ANALISIS KEGAGALAN PADA PIPI POROS ENGKOL SUZUKI CARRY 1.0 VAN DENGAN BANTUAN SIMULASI KOMPUTER. Abstrak

Analisa Kegagalan Pipi Poros Engkol Suzuki Carry

ANALISIS KEGAGALAN PADA PIPI POROS ENGKOL SUZUKI CARRY 1.0 VAN DENGAN BANTUAN SIMULASI KOMPUTER 1

Nazaruddin, 2Purwo Subekti

Abstrak Kegagalan terjadi pada pipi engkol berupa patah lelah yang didahului oleh adanya keausan abrasi pada radius antara pipi engkol dan pena engkol (crank pin). Keausan terjadi akibat gesekan antara pena engkol dan kedudukan torak (metal jalan) yang menimbulkan alur-alur sehingga terbentuk daerah konsentrasi tegangan yang menjadi penyebab awal retakan. Oleh sebab itu perlu dilakukan pengkajian terhadap terjadinya kegagalan dengan baik agar dapat diambil tindakan preventif (pencegahan), sehingga kerusakan yang sama tidak terulang kembali. Untuk mengetahui penyebab kerusakan poros engkol mobil empat silinder Suzuki cary 1.0 van, maka dilakukan penelitian mengetahui penyebab utama dan mekanisme kegagalan pipi engkol pada suzuki cary 1.0 yang digunakan sebagai angkutan kota dan menampilkan gambaran visual tegangan yang bekerja pada pipi engkol menggunakan simulasi komputer Dari penilitian yang telah dilakukan bahwa patah yang dialami komponen poros engkol ini adalah patah lelah, hal ini sesuai dengan penampakan permukaan patahan akibat beban kerja yang berfluktuasi secara siklik. Untuk kondisi komponen tanpa adanya keausan abrasi, tegangan yang bekerja tidak melampaui batas kelelahan material seperti terlihat pada diagram Goodman, hal ini menunjukkan pemilihan spesifikasi material sudah tepat. Tetapi dengan adanya takikan mengakibatkan tegangan yang bekerja melebihi batas kelelahan material dan berada pada daerah yang tidak aman seperti ditunjukkan pada diagram perbandingan perhitungan tegangan rata-rata berdasarkan kurva Soderberg dan Goodman. Kata kunci :pipi poros engkol, patah lelah, kurva Soderberg dan Goodman. Fracture can be happen at web couse by worn out abration at fillet between web and crank pin. This worned out couse by rub between crank pin and piston settle that make some grooves until formed a strains concentration area that why the crack was happen. On that account, got to have a good research on that failure, and then can take prevention, and the same failure can not be happen again. To find out the couse of crankshaft damage at Suzuki Carry 1.0 van with four cylinder, that used for public transportation, do some research to find out the web primary couse of and failure mechanism and visualized the strains that work on web with computer simulation. Research carry out that fracture at crankshaft is exhaustive fracture, this appropriate with the fracture surface appearance that effect from the cyclical fluctuation work load. For this component condition without any worn out abration, Strains that work on is not passed over the exhaustive limit as shown at Goodman chart, that the material specification choosen is right. But with the extraction existence effected the strains is over the material exhaustive limit and be on unsafe position as shown at soderberg and goodman average strains ratio calculation curve. Keywords: web, exhaustive fracture, Soderbrg and Goodman curve.

Nazaruddin1, Purwo Subekti2, 1. Jurusan Teknik Mesin STTP, 2. Program Studi Teknik Mesin UPP

