Mekanisme Gerak Translasi Bolak-Balik dengan Ulir Silang

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK MESIN Vol., No., Aril 999 : 4-8 Mekanisme Gerak Translasi Bolak-Balik dengan Ulir Silang Joni ewanto osen Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Ninuk Jonoadji osen Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Abstrak Studi tentang mekanisme adalah hal ang sangat enting dalam merencanakan suatu mesin agar menghasilkan gerakan ang efektif dan teat.untuk mengubah gerak berutar menjadi gerak translasi bolak-balik ada dasarna daat dilakukan dengan beberaa cara. Masingmasing memiliki keunkan tersendiri. Akan tetai biasana tidak untuk langkah ang anjang dan memiliki efek dinamik ang besar. Problem tersebut daat diatasi dengan mekanisme ulir silang sebagaimana ower screw tana mengubah arah utaran masukanna. Gerak balik terjadi karena adana eubahan sudut ulir dari oositif menjadi negatif dibagian ujung screw secara gradual. engan eubahan sudut ulir ang arabolik ( funsi kwadrat) ada interval sudut utar screw ang maksimum maka efek dinamik karena eubahan keceatan tersebut daat diminimalkan Kata kunci : mekanisme gerak bolak-balik Abstract It is ver imortant to stud mechanism in a machine design in order to get an effective and recise movement. There are man was to convert rotation into recirocating motion. Each wa has unique characteristics. However usuall not for long stroke and the have dnamics roblem. This roblem can be overcome b the cross-screw mechanism without alternating rotation inut. Recirocating motion is roduce due to the changing of the screw angle from ositive to negative graduall at the end of the screw. namics effect can also be minimised b designing this changing arabolicall in maimum rotation angle interval. Kewords : recirocating mechanism. Pendahuluan Mekanisme meruakan bagian dari rancangan suatu mesin ang berkaitan dengan kinematika batang, cam gear dan gear train sedemikian menghasilkan suatu keluaran gerak ang diinginkan. engan demikian studi tentang mekanisme menjadi hal ang sangat enting tidak hana untuk menghasilkan unjuk kerja mesin ang efektif dan konstruksi ang baik tetai juga mudah engendalianna. Mekanisme dari suatu mesin sebenarna hana terdiri dari tiga macam gerakan aitu gerak translasi, rotasi dan gabungan dari dua macam gerakan tersebut. Biasana daa masukan ang diterima mesin berua torsi dan utaran ang kontinu sementara gerak keluaran ang diinginkan daat bervariasi Catatan : iskusi untuk makalah ini diterima sebelum tanggal Agustus 999. iskusi ang laak muat akan diterbitkan ada Jurnal Teknik Mesin Volume Nomor Oktober 999. tergantung roses ang diinginkan. Beberaa mesin menginginkan keluaran gerak rotasi atau translasi ang tidak kontinu (intermiten) atau kontinu akan tetai tidak ada tingkat keceatan sebagaimana masukanna. Untuk itu dierlukan suatu mekanisme eubah gerak. alam emakaianna banak sekali mesin mesin atau roses ang memerlukan gerak bolak balik seerti mesin res, roses emotongan, mengangakat/memindahkan, engumanan dsb. Mengubah gerak rotasi menjadi gerak translasi atau sebalikna diketahui daat dilakukan dengan beberaa cara akan tetai ada umumna tidak daat untuk langkah ang anjang tana merubah arah masukanna. Bahkan beberaa mekanisme memunai roblem dnamik. Tulisan ini akan membahas suatu mekanisme eubah gerak rotasi menjadi gerak translasi ang bolak balik dengan utaran masukan ang konstan aitu dengan ulir silang. Salah satu keunikan dari mekanisme ini adalah 4

