BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI Dalam perancangan alat pembuka ball bearing dengan memanfaatkan hidrolik jack (dongkrak hidrolik) ini diuraikan teori-teori dasar yang diperlukan dalam membantu proses perhitungan analisa, pengujian dan perancangan alat tersebut. 2.1 DASAR HIDROLIK Hidrolik adalah suatu ilmu pengetahuan tentang menyalurkan gaya dan atau gerakan pada media cairan dalam suatu bejana tertutup. Pada peralatan hidrolik, tenaga diteruskan dengan melakukan penekanan pada cairan dalam bejana tertutup. Pada gambar 2.1 menunjukkan peralatan hidrolik yang sederhana. Perpindahan energi terjadi karena sejumlah cairan mendapatkan tekanan. Gambar 2.1 Dasar Peralatan Hidrolik Sumber : Hydraulics Basics, Department of Army, USA, hal

2 2.1.1 Tekanan (p) dan Gaya (F) Tekanan adalah salah satu properti yang ada pada semua jenis fluida. Tekanan adalah gaya yang diberikan pada atau oleh fluida pada suatu permukaan luas tertentu (A), atau gaya per satuan luas, dan dinyatakan dalam N/m 2. Tekanan dapat menyebabkan ekspansi, atau suatu tahanan untuk berkompresi (pemampatan) pada suatu fluida, fluida dapat berupa cairan ataupun gas (uap). Hubungan antara Tekanan, Gaya dan Luas permukaan adalah: F p (2.1) A Dimana: p = tekanan (Pa) F = Gaya (N) A = Luas Permukaan (m 2 ) Satuan dasar dari tekanan (SI unit) adalah N/m 2 atau Pascal (Pa), ketika suatu fluida memberikan sebuah gaya sebesar 1 Newton pada suatu luas permukaan 1 m 2, maka tekanan yang terjadi adalah sama dengan 1 Pa = 1 N/m 2. Pascal adalah unit satuan tekanan terkecil, untuk berbagai aplikasi di instalasi tenaga, biasanya digunakan unit satuan yang lebih besar yaitu: 1 kilopascal (kpa) = 10 3 Pa, dan 1 megapascal (MPa) = 10 6 Pa = 10 3 kpa. 6

3 Gaya adalah segala sesuatu yang dapat mengakibatkan atau menghasilkan atau merubah gerakan (menarik atau mendorong) dan dinyatakan dalam Newton (N). Jika sebuah gaya diberikan pada suatu massa maka akan terjadi percepatan (atau perlambatan) seperti yang diberikan pada rumus terkenal berikut: F = ma (2.2) Dimana: F = Gaya (N) m = Massa Benda (kg) a = percepatan gravitasi (m/det 2 ) Satuan SI untuk gaya, Newton (N), tidak didefinisikan dari gravitasi bumi, tetapi langsung dari persamaan gaya di atas. Satu Newton didefinisikan sebagai gaya yang menghasilkan percepatan 1 m/s 2 bila di terapkan pada sebuah benda dengan massa 1 kg. Fluida berupa gas (uap) bersifat mudah dimampatkan atau dikompresikan, sedangkan fluida berupa cairan sulit untuk dimampatkan, seperti ditunjukkan pada gambar 2.2 berikut: 7

4 Gambar 2.2 Sifat Fluida Gas dan Cairan saat ditekan dalam ruang tertutup Sumber : Hydraulics Basics, Department of Army, USA, halaman 1-2 Jika cairan berada dalam ruang tertutup ditekan, maka cairan akan bertekanan. Tekanan ini akan diteruskan sama besar ke semua permukaan bejana. Sifat dari fluida memungkinkan menyalurkan tekanan tersebut melalui pipa-pipa, ke semua sudut-sudut, bagian atas dan bawah. Hidrolik sistem menggunakan cairan karena tidak mudah dimampatkan, sehingga akan bekerja secara langsung sepanjang sistem penuh dengan cairan. Tekanan dapat dihasilkan dengan mendorong suatu fluida dalam ruang tertutup, jika terdapat sebuah tahanan untuk mengalir. Dua cara untuk menekan fluida adalah dengan menggunakan pompa mekanik atau menggunakan berat dari fluida itu sendiri. 8

