Pengetahuan Dasar Pegas (Spring)
Monday, April 10, 2017
Add Comment
Gambar 1. Shock Absorber
Pegas (spring) adalah perangkat fleksibel yang digunakan untuk menyimpan energi elastis dan melepaskannya ketika dibutuhkan. Gaya yang dihasilkan oleh Pegas bisa bersifat tekan (compressive) atau tarik (tensile) dan bisa juga linear atau radial. Pada kasus pegas spiral (helical torsion spring), pegas digunakan untuk mencekap sebuah tabung pada kedua ujungnya dan alat ini dinamakan shock absorber.
Beberapa jenis pegas diperlihatkan pada Tabel 1 dan karakteristik dari beberapa jenis pegas diperlihatkan pada Tabel 2.
Tabel 1. Klasifikasi Pegas
Gambar 4. Leaf spring
Pada dasarnya semua material bisa digunakan untuk membuat pegas. Adapun material yang ideal adalah material yang memiliki kekuatan yang sangat tinggi (high ultimate strength) dan memiliki yield point yang tinggi. Material yang akan digunakan untuk membuat pegas juga harus memiliki modulus elastisitas yang rendah untuk menyimpan energi maksimum. Ashby (1999) mengembangkan dua skema untuk memilih pegas sebagaimana terlihat pada Gambar 5 dan Gambar 6. Satu metode pemilihan pegas berdasarkan ukuran fisik dan satunya lagi berdasarkan berat. Garis yang disorot (highlighted) pada Gambar 5 mengilustrasikan pilihan terbaik untuk pegas dengan volume minimum. Material ini termasuk baja dengan kekuatan tinggi (high strength steels); glass-fiber reinforced plastic (GFRP), yang digunakan untuk pegas truk; titanium alloys; kaca, yang digunakan pada galvanometer; dan nylon, yang digunakan untuk beberapa mainan. Sebagian besar material yang digunakan untuk pegas adalah carbon steels, alloy steels, stainless steels, high nickel steels dan copper-based alloys.
Gambar 5. Materials for springs of minimum volume
Kebanyakan material pegas diproduksi berdasarkan spesifikasi American Society for Testing and Materials (ASTM), British Standards (BS), atau Deutsche Industrie Normen(DIN). Karakteristik dari beberapa material pegas diperlihatkan pada Tabel 3. Round wireadalah pilihan yang paling umum digunakan untuk material pegas. Diameter yang direkomendasikan diperlihatkan pada Tabel 4 walaupun setiap diameter bisa dibuat untuk pegas jika dibutuhkan.
Faktor penting ketika merancang pegas termasuk pemilihan material dan dimensi pegas supaya pegas tidak rusak disebabkan beban statis atau beban yang berfluktuasi dalam rentang waktu pakai yang diinginkan.
Semua material mengalami perubahan bentuk atau terdeformasi ketika menerima beban (load). Untuk pegas, model ini dinamakan spring rate. Untuk menghitung spring rate digunakan persamaan:
dimana
k adalah spring rate (N/m)
F adalah beban (N)
δ adalah defleksi (m)
Tabel 3. Properties of common spring materials
Spring rate juga dikenal sebagai spring constant atau spring scale. Spring rates bisa linear atau nonlinear. Pegas bisa digabungkan dengan pegas lainnya secara parallel sebagaimana terlihat pada Gambar 7 maupun digabungkan secara seri sebagaimana terlihat pada Gambar 8, atau bisa juga dikombinasikan antara seri dan parallel. Untuk pegas yang digabungkan secara parallel, spring rates bisa ditambahkan secara langsung,
Untuk pegas yang digabungkan secara seri,
Tabel 4. Diameter wire yang direkomendasikan untuk membuat pegas
Gambar 8. Springs in series
1. Helical compression springs
Jenis pegas yang paling populer adalah pegas spiral atau helical compression spring. Bentuk umum dari pegas spiral adalah memiliki diameter round ware yang konstan serta pitch yang konstan sebagaimana terlihat pada Gambar 9. Bentuk lain yang memungkinkan dari pegas spiral adalah variable pitch, barrel, hourglass dan conical helical compression springs sebagaimana terlihat pada Gambar 10. Di samping itu ada variasi lain dari jenis ulir spiral terlihat pada Gambar 11 yaitu variasi pada bagian ujung pegas spiral.