2 Mekanisme Gerak Translasi Bolak-Balik dengan Ulir Silang (Joni ewanto) bahwa mekanisme ini memiliki langkah translasi ang relatif anjang sebagaimana mekanisme ower screw tetai tidak erlu merubah arah masukanna. Mekanisme ini memunai konstruksi ang sederhana dan gaa inersia ang terjadi karena erubahan keceatan balikna daat daat dikendalikan dengan merencanakan fungsi erubahan sudut ulir ang baik.. Mekanisme Peubah Gerak Rotasi- Translasi Beberaa mekanisme engubah gerak rotasi menjadi gerak translasi secara skematis ditunjukkan sebagaimana gambar di bawah. Mekanisme slider-crank terdiri dari emat batang. Putaran masukan daat berubah menjadi keluaran ang bergerak translasi bolak-balik karena adana mekanisme crank () dan connecting rod (3). Mekanisme demikian akan menghasilkan gerak bolak-balik ang sinusiodal dan biasana hana untuk langkah ang endek. Cam dan follower biasana juga cocok hana untuk menghasilkan gerak bolak-balik dengan langkah ang endek. Gerakan maju-mundur terjadi karena kontur cam ang berubah radiusna. Kontur cam ada dasarna daat dirancang sehingga menghasikan gerak maju mundur dengan fungsi ang sangat bervariasi bahkan daat juga dirancang untuk menghsilkan gerak ang intermiten. Untuk menghasilkan langkah ang relatif anjang biasana diakai mekanisme rack dan inion. engan utaran masukan ang arahna teta mekanisme ini tidak daat menghasilkan gerakan balik. Sehingga untuk menghasilkan gerakan balik maka memerlukan masukan ang refersibel. Mekanisme ower screw ada risina sama seerti mur dan baut dimana ower screw berfungsi mur dan carried ( ang digerakkan ) berfungsi sebagai bautna. Jika screw berutar ditemat (tidak bergerak aksial) maka carried akan bergerak aksial relatif terhada screw tersebut. Sama seerti mekanisme rack-inion mekanisme ower screw juga tidak daat balik jika masukana tidak refersibel. Gerak bolak-balik juga daat dieroleh dari mekanisme summing linkage. Mekanisme ini terdiri dari swash late, iston atau slider dengan connecting rodna serta rumah iston atau slide was ang berotasi bersama utaran swash late. Untuk menghasiulkan gerak iston maju mundur swash late tidak diasang tegak terhada sumbu oros sehingga ketika swash late berutar osisi iston akan berubah terhada rumahna dan terjadi gerak translasi. Cara lain untuk mendaatkan gerak translasi adalah dengan memasang carried diatas sebuah belt atau rantai conveor. Mekanisme ini daat dirancang untuk langkah ang anjang dan daat balik tana merubah arah utaran masukanna. Akan tetai gerak bolak balikna tidak terjadi ada satu garis melainkan ada garis lain ang sejajar. (a) Slider crank (b) Cam-follower (c) Rack inoin (d) Power screw (e) Summing linkage (f) Belt/chain drive Gambar. Mekanisme Rotasi-Translasi 5

3 JURNAL TEKNIK MESIN Vol., No., Aril 999 : Mekanisme Gerak Bolak-balik ada Ulir Silang Untuk menghasilkan gerak bolak balik mekanisme ini terdiri dari sebuah ower screw dengan ulir ganda ang bersilangan dan carried ang berulir tunggal. i kedua ujung dari screw sudut ulirna berubah dari sebesar α menjadi -α sehingga carried akan berubah arah ( maju-mundur ) setelah melewati ujung tersebut. Secara teoritik erubahan sudut ulir daat dirancang dalam selang sudut utar antara nol hingga radian. Panjang langkah ang diinginkan dienuhi dengan membuat screw ang anjang ula. engan demikian mekanisme ini daat diakai untuk menghasilkan gerak translasi ang relatif anjang sebagaimana ower screw akan tetai daat menghasilkan gerakan balik tana mengubah arah