Microsoft Word - BAB 08 Screws, Fasteners and connection _syarif_.doc

7-1

Gambar 8.1 Terminologi geometri ulir

distandardkan untuk menjamin sifat interchangeabity. Ada dua standard yang banyak diadopsi yaitu UNS (Unified National Standard) yang digunakan di Inggris, Canada dan Amerika serikat; dan Standard Internasional ISO yang digunakan kebanyakan negara

Eropa dan Asia. Secara umum terminologi geometri ulir ditunjukkan pada gambar 8.1.

Terminologi, klasifikasi dan Standard

Karena variasi jenis ulir (screw & thread) sangat banyak, maka perlu

8.2.

sepertinya adalah salah satu aspek perancangan elemen mesin yang paling sederhana. Tetapi dalam aplikasi di dunia nyata, keberhasilan dan kegagalan suatu peralatan sering sekali ditentukan oleh kesempurnaan pemilihan dan penggunaan sistem sambungan baut-mur. Penggunaan sambungan (baut-mur, rivet, dll) sangat banyak digunakan dalam dunia mechanical, sehingga bisnis desain dan manufaktur baut-mur ini sangat dominan, baik dari kuantitas maupun perputaran uang didalamnya. Sebagai contoh, sebuah pesawat Boeing 747 menggunakan 2,5 juta sambungan (fastener). Tipe dan jenis sambungan dalam dunia komersial sangat banyak variasinya. Dalam diktat ini, pembahasan akan dibatasi dalam design dan pemilihan sambungan konvensional menggunakan ulir, baut, mur dll.

Ulir dapat digunakan untuk (1) memegang/mengencangkan dua komponen atau lebih, dan (2) memindahkan beban/benda. Fungsi yang pertama sering disebut pengencang (fastener) dan yang kedua dikenal dengan nama ulir daya (power screw atau lead screw). Sebagai fastener, konstruksi ulir dapat menerima beban tensile, shear,

maupun keduanya.

Pendahuluan

Perancangan suatu peralatan atau mekanisme yang menggunakan baut-mur

8.1.

BAB VIII

PERANCANGAN ULIR DAYA DAN SAMBUNGAN BAUT

7-2

Berdasarkan ukuran dan kualitas, UNS mengklasifikasikan thread menjadi tiga tipe yaitu : coarse pitch (UNC), fine pitch (UNF), dan extra-fine pitch (UNEF). Sedangkan ISO mengklasifikasikan dua seri yaitu coarse dan fine thread. Tipe coarse adalah yang paling umum dan disarankan digunakan untuk keperluan ordinary dimana sambungan sering dilepas-pasang, atau dipasangkan dengan material yang lebih lunak. Tipe fine thread memiliki kualitas yang lebih tinggi dan lebih tahan terhadap loosening dari efek getaran. Sedangkan extra-fine thread digunakan untuk keperluan khusus seperti sambungan yang sangat tipis dimana diperlukan baut yang sangat kecil/ sangat pendek.

Berdasarkan toleransi ulir yang berpasangan, UNS mendefinisikan tiga fit kelas, yang diberi label kelas 1, kelas 2, dan kelas 3. Kelas 1 adalah ulir dengan toleransi yang paling rendah, dan digunakan untuk keperluan-keperluan biasa, pertukangan, rumah tangga, dll. Kelas dua memiliki kualitas yang lebih tinggi dan toleransi yang lebih ketat yang cocok digunakan pada mesin-mesin dan peralatan industri. Kelas 3 memiliki toleransi yang paling tinggi untuk keperluan-keperluan khusus. Semakin tinggi kelas, maka harganya juga semakin mahal. Kode A digunakan untuk ulir eksternal dan kode B

untuk ulir internal.