Gambar 9. A constant pitch helical compression spring
Gambar 10. Beberapa variasi lain dari pegas spiral
(a) Variable pitch, (b) Barrel, (c) Hourglass, (d) Conical
Gambar 11. Variasi dari pegas spiral
(a) Plain ends (b) Plain ground ends (c) Squared ends (d) Squared ground ends
Pegas sangat memungkinkan untuk rusak dikarenakan tegangan (stress) yang tinggi disebabkan beban statis atau beban dinamis. Dalam hal untuk menentukan geometri dari pegas untuk mencegah kerusakan, perhitungan tegangan yang dialami oleh pegas ketika menerima beban perlu untuk dilakukan.
Free Brody diagram untuk pegas spiral dengan beban F diilustrasikan pada Gambar 12. Ada dua jenis tegangan (stress) yang dialami oleh kumparan pada pegas spiral yaitu torsional shear stress yang disebabkan torsi dan direct shear stress yang disebabkan oleh gaya (force).
Gambar 12. Free body diagram for helical compression spring
dimana
τ_max adalah maksimum shear stres (N/m^2)
T adalah torsi (N m)
r adalah radius (m)
J adalah polar second moment of area (m^4)
J = πd^4/32 untuk solid circular cylinder
F adalah beban (N)
A adalah area (m^2)
d adalah diameter kawat (m)
D adalah diameter coil rata-rata (m)
Spring index didefinisikan sebagai
Nilai spring index yang direkomendasikan berkisar antara 4 hingga 12. Jika nilai spring index kecil dari 4 maka pegas sulit untuk dibuat atau dimanufaktur. Adapun jika nilai spring index berada di atas 12, pegas akan rentan terhadap tekukan. Jika pegas diletakkan pada sebuah lubang atau diposisikan di dalam sebuah poros dalam rangka mencegah tekukan maka gesekan antara pegas dengan penyangga tersebut akan mengurangi kinerja dari pegas tersebut.
Gambar 13. Dimensional parameters for helical compression springs
Beberapa faktor yang mempengaruhi kecenderungan sebuah pegas spiral untuk tertekuk adalah:
- Rasio free length (panjang pegas dalam keadaan bebas) dengan diameter rata-rata coil (Lf/D)
- Rasio defleksi pegas dengan free length (δ/Lf)
- Jenis penyangga (support) yang digunakan
Contoh soal
Sebuah pegas spiral (helical compression spring) dipasang pada sebuah lubang sebagai support dengan diameter 24 mm. Panjang pegas tersebut pada kondisi preload adalah 60 mm dengan beban 35 N. Ketika beban yang diterima pegas menjadi 50 N maka panjang pegas menjadi 48 mm. Aplikasi pada pegas ini termasuk kategori Low Cycling, dan total usia pakai yang dibutuhkan adalah 250.000 cycles. Temperatur maksimum operasi adalah 80 derajat Calcius.
Solusi
Tahap 1.
Memilih material pegas dan mengindentifikasi shear modulus of elasticity atau modulus of rigidity (G) dari material tersebut.
Pada contoh soal di atas material standar seperti ASTM A232 chromium vanadium steel wire disarankan sebagai material awal. Untuk chrome vanadium steel sebagaimana terlihat pada Tabel 3, nilai G adalah 79,3 GPa.
Tahap 2.
Mengidentifikasi operating force (Fo), operating length (Lo), installed force (Fi) dan installed length (Li)
Nilai operating force (Fo) pada contoh soal adalah 50 N dengan operating length (Lo), 48 mm. Installed force, (Fi), adalah 35 N dan installed length, (Li), adalah 60 mm.
Tahap 3.
Menentukan spring rate (k)
Tahap 4.
Menghitung free length
Tahap 5.
Menentukan estimasi awal untuk diameter rata-rata
Diameter rata-rata yang diusulkan adalah 18 mm, dimana pegas spriral tersebut akan ditempatkan di lubang dengan diameter 24 mm. Dengan diameter 18 mm maka memberikan ruang yang cukup bagi pegas spiral untuk tidak bergesekan dengan dinding lubang
Tahap 6.
Menentukan initial design stress. Estimasi yang bisa digunakan untuk menentukan initial design stress adalah Tabel 5 dan Gambar 15.
