TUGAS ELEMEN MESIN IPEGAS

Di Susun Oleh:Aziz Akbar Rifai(111.03.1174)

JURUSAN TEKNIK MESIN (S-1)FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND

YOGYAKARTA

2012ELEMEN MESIN I

PEGASI. Pendahuluan

Pegas adalah elemen mesin flexibel yang digunakan untuk memberikan

gaya, torsi, dan juga untuk menyimpan atau melepaskan energi. Energi disimpan

pada benda padat dalam bentuk twist, stretch, atau kompresi. Energi di-recover

dari sifat elastis material yang telah terdistorsi. Pegas haruslah memiliki

kemampuan untuk mengalami defleksi elastis yang besar. Beban yang bekerja

pada pegas dapat berbentuk gaya tarik, gaya tekan, atau torsi (twist force). Pegas

umumnya beroperasi dengan ‘high working stresses’ dan beban yang bervariasi

secara terus menerus. Beberapa contoh spesifik aplikasi pegas adalah

1. Untuk menyimpan dan mengembalikan energi potensial, seperti misalnya

pada ‘gun recoil mechanism’.

2. Untuk memberikan gaya dengan nilai tertentu, seperti misalnya pada relief

valve.

3. Untuk meredam getaran dan beban kejut, seperti pada auto mobil

4. Untuk indikator/kontrol beban, contohnya pada timbangan

5. Untuk mengembalikan komponen pada posisi semula, contonya pada

‘brake pedal’

II. Beban Gaya Yang Terjadi Pada Pegas

Ada 4 gaya yang terjadi pada pegas, yaitu:

Beban tekan

Beban tarik

Beban torsi

Beban kejut/getaran

III. Klasifikasi Pegas

Pegas dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis fungsi dan beban yang bekerja,

yaitu:

a. Pegas tekan

b. Pegas tarik

c. Pegas puntir

d. Pegas Voult

e. Pegas daun

f. Pegas piring (plat)

g. Pegas cincin

h. Pegas batang puntir

Gambar 3.1 Jenis – jenis pegas

Tetapi klasifikasi yang lebih umum adalah diberdasarkan bentuk fisiknya.

Klasifikasi berdasarkan bentuk fisik adalah :

a. Wire form spring (helical compression, helical tension, helical torsion,

custom form)

b. Spring washers (curved, wave, finger, belleville)

c. Flat spring (cantilever, simply supported beam)

d. Flat wound spring (motor spring, volute, constant force spring)

Pegas ‘helical compression’ dapat memiliki bentuk yang sangat bervariasi.

Gambar 3.1(a) menunjukkan beberapa bentuk pegas helix tekan. Bentuk yang

standar memiliki diameter coil, pitch, dan spring rate yang konstan. Picth dapat

dibuat bervariasi sehingga spring rate-nya juga bervariasi. Penampang kawat

umumnya bulat, tetapi juga ada yang berpenampang segi empat. Pegas konis

biasanya memiliki spring rate yang non-linear, meningkat jika defleksi bertambah

besar. Hal ini disebabkan bagian diameter coil yang kecil memiliki tahanan yang

lebih besar terhadap defleksi, dan coil yang lebih besar akan terdefleksi lebih

dulu. Kelebihan pegas konis adalah dalam hal tinggi pegas, dimana tingginya

dapat dibuat hanya sebesar diameter kawat. Bentuk barrel dan hourglass terutama

digunakan untuk mengubah frekuensi pribadi pegas standar.

