BAB I

SESI/PERKULIAHAN KE: 13

TIK : Pada akhir pertemuan ini mahasiswa diharapkan berkompetensi dalam:

1. Menjelaskan dan menganalisa gaya-gaya statis yang terjadi dalam suatu mesin.

Pokok Bahasan : Gaya statis dalam mesin

Deskripsi singkat: Dalam pertemuan ini mahasiswa akan mempelajari gaya-gaya statis yang bekerja pada bagian-bagian mesin dan akan lebih jelas setelah menganalisa pada suatu mekanisme tertentu seperti engkol peluncur, empat penghubung dan mesin ketam.

I. Bahan Bacaan

1. Martin H. George, Setiyobakti, 1992. Kinematika dan Dinamika Teknik, Penerbit Erlangga, Jakarta.

2. Holowenko A.R, Cendy Prapto, 1996. Dinamika Permesinan, Penerbit Erlangga, Jakarta.II. Bahan Bacaan Tambahan

1. Meriam J.L, Kraige L.G.,1995. Mekanika Teknik - Dinamika, Penerbit Erlangga, Jakarta.

III. Pertanyaan Kunci/Tugas:

1. Jelaskan gaya-gaya statis yang bekerja pada mekanisme engkol peluncur ?IV. Tugas

1. Dalam gambar berikut, diketahui P = 200 N. (a) Gambarkan mekanisme dengan ukuran setengahnya dan tentukan momen puntirnya dalam Nmm yang dilakukan oleh poros pada engkol di O. Skala untuk gaya 1 mm = 100 N. (b) Tentukan gaya-gaya yang dilakukan oleh 2 dan 4 terhadap kerangkanya yang diam.

BAB VIIIGAYA STATIS DALAM MESIN8.1 Pendahuluan

Gaya yang ada didalam mesin muncul dari berbagai sumber, ada yang muncul karena gaya tarik bumi (gravitasi), perakitan, beban yang diberikan dan tenaga yang dipindahkan, atau muncul karena gesekan, kelembaman, pegas, sodokan dan perubahan suhu. Semua gaya ini haruslah diperhatikan dalam perancangan akhir sebuah mesin sehingga bagian-bagian dari mesin akan dapat dibuat seimbang dan tidak terjadi kegagalan. Dalam bab ini akan dibahas pengaruh dari semua gaya ini kecuali pengaruh yang diakibatkan oleh perakitan, perubahan suhu dan sodokan, dan yang ditinjau disini adalah gaya-gaya statisnya saja.Tujuan yang ingin dicapai dalam bab ini adalah setelah mempelajari mata kuliah ini, mahasiswa memiliki kompetensi dalam menjelaskan dan menganalisa gaya-gaya statis yang terjadi dalam suatu mesin sehingga mampu mengikuti perkuliahan selanjutnya dengan mudah.

8.2 Pemindahan Gaya dalam Suatu MesinSebuah mesin dapat didefinisikan sebagai sebuah mekanisme yang dapat memindahkan gaya, dan gaya dalam mesin dapat dipindahkan melalui sistem rangkaian batang penghubung. Gaya yang dipindahkan dari satu batang penghubung ke batang penghubung yang lain adalah tegak lurus terhadap permukaan kontak, jika gesekan diabaikan. Sepasang mekanisme yang berputar digambarkan oleh sebuah bantalan luncur atau sambungan pena. Dalam gambar 8.1, tap atau pena terpasang pas dalam sebuah lubang suatu batang penghubung dimana gaya-gaya pada pena akan bekerja tegak lurus terhadap permukaannya, sehingga gaya resultannya F akan melalui titik pusat dari pena. Sedangkan dalam gambar 8.2, bantalan luncur secara berpasangan gaya-gaya yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan kontak, dan gaya resultan F bekerja melalui titik pusat dari bantalan.

Gambar 8.1

Sebuah torak atau peluncur mempunyai titik kontak yang meliputi suatu luasan seperti dalam gambar 8.2, dimisalkan P dan Q merupakan gaya-gaya yang bekerja pada sistem. Maka resultan gaya-gaya yang bekerja pada permukaan bagian bawah peluncur adalah F yang tegak lurus terhadap permukaan kontak dan harus melalui titik perpotongan gaya P dan Q.

