Transcript Elemen Mesin - sigit heryanto

PENDAHULUAN
Elemen Mesin
Metode dan proses perencanaan serta perancangan
bagian-bagian permesinan untuk memenuhi
kebutuhan tertentu.
Suatu rangkaian mesin yang terdiri dari beberapa
kombinasi yang dirancang dengan konsep yang tepat,
sehingga dapat bekerja dengan baik sebagai satu
kesatuan.
Tujuan perencanaan dan perancangan :
Untuk mengetahui jenis sambungan dalam teknologi
permesinan, memahami mekanisme kerja dan
mendeteksi bagian-bagian mesin, serta menguasai
metode perhitungan kekuatan.
Beberapa pertimbangan perencanaan dan perancangan
elemen mesin :
1. Pembebanan
2. Jenis elemen yang bergerak
3. Sifat material bahan
4. Kelayakan pemakaian yang ekonomis
5. Faktor keamanan
Pembebanan (Loading)
Gaya yang bekerja pada suatu bidang. Sumber
beban mencakup energi transmisi, berat elemen,
hambatan gesek dan momen inersia.
Jenis-jenis pembebanan :
a. Beban tetap
beban terpusat, beban merata, beban teratur dan
beban tidak teratur.
b. Beban tidak tetap
c. Beban kejut
Tegangan (Stress)
Beban gaya setiap satuan luas bidang yang
menahan beban.
Jenis-jenis tegangan :
a. Tegangan normal
- Tegangan tarik (tensile)
- Tegangan tekan (compressive)
b. Tegangan geser (shear)
c. Tegangan lentur (bend)
M
σ=
Z
M = Momen inersia
Z = Modulus luas
d. Tegangan puntir
Gθr
τ =
Tr
=
ℓ
I
G = Modulus rigiditas
θ = Sudut puntir
r = Jari-jari
ℓ = Panjang
I = Momen inersia polar
Regangan (Strain)
Pertambahan panjang (deformasi) sebuah
benda/logam menjadi lebih panjang dari bentuk
semula
Jenis-jenis regangan :
a. Regangan linier
b. Regangan lateral
c. Regangan volumetrik
d. Regangan geser
Modulus Elastisitas (Modulus Young)
Adalah hubungan antara tegangan dan regangan.
σ
E =
ℓ
E = Modulus elastisitas
σ = Tegangan
ℓ = Regangan
Diagram tegangan-regangan
σ
Keterangan :
OA = Daerah elastis
AB = Daerah plastis
BC = Daerah luluh
D = Titik ultimate
E = Patah (failure)
D
B
C
E
A
0
ℓ
SAMBUNGAN PAKU KELING (RIVET)
Merupakan jenis sambungan tetap. Pemakaian
sambungan paku keling :
- Pekerjaan konstruksi ringan atau berat
- Pekerjaan bangunan kapal dan pesawat terbang
- Pekerjaan kilang minyak, turbin dan ketel
Beberapa kegagalan dalam sambungan paku keling :
1. Pelat melengkung
Terjadi karena tegangan atau gaya F paku keling
lebih besar dari pelatnya.
2. Pelat sobek
Terjadi karena jarak antar paku keling terlalu rapat
atau berdekatan, dan tegangan atau gaya F paku
keling lebih besar dari pelatnya, sehingga pelat
menjadi sobek.
3. Pelat tergunting
Terjadi karena adanya tegangan geser, dan
tegangan atau gaya F paku keling lebih besar dari
pelatnya, sehingga pelat akan tergunting.
4. Pelat melumer
Terjadi karena adanya tekanan bidang permukaan
yang lebih kecil, sehingga pelat akan melumer.
5. Tepi pelat tergunting
Terjadi karena adanya tekanan bidang permukaan
yang lebih kecil, sehingga tepi pelat akan tergunting
dan paku keling menjadi remuk.
6. Tepi pelat sobek
Terjadi karena adanya tekanan bidang permukaan
yang lebih kecil, sehingga tepi pelat akan sobek.
Catatan :
Kegagalan sambungan paku keling di atas merupakan
dasar perhitungan kekuatan sambungan.
