BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Gesekan dan Keausan Ketika suatu permukaan bergerak relatif terhadap permukaan lainnya di bawah pengaruh tekanan yang diberikan maka gaya yang bekerja pada kedua permukaan bersinggungan tersebut akan timbul tahanan tehadap gerakan, fenomena ini menunjukkan adanya gesekan. Ada tiga tipe dasar gesekan yakni, gesekan luncur, gesekan menngelinding dan gesekan fluida. Gesekan meluncur dan gesekan menggelinding adalah gesekan kering, sedangkan gesekan fluida adalah gesekan basah. Disebut gesekan basah karena ada lapisan fluida yang memisahkan secara sempurna pada salah satu atau kedua permukaan bergesekan. Ketika dua atau lebih permukaan mengalami gesekan, maka ada kecenderungan kedua permukaan tersebut akan mengalami keausan. Gesekan juga dapat merusak komponen mesin karena adanya energi gesekan tersebut yang diubah menjadi kalor. 6

2 Fenomena tersebut banyak ditemukan pada elemen-elemen mesin, baik yang bergerak translasi, rotasi maupun gabungan keduanya. Ring piston dan slinder, poros dan bantalan, roda gigi, sabuk dan puli adalah contoh elemen mesin yang saling bergesekan. 2.2 Pengertian Pelumasan Gesekan dan keausan dalam elemen mesin harus dikendalikan, supaya mesin tersebut dapat bekerja optimal baik pada saat stasioner maupun pada saat beban puncak atau maksimum. Dengan mengendalikan gesekan pada elemen juga dapat memperpanjang masa hidup atau masa pakai mesin tersebut. Cara yang paling efektif dan banyak digunakan untuk mengendalikan gesekan tersebut adalah dengan suatu teknik yang disebut pelumasan. Pelumasan adalah suatu cara untuk mengurangi dan memperkecil gesekan dan keausan diantara permukaan-permukaan yang bergerak relatif satu sama lain dengan menempatkan bahan pelumas diantara kedua permukaan yang bergerak tersebut.bahan pelumas yang umum adalah berupa cairan (liquids) dan semi-liquid, tapi dapat juga berupa padat atau gas, atau kombinasi cair, padat dan gas. Bahan pelumas dalam wujud cairan sering disebut dengan minyak pelumas. 7

3 2.3 Fungsi Bahan Pelumas Minyak pelumas banyak digunakan seperti pada motor bakar, baik untuk pembakaran dengan busi (siklus Otto) maupun untuk pembakaran dengan tekanan (siklus Diesel dan siklus Dual). Minyak pelumas juga digunakan pada sektor industri, misalnya untuk bantalan, roda gigi pompa maupun kompresor, turbin dan lain-lain. Dalam hal ini termasu pemanasan dan pendinginan pada industri baja, pertambangan, industri kertas, industri tekstil, dan sebagai pendingin dan pelumas untuk mata pahat mesin perkakas Pada beberapa penggunaan diperlukan minyak pelumas yang dapat bekerja pada interval temperatur yang besar, dengan kata lain diperlukan indeks kekentalan minyak pelumas yang besar, misalnya pada turbin gas. Minyak pelumas umumnya mempunyai kekentalan yang relatif tinggi, karenanya fluiditas atau kemampuannya untuk mengalir relatif rendah. Dengan demikian sifat ini dapat dimanfaatkan untuk melindungi sistem dari kontaminasi udara luar. Dengan kata lain, Minyak pelumas dapat berperan sebagai paking (seal). 8

4 2.4 Tipe-Tipe Pelumasan Pelumasan Hidrostatis Pada pelumasan hidrodinamis, seperti pada penjelasan diatas permukaan yang bergesekan dipisahkan secara sempurna oleh lapisan tipis pelumas. Lapisan tipis pelumasn tersebut dicapai dengan akibat gerakan luncuran yang membangkitkan lapisan baji minyak pelumas (oil-wedge) untuk membangkitkan tekanan minyak pelumas di dalam bantalan misalnya. Namun pada mesin-mesin yang mempunyai beban besar dan kecepatan putaran rendah tidak dimungkinkan lagi terjadi pelumasan hirodinamis pada saat start. Untuk itu diperlukan tekanan yang lebih besar agar terjadi lapisan tipis minyak pelumas diantaraporos dan bantalan misalnya. Tekanan demikian diperoleh dengan menggunakan pompa tekanan tingi yang akan menekan minyak pelumas ke bagian-bagian yang bergesek, bukan sekedar pompa tekanan rendah yang berfungsi hanya sebagai pendistribusi atau pensirkulasi minyak pelumas. Pelumasan sedemikian disebut pelumasan hidrostatis (Hidrostatic Lubrication). Pelumasan hidrostatis disebut juga pelumasan tekanan luar (externally pressurize) karena tekanan yang timbul diakibatkan pengaruh kerja dari luar sistem. Dalam beberapa kasus, setelah poros berputar dengan kecepatan tinggi biasanya pompa tekanan tinggi yang digunakan dapat dihentikan sementara pompa tekanan rendah sebagai pensuplai minyak pelumas tetap difungsikan. Dalam kasus ini, pada operasi normal yang terjadi bukan pelumasan hidrostatis lagi, melainkan pelumasan hidrodinamis. 9

