machine design

LAPORAN PERENCANAAN ELEMEN MESIN

LAPORAN PERENCANAAN ELEMEN MESINJURUSAN TEKNIK MESIN FTI-ITSLAPORAN PERENCANAAN ELEMEN MESINJURUSAN TEKNIK MESIN FTI-ITS

BAB IPENDAHULUAN1.1. Latar BelakangPerencanaan dan perancangan dalam suatu pembuatan produk merupakan hal yang sangat penting. Hal ini bertujuan supaya produk yang dibuat dapat memiliki fungsi dan tingkat keamanan yang baik. Oleh karena itu, jurusan atau Program Studi Teknik Mesin ITS dalam kurikulum pengajarannya terdapat mata kuliah Perencanaan Elemen Mesin. Hal ini bertujuan supaya mendidik mahasiswanya menjadi sarjana teknik yang mampu untuk mendesain alat yang fungsional, hemat, ramah lingkungan, ergonomis, serta mengedepankan fakror keamanan yang baik.Perencanaan Elemen Mesin adalah mata kuliah yang bertujuan untuk merancang komponen mesin lewat hasil kreatifitas dari masing-masing mahasiswa, yang biasa kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya perencanaan kunci box, gearbox, sepeda dan peralatan yang biasa digunakan untuk keidupan sehari-hari. Dan untuk Perencanaan Elemen Mesin kali ini akan merancang suatu sistem mekanisme kerja Penyangga Box Mobil Penumpang pada suatu mobil pedesaan multiguna (GEA) untuk selanjutnya akan dilanjutkan ke produksi.Pada Penyangga box kali ini perlu dirancang dan dikembangkan untuk moda transortasi yang multifungsi.Penyangga box dirancang agar lebih kuat dan stabil dalam menyangga box pada saat box diletakkan di atas tanah. Penyangga Box mobil ini dirancang menyerupai kaki serangga sehingga lebih kokoh ketika ada guncangan, selain iitu lebih praktis untuk cara penyimpanannya yang tidak memerlukan tempat yang banyak pada bagian box mobil.Dalam merancang, tidak sekedar desain yang bagus akan tetapi harus memperhatikan beberapa aspek, misalnya kekuatan material, beban yang diterima, tegangan yang diterima supaya saat digunakan dapat memberikan fungsi yang optimal. Sedikit saja terjadi kesalahan, misalkan gesekan antar material pada komponen atau menerima beban atau gaya yang lebih besar dari pada yang diizinkan maka akan menimbulkan kerusakan atau bahkan keselamatan si pengguna.1.2. Rumusan MasalahRumusan masalah dalam proyek Perencanaan Elemen Mesin yang akan dibuat Antara lain:1. Bagamaina rancangan atau desain penyangga box yang tepat?2. Berapa diameter minimum untuk batang penyangga box mobil dengan beban maksimum dari box 600kg?3. Jenis material apakah yang dipakai untuk pembuatan penyangga box mobil?4. Berapa kekuatan maksimum penyangga box mobil yang diterima jika diberi beban maksimum 600kg?1.3. Batasan MasalahDalam Perencanaan Elemen Mesin pada batang penyangga box mobil yang akan dibuat, terdapat beberapa batasan masalah yang digunakan untuk mempermudah proses analisa , batasan masalah yang digunakan adalah : 1. Beban maksimal yang dikenakan pada box adalah 600 kg2. Pengunci box dengan chasis tidak dibahas.3. Box yang dirancang untuk penumpang dan niaga. 4. Beban box dianggap uniform.1.4. TujuanTujuan Perencanaan Elemen Mesin pada Latch Clamp yang dibuat Antara lain:1. Mengetahui spesifikasi geometri yang tepat dari Batang Penyangga Box Mobil yang akan dibuat.2. Mengetahui diamater minimum yang harus dibuat sesuai dengan perhitungan matematis dengan material yang sesuai dengan standard.3. Mengetahui jenis material yang akan dipakai dalam proses pembuatan Penyangga box mobil4. Mengetahui kekuatan yang diizinkan yang diterima penyangga.