(a)

(b) (c) (d)

Gambar 3.2 Wire form spring: (a) Helical compression spring, (b) Helical extension spring, (c) drawbar spring, (d) torsion spring

Pegas helix tarik perlu memiliki pengait (hook) pada setiap ujungnya

sebagai tempat untuk pemasangan beban. Bagian hook akan mengalami tegangan

yang relatif lebih besar dibandingkan bagian coil, sehingga kegagalan umumnya

terjadi pada bagian ini. Kegagalan pada bagian hook ini sangat berbahaya karena

segala sesuatu yang ditahan pegas akan terlepas. Salah satu metoda untuk

mengatasi kegagalan hook adalah dengan menggunakan pegas tekan untuk

menahan beban tarik seperti ditunjukkan pada gambar 3.2 (c). Pegas wire form

juga dapat untuk memberikan/menahan beban torsi seperti pada gambar 3.2 (d).

Pegas tipe ini banyak digunakan pada mekanisme ‘garage door counter balance’,

alat penangkap tikus, dan lain-lain.

Spring washer dapat memiliki bentuk yang sangat bervariasi, tetapi lima

tipe yang banyak digunakan ditunjukkan pada gambar 3.3 (a). Spring washer

hanya mampu menyediakan beban tekan aksial. Pegas jenis ini memiliki defleksi

yang relatif kecil, dan mampu memberikan beban yang ringan. Volute spring,

seperti pada gambar 3.3 (b) mampu memberikan beban tekan tetapi ada gesekan

dan histerisis yang cukup signifikan. Beam spring dapat memiliki bentuk yang

bevariasi, dengan menggunakan prinsip kantilever atau simply supported. Spring

rate dapat dikontrol dari bentuk dan panjang beam. Pegas beam mampu

memberikan atau menahan beban yang relatif besar, tetapi dengan defleksi yang

terbatas.

(a)

(b) (c) (d)

Gambar 3.3 Spring washer dan flat spring : (a) lima tipe spring washer, (b) Volute spring, (c) Beam Spring, (d) Power spring

Power spring seperti ditunjukkan pada gambar 3.3 (d) sering juga disebut

pegas motor atau clock spring. Fungsi utamanya adalah menyimpan energi dan

menyediakan twist. Contoh aplikasinya adalah pada windup clock, mainan anak

anak. Tipe yang kedua disebut dengan constant force spring. Kelebihan pegas ini

adalah defleksinya atau stroke yang sangat besar dengan gaya tarik yang hampir

konstan.

IV. Material Pegas

Material pegas yang ideal adalah material yang memiliki kekuatan

ultimate yang tinggi, kekuatan yield yang tinggi, dan modulus elastisitas atau

modulus geser yang rendah untuk menyediakan kemampuan penyimpanan energi

yang maksimum. Parameter loss coefficient, Δv yang menyatakan fraksi energi

yang didisipasikan pada siklus stress-strain juga merupakan faktor penting dalam

pemilihan material. Material pegas yang baik haruslah memiliki sifat loss

coefficient yang rendah. Nilai loss coefficient suatu material dapat dihitung

dengan persamaan (lihat gambar 4.1):

Gambar 4.1 Kurva stress-strainuntuk satu siklus

Untuk pegas yang mendapat beban dinamik, kekuatan fatigue adalah

merupakan pertimbangan utama dalam pemilihan material. Kekuatan ultimate dan

yield yang tinggi dapat dipenuhi oleh baja karbon rendah sampai baja karbon

tinggi, baja paduan, stainless steel, sehingga material jenis ini paling banyak

digunakan untuk pegas. Kelemahan baja karbon adalah modulus elastisitasnya

yang tinggi. Untuk beban yang ringan, paduan copper, seperti berylium copper

serta paduan nikel adalah material yang umum digunakan. Tabel 4.1 menampilkan

sifat-sifat mekanik beberapa material yang sangat umum digunakan.

Tabel 4.1 Sifat-sifat mekanik material pegas

Kekuatan ultimate material pegas bervariasi secara signifikan terhadap

ukuran diameter kawat. Hal ini adalah sifat material dimana material yang

memiliki penampang sangat kecil akan memiliki kekuatan ikatan antar atom yang

sangat tinggi. Sehingga kekuatan kawat baja yang halus akan memiliki kekuatan

ultimate yang tinggi. Fenomena ini ditunjukkan dalam kurva semi-log pada

gambar 4.2 untuk beberapa jenis material pegas.