5 2.4.2 Pelumasan Hidrodinamis Pelumasan hidrodinamis (Hydrodynamic Lubrication) adalah tipe pelumasan dimana gerakan relatif dari gerakan meluncur pada sebuah permukaan menyebabkan formasi tekanan lapisan pelumas memisahkan sepenuhnya permukaan yang bergesekan. Dengan kata lain lapisan tipis pelumas dibangkitkan oleh gerakan relatif dari salah satu atau kedua permukaan itu sendiri. Penggambaran dari prinsip pelumasan hidrodinamis dapat dilihat pada gambar 2.1. Pada gambar 2.1, salah satu permukaan (slider) bergerak relatif terhadap suatu permukaan yang diam, gerakannya disebut gerakan meluncur. Lapisan tipis minyak pelumas (oil film) terbentuk akibat adanya gerakan meluncur dari slider terhadap permukaan yang diam yang membangkitkan pressure wedge. Begitu juga halnya dengan roller yang bergerak pada relatif pada permukaan rata. 10

6 Pelumasan hidrodinamis umumnya diaplikasikan pada permukaan bidang dengan gerakan meluncur, misalnya poros yang menggunakan bantalan luncur (journal bearing). Teori pelumasan hidrodinamis yang sekarang berkembang adalah hasil penelitian Beauchamp Tower pada awal tahun 1880-an di Inggris, yang menyelidiki gesekan pada bantalan luncur pada roda kereta api dan mempelajari tipe pelumasan yang terbaik pada bantalan luncur tersebut. Hasil yang diperoleh oleh Beauchamp Tower mempunyai keteraturan dan kesamaan karakteristik seperti yang disimpulkan Osborne Reynolds bahwa harus ada persamaan defenitif yang terbatas dalam hubungan gesekan, tekanan dan kecepatan. Berdasarkan penelitian Beauchamp Tower tersebut, Osborne Reynolds mengembangkan teori matematis untuk menjelaskan eksperimen yang dilakukan Beauchamp Tower, dan dipublikasikan pada tahun Gambar 2.1 Pelumasan Hidrodinamis Untuk Gerakan Meluncur Pada Bidang rata[3] 11

7 Gambar 2.2 Pelumasan Hidrodinamis Pada Roller Yang Bergerak Relatif pada Bidang Rata[3] Pelumasan Elastohidrodinamis Pelumasan elastohidrodinamis (Elastohydrodynamic Lubrication) juga merupakan bentuk dari pelumasan hidrodinamis, tetapi pada pelumasan elastohidrodinamis deformasi elastis dari permukaan yang dilumasi menjadi sangat besar. Artinya terjadi kontak bidang permukaan yang bergesekan sangat kecil, sehingga timbul tekanan yang demikian besar pada lapisan tipis minyak pelumas yang membatasi kedua permukaan itu. Misalnya pada bantalan gelinding (roller bearing), mimis (ball/roller) akan menekan cincin sehingga terjadi deformasi elastis biarpun gaya yang diberikan demikian kecilnya. 12

8 2.4.4 Pelumasan Bidang Batas Pelumasan bidang batas (Boundary Lubrication) mengacu pada situasi kombinasi geometri kontak, beban relatif besar, kecepatan rendah, kuantitas pelumas yang tidak cukup sehingga tidak dimungkinkan untuk membangkitkan lapisan tipis minyak pelumas yang sempurna pada bagian yang bersinggungan. Pada beberapa kasus pelumasan bidang batas masih terjadi kontak asperity (permukaan kasar pada suatu permukaan yang dilihat di bawah mikroskop). Pada situasi normal, asperity setiap logam dilapisi oleh lapisan oksida, misalnya besi oksida pada besi atau baja, aluminium oksida (alumina) pada aluminium dan sebagainya. Ketika asperities tersebut saling bergesekan, kecenderungan asperities tersebut untuk melekat relatif lembut. Namun, bila lapisan oksida tersebut aus/habis akibat gesekan yang berat maka permukaanpermukaan yang bersinggungan memiliki kecenderungan untuk melakukan kontak langsung. Maka sangat penting untuk mempertahankan lapisan oksida tersebut, agar terjadi gesekan yang relatif lembut. Dan jika permukaan logam tersebut kehilangan lapisan oksidanya maka akan terjadi gesekan dan keausan yang parah. Dan pada kasus tersebut diatas pelumasan bidang batas dapat mengurangi gesekan dan keausan yang terjadi. Mekanisme dari pelumasan bidang batas sendiri adalah misalnya dengan physical adsorption, chemical adsorption, maupun chemical reaction. 13

9 2.4.5 Pelumasan Tekanan Ekstrim Pelumasan tekanan ekstrim mengacu pada kondisi apabila kontak yang terjadi di bawah pengaruh kerja paling hebat/ekstrim, seperti pada pemotongan logam atau roda gigi yang mengalami beban kejut, sehingga aditif tekanan ekstrim (EP additive) digunakan untuk melumasi. EP (Extreem Pressure) additive ini merupakan sennyawa minyak yang dapat larut dan biasanya mengandung zat belerang, chlorin atau fosfor yang bereaksi dengan permukaan bantalan pada temperatur tinggi yang timbul dimana lapisan tipis minyak pelumas pecah, membentuk zat lapisan tipis yang titik cairnya tinggi antara permukaan-permukaan yang berkontak Pelumasan Padat Pelumasan padat (Solid Lubrication) adalah sistem pelumasan dimana diantara permukaan kontak saling melumasi sendiri oleh bahan padat yang dilapisi dan kadang menyatu pada elemen tersebut. Pelumasan padat dapat dipahami misalnya pada sebuah contoh, misalnya debu pasir dan kerikil pada permukaan jalan dapat menyebabkan kendaraan tergelincir karena debu, pasir dan kerikil mengurangi gesekan antara ban dan permukaan jalan. Teknisnya, debu, pasir dan kerikil tersebut bertindak sebagai pelumas, namun tentu saja tidak ada yang merekomendasikan debu, pasir dan kerikil sebagai pelumas padat pada elemen mesin. 14

