DIKTATDIKTAT

ELEMEN MESINELEMEN MESIN(kekuatan)(kekuatan)

DIKTATDIKTAT

ELEMEN MESINELEMEN MESIN(kekuatan)(kekuatan)

OLEH:OLEH:DR.-ING.IR. PUTU M. SANTIKADR.-ING.IR. PUTU M. SANTIKA

JURUSAN TEKNIK INDUSTRIJURUSAN TEKNIK INDUSTRI

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI INDONESIAINSTITUT TEKNOLOGI INDONESIAJULI, 2007JULI, 2007

DAFTAR ISIDAFTAR ISI

1.1. PENDAHULUANPENDAHULUAN2.2. KEKUATAN DAN TEGANGAN IJINKEKUATAN DAN TEGANGAN IJIN3.3. SAMBUNGANSAMBUNGAN

1.1. LASLAS2.2. KELINGKELING3.3. MUR- BAUTMUR- BAUT

4.4. PIN DAN PASAKPIN DAN PASAK5.5. PEGASPEGAS6.6. POROS POROS 7.7. KOPLINGKOPLING8.8. BANTALANBANTALAN9.9. RODA GIGIRODA GIGI10.10.RANTAI DAN SABUKRANTAI DAN SABUK

2. KEKUATAN DAN TEGANGAN SISA2. KEKUATAN DAN TEGANGAN SISA

2.1 UMUM2.1 UMUM– Untuk perhitungan maupun pembuktian dimensi suatu elemen Untuk perhitungan maupun pembuktian dimensi suatu elemen

mesin, pemilihan tegangan ijin merupakan hal yang sangat penting. mesin, pemilihan tegangan ijin merupakan hal yang sangat penting. Tegangan ijin adalah tegangan maksimum yang diperbolehkan Tegangan ijin adalah tegangan maksimum yang diperbolehkan terjadi pada elemen mesin agar tidak mengalami kerusakan atau terjadi pada elemen mesin agar tidak mengalami kerusakan atau perubahan bentuk plastis pada beban kerja. Tegangan ijin ini harus perubahan bentuk plastis pada beban kerja. Tegangan ijin ini harus berada jauh dibawah tegangan patah dari material, sehingga berada jauh dibawah tegangan patah dari material, sehingga tersedia keamanan yang cukup.tersedia keamanan yang cukup.

– Besarnya tegangan ijin tergantung dari jenis material, jenis beban Besarnya tegangan ijin tergantung dari jenis material, jenis beban dan pembebanan, serta bentuk dari elemen mesin. dan pembebanan, serta bentuk dari elemen mesin.

– Pemilihan/penentuan besarnya faktor keamanan sangat ditentukan Pemilihan/penentuan besarnya faktor keamanan sangat ditentukan oleh seberapa pentingnya, jenis dan penggunaan dari elemen oleh seberapa pentingnya, jenis dan penggunaan dari elemen mesin tersebut. mesin tersebut.

2.2. JENIS BEBAN DAN PEMBEBANAN2.2. JENIS BEBAN DAN PEMBEBANANJENIS BEBAN:JENIS BEBAN:Dilihat dari bagaimana gaya luar bekerja pada konstruksi, Dilihat dari bagaimana gaya luar bekerja pada konstruksi, serta tegangan dan perubahan bentuk yang serta tegangan dan perubahan bentuk yang diakibatkannya, maka beban dapat dibedakan menjadi:diakibatkannya, maka beban dapat dibedakan menjadi:– Beban tarik (mengakibatkan tegangan tarik, Beban tarik (mengakibatkan tegangan tarik, tt))– Beban tekan (mengakibatkan tegangan tekan, Beban tekan (mengakibatkan tegangan tekan, cc) ) – Beban lengkung (mengakibatkan tegangan lengkung, Beban lengkung (mengakibatkan tegangan lengkung, bb))– Beban geser (mengakibatkan tegangan geser, Beban geser (mengakibatkan tegangan geser, s, s, atau atau aa))– Beban puntir / torsi (mengakibatkan tegangan torsi, Beban puntir / torsi (mengakibatkan tegangan torsi, t t ) ) – Disamping 5 jenis beban pokok ini, masih terdapat 2 jenis beban Disamping 5 jenis beban pokok ini, masih terdapat 2 jenis beban

