Perancangan Mesin [PDF]

Citation preview

MATERI PERANCANGAN SYARAT DAN LANGKAH-LANGKAH PERANCANGAN ALAT Perancangan (design) secara umum dapat didefinisikan sebagai formulasi suatu rencana untuk memenuhi kebutuhan manusia. Sehingga secara sederhana perancangan dapat diartikan sebagai kegiatan pemetaan dari ruang fungsional (tidak kelihatan/imajiner) kepada ruang fisik (kelihatan dan dapat diraba/dirasa) untuk memenuhi tujuan-tujuan akhir perancang secara spesifik atau obyektif.



Produks :



Kebutuhan: • 1 • 2 • 3



• • •



Pemetaan



1 2 3 dst



Ruang ijiminasi Ruang Fungsional



Ruang Fisik



Gambar 1.2.defenisi perancangan secara sederhana Dalam prosesnya, perancangan adalah kegiatan yang biasanya berulangulang (iterative) Kegiatan perancangan umumnya dimulai dengan didapatkannya persepsi tentang kebutuhan masyarakat, kemudian dijabarkan dan disusun dengan spesifik, selanjutnya dicari ide dan penuangan kreasi. Ide dan kreasi kemudian di analisis dan diuji. Kalau hasilnya terbaik selanjutnya dilempar ke pasaran. Pasar akan memberikan tanggapan apakah kebutuhan telah terpenuhi. Secara skematis kegiatan iterative ini di tunjukkan pada gambar 1.2.



Sodetal Need



Recognesi& Formalize (Code)



Ideate & Crate



Compar e



ideate



Market place Gambar 1. 2 Proses iteratif dalam perancangan[2]



Product Prototype Proces



Kegiatan perancangan dalam bidang teknik yang dilakukan oleh para ahli teknik (insinyur) selama ini telah mampu meningkatkan kesejahteraaen dan kualitas hidup manusia baik dalam bentuk peningkatan kesehatan fisik masyarakat, kemakmuran dalam hal materi dan memudahkan manusia untuk melakukan aktivitasnya. Hasil perancangan insinyur ini terdapat dalam berbagai bentuk produk dan jasa. Dengan demikian perancangan dalam bidang teknik atau engineering design selanjutnya dapat didefinisikan sebagai “Rangkaian kegiatan iterarif yang mengaplikasikan berbagai teknik dan prinsip-prinsip scientifik yang bertujuan untuk mendefinisikan peralatan, proses, atau sistem secara detail sehingga dapat direalisasikan[Norton]”. Dari pengertian umum di atas maka mechanical design dapat diartikan sebagai perancangan “sesuatu” atau “sistem” dari “mechanical nature” seperti mesin, komponen, struktur, peralatan, instrumentasi, dan lain-lain. Dalam scope yang lebih spesifik machinedesign adalah kegiatan yang berhubungan dengan “penciptaan (creation)” machineryyang dapat melakukan fungsinya dengan baik, safe, dan andal. Proses Perancangan Teknik Beberapa pertanyaan yang sering muncul sebelum melakukan design antara lain adalah: bagaimana design dimulai ? apakah insinyur duduk dengan secarik kertas terus menggambarkan ide? faktor-faktor apa yang mempengaruhi keputusan dalam design? dan juga bagaimana proses design berakhir ? Skema proses engineering design yang lengkap ditunjukkan pada gambar 1.3. Proses dimulai dengan “identifikasi kebutuhan dan keputusan untuk melakukan sesuatu tentang kebutuhan itu”. Setelah melakukan iterasi berkali-kali, maka proses design akan berhenti pada detail design yang siap dipresentasikan untuk selanjutnya dibuat prototype, testing, dan pada akhirnya masuk proses produksi. Identifikasi



dan



formulasi



kebutuhan adalah



kegiatan



yang



membutuhkan tingkat kreativitas yang tinggi. Akan tetapi tahap ini sering rancu dengan berbagai kondisi emosional manusia seperti uneasiness atau perasaan bahwa ada sesuatu salah. “Backgroud Research” sangat diperlukan untuk memberikan informasi dalam memahami dan mendefinisikan problem secara



lengkap dan detail. Tahap ini kalau dilakukan dengan baik maka akan dapat menetapkan “tujuan (goal)” dari dari design.



Recogneti of need



Presentation



Defenition of Problem Evaluation



synthesis Analisis and optimization



Gambar 1.3 Tahapan proses design Tahap Problem



definition harus



melibatkan



semua



spesifikasi



yang



berhubungan dengan “sistem” yang akan didesign. Spesifikasi tersebut adalah kuantitas input dan output, karakteristik dan dimensi serta ruangan yang diperlukan, dan semua kendala atau batasan design. Spesifikasi inilah yang akan menentukan biaya, jumlah yang akan dibuat, umur teknis yang diinginkan, kondisi operasi, dan keandalan machinary. Contoh spesifikasi adalah fungsi (kecepatan, temperatur operasi, tekanan), keamanan (kekuatan, defleksi, getaran) dan lain-lain. Sebagai contoh, untuk machine design, berbagai fungsi dan kendala yang harus dipertimbangkan ditunjukkan pada Gambar 1.4.



Gambar 1.4 Berbagai jenis kendala yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan mesin



Setelah problem didefinisikan dan seluruh spesifikasi ditetapkan maka tahap berikutnya adalah “Synthesis”. Dalam tahap ini semua kemungkinan alternatif solusi digali dan dipertimbangkan. Tahap ini sering juga disebut tahap “ideation and invention” dimana di-generate kemungkinan solusi secara kreatif sebanyak mungkin. Alternatif-alternatif rancangan yang didapatkan, selanjutnya di “analisis dan optimasi”untuk menentukan apakah rancangan tersebut dapat memenuhi spesifikasi, dan performansi yang diinginkan, ditolak, atau perlu dimodifikasi. Tahap ini akan dapat menghasilkan hasil rancangan yang paling optimum untuk dipilih. Jika analisis menunjukkan bahwa tidak ada rancangan yang memenuhi spesifikasi dan performans yang diinginkan maka harus dilakukan iterasi. Hasil rancangan yang paling optimum dipilih dan selanjutnya dapat dilakukan “detailed design”. Dalam detailed design, dihasilkan gambar teknik yang lengkap, spesifikasi material, identifikasi vendor, spesifikasi manufacturing, dll. Evaluasi merupakan salah satu tahapan penting dalam proses design secara keseluruhan. Tahap ini melibatkan pembuatan “prototype dan pengujian” yang dapat di lakukan di laboratorium. Hasil pengujian prototype inilah yang akan membuktikan apakah rancangan yang dihasilkan dapat memenuhi spesifikasi dan performansi yang diinginkan. Dari tahap ini akan terjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar tentang sistem yang dirancang seperti misalnya : apakah semua spesifikasi yang diinginkan terpenuhi?, bagaimana tingkat keandalannya?, apakah dapat bersaing dengan produk sejenis?, apakah ekonomis untuk dibuat dan dipasarkan?, apakah



mudah dalam perawatan?, dan lain-lain. Data-data hasil pengujian prototype dapat digunakan untuk iterasi berikutnya dalam penyempurnaan design. Tahap terakhir adalah “presentation”. Hasil rancangan perlu dikomunikasikan dengan untuk proses selanjutnya seperti manufacturing, assembling dan sosialisasi. Komunikasi dapat dilakukan dalam tiga cara yaitu komunikasi secara tertulis, lisan, dan dalam bentuk grafik atau gambar. Dengan demikian insinyur harus menguasai ketiga tenik tersebut untuk dapat mempresentasikan rancangannya. Case study : Perancangan Mesin Dalam perancangan mesin berbagai parameter yang berpengaruh terhadap kualitas hasil rancangan. Contoh : untuk perancangan sebuah poros maka “kekuatan (strength) adalah merupakan parameter utama untuk menentukan dimensi dan geometri poros. Pertimbangan yang menyeluruh terhadap parameter-parameter tersebut harus dilakukan untuk menjamin bahwa mesin yang dirancang memenuhi fungsi dengan kualitas yang diinginkan. Secara tradisional hal ini biasanya ditentukan berdasarkan “sense” perancang. Tetapi evaluasi dan pertimbangan parameter secara ilmiah harus dilakukan untuk mencegah kegagalan design pada tahap-tahap selanjutnya. Parameter fundamental yang harus dipertimbangkan dalam perancangan mesin ditunjukkan pada gambar 1.5 dan dapat dijelaskan sebagai berikut : Balance



Flow of force



Strength



Mechine Design



Mechanism to satisfy function



Balance of the form orappearance



Gambar 1.5 Fundamental machine design viewpoint Function and mechanism. Beberapa kemungkinan kombinasi mekanisme umumnya dapat memenuhi persyaratan fungsional. Pada tahap awal berbagai kemungkinan mekanisme harus dikembangkan dan diuji. Jika merancang mesin yang baru maka penelitian terhadap mekanisme lain yang sudah ada biasanya sangat membantu. Berarti perlu dilakukan studi literatur.



