelah untuk 5 x 108 siklus
I
Lontpirtrn 225
LAMPIRAN 1O STFAT-SIFAT PADUAN PENGECORAN SENC PadLran
Zarnak .l
Komposisi (persen berat) Isi aluntiniunt
lsi ntagnesiunr
Zanrak
ZA.I2
zA-8
5
24.27
4
4
8,4
II
21
0,03-s
0.0,5,5
0,023
0,023
0.0r5
t,0
1,0
0,88
715
Isi tembaga Sifat-sifat (cetak coran) Kekuatan tarik [ksi (MPa)] Tegangan luluh [ksi (MPa)]
4r (238)
48(33r)
s4 (374)
5e (404)
62 (426)
32 (221)
33 (228)
42 (2e0)
42 (2e0)
s4 (31 t)
l0
7
8
5
?s
r2,4 (8s)
r2,4 (85)
r2,4 (8s)
r 2,0 (83 )
Persen elongasi, panlang 2 irr
Modulus elastisitas
LAMPIRAN
[
11
psi (GPa)]
06
Kondisi
(MPa)
:
lb/inr; 45 l-5 kg/rni)
Ternpaan
l-
lCr Ti-3A ll3V-IlCr l3V-l
:
Keuletan (perserr
elongasi,
(MPa)
parrjang 2 in)
Modulus elastisitas ( 10"
psi)
(CPa)
241
25
172
24
345
40
276
20
I-5.0
t03
448
55
379
I8
15,0
r03
40
276
20
t4.9
r03
I
t30
896
t6
14,1
il0
t280
n5
t2t0
6
r6.0
ll0
821
l0
t6,5
030
7
r6,5
il4 ll4
l-5,0
103
0,163 lb/inr; 4515 kg/mr)
50
Tentpaan
Paduan beta (rapat rrrassa
Ti-3A
:
0, 163
35 50 65
Ternpaan Tempaan
Paduan alpha (rapat nrassa
(ksi)
(ksi)
Titaniurn rnurni komersial (rapat massa
Ti-0,2Pd
Tegangan lu lulr
tari k
Penandaan
Ti-35A Ti-50A Ti-65A
r,3 (78)
SIFAT-SIFAT PADUAN TITANIUM Kekuatarr
bahan
r
0,1
345
76 lb/inr; 4875 kg/nrr)
Didinginkan dalarn 135 udara dari 1400"F Didinginkan 185 udala dari 1400'F
dalam
93
dan dituakan Paduan Alpha-beta (rapat nrassa
Ti-6Al-4V Ti-6A
l-4V
:
Dianil Dicelup dingin dan dituakan pada I 000.F
0,160 lblinr: 4432 kg/nr3)
30 160
|
896
120
I 100
r50
I
226
Elenen-Elenten L'lesin dalom Perancongan Mekanis
12
LAMPIRAN
SIFAT.SIFAT PERUNGGU Kekuatan
tarik
Penandaan
(ksi)
nonrer UNS
Bahan
(MPa)
Perunggu silikon
c65500
Perunggu nrangan
c67500
68 58 65
Perurrggu bantalan
c86200
95
655
c93200
35
241
Perunggu -alurniniurn
c95400
85
586
Paduarr ternbaga-n ikel
c96200
45
310
Paduan tembaga-nikel-seng
c97300
3s
241
Peru
n
gg u-t i m ba
l
-
fos fo
c54400
r
(ksi)
448
Modr"rlus
(persen
elastisitas
elongasi,
psi)
(MPa)
panjan-u 2 irr)
393
20
15
r03
152
60
15
l0:l
207
JJ
l5
l0i
33r
20
121
20
24t
IR
15 14.5 15.5
t72
20
t8
124
lt7
20
16
r
51 22 30 48 18 35 25 11
469 400
Ketiletan
Tegangan lu luh
( 106
(GPa)
103
r00 107
r0
(nikel perak)
LAMPIRAN
13
SIFAT.SIIAT PLASTIK Kekuatarr Kekuatan
Bahan
Nylon
Jen is
66 Dry 66 50% R.H
ABS
lmpak sedang
6,0
4t
360
Irnpak tinggi
50
34
250
t720
9,0
62
340
2340
1,5 8,0 I 1,0
16,0 il 0
Polycarbonate Tujuan unturn
Akrilik
2480
t0,5
12
430
2960
lmpak tinggi
5,4
)t
220
1520
PVC
Kaku
6,0
4t
350
2410
Polymide
25o/o
5.7
39
Standar
graphit
I
kelenqkunsan
i n.tU,in ,Keoa , lanr atl
Gtl) (Ma.)
takik)
4r0 t7 5 3 l0 260 300 460 230 300
79 55
16
1,0
48
t2,8
lus
Modu
letrgkurrg tarik Tegangan luluh (ksi) (MPa) (ksi) (MPa) (ksi) (MPa) 420 2900 83 12,0 |.2 71
Kekuatan
iruoak IZOD
900
88
,
2830
1,0
l2l0
.!,
2t40
4,0
I
1790
7,0
2070
r2.0
3170
0,4
590
1,2
2070
0.4-20,0 (variasi luas)
I
62t0
0,25
powder fi Iler Glass-fiber Laurinate Acetal
filler 27.0 50,0
Copolymer
Polyurethane Elastomer
Phenolic
Uurunt
8,0 5,0 6,5
50,0 70,0
186
34s 55
410
34
I
45
I
I
2830
00 690 00 7580
345 483
13.0 0,6 9,0
3250 4000
22.400
t7,0
27.580
1
315
90
2590
I
t00
7580
800
5520
Polyester dengan penguat serat kaca (serat kaca sekitar 30% berat)
Dituang dan
62
t6,0
r
12,0
83
22,0
t52
r
300
8960
25,0
172
0.0
69
I
300
8960
9.0
l0
disebar, cetak
kontak Dicetak
dengan
rnesin pres dingirt
Dicetak
dengan
penekanan
r
t,3 Tidak patah
4
62
3,0
0.3
Lanpiran 227
LAMPIRAN 14 RUMUS DEFLEKSI BALOK TABEL L14.1 Rumus defleksi balok untuk balok-balok dengan tumpuan sederhana (a)
/,
= !,n"* =
tengalr-rengah
#di
Antara A dan B:
-P' 'v= 48Et
t3t'-4xt)
(b)
-Pab(t+t)Jiq(L+A
.fn,".
27
EIL
di x, = ,RL.L,)l3
)',,=-SAt P..:
b:
Pada beban
Antara A dan B (segnren yang lebih panjang):
_pb.r .. .j 'l'=-(L--D--.\.-) 6Eil, Antara B dan C (segrnen yang lebih pendek):
-Puv . ., , ')'=-(L--t.--u-l 6Eil, Pada Lrjung entperan di D:
t',,
(r)
Puhc
=-(L+(/) 6Eil,'
_pa ,rr = -t_", _ _-:__:_(31: _4ar) di rengah_rengah 24
!u
=
Et
_p,, )', =7ffOr-4n)
pada beban
Antara A dan B:
r Antara B dan
=
- P:'
7fi{s,t
-3tf
- x')
C'.
t =-ffrtn-3r' -a')
228
Elenren-Elenrcn Mesin dalam Perancotlgcttl Mekqni's
I
(ilal loJd =
.)'lr = /u,"* =
-)11',L
-5il/t
384Et
384E|
di tengah-tengah
Antara A dan B:
),=
-tt:r 24EI
111
-2L.r'r +.rt.;
Pada D di triung: trLt o ), t,
Arrtara A dan
24Et
B'.
-"'' ', = 24 EtL-[n' 12L- a1' -2ax2 (2L- a)+ Lx]l Antara B dan
C'.
_tt'rr=(L-.r) ., (4L.\'- J.r't - ,rt I 24EIL
I'1,,
:
motrletr terPusat di B
Antala A dan B:
io' zr l.r'-ll ,on=-' "l L) ' 6Etl' L,
Antara B dan C:
,=#1r,,.,"-;-[ ".+).) Pada C di ujLrng el.llPeran:
-Pa2 r.=-(L+o)
,
r:
-
3Et
Di D, defleksi nraksinlunl arah ke atas:
r'. JII
Patj
=0.06415EI
Lampiron 229
lixtl
irr.rrl =
Pada C' di tengah-tengah:
ll
[1,r_ Znr_2a( ,,, \) 't.__tv(L_2o), 384Et lL tlt_zo)) Pada
',.