Gambar 8.2 (a) Single, (b) double dan (c) triple thread

pitch, p jarak antar ulir yang diukur paralel terhadap sumbu ulir. diameter, d - major diameter, minor diameter, dan pitch diameter.

lead, L - adalah jarak yang ditempuh baut dalam arah paralel sumbu, jika baut diputar satu putaran. Untuk ulir single thread, lead akan sama dengan pitch. Ulir juga dapat dibuat multiple thread. Untuk tipe double thread, maka lead akan sama dengan 2 kali pitch; triple thread akan memiliki lead sama dengan 3 kali pitch dan seterusnya.

Thread per inch, n menyatakan jumlah ulir per inchi, sering digunakan pada

standard UNS

Parameter-parameter utama ulir antara lain adalah :

7-3

- 20 UNC-2A

menyatakan diameter 0.25, jumlah ulir per inchi adalah 20 buah, tipe coarse, kelas 2 fit, dan external thread. Sedangkan contoh spesifikasi ISO :

M8x1.25

menyatakan ulir dengan diameter 8 mm dan pitch 1.25 mm, tipe coarse. Perlu dicatat bahwa semua standard, baik UNS maupun ISO menganut kaidah tangan kanan (right hand rule) kecuali diberikan spesifikasi secara khusus.

UNS dan ISO menggunakan metoda yang berbeda untuk penulisan spesifikasi

ulir. Spesifikasi UNS : diameter, pitch, dan kelas. Contoh spesifikasi UNS :

Gambar 8.4 Profil ulir daya

Gambar 8.3 Profil dasar ulir ISO tipe M

Profil geometri ulir sangat banyak variasinya. Gambar 8.3 menunjukkan contoh profil ulir ISO yang paling banyak digunakan untuk baut-mur, yaitu tipe M. Tipe yang juga banyak digunakan adalah tipe MJ dimana geometrinya mirip dengan tipe M, tetapi diberi fillet pada root-nya. Disamping itu, juga memiliki diameter minor yang relatif besar. Khusus untuk ulir daya (power screw), profil yang umum digunakan adalah tipe square,

tipe Acme dan tipe buttress seperti ditunjukkan pada gambar 8.4

7-4

Standard dimensi-dimensi utama ulir, diberikan dalam bentuk tabel. Tabel 8.1 dan 8.2

menunjukkan contoh dimensi-dimensi standard UNS dan ISO.

dengan d = diameter luar (major), N = jumlah ulir per inchi, dan p = picth dalam mm.

untuk ulir UNS

untuk ulir ISO

dr = d 1.299038/N ;

dr = d 1.226869p ;

dimana diameter pitch adalah

dp = d 0.649519/N

dp = d 0.649519p

2

4

A t =

+

d p d r

Tensile stress area

Jika ulir mendapat beban tarik maka luas penampang yang paling kritis adalah pada diameter minor (dr). Tetapi hasil pengujian menunjukkan bahwa kekuatan tarik batang berulir lebih tepat diwakili oleh diameter rata-rata antara diameter pitch dan diameter minor. Jadi luas penampang untuk perhitungan tegangan adalah :

2

Tabel 8.1 Dimensi utama ulir berdasarkan ISO

7-5

angular menjadi gerakan linear dan biasanya juga mentransmisikan daya. Secara khusus, ulir daya digunakan untuk :

untuk mendapatkan kelebihan mengangkat/menurunkan beban, seperti misalnya pada dongkrak mobil

untuk memberikan gaya tekan/tarik yang besar seperti misalnya pada kompaktor atau

mesin press

Mekanika Ulir Daya

Ulir daya (power screw) adalah perlatan yang berfungsi untuk mengubah gerakan

8.3.