2. Flow of Force. Untuk memvisualisasikan bagaimana gaya ditransmissikan melaluiberbagai komponen pada sebuah mesin maka perlu digambar flow of force seperti ditunjukkan pada gambar 1.6. Diagram flow of force ini atau sering disebut line of force sangat membantu dalam evaluasi design. Contohnya : jika mesin beroperasi, jika balancesecara statik maka line of force akan tertutup untuk seluruh sistem. Jika tidak balance maka berarti akan terjadi percepatan atau breakdown. 3. Balance (untuk gravitasi). Hanya gaya yang ditimbulkan oleh gravitasi yang tidak balance pada suatu mesin. Dalam design penentuan letak pusat gravitasi haruslah dirancang sedemikian rupa sehingga mesin selalu dalam keadaan stabil (tidak mengalami overturn) 4. Strength/material. Komponen umumnya mengalami beban (tarik, tekan, geser, bending, torsi). Dengan demikian faktor kekuatan dan pemilihan material adalah merupakan parameter dasar dalam percangan mesin. Semua komponen mesin harus mampu menahan beban-beban yang bekerja tanpa mengalami kegagalan. 5. Structural Balance and Beauty. Faktor penampilan, sturktural balance, dan aesthetic adalah juga merupakan parameter dasar perancangan mesin. Hal ini terutama akan berkaitan dengan aspek ekonomi dan pemasaran produk yang dihasilkan. KETERAMPILAN YG DIBUTUHKAN DLM PERANCANGAN Insinyur produk & perancang mekanis menggunakan berbagai jenis keterampilan & pengetahuan dalm pekerjaan mereka, antara lain: 1. Pembuatan sketsa, gambar teknis & perancangan dgn komputer 2. Sifat-sifat bahan, pemrosesan bahan, & proses pembuatan 3. Aplikasi ilmu kimia (perlindingan karat, pemberian pelapisan, dll) 4. Statika, dinamika, kekuatan bahan, kinematika & mekanismenya 5. Kemampuan komunikasi lisan, mendengarkan, teamwork 6. Mekanika fluida, termodinamika, & perpindahan panas 7. Daya fluida, dasar-dasar fenomena listrik, & kendali industri 8. Perancangan eksperimen & pengujian bahan & sistem mekanis 9. Kreativitas, pemecahan masalah, & manajemen proyek 10. Analisis tegangan 11. Pengetahuan khusus mengenai perilaku elemen-elemen mesin, seperti roda gigi, transmisi sabuk, rantai, poros, bantalan, dll.



• Di harapkan saudara telah memiliki kecakapan yg tinggi dll. Di harapkan saudara telah memiliki kecakapan yg tinggi dalam item 1 – 5 sebelum mulai mempelajari Dasar Perancangan Mesin. • Kompetensi dalam item 6 – 8 diperoleh secara khusus dalam mata kuliah lain, baik secara bersamaan atau setelah mempelajari perancangan elemenelemen mesin. • Item 9 menunjukkan keterampilan yg di kembangkan secara terusmenerus selama saudara kuliah & melalui pengalaman. • Item 10 & 11 akan dipelajari secara khusus dalam mata kuliah Dasar Perancangan Mesin, Elemen Mesin 1 & Elemen Mesin 2 1. 2. 3. 4. 5. 6.



Dasar-Dasar Perancangan Mekanisme Bahan-Bahan dalam Perancangan Mekanis Analisis Tegangan dan Deformasi Tegangan Gabungan dan Lingkaran Mohr Perancangan untuk Berbagai Jenis Pembebanan Kolom



DASAR-DASAR PERANCANGAN MEKANIS



Membantu mahasiswa melihat gambar besar mengenai proses perancangan mekanis. Beberapa contoh ditunjukkan dari sektor industri yang berbeda-beda : produk konsumen, sistem manufakturing, peralatan konstruksi, peralatan pertanian, peralatan transportasi, perkapalan, dan sistem ruang angkasa. Bab ini akan membahas tanggung jawab perancang dan menjelaskan kewajaran pengulangan dari proses perancangan BAHAN-BAHAN DALAM PERANCANGAN MEKANISME



Menekankan sifat-sifat bahan untuk perancangan. Banyak bagian dari bab ini mungkin merupakan sesuatu baru bagi mahasiswa, tetapi disampaikan di sini untuk menekankan pentingnya pemilihan bahan untuk proses perancangan ANALISIS TEGANGAN DAN DEFORMASI



Tinjauan tentang prinsip-prinsip dasar tegangan dan analisis defleksi. Bab ini meninjau tegangan tarik lurus (direct tensile), tegangan tekan (compressive) dan tegangan geser (shearing), tegangan lengkung (bending stressI) dan tegangan geser torsional



TEGANGAN GABUNGAN & LINGKARAN MOHR PENTING



karena banyak berhubungan dengan masalah perancangan umum dan perancangan elemen-elemen mesin yang akan di bahas selanjutnya. Topik ini akan lebih banyak di pelajari di mata kuliah kekuatan bahan. PERANCANGAN UNTUK BERBAGAI JENIS PEMBEBANAN



Pembahasan yang mendalam mengenai faktor-faktor perancangan , kelelahan (fatigue), dan banyak detail analisis tegangan. KOLOM



Membahas batang-batang panjang dan ramping yang berbeban aksial yang cenderung gagal karena tekukan (buckling), bukan karena melebihi tegangan luluh (yield stress), tegangan maksimum (ultimate stress), atau tegangan geser (shear stress) dari bahan.



Dasar-Dasar Perancangan Mekanisme LINGKUP PEMBAHASAN :



1. Untuk merancang komponen-komponen dan peralatan mekanis, mahasiswa harus cakap dalam perancangan elemen-elemen tunggal yang membentuk sistem. 2. Tetapi, mahasiswa juga harus menggabungkan beberapa komponen dan peralatan menjadi satu sistem yang selaras dan kuat, yang memenuhi kebutuhan konsumen PROSES PERANCANGAN MEKANIS • Tujuan akhir dari perancangan mekanis adalah utk menghasilkan produk yg bermanfaat yg memenuhi kebutuhan konsumen & pembuatannya cukup aman, efisien, andal, ekonomis, & praktis. • Pikirkan secara luas ketika menjawab pertanyaan: “Siapa konsumen yg berkepentingan dgn produk atau sistem yg akan saya rancang?” • Saudara harus mengetahui keinginan & harapan dari semua konsumen sebelum mulai membuat perancangan. • Metode yg paling populer adalah sebaran fungsi mutu [quality function deployment (QFD)], meminta (1) mengenali semua ciriciri & penampilan yg diinginkan konsumen & (2) menilai tingkat kepentingan dari faktor-faktor tsb. Hasil dari proses QFD merupakan seperangkat rincian mengenai fungsi & syarat perancangan utk produk tsb. [Referensi: Hauser,J., & D. Clausing, “The House of