utaran masukan. Kinematika Gerak Maju/Mundur Geometri ulir ower screw ada langkah maju untuk satu kali utar (Π) jika direntangkan ada bidang datar daat ditunjukan sebagai mana gambar di bawah. Untuk satu kali utar maka lintasan ulirna adalah Π. A mewakili titik ada carried ang bergerak relatif terhada screw. Jika screw diangga sebagai bagian ang tidak berutar maka A berutar mengikuti lintasan screw dengan keceatan keliling V dan bergerak aksial dengan keceatan V. dimana t adalah waktu gerak. Sehingga daat dinatakan sebagai fungsi waktu t v t. π = () engan demikian keceatan gerak kearah (V) daat dieroleh dengan menurunkan ersamaan terhada waktu. v ( v ) = & = (3) Persamaan 3 menunjukkan bahwa keceatan carried kearah aksial tidak meruakan fungsi waktu (konstan) sehingga erceatan carried selama gerak maju sama dengan nol. Kurva keceatan daat digambar sebagai fungsi atau fungsi t dengan bentuk ang sama. X= terjadi ada t = /V. Carried akan bergerak mundur ketika sudut ulir lintasan A adalah -α. Analag dengan analisa di atas maka gerak mundur carried juga memiliki keceatan sama seerti gerak maju. v ( v ) = & = (4) Kinematika Gerak Balik Jika erubahan sudut ulir ada bagian ujung screw terjadi dalam interval sudut utar ang sangat kecil maka geometri ulir disekitar titik balik ditunjukkan sebagaimana gambar 3. Gambar tersebut meruakan gabungan antara gerak maju dan gerak mundur masing masing dalam interval sudut utar Π radian atau = /. Gerakan balik terjadi di titik otong antara lintasa maju dan lintasan mundur. Sehingga keceatan gerak balik tersebut daat ditunjukkan sebagaimana gambar 3 (b) dimana gerak maju berubah menjadi gerak mundur dengan mendadak sebagaimana fungsi ste. Gambar. Kinematika gerak maju dan mundur ada bidang datar Bila utaran screw konstan maka V juga konstan. Sebagaimana gb. (a) lintasan aksial carried daat ditulis sbb : = ( ) Karena V konstan maka secara kinematika lintasan keliling ulie daat ditulis = V.t Gambar 3. Kinematika Gerak Balik 6

4 Mekanisme Gerak Translasi Bolak-Balik dengan Ulir Silang (Joni ewanto) Perubahan keceatan dalam waktu ang singkat demikian akan menimbulkan erceatan ang besar dan daat menimbulkan roblem dinamik. Untuk itu lintasan disekitar titik balik erlu direncanakan sebaik-baikna agar dieroleh gerakan ang halus tidak terjadi sentakan. Perubahan sudut ulir + menjadi - secara gradual disekitar titik balik daat dirancang dengan fungsi arabolik, sinus, atau fungsi lingkaran.. 4. Kinematika Gerak Balik engan Fungsi Parabolik Perubahan sudut ulir dari ower screw sebagaimana dijelaskan di dean ada dasarna daat dirancang dalam interval sudut utar dari 0 hingga Π radian. Bila erubahan sudut ulir terjadi dalam interval sudut utar ang semakin kecil maka akan menghasilkan mekanisme gerak balik ang semakin menentak mendekati sebagaimana kasus di atas. Perubahan sudut ulir ang arabolik dalam interval sudut utar Π radian daat diturunkan sebagaimana gambar di bawah. Jika v konstan maka = v t sehingga daat dinatakan sebagai fungsi t v = ( ) t v + t engan demikian ersamaan gerak A (carried ) kearah aksial seanjang sumbu screw disekitar titik balik daat diturunkan dari ersamaan tersebut terhada waktu t. v = v = ( ) t + v (6) & (7) Plot kurva keceatan ini ditunjukan ada gambar 4 (b). Namak di sana bahwa dari osisi sudut utar 0 hingga Π ( t=/v atau = Π) keceatan aksial dari carried berubah dari v/π makin kecil hingga sama dengan nol ti titik Π/ dan membesar negatif menjadi -v/π di titik t= /v secara linear. Jika erceatan adalah turunan dari keceatan terhada waktu maka erceatan disekitar titik balik ada mekanisme ini teta tidak berubah. 