Download - ELEMEN MESIN (ULIR)

Wahyukurniawan.web.id 2010

Mechanical Engineering

1

BAB V

SAMBUNGAN ULIR

(SCREW JOINT)

A. PENDAHULUAN

Makna sambungan yang dipahami dalam bidang pemesinan, tidak jauh

berbeda dengan apa yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, yaitu

menghubungkan antara satu benda dengan lainnya. Sebagaimana yang diketahui,

manusia tidak dapat memproduksi sesuatu dalam sekali kerja. Hal ini tidak lain

karena keterbatasan manusia dalam menjalani prosesnya. Oleh sebab itu benda

yang dibuat manusia umumnya terdiri dari berbagai komponen, yang dibuat

melalui proses pengerjaan dan perlakuan yang berbeda. Sehingga untuk dapat

merangkainya menjadi sebuah benda utuh, dibutuhkanlah elemen penyambung.

Melihat fungsinya, elemen penyambung sudah pasti akan ikut mengalami

pembebanan saat benda yang dirangkainya dikenai beban. Ukurannya yang lebih

kecil dari elemen yang disambung mengakibatkan beban terkonsentrasi padanya.

Efek konsentrasi beban inilah yang harus diantisipasi saat merancang sambungan,

karena sudah tentu akan bersifat merusak.

Ada dua jenis sambungan yang dikenal secara umum :

1. Sambungan tetap (permanent joint).

Merupakan sambungan yang bersifat tetap, sehingga tidak dapat dilepas,

kecuali dengan merusaknya terlebih dahulu. Contohnya : sambungan paku keling

(rivet joint) dan sambungan las (welded joint).

2. Sambungan tidak tetap (semi permanent).

Merupakan sambungan yang bersifat sementara, sehingga masih dapat

dibongkarpasang selagi masih dalam kondisi normal. Contohnya : sambungan

mur-baut / ulir ( screwed joint ) dan sambungan pasak ( keys joint ).



2

B. SAMBUNGAN ULIR

Sambungan Ulir digunakan pada sambungan yang tidak permanen.

Sambungan ulir adalah sambungan yang menggunakan kontruksi ulir untuk

mengikat dua atau lebih komponen permesinan. Sambungan Ulir merupakan jenis

dari sambungan semi permanent (dapat dibongkar pasang). Sambungan ulir terdiri

dari 2 (dua) bagian, yaitu baut dimana memiliki ulir di bagian luar dan Mur

dimana memiliki ulir di bagian dalam.

FUNGSI SAMBUNGAN ULIR

Dilihat dari kontruksi yang memiliki ulir (yang dapat di bongkar pasang)

sambungan ulir memiliki fungsi teknis utama, yaitu:

Digunakan pada bagian mesin yang memerlukan sambungan dan

pelepasan tanpa merusak bagian mesin.

Untuk memegang dan penyesuaian dalam perakitan atau perawatan.

KEUNTUNGAN DAN KERUGAIAN SAMBUNGAN ULIR

Ditinjau dari sisi teknik sambungan ulir memiliki keuntungan dan kerugian

sebagai berikut;

Keuntungan Sambungan Ulir

1. Mempunyai reliabilitas (kehandalan) tinggi dalam operasi.

2. Sesuai untuk perakitan dan pelepasan komponen.

3. Suatu lingkup yang luas dari sambungan baut diperlukan untuk beberapa

kondisi operasi.

4. Lebih murah untuk diproduksi dan lebih efisien.

Kerugian Sambungan Ulir

Konsentrasi tegangan pada bagian ulir yg tidak mampu menahan berbagai

kondisi beban



3

Istilah-istilah dalam ulir terlihat pada gambar di bawah ini :

Gb5.1 Model Ulir

Major diameter

Diameter terbesar pada bagian ulir luar atau bagian ulir dalam dari sebuah

sekrup. Sekrup ditentukan oleh diameter ini, juga disebut diameter luar atau

diameter nominal.