Quality”, Havard Business Review (May-June 1988): 63-73. Discusses ‘Quality Function Deployment’] PROSES PERANCANGAN MEKANIS (LANJUTAN) • Penting pula utk mempertimbangkan bagaimana proses perancangan sesuai dengan semua fungsi agar memberikan produk yg memuaskan bagi konsumen & memperbaiki produk tsb selama umur pakainya. • Juga penting utk mempertimbangkan bagaimana produk tsb di buang setelah selesai masa penggunaannya. • Total dari semua fungsi yg mempengaruhi produk di sebut proses realisasi produk (product realization process) atau PRP . [Referensi: American Society of Mechanical Engineers. Integrating the Product Realization Process (PRP) into the Undergradute Curriculum. New York : American Society of Mechanical Engineers, 1995] PROSES PERANCANGAN MEKANIS (LANJUTAN)



Beberapa faktor yg termasuk PRP adalah sebagai berikut: • Fungsi pemasaran utk menilai kebutuhan konsumen • Penelitian utk menentukan teknologi yg tersedia yg dpt digunakan • Ketersediaan bahan & komponen-komponen • Perancangan & pengembangan produk • Pengujian unjuk kerja produk • • Dokumentasi/pencatatan perancangan • Hubungan penjual & fungsi-fungsi pembelian • Keterampilan tenaga kerja • Bangunan fisik & fasilitas yg tersedia • Kemampuan sistem manufaktur • Perencanaan produksi & kendali sistem produksi • Persyaratan sistem standar kualitas • dll FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI • Pentingnya pengenalan kebutuhan & harapan konsumen secara seksama sebelum memulai perancangan peralatan teknis. • Dapat merumuskannya dengan membuat pernyataan-pernyataan yang jelas & lengkap mengenai fungsi, syarat perancangan & kriteria evaluasi.



• Fungsi : menyatakan apa yg harus dikerjakan oleh peralatan itu, dengan menggunakan pernyataan umum yg menggunakan frasa aksi seperti utk menyangga suatu beban, utk mengangkat peti kayu, utk mentransmisikan daya, dll. • Syarat perancangan : pernyataan terperinci yg biasanya bersifat kuantitatif mengenai tingkat unjuk kerja yg diharapkan, kondisi lingkungan dimana peralatan harus beroperasi, keterbatasan ruang atau berat, bahanbahan dan komponen yg tersedia yg dapat digunakan. FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI •



Mengenal kebuthuan komsumen Mendefenisikan fungsi fungsi alat Menyatakan syarat perancangan



Menentukan spesifikasi



Mendefenisikan kriteria evaluasi Mengusulkan beberapa konsep perancangan alternatif Mengevaluasi setiap alternatif yang diusulkan



Membuat konsep Perancangan



Menilai setiap alternatif kriteria evaluasi



Memilih konsep perancangn yang optimal



Menyelasaikan perancangan yang dipilh dari konsep yang terinci



Membuat keputusan Perancangan terperinci



CONTOH FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI



• Andaikan Anda adalah perancang penurun kecepatan yg merupakan bagian dari transmisi daya untuk sebuah traktor. Mesin traktor beroperasi



pada kecepatan yang sangat tinggi, sementara penggerak untuk roda harus berputar lebih lambat & mengirimkan torsi yg lebih tinggi dibanding yang ada CONTOH FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI



Untuk memulai proses perancangan, mari kita buat daftar fungsi dari penurun kecepatan. Apa yang seharusnya dilakukan oleh penurun kecepatan itu? Berikut ini beberapa jawaban utk pertanyaan tsb:ada input mesin. Fungsi 1. Untuk menerima daya dari mesin traktor melalui poros yg berputar



2. Untuk mengirimkan daya melalui elemen-elemen mesin dengan mengurangi kecepatan putaran pada nilai yang diinginkan 3. Untuk mengirimkan daya pada kecepatan yg lebih rendah ke poros output yg akhirnya menggerakkan roda-roda traktor. Syarat Perancangan 1. Penurun kecepatan harus mentransmisikan daya sebesar 15 hp. 2. Input berasal dari mesin bensin dua silinder dgn kecepatan putaran 2000 rpm. 3. Output memberikan daya pada putaran berkisar 290 – 295 rpm. 4. Efisiensi mekanis yang dibutuhkan adalah lebih besar dari 95%. 5. Kapasitas torsi output minimum dari penurun kecepatan harus sebesar 3050 lbin. 6. Output penurun kecepatan dihubungkan dgn poros penggerak utk roda-roda dari traktor pertanian. 7. Poros input dan output harus sejajar.



8. Penurun kecepatan harus dipasang pd rangka baja yg kuat dari traktor. 9. Lebih disukai ukuran yg kecil. Penurun kecepatan harus pas pd tempat yg tidak lebih besar dari 20 in x 20 in dgn tinggi maksimal 24 in. 10. Traktor diharapkan beroperasi selama 8 jam/hari, 5 hari/minggu, dgn umur rancangan 10 tahun. 11. Harus dilindungi dari cuaca & mampu beroperasi di mana saja.



12 Kopling fleksibel akan digunakan pada poros input & output utk mencegah beban aksial & beban lengkung yg ditransmisikan ke penurun kecep Syarat Perancangan (lanjutan) 13. Banyaknya produksi adalah 10.000 unit per tahun. 14. Biaya pada tingkat sedang sangat penting untuk keberhasilan pemasaran. 15. Semua standar keamanan dari pemerintah dan industri harus terpenuhi. Kriteria Evaluasi 1. Keamanan (keamanan relatif yg melampui syarat-syarat yg dinyatakan).



2. Unjuk kerja (tingkat di mana konsep perancangan melebihi syaratsyaratnya). 3. Kemudahan dalam pembuatan.



4. Kemudahan perbaikan atau penggantian komponen. 5. Kemudahan operasi. 6. Biaya awal yang murah. 7. Biaya pengoperasian & perawatan yg murah. 8. Ukuran yg kecil & berat yg rendah. 9. Kebisingan & getaran yg rendah; operasi yg halus/lancar. 10. Penggunaan bahan yg siap sedia & komponen yg siap beli. 11. Penggunaan yg hati2 baik terhadap bagian2 yg dirancang secara khusus atau terhadap komponen2 yg tersedia secara komersial. 12. Penampilan yg menarik & tepat utk aplikasi. CONTOH PENGGABUNGAN ELEMEN MESIN MENJADI RANCANGAN MEKANIS • Perancangan mekanis merupakan proses perancangan dan atau pemilihan komponen – komponen mekanis & menggabungkan keduanya secara bersamasama utk mencapai fungsi yg diharapkan. • Untuk menjelaskan bagaimana perancangan elemen-elemen mesin harus digabungkan dengan perancangan mekanis yg lebih besar, mari kita perhatikan perancangan penurunan kecepatan untuk traktor kecil.



