Dasar-Dasar Perancangan Mesin Pertemuan ke-5, 6, 7
Dhimas Satria Email :
[email protected] Website : www.mesin.untirta.ac.id/dhimas No HP : 081327744433
KETERAMPILAN YG DIBUTUHKAN DLM PERANCANGAN Insinyur produk & perancang mekanis menggunakan berbagai jenis keterampilan & pengetahuan dlm pekerjaan mereka, antara lain: 1. Pembuatan sketsa, gambar teknis & perancangan dgn komputer 2. Sifat-sifat bahan, pemrosesan bahan, & proses pembuatan 3. Aplikasi ilmu kimia (perlindingan karat, pemberian pelapisan, dll) 4. Statika, dinamika, kekuatan bahan, kinematika & mekanismenya 5. Kemampuan komunikasi lisan, mendengarkan, teamwork 6. Mekanika fluida, termodinamika, & perpindahan panas 7. Daya fluida, dasar-dasar fenomena listrik, & kendali industri 8. Perancangan eksperimen & pengujian bahan & sistem mekanis 9. Kreativitas, pemecahan masalah, & manajemen proyek 10. Analisis tegangan 11. Pengetahuan khusus mengenai perilaku elemen-elemen mesin, seperti roda gigi, transmisi sabuk, rantai, poros, bantalan, dll.
• Di harapkan saudara telah memiliki kecakapan yg tinggi dalam item 1 – 5 sebelum mulai mempelajari Dasar Perancangan Mesin. • Kompetensi dalam item 6 – 8 diperoleh secara khusus dalam mata kuliah lain, baik secara bersamaan atau setelah mempelajari perancangan elemen-elemen mesin. • Item 9 menunjukkan keterampilan yg di kembangkan secara terusmenerus selama saudara kuliah & melalui pengalaman. • Item 10 & 11 akan dipelajari secara khusus dalam mata kuliah Dasar Perancangan Mesin, Elemen Mesin 1 & Elemen Mesin 2
POROS / SHAFT
JOURNAL BEARING
BEARING / BANTALAN
THRUST BEARING
HELICAL SPRING
BALL BEARING
PEGAS / SPRING
ELEMEN MESIN
LEAF SPRING
ROLL BEARING TAPERED BEARING
KELING / RIVET
BRAKE
SAMBUNGAN / JOINT
PEMINDAH DAYA / POWER TRANSMISSION
LAS / WELD BAUT-MUR / BOLT-NUT
PUTARAN TETAP
COUPLING RIGID COUPLING
CLUTCH
PUTARAN BERUBAH
GEAR SPUR GEAR HELICAL GEAR
FLEXIBLE COUPLING
BEVEL GEAR WORM GEAR
BELT
CHAIN
1. Dasar-Dasar Perancangan Mekanisme 2. Bahan-Bahan dalam Perancangan Mekanis 3. Analisis Tegangan dan Deformasi 4. Tegangan Gabungan dan Lingkaran Mohr 5. Perancangan untuk Berbagai Jenis Pembebanan 6. Kolom
DASAR-DASAR PERANCANGAN MEKANIS Membantu mahasiswa melihat gambar besar mengenai proses perancangan mekanis. Beberapa contoh ditunjukkan dari sektor industri yang berbeda-beda : produk konsumen, sistem manufakturing, peralatan konstruksi, peralatan pertanian, peralatan transportasi, perkapalan, dan sistem ruang angkasa. Bab ini akan membahas tanggung jawab perancang dan menjelaskan kewajaran pengulangan dari proses perancangan
BAHAN-BAHAN DALAM PERANCANGAN MEKANISME Menekankan sifat-sifat bahan untuk perancangan. Banyak bagian dari bab ini mungkin merupakan sesuatu baru bagi mahasiswa, tetapi disampaikan di sini untuk menekankan pentingnya pemilihan bahan untuk proses perancangan
ANALISIS TEGANGAN DAN DEFORMASI Tinjauan tentang prinsip-prinsip dasar tegangan dan analisis defleksi. Bab ini meninjau tegangan tarik lurus (direct tensile), tegangan tekan (compressive) dan tegangan geser (shearing), tegangan lengkung (bending stressI) dan tegangan geser torsional
TEGANGAN GABUNGAN & LINGKARAN MOHR PENTING karena banyak berhubungan dengan masalah perancangan umum dan perancangan elemen-elemen mesin yang akan di bahas selanjutnya. Topik ini akan lebih banyak di pelajari di mata kuliah kekuatan bahan.
