TUGAS ELEMEN MESIN I PEGAS
Di Susun Oleh: Aziz Akbar Rifai (111.03.1174)
JURUSAN TEKNIK MESIN (S-1) FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA 2012
ELEMEN MESIN I PEGAS I.
Pendahuluan Pegas adalah elemen mesin flexibel yang digunakan untuk memberikan
gaya, torsi, dan juga untuk menyimpan atau melepaskan energi. Energi disimpan pada benda padat dalam bentuk twist, stretch, atau kompresi. Energi di-recover dari sifat elastis material yang telah terdistorsi. Pegas haruslah memiliki kemampuan untuk mengalami defleksi elastis yang besar. Beban yang bekerja pada pegas dapat berbentuk gaya tarik, gaya tekan, atau torsi (twist force). Pegas umumnya beroperasi dengan ‘high working stresses’ dan beban yang bervariasi secara terus menerus. Beberapa contoh spesifik aplikasi pegas adalah 1. Untuk menyimpan dan mengembalikan energi potensial, seperti misalnya pada ‘gun recoil mechanism’. 2. Untuk memberikan gaya dengan nilai tertentu, seperti misalnya pada relief valve. 3. Untuk meredam getaran dan beban kejut, seperti pada auto mobil 4. Untuk indikator/kontrol beban, contohnya pada timbangan 5. Untuk mengembalikan komponen pada posisi semula, contonya pada ‘brake pedal’ II.
Beban Gaya Yang Terjadi Pada Pegas Ada 4 gaya yang terjadi pada pegas, yaitu:
Beban tekan
Beban tarik
Beban torsi
Beban kejut/getaran
III.
Klasifikasi Pegas
Pegas dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis fungsi dan beban yang bekerja, yaitu: a. Pegas tekan b. Pegas tarik c. Pegas puntir
d. Pegas Voult e. Pegas daun f. Pegas piring (plat) g. Pegas cincin h. Pegas batang puntir
Gambar 3.1 Jenis – jenis pegas Tetapi klasifikasi yang lebih umum adalah diberdasarkan bentuk fisiknya. Klasifikasi berdasarkan bentuk fisik adalah : a. Wire form spring (helical compression, helical tension, helical torsion, custom form) b. Spring washers (curved, wave, finger, belleville) c. Flat spring (cantilever, simply supported beam) d. Flat wound spring (motor spring, volute, constant force spring) Pegas ‘helical compression’ dapat memiliki bentuk yang sangat bervariasi. Gambar 3.1(a) menunjukkan beberapa bentuk pegas helix tekan. Bentuk yang standar memiliki diameter coil, pitch, dan spring rate yang konstan. Picth dapat dibuat bervariasi sehingga spring rate-nya juga bervariasi. Penampang kawat
umumnya bulat, tetapi juga ada yang berpenampang segi empat. Pegas konis biasanya memiliki spring rate yang non-linear, meningkat jika defleksi bertambah besar. Hal ini disebabkan bagian diameter coil yang kecil memiliki tahanan yang lebih besar terhadap defleksi, dan coil yang lebih besar akan terdefleksi lebih dulu. Kelebihan pegas konis adalah dalam hal tinggi pegas, dimana tingginya dapat dibuat hanya sebesar diameter kawat. Bentuk barrel dan hourglass terutama digunakan untuk mengubah frekuensi pribadi pegas standar.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 3.2 Wire form spring: (a) Helical compression spring, (b) Helical extension spring, (c) drawbar spring, (d) torsion spring Pegas helix tarik perlu memiliki pengait (hook) pada setiap ujungnya sebagai tempat untuk pemasangan beban. Bagian hook akan mengalami tegangan yang relatif lebih besar dibandingkan bagian coil, sehingga kegagalan umumnya terjadi pada bagian ini. Kegagalan pada bagian hook ini sangat berbahaya karena segala sesuatu yang ditahan pegas akan terlepas. Salah satu metoda untuk mengatasi kegagalan hook adalah dengan menggunakan pegas tekan untuk menahan beban tarik seperti ditunjukkan pada gambar 3.2 (c). Pegas wire form juga dapat untuk memberikan/menahan beban torsi seperti pada gambar 3.2 (d). Pegas tipe ini banyak digunakan pada mekanisme ‘garage door counter balance’, alat penangkap tikus, dan lain-lain.
