MODUL TUGAS PERENCANAAN ELEMEN MESIN I
Disusun oleh : SUPRIYONO
Disusun Oleh : Achmad Risa Harfit, ST.
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS GUNADARMA FEBRUARI 2009
TUGAS I: Perhitungan Sambungan Paku Keling Beban Langsung SAMBUNGAN PAKU KELING 1.1 TIPE SAMBUNGAN • Sambungan paku keling dibagi menjadi 2 tipe : 1. Sambungan tumpang (lap joint) 2. Sambungan temu : - Keling tunggal - Keling ganda • Sambungan tekanan : Tipe samb.keling dimana biasanya terdiri dari beberapa baris kelingan dengan samb.temu, dimana plat utama luar lebih kecil dari plat tutup dalam. • Penampang pemisah : Panjang pola pemisah pada suatu jenis sambungan paku keling = jarak panjang untuk menetapkan kekuatan paku keling. • Effisiensi samb.keling menunjukkan kesempurnaan rancangan sambungan
Effisiensi.samb.keling =
kekua tan .sambungan kekua tan . plat. padat
1.2 KEKUATAN SAMBUNGAN TUMPANG SEDERHANA Sambungan keling dianggap sebagai contoh tegangan merata, dimana persamaan umumnya …P = A . σ Tipe kerusakan sambungan keling : 1.Beban rusak dalam geser (Gambar 12-3)
Ps = As.σ =
π 2 d .τ 4
…….. dimana : d= Diameter lubang & paku keling .
2.Beban rusak dalam tarik (Gambar 12-4)
Pt = At.σ t = ( p − d )t.σ t Dimana :
p = Lebar plat atau panjang penampang pemisah T = tebal (p-d) = lebat netto plat
3.Kerusakan dukung (Gambar 12-5)
• Dimana terjadi pergerakan relatif antara plat utama, yaitu dari perubahan bentuk tetap atau pembesaran lubang paku keling yang disebabkan oleh kelebihan tekanan dukung (paku keling bisa rusak). • Pada prakteknya kerusakan dukung (σb) dianggap merata di sepanjang luas persegi lubang paku keling. • Kerusakan beban dukung : Pb = Ab.σ b = (t.d )σ b 4.* Koyakan sisi belakang plat lubang paku keling (Gambar 12-6a). * Kerusakan plat geser belakang lubang (Gbr. 12-6b), atau gabungan keduanya .
Tugas Perencanaan : Rencanakan suatu sistem sambungan paku keling lipat-3, sambungan temu dengan memakai 2 buah plat tutup atas dan bawah. Asumsi : 1. Masing-masing paku keling memikul beban sebanding dengan luas geser tahanannya 2. Beban tarik sepanjang baris paku keling = beban terpasang dikurangi beban geser yg ditransmisikan baris paku keling terdahulu. Data yang diketahui : Menerima beban yg bekerja pada penampang pemisah (P1) = 144 kN Panjang penampang pemisah (p) = 200 mm Garis tengah lubang paku keling (d) = 23,5 mm Tebal plat utama (t) = 14 mm Tebal masing-masing plat penutup (t’) = 10 mm Hitung : 1. Tegangan geser, tegangan dukung dan tegangan tarik yg terjadi pada sambungan ? 2. Gambarkan sistem sambungan paku keling tersebut dengan Autocad ?
Tugas 2 : Perhitungan Sambungan Paku Keling Beban Eksentris SAMBUNGAN PAKU KELING BEBAN EKSENTRIS BEBAN EKSENTRIS : Beban pada sambungan paku keling melalui ttk.berat kelompok paku keling, dimana distribusi beban tdk.merata disemua beban (gbr.12-13a).