BAB IIDASAR TEORI

2.1 Teori KegagalanSuatu material yang menerima pembebanan dinyatakan mengalami kegagalan (failure), jika material tersebut tidak dapat berfungsi lagi dengan baik sesuai dengan kriteria yang direncanakan. Ada dua criteria kegagalan pada static failure theory yaitu distorsi (distortion) dan patah/rusak (fracture). Ada 3 teori kegagalan yang sering digunakan dalam perencanaan teknik, yaitu:1. Teori Kegagalan Tegangan Normal Maksimum (Maximum Normal Stress Theory MNST)Menurut teori ini, jika suatu material menerima kombinasi pembebanan akan gagal (Juvinall, 1967), atau:a. Luluh (yielding), jika tegangan principal positif paling besar (1) melewati harga tegangan luluh tarik material (Syt), atau bila tegangan principal negatif paling besar melewati harga tegangan luluh (yield) tekan (Syc) dari material.Syarat agar tidak terjadi kegagalan adalah sebagai berikut:

(2.1)

(2.2)b. Patah (fracture), bila tegangan principal positif atau negatif (1) maksimum, melewati harga tegangan tarik maksimum (Sut) atau tegangan tekan maksimum (Suc) dari material.Syarat agar tidak terjadi kegagalan adalah sebagai berikut:

(2.3)

(2.4)

dimana :SF = factor keamanan (safety factor)

= tegangan tarik maksimum

= tegangan tekan maksimum

= tegangan tarik yield material

= tegangan tarik maksimum material

= tegangan tekan yield material

= tegangan tekan maksimum material2. Teori kegagalan tegangan geser maksimum (Maximum shear stress theory MSST)

Teori ini khusus untuk material ulet (ductile) dengan dasar bahwa kegagalan terjadi bila tegangan geser maksimum () yang terjadi, melewati harga tegangan geser yang diijinkan () pada material. Agar perancangan aman, tegangan geser yang terjadi lebih kecil atau sama dengan tegangan geser ijin material seperti persamaan berikut:

(2.5)

(2.6)dimana:

= tegangan geser maksimum material

= tegangan geser maksimum

= tegangan geser yield material3. Teori kegagalan distorsi energy maksimum (Maximum distortion energy theory MDET )Teori ini lebih dikenal dengan nama teori kegagalan Von Misses. Awalnya teori kegagalan ini dianalisa melalui tegangan octahedral maksimum yang terjadi melebihi harga limit dari hasil test tarik material standar dengan beban uniaxial, sehingga disebut juga sebagai teori kegagalan tegangan geser oktahedral(Maximum Octahedral Shear Stress Theory) dengan persamaan sebagai berikut:(2.7)

(2.8)dimana:= tegangan yield material= tegangan geser oktahedral

, , = teganga utama2.2 Faktor Keamanan (Safety Factor)Penentuan besarnya faktor keamanan yang sesuai tergantung pada beberapa pertimbangan antara lain material, proses pembuatan, tipe pembebanan, kondisi kerja dan betuk komponen. Berikut merupakan faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam penentuan faktor keamananyaitu:1. Ketahanan sifat-sifat pada material selama proses pembebanan.2. Kehandalan pada saat menerima pembebanan.3. Tingkat pembebanan.4. Tingkat kurangnya umur komponen saat terjadi kegagalan.5. Kerugian material bila terjadi kegagalan.Penentuan faktor keamanan haruslah cermat karena tingginya faktor keamanan akan menyebabkan besarnya dimensi komponen dan borosnya material dilain pihak faktor keamanan yang rendah menyebabkan besarnya resiko yang tidak diinginkan.

Tabel 2.1 Faktor keamanan berdasarkan jenis pembebananJenis BebanFactor keamanan

Statis1,25 2

Dinamis2 3

kejut3 5

Sumber: V. Dobrovolsky, Machine Elements2.3 Komponen SisipanKomponen sisipan ini digunakan pada saat batang di panjangkan atau dibuka agar kuat menahan batang yang diatasnya. Prinsip yang digunakan mirip dengan penyangga batang pada payung lipat, namun pada komponen sisipan ini terdapat 4 penyangga didalam batangnya sehingga lebih kuat dalam menahan beban batang yang diatasnya. Komponen sisipan ada pada setiap sisi yang melingkar pada batang. Kompenen Sisipan tersebut dapat disimpan didalam batang sehingga akan langsung terbuka jika batang tersebut ditarik keluar atau jika akan digunakan maka akan menopang batang yang diatasnya, namun jika akan menyimpannya harus ditekan agar penyangga tersebut masuk kedalam batang utama.