PERANCANGAN UNTUK BERBAGAI JENIS PEMBEBANAN Pembahasan yang mendalam mengenai faktor-faktor perancangan , kelelahan (fatigue), dan banyak detail analisis tegangan.
KOLOM Membahas batang-batang panjang dan ramping yang berbeban aksial yang cenderung gagal karena tekukan (buckling), bukan karena melebihi tegangan luluh (yield stress), tegangan maksimum (ultimate stress), atau tegangan geser (shear stress) dari bahan.
Dasar-Dasar Perancangan Mekanisme
LINGKUP PEMBAHASAN : 1. Untuk merancang komponen-komponen dan peralatan mekanis, mahasiswa harus cakap dalam perancangan elemen-elemen tunggal yang membentuk sistem. 2. Tetapi, mahasiswa juga harus menggabungkan beberapa komponen dan peralatan menjadi satu sistem yang selaras dan kuat, yang memenuhi kebutuhan konsumen
TUJUAN BAB INI : 1. Mengenali contoh-contoh sistem mekanis. 2. Membuat daftar ketrampilan perancangan yang dibutuhkan untuk melaksanakan perancangan mekanis yang kompeten. 3. Menjelaskan pentingnya penggabungan elemen-elemen mesin menjadi satu sistem mekanis yang lebih luas. 4. Menjelaskan elemen-elemen utama dari realisasi produk. 5. Menuliskan pernyataan tentang fungsi & syarat perancangan. 6. Membuat kriteria untuk mengevaluasi perancangan. 7. Menunjukkan kalkulasi perancangan secara profesional, rapi dan teratur sehingga dapat dipahami & di evaluasi oleh orang lain yang memiliki pengetahuan dalam perancangan mesin.
Bidang-bidang berikut ini merupakan contoh di mana produk-produk mekanis di rancang & di hasilkan: • Produk konsumen: Peralatan rumah tangga (pengolah makanan, vacuum cleaner, mesin cuci,dll), pemotong rumput, sistem AC, dll) • Sistem manufacturing: alat penahan bahan,konveyor, robot industri, peralatan mesin, forklift truck, dll. • Peralatan konstruksi: traktor, mobil derek, truk sampah, pengaspal jalan, pengaduk beton, dll. • Peralatan pertanian: alat pemanen, bajak, mesin pengering,dll. • Peralatan transportasi: a) mobil, motor, bus, truk yang terdiri dari ratusan peralatan mekanis (komponen suspensi, sistem rem & kopling, transmisi, dll) b) pesawat, yg meliputi roda gigi pendaratan, penggerak sirip sayap & kemudi, komponen struktural,dll.
• Berapa banyak contoh peralatan & sistem mekanis lain yang dapat saudara tambahkan? • Apa ciri unik dari produk tersebut? • Jenis mekanisme apa yang terlibat? • Jenis-jenis bahan apa saja yang digunakan dalam produk tersebut? • Bagaimana komponen-komponennya dibuat? • Bagaimana komponen-komponen tersebut dirakit menjadi produk yang sempurna?
SAUDARA SEBAGAI PERANCANG! Ingat bahwa saudara sebagai perancang bertanggung jawab untuk merancang sebuah produk konsumen. • Jenis persiapan teknis apa yang diperlukan untuk menyelesaikan? • Langkah-langkah apa yang harus saudara ikuti? • Informasi apa yang saudara butuhkan? • Bagaimana saudara akan membuktikan, menurut kalkulasi, bahwa perancangan itu aman dan bahwa produk saudara akan menjalankan fungsi yang diharapkan?