Tabel 8.2 Dimensi utama ulir berdasarkan UNS

7-6

Gambar 8.5 (a) mekanisme ulir daya , (b) diagram benda bebas

d p

tan = L

dengan

dihitung

dapat

angle

lead

juga disebut

()

ulir

bidang

Parameter inklinasi

persamaan :

pasangan baut-mur ditunjukkan pada gambar (b).

screw. Diagram benda bebas

Gambar 8.5 (a) menunjukkan sebuah mekanisme ulir daya yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan beban P. Beban dapat dinaikkan dan diturunkan dengan

memutar nut (mur), jadi lama hal ini gerakan angular mur diubah menjadi gerakan linier

8.3.1. Analisis Gaya dan Torsi ulir daya

untuk positioning yang akurat seperti pada mikrometer atau pada lead screw mesin bubut.

Mengingat fungsi ulir daya, maka profil yang paling tepat dan banyak digunakan adalah profil square, Acme, dan buttress. Profil square memberikan efisiensi yang paling tinggi dan mampu mengeliminasi gaya dalam arah radial. Tetapi profil ini paling sulit dalam proses pembuatannya. Acme thread walaupun efisiensinya lebih rendah, namun lebih mudah dalam pembuatan, dan juga memiliki kekuatan yang lebih tinggi, sehingga profil ini paling banyak digunakan untuk ulir daya. Untuk aplikasi dimana arah beban adalah satu arah dan sangat besar, maka profil buttress lebih cocok digunakan karena

memiliki kekuatan paling tinggi pada akar ulir.

7-7

Gesekan pada collar juga memberikan kontribusi yang signifikan, maka perlu

ditambahkan. Torsi yang diperlukan untuk melawan gesekan pada collar adalah

2 (d p L)

Tsu

=

atau dalam parameter lead L,

Pd p (d p + L)

2 2 (cos sin )

su

T

(cos sin )

Sehingga torsi Ts yang diperlukan untuk mengangkat beban adalah

d p Pd p ( cos + sin )

= F =

dimana adalah koefisien gesekan antara screw dengan mur. Dengan menggabungkan

kedua persamaan di atas, maka besarnya gaya F yang diperlukan untuk mengangkat beban adalah

F = P ( cos + sin )

(cos sin )

Dengan menggunakan prinsip kesetimbangan gaya-gaya dalam arah x dan y maka didapatkan

Fx = 0 = F f cos N sin = F N cos N sin

F = N( cos + sin )

Fy = 0 = N cos f sin P = N cos N sin P

N = P

Gambar 8.6 Diagram benda bebas : (a) mengangkat beban, (b) menurunkan beban

Jika kita buka satu lilitan ulir dan dibuat menjadi garis lurus, maka akan hasilnya akan berbentuk seperti gambar 8.6 (a). Kotak menunjukkan potongan ulir dan gaya-gaya yang bekerja padanya pada saat menaikkan beban. Sedangkan gambar (b) menunjukkan

diagram benda bebas pada saat menurunkan beban.

7-8

p

d sd c

+ c

2 (d cos + L) 2

T = T + T

P d c

Pd p (d p L cos )

=

2

2 (d p cos L)

+ Tc =

= Tsu

Tu

+ c P c

d

Pd p (d p + L cos )

Dengan menggunakan metoda penurunan yang sama dengan sebelumnya, maka torsi

yang dibutuhkan untuk menaikkan dan menurunkan beban adalah :

Gambar 8.7 Diagram benda bebas ulir daya Acme

harus

Acme

Untuk profil Acme, maka ada komponen gaya tambahan yang diperhitungkan karena adanya sudut . Diagram benda bebas untuk profil ditunjukkan pada gambar 8.7.

p

d sd c

+ c

2 (d + L) 2

T = T + T

P d c

Pd p (d p L)

=

dapat

Dengan metoda yang sama, torsi yang diperlukan untuk menurunkan beban

diturunkan menjadi

p

u su c

+ c

2 (d L) 2

T = T + T

P d c

Pd p (d p + L)

=

dimana dc adalah diameter rata-rata collar dan c adalah koefisien gesekan pada collar.