10 Walaupun telah banyak dikembangkan bahan inorganik untuk pelumasan padat, seperti misalnya mica, talc, dan chalk namun sangat sedikit yang digunakan secara umum untuk permesinan. Bahan-bahan yang umum dan paling banyak digunakan sebagai pelumas padat adalah grafit dan molybdenum disulfida dan PTFE (Polytetrafluoroethylene) / teflon. Adapun karakterisitik bahan yang baik digunakan sebagai pelumas padat adalah sebagai berikut : Mempunyai koefisien gesek rendah namun konstan dan terkendali Memiliki stabilitas kimia yang baik sepanjang temperatur yang diperlukan Tidak memiliki kecenderungan untuk merusak permukaan bantalan Lebih diutamakan yang memiliki daya adhesi yang kuat terhadap permukaan bantalan, sehingga tidak mudah hilang/aus dari permukaan bantalan. Memiliki daya tahan terhadap keausan dan umur yang relatif panjang Mudah diaplikasikan pada permukaan yang bergesekan terutama bantalan Tidak beracun dan ekonomis Bahan inorganik seperti grafit dan molybdenum disulfida memiliki sifat mampu membentuk lapisan tipis pada permukaan logam yang bergeser dengan mudah dan menahan penetrasi oleh permukaan-permukaan yang bergesek. Senyawa-senyawa demikian dapat digunakan sendiri-sendiri atau disuspensikan dalam tempat cairan atau minyak gemuk. Jenis plastik/polimer seperti PTFE dapat digunakan sebagai permukaan bantalan yang dalam penggunaan tidakmenggunakan atau membutuhkan pelumasan lanjutan ataupun lainnya. 15

11 Tabel 2.1 Beberapa Bahan Yang Digunakan Sebagai Pelumas Padat[1] Kelompok Bahan Nama Bahan Molybdenum disulphide Graphite Layer-lattice compounds Tungsten diselenide Tungsten disulphide Niobium diselenide Calcium fluoride Tantalum disulphide Graphite fluoride PTFE Nylon Polymers PTFCE Acetal PVF2 FEP Polyimide Polyphenylene sulphide Metals PEEK Lead Gold Indium Tin Silver Other Inorganics Molybdic oxide Boron trioxide Lead monoxide Boron nitride (sumber : Lubrication and Lubricant Selection :A Practical Guide, Third Edition by A.R. Lansdow) 16

12 2.5 Kekentalan Minyak Pelumas(Viskositas) Kekentalan Dinamik dan Kekentalan Kinematik Dalam industri perminyakan khususnya minyak pelumas dikenal istilah kekentalan, karena kekentalan merupakan sifat paling penting bagi minyak pelumas khususnya dan bahan pelumas umumnya, karena sifat ini menunjukkan kemampuan untuk melumasi sesuatu dan kemampuan suatu fluida untuk mengalir. Pada gambar 2.3 menunjukkan pendefenisian kekentalan dinamik menurut Hukum Newton tentang aliran viskos. Suatu permukaan bergerak relatif dengan kecepatan u terhadap permukaan lain dimana diantara kedua permukaan ditempatkan suatu lapisan tipis fluida. Kekentalan didefenisikan sebagai besarnya tahanan fluida untuk mengalir di bawah pengaruh tekanan yang dikenakan dan besarnya harga kekentalan merupakan perbandingan antara teganga geser yang bekerja dengan kadar geseran. u u h Gambar 2.2 Pendefenisian Kekentalan Dinamik Menurut Hukum Newtontentang Aliran Visko[4] 17

13 Dari gambar 2.3 secara matematis dapat ditulis: τ µ du dy µ u h (2.2) Dimana : τ = tegangan geser fluida (N/m 2 ) µ = kekentalan dinamik (Poise, P) du = kecepatan relatif permukaan (m/det) dv = tebal lapisan pelumasan (m) 18

14 Kekentalan dinamik disebut juga dengan kekentalan absolut, sementara kadar geseran adalah du/dy. Jika kekentalan dinamik dibagi dengan rapat massa pada temperatur yang sama hasilnya disebut kekentalan kinematik. Secara matematis ditulis: v µ ρ (2.3) Dimana : v = kekentalan kinematik (Stoker, S) ρ = rapat massa (gram/cm 3 ) Satuan tegangan geser adalah dalam dyne/cm 2 dan kadar geseran dalam det -1, maka satuan kekentalan dinamik adalah poise disingkat P. Sedangkan satuan rapat massa gram/cm 3 sehingga satuan kekentalan kinemati adalah stokes disingkat St. Satuan yang paling umum dalam industri perminyakan adalah centipoise disingkat cp dan centistoke disingkat cst, dimana 1 P = 100 cp dan 1 St =100 cst. Dalam satuan SI, untuk kekentalan dinamis adalah N det/m 2 atau kg/m det dan satuan kekentalan kinematik adalah m 2 /det. Dengan demikian diperoleh hubungan satuan-satuan: 1P = 10-1 N det/m 2 1 Cp = 10-3 N det/m 2 1 St = 10-4 m 2 /det 1cSt = 10-6 m 2 /det 19