Minor diameter

Bagian terkecil dari bagian ulir dalam atau bagian ulir luar, disebut juga

sebagai core atau diameter root.

Pitch diameter

Disebut juga diameter efektif, merupakan bagian yang berhubungan antara

baut dan mur.

Pitch

Jarak dari satu ujung ulir ke ujung ulir berikutnya. Juga dapat diartikan jarak

yang ditempuh ulir dalam satu kali putaran.

Crest adalah permukaan atas ulir

Depth of thread adalah jarak tegak lurus antara permukaan luar dan dalam

dari ulir.

Flank adalah permukaan ulir

Angle of thread adalah sudut yang terbentuk dari ulir

Slope Ini adalah setengah pitch



4

JENIS-JENIS DAN BENTUK ULIR

a). British standard whitworth (BSW) threat

Mata Ulir berbentu segitiga.

Aplikasi : untuk menahan vibrasi, automobile

b). British Association (BA) threat

Mata Ulir berbentuk segitiga dengan puncak tumpul

Aplikasi : Untuk mengulir pekerjaan yang presisi.

c). American national standard thread.

Standar nasional Amerika dimana memiliki puncak datar.

Ulir ini digunakan untuk tujuan umum misalnya pada baut, mur, dan sekrup.

d). Unified standard thread.

Tiga negara yakni, Inggris, Kanada dan Amerika Serikat melakukan

perjanjian untuk sistem ulir sekrup yang sama yaitu dengan sudut termasuk

60°, dalam rangka memfasilitasi pertukaran mesin. Ulir ini memiliki puncak

dan akar yang bulat, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.5.



5

e). Square threat

Mata Ulir berbentuk Segiempat.

Aplikasi : power transmisi, machine tools, valves.

f). Acme threat

Mata Ulir berbentuk Trapesium

Aplikasi : cutting lathe, brass valves.

g). Knuckle threat

Mata ulir berbentu bulat, merupakan modifikasi dari ulir persegi. Ulir ini

digunakan untuk pekerjaan kasar, biasanya ditemukan di sambungan gerbong

kereta api, dan botol kaca.



6

h). Ulir Metrics

Merupakan ulir standar India dan mirip dengan ulir BSW. Ini memiliki sudut 60 °.

Profil dasar ulir ditunjukkan pada Gambar. 5.9 dan profil desain mur dan baut

ditunjukkan pada Gambar. 5.11.



7

TIPE UMUM PENYAMBUNGAN ULIR

1. Through bolt

Merupakan jenis penyambungan yang digunakan untuk menyambung dua

bagian atau lebih dengan cara dijepit menggunakan mur dan baut. Lubang

material yang akan disambung harus sesuai dengan ukutan baut sehingga

beban yang dapat ditahan oleh baut dapat maksimal.

2. Tap Bolt

Merupakan jenis penyambungan dua buah material atau lebih dimana salah

satu ujung mur mengikat pada material dan ujung lainnya diikat dengan baut,

seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5.10 (b).

3. Studs

Merupakan jenis penyambungan dua buah material atau lebih dimana mur

diikat langsung pada material, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.10(c).



8

BENTUK KEPALA MUR/BAUT

PENGUNCIAN MUR/BAUT

Umumnya mur dan baut akan tetap kencang di bawah beban statis, tapi

banyak ikatan mur dan baut menjadi longgar di bawah beban variabel atau ketika

mesin mengalami getaran. Mengendurnya baut/mur ini sangat berbahaya dan



9

harus dicegah. Untuk mencegah hal ini, sejumlah besar metode penguncian

perangkat telah diterapkan, beberapa di antaranya adalah :

1. Jam nut or lock nut.

Perangkat penguncian yang paling umum adalah mengunci mur. Metode

ini menggunakan dua buah mur dimana mur bagian atas adalah sebagai

penguncinya. Seperti ditunjukkan pada gambar 5.12.