• Agar stabil dipasang 2 paku keling dengan arah berlawanan yaitu gaya kolinier (P1 & P2), sehingga beban eksentris (Po) diganti beban terpusat (P) dan kopel torsi (T = P.e), (Gambar 12-13b) . P • Efek beban terpusat (P) ditahan oleh beban langsung ( Pd = ), (Gbr. 12-14a). n
• Kopel torsi (T) ditahan oleh beban torsi (Pt) (Gbr.12-14b) yang bekerja tegak lurus jari2 pusat kelompok paku (P). • Resultante beban setiap paku= jumlah vector beban langsung dan torsi paku keling (Gambar 12-14c). • Rumus torsi : Tρ τ = Dimana : τ = Tegangan geser rata2 tiap paku J ρ = Jarak radial dari pusat ke ttk.berat kelompok paku T = Kopel torsi
J = ∑ Aρ
2
Karena (A) = sama untuk semua paku ,dan (ρ) bisa dinyatakan dalam 2 sumbu, ρ 2 = X 2 + Y 2 (Gambar 12-14b) Sehingga : J = A(∑ X 2 + ∑ Y 2 ) Tρ Dan rumus torsi menjadi : τ = A ∑ X 2 + ∑ Y 2
[
]
(
Beban torsi : Pt =
)
Tρ …….dimana: Pt = A. τ ∑ X + ∑ Y2 2
Resultante beban paku keling diperoleh dari jumlah vector (Pd) dan (Pt) (Gbr 12-4c)
Ptx = Pt.sin α = Pt
Y ρ
dan
Pty = Pt. cosα = Pt
X ρ
Dengan mensubstitusikan harga (Pt) ke rumus (Ptx) didapatkan :
Ptx =
T .y ∑ X2 + ∑ Y2
Resultante beban paku keling :
dan
Pr =
Pty =
( Pdx +
T .x ∑ X2 + ∑ Y2
Ptx ) + ( Pdy + Pty ) 2
2
Tugas Perencanaan : Rencanakan suatu sistem sambungan paku keling dengan beban eksentris, untuk mengikat plat yang menempel pada body mobil. Data yang diketahui : Paku keling tersusun menjadi 3 baris 4 kolom, dengan jumlah total paku = 12 paku Jarak antar paku keling dalam baris = 80 mm Jarak antar paku dalam kolom = 100 mm Beban eksentris terpasang pada pusat paku baris-2 kolom-4, sebesar (P) = 200 kN Kemiringan beban 4/3 ke arah bawah-kanan. Pertanyaan : 1. Tentukan resultante beban paku keling yang dibebani paling berat ? 2. Gambarkan sistem sambungan paku keling tersebut dalam Autocad ?
Tugas 3: Perhitungan Kekuatan Sambungan Las Beban Langsung SAMBUNGAN LAS PENGELASAN : adalah metode mengikat logam dengan leburan, dengan panas dari busur listrik atau semburan oxiacetyline logam pada sambungan dilebur dan difuses dengan logam tambahan dari batang las. Untuk melindungi lasan dari kelebihan oksidasi, dipakai batang las yang dilapis (guna menghilangkan gas mulia yang menyelubungi busur arus), disebut “proses busur perisai” (shielded arc process). 3.1 METODE PENGELASAN Metode pengelasan dibagi menjadi 2 : 1. PENGELASAN TEKAN : Bagian yang hendak disambung ditekan satu sama lain dalam keadaan panas tanpa dicairkan dan tanpa bahan tambahan. 2. PENGELASAN CAIR : Ruangan antara bagian yang disambung (kampuh) diisi sedemikian rupa dengan bahan cair, sehingga tepi bagian yang berbatasan mencair (Dimana kalor yang diperlukan dibangkitkan dengan jalan kimia dan jalan listrik).
3.2 MAMPU LAS Tipe utama las :
1. Las temu (Gambar 12-16) 2. Las sudut
Kekuatan las temu= Teg. izin x panjang las x tebal plat Kekuatan las sudut sisi/melintang = Ditetapkan dengan tahanan geser leher las dengan mengabaikan arah beban terpasang.