5 2.1.2 Hukum Pascal Blaise Pascal menformulasikan dasar hukum hidrolik pada pertengahan abad ke 17. Ia menemukan bahwa tekanan yang dikenakan pada fluida akan diteruskan sama besar ke segala arah. Hukum Pascal menyatakan bahwa: Tekanan yang diberikan zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Gambar 2.3 menunjukkan peralatan yang digunakan Pascal untuk membangun hukumnya. Alat ini terdiri dari 2 silinder dengan diameter yang berbeda yang saling terhubung dengan cairan yang berada diantara kedua silinder tersebut. Pascal menemukan bahwa berat pada piston yang kecil akan seimbang dengan berat pada piston yang besar sepanjang luas permukaan piston tersebut proporsional dengan beratnya. Jika silinder kecil dengan luas 10 cm 2 atau 0,001 m 2, diberikan gaya 10 N, maka akan menimbulkan tekanan sebesar Pa atau 10 kpa, sesuai dengan hukum Pascal, maka tekanan ini akan diteruskan kesegala arah. Pada silinder yang besar, tekanan Pa dari silinder kecil akan diteruskan ke luas permukaan sebesar 50 cm 2 atau 0,005 m 2, sehingga menghasilkan gaya sebesar 50 N pada piston kedua. Gaya yang dihasilkan lebih besar 5 kali, atau memiliki keuntungan mekanik 5 banding 1. 9

6 Gambar 2.3 Skematik Hukum Pascal Dengan menggunakan faktor-faktor yang sama di atas, kita dapat menentukan jarak perpindahan piston, jika piston yang lebih kecil bergerak turun sebanyak 10 cm, maka piston yang lebih besar akan naik 2 cm. Berikut persamaan untuk menentukan jarak perpindahan piston: Dimana: (2.3) F 1 = Gaya pada piston kecil (N) D 1 = Jarak perpindahan pada piston kecil (cm) D 2 = Jarak Perpindahan pada piston besar (cm) F 2 = Gaya pada piston besar (N) 10

7 Gambar 2.4 Skematik perpindahan jarak piston hidrolik 2.2 HIDROLIK JACK (DONGKRAK HIDROLIK) Hidrolik Jack adalah suatu alat yang menggunakan prinsip hidrolik atau hukum Pascal. Pada alat ini terdapat tempat penampung cairan (oli) dan sistem katup yang dipasang bersama dengan tangkai penekan hidrolik, untuk mendorong silinder kecil atau pompa secara terus menerus dan menaikkan piston yang besar atau aktuator secara bertahap pada setiap gerakan penekanan. Minyak atau oli sering dipakai sebagai cairan pada sistem hidrolik di karenakan memiliki sifat-sifat yang baik, yaitu tidak bersifat korosif dan bersifat lubrikasi terhadap material dan bagian-bagian bergerak di dalam sistem hidrolik. Pada gambar bagian (A) menggambarkan langkah masuk. Sebuah katup balik (check valve) pada saluran keluar menutup oleh tekanan dari beban, dan katup pada saluran masuk terbuka sehingga cairan dari tempat penampung oli mengisi ruang pemompaan. 11

8 Gambar bagian (B) menunjukkan saat pompa menekan ke bawah. Katup balik pada saluran masuk (inlet check valve) menutup karena tekanan dan katup balik pada saluran keluran (outlet check valve) terbuka. Untuk menaikkan piston yang besar harus dipompa cairan lebih banyak lagi. Untuk menurunkan beban, katup ketiga (needle valve) terbuka, yang membuka saluran untuk mengalirkan cairan dari bawah piston yang besar ke tempat penampungan oli. Beban pada piston yang besar akan mendorong piston ke bawah dan mengakibatkan cairan mengalir ke tempat penampung oli (reservoir). Gambar 2.5 Skematik Sistem Hidrolik Jack Sumber : Hydraulics Basics, Department of Army, USA, halaman ROLLING CONTACT BEARING Rolling contact bearing adalah salah satu jenis bearing dimana terdapat bola-bola besi (ball dan roller) yang terpasang pada suatu penahan (retainer), bola-bola besi tersebut akan berputar di antara cincin bagian luar (outer race) dan 12