Jadi torsi total yang diperlukan untuk menaikkan beban adalah

2

c c

T =

P d c

7-9

sedangkan untuk profil square dapat disederhanakan, dimana = 0. Dari persamaan di

atas terlihat bahwa efisiensi tergantung pada koefisien gesek dan lead angle. Gambar 8.7

menunjukkan grafik karakteristik efisiensi ulir daya dengan profil Acme.

1 + cot

d p d p + L cos

,

atau dalam lead angle =

=

1 tan

PL

d p cos L

efisiensi ulir daya profil Acme

maka

torsi

untuk

dengan mensubstitusikan persamaan

adalah :

Win

2T

=

Wout = PL

Jadi effisiensi adalah

= PL

Wout

Sedangkan kerja yang dihasilkan untuk satu putaran adalah perkalian beban dengan

perpindahan 1 lead :

= (2)T

Win

Efisiensi suatu sistem didefinisikan sebagai usaha yang dihasilkan dibagi dengan usaha yang dimasukkan. Kerja masukan ulir daya adalah hasil pekalian antara torsi dan

perpindahan angular (radian). Untuk satu putaran, maka kerja masukkan adalah

8.3.3. Efisiensi ulir daya

d p

atau

tan cos

Pada kondisi khusus, mekanisme ulir daya dapat mengunci sendiri tanpa harus diberikan torsi untuk menahan beban. Kondisi ini sering disebut dengan self locking. Hal ini sangat berguna dalam aplikasi, misalnya untuk dongkrak mobil. Torsi diberikan pada saat mengangkat beban, dan begitu posisi yang diinginkan tercapai, torsi dapat dilepaskan dan dongkrak akan mengunci sendiri. Untuk mendapatkan mekanisme self locking maka ada hubungan tertentu yang harus dipenuhi antara koefisien gesekan dan geometri ulir. Dengan men-set torsi sama dengan nol atau negatif untuk penurunan beban, maka kondisi self locking akan terjadi jika :

L cos

8.3.2. Self Locking

7-10

Tabel 8.3 Dimensi utama ulir ACME

Gambar 8.8 Karkateristik efisiensi ulir daya profil Acme

Gambar 8.9 Contoh soal ulir daya

7-11

= 0, 466 + 10, 24 = 9,77 Nm

2

2

(30) + 0,08 (8)

+

=

6, 4 (30) (0,08)(30) 8 6, 4 (0,08)(40)

2 dp + l 2

T

P d

+ c

Pd d l

= p p

Torsi yang dibutuhkan untuk menurunkan beban

= 15,94 + 10,24 = 26,18 Nm

2

2

(30) 0,08 (8)

+

=

2 dp l 2

6, 4 (30) 8 + (0,08)(30) 6, 4 (0,08)(40)

T

dr = d p = 32 4 = 28 mm

l = np = 2 (4) = 8 mm

Torsi yang dibutuhkan untuk mengangkat beban

Pd l + d P d

= p p + c

2

p

sama

adalah

square

jenis

ulir

Dari gambar 8.4a diketahui bahwa lebar dan tinggi dengan setengah pitch-nya atau sebesar 2 mm. Jadi

d = d p = 32 2 = 30 mm

Jawaban :

Efisiensi total

Torsi yang dibutuhkan untuk menurunkan beban

Torsi yang dibutuhkan untuk mengangkat beban

Kedalaman ulir, lebar ulir, diameter pitch dan rata-rata,

diameter minor, dan lead.

Mekanisme ulir daya digunakan untuk menaikkan dan menurunkan beban seperti ditunjukkan pada gambar. Ulir daya adalah tipe square dengan diameter mayor 32 mm, pitch 4 mm, dan berulir ganda. Beban yang bekerja adalah 6,4 kN per ulir. Diameter rata-rata colar adalah 40 mm, dengan koefisien

gesekan = c = 0,08. Tentukanlah :

Contoh Soal 1 :

7-12

Variasi mur (nut) juga sangat banyak variasinya untuk memenuhi berbagai fungsi khusus. Gambar 8.11 menunjukkan beberapa tipe mur standar. Washer adalah ring datar yang biasanya digunakan pada sambungan baut mur. Fungsinya adalah untuk memperluas bidang kontak antara mur dengan elemen yang disambung. Teknologi pembuatan atau manufacturing baut-mur saat ini umumnya dilakukan dengan proses machining, rolling,

dan head forming.