• Untuk mencapai reduksi kecepatan, Anda memutuskan untuk merancang penurun kecepatan roda gigi lurus dengan reduksi ganda. • Anda menetapkan 4 roda gigi, 3 poros, 6 bantalan & sebuah rumah mesin utk tempat elemen-elemen tunggal dalam hubungan yang tepat satu sama lain. II. STRUKTUR MEKANIKA Struktur mekanika merupakan analisis yang meliputi penerapan dari statika dan dan elemen mesin dalam suatu perancangan atau pembuatan suatu alat. Struktur mekanika dalam perancangan ini seperti dijelaskan pada sub bab di bawah ini. 2.1 Rangka (Statika) Statika adalah ilmu yang mempelajari tentang statik dari suatu beban yang mungkin ada pada bahan (konstruksi) atau yang dapat dikatakan sebagai perubahan terhadap panjang benda awal karena gaya tekan atau beban. Beban adalah beratnya benda atau barang yang didukung oleh suatu konstruksi atau bagan. Beban statis yaitu berat suatu benda yang tidak bergerak dan tidak berubah beratnya. Beratnya konstruksi yang mendukung itu termasuk beban mati dan disebut berat sendiri dari pada berat konstruksi. Beban dinamis yaitu beban yang berubah tempatnya atau berubah beratnya. Sebagai contoh beban hidup yaitu kendaraan atau orang yang berjalan diatas sebuah jembatan, tekanan atap rumah atau bangunan. Sedangkan beban dapat digolongkan menjadi dua macam, yaitu: 1. Beban terpusat atau beban titik adalah beban yang bertitik pusat di sebuah titik, misal: orang berdiri diatas pilar pada atap rumah. 2. Beban terbagi adalah pada beban ini masih dikatakan sebagai beban terbagi rata dan beban segitiga. Beban terbagi adalah beban yang terbagi pada bidang yang cukup luas. Dalam perhitungan kekuatan rangka akan diperhitungkan gaya-gaya luar dan gaya-gaya dalam untuk mengetahui reaksi yang terjadi, sebagai berikut: 1. Gaya luar



Gaya luar adalah aksi dan reaksi yang menciptakan kestabilan kontruksi. Pada suatu kantilever (batang) apabila ada muatan yang diterapkan maka akan terdapat gaya reaksi yang timbul pada tumpuan. Pada kasus statik tertentu persamaan dari kesetimbangan, dapat dilihat pada gambar 2.1 di bawah ini W Tumpuan rol



RHA



Tumpuan sendi



B



A



RVA



RVB L



Gbr . 1. Reaksi gaya gaya pada rangkah



∑ 𝐹𝑥 = RHA



∑ 𝐹𝑦 = W – (RVA + RVB) ∑ 𝑀𝐴 = (W . ½ l ) – (RVB . l ) dimana : Fx = Gaya horizontal (N) RHA = Reaksi hirisontal pada titik A (N) Fy = Gaya vertikal (N) W = Beban (N) RVA = Reaksi vertikal pada titik A (N) RVB = Reaksi vertikal pada titik B (N) MA = Momen inersia(Nmm) l = Jarak



(mm)



2. Gaya-gaya dalam



Gaya-gaya dalam adalah gaya yang merambat dari beban yang tertumpu pada konstruksi yang menimbulkan reaksi gaya. Hal ini apabila ada muatan maka ada reaksi yang terjadi, yaitu: a) Gaya normal (N), merupakan gaya yang melawan muatan dan bekerja sepanjang sumbu batang. Gambar 2 Tanda untuk gaya normal



Tarik



Desak Gbr 2. Tanda untuk gaya normal



b. Gaya lintang (L), merupakan gaya yang melawan muatan dan bekerja tegak lurus terhadap sumbu batang. Gambar 2. Tanda untuk gaya lintang A b. Gaya lintang (L), merupakan gaya yang melawan muatan dan bekerja tegak lurus terhadap sumbu batang. Gambar 2. Tanda untuk gaya lintang A



Gambar 4 Untuk gaya gaya melintang Patah dan searah jarum jam



Patah dan berlawanan arah jarum



C.Momen lentur (M), merupakan gaya perlawanan dari muatan sebagai penahan lenturan yang terjadi pada balok tanda yang digunakan, sebagai berikut



Gambar 5 tanda untuk momen lentur



Gambar poros dan Coupling



2. POROS



Dalam pengertian umum poros adalah batang logam berpenampang lingkaran yang berfungsi untuk meneruskan tenaga secara bersama-sama dengan putaran. Poros biasanya berpenampang bulat dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi, puli, engkol, dan elemen pemindah daya lainnya. Poros ini bisa menerima beban lenturan, tarikan, tekan atau puntiran, yang bekerja sendiri sendiri atau berupa gabungan antara yang satu dengan yang lainnya. Perbandingan putaran diperoleh denga persamaan : 𝑉1 = 𝑉2 2𝜋𝐷1 𝑛1 2𝜋𝐷2 𝑛2 = 60 60 𝑛1 𝐷2 = 𝑛2 𝐷1 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 ∶ 𝐷1 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑔𝑒𝑟𝑎𝑘 𝐷2 = Diameter pulli 𝑛1 = 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑝𝑢𝑙𝑖 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑛2 = 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑝𝑢𝑙𝑖 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 Besaran momen puntir dapat digunakan persamaan di bawah ini: 𝑀𝑝 = 9,74 𝑥 105



𝑃 ( ) 𝑛



Dimana : Mp : momen puntir (kg.mm) n : jumlah putaran (rpm) P : daya motor (kg.mm) Mekanisme sabuk dan puli. Sabuk dan puli digunakan untuk mentransmisikan daya dari satu poros ke poros yang lain yang berputar pada kecepatan yang sama atau berbeda. Hal yang menentukan besar daya yang ditransmisikan adalah kecepatan sabuk, kekencangan sabuk, sudut kontak antara sabuk dan puli, kondisi dimana sabuk



digunakan. Sedangkan koefisien gesek antara sabuk dan puli tergantung pada bahan sabuk, bahan puli dan kecepatan sabuk.



2.1.GAYA PADA PULLY



w



F2



 F2



Gaya pada puli merupakan penjumlahan dari gaya total yaitu gaya tangensial (𝐹𝑡 ), dan gaya centrifugal (𝐹𝑐 ) dan



perbandingan gaya



kekencangan pada sabuk dapat dihitung dengan persamaan : 𝑻



𝟐, 𝟑 𝒍𝒐𝒈 𝑻𝟏 = 𝝁𝜽 𝟐



Gaya sentrifugal pada timing belt 𝑇𝑐 = 𝑚 𝑉 2 Gaya tangensial timing belt 𝑭𝒕 =



𝑻 𝒓



ELEMEN MESIN (SABUK)



Gambar V.Belt dan V Grooved Pully



Gambar rangkaian transmisi



Menentukan tegangan sabuk



𝑻𝟏 = 𝑻 − 𝑻𝒄 Dan 𝑇2 dapat dicari dengan persamaan : 𝑻𝟏 𝑻𝟏 = 𝒆𝝁𝜽 𝒂𝒕𝒂𝒖 𝟐, 𝟑 𝒍𝒐𝒈 ( ) = 𝝁 𝜽 𝑻𝟐 𝑻𝟐 𝑻𝟏 𝟐, 𝟑 𝒍𝒐𝒈 ( ) = 𝝁𝜽 𝒄𝒐𝒔𝒆𝒄𝜷 𝑻𝟐



𝜇 = 𝑘𝑜𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑔𝑒𝑠𝑒𝑘 𝜗 = 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑘𝑜𝑛𝑡𝑎𝑘 𝛽 = 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡 𝑚𝑖𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑢𝑛𝑔 𝑠𝑎𝑏𝑢𝑘 Menentukan moment Torsi :



Momen rencana(𝑻𝟏 , 𝑻𝟐 ) 𝑃𝑑 (𝑘𝑔 𝑚𝑚) 𝑇1 = 9,74 𝑥 105 ( ) 𝑛1 𝑃



𝑇2 = 9,74 𝑥 105 ( 𝑛𝑑 ) 2



. (𝑆𝑢𝑙𝑎𝑟𝑠𝑜 1991 ∶ 7)



(𝑘𝑔 𝑚𝑚)



𝑆𝑢𝑙𝑎𝑟𝑠𝑜 1991 ∶ 7 )



𝑛1 = 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑔𝑒𝑟𝑎𝑘 ( 𝑟𝑝𝑚 ) 𝑛2 = putaran poros yang digerakan ( rpm ). Diameter lingkaran jarak bagi puli (𝑑𝑝, 𝐷𝑝 ) Dp 1 n1 =i= = , n2 dp u



u=



1 i



𝑠𝑒ℎ𝑖𝑛𝑔𝑔𝑎 𝐷𝑝 = 𝑑𝑝 𝑥 𝑖 𝑑𝑝 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑗𝑎𝑟𝑎𝑘 𝑏𝑎𝑔𝑖 𝑝𝑢𝑙𝑖 𝑘𝑒𝑐𝑖𝑙 (𝑚𝑚) 𝐷𝑝 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑗𝑎𝑟𝑎𝑘 𝑏𝑎𝑔𝑖 𝑝𝑢𝑙𝑖 𝑏𝑒𝑠𝑎𝑟 ( 𝑚𝑚) 𝑖