2. Castle nut.

Mur berbentuk heksagonal dengan bagian atas berbentuk silinder yang

memiliki slot, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.12. Pin melewati dua

slot pada mur dan sebuah lubang pada baut, biasanya digunakan pada

kondisi yang tiba-tiba mengalami guncangan dan getaran yang cukup

besar seperti di industri otomotif.

3. Sawn nut.

Memiliki slot setengah mur, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.13

dimana mur diperkuat dengan sekrup kecil yang menghasilkan lebih

banyak gesekan antara mur dan baut. Hal ini mencegah mengendurnya

mur.



10

4. Locking with pin.

Mur dapat dikunci dengan menggunakan pin atau pasak lancip melewati

tengah mur seperti ditunjukkan pada Gambar. 11,19 (a). Tapi pin juga

sering digunakan diatas dari mur, yaitu dimasukkan pada lubang baut,

seperti ditunjukkan pada Gambar. 11,19 (b).

5. Locking with plate.

Mur bisa disesuaikan dan kemudian dikunci melalui interval sudut 30 °

dengan menggunakan plat. Plat penguncian ditunjukkan pada Gambar.

5.15.



11

6. Spring lock washer

Mur dapat dikunci dengan menggunakan pegas cincin yang pipih, pegas

dapat meningkatkan ketahanan sehingga mur tidak mudah untuk

mengendur seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.16.



12

Standard Dimensions of Screw Threads

5.1



13



14

ANALISIS SAMBUNGAN ULIR

Jenis – jenis tegangan :

Tegangan pada ulir disebabkan karena :

a. Tegangan internal atau tegangan sisa dikarenakan penambahan gaya pada

saat pengencangan ulir

b. Tegangan dikarenakan beban eksternal

c. Kombinasi dari keduanya

A. Tegangan Internal (Internal Stress)

Tegangan internal meliputi tegangan – tegangan sebagai berikut :

1. Tegangan tarik dikarenakan pengencangan baut

Bila sampel diberikan beban awal sehingga cukup tegang tetapi tidak

mengalami kemuluran, maka dapat dikatakan bahwa bahan dalam keadaan

‘standard initial tension’.

Baut dirancang berdasarkan tegangan tarik langsung dengan faktor keamanan

yang besar. initial tension baut berdasarkan eksperimen, dapat ditemukan

melalui hubungan :

(digunakan untuk sambungan pada penggunaan zat cair )

Dimana :

Pi = initial tension baut (N)

d = diameter nominal (mm)

ketika sambungan tidak membutuhkan sekencang ketika untuk sambungan

pada fluida, maka initial tension dalam baut dapat dikurangi menjadi setengah

dari nilai di atas, yaitu :

(digunakan pada sambungan pada pengunaan non zat

cair)

Diketahui juga initial tension pada baut :

i



15

Baut diameter kecil dapat saja gagal dalam proses pengencangan, sehingga

baut diameter lebih kecil (kurang dari M 16 atau M 18) tidak diperbolehkan

digunakan dalam sambungan pada fluida.

Jika baut awalnya pada kondisi tanpa tegangan, maka beban aksial maksimum

yang aman yang dapat diterapkan pada baut adalah :

P = tegangan ijin × luas penampang (area tegangan)

area tegangan dapat diperoleh dari Tabel 5.1 atau dapat juga dicari dengan

menggunakan hubungan :

Dimana :

A = stress area (luas bidang tarik)

σt = tegangan ijin (Pa)

dp = diameter pitch (mm)

dc = diameter minor (mm)

2. Tegangan geser torsional

Tegangan geser torsi selama pengencangan dapat diperoleh dengan

menggunakan persamaan torsi, yaitu :

Dimana :

τ = tegangan geser torsi,

T = torsi yang diterapkan, dan

dc = diameter minor (mm)



16

3. Tegangan geser sepanjang ulir.

Tegangan geser pada sekrup (τs) diperoleh dengan menggunakan hubungan :

Dimana :

P = beban maksimum

b = lebar ulir

n = jumlah ulir

tegangan geser pada mur adalah

Dimana d adalah diameter mayor

Contoh permasalahan

1. Tentukan beban tarik yang aman untuk baut M 30, dengan asumsi tegangan

tarik yang diijinkan 42 MPa.