1. Sambungan Paku Keling Berhimpit Tunggal
s
d
s
Besarnya gaya F pada setiap kegagalan sambungan
a. Pelat sobek
F = (s – d) t σt
b. Pelat tergunting
F = π/4 d2 τp
c. Pelat melumer
F = d t σe
d. Tepi pelat tergunting
F = 2 d t τt
Keterangan :
t = Tebal pelat (mm)
d = Diameter paku keling (mm)
s = Jarak antar paku keling (mm)
Untuk menentukan efisiensi sambungan :
Kekuatan sambungan
η =
x 100 %
Kekuatan pelat utuh
Gaya F terkecil diantara kegagalan sambungan
η =
t s σt
2. Sambungan Paku Keling Berhimpit Ganda
s
d
s
Besarnya gaya F pada setiap kegagalan sambungan
a. Pelat sobek
F = (s – d) t σt
b. Pelat tergunting
F = 2 π/4 d2 τp
c. Pelat melumer
F = 2 d t σe
Untuk menentukan efisiensi sambungan :
Kekuatan sambungan
η =
x 100 %
Kekuatan pelat utuh
Gaya F terkecil diantara kegagalan sambungan
η =
t s σt
SAMBUNGAN PAKU KELING DENGAN BEBAN
EKSENTRIK
y
ℓ
F
x
Pusat gravitasi
Jika seluruh ukuran paku keling dianggap sama
maka pembebanan pusat gravitasi adalah :
x1 + x2 + x3 + … + xn
x =
z
y1 + y2 + y3 + … + yn
z = Jumlah paku keling
y =
z
Pembebanan
F
Fn =
z
Beban akibat momen puntir
F1
F2
F3
F4
=
=
=
ℓ1
ℓ2
ℓ3
ℓ4
F1
ℓ1
F4 ℓ3
ℓ 2 F2
ℓ4
F3
Sehingga :
ℓ2
F2 =
ℓ1
ℓ3
F1
F3 =
ℓ1
ℓ4
F1
F4 =
ℓ1
F1
Persamaan momen
F ℓ = F1 ℓ1 + F2 ℓ2 + F3 ℓ3 + F4 ℓ4
F ℓ = F1 / ℓ1 (ℓ22 + ℓ32 + ℓ42)
Beban resultan
Ri = √ Fn2 + Fi2 + 2 Fn Fi cos θ
dimana : Ri = Resultan beban pada paku keling ke-i
Fi = Beban terbesar yang dialami pada paku
keling ke-i
SAMBUNGAN MUR BAUT
Merupakan jenis sambungan tidak tetap, karena ikatan
sambungan dapat dilepas/dibuka.
Berbeda dengan sambungan paku keling, sambungan mur
baut memiliki bagian ulir yang berfungsi sebagai ikatan
sambungan.
Keterangan :
D = Diameter luar (mm)
D1 = Diameter inti (mm)
D2 = Diameter kisar (mm)
Dm = Diameter rata-rata (mm)
= (D + D1)/4
p = Pitch/kisar (mm)
t = Tinggi ulir (mm)
Keuntungan yang dimiliki sambungan mur baut :
1. Mudah dalam proses penyambungan
2. Dapat dipasang atau dibongkar sesuai dengan
kebutuhan
3. Memenuhi segala syarat pengoperasian
4. Memiliki efisiensi yang baik
Kekurangan sambungan mur baut :
1. Mudah terjadi pemusatan tegangan pada bagian ulir
2. Bila tekanan sambungan lebih kecil, akan mudah lepas
Ada beberapa jenis ulir, yaitu :
1. Berdasarkan bentuk profil
- Ulir persegi/trapesium
- Ulir bulat
- Ulir sayap kupu-kupu
2. Berdasarkan arah putar
- Ulir putar kiri
- Ulir putar kanan
Perhitungan Kekuatan Sambungan
1. Tegangan permulaan karena kekuatan ikatan
- Tegangan tarik pada batang baut
Beban awal
Fi = 2840 D
σ = Fi/A
dimana
A = π/4 [(Dm + D1)/2]2
- Tegangan geser akibat gesekan ulir
Momen puntir awal
M = Fi (0,16 p + 0,58 f D2)
dimana
f = koefisien gesek ulir
2. Tegangan karena beban luar
- Tegangan tarik
σ = F/A
dimana
- Tegangan geser
τ = Fg/A
dimana
A = π/4 D12
A = π/4 D12
- Tegangan kombinasi
σmax = σ/2 + 1/2 √σ2 + 4 τ2
τmax = 1/2 √σ2 + 4 τ2
3. Beban gabungan
Fg = Fi + [a/(1+a)] F
dimana
a = Perbandingan elastisitas antara
komponen dengan baut
SAMBUNGAN LAS
Merupakan jenis sambungan pengikat dan penyatuan
suatu logam dengan proses metalurgi yang dilakukan
dalam keadaan lumer.