Gambar 8.2

Gambar 8.3Pasangan-pasangan tersebut diatas (pasangan menggelinding dan pasangan meluncur) mempunyai titik kontak atau garis kontak. Sedangkan kontak menggelinding terdapat pada bantalan peluru atau bantalan rol (gambar 8.3) atau pada sebuah roda yang menggelinding di atas sebuah bidang yang ditunjukkan dalam gambar 8.4 (a). Pasangan menggelinding juga dapat terjadi antara sebuah lempengan nok dan sebuah torak (pengikut) yang mempunyai permukaan rata (gambar 8.4 (b)) dan antara gigi-gigi roda gigi lurus seperti ditunjukkan dalam gambar 8.5. Pada pasangan yang pertama kontak yang berupa titik atau berupa garis tidak akan ada, jika gayanya dipindahkan. Karena dengan gaya tersebut bagian-bagiannya akan berubah bentuk, dan bukannya kontak berupa sebuah titik atau garis akan tetapi berupa luasan yang sangat kecil, namun bisa dianggap sebagai sebuah titik.

Gambar 8.4

Gambar 8.5

Dalam gambar 8.5, jika gesekan gigi diabaikan, gaya yang dipindahkan antara roda-roda gigi akan sama dengan F. Gaya ini akan melalui titik jarak bagi dan mempunyai arah sepanjang garis tekanan, dimana ia merupakan garis normal sekutu dari gigi-gigi yang saling kontak. Ft dan Fr adalah komponen-komponen tangensial dan komponen radial dari gaya F. T2 adalah momen puntir penggerak yang dikenakan pada roda gigi 2 yang dilakukan oleh porosnya, dan T3 adalah momen puntir tahanan yang dikenakan pada roda gigi 3 oleh porosnya.

8.3 Mekanisme Engkol PeluncurPada gambar 8.6 menunjukkan sebuah mekanisme engkol peluncur dan sebuah gaya P dikenakan pada sebuah torak dan dianggap sebagai akibat dari tekanan gas. Untuk menjaganya terjadinya keseimbangan, sebuah momen atau momen puntir T2 haruslah dikenakan pada engkol 2 dan dilakukan oleh porosnya pada O2.

Gambar 8.6Prosedur yang akan dilakukan dalam menganalisa gaya-gaya statis untuk mekanisme diatas adalah sebagai berikut:

1. Menggambarkan diagram benda bebas dari tiap-tiap batang penghubung. Dalam beberapa contoh kita menganggap beberapa batang penghubung dikombinasikan sebagai sebuah benda bebas. Dalam suatu diagram benda bebas, benda-benda tersebut harus diisolasi, di mana semua gaya-gaya dan momen-momen luar yang bekerja pada benda tersebut harus digambarkan. Jika jumlah dari yang tidak diketahui tidak lebih dari tiga, persoalannya dapat diselesaikan dengan persamaan keseimbangan. Akan tetapi, jika ternyata yang tidak diketahui lebih dari tiga, maka sebelum persoalannya dapat diselesaikan informasi tambahan harus kita peroleh dari pertimbangan tentang keseimbangan batang penghubung lain. Pentingnya mengisolasi masing-masing bagian dan menggambarkan diagram benda bebasnya adalah supaya tidak ada hal-hal yang terlewatkan. Gambar 16-5(b) menunjukkan tiap bagian benda yang diisolasi dengan besaran gayagaya yang diketahui. Pada sebuah sambungan pena tidak mungkin ada momen yang bekerja. Jadi pada tiap ujung batang penghubung 3, yang ada hanya gaya saja. Jika sebuah benda ada dalam keadaan seimbang hanya oleh karena 2 buah gaya, gaya-gaya tersebut haruslah lama besarnya, berlawanan arah dan satu garis. Dalam mekanika benda tersebut dikenal sebagai bagian benda dengan dua buah gaya (two forces member). F23 menunjukkan gaya dari benda 2 terhadap benda 3, F43 adalah gaya dari benda 4 terhadap benda 3. Kita akan menggunakan suatu garis utuh tanpa arah panah untuk menunjukkan bahwa arah dari gaya diketahui sedang besarnya tidak diketahui. Apakah batang penghubung 3 dalam keadaan ditarik atau ditekan, dia tidak dapat ditentukan hanya dengan analisa dari batang penghubung 3 itu sendiri.