Gambar 4.2 Kekuatan ultimate kawat material pegas vs diameter kawat

Data sifat material pada gambar 4.2 di atas dapat didekati dengan

persamaan eksponensial

Sut ≅ Ad (10.2)

dimana A dan b diberikan pada Tabel 4.2 untuk range ukuran kawat yang tertentu.

Fungsi empiris ini sangat membantu dalam perancangan pegas karena proses

iterasi dapat dilakukan dengan bantuan komputer. Perlu dicatat bahwa untuk A

dalam ksi maka d harus dalam inch, sedangkan jika A dalam satuan Mpa maka d

harus dalam satuan mm.

Dalam perancangan pegas, tegangan yang diijinkan adalah dalam kekuatan

geser torsional. Hasil penelitian untuk material pegas menunjukkan bahwa

kekuatan geser torsional adalah sekitar 67% dari kekuatan ultimate tarik.

Sus = 0,67Sut (10.3)

Tabel 4.2 Koefisien dan eksponen kekuatan ultimate material pegas

V. Pegas Ulir Bogie

V.1. Pengertian

Pegas ulir bogie luar adalah komponen bagian dari bogie kereta api yang

berfungsi untuk mengurangi beban impak atau meringankan kejutan dan sebagai

pendukung getaran massa dengan mekanisme lendutan lilitan-lilitan pegasnya

yang berosilasi diantara posisi keseimbangannya pada saat gerbong kereta

mengalami goyangan kiri – kanan. Dalam operasinya pegas ulir bogie luar ini

mengalami beban puntir dengan tegangan – tegangan yang bekerja terdiri atas

tegangan normal dan tegangan geser.

Masalah yang sering dihadapi pada pegas ulir bogie luar kereta api ini

adalah mengalami patah, yang mengakibatkan terbatasnya umur pakai dalam

waktu yang lebih singkat. Seringnya terjadi kerusakan ini akan sangat

menghambat pemakaian gerbong kereta api, karena penggantian komponen

tersebut sangat memakan waktu, biaya, serta diiringi pula dengan kerugian –

kerugian lainnya.

V.2. Kasus

Pada gerbong kereta dengan jenis bogie tipe 7 untuk gerbong kereta

penumpang terdapat 2 bogie (chassis) yang terdiri atas 4 roda, 8 pegas ulir roda, dan

4 pasang pegas ulir bogie yang setiap pasangnya terdiri atas satu pegas ulir bogie

luar dan satu pegas ulir bogie dalam, sehingga dalam satu gerbong kereta terdapat 8

roda, 16 pegas ulir roda,.dan 8 pasang pegas ulir bogie yaitu 16 pegas ulir bogie

dalam dan 16 pegas ulir bogie luar. Dalam operasinya, pegas ulir bogie yang

mengalami kerusakan di tengah perjalanan, maka kereta tersebut masih bisa

melanjutkan perjalanannya hingga stasiun tujuan, karena patahnya salah satu pegas

ulir bogie masih dapat ditahan oleh pegas ulir bogie lain dari pasangannya. Hal ini

berlawanan jika patah terjadi pada pegas ulir roda, maka kereta tersebut harus

berhenti dalam perjalanannya untuk perbaikan.

Gerbong – gerbong kereta secara berkala dilakukan pengujian setiap 2 tahun

sekali yang dilakukan oleh BalaiYasa Kereta - Manggarai Jakarta. Dalam

pemeriksaannyasemua komponen yang sudah tidak layak pakai, diganti dengan

komponen yang baru yang umumnya komponen tersebut merupakan produk dari

Balai Yasa Mangggarai sendiri, termasuk pula dalam hal ini adalah pegas ulir

bogie.