Alat yang digunakan untuk proses penyambungan adalah
fluks yang dipakai untuk memperlancar perpindahan
butiran metalurgi.
Fluks merupakan sumber terak yang berfungsi sebagai
pelindung terhadap pengaruh luar (penetrasi unsur lain).
Perhitungan Kekuatan Sambungan
Tergantung pada jenis kampuh dan pembebanannya,
sehingga menimbulkan tegangan tarik (σ) dan tegangan
geser (τ).
Faktor lain yang perlu diperhatikan adalah :
- Luas penampang efektif
- Panjang efektif las
- tebal efektif las
te
t = Tebal kaki las
te= Tebal efektif las
= ½ √2 t
t
ℓ
ℓe = Panjang efektif las
= ℓ - 3 te
1. Sambungan las penampang asimetris beban aksial
ℓa
tℓτ
F=
a
b
ℓb
ℓ = ℓa + ℓb
ℓa t τ a = ℓb t τ b
ℓa a = ℓb b
………… (1)
………… (2)
√2
Dari (1) dan (2) didapat :
ℓa
ℓb
ℓa =
ℓb =
a+b
a+b
2. Sambungan las dengan beban eksentrik
Beban eksentrik = beban langsung + beban momen
= F + Fe
= (2 t ℓ τ)/√2 + σ z
= (2 t ℓ τ)/√2 + (σ 2 t ℓ2)/6√2
σmax = σ/2 + ½ √σ2 + 4 τ2
τmax = ½ √σ2 + 4 τ2
SAMBUNGAN POROS
Merupakan jenis elemen mesin yang berputar, yang
berfungsi sebagai transmisi daya atau pembawa daya dari
ujung poros ke ujung poros yang lain.
Sedangkan gandar merupakan jenis elemen mesin yang
bersifat statis (diam), yang berfungsi sebagai pembawa
momen
Pembebanan yang terjadi pada poros :
1. Beban puntir (torsi)
D
T
T = (π/16) τ D3
2. Beban momen
D
M
M = (π/32) τ D3
Catatan :
Untuk diameter berlubang perbandingan diameter luar (D0)
dan diameter dalam (D1) adalah K = D0/D1.
3. Beban kombinasi
Torsi ekivalen
Momen ekivalen
Te = √M2 + T2
Me = ½ (M + √M2 + T2)
Sebuah poros yang mentransmisikan daya sebesar P pada
putaran ω memberikan torsi T pada poros, sehingga :
P=ωT
dimana : P = Poros (Watt)
ω = Putaran poros (rad/det)
T = Torsi (N.m)
Dalam satuan SI, maka hubungan putaran antara ω dan n
adalah :
ω = (2 π n)/60
Sehingga :
P = (2 π n T)/60
dimana : n = putaran per menit
(1/menit)
PEGAS
Merupakan bagian elemen mesin yang berfungsi sebagai
penahan beban yang maksimum dan akan kembali ke
ukuran semula jika beban tersebut dihilangkan.