• Pada las sudut 45° (gambar 12-17) Luas geser leher …. A = Lt sin 45° = L (0,707 t) mm2 Dimana : L= Panjang las (mm) t= Lebar leher (mm)
Contoh : Elekroda E-70 untuk mengelas baja A36. Te gangan geser ijin (σ)= 145 Mpa Hitung : Kekuatan las sudut 45° ? Penyelesaian : P = σ .A = (145x106)(0,707 t.L x10-6) = 103 t L • Biasanya kekuatan las sudut dinyatakan dalam terminologi gaya izin (q) per (mm) panjang las : q=
P = 103.t L
…. Dimana :
Q= Kekuatan las (N/mm)
p= Beban (N) L= Panjang las (mm) • Berdasarkan rekomendasi AISC (American Institut of Steel Construction), ukuran las sudut maks. : T ≥ 6 (mm) : ukuran las sudut maks. = t-2 (mm) T < 6 (mm) : ukuran las sudut maks. ≤ t (mm) • Faktor2 yg penting dalam mengukur kemampuan las : 1. Sifat fisik & kimia bahan, termasuk prasejarah (cara pengolahan, metode pemberian bentuk perlakuan panas). 2. Tebal, bentuk & konstruksi yg akan dibuat. 3. Metode las, sifat & susunan elektroda, urutan pengelasan, perlakuan panas (sebelum, selama & sesudah pengelasan), temperatur sekitar, keahlian juru las . 4. Sifat beban (statis, dinamis, tumbukan), dan keadaan pekerjaan selanjutnya (temperatur, pengaruh korosif). CATATAN : 1. Sedapat mungkin yg dilas adalah baja bukan paduan, dengan kadar carbon (0,15 – 0,17% C) termasuk baja konstruksi biasa Fe 360 (profil, pipa, batang, plat). 2. Semakin tinggi kadar C (0,2 – 025% C) akan timbul gejala pengerasan setelah pengelasan. Tugas Perencanaan : Rencanakan sebuah sistem sambungan las sudut dengan beban langsung . Data yang diketahui : Sebuah plat siku ukuran (100x100x10) mm dilas pada 2 sisi atas & bawah ke plat guset. Memikul beban langsung sepanjang sumbu pusat (P) = 190 kN Jarak beban ke sisi atas plat = 71,3 mm, dan ke sisi bawah plat = 28,7 mm Pada ujung siku dilas sudut melintang. Asumsi tegangan izin leher las = 145 Mpa. Tentukan : 1. Panjang sisi las sudut atas (L1) dan sisi las sudut bawah (L2) ? 2. Gambarkan sistem pengelasan tersebut dalam Autocad ? Tugas 4 :
Perhitungan Kekuatan Las Beban Eksentris SAMBUNGAN LAS DENGAN BEBAN EKSENTRIS Bila resultante gaya P tidak melalui titik berat (las tidak dibebani merata per-mm panjangnya) mengakibatkan terjadinya variasi deformasi elastis dalam las. PROSESNYA : • Kita tambah sepasang gaya kolinier (P) besarnya sama, arahnya berlawanan pada ttk berat C (garis putus2 gambar 12-21a). • Beban eksentris (P) diubah menjadi beban terpusat P (gbr.12-21b) dan kopel torsi T= P.e (gbr.12-21c).
Gambar 12-21: Analisa sambungan las dibebani eksentris. Bagian (a) adalah jumlah vector bagian (b) dan (c) Dalam gambar 12-21b : beban terpusat P ditahan gaya langsung (qd) per-mm las, terbagi merata sepanjang las.
