BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Perancangan Mesin Perancangan 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/dapat diraba) untuk memenuhi tujuan-tujuan akhir perancang secara spesifik atau obyektif. Kegiatan perancangan umumnya dimulai dengan didapatkannya persepsi tentang suatu kebutuhan, kemudian dijabarkan dan disusun dengan spesifik, selanjutnya dicari ide dan penuangan kreasi. Selanjutnya ide dan kreasi tersebut dianalisa dan diuji untuk menghasilkan suatu rancangan produk yang bisa direalisasikan. Dalam lingkup yang lebih spesifik engineering design adalah kegiatan yang berhubungan dengan penciptaan/kreasi mesin yang dapat melakukan fungsinya dengan baik, aman, dan andal. Proses perancangan dimulai dengan identifikasi kebutuhan dan keputusan untuk melakukan sesuatu tentang kebutuhan itu. Setelah
6
melakukan literasi berkali-kali, maka proses desain akan berhenti pada detail design yang siap direalisasikan. Identifikasi dan formulasi kebutuhan adalah kegiatan yang membutuhkan tingkat kreativitas yang tinggi. Tahap Problem definition harus melibatkan semua spesifikasi yang berhubungan dengan system yang akan didesain. Spesifikasi tersebut adalah kuantitas input dan output, karakteristik dan dimensi serta ruangan yang diperlukan, dan semua kendala atau batasan desain. Spesifikasi inilah yang akan menentukan biaya, jumlah yang akan dibuat, umur teknis yang diinginkan, kondisi operasi, dan keandalan mesin. Contoh spesifikasi adalah fungsi (kecepatan, temperature operasi, tekanan), keamanan (kekuatan, defleksi, getaran) dan lain-lain. 2.2. Metode Perancangan VDI 2221 Metode perancangan VDI 2221 adalah metode perancangan yang dibuat oleh Persatuan Insinyur Jerman (Verein Deutscher Ingenieure/VDI) yang dijabarkan oleh Gerhard Pahl dan Wolfgang Beitz. Metode tersebut adalah “Pendekatan Sistematik terhadap Desain untuk Sistem Teknik dan Produk Teknik” (Systematic Approach to The Design of Technical System And Product). Keistimewaan dari metode perancangan VDI 2221 terletak pada tahap conceptual design, yaitu terdapatnya langkah-langkah pembuatan struktur fungsi yang mengidentifikasikan elemen-elemen penyusun dari sistim teknik yang akan dibuat serta fungsi yang harus dilakukan oleh masing-masing elemen tersebut agar sistem secara keseluruhan dapat melaksanakan tugasnya. Fungsi dari penyusun sistem ini disebut sebagai sub fungsi, dan hubungan antara satu sub fungsi dengan sub fungsi yang lain dikombinasi serta divariasikan untuk mendapatkan prinsipprinsip pemecahan masalah yang berbeda-beda.
7
2.3. Tujuan Metode VDI 2221 Efektivitas merupakan salah satu syarat utama dalam merancang suatu produk. Keinginan pemesan, situasi pasar, dan perkembangan teknologi harus diperhatikan untuk bisa menghasilkan rancangan yang baik serta sesuai dengan kebutuhan dan keinginan pemesan. Ketiga hal tersebut dapat diatasi dengan menggunakan metode VDI 2221. Metode VDI 2221 bertujuan untuk memudahkan seorang perancang merumuskan dan mengarahkan berbagai varian desain yang ada karena dalam metode tersebut ide-ide yang ada disusun secara efisien dan sistematis. 2.4. Langkah Kerja Dalam Metode VDI 2221 Langkah kerja pada metode ini terdiri dari 7 tahap yang dikelompokkan dalam 4 fase yaitu : 1. Penjabaran tugas (Clasification of tasks) Meliputi pengumpulan informasi mengenai permasalahan dan kendalakendala yang dihadapi, kemudian disusun suatu daftar persyaratan mengenai rancangan yang akan kita buat. 2. Penentuan konsep rancangan (Conseptual design) Meliputi tiga langkah kerja yaitu : a. Menentukan fungsi dan strukturnya b. Mencari prinsip solusi dan strukturnya c. Menguraikan solusi menjadi varian yang dapat direalisasikan 3. Perancangan wujud (Embodiment Design) Pada perancangan wujud ini dimulai dengan menguraikan rancangan dalam modul-modul yang diikuti oleh desain awal dan desain jadi.