Gambar 2.1 Komponen Sisipan Komponen tersebut didesain menggunakan bahan pegas sehingga tidak mudah patah dan lebih elastis yang memudahkan untuk menekan dan mengeluarkannya secara otomatis. Penyangga ini terdapat pada setiap sambungan antara batang 2 dan 3, serta 3 dan 4 yang masing-masing terdapat 4 penyangga disisi batang.2.4 Sambungan Mengapa kita memerlukan sambungan? Sambungan adalah suatu bentuk usaha rekayasa teknik untuk memenuhi tuntutan teknis berdasar pertimbangan bahan atau pelaksanaan dalam pembuatan. Kemungkinan benda benda tertentu akan sulit dibuat bila tanpa sambungan. Contohnya, bila kita membuat jembatan rangka baja sepanjang 300 meter. Apa yang mungkin terjadi bila tidak menggunakan sambungan?Kita akan kesulitan memperoleh bahan baja sepanjang 300 meter.Secara garis besar sambungan difungsikan untuk mengikat suatu konstruksi mesin, baik secara permanen ataupun tidak permanen. Secara sederhana ada beberapa jenis sambungan yang kita kenal, yakni sambungan baut, sambungan keling, sambungan las dan lainnya. (dharma, 2012)2.4.1 Sambungan BautFastener adalah alat yang digunakan untuk memegang, mengencangkan ataumenyambung dua elemen atau lebih. Threaded fastener atau sambungan bautmenggunakan alat yang ber-ulir untuk menyambungkan dua elemen atau lebih. Kelebihan jenis sambungan ini adalah kemungkinan untuk melepas dan memasang kembali. Sehingga sambungan jenis ini sangat cocok untuk peralatan yang sering dilepas dan dipasang untuk keperluan perawatan atau penggantian komponen yang aus. Gambar 2.1 menunjukkan tiga buah tipe sambungan baut yang umum digunakan yaitu sambungan baut-mur, sambungan cap-screw, dan sambungan stud. Klasifikasi threaded fastener umumnya dilakukan berdasarkan konstruksi dan kegunaan, tipe ulir, dan jenis kepala baut.

Gambar 2.2 Konstruksi sambungan baut (a) baut-mur, (b) sambungan cap-screw, (c)sambungan stud. (widodo,2012)Variasi mur (nut) juga sangat banyak variasinya untuk memenuhi berbagai fungsi khusus. Gambar 2.2 menunjukkan beberapa tipe mur standar. Washer adalah ring datar yang biasanya digunakan pada sambungan baut mur. Fungsinya adalah untuk memperluas bidang kontak antara mur dengan elemen yang disambung. Teknologi pembuatan atau manufacturing baut-mur saat ini umumnya dilakukan dengan proses machining, rolling, dan head forming.

Gambar 2.3 Tipe-tipe mur standard (widodo,2012)2.4.2 Preload dan Kekuatan Sambungan BautSebagai fastener, fungsi baut-mur adalah untuk mencekam komponen bersama, dimana beban yang bekerja akan menimbulkan tegangan tarik pada baut seperti ditunjukkan pada gambar 2.3. Dalam dunia praktis, pencekaman ditimbulkan oleh beban awal (preload) dengan mengencangkan baut. Pengencangan baut dapat dilakukan dengan memberikan torsi yang cukup sehingga menimbulkan beban tarik yang mendekati proof strength. Untuk sambungan yang mendapat beban statik, beban awal biasanya diberikan sampai 90% proof strength. Sedangkan untuk sambungan yang mendapat beban dinamik (fatigue) maka beban awal umumnya diberikan sampai 75% proof strength.