9 cincin bagian dalam (inner race), sehingga gesekan yang terjadi rendah dibandingkan jenis sliding contact bearing, dan bearing jenis ini sering disebut antifriction bearings Jenis-jenis Rolling Contact Bearing Rolling Contact Bearing terbagi menjadi 2 jenis yaitu: a. Ball Bearing b. Roller Bearing Gambar 2.6 Jenis Rolling Contact Bearing Sumber : A Text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta,2 nd Edition hal. 997 Ball dan Roller bearing terdiri dari ring bagian dalam yang terpasang pada poros, dan ring bagian luar yang terpasang pada rumah bearing. Sejumlah ball dan roller terpasang dengan jarak tertentu, terikat pada retainer, sehingga tidak bersentuhan satu sama lain. Ball Bearing digunakan untuk beban-beban ringan, sedangkan roller bearing digunakan pada beban-beban poros yang lebih besar. Berdasarkan bagaimana beban ditangggung, rolling contact bearing terbagi menjadi 2 bagian, yaitu: 13

10 a. Radial Bearing b. Thrust Bearing Gambar 2.7 Jenis Rolling Contact Bearing berdasarkan Pembebanan Sumber : A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta,2 nd Edition, hal. 997 Pada Radial Ball Bearing, bola-bola besinya menanggung beban radial (W R ), arah normal putaran dari bola-bolanya menuju ke garis pusat dari bearing (seperti di gambarkan pada bagian (a), atau radial bearing menahan gaya tegak lurus terhadap sumbu poros. Thrust bearing didesain untuk menahan gaya aksial yang sejajar dengan sumbu poros. Gaya aksi dari beban thrust atau gaya aksial (W A ) sejajar dengan arah putaran bola, seperti pada gambar bagian (b). Beban radial dan aksial dapat terjadi dan ditanggung oleh bearing secara bersamaan Radial Ball Bearing Radial Ball Bearing terbagi menjadi 5 jenis (gambar 2.8 ), yaitu: a. Single row deep groove b. Filling Notch c. Angular Contact d. Double Row 14

11 e. Self-aligning Gambar 2.8 Jenis-Jenis Radial Ball Bearing Sumber : A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta, 2 nd edition hal Thrust Ball Bearing Thrust bearing dipakai secara khusus untuk menanggung beban-beban thrust (aksial) dan dipergunakan pada putaran di bawah 2000 rpm, pada putaran tinggi gaya sentrifugal dapat menyebabkan bola-bolanya keluar dari alurnya. Pada putaran tinggi direkomendasikan untuk menggunakan jenis bearing angular contact ball bearing menggantikan Thrust Ball Bearing. Thrust ball bearing terdiri dari 2 jenis, yaitu: a. Single direction thrust Ball bearing b. Double direction thrust Ball Bearing Gambar 2.9 Jenis Thrust Bearing Sumber : A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta,2 nd edition, hal

12 2.3.4 Roller Bearing Jenis-jenis roller bearing adalah : a. Cylindrical Roller Bearing b. Spherical Roller Bearing c. Needle Roller Bearing d. Tappered Roller Bearing Gambar 2.10 Roller Bearing Sumber: A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta, 2 nd edition hal Ukuran Standar dan Desain Ball Bearing Ukuran standar Ball Bearing secara internasional (ISO) digambarkan pada gambar Ukuran-ukuran ini adalah fungsi dari diameter lubang bearing (bearing bore) dan nomor seri dari ball bearing. Satuan ukuran standar ball bearing dalam millimeter. Tidak ada standar dalam ukuran dan jumlah dari bola-bola besinya. 16