Page 111

1. PENDAHULUAN Kegagalan pada suatu komponen mobil akan sangat merugikan, karena operasi kendaraan akan terhenti dan penggantian komponen yang gagal memerlukan waktu dan biaya serta kerugian lainnya. Oleh sebab itu perlu dilakukan pengkajian terhadap terjadinya kegagalan dengan baik agar dapat diambil tindakan preventif (pencegahan), sehingga kerusakan yang sama tidak terulang kembali. Suatu kasus kegagalan yang sangat merugikan pada komponen mesin mobil empat silinder yaitu terjadinya patah pada “Crankshaft” (poros engkol). Poros engkol berfungsi untuk meneruskan gerakan translasi torak menjadi gerakan rotasi dan sebaliknya gerakan rotasi poros engkol diteruskan menjadi gerakan translasi torak. Poros engkol ini menerima beban berupa momen puntir dan momen lentur pada saat langkah kerja mesin. Kegagalan terjadi pada pipi engkol (web) berupa patah lelah yang didahului oleh adanya keausan abrasi pada radius (fillet) antara pipi engkol dan pena engkol (crank pin). Keausan terjadi akibat gesekan antara pena engkol dan kedudukan torak (metal jalan) yang menimbulkan alur-alur sehingga terbentuk daerah konsentrasi tegangan yang menjadi penyebab awal retakan. Untuk mengetahui penyebab kerusakan poros engkol mobil empat silinder Suzuki cary 1.0 van, maka dilakukan penelitian yang meliputi : pengukuran dimensi, pemeriksaan visual, pengujian komposisi kimia, pengujian kekerasan, pemeriksaan struktur mikro, serta analisa tegangan. Mekanisme Kerja Poros Engkol Poros engkol adalah bagian utama dari mesin yang berputar, poros ini menggerakkan beban baik secara langsung maupun melalui roda transmisi. Fungsi dan mekanisme poros engkol ini adalah meneruskan gerakan translasi dari torak sepanjang TMA – TMB – TMA menjadi Page 112

gerakan rotasi memutar poros engkol satu putaran, dan sebaliknya satu putaran poros engkol akan menggerakkan torak sepanjang TMA – TMB – TMA seperti ditunnjukkan pada gambar 1. Dalam sistem langkah kerja empat silinder, setiap torak melakukan fungsi kerja yang tidak sama pada saat siklus berlangsung (langkah hisap, kerja, kompresi dan buang). Untuk itu web yang patah dianalisa pada saat langkah kerjanya.

offset

Gambar 1. Mekanisme perubahan gerak translasi menjadi gerak rotasi Tekanan maksimum pada saat torak melakukan pembakaran atau langkah kerja (Engine Power Concept) dan Gaya maksimum torak/piston adalah:

P 

33000.N /4.(D)2 .L.n

FT  1 4  .D.P.a Dimana : N = Daya maksimum mesin (lb-ft/minute) D = diameter piston (in) n = putaran mesin (rpm) P = Tekanan maksimum pada torak/piston (psi) a = Faktor tambahan kerja Patah (Fracture) Patah adalah peristiwa pemisahan benda padat menjadi dua bagian atau lebih dibawah pengaruh tegangan.

JURNAL APTEK Vol. 3 No. 2 Juli 2011


i. Patah Ulet Patah ulet ditandai dengan terlihatnya deformasi plastis sebelum dan selama perambatan retakan, sehingga bekas deformasi plastis ini akan terlihat disekitar bidang permukaan patah. Bentuk yang kasar dan berserabut akan terlihat pada permukaan patahnya. Secara mikroskopis bentuk permukaan bidang patah ulet yang terjadi ada dua kemungkinan yaitu patah tarikan permukaan dasar (flat face tensile fracture) dan patah tarikan muka miring (shear face tensile fracture). ii. Patah Getas Patah getas dapat diidentifikasikan dari permukaan patah yang mempunyai ciri-ciri antara lain di sekitar permukaan patahan tidak terdapat bekas deformasi plastis. Berdasarkan pada pemeriksaan mikroskopis, perambatan retak pada patah getas dapat diklasfikasikan menjadi dua yaitu patah getas yang perambatan retaknya di sepanjang batas butir yang disebut intergranular, dan yang perambatan retaknya di sepanjang batas butir disebut transangular. Laju perambatan retak pada patah getas lebih cepat dibandingkan pada patah ulet, dan energi yang dikeluarkan untuk terjadinya patah getas lebih kecil. iii. Patah lelah Patah lelah adalah patah yang terjadi pada suatu komponen akibat beban yang berulang-ulang (beban dinamis). Beban tersebut dapat berupa tegangan ataupun regangan. Kerusakan akibat patah lelah dapat terjadi meskipun tegangan maksimum yang bekerja di bawah kekuatan luluhnya. Mekanisme terjadinya patah lelah dapat diidentifikasikan dari bidang patahannya yang mempunyai ciri-ciri khusus. Ciri-ciri

khusus permukaan patah lelah pada dasarnya dibagi menjadi dua daerah yaitu daerah patah lelah yang meliputi awal retakan dan perambatan retakan, serta daerah patah akhir, atau patah statik. 2. METODA PENELITIAN