15 Kekentalan juga dapat/pernah dinyatakan dengan unit sebagai berikut: Kekentalan Redwood (Redwood viscosity) Secara teknis Redwood viscosity bukanlah satuan untuk kekentalan melainkan waktu alir. Itu adalah jumlah waktu yang diperlukan 50 ml minyak untuk mengalir melalui cerobong saluran berbentuk mangkuk (cup-shaped funnel) akibat gaya beratnya sendiri. Kekentalan Saybolt (Saybolt viscosity) Saybolt viscosity secara teknis adalah waktu alir dan hal tersebut juga bukan satuan kekentalan, karena memiliki cara yang sama dalam pengukurannya dengan Redwood viscosity. Metode ini pernah menjadi metode standar pada ASTM. Kekentalan Engler (Engler viscosity) Engler viscosity juga merupakan waktu alir dengan metode hampir sama dengan Redwood viscosity, tetapi hasilnya dinyatakan dengan derajat, waktu alir sampel minyak terhadap yang diukur air pada temperatur yang sama. Hal ini diterapkan hanya di hampir seluruh Eropa, tetapi secara berangsur-angsur mulai ditinggalkan. 20

16 2.5.2 Klasifikasi Kekentalan Minyak Pelumas Kekentalan minyak pelumas perlu distandarkan dan diklasifikasikan agar penggunaannya sesuai dengan kebutuhan. Kekentalan minyak pelumas untuk keperluan teknik dan industri telah diklasifikasikan oleh beberapa organisasi standarisasi seperti ISO, SAE, ASTM, DIN, AGMA, dan lain sebagainya. Klasifikasi yang paling banyak digunakan dalam dunia industri adalah klasifikasi menurut ISO dan SAE. Tabel 2.3 Parameter Analisis Minyak Lumas [6] Komponen Indikasi Ambang Batas Besi (Fe) Wear 100 ppm Aluminium Wear 25 ppm Tembaga (Cu) Wear 50 ppm/spesifikasi Timbal (Pb) Wear 50 ppm Chrom (Cr) Wear Perubahan 100% Silicon (Si) Debu 25 ppm Boron (Br) Pendingin 25 ppm Vanadium (V) Wear Perubahan 100% Nikel (Ni) Wear Perubahan 100% Air Kontaminasi 500 ppm TBN Oksidasi Min. 7 mgkoh/g[2] Viskositas Oksidasi Perubahan 20% Fuel dilution Ring aus 5-10% volume 21

17 2.5.3 Klasifikasi Kekentalan Menurut ISO Sistem klasifikasi kekentalan minyak pelumas menurut ISO (International Standard Organization) adalah berdasarkan kekentalan kinematik, dalam satuan centistokes (cst), pada daerah (range) kekentalan pada temperatur 40 C. Setiap daerah kekentalan diidentifikasi dengan angka ISO VG (Viscosity Grade) atau derajat kekentalan ISO, dimana kekentalan tersebut merupakan kekentalan kinematik rata-rata pada daerah tersebut (midpoint kinematic viscosity). Untuk mendapatkan nilai kekentalannya, harus dihitung 10% dari nilai rata-rata kekentalan kinematiknya. Misalnya ISO VG 100 mempunyai kekentalan rata-rata 100 cst, dimana batas kekentalannya adalah 90 cst untuk minimum dan 110 cst untuk maksimum. Nilai kekentalan menurut ISO untuk minyak pelumas dapat dilihat pada gambar grafik dan tabel berikut, yang dikutip dari dokumen ISO 3448 Industrial Liquid Lubricants ISO Viscosity Classification. Nilai kekentalan standar ISO dapat dilihat pada tabel di bawah, untuk nilai kekentalan pada suhu 40 C. Nilai untuk harga kekentalan kinematik minyak pelumas pada 40 C menurut dokumen ISO

18 Tabel 2.2 Klasifikasi kekentalan ISO minyak pelumas pada suhu 40 C[6] Angka derajat kekentalan ISO Harga tengah Batas kekentalan kinematik, cst pada 40 kekentalan, cst C pada 40 C Minimum Maksimum ISO VG2 2,2 1,98 2,42 ISO VG3 3,2 2,88 3,52 ISO VG5 4,6 4,14 5,06 ISO VG7 6,8 6,12 7,48 ISO VG ISO VG ,5 16,5 ISO VG ,8 24,2 ISO VG ,8 35,2 ISO VG ,4 50,6 ISO VG ,2 74,8 ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG

19 2.5.4 Klasifikasi Kekentalan Menurut SAE Sistem klasifikasi ini disusun oleh SAE (Society of Automotive Engineers), dalam SAE J300 SEP80 pertama kali dilaporkan Divisi Anekaragam (Miscellaneous Division), disetujui pada Juni 1911, dan direvisi kembali oleh suatu komite September Walaupun sistem kekentalan ini disusun oleh SAE, klasifikasi kekentalan minyak pelumas bukan hanya untuk otomotif, melainkan ssemua tipe penggunaan minyak pelumas termasuk industri, kapal laut dan pesawat udara. Klasifikasi SAE merupakan klasifikasi untuk minyak pelumas mesin-mesin secara rheologi saja. Karakteristik lain dari minyak pelumas tidak termasuk. Praktek yang dianjurkan ini ditujukan untuk penggunaan oleh pabrik pembuat mesin-mesin dalam menentukan derajat kekentalan minyak pelumas yang akan direkomendasikan untuk penggunaan mesin-mesin yang diproduksi, dan oleh perusahaan minyak dalam merumuskan dan memberi label produksi mereka. Dua seri derajat kekentalan diberikan pada tabel 2.2, dimana salah satu mengandung letter W dan lainnya tidak. Derajat kekentalan dengan letter W didasarkan atas kekentalan maksimum pada temperatur rendah dan temperatur pemompaan batas maksimum, sebagaimana kekentalan minimum pada 100 C. Minyak pelumas tanpa letter W didasarkan atas kekentalan pada 100 C. Minyak yang diklasifikasikan kekentalannya pada temperatur rendah dan temperatur pemompaan memenuhi persyaratan untuk derajat W, dan yang mana kekentalannya pada 100 C berada dalam daerah yang telah ditentukan dari salah satu klasifikasi derajat non-w. 24