Gambar 2.4 (a) Sambungan baut, (b)diagram benda bebas baut yang mendapat beban tarik (widodo, 2012)Konstruksi sambungan baut dapat dianalogikan sebagai sistem pegas seperti ditunjukkan pada gambar 2.4. Baut dapat dipandang sebagai pegas tarik dengan kekakuan kb dan komponen yang disambung dapat dianalogikan sebagai pegas tekan dengan kekakuan kj. Baut yang terdiri dari bagian tanpa ulir dan bagian berulir dapat dianggap sebagai pegas susunan seri, lihat gambar 2.4. Untuk jenis baut tertentu mungkin terdapat beberapa jenis ukuran diameter. Recall defleksi batang yang mendapat beban uniaksial, , maka kekakuan baut dapat dituliskan menjadi persamaan :............................................................................................(2.1)

dimana At adalah tensile stress area baut, dan Ab adalah luas penampang bagian yang tidak berulir. Kekakuan komponen yang disambung juga merupakan susunan seri. Kekakuan totalnya adalah.............................................................................................(2.2)

dimana L1 dan L2 adalah masing-masing tebal komponen yang disambung, Am luas efektif material yang dicekam. Khusus jika material komponen yang dicekam sama maka.............................................................................................(2.3)

Gambar 2.5 Konstruksi sambungan baut (widodo, 2012)Menentukan nilai kekakuan sambungan jauh lebih sulit dan kompleks dibandingkan dengan kekakuan baut. Kesulitan terutama terletak pada penentuan luas efektif pencekaman, Am. Pendekatan umumnya dilakukan untuk menyederhanakan analisis. Berdasarkan analisis numerik dengan metoda elemen hingga diketahui bahwa distribusi tegangan pencekaman pada komponen yang signitfikan terjadi pada daerah berbentuk frusta cone seperti ditunjukkan pada gambar 2.5. Jika komponen yang dicekam terbuat dari material yang sama, maka berharga sekitar 420. Nilai ini juga masih belaku untuk tebal komponen yang dicekam tidak sama.Volume efektif komponen yang dicekam dapat ditentukan dengan menghitung volume double cone shape barrel seperti ditunjukkan pada gambar 2.5 (a) dan (b). Jika material komponen yang dicekam jenisnya sama, maka dapat dibuat volume silinder yang ekivalen dengan volume frusta cone seperti ditunjukkan pada gambar (c). Jika material tidak sama maka konsep pegas seri harus digunakan dan parameter E masing-masing material harus dimasukkan.

Gambar 2.6 Volume efektif pencekaman (widodo, 2012)Luas penampang efektif komponen yang mengalami kompresi adalah luas penampang rata-rata frustum-cone barrel :

..............................................................(2.4)

dimana d adalah diameter baut, d2 dan d3 seperti ditunjukkan pada gambar :

...........................(2.5).....................................................................(2.6)

2.4.3 Sambungan yang Mendapat Beban StatisGambar 2.6 (a) menunjukkan karakteristik gaya-deformasi sambungan baut jika diberikan beban awal untuk mengencangkan sambungan. Gaya awal dinaikkan dari nol sampai Fi. Akibat gaya awal tersebut maka baut akan mengalami defleksi k dan komponen mengalami defleksi m. Baut memiliki slope positif karena dengan bertambahnya beban pengencangan maka panjangnya juga bertambah. Hal sebaliknya untuk komponen yang disambung. Terlihat juga untuk gambar tersebut bahwa kekakuan komponen yang disambung lebih tinggi daripada kekakuan baut sehingga deformasi material lebih rendah berbeda dengan deformasi baut. Gaya yang bekerja pada keduanya tetap sama. Jika beban luar sebesar P diberikan pada sambungan seperti gambar 2.6 (b) maka akan terjadi pertambahan deformasi pada baut dan komponen seperti ditunjukkan pada gambar 2.6 (c). Deformasi tambahan ini selalu bernilai sama untuk baut dan komponen sampai sambungan terpisah.

Gambar 2.7 Karakteristik sambungan baut yang mendapat bebanStatik (widodo, 2012)Adanya beban eksternal akan mengubah situasi beban yang dialami baik oleh baut maupun komponen. Gaya yang bekerja pada baut akan mendapat tambahan sebesar Pb sehingga gaya total pada baut menjadi Fb. Sedangkan komponen mengalami pengurangan gaya sebesar Pm sehingga gaya total pada komponen menjadi Fm. Atau dengan kata lain dicatat bahwa gaya luar P dipecah menjadi dua bagian yaitu Pb untuk baut dan Pm untuk komponen.......................................................................................................(2.7)Gaya total masing masing pada baut dan komponen adalah..............................................(2.8)Sambungan akan mulai terpisah atau gagal jika beban luar yang diberikan, P, mencapai beban awal pencekaman Fi. Pada kondisi ini seluruh gaya luar akan ditahan oleh baut.Untuk menjaga sambungan tidak mudah terpisah, yang berarti gagal, maka dari itulah disarankan supaya menggunakan preload yang tinggi. Untuk aplikasi praktis, preload disarankan........................................................(2.9)

dimana Fps adalah proof preload = SpAt. Perhitungan faktor keamanan sambungan dapat dilakukan dengan analisis sebagai berikut :