Gambar 8.7

2. Batang penghubung 4 mempunyai 3 gaya yang bekerja padanya. Gaya P diketahui besar dan arahnya, jadi dalam Gambar 8.7 ia ditunjukkan dengan garis utuh dengan arah panah. F34 adalah suatu gaya dari 3 yang bekerja pada 4, yang karena ia harus berlawanan dengan F43, maka arahnya diketahui. Akan tetapi besarnya tidak diketahui. Fr, adalah gaya dari batang penghubung 1 yang bekerja pada batang penghubung l. Arahnya tegak lurus terhadap permukaan, kontak dan tidak diketahui besarnya. Hanya ada dua besaran yang tidak diketahui dalam diagram benda bebas untuk batang penghubung 4. Mereka itu adalah besar dari F34 dan F14. Batang penghubung 2 mempunyai 4 besaran yang tidak diketahui: gaya F32 yang dilakukan oleh batang penghubung 3 terhadap batang penghubung 2 diketahui arahnya tetapi tidak diketahui besarnya, gaya F12 yang dilakukan oleh batang penghubung 1 pada batang penghubung 2, tidak diketahui besar dan arahnya dan momen T4 yang di lakukan pada engkol 2 oleh porosnya juga tidak diketahui. Sebuah garis bergelombang yang diletakkan pada O2 menunjukkan bahwa kita tidak mengetahui besar dan arah dari gaya F12, yang bekerja melalui titik ini. 3. Yang harus dianalisa lebih dahulu adalah batang penghubung 4 yang mempunyai dua besaran yang tidak diketahui dan dapat ditentukan dengan menggambarkan sebuah poligon gaya seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.8. Titik OF adalah sebuah titik yang diletakkan sedemikian sehingga dapat digunakan sebagai kutub dari poligon gaya, dan gaya P digambarkan dengan skala tertentu. Besar dari F34 dan F14 kemudian dapat diskalakan dari poligon tersebut. Supaya diingat bahwa F34 dan F14 harus mempunyai arah seperti ditunjukkan dalam gambar karena jumlah dari gaya-gaya yang bekerja pada benda 4 harus sama dengan nol untuk keadaan seimbang. Itu berarti jika vektor-vektor gaya yang ada ditambahkan mereka harus kembali ke kutub dari poligon gaya. Karena F34 yang didapatkan dari poligon gaya bekerja berarah ke kanan bawah, F43 harus berarah ke kiri atas. Jadi F23 bekerja ke kanan bawah dan dalam hal ini kita akan melihat bahwa batang penghubung 3 dalam keadaan mendapat tekanan.

Gambar 8.8

4. Dari Gambar 8.9, untuk membuat keseimbangan gaya pada batang penghubung 2 kita melihat bahwa F12 haruslah sama dan berlawanan arah dengan F32. Akan tetapi, dua buah gaya yang sama, berlawanan arah dan sejajar akan menghasilkan sebuah kopel yang akan hanya dapat dibuat seimbang oleh kopel lain. Kopel pengimbang T2 adalah sama dengan F32h, ia sjj dan merupakan momen puntir yang dilakukan poros terhadap engkol 2.

Gambar 8.98.4 Mekanisme Empat Batang PenghubungDalam mekanisme empat batang penghubung dalam Gambar 8.10 ditunjukkan dua buah gaya P dan Q yang bekerja padanya. Sebuah momen T2 harus dikenakan pada batang penghubung 2 untuk menjaga adanya keseimbangan. Umpamakan kita ingin menentukan gaya-gaya pada beberapa pena dan juga besar dari momen T2.