PROSES PERANCANGAN MEKANIS • Tujuan akhir dari perancangan mekanis adalah utk menghasilkan produk yg bermanfaat yg memenuhi kebutuhan konsumen & pembuatannya cukup aman, efisien, andal, ekonomis, & praktis. • Pikirkan secara luas ketika menjawab pertanyaan: “Siapa konsumen yg berkepentingan dgn produk atau sistem yg akan saya rancang?” • Saudara harus mengetahui keinginan & harapan dari semua konsumen sebelum mulai membuat perancangan. • Metode yg paling populer adalah sebaran fungsi mutu [quality function deployment (QFD)], meminta (1) mengenali semua ciriciri & penampilan yg diinginkan konsumen & (2) menilai tingkat kepentingan dari faktor-faktor tsb. Hasil dari proses QFD merupakan seperangkat rincian mengenai fungsi & syarat perancangan utk produk tsb. [Referensi: Hauser,J., & D. Clausing, “The House of Quality”, Havard Business Review (May-June 1988): 63-73. Discusses ‘Quality Function Deployment’]
PROSES PERANCANGAN MEKANIS (LANJUTAN) • Penting pula utk mempertimbangkan bagaimana proses perancangan sesuai dengan semua fungsi agar memberikan produk yg memuaskan bagi konsumen & memperbaiki produk tsb selama umur pakainya. • Juga penting utk mempertimbangkan bagaimana produk tsb di buang setelah selesai masa penggunaannya. • Total dari semua fungsi yg mempengaruhi produk di sebut proses realisasi produk (product realization process) atau PRP . [Referensi: American Society of Mechanical Engineers. Integrating the Product Realization Process (PRP) into the Undergradute Curriculum. New York : American Society of Mechanical Engineers, 1995]
PROSES PERANCANGAN MEKANIS (LANJUTAN) Beberapa faktor yg termasuk PRP adalah sebagai berikut: • Fungsi pemasaran utk menilai kebutuhan konsumen • Penelitian utk menentukan teknologi yg tersedia yg dpt digunakan • Ketersediaan bahan & komponen-komponen • Perancangan & pengembangan produk • Pengujian unjuk kerja produk • Dokumentasi/pencatatan perancangan • Hubungan penjual & fungsi-fungsi pembelian • Keterampilan tenaga kerja • Bangunan fisik & fasilitas yg tersedia • Kemampuan sistem manufaktur • Perencanaan produksi & kendali sistem produksi • Persyaratan sistem standar kualitas • dll
FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI • Pentingnya pengenalan kebutuhan & harapan konsumen secara seksama sebelum memulai perancangan peralatan teknis. • Dapat merumuskannya dengan membuat pernyataan-pernyataan yang jelas & lengkap mengenai fungsi, syarat perancangan & kriteria evaluasi. • Fungsi : menyatakan apa yg harus dikerjakan oleh peralatan itu, dengan menggunakan pernyataan umum yg menggunakan frasa aksi seperti utk menyangga suatu beban, utk mengangkat peti kayu, utk mentransmisikan daya, dll. • Syarat perancangan : pernyataan terperinci yg biasanya bersifat kuantitatif mengenai tingkat unjuk kerja yg diharapkan, kondisi lingkungan dimana peralatan harus beroperasi, keterbatasan ruang atau berat, bahan-bahan dan komponen yg tersedia yg dapat digunakan.
FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI • Kriteria evaluasi : pernyataan tentang karakteristik kualitatif yg diharapkan dari perancangan yg membantu perancang dalam memutuskan alternatif perancangan mana yang optimal, yaitu perancangan yang memperbesar manfaat sembari mengurangi kerugian.
FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI
Menentukan spesifikasi
Membuat konsep-konsep perancangan
Pembuatan keputusan Perancangan terperinci
CONTOH FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI • Andaikan Anda adalah perancang penurun kecepatan yg merupakan bagian dari transmisi daya untuk sebuah traktor. Mesin traktor beroperasi pada kecepatan yang sangat tinggi, sementara penggerak untuk roda harus berputar lebih lambat & mengirimkan torsi yg lebih tinggi dibanding yang ada pada input mesin.