20 Kekentalan pada temperatur rendah diukur sesuaidengan prosedur tertentu. Prosedur ini merupakan versi multi-temperatur dari ASTM D Metode Pengujian Kekentalan Nyata Minyak Pelumas Mesin pada Temperatur Rendah dengan mnggunakan Simulator Pengengkolan Dingin (Method of Test for Apparent Viscosity of Motor Oils at Low Temperature Using the Cold Crancing Simulator), dan hasilnya dilaporkan dalam centipoise (cp). Kekentalan diukur dengan metode ini dan telah ditemui hubungannya dengan kecepatan putaran yang diberikan selama pengengkolan temperatur renda 25

21 Tabel 2.3 Derajat Kekentalan SAE Untuk Minyak Pelumas Mesin (SAE J300 Engine Oli.[5] SAE Viscosity (cp) a Borderline b Viscosity c (cst) Viscosity Grade at temp ( C ) pumping at 100 C. max. temp ( C ) max. min max 0W 3250 at ,8-5W 3250 at ,8-10 W 3250 at ,1-15 W 3250 at ,6-20 W 3250 at ,6-25 W ,3-20 W - - 5,6 9,3 30 W - - 9,3 12,5 40 W ,5 16,3 50 W ,3 21,9 60 W - 21,9 26,1 26

22 2.5.5 Minyak Pelumas Multigrade Minyak pelumas multigrade sering menimbulkan keraguan. Pada dasarnya jenis ini merupakan salah satu yang mempunyai indeks kekentalan yang bersesuaian dengan persyaratan pada 100 C dan -18 C. Tabel 2.4 Klasifikasi Multigarde SAE Crankcase Oil Viskositas[5] Nomor SAE Ganda Indeks Kekentalan 10W/ W/ W/ W/ W/ Minyak pelumas mesin otomotif diklasifikasikan oleh SAE seperti tercantum pada tabel 2.4. Tabel 2.4 khusus menunjukkan kekentalan minyak pelumas multigrade. Ternyata bahwa minyak pelumas jenis ini mempunyai indeks kekntalan yang tinggi. Seperti diungkapkan sebelumnya bahwa nomor SAE yang diikuti dengan letter W (Winter) ditunjukkan sebagai minyak pelumas yang dimaksudkan untuk kemudahan dalam menghidupkan mesin selama kondisi cuaca dingin. Misalnya SAE 20W/50, artinya bahkan pada saat musim dingin (atau pada pagi hari saat bukan musim dingin) nilai kekentalannya akan sama seperti SAE 20, dan pada saat udara panas (kondisi operasi) atau bukan musim dingin kekentalan maksimalnya adalah akan sama seperti SAE

23 Minyak pelumas multigrade pada awalnya dibuat khusus untuk daerah yang memiliki empat musim (iklim) dalam satu tahun, termasuk didalamnya musim dingin, agar memudahkan pemilihan minyak pelumas untuk pengoperasian mesin pada keempat musim tersebut. Namun dalam perkembangannya penggunaan minyak pelumas multigrade tidak hanya digunakan pada wilayah yang memiliki musim dingin, tetapi juga yang beriklim tropis, sehingga sering menimbulkan keraguraguan bagi pengguna. Secara teori minyak pelumas SAE 20W/50 tersebut dapat diaplikasikan/digunakan pada sistem yang memerlukan minyak pelumas SAE 20, SAE 30, SAE 40 dan SAE Pengaruh Tekanan dan Temperatur Terhadap Kekentalan Tekanan memiliki pengaruh yang kuat terhadap kekentalan pelumas. Hal ini sangat penting dalam pelumasan tipe elastohidrodinamis dan bidang hidrolika. Minyak pelumas yang menunjukkan perubahan kekentalan yang besar terhadap temperatur juga akan menunjukkan perubahan yang besar dengan perubahan tekanan. Persamaan Barus memberikan solusi hubungan kekentalan dan tekanan, yaitu: µ p µ 0.e αp (2.4) Dimana µ 0. dan e αp adalah kekentalan masing-masing pada tekanan p dan tekanan atmosfir, adalah koefisien tekanan untuk kekentalan. Koefisien tekanan untuk kekentalan untuk minyak pelumas yang memilikis 28

24 indeks viskositas rendah dan menengah lebih tinggi daripada untuk minyak pelumas dengan indeks viskositas tinggi. Persamaan kekentalan-tekanan Roeland merupakan persamaan alternatif untuk menentukan kekentalan minyak pelumas terhadap perubahan tekanan yang dinyatakan dengan: Dimana µ = kekentalan pada tekanan p(cp) µ 0 = kekentalan dalam tekanan atmosfer z = konstanta yang harganya bergantung pada jenis minyak pelumas Gambar. 2.4 Pengaruh Tekanan Terhadap, Persamaan Barus dan Persamaan Roeland[9] 29