..................(2.10)

...................(2.11)

..................................................................(2.12)

C sering disebut sebagai konstanta kekakuan atau konstanta sambungan. Konstanta C ini nilainya biasanya < 1, dan jika kb relatif kecil dibandingkan km, C nilainya akan makin kecil. Jadi dapat dikonfirmasikan bahwa baut akan mendapat porsi yang kecil dari beban luar P. Dengan cara yang sama dapat diturunkan bahwa.....................................................................(2.13)

Ekspresi Pb dan Pm dapat digantikan untuk mendapatkan gaya total yang diterima baut dan komponen.........................................................(2.14)

Persamaan di atas dapat digunakan untuk menentukan berapa besar preload yang harus diberikan pada suatu sambungan jika beban luar yang bekerja sudah ditentukan, dan baut sudah dipilih sehingga proof strength-nya diketahui.Beban luar untuk memisahkan sambungan P0 dapat ditentukan dengan men-set Fm sama dengan nol............................................................................................(2.15)

Sehingga faktor keamanan terhadap pemisahan sambungan adalah..................................................................................(2.16)

2.4.4 Sambungan KelingPaku keling (rivet) digunakan untuk sambungan tetap antara 2 plat atau lebih misalnya pada tangki dan boiler. Paku keling dalam ukuran yang kecil dapat digunakan untuk menyambung dua komponen yang tidak membutuhkan kekuatan yang besar, misalnya peralatan rumah tangga, furnitur, alat-alat elektronika, dll Sambungan dengan paku keling sangat kuat dan tidak dapat dilepas kembali dan jika dilepas maka akan terjadi kerusakn pada sambungan tersebut. Karena sifatnya yang permanen, maka sambungan paku keling harus dibuat sekuat mungkin untuk menghindari kerusakan atau patah.Bagian utama paku keling adalah :1. kepala2. badan3. ekor4. kepala lepasBahan paku keling yang biasa digunakan antara lain adalah baja, brass, aluminium, dan tembaga tergantung jenis sambungan/ beban yang diterima oleh sambungan. Penggunaan umum bidang mesin : ductile (low carbor), steel, wrought iron. Penggunaan khusus : weight, corrosion, or material constraints apply : copper (+alloys) aluminium (+alloys), monel, dll. Sambungan paku keling ini dibandingkan dengan sambungan las mempunyai keuntungan yaitu :1. Sambungan keling lebih sederhana dan murah untuk dibuat.2. Pemeriksaannya lebih mudah3. Sambungan keling dapat dibuka dengan memotong kepala dari paku keling tersebut.Bila dilihat dari bentuk pembebanannya, sambungan paku keling ini dibedakan yaitu :1. Pembebanan tangensial.2. Pembebanan eksentrik.3. Pembebanan tangensial.

BAB IIIMETODE PERENCANAAN

3.1. Flowchart Alir Pengerjaan

MULAI

Massa box

Perancangan Penyangga BoxMenghitung Momen BendingMenghitung Gaya Arah VerticalMencari Potongan Sumbu VerticalMeghitung Momen Bending TtotalMembuat Diagram MomenMenentukan material

A

B

Gambar 3.1 Flowchart Analisa Perhitugan

BA

Su, Sy, BHN, SF, Sn, CR, CF, CS, CW, Se, N

Menghitung Diameter Batang

BA

Diameter Batang < 7 cm

Penyangga tidak akan patah dan kuat menopang bebabn 600kg

SELESAI

Gambar 3.1 Flowchart Analisa Perhitungan (Lanjutan)

BAB IVANALISA TEKNIK

4.1 Perhitungan Gaya dan Momen Pada Penyangga Box

Gambar 4.1 Rancangan Penyangga BoxKeterangan Gambar :1. Batang Box 12. Batang Box 23. Batang Box 34. Batang Box 45. Plat Peyangga 6. Baut7. Komponen Sisipan