Kerusakan pegas ulir bogie terjadi tanggal 12 Juni 1993pada gerbong

kereta penumpang dengan nomor: SLO-K2.78715 yaitu jenis gerbong kereta

penumpang jurusan Solo,kelas 2 dengan tipe bogie 7 dan tahun mulai dinas

1978serta nomor seri kereta adalah 15. Serta data pemeriksaangerbong secara

berkala yaitu sebagai berikut:

Mulai Dinas, MD = 09 - 10 – 1978

Pemeriksaan akhir, PA = 30 - 04 – 1991

Pemeriksaan yang akan datang, PAD = 30 - 04 – 1993

Mengalami patah = 12 - 06 – 1993

Dari hasil observasi lapangan ini diketahui bahwa pegas ulirbogie yang

mengalami kerusakan yaitu pegas ulir bogieluar yaitu patah pada daerah lilitan

pegasnya yang terletak ±1¼ diameter lilitan dari ujung pegas (±295 mm), hal

iniditunjukkan pada gambar 2.3 dibawah ini. Pada gambar 2.1dan 2.2 ditunjukkan

gerbong kereta api dan posisi pegas ulirbogie pada bogie gerbong kereta api.

Gambar 5.1 Gerbong kereta api yang mengalami kerusakan pegas ulir bogie.

(0,1X)

Gambar 5.2 Posisi pegas ulir bogie pada bogie gerbong kereta api. (0,2X)

Gambar 5.3 Lokasi patah yang terjadi pada pegas ulir bogie luar (tanda panah)

Untuk menunjang analisis yang akan dilakukan, maka diperlukan pula data

spesifikasi dari komponen yang mengalami kerusakan yaitu dalam hal ini adalah

pegas ulir bogie luar, yang didapatkan dari Balai Yasa Kereta –Manggarai Jakarta,

serta data geometris yang didapatkan dari pengukuran langsung terhadap

komponen pegas ulir bogie luar yang bersangkutan.

Berdasarkan data spesifikasi komponen, maka material yang digunakan

untuk kedua jenis pegas ulir bogiea dalah sama yaitu Baja 60 Si Mn 7 standart

Germany Democratic Republic (GDR Standart) 5350 dengan komposisi kimia

seperti yang disajikan pada tabel. 1dibawah ini.

Tabel 5.1 Komposisi bahan kimia menurut standart 5350

Data-data spesifikasi geometris dan bats-batas kerjaatau operasi pegas ulir

bogie dalam dan bogie luar padakereta api ini dapat dilihat pada tabel 2 dan tabel

3 dibawahini. Serta gambar 2.4 menunjukkan gambar teknik bogiegerbong kereta

api tipe K7.

Gambar 5.4 Gambar tekin bogie tipe K7

Gambar 5.5 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar

Gambar 5.5 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie dalam

Berdasarkan data spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar dan pegas

ulir bogie dalam tersebut terlihat bahwa pegas ulir bogie dalam mempunyai

diameter kawat pegas dan diameter lilitan pegas yang lebih rendah dibandingkan

geometri pegas ulir bogie luar tetapi keduanya terbuat dari bahan pegas yang sama

yaitu Baja 60 Si Mn 7. Pada pemakaiannya pegas ulir bogie dalam berada didalam

lilitan dari pegas ulir bogie luar, sehingga gabungan pegasini disebut pegas ulir

eksentris yang dapat meningkatkan pemakaian beban yang lebih besar atau

tegangan kerjayang lebih besar tanpa merubah diameter kawat pegas maupun

diameter lilitan pegasnya. Selain itu, pegas eksentis yang terdiri atas dua pegas ini

dapat merupakan pula jaminan keselamatan jika terjadi kegagalan pada salah satu

pegasnya.