Gambar 8.10 Konstruksi sambungan baut (a) baut-mur, (b) sambungan cap-screw, (c)

sambungan stud.

menyambung dua elemen atau lebih. Threaded fastener atau sambungan baut menggunakan alat yang ber-ulir untuk menyambungkan dua elemen atau lebih. Kelebihan jenis sambungan ini adalah kemungkinan untuk melepas dan memasang kembali. Sehingga sambungan jenis ini sangat cocok untuk peralatan yang sering dilepas dan dipasang untuk keperluan perawatan atau penggantian komponen yang aus. Gambar

8.10 menunjukkan tiga buah tipe sambungan baut yang umum digunakan yaitu sambungan baut-mur, sambungan cap-screw, dan sambungan stud. Klasifikasi threaded fastener umumnya dilakukan berdasarkan konstruksi dan kegunaan, tipe ulir, dan jenis

kepala baut.

Threaded Fastener (Sambungan baut)

Fastener adalah alat yang digunakan untuk memegang, mengencangkan atau

8.4.

2T

= 0,311

=

e =

Pl

6, 4 (8)

2 (26,18)

Efisiensi total

7-13

Penggunaan baut-mur untuk struktur dan aplikasi beban yang besar, maka baut harus dipilih berdasarkan proof strength Sp seperti yang dispesifikasikan di SAE, ASTM, dan ISO. Standar-standar ini mengklasifikasikan grade baut berdasarkan material, heat treatment, dan proof strength minimum. Proof strength adalah tegangan dimana baut akan mulai mengalami permanent set. Nilainya sangat dekat dengan kekuatan yield material, tetapi lebih rendah. Grade atau kelas baut dapat dilihat dari tanda pada kepala bautnya. Tabel 8.4 dan 8.5 menunjukkan standard baut SAE dan ISO yang terbuat dari

baja.

Gambar 8.12 Standard baut kepala hexagonal

L T = 2D + 12

2D + 25

; L 125 D 48

; 125 L 200

; L > 200

dan untuk metrik (ISO), dalam mm :

2D + 6

2D + 0.5 in

L T =

; L 6 in

; L > 6 in

2D + 0.25 in

Standar geometri baut tipe kepala segi enam ditunjukkan pada gambar 8.12. Bagian yang akan mengalami konsentrasi tegangan adalah pada fillet kepala baut dan

pada titik awal ulir. Standard panjang bagian yang berulir berdasarkan UNS adalah

8.4.1. Standar dan Kekuatan Baut

Gambar 8.11 Tipe-tipe mur standard

7-14

Tabel 8.5 Spesifikasi baut baja menurut ISO (metrik)

Tabel 8.4 Spesifikasi baut baja menurut SAE

7-15

menjadi

L

uniaksial, k = = , maka kekakuan baut dapat dituliskan

AE

F

baut tertentu mungkin terdapat beberapa jenis

Recall defleksi batang yang mendapat beban

8.14. Untuk jenis

ukuran diameter.