AWboxFpengunci45FcVFcHCB

100mm

Gambar 4. 2 Arah Gaya Pada Sisipan Batang Horizontal

WboxFpABCFcVv

100mm

Gambar 4.3 Arah Gaya Horizontal

FcVFcV cos 5

FcV cos 85CB

AFD sin 50

DFD

FD cos 5

750mmWsin 5W cos 5

W

E

FE cos 85

FE

FE cos 5

Gambar 4.4 Distribusi Arah Gaya Pada Batang Penyangga Box

4.2 Potongan 1-1

FcV cos 85

C

Mx

X

Gambar 4.5 Potongan 1-1

Potongan 2-2

FcV cos 85

DC

Mx

X0.1159FD cos 5


EW sin 5DFcV cos 85

CMx

FD cos 50.1159 0.2591X


Panjang Batang Pengunci177.27 = 17.727 cm

4.3 Diagram Momen

Mc= 0 Md=-27.7 Me=-16.11 Mf=0Gambar 4.8 Diagram Momen

Bahan Poros Baja ST60 Su = 160000 PsiSy = 112000 PsiBHN = 321SF = 2Sn = 0.5 . 160000 = 80000CR = 0.87CF = 0.77CS= 0.85CW = 1

Maka didapatkan diameter minimal silinder penyangga box sebesar 70 mm.

BAB VIIKESIMPULAN

4.1 KesimpulanDari perhitungan dan perencanaan yang telah dilakukan, dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut :.1. Alat yang dirancang sebagai penyangga box mobil ini mempunyai dimensi ukuran adalah sebagai berikut. (Terlampir)2. Dari analisa teknik menunjukkan, besaran momen penyangga box arah horizontal didapatkan F sisipan = . Sedangkan gayanya (Fcv) adalah sebesar dengan arah distribusi kebawah.3. Dari analisa teknik menunjukkan, besaran momen penyangga box arah vertical didapatkan . Sedangkan gaya arah vertikal dengan arah distribusi kebawah.4. Dari analisa teknik pada potongan sumbu vertikal, didapatkan diagram momen dengan momen bending total pada Mc=0, sedangkan pada Md=-27.7 dan Me=-16.11, dengan pada Mf=0 5. Panjang plat penyangga bo sebesar 17.727mm. diameter silinder batang penyangga minimum yang diijinkan adalah 6. Material yang digunakan pada silinder batang penyangga box adalah Poros Baja ST60 (1016) dengan Su = 160000 Psi. Sy = 112000 Psi ,BHN (Brinnel Hardness Number) = 321 dan safety factor sebesar 2. Untuk pelat dan baut untuk penyangga digunakan material AISI A 304. Sedangkan material untuk sisipan digunakan baja pegas

5.2 SaranUntuk Perancangan selanjutnya, disarankan untuk mencari pengunci pada batang penyangga box ini pada saat dimasukkan ke dalam box, sehingga nantinya tidak mudah lepas dari box mobil pada saat box diangkut maupun sedang tidak digunakan ( pada saat menyimpan).

DAFTAR PUSTAKA

1. Deutschman, Aaron, Machine Design Theory And Practice, Mac Millan Publishing Co, Inc, 1975.1. Sunarko, Ir, Hand Out Mekanika Teknik I, Jurusan Teknik Mesin FTI ITS, Surabaya.Mesin Menurut Standar ISO, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1981.1. Destaco, Pull Action Latch Clamp Catalogue, Dover Corporation , America, 2014.1. Sutantra, Nyoman, & Sampurno, Bambang, Teknologi Otomotif. Guna widya,2010.1. J.E. Shigley & C.R Mischke, Mechanical Engineering Design, McGraw-HillCompanies, Inc, 2001.1. Juhana, Ohan & M. Suratman, Menggambar Teknik Mesin, Pustaka Setia, 2008

LAMPIRAN

Lampiran 1. Mechanical Properties of Some Wrought Stainless Steels

Lampiran 2. Fine Thread Series, UNF and NF-Basic Dimensions

Lampiran 3. Unified and American Thread Design

1

6

machine design

Documents