Spring washer dapat memiliki bentuk yang sangat bervariasi, tetapi lima tipe yang banyak digunakan ditunjukkan pada gambar 3.3 (a). Spring washer hanya mampu menyediakan beban tekan aksial. Pegas jenis ini memiliki defleksi yang relatif kecil, dan mampu memberikan beban yang ringan. Volute spring, seperti pada gambar 3.3 (b) mampu memberikan beban tekan tetapi ada gesekan dan histerisis yang cukup signifikan. Beam spring dapat memiliki bentuk yang bevariasi, dengan menggunakan prinsip kantilever atau simply supported. Spring rate dapat dikontrol dari bentuk dan panjang beam. Pegas beam mampu memberikan atau menahan beban yang relatif besar, tetapi dengan defleksi yang terbatas.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 3.3 Spring washer dan flat spring : (a) lima tipe spring washer, (b) Volute spring, (c) Beam Spring, (d) Power spring Power spring seperti ditunjukkan pada gambar 3.3 (d) sering juga disebut pegas motor atau clock spring. Fungsi utamanya adalah menyimpan energi dan menyediakan twist. Contoh aplikasinya adalah pada windup clock, mainan anak anak. Tipe yang kedua disebut dengan constant force spring. Kelebihan pegas ini adalah defleksinya atau stroke yang sangat besar dengan gaya tarik yang hampir konstan.
IV.
Material Pegas Material pegas yang ideal adalah material yang memiliki kekuatan
ultimate yang tinggi, kekuatan yield yang tinggi, dan modulus elastisitas atau modulus geser yang rendah untuk menyediakan kemampuan penyimpanan energi yang maksimum. Parameter loss coefficient, Δv yang menyatakan fraksi energi yang didisipasikan pada siklus stress-strain juga merupakan faktor penting dalam pemilihan material. Material pegas yang baik haruslah memiliki sifat loss coefficient yang rendah. Nilai loss coefficient suatu material dapat dihitung dengan persamaan (lihat gambar 4.1):
Gambar 4.1 Kurva stress-strain untuk satu siklus Untuk pegas yang mendapat beban dinamik, kekuatan fatigue adalah merupakan pertimbangan utama dalam pemilihan material. Kekuatan ultimate dan yield yang tinggi dapat dipenuhi oleh baja karbon rendah sampai baja karbon tinggi, baja paduan, stainless steel, sehingga material jenis ini paling banyak digunakan untuk pegas. Kelemahan baja karbon adalah modulus elastisitasnya yang tinggi. Untuk beban yang ringan, paduan copper, seperti berylium copper serta paduan nikel adalah material yang umum digunakan. Tabel 4.1 menampilkan sifat-sifat mekanik beberapa material yang sangat umum digunakan.
Tabel 4.1 Sifat-sifat mekanik material pegas Kekuatan ultimate material pegas bervariasi secara signifikan terhadap ukuran diameter kawat. Hal ini adalah sifat material dimana material yang memiliki penampang sangat kecil akan memiliki kekuatan ikatan antar atom yang sangat tinggi. Sehingga kekuatan kawat baja yang halus akan memiliki kekuatan ultimate yang tinggi. Fenomena ini ditunjukkan dalam kurva semi-log pada gambar 4.2 untuk beberapa jenis material pegas.
Gambar 4.2 Kekuatan ultimate kawat material pegas vs diameter kawat
Data sifat material pada gambar 4.2 di atas dapat didekati dengan persamaan eksponensial
Sut ≅ Ad
(10.2)
dimana A dan b diberikan pada Tabel 4.2 untuk range ukuran kawat yang tertentu. Fungsi empiris ini sangat membantu dalam perancangan pegas karena proses iterasi dapat dilakukan dengan bantuan komputer. Perlu dicatat bahwa untuk A dalam ksi maka d harus dalam inch, sedangkan jika A dalam satuan Mpa maka d harus dalam satuan mm. Dalam perancangan pegas, tegangan yang diijinkan adalah dalam kekuatan geser torsional. Hasil penelitian untuk material pegas menunjukkan bahwa kekuatan geser torsional adalah sekitar 67% dari kekuatan ultimate tarik. Sus = 0,67Sut
(10.3)
Tabel 4.2 Koefisien dan eksponen kekuatan ultimate material pegas
V.
Pegas Ulir Bogie
5.1.Pengertian Pegas ulir bogie luar adalah komponen bagian dari bogie kereta api yang berfungsi untuk mengurangi beban impak atau meringankan kejutan dan sebagai pendukung getaran massa dengan mekanisme lendutan lilitan-lilitan pegasnya yang berosilasi diantara posisi keseimbangannya pada saat gerbong kereta mengalami goyangan kiri – kanan. Dalam operasinya pegas ulir bogie luar ini mengalami beban puntir dengan tegangan – tegangan yang bekerja terdiri atas tegangan normal dan tegangan geser.