A dan E di ujung:
_
.,[ ,
-tv(L -2a)' ol _, * o(
)'] " )' ,\L_2u) -\t_2,r ))
24EtL |
Pada C di tengah-tengah:
"
A.a
r-
"E '{]
PIla &EI
J I
Pada A dan E di Lrjung pada beban:
-Po'( 3 \ 't'=-liEl[ tt+-Ll ] ) dirtrihuterl loarl
Pada B:
,:
L' EI
O-O32o|tt'"t
Pada D di ujung:
-r
r'al-'
(4L+3a\
24Et Sumber: Engineering Data.for Aluminum Slructures (Washington, DC: The Aluntinunr Association, 1986), pp.63-17.
230
Elemen-Elenten Mesin clqlom Perancotlgotl Mekuni's
TABEL L14.2 Rumus defleksi balok untuk kantilever Pada B di ujung:
_PL. /il,i\
)tt
Antara A dan
3El
B'.
p..l
.,,=1-l-13L-r) 6EI Pada B di beban:
-Pct' 3EI Pada C di ujung:
^:
-rq ,^, !t = "r'rlrr\=-lJL-(ll 6El Arrtara A dan
,
B'.
-P.l't
--
.,=_1Ja_.t) 6EI Antara B dan C: D, ,1
'
1,
_ _(Jf,._
(/,
6Et
lll:
beban total
: rrl
Pada B di uiLrng:
)lt Antara A dan
/trrfl\
-I,VL.
gEl
B'.
-Wx' 't.=_l2L: EtL'
+(21-.r.):l
?.4
,4.y',,
:
rnonrerr terpusat di ujung
Pada B di ujung:
)'rr
- -M2Et"L' =)'u,"*:
Antara A dan B:
, =--M..r1 ' 2Et
(Washington, DC: The AltrlninLrnr Association, 1986)' pp'63-77' Strnrber: E,gineering Data./br Aluntinunt Structures
Lcrtrtpircttt 23 I
TABEL
L14.3
Diagram balok dan rumus defleksi balok untuk balok-balok statis tak tentu
(a)
Defieksi
Di B pada beban:
/ t \ M^ I
),u
'
Ro )
z
tt/t6
,1,,.,_
l,
terjadi di
v:
= !,,,o*
I
y
=
_Pt: lO7 EI
I
t)
I
Antara A dan
B'.
-P-r'r 'y=-(9[_11"\.) 96Et
Momen tengkung, M
0,44L yakni di D:
ltt
I
geser,
769 EI
l'+l
tt/:o p Gaya
,D = -7
Antara B dan C:
-Pv
"v = 96Et (3L'-5y') (b)
Reaksi
n,
=!!6t 2L' '
-u.7
n, = !1.r 1u*zt1 2t; Momen
u,=-!!6+t7 2L, tr,,
=!i!1t+zt1 2t)
Defieksi
Di B pada beban: v,,
=*I.,,.eL+h) I2EIL '
Antara A dan B:
-P'r':q,rC, .r, = I2EIL' -C..r.) ' C, -- oL(L + b);
C,:
(L + a)(L + b) + aL
Antara B dan C: Pct'v
_, [3tjh_v:(31_d)] '.r,=l2EtL'
l3l
f...cnten-Elenten,ltesin dalam Peroncongqn Nlekqni.s
Reqksi 5
R.,8=:lV
n.,8 =irr lVlonren
t:
Mo: -0,12511tL l'lt - 0,0703WL Defleksi
PadaCdix:0,579L: Gaya
geser, v
-trD
V.=l' /ntf,\
Jt
I
8581
Pada D di tengah-tengah: Momen [engkung,
-lyL'
IA
t92Et Antara A dan B:
' (iL-l.r) .r'- -lvx)1L-.r-),., 48EIL Reaksi D -_ -3
Pa
'2L /;\ R =Plr+ill " ( 2L)
M4
J
(
M,=-Pa 0 Gaya
geser,
Y
.-RA
tl
Momen lengkung, M
.t
u,,: -io De.fieksi Pada C di ulung: : -t\ dot 4L' ' 3L' ) -rI
0
Lantpiran 233 (e)
t.
Montett
-
_t
M,t=Mn-M,.=
,
'/
PL 8
(
\
/
fi.,
I
ll'
Defieksi Pada B di pusat: _ PL,
I92EI
It.i
Gaya
{l
geser, y
Antara A dan B:
-P,rr .1,=-(3t-4.1.) 48EI Momen lengkung, i,t
a
Reuk.si Ph1
(
RA
= .
&
=$or'*,r
)I
trl.t
M,,
M,,
(3a+b)
=t-Pob2 2 Paz
Gaya
geser,
v
ilt
()
,
b)
t
/*1
-Pazb t.1
Defleksi Di B pada beban: t,-Momen [engkung, l\'l
- Pcl b' 3 EII,'
2oL
3a+b -2pcl b, 3
El(3u + h):
Antara A dan B (segrnen lebih
pan
jang):
I'x2 b2 , = -UrA l2o(L- x)+ L(u -r)l
Antara B dan C (segrnen lebih penclek): Pr,:
t:
_ -,r.=-6Ett ,
l'2h(L_ u)+ L1h_ r.)l
23{
Elemen-Elenren Mesin dalam Peroncangan Mekanis
-LVL M.=M..=AID tt _ lvl, -
) ,11
il/L
"24-
Defleksi Pada B di pusat;
-I,yt: 38481 Arrtara A dan C: -11'.f- -, "t,=_(L_.r)24EI
.r
Reaksi
R,=& R,,: Goya
=3wL 8
1,25 wL
gst., V,t
=V, = Ru = R, _3tyL 8
,,,,8 5tL
Shiiirnlr!
lorr'r- l'
Momen
Mo: M,,:0,0703 v,L2 Mu: -0,125wL2 Defleksi l1*urli ng
Pada
x,
:
0,4215L dari A atau C:
nl(r11lc flt,
,.]
,U
/
Antara A dan
rnc\
-wL
l85 EI
B'.
rl ').=48Et (l.r-3L.r' +2.r')
Lompiran 235 (i)
Reuks
w=
i
Rr: R,,:0,4tt;L Rr: R,': l,l1t'L
rrnifi:rml! distribr.rtcd load
Nlonten
Al,,: M,:0,08r112 lVl,,: l'4,.:-0,
{).-1rr 1.
Gava
g"r"r, v
{'l
l0rrlr:
Mn^,
M, :0,025lvL2
Momen
Iengkung,
It
ll
(t)
Ru: R,,:0,393tt,L Rr: R,,: l,l43y,L R,.:0,g2gtvL L
Goy,a geser
l/,,- +0,393wL
llt
-V,,: {\.31tt..,--i Gava
g"rui,
y ll
Momen
[engkung,11
-0,607vL
+V,,: +Q,Ji$1y1, V,.: -0,464t1L +Vc: +0,464tYL
l
-V,,: -0,536rL V": +0'607vL -l/,,:4,393u,L 44,'
Mt
M
M(
M
- ful ,,: -0, 107 lvL2: - M :0,0772w12 : -0,0714w12 : A4,,:0,0364tyL1
M,,,n*
Sunrber: Engineering Duto.f ot' Aluminum Structures (Washington, DC: The Aluminunr Association, 1986). pp.63-11
:36
f,.icmen-Elenten Mesin dalam Perancongon Mekanis
LAMPIRAN
OAMBAR
15
FAKTOR KONSENTRASI TEGANCAN
[I5.I
3.0
Poros silindris bertingkat
'' n.lrfl
r ;--:
1.6
,]
2.2 K,
l.g
L{ 1.0
0.11.t
0.0tJ
tr\ I'
*"* MC I.S
?.6
:.1
s
l.{
1l
K,
I.8
l.{ l{i
0,04
ri.t]il
t.5
(' =i:l ?nt'*
I.+
,n.,1]'
l.l
-lt(]'r,i
,,
'
{, L: Dtcl
Did
Ll
* 1.0 = t.)5
l)trl - I
1.0
0.04
0.i)8
{1.r2
{).t6
rld
11
T
.:;L,,
ln
t Lurrrpiron 237 OAMBAR
tI5.2
Pelat rata bertingkat dengan filet
A',
lr 't,,
^
"*
L-
t ',,
'',
K,
0.