13 Gambar 2.11 Ukuran dan Desain standar Ball Bearing Sumber : A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta, 2 nd edition hal 999 Ball bearing didesain dengan menggunakan identitas penomoran, secara umum penomoran terdiri dari sekurang-kurangnya 3 digit angka. Penambahan digit angka dan huruf biasanya digunakan untuk desain-desain khusus, misalnya deep grooved ball bearing, filling notch dan sebagainya. Tiga digit terakhir merupakan nomor seri dan ukuran lubang ball bearing. Dua angka terakhir dari 04 dan selanjutnya, jika dikalikan dengan angka 5 maka akan mendapatkan diameter lubang (bore diameter) dalam satuan millimeter. Angka ketiga dari angka terakhir merupakan nomor seri dari desain bearing. Pada umumnya ball bearing tersedia dalam empat seri desain yaitu: a. Beban sangat ringan (Extra Light) 100 b. Beban ringan (Light) 200 c. Beban menengah (Medium) 300 d. Beban berat (Heavy) 400 Catatan: 17

14 Jika Bearing didesain dengan nomor 305, artinya bearing tersebut dapat dikelompokkan bearing dengan beban menengah dan memiliki diameter lubang 05 x 5 = 25 mm. Bearing jenis extralight dan light digunakan pada beban-beban ringan dan ukuran poros cukup besar. Bearing jenis medium memiliki kapasitas beban lebih besar 30 sampai 40 persen di atas bearing jenis light. Bearing jenis heavy memiliki kapasitas 20 sampai 30 persen dari bearing medium. Tabel berikut adalah ukuran standar dari radial ball bearing. Tabel 2.1 Ukuran Standar dan Penomoran Radial Ball Bearing Bearing No. Bore (mm) Outside Diameter Width (mm)

15 Bearing No. Bore (mm) Outside Diameter Width (mm) Sumber : A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta, 2 nd edition hal 1000 & Sistem Pemasangan Rolling Bearing Rolling Bearing dibuat dengan toleransi yang kecil pada diameter bagian dalam (bore) dan bagian luar (outer), agar dapat terpasang dengan penekanan pada poros ataupun rumah bearing (bearing housing). Ring bagian dalam dan luar pada bearing harus terpasang kuat pada poros dan rumah bearing agar menjamin gerakan/gesekan berputar terjadi pada bagian yang seharusnya dari bearing. 19

16 Pemasangan dengan penekanan pada kedua ring (inner dan outer) dapat dilakukan pada proses membuka dan memasang yang sulit dalam beberapa kasus. Ring bagian dalam biasanya terpasang menempel pada tepi dari poros dengan diameter lebih besar (shaft shoulder). Katalog bearing menyediakan rekomendasi dari diameter tepi poros untuk dudukan inner ring ini. Gambar 2.12 menggambarkan beberapa jenis pemasangan bearing pada poros dan rumah bearing. Pada bagian (a) menggambarkan sistem pemasangan bearing pada poros dengan menggunakan sebuah mur dan ring pengunci. Produsen Bearing biasanya menyediakan mur dan ring khusus untuk memasang bearing mereka. Bagian (b) menggambarkan pemasangan bearing pada poros dengan menggunakan pengunci snap ring, yang secara aksial menjaga posisi ring bagian dalam bearing. Sedangkan pada bagian (c) menggambarkan bearing dijepit secara aksial pada rumah bearing oleh sebuah spacer sleeve, dimana spacer sleeve ini di pasang pada poros dan terkunci oleh flange dan bagian lainnya. Gambar 2.12 Metode Pemasangan Ball Bearing pada Poros dan Rumah Bearing. Sumber : Machine Design 3 rd edition, Robert L. Norton, halaman