Fungsi pegas :
- Memberi beban pada rem atau kopling
- Memberi pengukur beban pada timbangan pegas
- Menyimpan energi pada pegas jam
- Sebagai peredam kejut dan getaran pada pegas
roda kendaraan bermotor atau sambungan kereta
api
Beban gaya yang terjadi pada pegas :
- Beban tekan
- Beban tarik
- Beban torsi
- Beban kejut/getaran
Jenis-jenis pegas :
- Pegas ulir
- Pegas daun
Pegas Ulir
1. Panjang Bebas
Panjang normal pegas ulir tanpa ada pembebanan
2. Panjang Terbeban
Panjang pegas ulir selama pembebanan
3. Panjang Tetap
Panjang pegas ulir pada pembebanan maksimum
4. Indeks Pegas
Rasio antara diameter pegas dengan kawat pegas
C = D/d
5. Konstanta Pegas
Besarnya beban setiap satuan defleksi pegas
k = F/δ
6. Kisar (Pitch)
Jarak aksial antara dua kawat berurutan pada
keadaan normal (tidak ada pembebanan)
Perhitungan Kekuatan
1. Tegangan yang timbul akibat pembebanan
a. Tegangan geser
τmax = τm + τd
Dimana :
τm = Tegangan geser akibat momen
= 8 W D / (π/d3)
τd = Tegangan geser langsung
= 4 W / (π/d2)
b. Efek kelengkungan kawat
4C – 1
0,615
K =
+
4C – 4
4
τmax = K {8 W D / (π/d3)}
2. Defleksi pegas ulir yang terjadi akibat pembebanan
a. Panjang kawat efektif
ℓ=πDn
b. Defleksi angular akibat torsi
θ = 16 W D2 n / (d4 G)
c. Defleksi aksial
δ = 8 W C3 n / (d G)
d. Beban energi yang tersimpan
E=½Wδ
3. Pembebanan pegas ulir dengan beban torsi
a. Tegangan yang timbul akibat momen
σ = 32 M K / (π/d3)
Dimana :
4 C2 – C – 1
K =
4 C2 – 4 C
b. Defleksi angular
θ = 64 M D n / (E d2)
Pegas Daun
Terbuat dari bahan pelat datar dengan bentuk konstruksi
tunggal maupun majemuk.
Pegas daun berfungsi sebagai :
- Penahan beban
- Peredam getaran atau kejut
Beberapa konstruksi dasar pegas daun :
1. Pegas daun kantilever pelat tunggal
t
ℓ
b
Momen lengkung max, M = F ℓ
Modulus luas, Z = 1/6 b t2
Tegangan lentur, σ = M / Z
Defleksi max, δ = F ℓ3 / 3 E ℓ
2. Pegas daun beban terpusat pelat tunggal
ℓ1 F1
Kantilever ganda, Fi = 2F,
t
ℓi = 2ℓ
ℓ
b
Momen lengkung max, M = F ℓ
Modulus luas, Z = 1/6 b t2
Tegangan lentur, σ = M / Z
Defleksi max, δ = F ℓ3 / 3 E ℓ
3. Pegas daun majemuk seragam
t
ℓ
b
Jika pegas daun terdiri dari n daun seragam, maka :
Tegangan lentur, σ = M / n Z
Defleksi max, δ = 4 F ℓ3 / n E b t2
4. Pegas daun majemuk tak seragam
F
b
ℓ
F
t
ng = Jumlah daun bertingkat
nf = Jumlah daun seragam
n = ng + nf
Tegangan lentur pada daun seragam :
σf = 18 F ℓ / (2 ng + 3 nf) b t2
Tegangan lentur pada daun bertingkat :
σg = 12 F ℓ / (2 ng + 3 nf) b t2
Defleksi total :
δ = 12 F ℓ3 / (2 ng + 3 nf) E b t3
KOPLING TETAP
Merupakan elemen mesin yang berfungsi sebagai penerus
putaran dan daya dari poros penggerak ke poros yang
digerakkan secara kontinu (tanpa terjadi slip), dimana
kedua poros tersebut terletak pada satu garis lurus.
Konstruksi kopling tetap selalu dalam keadaan
tersambung, sehingga setiap elemen menjadi satu
kesatuan gerak.