l6 0.:0
{1.24
LI'
,, A:-'
{I,,,.,. (t '.,,j
llc rti,,J"*-7*: . K,
ll;lt * ).o l.: r.05 (). t6
t'.20 0.1,1 0.28
th:
y I:
138
Eicnen-Elenten Mesin dalam Perancangon Mekonis
oAilBAR
!t5.3
Pelat rata dengan lubang di tengahtengah
A, Jo
0.1
0.1
0.4 0.5 1,.6
()E 0.4 ltl
() 7
t!i\' Beban tarik yang diberikan melalui pena pada lubang
FF o^'''=T;,=,;:J,r
{, n.,",
e
---->"
r
f*t..l/t * -:--;:-
= 'i-
llr -.r1,
.......> -t4
{-l F
KLtNa C Momen lengkung pada bidang pelat
KuNa B
Kurva A Tarikan lurus pada pelat
F = beban total
lll * \'-', -
--irn.,,
6;1lu'
iT;;t
r-*+---1
/l1\1\
,) {
Y l},,
Catatan: K, = 1,0 untuk diw <0,5
Lompirun 239 OAMBAR
1I5.4
r
Batang silindris dengan lubang melintang
r.0
t0.0
r+FI
9.0
8.0
Geometri dasar
7.0
K,,
6,0
5.0 4.0 3.0
2,0
ln
0 0.t 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
4.7
dlD Catatan: K,o didasarkan pada tegangan nominal pada batang silindris tanpa lubang (penampang utuh)
o**
ffi
or*r=f
= r(1dgrox
r
*",=
KtrTt
*,
Kurva C Puntiran
Kurva B Lengkungan ,
*#^
fFir=) .=y -troq S tDlA2
' t*t
T=
TT
h
tcD3/16
2{0
Eienen-Elenten Mesin dalan Perancqngpn Mekanis
LAMPIRAN 16 PROFIL BAIA STRUKTURAL
.{ rr
i,
-''ut't
Pusat berat
o"o'
-r.. 11.'
-x
luL
TABELA16.1 Sifat-sifat baja siku, sama
KaKr
oan oeoa
KaKr,
proll-L"
Surnbu X--\'
Luas Penandaan
L8x8x
I
LBxSxt/z
L8x4x
I
(in')
15,0
7,75 I 1,0
Berat per kaki
(llr)
5 1,0
26,4 37,4
LB x 4 xt/z
5,75
19,6
L6x6x% L6x6x3/8 L6x4x% L6x4x3l8
8,44
28,7
L4x4x1/z L4x4x1/o L4 x3 xt/z L4x3x1/o L3 x3 x'/z L3 x3 x t/. L2 x2 x 318 L2 x2 x t/a
L2x2x ll8
4,36
14,9
6,94
23,6
3,61
12,3
3,7 5
12,8
t,94
6.6
3,2s
ll.l
t,69
5,8
)1<
9,4
1,44
4.9
1
(ina)
89,0 48,6 69,6 8,5 28,2 15,4 245 3,5 5,56 3,04 5,05 2,77 2.22 1.24 3
r
1,36
4.7
0,93 8
3,l9
0,479 0,348
0,494
1.65
0.1
90
S (inr)
ls.8 8,36 14, 7
)'-
Su'nbu Z-Z
)'
v
I
s
",I
(in)
(in')
(in')
(in)
t'a
2,37 89,0 t5,8 2,37 2,19 48.6 8,36 2,19 3,05 I r.6 3,94 2,86 6,74 2,t 5 0,8-s9 t,78 28,2 6,66 I,78 1,64 t-s,4 3,53 1,64 2,08 8,68 2,97 1,08 t,94 4,90 1,60 0,94 r, l8 1,97 I, 8 5,s6 1,09 3,04 1,05 I,09 1,33 2.42 t.l2 0,821 t,24 1,36 0.599 0,896 0,932 2,22 t,0'7 0,932 0,842 1,24 0,571 0.842 0.636 0,479 0,351 0.636 0.592 0,348 0,247 0,592 0.s46 0. 90 0,131 0,546 1,0_s
t
,49
6,66 3,-s3
6,25 3,32
r
1,97
I
1,05
r,89
t,00 1,07
0,577 0,351
0,247 0.1 3
Surnbu
1
r
(in) (des) r,56 45.0 1.59 45,0 0,846 ri.9 0.865 14.9 t,t] 4-5,0 I, r9 45.0 0,860 0.877 0.782 0.795 0.639 0.65
I
0.584 0,592 0,389 0.39
I
0.398
*Data diambil dari banyak sunrber. Ukuran yang tercanturn mervakili sebagian kecil dari ukulan yang telsedia. Colalan: Contolr penandaan: L4 x 3 x t/z 4 = panjang dari kaki terpanjang (in); 3 : panjang dari kaki terpendek (in);t/z: ketebalan kaki (in) Z-Zadalah sunrbu rnornen kelembaman nrinirnutn (0 dan jari-jari girasi (r) 1: nrornen kelembarnan; S: modulus penanrpang; r : jari-jari girasi.
23.2 24,0 4_s,0
45,0 28.5 29,2 45.0 45.0 45.0 45,0 45.0
Latrtpit',tu 211
---- Flens Rusuk
\:'----
x
'- Pusat beral
TABEL 416.2 Sifat-sifat baja kanal StandarAmerika, profil-C.
Penandaan
Keda- Ketebalan lanran rusuk (in) Luas (in'z) (in)
Surnbu,\-{
Flens
Lebar
(in)
Tebal ratarata (in)
Cl5x50
14,7
I5,00
0,7 t6
3,7 t6
0,6s0
Cl5 x40
I 1,8
r
5,00
0,520
3,520
0,650
Cl2x30 Cl2 x25 Cl0x30 Cl0x20 C9 x20 C9 x 15 C8 x 18,75 C8 x ll,5 C6 x 13
8,82
12,00
0,5
l0
3,r70
0,501
7,35
12.00
0,3 87
3,047
0.501
8,82
r0,00
0,613
3,033
0,436
5,88
r0,00
0,3'79
2.739
0,436
5,88
9,00
0,448
2,648
4,41
9,00
0,285
5,51
8,00
3,38
/s
(in')
404 349 162 144 103
(in') 53,8 46,5
2t,0 24.1
20.1 15,8
0.413
78.9 60,9
2.485
0,4r3
5
1,0
l l,3
0,487
) \)1
0,390
44,0
I 1,0
8,00
0,220
2,260
0,390
3,83
6,00
0,437
2,151
0,343
C6 x 8,2
2,40
6,00
0,200
1,920
0,343
C5x9
2,64
5,00
0325
1,885
0.320
r3,-5
32,6 8, 14 t7,4 5,80 13, I 4,38 8,90 7,49 4,59
2,29
3.56
C4 x 6,7
t,97
5,00
0,r90
t,750
0,320
C4 x7,25
2,t3
4,00
0,32
t.72t
0,296
C4 x 5,4
t,59
4,00
0,1 84
l,-584
0,296
C3x6 C3 x4,l
l,l6
3,00
0,3 s6
1,596
0,213
3,85 2,01
1.38
l,2l
3,00
0,1 70
1,4
)7i
1,66
I, r0
r
l0
o
3,00 t,93
Surnbu )'-)'
/S-r (in') (in') r r,0 3,78 9.23 3.37 5.t4 2.06 4.41 t.88 3.94 r,65 2.81 t.32 2,42 t,t1 1,93 l.0l t,98 ,01 1.32 0.78 I ,05 0,642 I
I
0,492 0,450 0,378 0,343 0.3 l9 0.283 0,305 0.268 0,t97 0,202 0,693 0.632 0,479 0,433
xData diarnbil dari banyak suurber. Ukuran yang tercantunr rlewakili sebagian kecil dari ukuran yang tersedia. (lotatun: Contoh penandaan: Cl-5 x 50 I5 : kedalaman (in); 50 : berat per paniang satuan (lb/ft) / - rnonren kelenrbarnan; S: modulus perlarnpang.
(in) 0,798 0,777 0,674 0.674
0,649 0.606 0,583 0,586 0,565 0,57
I
0,5 14 0,5 t
I
0,478 0,484 0"459
0,457 0,455
0,436
212
Elenan-Elcnten Mesin dalqm Perancangan Mekttnis
TABEL A16.3 Sifat-sifat baja profil flens lebar, profil-W.