17 Hal penting yang harus diperhatikan saat pemasangan ball bearing pada suatu poros atau rumah bearing, bagian-bagian yang berputar (ball, retainer, seal, ring) tidak menerima tekanan langsung pada saat pemasangan, yang dapat menyebabkan kerusakan pada ball bearing. Sebelum pemasangan harus diyakinkan kondisi permukaan dudukan bearing sudah bersih dan diberikan lapisan minyak pelumas. Penekanan dilakukan pada bagian cincin yang melekat pada poros atau rumah bearing, tergantung dari jenis pemasangannya. Gambar berikut menampilkan contoh-contoh penekanan pada proses pemasangan ball bearing. Untuk bearing-bearing yang kecil dapat dilakukan penekanan dan pengetukan dengan menggunakan alat bantu (palu, pipa, bushing), sedangkan pada bearing yang besar dapat dilakukan dengan penekanan menggunakan tekanan mekanis seperti hidrolik Jack. Gambar 2.13 Sistem Pemasangan Bearing dengan Penekanan. (a) Penekanan pada inner ring (b); Penekanan pada inner dan outer ring dengan menggunakan mur penekan; (c) Penekanan pada inner dan outer ring dan tidak mengenai bagian retainer dengan menggunakan alat bantu khusus. Sumber: SKF Bearing catalog, 3200 E,

18 2.4 POROS (SHAFT) Poros adalah salah satu dari elemen mesin yang berputar, yang berfungsi menyalurkan daya dari satu tempat ke tempat lainnya. Daya yang dihantarkan oleh poros dapat berupa gaya tangensial atau resultan dari torsi (momen putar) dan dipindahkan melalui berbagai jenis sambungan ke berbagai mesin yang terhubung oleh poros. Puli, roda gigi merupakan contoh jenis-jenis sambungan pada poros. Gambar 2.14 Poros Sebuah Pompa Material Poros Material yang digunakan untuk pembuatan poros harus memiliki properti sebagai berikut: a. Memiliki high strength (kekuatan yang tinggi) b. Mampu permesinan yang tinggi c. Low notch sensitivity faktor d. Memiliki properti untuk perlakuan panas. e. Tahan terhadap keausan. Material yang biasa di pakai untuk poros adalah baja karbon 40 C 8, 45 C 8, 50 C 4, dan 50 C

19 Sifat-sifat mekanik dari berbagai bahan untuk poros di atas di tunjukkan oleh tabel berikut: Tabel 2.2 Sifat-sifat Mekanik Bahan Poros. Sumber : A text Book of Machine Design, R.S Khurmi & J.K Gupta, 2 nd edition hal. 510 Untuk poros yang memerlukan high strength (kekuatan yang tinggi), material baja campuran dengan nikel atau nickel chromium atau chrome-vanadium sering digunakan. Poros umumnya dibuat dengan menggunakan metoda pengerolan panas (hot rolling) dan diselesaikan sampai dengan ukuran yang dikehendaki dengan pekerjaan dingin seperti pembubutan (turning) dan gerinda (grinding). Poros yang dibuat dengan pengerolan dingin lebih kuat dari pada poros yang dibuat dengan pengerolan panas, namun memiliki sisa stress (tegangan) material yang besar, Sisa stress dapat berubah saat poros dilakukan proses permesinan, khususnya saat pembuatan alur key (sepih). Poros dengan diameter yang besar biasanya dibuat dengan cara forging dan dibentuk ke ukuran yang dikehendaki dengan permesinan bubut Jenis-jenis Poros Poros secara umum terbagi menjadi 2 kelompok yaitu: a. Poros Transmisi (transmission shafts), poros ini menyalurkan tenaga dari mesin penyedia daya dan mesin yang memakai daya. Counter 23

20 shaft, line shafts, overhead shaft dan semua shaft buatan pabrik adalah poros transmisi. b. Poros Mesin, poros-poros ini merupakan bagian yang tidak terpisahkan dari mesin tersebut, misalnya spindle pada mesin bubut dan crankshaft Maksimum stress (tegangan) pada poros transmisi Sesuai dengan standar American Society of Mechanical Engineer (ASME) untuk desain poros transmisi, maksimum stress yang dijinkan akibat tarikan dan tekanan adalah: a. 112 MPa untuk poros tanpa alur key b. 84 MPa untuk poros dengan alur key 24