= 𝑝𝑒𝑟𝑏𝑎𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛



Kecepatan sabuk (v) 𝒗=



𝑑𝑝 𝑛1 60 𝑥 1000



𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑣 = 𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑝𝑢𝑙𝑖 (𝑚⁄𝑠)



(𝑆𝑢𝑙𝑎𝑟𝑠𝑜 1991 ∶ 166 )



Panjang keliling (L) 𝝅 𝟏 𝑳 = 𝟐𝑪 + (𝑫𝒑 + 𝒅𝒑 ) + (𝑫 − 𝒅𝒑 ) 𝟐 𝟒𝑪 𝒑 𝐹. Jarak sumbuh poros (C) 𝐶=



𝑏 + √𝑏 2 − 8(𝐷𝑝 − 𝑑𝑝 )



2



8 ∶ 170) 𝒃 = 𝟐𝑳 − 𝝅(𝑫𝒑 + 𝒅𝒑 ) g 𝑺𝒖𝒅𝒖𝒕 𝒌𝒐𝒏𝒕𝒂𝒌(𝜽) 57(𝐷𝑝 − 𝑑𝑝 ) 𝜽 = 1800 − 𝐶 Faktor koreksi ((𝒌𝜽) = 𝟎, 𝟗𝟗



(𝑚𝑚)



(𝑆𝑢𝑙𝑎𝑟𝑠𝑜 1991



Contoh kasuss. Pada suatu tarnsmisi dengan perantaran sabuk bentuk datar dengan data sebagaimana pada gambar dibawah ini :



Diketahui P = 746 W , μ = 0,3 , ρ = 1140 kg/m 𝑑1 = 155 mm , 𝑑2 = 50 mm Rencanakan tegangan pada sabuk...? Luas penampang sabuk V a = b . t = 30 . 3= 90 mm2 Massa sabuk per satuan panjang. m = a . l. ρ = (90 . 10-6) . 901,52 . 1140 = 0,092 kg/m Kecepatan sabuk 𝑉=



𝜋𝑑𝑛 60



=



𝜋(155)(1410) 60



= 11537, 45



𝑚𝑚 𝑠



Mencari sudut α 𝑆𝑖𝑛𝛼 = 𝛼=



𝑟1 −𝑟2 𝑥



77,5−25



=



285



= 0,18 → 𝑠𝑖𝑛𝛼 = 0,18 → 𝛼 = arcsin 0,18



1 = 10,60 𝑠𝑖𝑛0,18



Sudut kontak puli penggerak 𝜋



𝜋



𝜃 = (1800 − 2𝛼) 1800 = 158,8 (1800 ) = 2.77 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎l Panjang sabuk datar (25 − 77,5)2 r2 − r1 2 ) = 3,13(102,5) + 570 + x 285



L = π(r2 + r1 ) + 2x + ( 𝐿 = 901,25 𝑚𝑚.



Daya motor yang dipindahkan 𝑷 = (𝑻𝟏 − 𝑻𝟐 ) 𝑽 746𝑊 = (𝑇1 − 𝑇2 ) 11,437 (𝑇1 − 𝑇2 ) =



𝑚 𝑠



746 𝑊 = 65,22𝑙 𝑁. 11,437 𝑚/𝑠



Perbandingan gaya kekencangan sabuk 2,3 𝑙𝑜𝑔



𝑇1 𝑇1 𝑇1 = 𝜇𝜃 = 2,3 𝑙𝑜𝑔 = 0,3 (2,77) → 𝑙𝑜𝑔 = 0,36 𝑇2 𝑇2 𝑇2



𝑇1 𝑇1 = 𝑎𝑛𝑡𝑖 𝑙𝑜𝑔 0,36 → = 2,29 → 𝑇1 = 2,29 𝑇2 𝑇2 𝑇2 (𝑇1 − 𝑇2 ) = 65,226 2,29 𝑇2 − 𝑇2 = 65,226 → 1,29𝑇2 = 65,226 𝑇2 =



65,226 = 𝟓𝟎, 𝟓𝟔 𝑵 1,29



𝑇1 = 2,29𝑇2 𝑇1 = 2,29(50,56) 𝑇1 = 𝟏𝟏𝟓, 𝟕𝟗 𝑵. Gaya sentrifugal pada sabuk 𝑇𝑐 = 𝑚 𝑣 2 = 0,092 𝑘𝑔/𝑚(12,08 𝑚/𝑠)2 = 𝟏𝟐, 𝟎𝟑 𝑵 Tegangan maksimum pada sabuk 𝑇 = 𝑇1 + 𝑇𝐶 = 115,79 + 12,03 = 127,82 𝑁 Poros penggerak sabuk datar



Bagaimana mekanisme poros penggerak pada sabuk datar serta analisis beban pada konstruksi mesin sebagaimana pada gambar dibawah ini :



Gambara Poros penggerak sabuk datar Diketahui



R gear = 75 mm , P = 746 W , N



= 1410 Rpm



WA



= 1,5 kg = 14,715 N



= 2,5 kg = 24,225 N ,



WD



Torsi yang terjadi pada roda gigi 𝑇=



60 𝑃 2𝜋60



=



(60)(746) 2(3,14)(1 410)



= 5 054, 88 𝑁 𝑚𝑚



Gaya tangensial pada roda gigi 𝐹𝑡 =



𝑇 𝑟



=



5 054,88 75



= 67,398 𝑁



A. Reaksi Vertikal



Persamaan reaksi vertikal RBV + RCV = - 52,683 + 24,225 = - 28,458 N Momen yang terjadi pada titik B



WA . 60 + (WD + 𝐹𝑡 ) . 140 = - RCV . 90 24,225 . 60 + 52,683 . 140 = - RCV . 90 RCV = - 98,1 .N RCV berharga positif jika arah gaya kebawah RBV = - 28,458 – (-RCV) = - 28,458 + 98,1= 69,64 N Bending momen antara titik A sampai D



MAV = MDV = 0 MBV = 0 WA . 60 = 24,225 . 60 = 1453,5 Nmm 𝑴𝑪𝑽 = 𝟎 (𝑊𝐷 + 𝐹𝑡 )𝑥 50 = (15 + 67,398)𝑥50 = 4,119,9 𝑁 𝑚𝑚 B. Reaksi Horisontal Persamaan reaksi horisontal 𝑇1 + 𝑇2 = 166,35 𝑁 166,35 + 𝑅𝐶𝐻 = 𝑅𝐵𝐻



(3.3)



Momen yang terjadi pada titik C RBH . 90 = 166,35 N . 150 RBH = 277,25 N dan RCH = 110,9 N Bending moment antara titik A sampai D MAH = MDH = 0 MBH = 166,35 x 60 = 9981 Nmm 𝑀𝐶 = √(𝑀𝐶𝑉 ) 2 = √(2634,152)2 = 263,15 𝑁 𝑚𝑚 𝑀𝐵 = √𝑀𝐵𝐻 2 + 𝑀𝐵𝑉 2 =√(9981)2 + (1453,52)2



= 10 086,28 𝑁 𝑚𝑚. Torsi ekuivalen 𝑇𝑒 = √𝑀2 + 𝑇 2 = √(1 086,282)2 + (5 054,882)2 = 11 282,06 𝑁 𝑚𝑚𝑚. Te = 𝜋 16 . 𝜏. 𝑑3 11282,06 = 3,1416. 181,485 . 𝑑3 𝑑3 = 11282,0635,62 d = 6,82mm 3.2.2. Poros pengikut sabuk datar WA = 300 gr = 2,943 N 𝐷𝐴 = 50 𝑚𝑚 𝑁2 =



𝑁1 𝐷1 (1410)(155) = = 4371 𝑟𝑝𝑚. 𝐷2 50



Torsi yang terjadi pada poros pengikut sabuk datar 60 (602)



60 𝑃



𝑇 = 2𝜋𝑁 = 2



2(𝜋)(4371)



= 1 630,6 𝑁 𝑚𝑚.