8
4. Perancangan rinci (Detail Design) Tahap ini merupakan proses perancangan dalam bentuk gambar yang tersusun dan gambar detail termasuk daftar komponen, spesifikasi bahan, toleransi dan lainnya. Pada tahap ini semua pekerjaan didokumentasikan sehingga pembuatan produk dapat dilakukan. 2.4.1. Penjabaran Tugas (Clasification of tasks) Pada langkah kerja ini dilakukan perumusan dan daftar persyaratan yang disesuaikan dengan kehendak konsumen yang diharapkan dipenuhi oleh solusi akhir. Informasi ini akan menjadi acuan penyusunan spesifikasi. Pekerjaan-pekerjaan yang dilakukan meliputi : a. Mengumpulkan informasi atau data yang berhubungan dengan perancangan dan memeriksa kendala apa saja yang dihadapi. b. Memeriksa kehendak-kehendak lain yang dapat menunjang pekerjaan. c. Merumuskan tugas yang dihadapi. Hasil kerja yang diperoleh ialah daftar kehendak (requirement list). Daftar kehendak merupakan dokumen penting dalam melaksanakan langkah kerja lainnya. Pentingnya daftar kehendak menyebabkan penanganannya harus teratur dan sistematik dalam suatu format yang dinamakan spesifikasi. Untuk mempermudah penyusunan spesifikasi dapat dilakukan dengan meninjau aspek-aspek tertentu seperti aspek geometri, energi, ekonomi, dll. Dari aspek-aspek tersebut dapat diuraikan syarat-syarat yang harus dipenuhi sehingga dapat dirumuskan tugas-tugas yang dihadapi oleh perancang.
9
Setelah spesifikasi diperoleh, maka dilakukan abstraksi dan formulasi. Tujuan dari abstraksi adalah untuk menentukan bagian mana dari spesifikasi yang merupakan bagian penting dan berlaku umum. Pada saat melakukan abstraksi dan formulasi hal yang harus diperhatikan adalah membedakan sebuah persyaratan apakah sebagai tuntutan (demand) atau keinginan (wishes). Demand adalah persyaratan yang harus terpenuhi pada setiap kondisi atau dengan kata lain apabila persyaratan tersebut tidak bisa dipenuhi, maka rancangan dianggap tidak benar atau gagal. Sedangkan wishes adalah persyaratan yang diinginkan apabila memungkinkan. 2.4.2. Penentuan Konsep Rancangan (Conceptual Design) Hal-hal yang dibahas dalam conceptual design adalah : 1. Menentukan fungsi dan strukturnya a. Struktur fungsi dari keseluruhan (Overall Function) b. Sub Fungsi 2. Mencari prinsip solusi dan strukturnya. a. Metode Konvensional b. Metode Intuitif c. Metode Kombinasi 3. Menguraikan menjadi varian yang dapat direalisasikan. a. Pembuatan konsep varian b. Evaluasi 2.4.2.1. Menentukan Fungsi dan Strukturnya Hal-hal yang dibahas dalam menentukan fungsi dan strukturnya adalah :
10
a. Struktur fungsi dari keseluruhan (Overall Function) Setelah masalah utama diketahui, kemudian dibuat struktur fungsi secara keseluruhan. Struktur fungsi ini digambarkan dengan blok diagram yang menunjukkan hubungan input dan output. b. Sub Fungsi Apabila fungsi keseluruhan cukup rumit, maka cara untuk mengantisipasinya adalah dengan membaginya menjadi beberapa sub fungsi. 2.4.2.2. Mencari Prinsip Solusi Dan Strukturnya Dasar-dasar pemecahan masalah diperoleh dengan mencari prinsip-prinsip solusi dari masing-masing sub fungsi. Dalam tahap ini dicari sebanyak mungkin variasi solusi. Ada 3 kategori dalam pencarian prinsip solusi menurut Pahl-Eitz yaitu: a. Metode Konvensional Metode ini meliputi pencarian dalam buku literatur, jurnal teknik dan brosur yang dikeluarkan oleh perusahaan. b. Metode Intuitif Solusi ini datang dengan pencarian dan pemikiran panjang. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengembangkan kemampuan intuitif ini antara lain dengan banyak melakukan diskusi dengan orang lain. c. Metode Kombinasi Metode ini mengkombinasikan kemungkinan solusi yang ada. Metode yang dapat digunakan adalah metode bentuk matrik, di mana sub fungsi dan prinsip solusi dimasukkan dalam kolom dan baris.