Penandaan Luas
(in2)
Kedalaman
Ketebalan rusuk
(in)
(in)
x76
22,4
)i q)
0,440
W24 x 68
20,1
23,73
0,415
W2l x73 W2l x 57
21,5
21,24
0,455
16,7
21.06
0,405
\N24
Wl8x55 Wl8x40
16,2
l8,t
I
0,390
il,8
17,90
0,3 l5
W14 x43
t2,6
13,66
0,305 o ?5s
W 14
x26
7,69
r3,9
r
W12 x 30
8,79
t2,34
0,260
Wl2 x l6 W10 x l5 Wl0 x l2 W8x 15 W8x l0 W6x 15 W6x 12 W5x19 W5x16 W4x 13
4,71
I r,99
0,220
4,41
9,99
0,230
3,54
9,87
0,r90
4,44
8,l
0,245
2,96
7,89
0,1 70
4,43
5
C)C)
0,230
155
6,03
0,230
5,54
5, t5
0,270
4,68
5,01
0,240
3,83
4,16
0,280
l
Sunrbu,Y-X
Flens
Lebar (in) 8,990 8,965 8.295 6,s55 7,530 6,015 1,995 -5,025
6,520 3,990 4,000 3,960 4,015 3.940 5,990 4,000 5,030 5,000 4.060
Tebal
(in) 0,680 0,585
0.740 0,650 0,630 0,525 0,530
0,420 0,440
0,265 0,270 0,210 0,3 l5
0,205 0,260 0,280 0,430 0,360 0.345
/s
(in')
Sumbu
/s
(in')
2t00 116 r830 154 r600 l5l ll70 lll 890 98,3 612 68,4 428 62,'t 245 35,3 238 38,6 103 t't ,t 69,8 r3,8 53,8 I0,9 48,0 I 1,8 30.8 7,81 29.1 9,12 22.1 '1,3t 26,2 10,2 2l,3 8,5 I 1,3 5,46 r
(in') 82,5.
/-)' (in')
18,4
70"4 15,7 70.6 17,0 30,6 9.35 44.9 I 1.9 19, r 6,3s 45,2 I r,3 8,9 r 3,54 20,3 6.24 2,82 l.4 2,89 1,45 r, t0 2, l8 3,41 I,70 2.09 r,06 9,32 3.lt 2,99 1,50 9, 3 3,63 l,5t 3,00 3.86 r.90 r
r
*Data diarnbil dari banyak surnber. Ukuran yang tercantum rnewakili sebagian kecildari ukuran yang tersedia. Catatan: Contoh penandaan: Wl4 x 43 l4 : kedalaman nominal (in); 43 : berat per panjang satuan (lb/ft) /: momen kelembaman; S = modulus penampang
Lompirttn 243 , ilens t-
Kedalaman
Hltsllk
t:,
: X'
"::- -
,
-'
X
I
"i
i' }.:
TABEL A16.4 Sifat-sifat balok baja standar Amerika, profit-S.
Penandaan
S24 x 90 S20 x 96 S20 x 75 S20 x 66
Sl8x70 Sl5 x 50 Sl2 x 50 Sl2 x 35 Sl0 x 35 S l0 x 25,4 S8x23 58
x
18,4
S7x20
x 12,5 55xl0 56
34 x 7,1 53 x 5.7
Luas (in')
26,5 28,2 22,0 19,4 20,6 t4,7 14,7 10,3 t0,3 7,46 6,77 5,41 5,88 3,67 2,94 2,26 1,67
Kedalaman
Ketebalan rusuk
(in)
(in)
24,00
0,625
20,30
0,800
20,00
0,63s
20,00
0,505
18,00
0,71 I
t5,00
0,550
12,00
0,687
t2,00
0,428
t0,00
0,594
r0,00
0,31t
8,00
0,441
8,00
0,211
7,00
0,450
6,00
o
5,00
0,2t4
4,00
0,1 93
3,00
0,1 70
)1)
F-
Lebar
(in)
Sumbu X-X
lens
Tebal ratarata (in)
7,125 1,200 6,385 6,255 6,25t 5,640 5,471 5,078 4,944 4,66t 4,t7 t 4,00 t 3,860 3,332 3,004 2,663 2,330
0,870
0,920 0,795 0,79s 0,691
0.622 0,659
0,544 0,49
t
0,491 0,426 0,426
0,392 0,359 0,326
0,293 0,260
/,s
(in')
(in')
2250 87 t670 165 1280 128 tr90 ll9 926 103 486 64,8 30-5 50,8 229 38,2 t41 29,4 124 24,7 64,9 t6,2 57,6 t4,4 42,4 t2,t 22,1 1,37 t2,3 4,92 6,08 3,04 2,52 r,68 I
Sunrbu
1,S (in')
44,9 50,2 29,8 27,7 24.1 15,7 t5,7 9,87 8,36 6,79 4,31 ).1)
3.17 1,82 1,22 0,164 0,455
*Data diarnbildari banyak sunrber. Ukuran yang tercantunr nrewakili sebagian kecil dari ukuran yang tersedia. Ccttatun: Contoh penandaan: S l0 x 35 kedalarnan nominal(in); 35 : berat per pan jang satuan (lb/ft) momen kelembarnan; S: modulus penantpang.
l0:
1:
)'-
)'
(in') t2,6 13,9
932 8,85
1,12 5,57 5,74 3,89 3,38 2,91 ?.,07
l.do t
.64
r.09 0.809 0.574 0.390
:{{
Eicmen-Elenten lt'lcsin dalom Perancangon l.fekunis
l
L TABEL A16.5 Sifat-sifat pipa, bujur sangkar dan empat persegi panjang struktural* Sunrbu,Y-,Y Luas
Ukuran
8x8x% 8x8x% 8x4xt/z 8x4x'/o 8 x2x'/o 6x6x'/z
(in') t4,4
75q 10,4
Berat per ft (lb) 48,9 25,8
i5
?
559
19.0
4,59
15,6
10,4
1(
'
6x6xt,/a
550
r9,0
6x4xt/q 6 x2 x
4,59
ls,6
1,/q
3,59
t)')
4 x 4 xtt'z
6,36
2t.6
4 x 4 xt/.1
i5q ?5q ?5q
t)')
4x2xt/t 3x3xt/o x2xt/o 2 x2 xt/o 3
8.81 8,81
2,09
'7,11
1,59
5,41
I
Sunr[>u
.s
(in')
(
in')
l3l 32.9 75,1 8,8 15.1 18,8 45,I r 1,3 30, r ,52 50,5 16,8 30,3 r0, 22,1 7,36 t3,8 4.60 12,3 6, 8.22 4,I 4,69 2.35 2,t0 3, r6 2,21 1,47 0,766 0,766 I
7
r
13 I
(in) J.UJ 3.1 5
2,69 2,84 2,56 2,21 2,33
2,lg t,96 r.39 t,5
I
1,35
l,l0 1,03
0,694
I
.S
(in')
(in')
)'-I
l 75,1 24,6 15.3 3,08 50,5 iO,i il,1 2,31 12,3 8,22 1,54 3,16 t,l5
t3
32.e 18,8 12.3 7.63 3,08 16.8 r0. l _5,87 2.31 6.13 4, il r.54 2.r0 I, t5 0,766 0.766
*Data diarnbil dari banyak surnber. Ukuran yang tercantunr nrervakili sebagian kecil dari ukuran yanc tersedia Cototan: Contoh ukuran: 6 x 4 x I14 6: kedalaman vertikal(in)14: lebar (in); %: ketebalan dinding (in) / : rnonren kelernbaman; S: modulus penanrpangl r : jari-.iari girasi
(in) 3.03
3.15 1,54
r.65 0,8 I 9 2,21 2, r
j
j
.60
0,802 1,39
l,5l 0,170
r,l0 0,742
0.691
Lctntpit'rrtt 215 TABEL A16.6 Sifat-sifat pipa baja tempaan American National Standard Schedule 40 dilas tanpa kelim Dianreter (in)
Si
Luas
Tebal Nominal
3/ /a t/z
3/
/4 I
I
t/o
t% 2 :1t//2 3
3t/z
4 5
6 8
penantpang
Monren
Modulus
Moclulus
penanrllang.
penanr l)ang.
Dalarn
Luar
aktual
aktual
(in)
0.405
0,068
0,072
0.00106
0,t22.