CONTOH FUNGSI, SYARAT PERANCANGAN, DAN KRITERIA EVALUASI Untuk memulai proses perancangan, mari kita buat daftar fungsi dari penurun kecepatan. Apa yang seharusnya dilakukan oleh penurun kecepatan itu? Berikut ini beberapa jawaban utk pertanyaan tsb: • Fungsi 1. Untuk menerima daya dari mesin traktor melalui poros yg berputar 2. Untuk mengirimkan daya melalui elemen-elemen mesin dengan mengurangi kecepatan putaran pada nilai yang diinginkan 3. Untuk mengirimkan daya pada kecepatan yg lebih rendah ke poros output yg akhirnya menggerakkan roda-roda traktor.
• Syarat Perancangan 1. 2. 3. 4. 5.
Penurun kecepatan harus mentransmisikan daya sebesar 15 hp. Input berasal dari mesin bensin dua silinder dgn kecepatan putaran 2000 rpm. Output memberikan daya pada putaran berkisar 290 – 295 rpm. Efisiensi mekanis yang dibutuhkan adalah lebih besar dari 95%. Kapasitas torsi output minimum dari penurun kecepatan harus sebesar 3050 lb-in. 6. Output penurun kecepatan dihubungkan dgn poros penggerak utk roda-roda dari traktor pertanian. 7. Poros input dan output harus sejajar. 8. Penurun kecepatan harus dipasang pd rangka baja yg kuat dari traktor. 9. Lebih disukai ukuran yg kecil. Penurun kecepatan harus pas pd tempat yg tidak lebih besar dari 20 in x 20 in dgn tinggi maksimal 24 in. 10. Traktor diharapkan beroperasi selama 8 jam/hari, 5 hari/minggu, dgn umur rancangan 10 tahun. 11. Harus dilindungi dari cuaca & mampu beroperasi di mana saja. 12. Kopling fleksibel akan digunakan pada poros input & output utk mencegah beban aksial & beban lengkung yg ditransmisikan ke penurun kecepatan.
• Syarat Perancangan (lanjutan) 13. Banyaknya produksi adalah 10.000 unit per tahun. 14. Biaya pada tingkat sedang sangat penting untuk keberhasilan pemasaran. 15. Semua standar keamanan dari pemerintah dan industri harus terpenuhi.
• Kriteria Evaluasi 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Keamanan (keamanan relatif yg melampui syarat-syarat yg dinyatakan). Unjuk kerja (tingkat di mana konsep perancangan melebihi syarat-syaratnya). Kemudahan dalam pembuatan. Kemudahan perbaikan atau penggantian komponen. Kemudahan operasi. Biaya awal yang murah. Biaya pengoperasian & perawatan yg murah. Ukuran yg kecil & berat yg rendah. Kebisingan & getaran yg rendah; operasi yg halus/lancar. Penggunaan bahan yg siap sedia & komponen yg siap beli. Penggunaan yg hati2 baik terhadap bagian2 yg dirancang secara khusus atau terhadap komponen2 yg tersedia secara komersial. 12. Penampilan yg menarik & tepat utk aplikasi.
CONTOH PENGGABUNGAN ELEMEN MESIN MENJADI RANCANGAN MEKANIS • Perancangan mekanis merupakan proses perancangan dan atau pemilihan komponen – komponen mekanis & menggabungkan keduanya secara bersamasama utk mencapai fungsi yg diharapkan. • Untuk menjelaskan bagaimana perancangan elemen-elemen mesin harus digabungkan dengan perancangan mekanis yg lebih besar, mari kita perhatikan perancangan penurunan kecepatan untuk traktor kecil. • Untuk mencapai reduksi kecepatan, Anda memutuskan untuk merancang penurun kecepatan roda gigi lurus dengan reduksi ganda. • Anda menetapkan 4 roda gigi, 3 poros, 6 bantalan & sebuah rumah mesin utk tempat elemen-elemen tunggal dalam hubungan yang tepat satu sama lain.
CONTOH PENGGABUNGAN ELEMEN MESIN MENJADI RANCANGAN MEKANIS
Elemen-elemen utama dari penurun kecepatan: 1. Poros input (poros 1) akan disambungkan dengan sumber daya, yakni motor bensin yg poros outputnya berputar pd kecepatan 2000 rpm. Kopling fleksibel akan digunakan utk mengurangi kesulitan dlm pelurusan . 2. Pasangan roda gigi pertama, A dan B, menyebabkan penurunan kecepatan dari poros tingkat menengah (poros 2) yang sebanding dengan rasio jumlah gigi utk kedua roda gigi. Roda gigi B & C keduanya diletakkan di atas poros 2 dan berputar dengan kecepatan yang sama.