11
2.4.2.3. Menguraikan Menjadi Varian Yang Dapat Direalisasikan Apabila kombinasi yang ada terlalu banyak maka untuk memilih kombinasi yang terbaik menjadi lebih lama. Supaya hal ini tidak terjadi, maka apabila memungkinkan jumlah kombinasi harus dikurangi. 2.4.2.3.1. Pembuatan Varian Konsep Informasi lebih lanjut sangat diperlukan untuk pembuatan varian konsep yang dilakukan. Informasi tersebut dapat diperoleh dari : a. Gambar atau sketsa untuk melihat kemungkinan keserasian. b. Perhitungan kasar berdasarkan asumsi yang dipakai. c. Pengujian awal berupa pengujian model untuk menemukan sifat utama atau pendekatan kuantitatif untuk persyaratan kualitatif mengenai kinerja dari suatu produk jadi. d. Konstruksi model untuk visualisasi dan analisa. e. Analagi model dan simulasi yang sering dilakukan dengan bantuan komputer. f. Penelitian lanjut dari literatur. 2.4.2.3.2. Evaluasi Evaluasi berarti menentukan nilai kegunaan atau kekuatan yang kemudian dibandingkan dengan sesuatu yang dianggap ideal. Secara garis besar langkah yang ditempuh adalah sebagai berikut : a. Menentukan kriteria evaluasi Menentukan kriteria evaluasi didasarkan pada spesifikasi yang dibuat. b. Pemberian bobot kriteria
12
Langkah ini merupakan kriteria yang dipilih yang mempunyai tingkat pengaruh yang berada pada tingkat varian konsep. Sebaiknya evaluasi dititikberatkan pada sifat utama yang diinginkan pada solusi akhir. c. Menentukan parameter kriteria evaluasi Supaya perbandingan setiap varian konsep dapat dilihat dengan jelas, maka dipilih suatu parameter atau besaran yang dipakai varian konsep. d. Memasukkan nilai parameter Sebaiknya harga yang dimasukkan adalah harga normal. Nilai keseluruhan untuk varian konsep dapat dihitung dengan menggunakan rumus : OWV = ∑ Wi . Vv Di mana Wi = bobot kriteria evaluasi ke j Vv = Nilai kriteria evaluasi ke j e. Memperkirakan ketidakpastian evaluasi Kesalahan evaluasi dapat disebabkan oleh beberapa hal, antara lain : - Kesalahan subyektif misalnya kurangnya informasi - Kesalahan perhitungan parameter 2.4.3. Perancangan Wujud (Embodiment Design) Tahap perancangan ini meliputi beberapa langkah, yaitu langkah penguraian menjadi modul-modul, pembentukan lay out, dan penentuan lay out jadi. Perancangan wujud dimulai dari produk teknik, kemudian dengan menggunakan kriteria teknik dan ekonomi perancangan dikembangkan dengan menguraikan struktur fungsi ke dalam struktur modul untuk memperoleh elemenelemen pembangun struktur fungsi yang memungkinkan dapat dimulainya perancangan yang lebih rinci.