25 Temperatur memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap kekentalan minyak pelumas. Pada temperatur rendah molekul-molekul pada cairan sangat rapat sekali satu sama lain; dengan kata lain volume bebas terbatas. Pada daerah ini tahanan cairan untuk mengalir (kekentalan) bergantung secara kritis pada ukuran, bentuk dan fleksibilitas dari molekul-molekul dan gaya tarik molekul-molekul tersebut. Pada temperatur tinggi volume bebas bertambah, kekentalan fluida turun dan ukuran, bentuk, molekul-molekul dan sebagainya tidak begitu penting. Persamaan Roeland, Blok dan Vlugter memberikan hubungan antara kekentalan minyak pelumas dengan temperatur, dinyatakan sebagai berikut: Dimana : µ = kekentalan (cp) t = temperatur ( 0 C) 30

26 Gambar 2.5 pengaruh tempratur terhadap minyak pelumas pada tekanan atmosfer.[2] 31

27 2.5.7 Istilah-istilah Pada Minyak Pelumas Istilah-istilah teknis tentang minyak pelumas sering dianggap remeh, padahal dengan mengatahui istilah-istilah yang ada pada pelumas, maka kita akan tahu persis baik tidaknya atau tepat tidaknya penggunaan suatu pelumas : 1. Viscosity; adalah kekentalan suatu minyak pelumas yang merupakan ukuran kecepatan bergerak atau daya tolak suatu pelumas untuk mengalir. Pada temperatur normal, pelumas dengan viscosity rendah akan cepat mengalir dibandingkan pelumas dengan viscosity tinggi. Biasanya untuk kondisi operasi yang ringan, pelumas dengan viscosity rendah yang diajurkan untuk digunakan, sedangkan pada kondisi operasi tinggi dianjurkan menggunakan pelumas dengan viscosity. 2. Viscosity Index (Indeks viskositas); merupakan kecepatan perubahan kekentalan suatu pelumas ddikarenakan adanay perubahan temperatur. Makin tinggi VI suatu pelumas, maka akan semakin kecil terjadinya perubahan kekentalan minyak pelumas meskinpun terjadi perubahan temperatur. Pelumas biasa dapat memiliki VI sekitar 100, sedang yang premium dapat mencapai 130, 3. Flash point; titik nyala suatu pelumas adalah menunjukkan temperatur kerja suatu pelumas dimana pada kondisi temperatur tsb akan dikeluarkan uap air yang cukup untuk membentuk campuran yang mudah terbakar dengan udara. 4. Fire point; adalah menunjukkan pada titik temperatur dimana pelumas akan dan terus menyala sekurang-kurangnya selama 5 detik bertujuan untuk nyalah api. 5. Pour point; merupakan titik tempratur dimana suatu pelumas akan berhenti 32

28 6. Aniline point; merupakan pentunjuk bahwa minyak pelumas tertentu sesuai sifat-sifatnya dengan sifat-sifat karet yang digunakan sebagai seal dan slang. Hal ini ditetapkan sebagai temperatur dimana volume yang sama atau seimbang dari minyak pelumas adan aniline dapat dicampur dengan temperatur tinggi. 7. Neutralisation Number or Acidity; merupakan ukuran dari alkali yang diperlukan untuk menetralisir suatu minyak Makin tinggi angka netralissasi maka akan semakin banyak asam yang ada. Minyak yang masih baru tidak mengandung asam bebas dan acidity numbernya dapat kurang atau sama dengan 0,1. Sedangkan pelumas bekas, akan mengandung acidity number yang lebih tinggi. 8.. Ash; Apabila pelumas habis terbakar maka akan terbentuk abu (ash) atau abu sulfat. Hal ini berhubungan dengan pengukuran kemurnian suatu pelumas. Karakteristik Pelumas. Kualitas pelumas yang baik tidak hanya didapatkan dengan cara proses pengolahan maupun pemurnian (purifikasi), tetapi perlu ditambahkan bahanbahan kimia tertentu yang lebih dikenal dengan aditif. Aditif yang ditambahkan ke dalam minyak pelumas bertujuan untuk memperbaiki kualitas minyak pelumas. Penambahan aditif dalam minyak pelumas ini berbeda-beda, disesuaikan dengan kondisi, temperatur, dan kerja dari mesin itu sendiri. Oleh karena itu jenis-jenis minyak pelumas berbeda-beda dapat kita temukan di pasaran. Penambahan aditif ke dalam minyak pelumas bukan perkara mudah karena minyak pelumas akan bereaksi dengan aditif tersebut, dan juga aditif tersebut akan mempengaruhi aditif lainnya.. Berikut ini adalah jenis-jenis aditif yang biasa digunakan: 33

29 Deterjen Merupakan aditif dalam bentuk ikatan kimia yang memberikan kemampuan mengurangi timbulnya deposit dari ruang bakar maupun dari bagian mesin lainnya. Minyak pelumas yang diberi aditif ini bekerja untuk mesin yang beroperasi pada temperatur tinggi. Jenis deterjen yang digunakan adalah sulfonat, fosfonat, dan fenat. Dispersan Aditif yang bekerja pada temperatur rendah yang berfungsi untuk menghalangi terbentuknya lumpur atau deposit di dalam ruang mesin. Aditif ini cocok digunakan pada mesin-mesin mobil kendaraan pribadi yang sering berhenti dan berjalan. Antioksidan Karena lingkungan kerja, minyak pelumas sering berhubungan (kontak) dengan udara luar pada temperatur dan kondisi kerja tinggi. Minyak pelumas juga kontak dengan logam atau bahan kimia yang bersifat sebagai katalisator oksidasi. Karena hal di atas, minyak pelumas akan mengalami sederetan reaksi oksidasi yang dapat menurunkan viskositas minyak pelumas. Untuk itu, antioksidan diberikan untuk mengurangi peroksida. Bahan-bahan kimia yang digunakan adalah sulfida, fosfit, disulfida, selenida dan zink ditiofosfat. 34