qd =
P ∑ L
∑L = Panjang total las
Dalam gambar 12-21c : kopel torsi ditahan oleh variable gaya torsi (qt) per-mm las. Dengan memisalkan kerja las elastis tetapi plat kaku dan memuntir terhadap pusat C, maka intensitas gaya torsi dengan menggunakan rumus torsi (dg.menukar harga J) bisa didapatkan. Y
L ρ
C
x
y ~
X
• Untuk panjang las (L), harga ttk.berat (J) = Penjumlahan momen inersia empat persegi panjang terhadap sumbu melalui pusatnya sepanjang & arah tegak lurus panjangnya. ( 0 – 1/12 L3). • J = J + L.d 2 Dimana : J= Momen inersia J= Titik berat
1 3 1 3 L + L.ρ2 = L + L(x2 + y2 ) 12 12
•
J=
•
Sehingga modifikasi J dari rumus torsi menjadi :
•
Rumus torsi untuk menghasilkan gaya torsi (qt), yang tegak lurus lokasi radial (ρ)
1 J = ∑ L( L2 + x2 + y2 ) 12
adalah :
•
T .ρ
1 ∑ L( L2 + x2 + y2 ) 12
qt diuraikan menjadi qtx dan qty :
qtx =
•
qt =
T.y 1 ∑ L( L2 + x2 + y2 ) 12
qty =
T .x 1 ∑ L( L2 + x2 + y2 ) 12
Intensitas maksimum gaya las terjadi pada titik qdx maks. (qdy dan qty maks.).
Sehingga secara vector :
q=
(qdx + qtx ) 2 + (qdy + qty ) 2
Tugas Perencanaan : Rencanakan sebuah sistem sambungan las dengan beban eksentris. Data yang diketahui : Sebuah plat dilas ke rangka mesin dengan las sudut 2 sisi dengan ukuran (250x100) mm . (Pengelasan rata kanan) Plat tersebut dilas ke rangka sisi bawah sepanjang = 150 mm; sisi atas = 100 mm. Menerima beban ekesentris tegak lurus plat (P) = 40 kN. Letak beban di ujung plat,jarak beban tersebut dg pengelasan sisi atas-kanan = 100 mm. Gunakan tegangan geser ijin melalui leher las = 145 Mpa. Tentukan : 1. Ukuran las tersebut (t) ? 2. Gambarkan sistem sambungan las tersebut dalam Autocad !
Tugas 5: Perhitungan Kekuatan Poros POROS 5.1 MACAM-MACAM POROS Menurut fungsinya dibedakan menjadi 2 : 1. POROS (shaft) : - Untuk mendukung beban - Untuk meneruskan daya Contoh : Straight shaft, crank shaft, flexible shaft 2. GANDAR (axle) : Untuk mendukung beban saja Contoh : - Gandar berputar (revolving axle ) - Gandar tetap (fixed axle) Menurut pembebanannya dibedakan menjadi 3 : 1. POROS TRANSMISI : Poros macam ini mendapat beban puntir murni dan lentur. Daya ditransmisikan biasanya melalui (kopling, roda gigi, puli sabuk, sproket rantai). 2. SPINDEL : Poros transmisi yg relatif pendek seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utama berupa puntiran. Syarat utama : - Deformasinya kecil - Bentuk & ukurannya teliti 3. GANDAR :Poros yg mana tidak mendapat beban puntiran, bahkan kadang2 tidak boleh berputar. Jadi hanya menerima beban lentur (kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula untuk beban puntir). Contoh : Poros yg dipasang pada kereta, dll. Menurut bentuknya : - Poros lurus umum - Poros engkol - Poros luwes (u/ transmisi daya) 1. Kekuatan poros : (faktor-faktornya) • Poros mengalami beban puntir, lentur atau gabungan dari keduanya (seperti : poros transmisi). • Mendapat beban tarik atau tekan (seperti : poros baling-baling kapal, turbin, dll). • Kelalahan, tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan (bila poros diperkecil atau mempunyai alur pasak). 2. Kekakuan poros : Akibat lenturan dan defleksi puntir yg terlalu besar, maka akan mengurangi ketelitian mesin perkakas, atau getaran & suara (pada turbin & kotak roda gigi). 3. Putaran kritis : Bila putaran mesin dinaikkan pada harga tertentu, maka dapat terjadi getaran yg luar biasa. Misalnya: pada turbin, motor bakar, motor listrik, dll. 4. Korosi : • Untuk poros propeller dan pompa, bila terjadi kontak dengan fluida maka bahan harus dipilih yg tahan korosi