Jawab :

Dari Tabel 5.1, luas penampang untuk baut M 30 adalah 561 mm2.

Maka,

Beban tarik yang aman = luas penampang × σt

= 561 × 42 = 23.562 N

F = 23,562 kN

2. Dua bagian mesin disatukan dengan baut berukuran diameter 24 mm.

Tentukan tegangan yang di terima oleh baut pada saat pengencangan awal.

Dari Tabel 5.1 diameter minor yang sesuai untuk M 24 adalah dc = 20,32 mm.

Initial tension pada baut :

Sehingga,



17

B. Tegangan dikarenakan beban Eksternal

Pengaruh beban eksternal menyebabkan timbunya :

- tegangan tarik

- tegangan geser

- kombinasi keduanya

1. Tegangan tarik

Baut biasanya membawa beban searah sumbu baut yang mengakibatkan

tegangan tarik pada baut.

Jika dc = diameter minor, dan

σt = tegangan tarik yg dijinkan

Beban eksternal yang diterapkan adalah,

Jika sambungan menggunakan n baut, maka :

2. Tegangan Geser

Kadang-kadang, baut digunakan

untuk mencegah gerakan relatif

dari dua atau lebih bagian,

seperti dalam kasus kopling

flens, sehingga menyebabkan

tegangan geser pada baut.

Tegangan geser ini sedapat

mungkin untuk dihindari.



18

Jika d = diameter mayor baut, dan

n = Jumlah baut.

Beban geser yang dialami oleh baut adalah :

Dapat juga dicari dengan

Dimana T = torsi

3. Tegangan kombinasi

Hubungan antara tegangan tarik dengan tegangan geser adalah :

Tegangan geser maksimum :

Tegangan tarik maksimum :

Contoh Permasalahan :

1. Sebuah baut mata akan

digunakan untuk

mengangkat beban 60

kN.

Carilah diameter mayor

baut, jika tegangan tarik

tidak melebihi 100 MPa.

Diketahui : P = 60 kN= 60 × 103 N



19

σt = 100 MPa

= 100 N/mm2

Jawab :

Sebuah baut mata untuk mengangkat beban ditunjukkan pada Gambar. 5.17.

Jika d = diameter mayor baut, dan

dc = diameter minor baut.

Dan kita tahu bahwa beban pada baut (P),

Sehingga,

Dari Tabel 5.1, kita menemukan bahwa diameter minor standar (dc) yang

mendekati 27,6 mm adalah 28,706 mm sehingga diameter mayor yang sesuai

(d) adalah 3 3 mm.

2. Dua poros dihubungkan melalui suatu kopling flens untuk mengirimkan torsi

25 Nm. Coupling flensa ini disatukan oleh empat baut dari bahan yang sama

dengan radius 30 mm. Carilah ukuran baut jika tegangan geser yang diijinkan

untuk material baut adalah 30 MPa.

Jawab :

Diketahui

Beban geser pada kopling flens,

Jika dc adalah diameter minor pada baut, maka



20

Dari Tabel 5.1, kita menemukan bahwa diameter minor standar (dc) yang

mendekati 2,97 mm adalah 3,141 mm sehingga diameter mayor yang sesuai

(d) adalah M 4.

C. Kombinasi tegangan Tarik dan Geser

Apabila terjadi kombinasi beban internal dan eksternal, maka beban

tersebut dijumlahkan sesuai dengan arahnya yang menyebabkan terjadinya

tegangan masing-masing.