5 Kinematika Gerak Balik engan Fungsi Sinusiodal Perubahan sudut ulir sebagai fungsi sinus secara umum ditulis sebagai = Y sin Π/(L/) dimana L = Π dan Y adalah amlitudo dari fungsi erubahan tersebut. Y daat dieroleh dari sarat geometri bahwa ada titik (0,0) garis singgung kurva harus sama dengan koefisien arah garis. Sehingga dieroleh Y = /Π. Gambar 4. Mekanisme Gerak Balik engan Fungsi Parabolik Secara umum fungsi arabolik tersebut daat dirumuskan sebagai = a + b + c. Konstanta konstanta a,b dan c dieroleh dari sarat geometri sbb :. = 0 untuk = 0 atau = Π. Garis singgung kurva dititik ( 0,0 ) sama dengan koefisien arah garis = /Π 3. Garis singgung kurva di titik ( 0,Π ) sama dengan koefisien arah garis = -/Π engan ketiga kondisi di atas maka dieroleh ersamaan arabolik = ( ) + (5) Gambar 5. Mekanisme Gerak Balik engan Fungsi Sinus engan demikian maka ersamaan dari erubahan sudut ulir sebagai fungsi adalah dalam interval sudut ulir π radian adalah : sin π = (8) 7

5 JURNAL TEKNIK MESIN Vol., No., Aril 999 : 4-8 Untuk keceatan V ang konstan daat dinatakan sebagai fungsi t. Analog dengan analisa sebelumna maka turunan sebagai fungsi t tidak lain adalah ersamaan keceatan aksial carried seanjang sumbu screw. Persamaan tersebut daat ditulis sbb : = v v v = cos t & (9) Kurva di atas ditunjukkan sebagaimana gambar 5 (b). Namak bahwa keceatan carried berubah dengan fungsi cosinus dalam interval sudut utar antara 0 hingga Π. Jika turunan dari fungsi keceatan adalah erceatan maka erceatan disekitar titik balik ada kondisi mekanisme inii tidak teta akan tetai berubah sebagai fungsi sinus. 6 Kinematika Gerak Balik engan Fungsi Lingkaran Jika erubahan sudut ulir dibuat sebagai fungsi lingkaran maka ersamaan tersebut daat ditulis sbb : ( a) + ( b) = R (R : Radius lingkaran ) (0) dimana R = π b = Sehingga ( ) + ( ) a ( ) = dan = a + R ( b) Jika = vt maka daat diturunkan terhada waktu t. aitu ersamaan gerak dari keceatan carried kearah aksial seajang sumbu screw. = v = v t + bv t & () R ( v t b) Keceatan aksial akan berharga nol jika enebut dari ersamaan diatas nol, aitu terjadi ada t = b atau t dimana =Π/. Keceatan ada t dimana = nol dan = Π daat dicek dengan memasukan harga t = nol dan t = Π/v ada ersamaan keceatan tersebut. Kurva keceatan sebagai fungsi t atau ditunjukkan ada gambar 6 (b). 7. Kesimulan. Mekanisme ulir silang daat mengubah gerak rotasi menjadi translasi bolak-balik tana mengubah arah utaran masukanna dengan langkah ang relatif anjang sebagaimana ower screw.. Efek dinamis karena erubahan keceatan ang mendadak di daerah titik balik daat dihindari dengan membuat eubahan sudut ulir sebagai fungsi kwadrat atau fungsi sinus ada rentang sudut utar ang maksimum. 3. Peubahan sudut ulir dengan fungsi arabolik (kwadrat) menghasilkan eubahan keceatan ang teratur secara linear sehingga efek dinamik karena eubahan keceatan tersebut daat diminimalkan. aftar Pustaka. George E ieter, Engineering esign, Macmillan Publishing Co, Inc, New York, 99.. Samuel ouhgt, Mechanics of Machines, John Wille & Sons, New York, Hamilton H Mabie; Charles F Reinholtz, Mechanism and namics of Machiner, John Wille & Sons, New York, Aaron eutschman, Machine esign, Macmillan Publishing Co, Inc, New York, Holowenko, namics of Machiner, John Wille & Sons, New York, 955. Gambar 6. Mekanisme Gerak Balik engan Fungsi Lingkaran 8