Dari data spesifikasi pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan,

dapat ditunjukkan pula beberapa hal yaitu:

Ketinggian pegas tersebut dalam keadaan tanpa beban,lo yaitu 361 mm

atau sama dengan tinggi pegas diblok, lb ditambah defleksi maksimum,

fmaks ditambah jarak antar lilitan pagas yang berdekatan (0,1 dikali

jumlah total lilitan pegas, n’ dikurangi satu).

Ketinggian pada saat pemasangan pada bogie kereta, lp atau disebut pula

tinggi presetting adalah sebesar 285mm dengan beban presetting 2280 Kg.

Pemberian beban presetting ini dapat meningkatkan batas elastis sehingga

akan meningkatkan pula kapasitas beban yang dapat diterimanya.

Ketinggian pegas ulir bogie luar yang diizinkan pada saatoperasi kerjanya,

li adalah 259 mm dengan bebanmaksimum yang diizinkan 3078 Kg.

Ketinggian jika antar lilitan pegas tersebut saling bersentuhan atau disebut

tinggi diblok, lb adalah 205,2 mm atau sama dengan diameter kawat

pegas,d dikali jumlah total lilitan pegas, n’, dengan beban 4672 Kg.

Konstanta pegasnya, C yaitu sebesar 30 Kg/mm2yang merupakan nilai dari

perbandingan beban, F terhadapdefleksi, f .

Kekuatan geser luluh,τy sebesar 82,5 Kg/mm2ataumempunyai kekuatan

luluh, σy sebesar 165 Kg/mm2.

Tegangan geser, ,τ yang bekerja pada pegas ulir tersebutpada berbagai

ketinggian pegas. Tegangan gesertersebut merupakan tegangan geser total

daripenjumlahan tegangan geser yang ditimbulkan akibatmomen puntir

yang bekerja pada pegas ulir tersebut, τ1 ditambah tegangan geser yang

ditimbulkan akibatpembebanan, τ2 yaitu:

dimana, m adalah indeks pegas atau perbandingandiameter rata-rata lilitan

pegas, D dan diameter kawatpegas, d .

Indeks pegas, m dari pegas ulir bogie luar tersebutadalah sebesar 6,1 nilai

indeks pegas tersebut akansangat berhubungan dengan nilai faktor

koreksitegangan Wahl, yaitu:

k = 4 m-1 / 4 m-4 + 0,615 / m

sehingga, tegangan geser yang bekerja pada pegas ulirdapat ditulis:

τ=8 FD /π d3. k

persamaan diatas telah memperhitungkan efek tegangangeser langsung

yang terjadi pada kedua sisi lilitan pegas.Selain dari pada itu, indeks pegas

akan berhubungan puladengan tahapan proses dalam pembuatan pegas

tersebut.

VI. Kesimpulan

Pegas adalah elemen mesin flexibel yang digunakan untuk memberikan gaya, torsi, dan juga untuk menyimpan atau melepaskan energi.

Contoh spesifik aplikasi pegas adalah

1. Untuk menyimpan dan mengembalikan energi potensial, seperti misalnya

pada ‘gun recoil mechanism’.

2. Untuk memberikan gaya dengan nilai tertentu, seperti misalnya pada relief

valve.

3. Untuk meredam getaran dan beban kejut, seperti pada auto mobil

4. Untuk indikator/kontrol beban, contohnya pada timbangan

5. Untuk mengembalikan komponen pada posisi semula, contonya pada

‘brake pedal’

Pegas ulir bogie luar adalah komponen bagian dari bogie kereta api yang

berfungsi untuk mengurangi beban impak atau meringankan kejutan dan sebagai

pendukung getaran massa dengan mekanisme lendutan lilitan-lilitan pegasnya

yang berosilasi diantara posisi keseimbangannya pada saat gerbong kereta

mengalami goyangan kiri – kanan.

DAFTAR PUSTAKA

http://www.scribd.com/doc/34111270/Analisis-Kerusakan-Pegas-Bogie-

Kereta-Api

masmukti.files.wordpress.com(pdf)