30 Pelindung Korosi Berfungsi untuk melindungi bahan-bahan non logam yang mudah terkena korosi dalam mesin, terutama bantalan yang perlu tahan terhadap kontaminasi asam dari minyak pelumas. Kontaminasi ini terjadi sebagai hasil oksidasi minyak pelumas dan hasil pembakaran bahan bakar yang merembes melalui cincin piston. 35

31 2.6 Bantalan Luncur dan Pelumasan pada Bantalan Luncur Bantalan Luncur Bantalan luncur (journal bearings) sangat luas penggunaannya pada mesin-mesin yang memiliki elemen berputar (rotating machines), seperti turbin uap, generator, blower, kompresor, motor bakar, poros kapal laut, bahkan sebagai bantalan pada elemen yang seharusnya menggunakan bantalan gelinding (rolling elements bearing). Hal tersebut karena bantalan luncur lebih baik dari bantalan gelinding (pada parameter yang dapat dianggap sama) dalam hal penyerapan getaran, tahanan terhadap gaya kejut, relatif tidak bising, dan umurnya lebih panjang. Semua karakteristik ini disebabkan oleh prinsip pelumasan bantalan luncur yang menggunakan lapisan tipis minyak pelumas saat menumpu poros,misalnya. Tentu saja hal tersebut tidak lepas dari teknik desain dan pemilihan material yang terus dikembangkan. Bantalan luncur termasuk dari jenis bantalan yang arah pembebanan normalnya pada arah radial atau lebih banyak mengarah tegak lurus pada garis sumbu poros. Maka bantalan luncur termasuk ke dalam jenis plain bearing atau kadang disebut dengan sliding bearing. Disebut bantalan luncur (dalam bahasa Indonesia) adalah karena adanya gesekan luncur dan gerakan luncuran (sliding) yang terjadi pada bantalan, akibat adanya lapisan fluida tipis diantara bantalan dan poros tersebut. Dapat juga dibandingkan seperti atlet selancar air yang berselancar/meluncur bebas diatas air, demikian juga dengan poros yang dapat meluncur dengan mudah pada bantalan luncur. 36

32 Dalam bahasa Inggris disebut journal bearings karena poros ditumpu oleh bantalan pada tempat/daerah yang dinamakan tap-poros atau leher-poros (neck), dan daerah leher-poros tersebut dinamakan journal. Gambar 2.15 Bantalan Luncur[10] Pelumasan hidrodinamis pada bantalan luncur Ada berbagai jenis bantalan luncur, dan bantalan-bantalan tersebut dapat dilumasi dengan minyak pelumas, gas bahkan dengan minyak gemuk. Namun tipe pelumasan yang paling efektif dan paling banyak digunakan adalah dengan minyak pelumas dengan tipe pelumasan hidrodinamis. Seperti yang telah dijelaskan diatas, teori pelumasan hidrodinamis ini berasal dari penelitian Beauchamp Tower, yang dianalisa oleh Osborne Reynolds. 37

33 2.6.3 Persamaan tekanan Sommerfeld untuk pelumasan hidrodinamis pada bantalan luncur Mekanisme pelumasan hidrodinamis pada bantalan luncur dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar 2.17 Mekanisme Pelumasan Hidrodinamis Pada Bantalan Luncur[10] Gambar 2.18 Distribusi Tekanan dan Geometri Bantalan Luncur[10] 38

34 2.7 Pengukuran/Pengujian Kekentalan Minyak Pelumasan Kekentalan fluida/minyak pelumas dapat diukur dengan berbagai metode dengan prinsip-prinsip yang berbeda. Pengujian minyak pelumas biasanya dilakukan pada temperatur yang konstan, misalnya C, 10 0 C, 28 0 C, 40 0 C, 50 0 C atau C. Alat untuk mengukur kekentalan minyak pelumas disebut dengan viskometer (viscometer) Viskometer Bola Jatuh Yang Memenuhi Hukum Stokes Menurut hukum Stokes, sebuah bola dengan jari-jari r yang bergerak dengan kecepatan rendah v di dalam fluida akan mengalami gaya gesekan yang melawan arah gerakannya akibat kekentalan fluida, dengan suhu dan tekanan konstan yang besarnya dirumuskan sebagai berikut: 39

35 Fv 6..r.v. (2.4) Dimana: Fv = gaya yang melawan gerakan (kg m/det) r = jari-jari bola (m) = kecepatan bola relatif (m/det) = kekentalan fluida (N det/m 2 ) Gambar 2.5 Viskometer bola jatuh yang memenuhi hukum Stokes[7] Dalam metode bola jatuh sebuah bola jatuh dijatuhkan ke dalam tabung transparan yang berisi fluida. Kecepatan bola jatuh mula-mula rendah, tetapi percepatan gravitasi menyebabkan kecepatan bertambah sehingga gaya Fv semakin besar. Gaya yang dialami bola adalah gaya gravitasi Fg (arahnya ke bawah), gaya apung Fb (arahnya ke atas), dan gaya gesekan Fv (arahnya ke atas). Pada suatu kecepatan tertentu akan terjadi keseimbangan: 40