Masalah yang sering dihadapi pada pegas ulir bogie luar kereta api ini adalah mengalami patah, yang mengakibatkan terbatasnya umur pakai dalam waktu yang lebih singkat. Seringnya terjadi kerusakan ini akan sangat menghambat pemakaian gerbong kereta api, karena penggantian komponen tersebut sangat memakan waktu, biaya, serta diiringi pula dengan kerugian – kerugian lainnya. 5.2.Kasus Pada gerbong kereta dengan jenis bogie tipe 7 untuk gerbong kereta penumpang terdapat 2 bogie (chassis) yang terdiri atas 4 roda, 8 pegas ulir roda, dan 4 pasang pegas ulir bogie yang setiap pasangnya terdiri atas satu pegas ulir bogie luar dan satu pegas ulir bogie dalam, sehingga dalam satu gerbong kereta terdapat 8 roda, 16 pegas ulir roda,.dan 8 pasang pegas ulir bogie yaitu 16 pegas ulir bogie dalam dan 16 pegas ulir bogie luar. Dalam operasinya, pegas ulir bogie yang mengalami kerusakan di tengah perjalanan, maka kereta tersebut masih bisa melanjutkan perjalanannya hingga stasiun tujuan, karena patahnya salah satu pegas ulir bogie masih dapat ditahan oleh pegas ulir bogie lain dari pasangannya. Hal ini berlawanan jika patah terjadi pada pegas ulir roda, maka kereta tersebut harus berhenti dalam perjalanannya untuk perbaikan. Gerbong – gerbong kereta secara berkala dilakukan pengujian setiap 2 tahun sekali yang dilakukan oleh BalaiYasa Kereta - Manggarai Jakarta. Dalam pemeriksaannyasemua komponen yang sudah tidak layak pakai, diganti dengan komponen yang baru yang umumnya komponen tersebut merupakan produk dari Balai Yasa Mangggarai sendiri, termasuk pula dalam hal ini adalah pegas ulir bogie. Kerusakan pegas ulir bogie terjadi tanggal 12 Juni 1993pada gerbong kereta penumpang dengan nomor: SLO-K2.78715 yaitu jenis gerbong kereta penumpang jurusan Solo,kelas 2 dengan tipe bogie 7 dan tahun mulai dinas 1978serta nomor seri kereta adalah 15. Serta data pemeriksaangerbong secara berkala yaitu sebagai berikut:
Mulai Dinas, MD
= 09 - 10 – 1978
Pemeriksaan akhir, PA
= 30 - 04 – 1991
Pemeriksaan yang akan datang, PAD
= 30 - 04 – 1993
Mengalami patah
= 12 - 06 – 1993
Dari hasil observasi lapangan ini diketahui bahwa pegas ulirbogie yang mengalami kerusakan yaitu pegas ulir bogieluar yaitu patah pada daerah lilitan pegasnya yang terletak ±1¼ diameter lilitan dari ujung pegas (±295 mm), hal iniditunjukkan pada gambar 2.3 dibawah ini. Pada gambar 2.1dan 2.2 ditunjukkan gerbong kereta api dan posisi pegas ulirbogie pada bogie gerbong kereta api.
Gambar 5.1 Gerbong kereta api yang mengalami kerusakan pegas ulir bogie. (0,1X)
Gambar 5.2 Posisi pegas ulir bogie pada bogie gerbong kereta api. (0,2X)
Gambar 5.3 Lokasi patah yang terjadi pada pegas ulir bogie luar (tanda panah) Untuk menunjang analisis yang akan dilakukan, maka diperlukan pula data spesifikasi dari komponen yang mengalami kerusakan yaitu dalam hal ini adalah pegas ulir bogie luar, yang didapatkan dari Balai Yasa Kereta –Manggarai Jakarta, serta data geometris yang didapatkan dari pengukuran langsung terhadap komponen pegas ulir bogie luar yang bersangkutan. Berdasarkan data spesifikasi komponen, maka material yang digunakan untuk kedua jenis pegas ulir bogiea dalah sama yaitu Baja 60 Si Mn 7 standart Germany Democratic Republic (GDR Standart) 5350 dengan komposisi kimia seperti yang disajikan pada tabel. 1dibawah ini.
Tabel 5.1 Komposisi bahan kimia menurut standart 5350
Data-data spesifikasi geometris dan bats-batas kerjaatau operasi pegas ulir bogie dalam dan bogie luar padakereta api ini dapat dilihat pada tabel 2 dan tabel 3 dibawahini. Serta gambar 2.4 menunjukkan gambar teknik bogiegerbong kereta api tipe K7.