13
Hasil dari tahap ini berupa lay out yaitu penggambaran dengan jelas rangkaian dengan bentuk elemen suatu produk atau bahannya, pembuatan prosedur produksi, dan pembuatan solusi untuk fungsi tambahan. Hasil ini kemudian dianalisa untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang kekuatan, kinematika, pemilihan bahan, proses, dan sebagainya. Pada langkah ini perlu dibuat suatu model untuk mengukur kinerja, kualitas, kemudahan dan beberapa kriteria lain dari hasil perancangan. Kemudian dilakukan pengembangan rancangan dari model-model tersebut sehingga diperoleh model yang terbaik. 2.4.4. Perancangan Rinci (Detail Design) Tahap ini merupakan akhir dari metode perancangan sistematis yang berupa presentasi hasil. Pada langkah kerja ini dilakukan pekerjaan-pekerjaan merinci gambar akhir, termasuk gambar terperinci mengenai tiap-tiap bagian elemen dari produk. 2.5. Tegangan Izin Tegangan izin adalah tegangan yang terjadi akibat pembebanan yang berlangsung tak terbatas lamanya pada elemen mesin, tanpa mengakibatkan terjadinya kepatahan maupun perubahan bentuk yang menuju ke kerusakan. Pemilihan tegangan ijin sangat menentukan untuk menghitung dan memeriksa kembali ukuran dari elemen mesin. Besarnya tegangan ijin tergantung pada beberapa hal : a. Bahan/material (Logam atau non logam) -
Logam (Ferro, non ferro)
14
-
Non logam (Kayu, keramik, dll)
b. Jenis Pembebanan -
Pembebanan tekan, menghasilkan tegangan tekan sd
-
Pembebanan Tarik menghasilkan tegangan tarik sz
-
Pembebanan Tekuk / Bengkok Menghasilkan tegangan tekuk / bengkok sb
-
Pembebanan Puntir / Torsi Menghasilkan tegangan puntir / torsi t t
c. Jenis Beban -
Beban statik
-
Beban dinamik ulang
-
Beban dinamik ganti
-
Beban dinamik umum
2.6. Angka Keamanan Beberapa pertimbangan untuk menentukan besarnya
angka keamanan
adalah:. Angka keamanan kecil apabila : -
Besarnya gaya luar diketahui dengan pasti
-
Patahnya elemen konstruksi yang bersangkutan tidak membawa akibat yang fatal terhadap keseluruhan konstruksi.
-
Kerusakan dari elemen konstruksi yang bersangkutan dapat diatasi dengan cepat.
Angka keamanan besar apabila : -
Besarnya gaya luar tidak diketahui dengan pasti
15
-
Patahnya elemen konstruksi yang bersangkutan berakibat fatal terhadap keseluruhan konstruksi ( membawa kematian, kemacetan operasi ).
-
Kerusakan dari elemen konstruksi yang bersangkutan sukar diatasi (suku cadang yang langka / mahal, pengerjaan sukar, kesukaran memperoleh material).
2.7. Bantalan Bantalan adalah elemen konstruksi yang berfungsi untuk menopang beban serta menjaga posisi dari elemen konstruksi lain yang berputar. Menurut sifat gerakannya bantalan ada dua jenis, yaitu : a. Bantalan luncur b. Bantalan gelinding 2.7.1. Bantalan Luncur Keuntungan dari bantalan luncur adalah : a.
Tidak peka terhadap beban kejut dan goncangan
b.
Tidak terlalu peka terhadap debu dan kotoran
c.
Tinggi angka putaran tidak terbatas
d.
Pada konstruksi belahan memudahkan proses bongkar pasang
e.
Jika kelonggaran dapat diatur kembali, dapat dicapai karakter putaran yang presisi
Kerugian dari bantalan luncur adalah : a.
Butuh momen awal yang besar untuk berputar
b.
Butuh banyak pelumas
16
2.7.2. Bantalan Gelinding Keuntungan dari bantalan gelinding adalah: a. Momen awalan hampir sama besar dengan momen kerja b. Kebutuhan pelumas sedikit c. Pemeliharan mudah d. Produknya standard (mudah didapat) Kerugian dari bantalan gelinding adalah : a. Peka terhadap beban kejut b. Angka putaran maksimum terbatas c. Peka terhadap debu dan kotoran