Konstruksi sambungan baut dapat dianalogikan sebagai sistem pegas seperti ditunjukkan pada gambar 8.14. Baut dapat dipandang sebagai pegas tarik dengan kekakuan kb dan komponen yang disambung dapat dianalogikan sebagai pegas tekan dengan kekakuan kj. Baut yang terdiri dari bagian tanpa ulir dan bagian

berulir dapat dianggap sebagai pegas susunan seri, lihat gambar

Gambar 8.13 (a) Sambungan baut, (b)diagram benda bebas baut yang mendapat beban

tarik

Sebagai fastener, fungsi baut-mur adalah untuk mencekam komponen bersama, dimana beban yang bekerja akan menimbulkan tegangan tarik pada baut seperti ditunjukkan pada gambar 8.13. Dalam dunia praktis, pencekaman ditimbulkan oleh beban awal (preload) dengan mengencangkan baut. Pengencangan baut dapat dilakukan dengan memberikan torsi yang cukup sehingga menimbulkan beban tarik yang mendekati proof strength. Untuk sambungan yang mendapat beban statik, beban awal biasanya diberikan sampai 90% proof strength. Sedangkan untuk sambungan yang mendapat beban dinamik (fatigue) maka beban awal umumnya diberikan sampai 75% proof

strength.

8.4.2. Preload dan Faktor Kekakuan Sambungan Baut

Gambar 8.14

7-16

Volume efektif komponen yang dicekam dapat ditentukan dengan menghitung volume double cone shape barrel seperti ditunjukkan pada gambar 8.15 (a) dan (b). Jika material komponen yang dicekam jenisnya sama, maka dapat dibuat volume silinder yang ekivalen dengan volume frusta cone seperti ditunjukkan pada gambar (c). Jika material tidak sama maka konsep pegas seri harus digunakan dan parameter E masing-masing

material harus dimasukkan.

Menentukan nilai kekakuan sambungan jauh lebih sulit dan kompleks dibandingkan dengan kekakuan baut. Kesulitan terutama terletak pada penentuan luas efektif pencekaman, Am. Pendekatan umumnya dilakukan untuk menyederhanakan analisis. Berdasarkan analisis numerik dengan metoda elemen hingga diketahui bahwa distribusi tegangan pencekaman pada komponen yang signitfikan terjadi pada daerah berbentuk frusta cone seperti ditunjukkan pada gambar 8.15. Jika komponen yang

dicekam terbuat dari material yang sama, maka berharga sekitar 420. Nilai ini juga

masih belaku untuk tebal komponen yang dicekam tidak sama.

L

j

k =

A m E m

dimana L1 dan L2 adalah masing-masing tebal komponen yang disambung, Am luas efektif

material yang dicekam. Khusus jika material komponen yang dicekam sama maka

A m1E1 A m2 E 2

k j

1 = L1 + L 2

Kekakuan komponen yang disambung juga merupakan susunan seri. Kekakuan

totalnya adalah

dimana At adalah tensile stress area baut, dan Ab adalah luas penampang bagian yang

tidak berulir.

k b A t E b A b E b

1 = L t + L s

7-17

menunjukkan contoh kedua kelas gasket. Gasket umumnya terbuat dari material yang jauh lebih lunak dari komponen yang disambung. Tabel 8.5 menunjukkan modulus

elastisitas material gasket.

dua kelas yaitu (1) confined dan (2) unconfined. Gambar 8.16

dibedakan menjadi

Gasket adalah komponen yang sering digunakan pada sambungan baut untuk

mencegah kebocoran. Tipe dan jenis gasket sangat banyak, tetapi secara umum dadapat

Gasket

d 3 = d 2 + L tan

2d;

d2 =

jika tidak menggunakan washer

jika washer digunakan pada kepala baut&mur

1,5d;

dimana d adalah diameter baut, d2 dan d3 seperti ditunjukkan pada gambar :

2

4

4

eff

m

2 3

A = (d 2 d 2 )

+ d

d 2

2

d

Luas penampang efektif komponen yang mengalami kompresi adalah luas

penampang rata-rata frustum-cone barrel :

Gambar 8.15 Volume efektif pencekaman

7-18

dimana kg adalah kekakuan material gasket. Mengingat gasket terbuat dari material yang lunak maka modulus elastistasnya juga jauh lebih kecil (Eg