Gambar 5.4 Gambar tekin bogie tipe K7
Gambar 5.5 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar
Gambar 5.5 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie dalam
Berdasarkan data spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar dan pegas ulir bogie dalam tersebut terlihat bahwa pegas ulir bogie dalam mempunyai diameter kawat pegas dan diameter lilitan pegas yang lebih rendah dibandingkan geometri pegas ulir bogie luar tetapi keduanya terbuat dari bahan pegas yang sama yaitu Baja 60 Si Mn 7. Pada pemakaiannya pegas ulir bogie dalam berada didalam lilitan dari pegas ulir bogie luar, sehingga gabungan pegasini disebut pegas ulir eksentris yang dapat meningkatkan pemakaian beban yang lebih besar atau tegangan kerjayang lebih besar tanpa merubah diameter kawat pegas maupun diameter lilitan pegasnya. Selain itu, pegas eksentis yang terdiri atas dua pegas ini dapat merupakan pula jaminan keselamatan jika terjadi kegagalan pada salah satu pegasnya. Dari data spesifikasi pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan, dapat ditunjukkan pula beberapa hal yaitu:
Ketinggian pegas tersebut dalam keadaan tanpa beban,lo yaitu 361 mm atau sama dengan tinggi pegas diblok, lb ditambah defleksi maksimum, fmaks ditambah jarak antar lilitan pagas yang berdekatan (0,1 dikali jumlah total lilitan pegas, n’ dikurangi satu).
Ketinggian pada saat pemasangan pada bogie kereta, lp atau disebut pula tinggi presetting adalah sebesar 285mm dengan beban presetting 2280 Kg. Pemberian beban presetting ini dapat meningkatkan batas elastis sehingga akan meningkatkan pula kapasitas beban yang dapat diterimanya.
Ketinggian pegas ulir bogie luar yang diizinkan pada saatoperasi kerjanya, li adalah 259 mm dengan bebanmaksimum yang diizinkan 3078 Kg.
Ketinggian jika antar lilitan pegas tersebut saling bersentuhan atau disebut tinggi diblok, lb adalah 205,2 mm atau sama dengan diameter kawat pegas,d dikali jumlah total lilitan pegas, n’, dengan beban 4672 Kg.
Konstanta pegasnya, C yaitu sebesar 30 Kg/ dari perbandingan beban, F terhadapdefleksi, f .
yang merupakan nilai
Kekuatan geser luluh,
sebesar 82,5 Kg/
luluh, y sebesar 165 Kg/
ataumempunyai kekuatan
.
Tegangan geser, , yang bekerja pada pegas ulir tersebutpada berbagai ketinggian pegas. Tegangan gesertersebut merupakan tegangan geser total daripenjumlahan tegangan geser yang ditimbulkan akibatmomen puntir yang bekerja pada pegas ulir tersebut, 1 ditambah tegangan geser yang ditimbulkan akibatpembebanan, 2 yaitu:
dimana, m adalah indeks pegas atau perbandingandiameter rata-rata lilitan pegas, D dan diameter kawatpegas, d .
Indeks pegas, m dari pegas ulir bogie luar tersebutadalah sebesar 6,1 nilai indeks pegas tersebut akansangat berhubungan dengan nilai faktor koreksitegangan Wahl, yaitu: k = 4 m-1 / 4 m-4 + 0,615 / m sehingga, tegangan geser yang bekerja pada pegas ulirdapat ditulis:
.k persamaan diatas telah memperhitungkan efek tegangangeser langsung yang terjadi pada kedua sisi lilitan pegas.Selain dari pada itu, indeks pegas akan berhubungan puladengan tahapan proses dalam pembuatan pegas tersebut. VI.
Kesimpulan
Pegas adalah elemen mesin flexibel yang digunakan untuk memberikan gaya, torsi, dan juga untuk menyimpan atau melepaskan energi. Contoh spesifik aplikasi pegas adalah 1. Untuk menyimpan dan mengembalikan energi potensial, seperti misalnya pada ‘gun recoil mechanism’. 2. Untuk memberikan gaya dengan nilai tertentu, seperti misalnya pada relief valve. 3. Untuk meredam getaran dan beban kejut, seperti pada auto mobil 4. Untuk indikator/kontrol beban, contohnya pada timbangan 5. Untuk mengembalikan komponen pada posisi semula, contonya pada ‘brake pedal’ Pegas ulir bogie luar adalah komponen bagian dari bogie kereta api yang berfungsi untuk mengurangi beban impak atau meringankan kejutan dan sebagai pendukung getaran massa dengan mekanisme lendutan lilitan-lilitan pegasnya yang berosilasi diantara posisi keseimbangannya pada saat gerbong kereta mengalami goyangan kiri – kanan.
DAFTAR PUSTAKA
http://www.scribd.com/doc/34111270/Analisis-Kerusakan-Pegas-BogieKereta-Api
masmukti.files.wordpress.com(pdf)