Data spesifikasi suzuki cary 1.0 van Daya maksimum mesin berdasarkan spesifikasi mobil suzuki cary 1.0 van adalah sebesar 77 Hp,sedangkan diameter x langkah piston adalah 65.5 x 72 mm atau ( 2,57874in x 0,236 ft ) dengan putaran 6000 rpm. Tekanan maksimum yang terjadi pada saat piston melakukan pembakaran atau langkah kerja :

33000.N  / 4.( D ) L .n 33000.77 (lb - ft/minute)  0,785.(2,5 7874in) .0,236ft.6 000 rpm  343,76 psi  24,2

P 

2

2

kg

cm 2

Ilustrasi gaya-gaya pada poros engkol ditunjukkan pada gambar 3. Faktor tambahan untuk menentukan beban yang bekerja adalah : 1. Faktor ketidak telitian (a1) = 1.2 – 1.4 2. Faktor kerja mesin, efek tumbukan sedang (a2) = 1.2 – 1.5 3. Faktor keandalan kerja (resiko patah) (a3) = 1.2 – 1.5 Jadi faktor tambahan kerja ; a  a1 x a 2 x a 3  1.2 x 1.2 x 1.2  1.728


Page 113

F

T

M

RA

RB

Gambar 3. Ilustrasi gaya-gaya pada poros engkol Gaya maksimum pada torak saat melakukan langkah kerja : FT  1 4  .(D) 2 .P.a

FT  1 4 x 3,14 x(6,55) x 24,2 x 1,728 2

 1406,4 kg

 13796,5 N

Gaya maksimum pada crankpin saat torak melakukan langkah kerja ;

FC 

FT



1406,4  1562,7 kg 0,9 Material Komponen Poros Engkol Material yang umum digunakan untuk poros engkol adalah besi cor noduler. Berdasarkan kekuatan tariknya klasifikasi besi cor noduler menurut standar JIS terlihat pada tabel 1. FC 

Tabel 1. Klasifikasi besi cor noduler menurut standar JIS G 5502 - 1971 Nodular Cast Iron Minimum tensile Proof strains Elongation (min) Hardness Grade strength (min) (%) (HB) 2 2 (kgf/mm ) (kgf/mm ) FCD 40 40 20 15 121 – 197 FCD 45 45 30 10 149 – 217 FCD 50 50 35 7 170 – 241 FCD 60 60 40 2 207 – 285 FCD 70 70 42 2 229 – 321 Sumber: Dieter, G.E, ”Mechanical Metallurgy”, McGraw-Hill, Inc. 3rd Edition 1986

Pengamatan Lapangan atau Lingkungan Komponen Poros engkol ini merupakan komponen mobil suzuky cary 1.0 van, yang sehariharinya dioperasikan sebagai angkutan kota dengan jalur trayek Pintu angin – Pasar Senapelan (Pekanbaru). Trayek ini mempunyai jalur dengan beberapa tanjakan curam dan diasumsikan kendaran dalam kondisi pembebanan maksimal.

Page 114

Pengamatan Visual Pada Kerusakan Pemeriksaan dimensi dimaksudkan untuk mengetahui data geometris dari komponen mesin poros engkol yang mengalami kerusakan dengan menggunakan jangka sorong. Hasil pengukuran dituangkan pada gambar CAD untuk selanjutnya disimulasikan berdasarkan gaya-gaya yang bekerja menggunakan software Visual Nastran for Window 4D.



Perpatahan pada poros engkol terjadi pada pipi engkol (web) pertama setelah bagian journal yang berputar pada bantalan utama, seperti terlihat pada gambar.