0.00-52-5
0,010)0
0.540
0,088
0.125
0,0033
0.01221
0.02.1-5.1
0,675
0,09
r
0,t61
0.00729
0, l(r3 o l()c)
0.02 t60
0.04320
0,840
0,t09
0,250
0,01709
0,26t
0,04070
0.08 H0
r,050
0,il3
0,333
0.03 704
0.334
0,070-55
0"
1,3 15
0,r33
0.494
0,08734
0.421
0, I 328
0.16-i(r
I,660
0,140
0.669
0,1941
0,53 9
0,2346
0.-l(i9l
I,900
0, l4-5
0,799
0,3 099
0.623
0.3261
0.6r]-t
2.37 5
r,075
0,6658
0.181
0.5607
2,875
0,154 0 ?oi
1,704
1.530
0.911
I.061
3.500
0,2t6
2.228
3.0
t]
t.163
l.7t-l
i.ll
s
4.000
0,226
2,680
4.788
1.337
].;S
S
4.500
0,231
3.174
7.21_l
t.5 I0
l. i 9-+ 3.t r5
6.-ll
r
4.3 00
I-i. t6
1.878
5..151
I
8.496
I 6.'r
0.269 0,364 0,493 0,622 0,824 1,049 1,380 1,6 t0 2,061 2.469 3,068 3,548 4,026 5,047 6,06s 7,981
'/s t/q
dinding
Iat-si l'at penantpang
lintanu logarl
(in')
inr)
girasi (in
/
(
I
)
S
(inr)
2,,(int)
t.l] [8
l.
0.258 0.280
-5.58
I
28. i-1
a 1J5
8,625
0.i22
8.399
72.,49
2.918
t6.8
10.750
0.365
il.91
160.7
j.6 74
2.9,91
12,7 50
0,406
I5.74
ioo
?
4,364
41.09
9-1. I
732,0
5,484
9 1.50
Itii.{r
t2
I
l6
r5,000
16.000
0,500
24,35
t8
16,876
18.000
0,562
30.79
|72
6,r68
r30.2
il
1-+
s,563
10,020
,938
.lari-.jari
6.625
l0
I
kelernbarlarr
[).t)t, ',
I
.; i, 260.1
S
r
2t6
Elemcn-Elenten Mcsin dalom Pcrancangen ll,lekuni.s
LAMPIRAN 17 PROFIT ALUMINIUM STRUKTURAL
__*-_
|
t - . I .-.........-....-*. I... l,' ii1i I lt
-ll
'
' l! \ 'I l:
\ Pusat berat
Itn I
lu IL_:I: 1', 4.
lt
>
)'
I
t*....
TABEL A17.1 KanalstandarAluminumAssociation: ukuran, luas, berat, dan sifat-sifat penampang Si lat-si
Ukuran Keclalanran, Bcrat, B (in) .4 (in) 2,00 2,00 3.00 3,00 4.00 4.00 5.00 5.00 6.00 6.00 7.00 7.00 8.00 8.00 9.00 9.00
r0.00 10,00 12.00
I2.00
1.00 1.25 r.50 t.75 2.00 2.25 2.25 2.7 5 2.50 3.25 2.7 5 3.50 3.00 3.75 3.25 4.00 3.50 4.25 .1.00 5.00
Luas* Bet'at'l (in') (lb/f|
Tcbal flg115.
(in)
r 0.57'/ 0.13 0.91t 1.07t 0.26 0.965 r.135 0.20 l.35tr 1.597 0.26 r.478 r.73n 0.23 l.9tt2 2.33 I 0.29 l.8ti I 2.212 0.26 0.49
2.627 3.0n9 r0 2.tt34 3.127 4.030 2.725 3.205 4.009 4.'715 3.526 4.t4'7 1.923 5.789 4.237 1.983 5.927 6.970 2.4
5.2
r8
6.
r36
7.109 8.360 '1.036 8.2'7 4 r 0.053 t 1.822
7,
Tcbal rusuk-
(in)
1
t3
0.10 0.15
0.
1?
(in)
0.17
l3
0.25
0.17
0.25
0. I_i
0.2,5
l9
0.25
0. t5
0.-.10
0.
0.
/
(irrr) S (inr) r (in)
I 1.97 l.9l 5.21 7.ntt I l. 14 t4.15 l.-t
0.045
4..15 4.71i
2.06 2.41
t
0.30
0.t7
0.10
0.35
0.21
0..-i0
0.29
0.
t7
0.i0
0.38
0.2
r
0.3 0
21.()1 7.01 22,09 6.3 r 33.79 9"6i
0.35
0.19
0.3 0
3
0.4r
n?\
0.3 5
52.(19 13.17
0.35
0.23
0.-.r5
5,1.4
0.,14
0.29
0.,15
78.3
9.3
5
))
1.1.1
0-1il.1 0.95
0.80
I 12.09 ,'i.58 I 17.40 1.63
0.-3 5
0.40
0.41
tJ.29
0.40
83.22 r6.6.1 3.99 l5 23.23 .1.01 t59.^76 26.67 1"77
0.62
0.3 5
0.15
239.69 -'19"95
ll(r.
.1.18
rt
0.3 7
0.45 0.(r(.)
9.6
|
0,65 0.7r,t
0.7i 0.79
r.05
l. r2
0.88
0-ti4
l3
1.20
2_21
l.
3..19
0.9(r 0.93 1.20 1.22 1.02 0.9 j 1.2'7 1.25
2.56
r.
r0
1.02
.+.11
1.35
1.3-t
.03
1.8(r
25.'71
7.(r0
I
0.62
l. r0
(r.33 t3.02 I
0.49
I .7 6
3.25 1.57 7.13 2.82 4.40 t.89
3.27
0,471
0.90
j.l3
3.26
0.291r
t.-ji
2.90
r
))
0.303 0.391
(in)
2.05 3.7(r 2.10
0.25
0.06.1
-v
0.(r4
0.91i
2.85
0.3
(inr) r'(in)
0.17 0.55 0.64 0.72 0.72
0.42 0.60 1.02
2.48
0.50
S
0.t39 0.r78
0.9{ l.2 l.3t t.20 t.95 t.63 2.6() t.62 3.15 2.05
0. t9
7.10
(inr)
(\
0.32
r
1
0.288 0.288 0.76(r 0.546 0.5.16 0;7'71
0.29
0.4
:!
Surlbu )- )'
Surubu.\'-.\
.lari-.iali
lllct.
lat pcnanrpartg
r.25 t.60
Sumber: Aluminum Association, Aluminum Stondords qnd Dalu. llth ed., Washington, DC, O1993. p. 187. *Luas yang tercanturn didasarkan pada ukuran nominal. 'i'Berat per ft didasarkan pada ukuran nonrinal dan rapat ntassa 0,098 Ib/ilrr, yakni rapat rxassa padualr 606 l. :1.1: nromen kelembaman; S : modulus penantpang: 1' =.iali-.iari r.lirasi.
t. r4
t.6l
Luntpirttrt 217
;1
I
TABEL A17.2 Balok-l standarAluminumAssociation: ukuran, luas, berat, dan sifat-sifat penampang Si
Ukuran
Srrrlbu .\'-X
Keda-
A Bcrat. /l (in) (in)
lanan,
12.00
2.50 2,50 3,00 3,00 3,50 4.00 4,00 4,50 5.00 5,00 5,50 6.00 6,00 7.00
t2,00
7,00
3,00 3,00 4,00 4,00 5,00 6,00 6,00 7,00 8,00 8,00 9,00 10,00 10,00
fat-si1at penanrpang
Luas* (in,)
Tebal Tebal .lari-.iari t, rusuk, / lilet. R (lb/ft) (in) (in) (in)
Berat'i' flens,
t,392 1,637 t,726 2,030 r,965 2,3 r I
2,375 3,146 3,421 3,990
o)n
1,49
1,27
R
0,26
0, t,5 0, t5
0,25
1c)
0,17
0.2-5
5,62 6,71
3,36
r,68
t9
0.30
13,94
5,58
2.I
0.30
21.99 25.50
'7.33
2.53
8,50
15i
42,89 59.69 61,78
12,25
2.95
14.92
i i7
16,94
3,31
3,700
0.32 0.29
0,
0.19
4,692
0,35
0,21
0,30
4,9)2
5,800
0.18
0.23
0,3t)
s,256
6, r8
r
0 i5
0,23
0.30
5,9'72
7,023
0,41
0,25
0,30
t0
(in)
0.23
o
4.030
,s',
(in')
2.24 2,7 t
t,8
t
r,25
2,8
r
1.69
8,361
0.44
0,27
0.30
102,02 22,61
3.19
8,646
0,41
0,25
0,40
r32,09
4.24
8,747 r0,286 9.925 il.672 t2,153 14,292
0,50
0.29
0,40
155,79 3r,r6
, af a\:L
0.41
0,29
0.40
255,51
5.07
0,62
0,31
0,40
311
7,1
7,352
26,42 42.60
,33 _s2,89
5,1
I
(in')
S
0.52 0,68 r,04 l.3 t 2,29 j. r0 3,74
(inr)
(in)
0.42 0.6 0,54 0,63 0.69 0,73 0,87 0.74 r
I r.55 t,3
0,85 0,95
1,87 0.97 -5.78 2.57 r.08
7.30 2,92 r.l8 8,55 3,42 t.20 12,22 4.4-l r.3l t4,78 4.93 1.42. 18,03 6,0 t 1.44 26,90 7 ,69 1.65 35.48 0. l4 I ,7 I
llth ed., Washirrgton, DC. O1993. p. 187. xLuas yang tercantunr didasarkan pada ukuran norninal. tBerat per ft didasarkan pada ukuran norrrinal dan rapat rrassa 0,098 lb/inr. y'akni rapat rnassa paduarr 606 l. ;i/ = momen kelembanran; S : nrodulus peltampang; r :.jari--jari girasi.