lagi yaitu lagi yaitu beban tekukbeban tekuk yang merupakan kejadian khusus dari yang merupakan kejadian khusus dari beban tekan (bila beban tekan (bila ll – panjang konstruksi jauh lebih besar dari – panjang konstruksi jauh lebih besar dari d d - - diameternya [l>>d] ) dan beban diameternya [l>>d] ) dan beban tekanan permukaantekanan permukaan yang yang merupakan tekanan antar 2 permukaan yang saling menekan.merupakan tekanan antar 2 permukaan yang saling menekan.

Bila pada suatu elemen mesin bekerja lebih dari satu gaya Bila pada suatu elemen mesin bekerja lebih dari satu gaya sekaligus, maka pembebanan semacam ini disebut beban sekaligus, maka pembebanan semacam ini disebut beban gabungan atau beban kombinasi.gabungan atau beban kombinasi.

JENIS BEBAN KONSTRUKSIJENIS BEBAN KONSTRUKSI

Beban tarikBeban tarik tegangan tarik, tegangan tarik, tt

Beban tekan tegangan tekan, Beban tekan tegangan tekan, cc

Beban lengkung tegangan lengkung, Beban lengkung tegangan lengkung, bb

Beban geser tegangan geser, Beban geser tegangan geser, ss, atau , atau aa

Beban puntir / torsi tegangan torsi, Beban puntir / torsi tegangan torsi, t t

FFFFLLLL11

dddd11

FF FF

L>>d L>>d

TekukTekuk

ll

JENIS PEMBEBANAN:JENIS PEMBEBANAN: Jika dilihat perubahan arah dan besar beban terhadap waktu, maka

jenis pembebanan pada elemen mesin dapat dibedakan menjadi:– Beban statis, yaitu beban yang besar dan arahnya sepanjang waktu

pembebanan, konstan, dan – Beban dinamis / siklis, yaitu beban yang besar dan arahnya sepanjang

waktu pembebanan, berubah-ubah. Tergantung dari bagaimana beban berubah terhadap waktu, maka

model pembebanan pada elemen mesin dibedakan menurut:– Beban statis (beban model I)Beban statis (beban model I)– Beban dinamis pulsating / osilasi tarik atau tekan (beban model II)Beban dinamis pulsating / osilasi tarik atau tekan (beban model II)– Beban dinamis bolak-balik (beban model III)Beban dinamis bolak-balik (beban model III)– Beban dinamis umum (beban berosilasi secara teratur antara harga Beban dinamis umum (beban berosilasi secara teratur antara harga

maksimum dan minimum)maksimum dan minimum)– Beban dinamis acak / tak beraturan (beban model IV)Beban dinamis acak / tak beraturan (beban model IV)

Dalam kehidpan sehari-hari, pada umumnya beban yang terjadi adalah Dalam kehidpan sehari-hari, pada umumnya beban yang terjadi adalah beban dinamis umum dan beban dinamis acak. Namun untuk beban dinamis umum dan beban dinamis acak. Namun untuk kepentingan praktis dalam perencanaan, maka cukup beban model kepentingan praktis dalam perencanaan, maka cukup beban model I – III saja yang diperhatikan.I – III saja yang diperhatikan.