Gambar 4. Bagian pipi engkol yang patah ditunjukan oleh tanda panah. Pada radius (fillet) permukaan pipi engkol terdapat keausan abrasi yang akhirnya membentuk takikan (notch) seperti terlihat pada gambar.

Gambar 5. Foto web di bagian sisi berlawanan web yang patah dan patahan pada web, tanda panah menunjukkan bagian yang terabrasi.

mengetahui apakah sebelumnya telah mengalami perlakuan panas. Sampel metalografi yang telah dimounting dengan resin selanjutnya diampelas secara bertahap menggunakan grid kertas ampelas dari kecil (kasar) sampai yang besar (halus). Setelah didapat permukaan yang mulus dan rata selanjutnya dipoles menggunakan alumina. Sebelum dilakukan pemotretan terlebih dahulu sampel dietsa dengan larutan etsa nital 2%. Selain itu, dari pengamatan visual, bagian sisi pipi yang berhadapan dengan pipi yang patah terlihat tidak adanya abrasi dan tidak ada takikan yang terbentuk.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pemeriksaan Visual dan Fraktografi Pemeriksaan visual dan analisa tegangan menunjukkan, bahwa kerusakan yang dialami poros engkol pada mobil empat silinder suzuki cary 1.0, disebabkan oleh kelelahan bahan. Patah pada pipi engkol yang berhubungan langsung dengan pena engkol (crankpin) dimana diantara keduanya terbentuk takikan yang merupakan awal terjadinya retakan. Awal retak dimulai pada daerah yang mengalami keausan, ini dimungkinkan karena pada daerah ini terbentuk alur-alur yang mempunyai radius tajam sehingga tegangan yang bekerja pada daerah ini lebih besar dari daerah sekitarnya dengan kata lain terjadi konsentrasi tegangan. Komposisi Kimia Berdasarkan studi literatur komposisi kimia material poros engkol yang mengalami kerusakan ditunjukkan pada tabel 2. di bawah ini.

Pemeriksaan struktur mikro bertujuan untuk mengetahui fasa-fasa yang ada pada komponen poros engkol serta untuk Nazaruddin1, Purwo Subekti2, 1. Jurusan Teknik Mesin STTP, 2. Program Studi Teknik Mesin UPP

Page 115

Tabel 2. Komposisi kimia material poros engkol UNSUR BERAT (%) C 3.53 Si 2.6 P .0014 S 0.013 Mn 0.52 Cr 0.18 Cu 0.025 Mg 0.11

Dengan melihat persentase karbon yaitu sebanyak 3.53 % maka dapat diketahui bahwa material tersebut adalah besi cor. Unsur kimia utama pada besi cor yang sangat berpengaruh adalah silikon, yaitu mengurangi kelarutan karbon dalam besi menyebabkan terbentuknya grafit bebas. Dengan adanya unsur Mg yang merupakan unsur nodulerisasi sehingga dapat diperkirakan bahwa struktur besi cor tersebut adalah besi cor noduler. Unsur lain, seperti krom berpengaruh terhadap sifat mekanik terutama naiknya kekerasan, dan juga menaikkan sifat tahan panas dari besi cor. Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan pada material poros engkol yang gagal bertujuan untuk mengetahui distribusi kekerasan pada penampang melintang potongan A – A dekat permukaan patahan. Pengujian kekerasan ini menggunakan metoda makro vickers dengan beban 5 kg dan jenis indentor piramid intan. Titik-titik pengujian diambil dari daerah pinggir ketengah pada penampang melintang potongan A – A dekat permukaan patahan. Hal ini bertujuan untuk mengetahui distribusi kekerasannya.

