Elemen Elemen Mesin Dalam Perancangan Mekanis Edisi 4

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 al2

().(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

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