Gambar 13.Poros pengikat sabuk datar A. Reaksi vertikal



Gambar .Skema gaya pembebanan vertikal poros pengikut sabuk datar RBV = RCV+ 2,943 N,



Momen yang terjadi pada titik B 110RCV = WA . 60= 2,943 . 60 RCV = 1,605 N Maka dari persamaan 3.4, diperoleh RBV = 1,605 + 2,943 = 4,548 N Bending momen antaa titik A sampai C MBV = WA . 60 = 2,943 . r 60 = 176,58 N mm B. Reaksi horizontal



Gambar Skema gaya pembebanan horisontal poros pengikut sabuk datar RBH = (T 1+T2) + RCH = 166,35 + RCH Momen yang terjadi pada titik B (T 1+T2) . 60 = 166,35 . 60 = 110.RCH Dari persamaan 3.5 maka RBH = 166,35 + 90,74= 257,09 N Bending momen antara titik A sampai C MBH = 166,35 . 60 = 9981 Nmm Resultan bending momen di titk B MB = 𝑀𝐵𝑉2+ 𝑀𝐵𝐻2= 176,582+99812 = 9982,56 Nmm Torsi ekuivalen Te = 𝑀2+𝑇2 = 9982,562+1630,62 = 10114,85 Nmm Te = 𝜋16𝜏.𝑑3= 3,1416. 181,485.d3 d3 = 10114,85 35,62 → d = 6,57 mm



Bantalan (Bering) Pengertian dan klasifikasi pada bearing Bantalan (bearing) merupakan suatu elemen mesin yang berfungsi mengurangi gesekan yang terjadi antara bagian mesin yang berputar dengan yang diam (stasioner).Bantalan dirancang untuk memperkecil keausahan,dapat diganti,dan mencegah kerusakan pada bagian mesin yang biaya mahal.Untuk menjamin bantalan dapat beroperasi sesuai dengan masa penggunaannya dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lainnya : a) b) c) d) e)



Pengetahuan standardisasi Rancangan konstruksi Krakteristik bantalan Pemeliharaan bantalan Pada umumya bantalan dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu. a. Berdasarkan gerakan bantalan terhadap poros • Bantalan luncur Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan perantaraan lapisan pelumas.



Bantalan gelinding Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola, rol, dan rol bulat.



Konsep dasar bantalan hidrodinamik Dari sub-bab sebelumnya telah dijelaskan bahwa modus pelumasan full-film akanmemberikan koefisien gesek yang paling rendah sehingga sliding bearing yang paling bagus harslah bekerja pada full-film. Untuk sliding bearing, kondisi full-film lubrication ini



dapat dicapai dengan dua metoda yaitu (1)



hydrodynamic lubrication, dan (2) Hydrostatic lubrication. Bantalan Luncur Hidrodinamik adalah jenis yang paling banyak digunakan saat ini karena konstruksinya yang sederhana dan performansi yang baik. Lapisan film pelumas tumbuh akibat dari gerakan relatif antara permukaan yang saling bergerak relatif. Ada beberapa parameter utama sliding bearing yang menentukan tumbuh tidaknyalapisan film hydrodinamik yaitu kecepatan relatif permukaan, viscositas pelumas, laju aliran pelumas, dan beban. Hal ini berarti untuk mencapai kondisi full-film maka kecepatan putaran harus cukup tinggi, pelumas yang tepat serta suply pelumas yang cukup. Dalam operasinya, hydrodynamic bearing juga akan mengalami kondisi boundary lubrication pada saat start dan saat akan berhenti. Gambar 11.10 menunjukkan contoh posisi journal bearing pada saat diam, mulai diperasikan (start) dan pada saat mencapai full-film lubrication. Sedangkan gambar 11.11 menunjukkan karakteristik gesekan pada hydrodinamic bearing dari saat start sampai mencapai kondisi full film.



Gambar 2.10 Posisi journal bearing pada saat diam, mulai diperasikan (start) dan pada saat mencapai full-film lubrication.



Gambar 2.11 Karakteristik gesekan pada hydrodinamic bearing dari saat start sampai mencapai kondisi full film



Teori pelumasan hidrodinamik Concentric Journal Bearing Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa hidrodynamic bearing adalah jenis bantalan sliding bearing yang paling banyak digunakan saat ini. Disini kita akan membahas teori



pelumasan hidrodinamik dan aplikasinya pada journal



bearing. Pertama kita akan membahas journal bearing konsentris yang belum



mendapat beban seperti ditunjukkan pada gambar 11.12. Clearance antara journal dan bearing sangatlah kecil, biasanya sekitar 1/1000 kali diameter journal. Karena itu kita dapat memodelkannya sebagai dua buah permukaan datar sebab gap h sangat kecil sekali dibandingkan dengan radius lengkungan bearing. Model ini ditunjukkan pada gambar (b).



Gambar 2.12 Tegangan geser pada journal bearing tanpa beban Jika permukaan bawah dijaga tetap diam dan permukaan atas digerakkan dengan kecepatan U, maka pelumas akan mengalami shear. Partikel pelumas pada permukaan atas akan bergerak dengan kecepatan yang sama dengan permukaan atas dan partikel yang menempel pada permukaan bawah akan tetap diam. Elemen geser fluida pelumas ditunjukkan pada gambar (c). Gradien kecepatan akan menyebabkan distorsi sebesar β = dx/dy. Tegangan geser yang terjadi pada elemen fluida pelumas adalah proporsional dengan laju geseran yaitu : 𝝉𝒙 = 𝜼



𝒅𝜷 𝜹 𝜹𝒙 𝜹 𝜹𝒙 𝒅𝒖 =𝜼 =𝜼 =𝜼 𝒅𝒕 𝜹𝒕 𝜹𝒚 𝜹𝒚𝜹𝒙 𝒅𝒕



dimana η adalah viskositas. Jika tebal film h konstan maka gradient kecepatan du/dy = U/h = konstan. Jadi gaya yang diperlukan untuk menggerakkan pelat adalah tegangan dikalikan luas permukaan yaitu : 𝑭 = 𝝉𝒙 𝑨 = 𝜼 𝑨



𝑼 𝒉



Untuk journal bearing yang konsentris, gap h = cd/2 dan cd adalah diametral clearance. Kecepatan U = πDn; n = putaran journal per detik; dan luas geser A = πDL. Jadi torsi yang diperlukan untuk melawan gesekan film pelumas adalah :



𝑻𝒐 =



𝒅 𝜼𝝅𝟐 𝒅𝟑 𝑳 𝒏 𝑭=𝜼 𝟐 𝒅𝒄



Persamaan ini dikenal dengan persamaan Petroff untuk torsi film pelumas tanpa beban 11.4.6. Studi Kasus Diketahui : Beban transversal maksimum poros pada bantalan adalah 16 lb pada R1 dan 54 lb pada R2. Karena beban pada R2 lebih besar 4 kali daripada R1, maka rancangan yang dibuat untuk R2 dapat digunakan untuk R1. Diameter poros pada R1 dan R2 adlah 0,591 in. Kecepatan poros adalah 1725 rpm. Bantalan dalam keadaan stasioner. Asumsi : Gunakan rasio clearance 0,0017 dan rasio l/d 0,75. Gunakan bilangan Ocvirk dibawah 30, diusahakan sekitar 20. Dicari : Rasio eksentrisitas bantalan, tekanan maksimum dan lokasinya, ketebalan lapisan minimum, koefisien gesekan, torsi, dan rugi-rugi daya pada bantalan.