MODEL PEMBEBANANMODEL PEMBEBANAN

t

= konstan

Model I

tModel II

a

am

max

t

Model III

Dinamis umum

Dinamis acak

t

tm = 0; min = a;

-max = min; R = min/ max

min=00

0

0

0

0

max

min

m

a

a

2.3. PENGERTIAN KEKUATAN2.3. PENGERTIAN KEKUATANBerikut ini adalah beberapa pengertian yang berkaitan dengan kekuatan dan tegangan ijin dari material.– Kekuatan patah - B (B), adalah tegangan maksimum yang dapat

ditahan oleh material/konstruksi pada pembebanan statis. Karakteristik ini diperoleh dengan melakukan pengujian dari material dengan benda uji standar. Tergantung dari jenis beban, maka kekuatan patah disebut pula sebagai Kekuatan Tarik, Kekuatan Lengkung dan sebagainya.

Besarnya kekuatan patah dihitung seperti berikut:

B (B) = Fmax/Ao (N/mm2)Dimana: Fmax = beban maksimum/patah (N)

Ao = luas penampang benda uji (mm2)– Batas luluh/yield - y (y), adalah tegangan pada saat terjadinya

luluh (regangan plastis bertambah dengan cepat tanpa kenaikan beban ) pada benda uji.

– Tegangan 0,2 - 0,2 , adalah tegangan yang menyebabkan perpanjangan plastis 0,2%. Tegangan ini merupakan pengganti tegangan luluh pada material yang tidak jelas batas luluhny seperti aluminium, tembaga dan sebagainya

2.4. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN STATIS2.4. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN STATIS

Tegangan maksimum yang boleh terjadi pada konstruksi ditentukan Tegangan maksimum yang boleh terjadi pada konstruksi ditentukan oleh kekuatan patah oleh kekuatan patah BB dan batas luluh dan batas luluh yy atau atau 0,20,2. Namun demikian . Namun demikian selalu diusahakan masih terdapat keamanan yang cukup.selalu diusahakan masih terdapat keamanan yang cukup.

Pada material Baja, pada padu:Pada material Baja, pada padu:ijinijin = = yy/s/sff [N/mm [N/mm22] ; ] ; ijinijin = = yy/s/sff [N/mm [N/mm22] ]

Untuk Al, Al padu, logam ringan dan paduannya, seng dan sejenisnya:Untuk Al, Al padu, logam ringan dan paduannya, seng dan sejenisnya:

ijinijin = = 0,20,2/s/sff [N/mm [N/mm22] ; ] ; ijinijin = = 0,20,2/s/sff [N/mm [N/mm22]]

Dimana: sDimana: sf f (faktor keamanan)= 1,5 – 2(faktor keamanan)= 1,5 – 2

Untuk material besi tuang, kayu, plastik, keramik, dsb:Untuk material besi tuang, kayu, plastik, keramik, dsb:

ijinijin = = BB/s/sf f [N/mm[N/mm22] ; ] ; ijinijin = = BB/s/sff [N/mm [N/mm22]]

Dimana: sDimana: sff (faktor keamanan)= 1,8 – 3 (faktor keamanan)= 1,8 – 3

HUBUNGAN ANTAR TEGANGAN IJINHUBUNGAN ANTAR TEGANGAN IJIN

Baja, baja tuang, cu-Baja, baja tuang, cu-padu padu

c ijin = t ijin a ijin = 0,85t ijin

t ijin = 0,65t ijin

Aluminium, ai-paduAluminium, ai-padu c ijin = 1,2 t ijin a ijin = 0,8t ijin

t ijin = 0,7t ijin

Besi tuangBesi tuang c ijin = 2,5 t ijin a ijin = 1,2t ijin

Besi tuang temper, Besi tuang temper, besi tuang putihbesi tuang putih

c ijin = 2 t ijin a ijin = 1,2t ijin

y (y) = (0,6 – 0,75) B (B))

FAKTOR KEAMANANFAKTOR KEAMANANBesarnya faktor keamanan dipilih dengan perimbangan sebagai Besarnya faktor keamanan dipilih dengan perimbangan sebagai berikut:berikut:

– Faktor keamanan yang lebih kecil: Faktor keamanan yang lebih kecil: Faktor yang lebih kecil bisa dipilih, jka beban kerja dapat diketahui Faktor yang lebih kecil bisa dipilih, jka beban kerja dapat diketahui

dengan pasti, serta jika konstruksi gagal/patah tidak menimbulkan dengan pasti, serta jika konstruksi gagal/patah tidak menimbulkan kerusakan yang parah dan mudah diperbaikikerusakan yang parah dan mudah diperbaiki

– Faktor keamanan yang lebih besar:Faktor keamanan yang lebih besar: Faktor yang lebih besar harus dipilih, jka beban kerja tidak dapat Faktor yang lebih besar harus dipilih, jka beban kerja tidak dapat

diketahui dengan pasti, serta jika konstruksi gagal/patah akan diketahui dengan pasti, serta jika konstruksi gagal/patah akan menimbulkan kerusakan yang parah dan sulit diperbaikimenimbulkan kerusakan yang parah dan sulit diperbaiki

PENGUJIAN KEKUATANPENGUJIAN KEKUATAN– Pada perencanaan suatu konstruksi, konstruksi harus kuat Pada perencanaan suatu konstruksi, konstruksi harus kuat

menerima beban kerja. Syarat suatu konstruksi kuat menerima menerima beban kerja. Syarat suatu konstruksi kuat menerima beban adalah bila:beban adalah bila:Tegangan yang terjadi pada konstruksi < Tegangan ijin material Tegangan yang terjadi pada konstruksi < Tegangan ijin material yang digunakan, jadi:yang digunakan, jadi:

< < ijinijin atau atau = = ijinijin

2.5 KARAKTERISTIK DINAMIS MATERIAL2.5 KARAKTERISTIK DINAMIS MATERIAL – Didepan telah dijelaskan tentang difinisi beban dinamis atau beban

siklis. Beban ini secara umum terjadi pada komponen-komponen

yang bergerak seperti poros, rocker-arm, roda gigi, bantalan serta pegas.

– Dilihat dari segi kekuatan maka komponen yang menerima beban dinamis akan lebih kritis dari komponen yang dibebani statis.

– Batas lelah (Batas lelah (endurance limitendurance limit), ), EE atau atau EE: adalah tegangan : adalah tegangan

maksimum yang dapat ditahan oleh material dengan umur tak maksimum yang dapat ditahan oleh material dengan umur tak terbatasterbatas

(N/mm(N/mm22))

Umur, N (siklus) Umur, N (siklus)

ii

NNii

EE

NNEE

Umur terbatasUmur terbatas

Umur tak terbatasUmur tak terbatas

Umur batas lelah biasanya Umur batas lelah biasanya diambil Ndiambil NEE = 2.10 = 2.1066 siklus siklus

Diagram kekuatan lelah Diagram kekuatan lelah material/komponen (diagram S-N)material/komponen (diagram S-N)

50%50%

90%90%

PPhh:10%:10%

DIAGRAM BATAS LELAHDIAGRAM BATAS LELAH

Tegangan Tegangan

mm

mm

tt

mm = 0 = 0

minmin = o = o minmin > 0 > 0

DD DD

altalt pulpul

tctc bb tt cc bb

altalt pulpul

tt tt

TEGANGAN IJIN PADA BEBAN DINAMISTEGANGAN IJIN PADA BEBAN DINAMISPada pembebanan dinamis, tegangan ijin dinyatakan dengan Pada pembebanan dinamis, tegangan ijin dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:persamaan sebagai berikut:

ijinijin =( =(DD.b.b11.b.b22)/()/(kk.s.sff) N/mm) N/mm22

ijinijin =( =(DD.b.b11.b.b22)/()/(kk.s.sff) N/mm) N/mm22

Dimana:Dimana:

D D = batas lelah material pada beban normal (N/mm= batas lelah material pada beban normal (N/mm22))