Elemen-elemen utama dari penurun kecepatan: 1. 2. 3. Sebuah pasak digunakan pada antarmuka antara naf dari tiap roda gigi & poros dimana pasak diletakkan untuk mentransmisikan torsi antara roda gigi & poros 4. Pasangan kedua dari roda gigi C dan D, selanjutnya menurunkan kecepatan dari roda gigi D & poros output (poros 3) hingga berkisar antara 290 – 295 rpm. 5. Poros output membawa sprocket dan rantai (tdk ditunjukkan). Transmisi rantai akhirnya dihubungkan dengan roda penggerak traktor. 6. Masing-masing dari 3 poros ditumpu oleh 2 bantalan bola, yg membuatnya tetap secara statis & mengizinkan analisis gaya & tegangan dgn menggunakan prinsip-prinsip mekanika standar. 7. Bantalan2 ditahan dlm sebuah rumah mesin yg akan didudukkan pd rangka traktor. 8. Sil pd poros input & output utk mencegah kotoran memasuki rumah mesin. 9. Bagian2 lain dari rumah mesin ditunjukkan secara skematis. Rincian ttg bagaimana elemen2 yg aktif akan dipasang, dilumasi & diluruskan hanya diberikan pd tahap proses perancangan ini untuk menunjukkan kelayakannya.
Elemen-elemen utama dari penurun kecepatan (lanjutan): 1. 2. 3. Sebuah pasak digunakan pada antarmuka antara naf dari tiap roda gigi & poros dimana pasak diletakkan untuk mentransmisikan torsi antara roda gigi & poros 4. Pasangan kedua dari roda gigi C dan D, selanjutnya menurunkan kecepatan dari roda gigi D & poros output (poros 3) hingga berkisar antara 290 – 295 rpm. 5. Poros output membawa sprocket dan rantai (tdk ditunjukkan). Transmisi rantai akhirnya dihubungkan dengan roda penggerak traktor. 6. Masing-masing dari 3 poros ditumpu oleh 2 bantalan bola, yg membuatnya tetap secara statis & mengizinkan analisis gaya & tegangan dgn menggunakan prinsip-prinsip mekanika standar. 7. Bantalan2 ditahan dlm sebuah rumah mesin yg akan didudukkan pd rangka traktor. 8. Sil pd poros input & output utk mencegah kotoran memasuki rumah mesin. 9. Bagian2 lain dari rumah mesin ditunjukkan secara skematis. Rincian ttg bagaimana elemen2 yg aktif akan dipasang, dilumasi & diluruskan hanya diberikan pd tahap proses perancangan ini untuk menunjukkan kelayakannya.
Berikut adalah langkah dari salah satu proses pemasangan yg mungkin: • Mulai dgn menempatkan roda gigi, pasak, cincin antara dan bantalan pada porosnya masing-masing. • Kemudian masukkan poros 1 ke dalam dudukan bantalannya pada sisi kiri rumah mesin. • Masukkan ujung kiri poros 2 ke dalam dudukan bantalannya sembari menepatkan gigi-gigi roda gigi A dan B. • Pasang penyangga bantalan tengah utk memberikan sandaran untuk bantalan pada sisi kanan poros 1. • Pasang poros 3 dengan menempatkan bantalan kirinya ke dalam dudukan pada penyangga bantalan tengah sembari menempatkan hubungan roda gigi C & D. • Pasang penutup sisi kanan utk rumah mesin sembari menempatkan 2 bantalan akhir pada dudukannya. • Isi bagian bawah rumah mesin dengan pelumas roda gigi.