Page 116

A

A

lokasi uji keras

POT A - A

Gambar 7. Skema lokasi pengujian kekerasan Tabel 3. Hasil pengujian kekerasan Jarak Kekerasan No (mm) (Hv) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4

260 257 260 265 303 274 293 277 268 280 280

Hasil pengujian kekerasan pada permukaan penampang melintangan potongan A – A memperlihatkan distribusi kekerasan yang tidak merata, dengan harga kekerasan rata-rata adalah 274.2 Hv (288,5 HB) Analisa Tegangan Untuk mengetahui pengaruh tegangan yang bekerja selama pembebanan operasional komponen poros engkol, maka dilakukan simulasi terhadap gaya yang dikenakan pada poros engkol Gaya maksimum pada crankpin saat torak melakukan langkah kerja disimulasikan dengan menggunakan Visual Nastran 4D. Karena gaya yang bekerja pada crankpin hanya pada saat langkah kerja maka diasumsikan tegangan maksimum dan minimum yang bekerja pada crankpin hasil JURNAL APTEK Vol. 3 No. 2 Juli 2011


simulasi merupakan tegangan siklik, dengan hasil sebagai berikut :

b. Menggunakan kriteria von Mises

a. Menggunakan kriteria Max ShearStrains (Tresca)

(a)

(a)

(b) (b)

Gambar 10. Hasil analisa CAE (computer aided engineering) menggunakan software Visual Nastran 4D untuk kriteria luluh ‘von Mises’ (a) distribusi tegangan bagian dalam bidang web mengalami tegangan paling besar (max = 27,94 kg/mm2 dan min = 1,63 kg/mm2), (b) distribusi tegangan bagian luar bidang web.

(c)

Gambar 9. Hasil analisa CAE (computer aided engineering) menggunakan software Visual Nastran 4D untuk kriteria luluh ‘Tresca’ (a) bidang bagian dalam web mengalami tegangan paling besar (max = 15,09 kg/mm2 dan min = 0,91 kg/mm2), (b) distribusi tegangan dibagian luar bidang web,(c) daerah patahan, posisi awal terjadi penjalaran retakan.

Untuk menghitung harga konsentrasi tegangan, dengan momen lentur di sekitar awal retakan, maka : D  50  1,32 d 38 Dari rumus diketahui bahwa ; Untuk lenturan, Kt = 2,0

Kt 

 max  nominal

Jadi tegangan maksimum pada bidang web dengan konsentrasi tegangan adalah: Untuk kriteria ’von Mises’


Page 117

 max  K t x 27,94  2,0 x 27,94  55,88 kg/mm 2  min  K t x 1,63  2,0 x 1,63  3,26 kg/mm 2 dimana :

a 

 max -  min

27,94 - 1,63  13,155 kg/mm 2  tanpa kosentrasi tegangan 2 55,88 - 3,26   26,31 kg/mm 2  dengan konsentrasi tegangan 2 

2  -  a  max min 2 dan :    min 27,94  1,63  m  max   14,785 kg/mm 2  tanpa kosentrasi tegangan 2 2    min 55,88  3,26  m  max   29,57 kg/mm 2  dengan konsentrasi tegangan 2 2 Untuk kriteria ’Tresca’  max  K t x 15,09  2,0 x 15,09  30,18 kg/mm 2

 min  K t x 0,91  2,0 x 0,91  1,82 kg/mm 2 dimana :

 max -  min

15,09 - 0,91  7,09 kg/mm 2  tanpa kosentrasi tegangan 2 2  - 30,18 - 1,82  a  max min   14,18 kg/mm 2  dengan konsentrasi tegangan 2 2  max   min 15,09 - 0,91 m    8 kg/mm 2  tanpa kosentrasi tegangan 2 2  max   min 30,18 - 1,82 m    16 kg/mm 2  dengan konsentrasi tegangan 2 2 

Untuk memetakan tegangan rata-rata terhadap daerah tegangan maksimum dan tegangan minimum yang bekerja sebelum dan sesudah mengalami keausan abrasi (terdapatnya konsentrasi tegangan) digunakan diagram Goodman dan diagram perbandingan perhitungan tegangan rata-rata berdasarkan kurva Soderberg dan Goodman dengan datadata sebagai berikut : Dari spesifikasi material FCD 700 diperoleh data kekuatan tarik : u = Su = 70 kg/mm2 y = Sy = 42 kg/mm2 Pendekatan batas fatik adalah : f = 0,37 . u = 25,9 kg/mm2