36 Fg = Fb + Fv (2.5) Maka kecepatan bola tidak berubah lagi melainkan tetap pada nilai maksimum atau nilai akhir yang ditulis dengan kecepatan v. Gaya Fg dan Fb dapat ditulis sebagai fungsi jari-jari bola r, rapat massa bola b dan rapat massa fluida f : Fg = 4/3..r 3. b.g (2.6) Fb = 4/3..r 3. f.g (2.7) Fg = Fb + Fv 4/3..r 3. b.g = 4/3..r 3. f.g + Fv 6..r.v. Fv 6..r.v. = 4/3..r 3.( bf ).g (2.8) Maka diperoleh kekentalan dinamik minyak pelumas (fluida) yang diuji: 2r 2 9v ( b f ).g (2.9) dimana: = kekentalan dinamik (N det/m 2 ) r 2 = perbandingan kuadrat jari-jari v bola baja dengan kecepatan rata-rata (m/det) b = rapat massa bola baja (kg/m 3 ) f = rapat massa fluida (kg/m 3 ) g = gaya gravitasi = 9,81 (m/det 2 ) 41

37 2.7.2 Viskometer Bola Jatuh Menurut Hoeppler Gambar 2.6 Viskometer bola jatuh menurut Hoeppler[7] Viskometer bola jatuh menurut Hoeppler dapat dilihat pada gambar diatas. Salah satu keuntungan viskometer bola jatuh menurut Hoeppler dibandingkan dengan menurut hukum Stokes adalah peralatan yang relatif lebih kecil dan adanya kontrol temperatur, artinya pengukuran dapat dilakukan dengan temperatur yang bervariasi. Formula untuk pengukuran viskometer menurut Hoeppler adalah : K ( 1 2 ).t (2.10) Dimana: = kekentalan dinamik (cp) 1 = massa jenis bola uji (gram/cm 3 ) 2 = massa jenis fluida (gram/cm 3 ) K = Konstanta bola uji (mpa.s. cm 3 /gr.s) 42

38 2.7.3 Viskometer Rotasional Viskometer Rotasional (Rotational Cylindrical Viscometer) seperti pada gambar 2.2 terdiri dari dua silinder konsentris dengan fluida yang terdapat diantara keduanya. Silinder terluar diputar dan torsi diukur pada silinder yang terdapat di dalam. Jika: ri = jari-jari silinder bagian dalam ro a c = jari-jari silinder bagian luar = panjang tabung/silinder = radial clearence = kecepatan sudut Maka berdasarkan postulat Newton: f o A u (2.11) c Catatan: o merupakan konstanta proporsional, disebut juga kekentalan absolut ( ). Dimana: A = luas area, 2 r 0 l a u = kecepatan, r o. f o (2 r l o a ) r o (2.12) c Maka atorsi yang terjadi pada silinder bagian dalam adalah: t q fr i 2r 2 rl 0 0 i a c Didapat kekentalan dinamik/absolut: 43

39 0 t q c 2 r 2 r l 0 i a (2.13) Gambar 2.7 Viskometer Rotasional[7] Viskometer Pipa Kapiler Pengukuran kekentalan pada viscometer pipa kapiler (Capillary Viscometers) didasarkan pada pengukuran rata-rata aliran fluida melalui tabung berdiameter kecil/pipa kapiler. Ada banyak tipe/varian viscometer yang menggunakan prinsip aliran fluida melalui pipa kapiler, dan viscometer pipa kapiler merupakan viscometer yang memiliki varian yang paling banyak dibandingkan gengan tipe viscometer lain. Beberapa diantaranya dapat dilihat seperti pada gambar di bawah. 44

40 Gambar 2.8 Beberapa jenis tipe viscometer pipa kapiler Gambar 2.9 Penampang Pipa Kapiler[7] Secara umum perhitungan viskositas pada viskometer pipa kapiler: Berdasarkan aliran fluida pada pipa bundar: dp 8 0 q dx 4a 4 (2.14) 45

41 Jika 1 adalah tekanan masuk dari fluida dan l t adalah panjang pipa kapiler, maka: dp dx i t 8 0 q t i a 4 (2.15) Dimana i0 gh t dan h t adalah tinggi pipa kapiler dan 0 adalah rapat massa pada =0 dan temperatur konstan. Maka dapat dituliskan: 8 0 q t gh i a 4 (2.16) h 8 0 q t * A q a 4 0 g t k,o Dimana k, o 0 / 0 * 8 t adalah kekentalan kinematik pada p=0 dan temperatur 1 tetap, serta A = ga 4, dan mengingat q t, maka: k,0 * B * t (2.17) h t A q Dimana B * adalah konstanta dari fungsi alat uji tersebut Viskometer Cone and Plate Gambar 2.6 menunjukkan prinsip kerja viskometer Cone-and-Plate Viscometer. Sudut sangat kecil. Kecepatan permukaan pada kerucut (cone) pada jarijari r adalah u =.r. Ketebalan lapisan fluida adalah h = r tan r. Berdasarkan postulat Newton : 46

42 f 0 A u R r R 2 o 2 rdr o rdr, h r o o Maka torsi yang terjadi: t q Sehingga: 2 o R r 2 dr 2 o R o 3 2 o 3t q (2.18) 2 R 3 Gambar 2.10 Viskometer Ferranti-cone dan Plate Viscometers[7] 47

43 Gambar 2.11 Prinsip Kerja Cone and Plate Viscometer[7] Viskometer tipe lain Selain dari viscometer diatas, masih banyak lagi viscometer tipe lain, beberapa diantaranya dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 2.12 Stormer Viskometers[7] 48

44 Gambar 2.13 Saybolt Viscometers[7] Gambar 2.14 Mac Michael Viscometer[7] 49