Sumber: Aluminum Association, Aluninum Statrdarcl.s oncl Dutu,
)
I
I (irrr)
0.25 o r5
2,793
0,13
Sunrbu l'-
I
l{8
i..rit.'tt-Elenren llcsin clulom Peruncungon ltlckuni,s
LAMPI RAN 1 B FAKTOR.FAKTOR KONVERSI TABEL A18.1 Konversi satuan AS ke satuan Sl: kuantitas dasar Kuant itas
Satuarr AS
Parr.iang
Tckanan
I I I I I
Energi
r It-lb
Day'a
I ti-lb/s
Ill assa
\\'aktu Gaya
tbot (ft)
ltl
0.3048 rncter
14,59 kiloglarl
slug second
1.0
pound (lb)
4,448 newtorl
6895
lb/in':
Satuan ckivalen
Sinrbol
Satuan SI
kg
seconcl
S
pascal
| .356 -iou lc 1.356 rvatt
N
kg.rn/sr
Pa
N/rrrr irtau kg.ur/s:
J
N.rn atau kg.rtt:isr
W
.l/s
TABEL A1'8.2 Faktor konversi lainnya Parr.iang
r1t
lin I rni
I nri I knr I
crrr
lnr
: 0,3048 : 25.1 : 5280 : 1.609 : I00 :
Tegangan, tel
I lbr'in:
ln
I fir I irrr I rrtr I rnr
: : : :
t0
ntlll
1000
ntnt
645.2
I
inr
I ftr
lftr
Inn]-
10.76
ftl
10"
t.t.ln.t:
I ftr I gal I gal I trrr
=
7,48
gal
= :
0,0283 0,00379
m''
:
iTRi
L I,
:
t000
inr
:
1.1162
='
-5
x
101 nrrrtr
x I0' rrrrr.r'
llapat rnassa
I sltrg/lt'
I
:1728
1.639
.* l lil
Bcrat jcnis Volunre
=
kPa
Moclulus penalnpang
I 0,0929
6.1i95
knr
lll
Mouren kclenrbaruiirr Luas
=
I lb,/ti: : 0.0179 kPa I kip/in'] = 6,895 MPa
Itlnl
inr
lb/lir :
kg/itrr
l-)..1
I57.
I
N/nr'
Energi
I 1r.lb I Btu
lll l
lW.lr
=
-' 1,0-55
1,356
kJ
=
3.600
kJ
.l
T
Tirrgkat aliran volunre I ftr/s
I ftr/s lgal/ntin lgal/nrin
I L/min
:449 gal/rnirr : 0,0283 tnr/s : 6.i09 x l0 5 tnr/s : 3.78-59 L/rnin : 16-67 x l0 " mr/s
I Daya
lb.irr :
0.1
130
: -5-50 ltp lrp = 145,1 I li.lb/s = 1,356 I Btuili - 0.293 W I I
Suhu
r('c)
r(r)
=
[T('F)
-llrtcr 5'
N.rrr
ft.lbrc W W
32]s/9
;:
Lutrrltit'un 219
LAMPIRAN 19 TABEL KONVERSI KEKERASAN Brinell Dianreter indent. (nrnr)
) a5
Rockrvell
kekuatarr
tarik No.+ '7
712
? i(
682.
2,40 2,45
653
627
i
tarik (+1000 psi)
rtclcn t.
(ntrl) 5
No.* 262
(
(10r,0)
24.2
r20
r00.0
22.8
l16
99,0
2t.7
il.1
20.5
ill
(
6t.1
t,ts
248
60.0
j.90
f tl _at
i
23,5
8,7
121
r2i
25-5
c)s
)66
r01,0)
I
r.80
5
Ba.ja:
kckuatan
Dianrcter
i.7
65.3
45
2,30
(+ 1000 psi)
C
I(ockivcll
Blinell
Ba.ia:
1<
t02.0)
2,50
60r
51.3
4,00
229
98.2
? 55
s78
56.0
4.05
223
91.3
(
2,60
s55
54.7
298
4. r0
2t1
96,4
( r7,5)
I0-s
288
4,l-5
212
q55
(
r6.0)
l0l
274
.1.20
207
94.6
(
r5.2)
t00
201
93.8
(
r3.8)
98
2,65
5
3,1
s3,5
2,70
5
r4
52.1
r8,8)
) 7\
495
5 1,6
269
I )t
2,80
411
s0.3
258
{.J
191
92.8
(t2..1)
95
192
9t.9
( I 1,,5)
9i
ti7
90,7
(
r0,0)
90 89
2,85
U
46t
48.8
244
J-ts
444
tl1
4,40
I
J Ji
l8i
90.0
(e,0)
89.0
(8,0)
87
1q5
429
4
5.7
2ir 2t9
3,00
415
44.,5
2t2
4,,50
119
2,90
1
0{
3,
40t
43,
202
,1.5 5
t74
87,8
(6,4)
8-5
l0
388
4 r.8
r9i
4.60
r70
86.8
(5.4)
rJi
3,r5
315
40,4
I84
4,6-5
t6l
86.0
(4,4)
8l
177
.1.70
r6i
8-5.0
(3,j
)
7()
,1.80
t_56
82.9
(0.e)
16
-1.90
l -19
80.8
73
78.7
1t
3,20
363
i
352
?s
39.
I
I
t0.0)
37.9
(
r0e.0)
36.6
t7t t64
33t
(
r08.5)
3
5.5
r59
5.00
t+)
3,40
32t
(
r08.0)
34.3
t,s4
-i.
t0
137
/o.+
67
3,45
3ll
(
r07.s)
33,
r
l -19
5.20
14"0
6-s
':)
I
r46
5.30
12.Q
63
5.40
l3l t)6 l2t
69.8
60
i50
il6
67.6
-58
5,60
lil
65.7
_i6
110
34r
i ls
(I
'l
50
302
(
r07.0)
i
5s
293
(
r06,0)
30,9
t4l
r05.s)
rqo
138
3,60
285
(
i65
277
(
r04.5)
28.8
I3.1
3.70
269
(
r04.0)
27.6
t30
Strnber; Motlun Stcels antl Their Prcputic,l, Bcthlcltern Stccl Co.. Bcthlehcrn, [)A. ()otcr/nn; lni adalah ringkasan dari Tabel 2, Repot't Jll7b, StE 197 I I'lutttlbrtok. Nilai clalarl ( ) adalah di nornral dan disajikan hanl,a untuk infbrrrasi. *Nilai di atas 500 adalah untLrk bola dari lungsten karbida; di lrarvah 500 adalalr urltuk bola stattdat'.
ltrar'.iarrgkaLr
250
Eicntett-Elenten Mesin clalam Perancongon ll'lekani.s
LAMPIRAN
20
FAKTOR GEOMETRI LURUS
'
UNTUK CACAT MUKA RODA GIGI
Subbab 9.10 memperkenalkan faktor geonretri / untuk ketahanan cacat tttuka rocla qisi ltrrtrs sebagai sebuah faktor yan-rr nrenghubungkan geometri gigi rodagigi ke.jari-jari kelengkLrngan gigi. Nilai lditenttrkan pada tilik terhuv'uh cllri kontdk
gigi tunggal(LPSTC). AGMA t.nenentukan / sebagai
I:
L-,L"
dengan
C. adalah faktor kelengkungan pada garis.iarak bagi C, adalah faktor penyesuaian untuk tinggi spesifik dari LPSTC Variabel-variabel yangterlibatadalahsuduttekan,Q,.jumlalrgigi padapinyon,N,,,rasiorodagigi m,.:N,lN,,. Pelhatikan bahrva 4r,- selalu lebih besar dari atau sanra dengan 1,0, tak peduli gigi nlana yang nrenggerakkan. Nilai C' selalu dihitung langsung dari
L(.
cosf
-
sin
f
)
tttt,
tn,,1l
Perhitungan nilai C, membutuhkan evaluasi terhadap beberapa hal lain.