Kerja pada gesekan Pada gerak putar poros dalam suatu elemen mesin harus didukung oleh elemen bantalan agar terjadi putaran normal.Untuk menjaga agar tidak terjadi gesekan antara elemen yang berputar dengan elemen pendukung,maka dibutuh minyak pelumas pada tingkat viscositas yang sesuai.Besarnya kalor yang akan dibangkitkan akibat gesekan pada elemen tersebut dapat diketahui dengan pendekatan persamaan seperti : ➢ Usaha pada gesekan



Gambar 11.20 Geometri untuk contoh perancangan bantalan Solusi :



1. Konversikan kecepatan dari rpm ke rps kemudian cari kecepatan tangensial U.



𝒏𝟏 = 𝟏𝟕𝟐𝟓



𝒓𝒆𝒗 𝒎𝒊𝒏 [ ] = 𝟐𝟖, 𝟕𝟓 𝒓𝒑𝒔 𝒎𝒊𝒏 𝟔𝟎 𝒔𝒆𝒄



U =π dn' = π (0,591)(27,75) = 53,38 in / sec 2. Cari diametral clearance dan radius clearance dengan menggunakan diameter yang diberikan dan rasio clearance yang diasumsikan : 𝐶𝑑 =0,0017(0,591)= 0,001 in 𝐶𝑟=



𝐶𝑑 2



= 0,0005 in



3. Panjang bantalan dicari dari rasio l/d yang diasumsikan sebesar 0,75. l = 0,75(0,591) = 0,443 in 4 Rasio eksentrisitas eksperimental dicari dengan menggunakan bilangan Ocvirk ON =



20.



𝜀𝑥 = 0,21394 + 0,38517 log 𝑂𝑁 − 0,0008(𝑂𝑁 − 60)



= 0,21394 + 0,38517 𝑙𝑜𝑔20 − 0,000820 − 60 = 0,747 . 2. Cari parameter tak berdimensi Kε 𝜋 𝐾𝜀 = 𝜀 [



2 (1



1 2 2 16𝜀



2)



−𝜀 + 4(1 − 𝜀 2 )2



] = 0,747 [



𝜋



2 (1



1



− (0,747)2 )16(0,747)2 2 ] 4(1 − (0,747)2 )2



𝐾𝜀 = 3,487 3. Cari viskositas pelumas η 𝑃𝐶 2



(54)(0,005)2



𝑟 𝜂 = 𝐾 𝑈𝐿 3 = 3,487(53,38)(0443)3 = 0,833 𝜇𝑟𝑒𝑦𝑛 𝜀



Dengan menggunakan gambar 11.7 diketahui bahwa pelumas jenis ISO VG 32 akan menyediakan nilai ini pada temperatur 190°F. Pelumas ini setara dengan pelumas jenis SAE 10W. 4. Cari tekanan rata-rata tekanan pelumas 𝑃



54



𝑃𝑎𝑣𝑔 = 𝐿𝑑 = 0,443(0,591) = 206 𝑃𝑠𝑖 5. Dicari sudut θmax dimana tekanan maksimum dengan menggunakan nilai eksperimental ε = 0,747. 1 − √1 + 24𝜀 2 1 − √1 + 24(0,474)2 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑜𝑠 −1 [ ] = 𝐶𝑜𝑠 −1 [ ] 4𝜀 4(0,474)2 = 159, 20 Nilai ini juga dapat dicari dengan menggunakan grafik pada gambar 11.19.



Tekanan maksimum dapat dicari dengan mensubstitusikan θmax yang sudah diperoleh. Adapun nilai z = 0 karena tekanannya maksimum pada pertengahan panjang bantalan l. 𝜂𝑈 𝐿2 3𝜀 𝑆𝑖𝑛𝜃 2 𝑃= [ − 𝑍 ] (1 + 𝜀 𝐶𝑜𝑠𝜃)3 𝑟 𝐶𝑟 2 4 0,4422 2 (8,33𝑥10−7 ) ( 4 − 0 ) 3(0747) (sin 159,2)0 = ( ) {1 + 0,747 𝑐0𝑠 159,20 }3 0,296(0,0005)2 = 85,7 𝑃𝑆𝑖 6. Cari sudut φ, yang menunjukkan posisi sumbu θ = 0 sampai π terhadap beban P. √1−0,7472



−1[𝜋( )]= 34,950 √1 − 𝜀 2 4(0,747) 𝜃 = 𝑡𝑎𝑛 [𝜋 ] = 𝑡𝑎𝑛 4𝜀 Stationary torque dan rotating torque dapat dicari dengan menggunakan nilai φ. −1



7.



𝑇𝑠 = 𝜂



𝑑 𝐿3 [𝑛2 1 −𝑛1 2 ] 𝐶𝑑



(



𝜋𝐿



1 (1−𝜀 2 )2



) = 8,33 𝑥10−7 [



(0,591)3 (0,443)



𝜋3



0,001



[1−(0,747)2 ]2



]



1



= 0,0325 𝑙𝑏 𝑖𝑛. 𝑇𝑟 = 𝑇𝑠 + 𝑃 𝑒 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 0,0325 + 54(0,00037) sin 34, 950 = 0,0441 𝑙𝑏 𝑖𝑛. 8.



Rugi-rugi daya dapat dihitung sebagai berikut : 𝜙 = 2𝜋𝑇𝑟 (𝑛21 − 𝑛11 ) = 2𝜋(0,0441)(28,75 − 0) = 7,963



𝑙𝑏−𝑖𝑛 𝑠



= 0,0441 ℎ𝑝.



9. Koefisien gesekan pada bantalan dapat dicari dari rasio gaya geser terhadap gaya normal. 2𝑇



2(0,0441)



𝜇 = 𝑃 𝑑𝑟 = 54(0,591) = 0,003 10. Tebal lapisan pelumas minimum dicari dengan menggunakan persamaan berikut : ℎ𝑚𝑖𝑛 = 𝐶𝑟 (1 − 𝜀) = 0,0005(1 − 0,747) = 0,00126 𝑖𝑛 Bantalan Rol (Roller Bearing) Bantalan rol menggunakan roller yang lurus, tirus, atau berkontur yang dipasang diantara dua buah cincin. Secara umum, bantalan rol dapat menahan beban statik dan dinamik yang lebih besar daripada bantalan bola disebabkan



oleh kontaknya yang lebih besar. Selain itu bantalan rol ini juga lebih murah dari pada bantalan bola untuk ukuran dan



beban yang besar. Biasanya



bantalan rol hanya dapat menahan beban dalam satu arah saja baik itu radial maupun aksial, kecuali bila roller-nya tirus atau berkontur. Secara garis besar, bantalan rol ini terbagi lagi menjadi empat jenis yaitu (1) bantalan rol silindris, (2) bantalan rol jarum, (3) bantalan rol tirus, (4) spherical roll bearing. Bantalan bola dan bantalan roll juga mempunyai jenis yang khusus dibuat untuk menahan beban aksial murni. Namun cilindrycal roller thrust bearing akan mengalami gesekan yang lebih besar daripada ball thrust bearing akibat sliding antara roller dengan cincin. Oleh karena itu biasanya roller thrust bearing ini tidak boleh digunakan untuk kecepatan tinggi. 11.5.2. Pemilihan rolling-element bearing Pemilihan bantalan dilakukan dengan mempertimbangkan besar beban statik dan dinamik dan umur yang diinginkan. Basic Dynamic Load Rating C Pengujian yangtelah dilakukan oleh perusahaan-perusahaan pembuat bantalan, berdasarkan teori yang sudah dikembangkan, menunjukkan bahwa fatigue life atau umur bantalan L berbanding terbalik dengan pangkat tiga bebannya untuk bantalan bola, dan pangkat 10/3 untuk bantalan roll.



Bantalan bola.



𝑪 𝟑



𝑳 = (𝑷 )



𝟏𝟎



Bantalan roll.