Gambar 8.10

Prosedur yang akan dilakukan dalam menganalisa gaya-gaya statis untuk mekanisme diatas adalah sebagai berikut:1. Pertama-tama yang akan kita lakukan adalah menggabungkan batang-batang penghubung 2, 3, 4 dan menganggapnya sebagai sebuah benda bebas. Di sini kita akan mempunyai lima besaran yang tidak diketahui: besar dan arah dari F12 besar dan arah dari F14, dan besar dari T2 . Mengingat hanya ada 3 persamaan keseimbangan maka kita tidak akan dapat memperoleh pemecahan.

Gambar 8.11

2. Kita dapat mengisolasi tiap batang penghubung sebagai benda bebas, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.11. Jika batang penghubung 2 kita perhatikan maka akan ada 5 besaran yang tidak diketahui, dan jika batang penghubung 3 yang kita perhatikan ada 4 besaran yang tidak diketahui. Jadi tiap batang penghubung tidak dapat dianalisa dari dirinya sendiri. Jika batang penghubung 3 dan 4 bersama-sama kita perhatikan hanya besaran yang tidak diketahui, karena Fa3 diketahui sama dan berlawanan arah dengan F34. Karena ada 6 persamaan keseimbangan, 3 untuk masing-masing batang penghubung, kita akan dapat memperoleh penyelesaian. Oleh karena itu kita harus memperhatikan batang-batang penghubung 3 dan 4 bersama-sama seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.12, di mana F34 dipecah menjadi komponen-komponen F34N4 dan F34T4, yang masing-masing sejajar dan tegak lurus terhadap O4C. Besar dari F34T4 ditentukan dari momen terhadap O4, yaitu:

Gambar 8.123. Pada batang penghubung 3 gaya-gaya reaksi pada C adalah sama dan berlawanan arah dengan C pada batang penghubung 4. Besar F43T4 diketahui karena besar F34T4 dapat ditentukan dari analisa batang penghubung 4. Selanjutnya, jika kita meneliti batang penghubung, kita akan melihat bahwa ada 3 besaran yang tidak diketahui: besar dan arah F23 dan besar dari F43T4. Besar dari F43T4 dapat ditentukan dari momen terhadap titik B.

Maka:

4. Perhatikan bahwa dalam persamaan momen dianggap F43N4 berarah ke kiri atas. Jadi jika hasilnya akan keluar positif, ia akan mempunyai arah seperti ditentukan semula. Jika hasilnya keluar negatif maka F43N4 berarah berlawanan dengan apa yang ditentukan semula dan itu berarti berarah ke kanan bawah. Selanjutnya poligon gaya untuk batang penghubung 3, Gambar 8.13 harus digambarkan untuk menentukan besar dan arah dari F23.

Gambar 8.13

5. Dalam Gambar 8.14, F32 haruslah sama dan berlawanan arah dengan F23 yang dapat ditentukan dari Gambar 8.13. Selanjutnya F12 haruslah sama dan berlawanan arah dengan F32. Dengan membuat momen-momen terhadap O2 kita akan memperoleh T2, momen puntir yang dilakukan oleh poros pada O2 pada batang penghubung 2 dan itu adalah: T2 = F23 h

Gambar 8.14

6. F14 diperoleh dari poligon gaya seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.15 untuk benda-benda 2, 3, 4 yang dikombinasikan sebagai sebuah benda bebas.

Gambar 8.15

8.5 Mekanisme Mesin Ketam/PenyerutDalam mesin ketam, Gambar 8.16, engkol 03B merupakan satu kesatuan dengan roda gigi 3, dan roda gigi 2 adalah sebagai penggeraknya. Dimisalkan kita ingin menentukan gaya F23 yang bekerja pada gigi-gigi dari roda gigi yang perlu untuk melawan gaya tahanan Q yang diketahui dan gaya-gaya reaksi O2, 03, dan O5 harus ditentukan pula. Kita dapat memulainya dengan memperhatikan peluncur 7 sebagai sebuah benda bebas, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.17. Arah dari F6, dan Fl7 diketahui dan sedang besarnya dapat ditentukan dari segibanyak gaya seperti ditunjukkan dalam gambar. Dalam Gambar 8.18, kita gambarkan suatu diagram benda bebas untuk batang penghubung 6. F76 sama dan berlawanan arah dengan F67, dan hal itu karena 6 adalah sebuah benda dengan dua buah gaya, F56 harus sama dan berlawanan arah dengan F76.