DD = = batas lelah material pada beban geser (N/mmbatas lelah material pada beban geser (N/mm22) )

bb1 1 = faktor kekasaran permukaan (0,7 – 1)= faktor kekasaran permukaan (0,7 – 1)

bb22 = faktor dimensi komponen (0,7 - 1) = faktor dimensi komponen (0,7 - 1)

kk = faktor takik (0,8 – 1) = faktor takik (0,8 – 1)

ssff = faktor keamanan (2 – 4) = faktor keamanan (2 – 4)

Contoh soal 1Contoh soal 1 Dieketahui sebuah batang Dieketahui sebuah batang

pengencang seperti pada gambar 1 pengencang seperti pada gambar 1 terbuat dari baja 42 (Sterbuat dari baja 42 (Stt 42) dibebani 42) dibebani secara statis, dengan gaya F = secara statis, dengan gaya F = 10000 N. 10000 N.

TentukanlahTentukanlah1.1. Tegangan tarik ijin (Tegangan tarik ijin (t ijint ijin) dari batang ) dari batang

agar kuat menerima beban. agar kuat menerima beban. 2.2. Diameter pengencang (d) Diameter pengencang (d)

– Penyelesaian Penyelesaian Bahan pengencang St 42, Bahan pengencang St 42, jadi tegangan patah material adalah: jadi tegangan patah material adalah: B B

= 420 N/mm= 420 N/mm22

Tegangan luluh (yield) dari material Tegangan luluh (yield) dari material adalah:adalah:

y y = 0,65 = 0,65 BB = 0,65 (420 N/mm = 0,65 (420 N/mm22) ) = 263 N/mm= 263 N/mm22

1) Tegangan tarik ijin dari material:1) Tegangan tarik ijin dari material:((t ijint ijin) = ) = yy/s/sff [N/mm [N/mm22]]Bila faktor keamanan diambil SBila faktor keamanan diambil Sff= 2, = 2, maka maka ((t ijint ijin) = (263/2) [N/mm) = (263/2) [N/mm22] ]

= 130 N/mm= 130 N/mm2 2

2) Batang kuat bila 2) Batang kuat bila t t tijintijin , jadi , jadi (F/((F/(//44dd22) ) tijintijin

dd22 (4.F/ (4.F/ tijintijin ) ) (4.10000N/3,14.130 ) N/mm2 (4.10000N/3,14.130 ) N/mm2 dd22 (123)mm (123)mm22

d d 10,7 mm 10,7 mm d = 12 mmd = 12 mm

FFFFdd

Contoh soal 2Contoh soal 2

Diketahui dudukan Diketahui dudukan bantalan seperti pada bantalan seperti pada gambar diatas, tebuat dari gambar diatas, tebuat dari SStt 52, dan tegangan 52, dan tegangan lenkung yang terjadi pada lenkung yang terjadi pada potongan AB adalahpotongan AB adalahb b = 48= 48 N/mmN/mm22

Buktikanlah bahwa poros Buktikanlah bahwa poros kuat menerima beban kuat menerima beban kerja kerja

PenyelesaianPenyelesaianPoros disamping menerima beban Poros disamping menerima beban lengkung dinamis, oleh karena itu, maka lengkung dinamis, oleh karena itu, maka tegangan ijin dari poros adalah:tegangan ijin dari poros adalah:

bijinbijin =( =(DD.b.b11.b.b22)/()/(kk.s.sff) N/mm) N/mm22

DD.= 260 N/mm.= 260 N/mm22 (tabel material) (tabel material)Untuk poros diambil Untuk poros diambil kk = 1,3; S = 1,3; Sff = 1,5; b1 = 1,5; b1 = 0,85; b2 = 0,85. = 0,85; b2 = 0,85. Jadi Jadi bijinbijin =(260.0,85.0,85)/(1,3.1,5) N/mm =(260.0,85.0,85)/(1,3.1,5) N/mm22

= 95 N/mm2= 95 N/mm2Diketahui Diketahui b b = 48= 48 N/mmN/mm2 2

Karena Karena b b < < bijinbijin Maka poros kuat menerima beban kerja Maka poros kuat menerima beban kerja

1

60

16

0

55

BB

AA

4

545