D. BEBAN EKSENTRIK

Ada banyak aplikasi sambungan baut yang dikenakan pembebanan

eksentrik. Pembebanan eksentrik bisa saja :

1. Sejajar dengan sumbu baut,

2. Tegak lurus sumbu baut.

Kasus 1 (arah beban searah baut)



21

Sebuah braket mempunyai dasar persegi panjang disatukan ke dinding dengan

menggunakan empat baut seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.19. Beban maupun

momen yang terjadi adalah :

1. Beban tarik secara langsung pada masing-masing baut

n = jumlah baut

W = beban

2. Beban pada tiap-tiap baut yang berjarak L1

dan beban tarik akibat momen

Demikian pula, beban pada setiap baut yang berjarak L2

dan beban tarik akibat momen

3. Total momen baut yang berjarak L1 dan L2

……………………………………..(1)

Dan momen pada bagian tepi ditinjau dari L adalah

……………………………………………………(2)

Sehingga dari persamaan (1) dan (2) diperoleh :

atau



22

4. Baut yang mengalami pembebanan terbesar adalah yang berjarak L2,

sehingga Beban tarik terbesar untuk tiap-tiap baut di L2 sebesar :

5. Beban total

6. Jika dc adalah diameter minor dari baut dan σt adalah tegangan tarik untuk

material baut, maka total beban tarik,

Contoh Permasalahan :

Sebuah braket, seperti ditunjukkan pada Gambar. 5.19, mampu menahan beban

sebesar 30 kN. Tentukan ukuran baut, jika tegangan tarik maksimum dalam

material baut adalah 60 MPa.

Dimana jarak L1 = 80 mm, L2 = 250 mm, dan L = 500 mm.

Jawab :

Diketahui : W = 30 kN ; σt = 60 MPa =60 N/mm2 ; L1 = 80 mm ; L2 = 250 mm ;L = 500 mm

Beban tarik langsung oleh masing-

masing baut,

dan beban dalam baut per satuan jarak,

Sehingga :



23

beban tarik Maksimum:

Jika dc = diameter minor

Beban tarik maksimum pada baut (Wt)

Dari Tabel 5.1, kita peroleh diameter yang mendekati 27.2 adalah diameter minor

baut standar berukuran 28,706 mm sehingga ukuran baut yang sesuai adalah M

33.

Kasus 2 (arah beban tegak lurus arah baut)



24

Sebuah bracket diberi beban seperti gambar diatas akan menimbulkan dua akibat

pembebanan terhadap baut :

1. Beban geser langsung masing-masing baut

Ws = W/n n = jumlah baut

2. Beban tarik akibat momen

beban tarik maksimum terjadi pada baut 3 dan 4 yang besarnya

sehingga diperoleh :

Beban tarik Equivalen :

Dapat juga dicari dengan persamaan :

Beban Geser Equivalen :

dari beban equivalen tersebut digunakan untuk menghitung ukuran baut.

Contoh Permasalahan:

Sebuah bracket dijepit pada pada kolom baja dengan menggunakan baut seperti

ditunjukkan pada Gambar. 5.21. Beban maksimum yang diterima braket adalah 12

kN dengan arah vertikal pada jarak 400 mm dari muka kolom. Permukaan vertikal

braket disatukan pada kolom dengan empat baut yaitu 2 baris dengan dua baut

setiap barisnya yang berjarak 50 mm dari tepi bawah braket. Tentukan ukuran

baut jika tegangan tarik yang diijinkan material baut adalah 84 MPa.



25

Beban geser langsung untuk masing-masing baut:

Karena beban W akan mencoba untuk memiringkan braket searah jarum jam,

maka baut akan mengalami beban tarik saat berputar. Beban tarik maksimum

berada pada baut ke 3 dan 4 (lihat Gambar. 5.20).

Sehingga beban tarik maksimum dialami oleh baut ke 3 dan ke 4 sebesar

Karena baut dikenakan beban geser serta beban tarik, sehingga beban tarik

setara,



26

Jika dc = diameter minor

maka :

Dari Tabel 5.1, kita peroleh diameter yang mendekati 10.65 mm adalah diameter

minor baut standar berukuran 11.546 mm sehingga ukuran baut yang sesuai

adalah M 14.