RODA GIGI : •
• •
Untuk pasangan roda gigi, Anda harus menentukan jumlah gigi pada tiap2 roda gigi, jarak bagi (ukuran) dari gigi, diameter jarak bagi, lebar muka & bahan serta perlakuan panasnya. Spesifikasi tsb bergantung pd pertimbangan2 mengenai kekuatan & pemakaian gigi dari roda gigi dan syarat gerakan (kinematik). Anda juga harus mengetahui bahwa roda-roda gigi harus dipasang di atas poros sedemikian rupa sehingga dapat memastikan lokasi yang tepat dari rodaroda gigi itu, kemampuan pentransmisian torsi yang memadai dari roda-roda gigi ke poros (misalnya melalui pasak) & perancangan poros yg aman.
POROS : • • • • • •
Setelah merancang pasangan roda gigi, Anda selanjutnya mempertimbangkan perencanaan poros. Poros mengalami beban lengkung & puntiran akibat gaya2 yg bekerja pd gigi roda gigi. Jadi perancangannya harus mempertimbangkan kekuatan & kekakuan, dan harus memungkinkan roda gigi & bantalan dpt terpasang. Poros input & output harus menjorok keluar dari rumah mesin supaya ada kemungkinan persambungan dgn mesin & gandar penggerak. Jenis sambungan juga harus dipikirkan karena dapat berpengaruh thd analisis tegangan poros. Sil-sil pada poros input & output dipakai utk melindungi komponen2 di bagian dalam.
BANTALAN : •
• •
•
• • •
Jika menggunakan bantalan gelinding (rolling contact bearing), Anda mungkin memilih bantalan2 yg tersedia secara komersial dari katalog pabrikan, bukan merancang sendiri bantalan yg unik. Anda mula2 harus menentukan besarnya beban pada tiap bantalan dari analisis poros & perancangan roda gigi. Kecepatan putaran & umur perancangan yg layak dari bantalan & kesesuaiannya dengan poros dimana bantalan itu dipasang juga harus dipikirkan. Misalnya, atas dasar analisis poros, Anda dapat menentukan diameter minimal yg diizinkan pd tiap tempat dudukan bantalan utk memastikan tingkat tegangan yg aman. Bantalan yg dipilih utk menumpu bagian tertentu dari poros harus memiliki ukuran lubang yg tidak lebih kecil dari diameter aman dari poros. Bantalan juga tidak boleh lebih besar dari yg seharusnya. Jika satu bantalan tertentu telah dipilih, maka diameter poros pd tempat dudukan bantalan & toleransi yg diperbolehkan harus di tetapkan utk mencapai operasi yg tepat & harapan umur dari bantalan tsb.
PASAK : • • •
Diameter poros pada pasak menentukan ukuran dasar dari pasak (lebar & tinggi). Torsi yang harus ditransmisikan pasak dimasukkan dalam penghitungan kekuatan untuk panjang & bahan pasak. Setelah komponen-komponen kerja dirancang, maka perncangan rumah mesin pun dapat dimulai.
RUMAH MESIN : • •
• • • •
Proses perancangan rumah mesin harus kreatif & praktis. Apa ketentuan-ketentuan yg perlu dibuat utk menempatkan bantalan secara tepat & utk mentransmisikan beban bantalan secara aman melalui tempat dudukannya ke struktur dimana penurun kecepatan dipasang? Bagaimana cara pemasangan berbagai elemen ke dalam rumah mesin? Bagaimana roda gigi dan bantaln akan dilumasi? Bahan apa yang harus digunakan untuk rumah mesin? Haruskan rumah itu di cor, di las, atau merupakan rakitan dari bagian-bagian yang dimesin?
KESIMPULAN •
• •
•
Proses perancangan di atas menyatakan bahwa perancangan dapat berjalan sesuai urutan dari roda gigi ke poros, kemudian ke bantalan, ke pasak dan kopling, dan akhirnya ke rumah mesin. Namun untuk menyelesaikan suatu perancangan tertentu, alur yang logis seperti di atas jarang sekali hanya dilakukan dalam sekali jalan. Biasanya perancang harus kembali berkali-kali untuk menyesuaikan rancangan dari komponen tertentu yang dipengaruhi oleh penggantian komponenkomponen lainnya. ini yang disebut iterasi (pengulangan), terus dilakukan hingga dicapai suatu rancangan menyeluruhyang dapat diterima. Acapkali protoype dibuat dan diuji selama iterasi.
