11

PENGANTAR TEKNIK MESIN 4

PENGANTAR TEKNIK PENGANTAR TEKNIK MESIN 4MESIN 4

IWAN PONGO,ST,MTIWAN PONGO,ST,MT

22

KEKUATANKEKUATANKEKUATAN

33

DAFTAR ISIDAFTAR ISI

1.1. TEGANGAN IJIN DAN FAKTOR KEMANANTEGANGAN IJIN DAN FAKTOR KEMANAN2.2. JENIS BEBANJENIS BEBAN3.3. PEMBEBANANPEMBEBANAN4.4. PENGERTIAN KEKUATANPENGERTIAN KEKUATAN5.5. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN STATISTEGANGAN IJIN PADA BEBAN STATIS6.6. HUBUNGAN BERBAGAI TEGANGAN IJIN HUBUNGAN BERBAGAI TEGANGAN IJIN

PADA BERBAGAI MATERIALPADA BERBAGAI MATERIAL7.7. TEGANGAN IJIN PADA BEBAN DINAMISTEGANGAN IJIN PADA BEBAN DINAMIS8.8. KARAKTERISTIK DINAMIS KARAKTERISTIK DINAMIS 9.9. CONTOH SOALCONTOH SOAL

44

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

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

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

TEGANGAN IJIN DAN FAKTOR KEMANANTEGANGAN IJIN DAN FAKTOR KEMANAN

55

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

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

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

66

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

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

FFFF LLLL11

dddd11

FF FF

L>>d L>>d

TekukTekuk

ll

77

JENIS PEMBEBANAN:JENIS PEMBEBANAN:嗗 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.嗗 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 maksimum dan Beban dinamis umum (beban berosilasi secara teratur antara harga maksimum dan

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

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

88

嗗嗗MODEL PEMBEBANANMODEL PEMBEBANAN鐗

t

鐗 = konstan

Model I

鐗

tModel II

鐗a

鐗a

鐗m

鐗max

鐗

t

Model III

鐗

Dinamis umum

Dinamis acak

鐗

t

tm = 0; min = a;

-max = min; R = min/ max

鐗min=00

0

0

0

0

鐗max

鐗min

鐗m

鐗a

鐗a

99

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

嗗Besarnya kekuatan patah dihitung seperti berikut: 鐗B (鐘B) = Fmax/Ao (N/mm2)

Dimana: Fmax = beban maksimum/patah (N)Ao = luas penampang benda uji (mm)

–Batas luluh/yield - 鐗 y ( 鐘 y), adalah tegangan pada saat terjadinya luluh (regangan plastis bertambah dengan cepat tanpa kenaikan beban ) pada benda uji.

–Tegangan 0,2 - 鐗 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

1010

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

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

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

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

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

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

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

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

1111

HUBUNGAN ANTAR TEGANGAN IJINHUBUNGAN ANTAR TEGANGAN IJIN

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

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

鐘t ijin = 0,65鐗t ijin

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

鐘t ijin = 0,7鐗t ijin

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

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

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

鐗y (鐘y) = (0,6 – 0,75) 鐗B (鐘B))

1212

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

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

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

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

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

嗗嗗PENGUJIAN KEKUATANPENGUJIAN KEKUATAN–– Pada perencanaan suatu konstruksi, konstruksi harus kuat menerima beban Pada perencanaan suatu konstruksi, konstruksi harus kuat menerima beban

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

鐗鐗 < < 鐗鐗ijinijin atau atau 鐘鐘 = = 鐘鐘ijinijin

1313

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), ), 鐗鐗 EE atau atau 鐘鐘 EE: adalah tegangan maksimum : adalah tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh material dengan umur tak terbatasyang dapat ditahan oleh material dengan umur tak terbatas

鐗鐗 (N/mm (N/mm22))

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

鐗鐗ii

NNii

鐗鐗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%

1414

DIAGRAM BATAS LELAHDIAGRAM BATAS LELAH

Tegangan Tegangan 鐗鐗

鐗鐗mm

鐗鐗mm鐗鐗

tt

鐗鐗mm = 0 = 0

鐗鐗minmin = o = o 鐗鐗minmin > 0 > 0

鐗鐗DD

鐘鐘DD

鐗鐗altalt 鐗鐗pulpul

鐗鐗tctc 鐗鐗bb 鐗鐗tt 鐗鐗cc

鐗鐗bb

鐘鐘alaltt

鐘鐘ppulul

鐘鐘tt 鐘鐘tt

1515

嗗嗗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:

鐗鐗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 = faktor kekasaran permukaan (0,7 –– 1) 1)bb22 = faktor dimensi komponen (0,7 - 1) = faktor dimensi komponen (0,7 - 1)鐆鐆kk = faktor takik (0,8 = faktor takik (0,8 –– 1) 1)ssff = faktor keamanan (2 = faktor keamanan (2 –– 4) 4)

1616

Contoh soal 1Contoh soal 1嗗嗗 Dieketahui sebuah batang pengencang Dieketahui sebuah batang pengencang

seperti pada gambar 1 terbuat dari baja seperti pada gambar 1 terbuat dari baja 42 (S42 (Stt 42) dibebani secara statis, dengan 42) dibebani secara statis, dengan gaya F = 10000 N. gaya F = 10000 N.

嗗嗗 TentukanlahTentukanlah1.1. Tegangan tarik ijin (Tegangan tarik ijin (鐗鐗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: 鐗鐗B B = =

420 N/mm420 N/mm22

Tegangan luluh (yield) dari material adalah:Tegangan luluh (yield) dari material adalah: 鐗鐗y y = 0,65 = 0,65 鐗鐗BB = 0,65 (420 N/mm = 0,65 (420 N/mm22) ) = 263 N/mm = 263 N/mm22

1) Tegangan tarik ijin 1) Tegangan tarik ijin dari material:dari material:((鐗鐗t ijint ijin) = ) = 鐗鐗yy/s/sff [N/mm [N/mm22]]Bila faktor keamanan diambil SBila faktor keamanan diambil Sff= 2, = 2, maka maka ((鐗鐗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 鐗鐗t t 鑇鑇 鐗鐗tijintijin , , jadi (F/(jadi (F/(鐔鐔//44dd22) ) 鑇鑇 鐗鐗tijintijin

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

d d 鑗鑗 10,7 mm 10,7 mm d = 12 mm d = 12 mm

FFFF dd

1717

Contoh soal 2Contoh soal 2

嗗嗗 Diketahui dudukan bantalan Diketahui dudukan bantalan seperti pada gambar diatas, seperti pada gambar diatas, tebuat dari Stebuat dari Stt 52, dan 52, dan tegangan lenkung yang tegangan lenkung yang terjadi pada potongan AB terjadi pada potongan AB adalahadalah鐗鐗b b = 48= 48 N/mmN/mm22

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

嗗嗗 PenyelesaianPenyelesaianPoros disamping menerima beban lengkung Poros disamping menerima beban lengkung dinamis, oleh karena itu, maka tegangan ijin dari dinamis, oleh karena itu, maka tegangan ijin dari poros adalah: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 鐗鐗b b = 48= 48 N/mmN/mm2 2

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

鑪鑪

160

160

55

BB

AA

鑪鑪4545