'
-rt.-
n, R. --
R,,&,
di rnana llasing-lxasing dibangun dalant persamaan Q, N,, dan nr,. bersattra dertgan P,,. Akan ditunlukkan bahrva iarak bagi diarnetral lruncul sebagai penyebut dalanr masing-masing besalan di atas, dan dapat dilrilangkan. Kita.luga akan menunjukkatt masing-tnasing besaran dalam bentuk C/ P,, trntuk kemtrdahall.
R,= Jari-jari kelengkungan untuk pinyon pada titik.iarak bagi D,, sin
^
f 2P,r
f
N,, sin
2
Cl P,t
R,-: Jari-jari kelengkungan untuk roda gigi Dr, sin f
n "('!
D,,mq;
sinf
N,,rrrr; sin
pada titik.iarak bagi
f
Cz
ttt,,C,
2P,t - P,t- P,t 2 2 R,: Jari-jari kelengkungarr pinyon pada LPSTC : R,- Z. R,: Jari-jari kelengkungan roda gigi pada LPSTC : R,,* Z, Z =o.-Z tO
I
po:
Zr,
-
:
Jarakbagi dasar
O,5l
-
=
qT{:
Dn,,'
h
-
+
P,t
Lampiran 251 Kita sekarang menrperlihatkan senrua diameter dalarn persanraarr ini dalanr besalan-besaran D,,,,: Diameter luar pinyon
D,,: Diarneter pinyon D,,,,
:
:
:
(N,,+ 2)l
:
nt
,., dan
P,,.
P,,
N,l P,,
Dianreterdasar untuk pinyon
Q, N,,,
D, cosf
:
(N,,cosf )l
P,r
Perhatikan bahwa masing-nrasing besaran nlenrpunya jarak bagi diarnetral P,,dalant penyebutnya, yang kernudian dapat Z adalalt
difaktorkan di luar akar kuadrat. Hasil persarnaan untuk
(N,, cosf
Sekarang kita dapat nrenentukan Z
.
Z,: l)u-2":('i 't\ "tt P,t-C''' P,t
(i-C+ P,r
Sekarang kita dapat rrrenyelesaikan persatltaalt untuk R, dan R,.
Rt
:
Rr,
P,t
D
4t
Akhirnya, senrua besaran di atas dapat disubstitusi ke dalant persamaan untuk
- - RrR: " R,,&;
[(Cr
-C,
+L',4)l I',rll(Ct
(ct l P,t)('.l
f
C'r
C',.
-
C4)l at]
P,t)
SekarangAnda dapat melihat bahwa.jarak bagi diametral P,, dapat dihilangkan dan nrenglrasilkan bentuk aklrir.
., _- R,Rz (Cr " R,,&;
C',]+C{)(C: +C: -C.r) (('r x('r
)
Algoritrna untuk rnenghitung /sekarang dapat dinyatakan. Terlebih dahulu hitunglah besaran-besaran C.
t: C, : C
(N sinQ)/2
C,:
(N,,m, sinQ)/2: (C,)(rr")
' n Akhirnya,
t,
n cosQ
(Cr
R,t:R.
-Cr tC+XC: *Cr -Cr) (CrXCz)
R,,&; cos
f
sin
f
m(;
,t\; I:
C,C*
I
252
Elencn-Elentcn illesin clalqm Perancengqn Mekonis
fo'nt!-hAZO.I
Fel
Ej\7GEEBE{IAC5
I-litunglah nilai faktor geornctli / untuk cacat uruka bcldasarkan clata berikut irri: Dua roda gigi lurus berhubungan dengan suclLrt tekan 20", N,, - 30, N, = 150. Terlebih dahulu lritunglah:
m..- N..I N
:
|
50/30:5,0
Kerttudiarr
:
:
:
C.:
(N,, sin Q)/2 (30) (sitt20")/2 5,1303 ( N,,rtr, sinQ)/2 (C',)(rrr*) - 25,652
C,
n cosQ
C,
:
:
:
n cos(20') = 2,9521
30:
C,: c, C,
RrR:
(Cr -C',3
RR, (5, t303
2,4401 {30."(r0nt' 1: l
+CrXCr +C'r -C.,) (('r)(c, )
-2,9521 + 2.4401)(2,5,652 -f 2.9521 2,4101) (5, 1303X2,5,652)
_ cosf sin f
Akhirnya. I
2
nt(; _ cos(20') sin(20'X5) : 2(-5 + l) nt. ll
: C,C ,:(0, 1339
I
X0,9 I 826)
:
0"
I
j39
-
0.9 I 828
I
0,12291 = 0. 123
Proses ini dapat diselesaikan dengan baik rnelalui pen'lrogranralr dalant spreadslrcct. MATLAB, BASIC. atau alat banttr korlputasi lairtnya.
Jawaban untuk Soat-Soa[ Terpitih Bagian ini ntenyajikan jawaban-jawaban untuk soal-soal yalrg penyelesaiannya Lrrrik. Banyak soal untuk perryelesaian dalar.n buku ini ntenrpakan masalah perallcangatr yarrg aktual. dan diperlukan keputusarr perancangan yalrg cenrat untr.ri. rnerrdapatkan penyelesaian. Soal-soal lainnya adalah bentuk peltanyaan tirr.jauan yarrg jarvabannya ada dalanr rratcri yarrg dibalras dalanr bab lerkait. Perlu dipelhatikan bahrva bcbcrapa soal rncnrbutuhkan pernililran faktor rancan-gan drrt penggrulaan data dari bagan dan glafik. Kalena dibutulrkau penilaian dan inlcrpolasi. bcbelapa jarvaban cli bagilrr irrr nrungkin berbeda dari jar.vaban Anda.
8.
BAB 16 Bantalan Luncur
I,l2
Sernua soal pada bab ini adalah soal-soal perancangan yang tidak ntenrpunyai penyelesaian klrusus.
BAB 17 Elemen-Elemen Cerak Linier -5. 6. 7. T: 697411't'i'r 8. 7: 37 r2 lb'in I l. SLrdut kisar : 4,72";
C = 8,49;
10.
2067 lb
Rangka Mesin, Sambungan Baut, dan Sambungan Las
I - l6 adalanr soal-soal pcrancarrgan 1'anu ticlak rlerrtpunyai penyelesaiart unik. t7. Diurtrelcr llcrut (lb ltat'
Ulir standar terdekat adalah M5
2862lb
20
Soal
hp
(irt) inci ltLrrtf uttg) lJuhun Ba.ja 1020 IJI{ 0.638 0.0906 0.0160 AlurrirriLrrn 20lr4-T6 0,.151 0,0i28 Ti-6Al-4V('fcranil) 0,i19
a.
mrn lebilt besar (lebih besar 8%)
e. i.
0,91 lb'in untuk tnenrutal pegas 180' : 184 800 ltsi; OK utttuk servis berat
trengunci sendiri
1
9.
:
Tegarrgan
4. Baut Peringkat2 5l16-18; 7: 70,3 lb.in i. F: I r90 lb 6. tr=4,23 kN . UIir nretrik terdekat adalah M24 x 2. Ulir rretrik 1"8 nrerrdekati) 3.61 kN a. t 177 lb
in
Tolsi
BAB 1B Pengikat
8.
:8.70': L -
61 600 psi. Tegartgarr runflr).
BAB
12. Efisiensi:35% 13. n:180 rput;P=0,866 17. 24.7 tahurr
irr; sudut.iarak bagi
9. F,,= 10,25lb; tegangan : 74 500 psi I l. OD: 0.583 in.iika pada pan.iartg solid 12. Fs : 26,05 lb; tegangan : 189 300 (Tinggi) 3 I . Tegangan lengkung = I l4 000 ltsi; tegangatt ptrrrlir 35.
2t/z salrnpai 3 ulir Acnre L> 1.23 in
p:0.241
x
0,8 (#10-32 juga
BAB
21
Motor Listrik dan Kendalikendalinya
c. g. k.