𝑳=



𝑪 𝟑 (𝑷)



dimana L adalah umur bantalan dalam jutaan putaran, P adalah beban konstan yang bekerja (beban konstan pada elemen berputar akan menyebabkan beban dinamik), dan C adalah basic dynamic load rating C. Basic dynamic load rating C didefinisikan sebagai beban yang akan memberikan umur 1 juta putaran pada cincin dalam. Parameter ini biasanya sudah ditentukan dalam katalog yang dibuat oleh perusahaan pembuat bantalan.



Basic Static Load Rating C0 Deformasi permanen pada roller atau bola dapat terjadi bahkan pada beban yang kecil karena sangat tingginya luas kontak yang kecil. Batas beban statik pada bantalan didefinisikan sebagai beban yang akan menghasilkan deformasi permanen pada cincin dan elemen rolling pada titik kontak manapun sebesar 0,0001 kali dari diameter elemen rollingnya. Tegangan yang dibutuhkan untuk membuat deformasi statik sebesar 0,0001d pada bantalan baja adalah bervariasi mulai 4 Gpa (580 kpsi) untuk bantalan roll sampai



4,6 Gpa (667 kpsi) untuk bantalan bola. Perusahaan-perusahaan



pembuat benatalan telah membuat basic static loading rating C0 untuk setiap jenis bantalan, yang dibuat berdasarkan standar AFBMA. Biasanya dibutuhkan beban sebesar 8C0 atau lebih besar untuk mematahkan bantalan. Beban Kombinasi Radial dan Aksial (Thrust) Jika beban radial dan aksial terjadu pada bantalan, beban ekuivalen harus dihitung untuk digunakan dalam perhitungan umur bantalan. AFBMA merekomendasikan persamaan berikut : P = XVFr +YFa Dimana : P = Beban ekuivalen Fr = Beban radial konstan yang bekerja Fa = Beban aksial konstan yang bekerja V = Faktor perputaran X = Faktor radial Y = Thrust factor Faktor V sama dengan 1 untuk bantalan yang cincin dalamnya berputar. Jika cincin luarnya juga berputar, faktor V ini naik sampai 1,2 untuk bantalan jenis tertentu. Faktor X dan Y bervariasi tergantung jenis bantalan dan biasanya ditentukan oleh perusahaan pembuat bantalan tersebut. Prosedur Perhitungan Langkah pertama dalam perhitungan umur bantalan adalah dengan mencari besar beban baik radial maupun aksial yang bekerja pada bantalan (biasanya



diketahui dari analisis pembebanan). Dimensi aproksimasi poros juga biasanya dapat diketahui dari perhitungan tegangan dan defleksi. Kemudian digunakan katalog digunakan dengan terlebih dahulu menentukan bantalan tertentu secara coba-coba. Dengan demikian dapat diperoleh nilai C, C0, V, X, dan Y. Kemudian dihitung beban efektif P dan akhirnya dihitung umur L dengan menggunakan nilai C yang diperoleh dari katalog.



Gambar 11.27 Distribusi umur pada rolling element bearing Basic Static Load Rating C0 Deformasi permanen pada roller atau bola dapat terjadi bahkan pada beban yang kecil karena sangat tingginya luas kontak yang kecil. Batas beban statik pada bantalan didefinisikan sebagai beban yang akan menghasilkan deformasi permanen pada cincin dan elemen rolling pada titik kontak manapun sebesar 0,0001 kali dari diameter elemen rollingnya. Tegangan yang dibutuhkan untuk membuat deformasi statik sebesar 0,0001d pada bantalan baja adalah bervariasi mulai 4 Gpa (580 kpsi) untuk bantalan roll sampai



4,6 Gpa (667 kpsi) untuk bantalan bola. Perusahaan-perusahaan



pembuat benatalan telah membuat basic static loading rating C0 untuk setiap jenis bantalan, yang dibuat berdasarkan standar AFBMA. Biasanya dibutuhkan beban sebesar 8C0 atau lebih besar untuk mematahkan bantalan.



Beban Kombinasi Radial dan Aksial (Thrust) Jika beban radial dan aksial terjadu pada bantalan, beban ekuivalen harus dihitung untuk digunakan dalam perhitungan umur bantalan. AFBMA merekomendasikan persamaan berikut : P = XVFr +YFa Dimana : P = Beban ekuivalen Fr = Beban radial konstan yang bekerja Fa = Beban aksial konstan yang bekerja V = Faktor perputaran X = Faktor radial Y = Thrust factor Faktor V sama dengan 1 untuk bantalan yang cincin dalamnya berputar. Jika cincin luarnya juga berputar, faktor V ini naik sampai 1,2 untuk bantalan jenis tertentu. Faktor X dan Y bervariasi tergantung jenis bantalan dan biasanya ditentukan oleh perusahaan pembuat bantalan tersebut Prosedur Perhitungan Langkah pertama dalam perhitungan umur bantalan adalah dengan mencari besar beban baik radial maupun aksial yang bekerja pada bantalan (biasanya diketahui dari analisis pembebanan). Dimensi aproksimasi poros juga biasanya dapat diketahui dari perhitungan tegangan dan defleksi. Kemudian digunakan katalog digunakan dengan terlebih dahulu menentukan bantalan tertentu secara coba-coba. Dengan demikian dapat diperoleh nilai C, C0, V, X, dan Y. Kemudian dihitung beban efektif P dan akhirnya dihitung umur L dengan menggunakan nilai C yang diperoleh dari katalog. Studi kasus Diketahui: Beban radial Fr = 1686 lb =(7500 N) dan beban aksial Fa = 1012 lb= (4500 N). Kecepatan poros adalah 2000 rpm. Asumsi : Digunakan bantalan bola jenis deep groove tipe Conrad. Cincin dalam berputar. Dicari : Ukuran bantalan yang sesuai untuk memberikan umur L10 sebesar 500 juta putaran.



Solusi :



1. Coba bantalan 6316 dari gambar 11.28 dan diperoleh data sebagai berikut : C =21200 lb (94300 N), C0 = 18000 lb (80000 N), dan rpm maksimum = 3800. 2. Hitung rasio Fa/C0 𝑭𝒂 𝑪𝒐



𝟏 𝟎𝟏𝟐



= 𝟏𝟖𝟎𝟎𝟎 = 𝟎, 𝟎𝟓𝟔



11.5.3. Studi kasus Diketahui: Beban radial Fr = 1686 lb =(7500 N) dan beban aksial Fa = 1012 lb= (4500 N). Kecepatan poros adalah 2000 rpm. Asumsi : Digunakan bantalan bola jenis deep groove tipe Conrad. Cincin dalam berputar.



Dicari : Ukuran bantalan yang sesuai untuk memberikan umur L10 sebesar 500 juta putaran. Solusi :



1. Coba bantalan 6316 dari gambar 11.28 dan diperoleh data sebagai berikut : C =21200 lb (94300 N), C0 = 18000 lb (80000 N), dan rpm maksimum = 3800. 2. Hitung rasio Fa/C0 𝐹𝑎 1 012 = = 0,056 𝐶𝑜 18000 Kemudian cari nilai e dari gambar 11.29 dan diperoleh e = 0,26 untuk radialcontact groove ball bearing. 1.



Bentuk rasio Fa/(VFr) dan bandingkan dengan nilai e.



𝐹𝑎 1012 = = 0,6 > 𝑒 = 0,26 𝑉 𝐹𝑟 1(1 686) Perhatikan V = 1 karena cincin dalamnya berputar. 4. karena rasio pada langkah 3 adalah > e, cari faktor X dan Y dari 11.29 sehingga diperoleh X = 0,56 dan Y = 1,71, dan kemudian gunakan faktor-faktor tersebut untuk menghitung beban ekuivalen. P= XV 𝐹𝑟 + 𝑌𝐹𝑎 → = 0,56(1)(1686 + 1,71(1012)) = 2675 lb. 5. Gunakan beban ekuivalen diatas untuk menghitung umur L10 bantalan. juta putaran 𝐶 3



21 200 3



𝐿 = (𝑃) = ( 2675 ) = 500 𝑗𝑢𝑡𝑎 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛. Biasany perhitungan ini memerlukan beberapa iterasi