Gambar 8.16

Gambar 8.17

Gambar 8.18

Diagram benda bebas untuk batang penghubung 5 ditunjukkan dalam Gambar 8.19, di mana F65 adalah sama dan berlawanan arah dengan F56. F45 berarah tegaklurus terhadap batang penghubung 5 tetapi besarnya tidak diketahui. F15 tidak diketahui besar dan arahnya. Dari sebuah gambar berskala kita dapat menskalakan hargaharga dari b dan e. Kemudian dengan membuat momen terhadap O5 besar dari F45 dapat dihitung. Selanjutnya dari poligon gaya dalam Gambar 8.20 besar dan arah dari F15 dapat ditentukan. Diagram benda bebas untuk peluncur 4 ditunjukkan dalam Gambar 8.21, di mana F54 adalah sama dan berlawanan arah dengan F45. F34 haruslah sama dan berlawanan arah dengan F54.

Gambar 8.19

Gambar 8.20

Gambar 8.21

Diagram benda bebas untuk batang penghubung 3 terlihat dalam Gambar 8.22, di mana F43 sama dan berlawanan arah dengan F34, dan F13 tidak diketahui besar dan arahnya. Harga-harga dari lengan momen h dan jari-jari R dari lingkaran dasar dapat diskalakan dari sebuah gambar di mana a merupakan sudut tekanan. Dengan membuat momen terhadap 03 besar dari F23 dapat dihitung. Selanjutnya besar dan arah F13 dapat ditentukan dari sebuah poligon gaya seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.23. Akhirnya seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.24, F32 adalah sama dan berlawanan arah dengan F23, dan F12 sama dan berlawanan arah dengan F32, T2, adalah momen puntir yang dilakukan oleh poros pinion-pinion, sama dengan F32 x Rb2 dan sjj.

Gambar 8.22

Gambar 8.23

Gambar 8.248.6 Penutup

8.6.1 Rangkuman

Suatu gaya dalam mesin bisa muncul dari berbagai sumber baik karena gaya gravitasi, perakitan, beban yang dikenakan dan sebagainya, dan gaya tersebut dapat dipindahkan melalui berbagai pasang sambungan batang penghubung atau melalui batang-batang penghubung itu sendiri. Dalam melakukan analisa tentang gaya-gaya statis pada bagian-bagian dari mesin, gaya kelembaman (yang disebabkan oleh percepatan) umumnya diabaikan, begitu juga dengan gaya gravitasi karena lebih kecil dibandingkan dengan gaya statis lainnya.

Pasangan-pasangan menggelinding dan meluncur mempunyai titik kontak atau garis kontak, dan resultan gayanya akan selalu tegak lurus terhadap bidang kontaknya.

8.6.2 Soal-soal Latihan 1. Dalam rangkaian batang penghubung dalam gambar 8.25. Sebuah poros di O2 melakukan sebuah momen puntir sebesar 0,565 Nm sjj terhadap batang penghubung 2. Juga terdapat sebuah gaya sebesar 44,5 N yang bekerja vertikal ke bawah pada batang penghubung 3 yang terletak di tengah-tengah antara B dan C. Gambarkan mekanisme tersebut dalam ukuran penuh dan gunakan skala gaya 1 mm = 0,876 N. Tentukan momen puntir penahan yang dilakukan oleh poros pada O2 terhadap batang penghubung 4 dan tentukan gaya-gaya yang bekerja pada kerangka yang diam di O2 dan O4.

Gambar 8.252. Dalam mekanisme yang ditunjukkan dalam gambar 8.26, momen puntir dalm nok as adalah 113 Nm. Gambarkan mekanisme dalm ukuran penuh dan tentukan momen puntir penahan dalam poros dari torak (pengikut) dan gaya-gaya yang dilakukan oleh benda-benda 2 dan 4 terhadap kerangka yang diam di O2 dan O4, jika gesekan antara benda-benda 2 dan 4 diabaikan.

Gambar 8.26

PAGE 81

_1248262515.unknown

_1248262573.unknown

_1248262631.unknown

_1248261987.unknown