Jenis-jenis kopling tetap adalah :
1. Kopling kaku
Kopling bus dan kopling flens
2. Kopling luwes
Kopling karet, kopling gigi dan kopling rantai
3. Kopling universal
Kopling Hook dan kopling universal tetap
Ada beberapa pertimbangan dalam perencanaan kopling
tetap :
1. Pemasangan yang mudah dan cepat
2. Konstruksi ringan dan fleksibel
3. Aman pada putaran tinggi dan tahan getaran
4. Mencegah pembebanan yang berlebih
5. Kemungkinan gerakan aksial pada porosnya sangat
kecil
Perencanaan Perhitungan
Daya rencana, Pd = P ƒc
P = Daya (kW)
ƒc = Faktor koreksi untuk
daya rata-rata yang
diperlukan (1,2 – 2)
Torsi, T = 9,74 x 105 (Pd / n1)
n1 = Putaran (rpm)
Tegangan tarik,σb = 100 h + 20
h = Konstanta kadar
karbon pada bahan
baja (0,2% - 0,3%)
Tegangan geser,τa = σb / (Sf1 Sf2) Sf1 = Konstanta faktor
keamanan (5 – 6)
Sf2 = Konstanta faktor
keamanan (1,5 – 2)
Diameter poros kopling
5,1
1/3
d =
Kt Cb T
τa
Kt = Konstanta koreksi
tumbukan (1 – 2)
Cb = Konstanta lenturan
(0,5 – 1)
Dari perhitungan diameter didapat beberapa variabel
d
25
28
35
45
50
56
63
71
80
90
100
A
112
125
140
160
180
200
224
250
280
315
355
B
75
85
100
112
132
140
160
180
200
236
260
C
45
50
63
80
90
100
112
125
140
160
180
L
40
45
50
56
63
71
80
90
100
112
125
n
4
4
4
4
6
6
6
6
6
6
6
F
18
18
18
20
20
22,4
22,4
28
28
35,5
35,5
db
10
10
10
14
14
16
16
20
20
25
25
Keterangan :
A = Diameter luar
B = Diameter pusat
C = Diameter naf
L = Panjang naf
n = Jumlah baut
F = Tebal flens
db = Diameter baut
Jumlah baut efektif, ne = є n
8T
Tegangan geser, τb =
π db ne B
є = Nilai efektif
baut (0,5 – 1)
Tegangan geser baut yang diizinkan dengan bahan SS41B
τba = σba / (Sfb Kb)
σb = Tegangan tarik baut
yang diizinkan (40
kg/
2
kg
2
mm – 50 /mm )
Sfb = Faktor keamanan
baut (5 – 6)
Kb = Faktor koreksi baut
(2,5 – 3)
Apabila τb < τba, maka perencanaan perhitungan dapat
dinyatakan layak dan baik.
Tegangan geser flens yang diizinkan dengan bahan FC20
τfa = σb / (Sf Kf)
σb = Tegangan tarik flens
yang diizinkan (15
kg/
2
kg
2
mm – 20 /mm )
Sf = Faktor keamanan
flens (5 – 6)
Kf = Faktor koreksi flens
(2,5 – 3)
2T
Tegangan geser, τf =
π C2 F
Apabila τf < τfa, maka perencanaan perhitungan dapat
dinyatakan layak dan baik.
KOPLING TIDAK TETAP
Merupakan elemen mesin yang menghubungkan poros
penggerak ke poros yang digerakkan, dengan putaran
yang konstan dalam meneruskan daya, serta dapat
melepas hubungan kedua poros tersebut baik dalam
keadaan diam ataupun berputar.
Jenis-jenis kopling tidak tetap adalah :
1. Kopling cakar
Kopling persegi dan kopling spiral
2. Kopling gesek (pelat)
Kopling pelat tunggal-ganda dan kopling pelat
manual-hidrolik
3. Kopling kerucut
4. Kopling friwil
Perencanaan Perhitungan
Diameter, D1= Dm – b
D2= Dm + b
D1 = Diameter dalam
D2 = Diameter luar
Dm = Diameter rata-rata
b = Lebar
60 P
Torsi, T =
2πn
Momen percepatan kopling
ρ π r 1 r 22 h ω
Mpk =
tgesekan
P = Daya
n = Putaran
ρ = Massa jenis kopling
r1 = Jari-jari D1
r2 = Jari-jari D2
h = Tinggi
ω = 2 π n / 60
tgesekan = Waktu gesekan
Momen percepatan mesin
Mpm = 2 Apm / ω tgesekan
Apm = Angka percepatan
Momen gesek
Mg = T + Mpk + Mpm
Mg = Fgesek r
= μ p A (Dm/2)
= μ p π Dm b (Dm/2)
Dipilih Mg yang terkecil.
μ = Koefisien gesek
p = Tekanan gesekan
Kerja gesekan, Wg = Mg ω (tgesekan/2)
Daya gesekan, Pg = (Wg z)/3600
z = Frekuensi pemakaian
kopling
Temperatur kopling
tk = (847 Pg) / Ad α
2 π (D2/2)
Ad =
[h + (D2/2)]
α = 2,13 x 105 Watt/m2 0c
Umur kopling, L = a A ak / Pg
a = Ketebalan pelat
ak = Angka kerusakan
(kWh/m3)
Efisiensi kopling
2 π n Mg
Pmaks =
60
(Pmaks tgesekan z) + (3600 P – P tgesekan z)
Pm =
3600
Pm – Pg
Pef =
x 100%
Pm