Design shear stress yang diusulkan adalah 0,45σ_uts. σ_uts untuk ASTM A232 chrome vanadium steel dengan asumsi diameter kawat (wire) adalah 2 mm sekitar 1700 MPa (lihat Gambar 15). Design shear stress akan menjadi 0,45×1700=765 MPa. Jika diameter dari kawat pegas berbeda maka design shear stress harus dihitung lagi.
Tahap 7.
Menghitung diameter kawat (wire), d, dengan menghitung kembali persamaan:
atau menggunakan persamaan
diasumsikan nilai Ks dan nilai Kw pada tahap ini belum diketahui. Nilai Kw = 1,2 secara umum cocok digunakan sebagai estimasi pada tahap ini.
Dari persamaan:
Jika mencari nilai d maka persamaan di atas menjadi
Tahap 8.
Berdasarkan nilai d yang diperoleh dari tahap 7, proses selanjutnya adalah memilih diameter kawat (wire) standar dari katalog produsen wire atau menggunakan Tabel 4.
Estimasi diameter kawat (wire) untuk pegas yang telah dihitung sebelumnya adalah 1,53 mm. Dengan melihat Tabel 4 atau dengan melihat katalog dari penyuplai pegas akan bisa ditentukan diameter wire yang mendekati diameter wire yang telah dihitung sebelumnya. Dalam hal ini berdasarkan Tabel 4, ukuran yang mendekati adalah 1,6 mm.
Tahap 9.
Menghitung spring index dan Wahl factor
Spring index dihitung dengan menggunakan persamaan:
Wahl factor dihitung dengan menggunakan persamaan:
Tahap 10.
Menghitung stress yang disebabkan gaya operasional dan dibandingkan dengan design stress menggunakan persamaan:
atau
Maximum shear stress:
Nilai design stress atau maximum allowable stress sebagaimana diperoleh pada tahap 6 adalah 765 × 10^6 Pa
Nilai maximum shear stress di atas lebih rendah dibandingkan maximum allowable stress sehingga pada tahap ini design pegas masih bisa diterima.
Tahap 11.
Menentukan jumlah kumparan aktif (active coil) dari pegas dengan menggunakan persamaan:
Tahap 12.
Menghitung solid length, force on the spring at the solid length, dan shear stress in the spring at the solid length. Setelah itu bandingkan nilai-nilai ini dengan nilai shear stressyang diizinkan dan lihat apakah aman. Jika nilai shear stress terlalu tinggi, ubah desain seperti diameter kawat (wire) atau material dan lakukan analisa ulang.
Menghitung solid length
Menghitung force at the solid length
Solid length shear stress bisa dihitung menggunakan persamaan
Nilai ini (1113 Mpa) lebih besar daripada maximum allowable stress yaitu 765 MPa yang mengindikasikan kerusakan (failure) mungkin terjadi. Hal ini juga mengindikasikan untuk mengubah satu atau beberapa parameter. Sebagai contoh pada permasalahan ini adalah dengan mengubah diameter kawat (wire).
Jika wire dengan d = 0,0018 m digunakan maka
Nilai ini secara signifikan lebih rendah dibandingkan allowable maximum shear stress, sehingga desain pada tahap ini bisa diterima.
Nilai ini di bawah maximum allowable stress dan menindikasikan desain ini bisa diterima.
Tahap 13.
Memeriksa apakah pegas akan mengalami tekukan (buckle)
Rasio free length terhadap diameter rata-rata coil adalah
Defleksi pada pegas pada operating force adalah 40 mm sehingga rasio defleksi terhadap free length adalah
Nilai 0,455 apabila dilihat pada Gambar 15 memperlihatkan pegas dengan ujung paralel (square dan ground end) memperlihatkan desain pegas yang stabil dan kemungkinan tidak mengalami tekukan (buckle).
Outer diameter dari pegas bisa dihitung dengan persamaan
Inner diameter dari pegas
Tahap 14.
Menentukan dimensi pegas
Spesifikasi pegas berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya adalah:
ASTM A232 chromium vanvadium steel wire helical compression spring
k = 1250 N/m
Lf = 0,088 m
Ls = 0,0293 m
Squared dan ground ends, 16,27 coils
d = 1,8 mm
D = 18 mm, Di = 16,2 mm, Do = 19,8 mm
Referensi:
mhasanalbana, Childs, Peter R.N, Mechanical Design Engineering Handbook., Elsevier, 2014.
0 Response to "Pengetahuan Dasar Pegas (Spring)"
Post a Comment