2385
lL')
l08l
lb
r43 Ib
BAB 19 Pegas
. k: r3.3 tb/in 2. L,= 1,497 in 3. F , : 47 ,8 lb: L,-l ,25 in 7. lD:0,93in;D,,,: 1.015 in;C:
13. 480V. 16.
r,: ri. -
diA.S di Perarrcis 17. Motor 2 l
t
I
11,94;N = 6,6koil
3 Ihsa li.alcrra arus aliatt lebilr lendalr dart ukul'art
ruotor lebih kecil 1800 rprn l-500 rprrt
ira)
8. n,-
12
000 rpnr
19. 1725 rpnr dart ll40 rptn 20. Kcrrclali fi'ekucnsi variabel 34. a. Fasa tunggal; rnotor AC fasa terpisalr b. 7:41,4 lb'irr 2s3
25{
Elemcn-Elenren Mesin dalam Peroncangon Mekanis
c. d. 35. b. c. d. 39. 47.
5
l.
T:
r: r:
62,2 lb.in r45 lb.in 4, r5 N.nr
I:6,23
7:
BAB
N'm
14,5 N'm
Kecepatan beban penuh Ipnr
:
kecepatan sinkron
=
720
Menggunakan kendali SCR Tipe I( NEMA untuk nrengubah I l5 VAC ke 90 VDC; nrenggunakan rnotor 90 VDC, Kecepatan secara teori nreningkat tak terbatas.
52. 7: 20,5 N.rn 54. Pengawalan 2 NEMA 55. Perrgawalarr I NEMA
22
Kendali Gerakan: Kopling Tidak Tetap dan Rem
t. T :20,5 lb.irr 3. r: 4l lb'in 5. Data dariSoal l: 7: 7
.
8. r: r43 lb.fi 9. r: 60,9 lb.ri I l. T :223.6 tb.ft 15. F, = 109 tb
17.
l80lb.in
Data dari Soal 3: T :27.4 lb.i'r Kopling tidak tetap: 7 = 2122 N'rn Rent: I-531N'nr
L/
:
138 lb
18. b> 16.0 in
lndeks Babit 8-10
definisi kopling 167 defi rr is i rem I 67
geornetri 3 hidrostatis 22-26 kekasaran pernrukaan l5 kelonggaran dianretral 3, 12, l5 ketebalan lapisan I5
koefisien gesekan l9 koefisien variabel gesekan l9 kurva Stribeck 6 parrjang I I. l6 paranreter bantalan, pn/p 6 palameter pn/p 6 pelunrasan batas -5, 9-l 5 pelumasan hidlodinaur is Iapisan
penuh 5,14-20 pelunrasan Iapisarr canrpurarr 5 pernbuatan alur (grooving) 22 perarlcangan bantalan hidrodinanris lapisan penuh I
I
Kopling dan rern nrodul kopling-r'enr I70 Kopling tidak tetap dan renr bahan gesek I 85-l 86
bahan-bahan 7-9 bilangan klras bantalan l6 bilangan Sornmerfeld l6 taktor keausan 29 faktor pV 9-10
.lari-.iari girasi 176 .yenis-.ienis 170 .jenis pelat 170
jenis plat 187-189 keausan 1 87-1 88 kelembanran 176-180 keleurbarnan ef-ektif I 79-l 81 koefisien gesek 186-187 kopling/rern kentcut 170, 189 kopling beban lebih 200
kopling cakar I 98 kopling fiber 199 kopling IIuida 199
kopling pegas gulung 199 kopling penggulung 199 kopling putaran lunggal 199 kopling selip 170, 172 kopling tetap 169 penrakaian pada urlurrnya 169 penegang (tensioner) 200
8-20
suhu pelurnasan I
kendali kecepatan motor AC
Keausan 29 Koefisien gesek I 86 Koefisien gesekan I 9
Bahan roda gigi plastik 8 Bantalan hidrostatis 22-26 Bantalan luncur
l, l6
ll0-ll4
tap 2
penggerakan
tekanan 6, l6 torsi gesekan dan daya I 9 tunjuk keria bantalarr hidrostatis
penggerak pusaran arus I 99 penyerapan energi I 82- I 83
24
variabel ketebalan lapisan
I7
viskositas l6-17
raset 198 rern cakrarn
Bilangan Sommerf'eld l6
ulir
trk
keria
1
70
I9
l-
195
114-17 5
waktu respons 183-185 Wk2. kelernbarnau l76-180
34
kendali motorAC 141-156 kendali nrotor DC I 59 160 kutub terlindrrng 144 rn en,u,ubah kecepatan rnotor A C I
53-r
55
rrrotor
AC
nrotor motor nrotor rnotor rnotor
DC DC DC DC DC
136-141
lilitan kornporr 157 lilitan seri 157 lilitan shunt 157
nragnet perntanen l-i8 tanpa sikat l6l rrrotor dengan rotor berkuntparalr
t40 nrotor deugan sirkuit tercetak
t6l nrotor induksi 136-138 rnotor langkah I 6l nrotor lineer l6l nrotor sangkar tupai I 37 rnotor satu f-asa l4 l-143 rnotor servo 159
ntotor sinkron 140 nrotor
torsi
I
59
NEMA kelas B. C.
D
138
pengawalan nrotor 148- I 52 penutup nrotor 145-146 penyearah (SCR) I56 perlinciungan terltadap beban
Iebih
152
sunrber daya
DC
156-157
sunrber daya tiga fasa I35
170
170. 196-198
lenr trorrrol trnf
dongkrak
pita
55
sun'lber da1,a satu f asa 134
renr gagal-anran
rern
53-l
tegangan
AC
135
ukLrrarr 134. 146 ukuran rangka 147
universal
l4l
tunjuk kerja
rnotorAC 138-142
(leafspring) 7l tarik 93-98
Pegas daun
Eletnen-eleuren gerak
linie 33-35
Minyak gernr.rk 28-30
Motor Iistrik faktor-faktor penrilihan I 33 Faktor
pV 9-10
fasa terpisah l42
AC 138-142 rnotor DC 157-158
.f enis-.ienis rnotor
.lenis--jenis
Jerris-jenis pegas 69-72
penbuatan 106 shot peening 105
jenis-.jenis rangka 144-141 kapasitor pernisah pernranen 143 kapasitor pengawalan 142
kecepatan 135
Pegas
konfigurasi u.iung 71, 95 tegangan yang diizinkan 78 79. 96 Pegas ulir
puntir 98-105
defleksi 99 .jumlah lilitan 100 konstanta pegas 100 prosedur perancangan I 00. I
04-l
05
2s5
156
I.;,rrstt-Elcnten
:euangan
rl,lesin clalam Peroncong(ttl l\'lekani.s
99
pelapisan dan pcngerjaart
100-103 72-94 ['egas ulir tekan analisis 83-85 bahan-bahan 77-18,82 delleksi 80 dianreter kawat 72-74 faktor Wahl 80 indeks pegas 75 jarak bagi 75 .jurnlah lilitan 75 konstanta pegas 74 perancangan 85-93 perlakuan pada ujung 7 I sudutjarak bagi 76 legangan 80 tegangan yang diizinkan 78-8 I tekukan 8l-82 Pelumas 27-29 padat 29 Pelunrasan hidrodinantis 14-20 Penratrian 64 tegangan rancangan
Pengikat adhesiF
64
63
bahan-bahan baut
jepit
57
53-56
cincin (washer) 63 kekuatan 53-55 lucut ulir 62
rletrik
penratrian penandaan
akhir
64
ulir 55--56
penyoldcran
64
efisiensi 45 kcccpatan
santbungan baut 57, I l5-l
sekrup
5l
17
seklup penetap 63 StandarAnre|il
148-152
defleksi
Raset 198 ReYn 16-17
I
5
I
I
trnjuk kerja 4-5 daya 37-40 daya yang dibutultkan efisielrsi 40
l5
3
trlir Acnre 38' 38-41' 40 Society of Automotive Engineels
(SAE)
53
Sprcadslteet sebagai alat banttr perancangarr
perancangan pegas 88-93
54-56 51
rrodel kepala
81
Sanrbungan baut -57, I l5-l17 Sarttbungan las I l8-126
faktor geonretri 122 jerris-jenis santbungan
l19-120
jerris jenis las 120 perlakuan las sebagai garis l 2 l tegangan yarrg cliizinkan I 19, 120
4l
InengLtnci sendiri (self'-locking) 40 tolsi yarrg dibtrtuhkan 39
8
Rangka dan struktur ntesit.t I l2-l balran-bahan ll2 batas
kritis 46
tekLrkan kolonr 47 torsi 45 unrur ltidtrp 45 Sel
tttotor
Perunggu, penyinteran
torsi I l4-l
ukuran las 120, l2l Sekrtrp bola 35,43 46 bahan-bahan 47
Tcktrkan pegas
alat pengunci beban
54
Ulil pernindah daya sudut kisar 39
Viskositas l6-17
82