• Juga untuk poros yg terancam kavitasi & poros mesin yg berhenti lama. 5. Bahan poros : • Poros untuk mesin umum biasanya dari baja batang yg ditarik dingin dan difinis. • U/ konstruksi mesin adalah baja karbon (bahan S-C) yaitu dari ingot yg dikill (= baja yg dioksidasikan dengan ferro silikon dan dicor).,(Tabel 1.1). Tetapi bahan ini kelurusannya agak kurang tetap & mengalami deformasi (karena adanya tegangan yg kurang seimbang dan adanya tegangan sisa diterasnya. • U/ poros yg meneruskan putaran tinggi & beban berat, umumnya dari baja paduan dengan pengerasan kulit yg tahan aus. Seperti : baja krom nikel, baja krom nikel molibden, baja krom, baja krom molibden. (Tabel 1.2) • U/ poros yg bentuknya sulit, seperti poros engkol (biasanya dari besi cor nodul). • Gandar untuk kereta rel dari baja karbon (Tabel 1.3) Baja dapat diklasifikasikan : (Tabel 1.4) 1. Baja liat (U/ poros) 2. Baja agak keras (U/ poros) 3. Baja lunak (umumnya agak kurang homogen ditengah) 4. Baja keras (umumnya berupa baja yg dikil). 5.2
POROS DENGAN BEBAN PUNTIR Jika poros yg akan direncanakan hanya mendapat beban torsi, maka diameter poros biasanya dapat lebih kecil dari yg diperkirakan, seperti : poros motor dg. sebuah kopling. Tetapi jika diperkirakan terjadi beban lenturan (tarikan atau tekanan), misalnya : sabuk, rantai, roda gigi yg dipasang pada poros motor. Sehingga pembebanan tambahan tersebut perlu perhitungan (dalam factor tambahan yg diambil). Tata cara perencanaan : 1. DAYA RENCANA (Pd) : Pd = fc. P (kW) Dimana : fc= factor koreksi (tabel 1.6) CATATAN : • Jika P adalah daya rata2 maka harus dibagi dengan eff. Mekanis (η) dari sistem transmisi untuk mendapatkan daya penggerak mula. • Konversi satuan : 1 PS = 0,735 KW 1 KW = 1 KJ/dt = 0,986 HP 1 HP = 746 W = 75 Kg.m/dt 2.
MOMEN PUNTIR (Momen rencana), T :
Pd =
(T / 1000)(2π .n1 / 60) 120
Sehingga: 3.
T = 9,74 x105
Pd (Kg.mm) n1
Dimana : n1= Putaran poros (Rpm) TEGANGAN GESER (τ) :
τ =
T 5,1.T = (Kg/mm2) (π .ds 3 / 16) ds 3
Dimana :ds= diameter poros (mm) 4.
TEGANGAN GESER YANG DIIJINKAN (τ) :
τa =
σb ( Kg / mm 2 ) ( Sf 1xSf 2)
Dimana :
σb Sf1 Sf2
5.
= Kekuatan tarik (Kg/mm2) = factor keamanan bahan dari tegangan yg lain = 5,6 (U/ bahan SF) = 6,0 (U/ bahan S-C) = Angka keamanan dari alur pasak & bertangga, kekasaran permukaan. = 1,3 – 3,0
DIAMETER POROS (ds) :
5,1 ds = Kt .cb.T τa
1/ 3
Kt
cb
= Faktor koreksi dari momen puntir = 1,0 (U/ beban secara halus) = 1,0-1,5 (U/ sedikit kejutan/tumbukan) = 1,5-3,0 (U/ kejutan/tumbukan besar) = Faktor kemungkinan adanya pemakaian beban lentur dimasa mendatang. = 1,2 – 2,3 = 1,0 (Jika tidak terjadi beban lentur)
Tugas Perencanaan : Rencanakan perhitungan kekuatan poros. Data yang diketahui : Poros bulat meneruskan daya (P) = 10 KW ; pada putaran (n1) = 1450 Rpm Disamping beban puntir, diperkirakan ada beban lentur. Sebuah alur pasak pasak perlu dibuat Bekerja selama 8 jam/hari dengan tumbukan ringan. Bahan diambil dari baja difinis dingin S45C. Hitung : 1. Diameter poros tersebut (ds) ? 2. Gambarkan perencanaan poros tersebut dalam Autocad ?