Page 118

Tarik u  70 kg/mm

2

UNSAFE

y  42 kg/mm

f  25,9 kg/mm

2

2

UNSAFE

Tarik

a 

Tegangan rata-rata (m )

SAFE Kriteria Tresca sebelum ada takikan Kriteria von Mises sebelum ada takikan f  25,9 kg/mm 2

Kriteria Tresca setelah ada takikan Kriteria von Mises setelah ada takikan

Gambar 11. Diagram Goodman Pendekatan harga endurance limit (Se) relatif terhadap harga kekuatan tarik putus material poros engkol adalah : Se  0,5 Su Se = 0,5 x 70 = 35 kg/mm2



Soderberg (USA, 1930):

a Se

Goodman (England, 1899):

Tegangan amplitudo ( a)kg/mm2

Se



m

a Se

Sy



diagram perbandingan perhitungan tegangan rata-rata berdasarkan kurva Soderberg dan Goodman.

1

m Su

1

Saran

35

UNSAFE

26,31

Goodman

14,18 13,15

Soderberg

SAFE

7,09

42 8

14,8 16

29,7 2

Sy

70

Su

Tegangan rata-rata ( m)kg/mm

Ket : Kriteria Tresca tanpa konsentrasi tegangan Kriteria Tresca dengan konsentrasi tegangan Kriteria von Mises tanpa konsentrasi tegangan Kriteria von Mises dengan konsentrasi tegangan

Gambar

12.

Perbandingan perhitungan tegangan rata-rata berdasarkan kurva Soderberg dan Goodman

1. KESIMPULAN & SARAN Kesimpulan Dari pembahasan analisis kegagalan dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Poros engkol mobil ini terbuat dari besi cor nodular perlitik golongan FCD 700-2 2. Poros engkol tidak mengalami pengerasan kulit. 3. Patah yang dialami komponen poros engkol ini adalah patah lelah, hal ini sesuai dengan penampakan permukaan patahan akibat beban kerja yang berfluktuasi secara siklik. 4. Untuk kondisi komponen tanpa adanya keausan abrasi, tegangan yang bekerja tidak melampaui batas kelelahan material seperti terlihat pada diagram Goodman, hal ini menunjukkan pemilihan spesifikasi material sudah tepat. Tetapi dengan adanya takikan mengakibatkan tegangan yang bekerja melebihi batas kelelahan material dan berada pada daerah yang tidak aman seperti ditunjukkan pada

Bertolak dari permasalahan keausan abrasi yang menyebabkan alur-alur pada web, yang berakibat kegagalan pada komponen maka dianjurkan untuk : 1. Perlu diperhatikan dalam pemasangan metal jalan pada crank pin agar berada pada posisi yang tepat sehingga tidak terjadi gesekan dengan pipi engkol. 2. Sebagai perawatan perlu dilakukan pengecekan dan penggantian secara teratur terhadap oli pelumas agar tetap dalam kondisi yang baik serta pencegahan terhadap terjadinya kebocoran pada mesin yang mengakibatkan oli pelumas berkurang atau habis. 3. Menyesuaikan beban yang diangkut, dalam kasus ini adalah kendaraan umum agar tidak melebihi dari beban angkut yang diijinkan.

DAFTAR PUSTAKA American Society of Metal, Metals Handbook Vol.9 Fractography and Atlas of Fractographs, Metal Park, Ohio, 8th edition. Dieter, G.E, Mechanical Metallorgy, Mc Graw-Hill, Inc.3rd edition, 1986. Soepriyanto.S, Analisis Kerusakan,Pesoman Analisis dan contoh-contoh Kasus Laboratorium Metalurgi Fisika, Jurusan Teknik Pertambangan, ITB, 2005. Trakindo, Manual Book, Engine Power Concept. Wulpi,DJ, Understanding How Components Fail, ASM, USA,1985.


Page 119

Page 120


ANALISIS KEGAGALAN PADA PIPI POROS ENGKOL SUZUKI CARRY 1.0 VAN DENGAN BANTUAN SIMULASI KOMPUTER. Abstrak

Recommend Documents