Tugas 6: Perhitungan Kekuatan Pasak PASAK PASAK : adalah suatu elemen mesin yg dipakai untuk menetapkan bagain2 mesin (seperti : roda gigi, sproket, puli, kopling, dll) pada poros. Fungsi yg serupa dg pasak adalah dilakukan oleh : 1. Seplain : dimana gigi pada seplain biasanya besar atau sedang . 2. Gerigi (serration) : gigi kecil2 dengan jarak bagi yg kecil juga . Keduanya dapat digeser secara aksial saat meneruskan daya. • 1. Pasak pelana 2. Pasak rata 3. Pasak benam
Menurut letaknya pada poros, pasak dibedakan : 4. Pasak singgung 5. Pasak tembereng 6. Pasak jarum
Umumnya berpenampang segi empat, dalam arah memanjang dapat berbentuk prismatic atau tirus.
CATATAN : • Paling banyak dipakai adalah pasak benam, karena dapat meneruskan momen yg besar. • Untuk momen dg tumbukan dapat dipakai pasak singgung
6.1 PERENCANAAN PASAK Hal2 yg penting dalam perencanaan pasak : 1. Pasak benam kadang2 diberi kepala, dengan maksud untuk memudahkan pencabutan. 2. Kemiringsn pasak tirus umumnya 1/100 dan dalam pengerjaan dijaga agar naf tidak eksentrik. 3. Pada pasak rata sisi samping harus pas dengan alurnya. 4. Bahan pasak umumnya dipilih dengan kekuatan tarik (σb) > 60 kg/mm2 (lebih kuat dari porosnya). (Lihat standar pasak dalam Tabel 1.8) • GAYA TANGENSIAL PADA POROS (F) :
F=
T ( Kg ) (ds / 2)
Dimana :
T= Momen rencana poros (kg.mm) ds= Diameter pors (mm)
• TEGANGAN GESER YG DITIMBULKAN (τk) :
τk =
F (kg / mm 2 ) b.l
Dimana :
b= Lebar pasak (mm)
l= Panjang pasak (mm) F= Gaya (kg)
• TEGANGAN GESER YG DIIJINKAN (τka) :
τ ka ≥
F b.l1
Dimana :
τk =
atau l1 σb Sfk1 Sfk2
σb Sfk1xSfk 2
= Panjang pasak yg diperlukan = Kekuatan tarik = Umumnya 6 = 1 – 1,5 (Beban secara perlahan) 1,5 – 3 (Beban tumbukan ringan) 2 – 5 (Beban tiba-tiba & tumbukan berat)
• TEKANAN PERMUKAAN (p) :
p=
F (kg / mm 2 ) L(t1.atau.t 2)
Dan harga tekanan permukaan yg diijinkan (pa) : pa ≥
F L(t1.atau.t 2)
Dimana : t1= Kedalaman alur pasak pada poros (mm) t2= Kedalaman alur pasak pada naf (mm) pa= 8 (Poros diameter kecil) = 10 (Poros diameter besar) = Dan untuk poros putaran tinggi, harga pa = ½ dari harga tersebut. CATATAN : • Lebar pasak sebaiknya = 25 – 35% dari diameter poros • Panjang pasak = (0,75 – 1,5)ds. Tugas Perencanaan : 1. Rencanakan bahan dan ukuran pasak yang terpasang di poros. Data yang diketahui : Meneruskan daya (P) = 10 KW, pada putaran (n1) = 1450 Rpm. Bahan poros dipilih dari = S45C, dan pasak dari = S55C. Panjang pasak ≤ 1,3. ds 2.
Gambarkan gambar teknik pasak tersebut dalam Autocad !
