Makalah Helical Spring

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Pegas menjadi benda yang sudah biasa bagi kita. Dalam sehari-hari kita sering memanfaatkannya, baik untuk membantu memperingankan pekerjaan kita maupun diaplikasikan ke dalam konsep lain. Misalnya sepeda motor, seandainya tidak ada pegas yang akan menopang kita, maka kita tidak akan merasa nyaman dalam menaiki kendaraan sepeda motor tersebut ketika kita melewati jalanan yang tidak rata maupun berlubang. Penerapan pegas yang lainnya seperti terdapat pada standart sepeda, maka standart tidak akan kembali lagi ke posisi vertikal. Pada pembuatan sofa, springbed dan juga kursi yang berbahan ban bekas juga menggunakan pegas dan masih banyak lagi aplikasi pegas dalam kehidupan sehari-hari kita.

Ketika suatu pegas di tarik lalu kita lepaskan maka pegas akan kembali lagi ke bentuk dan posisi semula dan hal inilah yang dimaksud dengan gaya pegas. Pegas juga memiliki beberapa sifat yang unik, yaitu sifat elastis. Pegas merupakan suatu komponen mekanik yang berfungsi menyimpan energi potensial bila dikenai gaya atau beban dan melepaskan energi tersebut jika bebannya dihilangkan, memberikan gaya dengan nilai tertentu, meredam getaran dan beban kejut, seperti pada automobil maupun indikator/ kontrol beban dan mengembalikan komponen pada posisi semula.

Salah satu jenis pegas yang paling sederhana adalah pegas ulir atau coil spring atau helical spring. Helical springs merupakan kawat spiral yang memiliki bentuk meliuk seperti sebuah pegas, sekrup atau tangga spiral yang dirancang sedemikian rupa. Oleh karena itu, material pegas harus memiliki keelastisan tinggi dan diimbangi dengan ketangguhan yang tinggi, hal ini disebabkan pembebanan yang diterima oleh pegas tersebut. Jika pegas ditarik, maka pegas berusaha menarik. Jika pegas kita tekan, maka pegas akan balik menekan. Pegas ulir bisa menerima gaya tarik atau tekan. Beberapa jenis pegas dirancang untuk menerima gaya dalam satu arah saja. Dengan demikian penulis tertarik untuk membahas lebih dalam mengenai helical spring atau pegas helikal.

B.     Tujuan Penulisan

1.      Tujuan Umum

Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini agar mahasiswa/i mengetahui dan memahami mengenai helical spring.

2.      Tujuan Khusus

Adapun tujuan khusus dari penyusunan makalah ini antara lain agar mahasiswa/i:

a.       Mengetahui dan memahami mengenai pengertian Pegas

b.      Mengetahui dan memahami mengenai pengertian Pegas ulir atau helical spring

c.       Mengetahui dan memahami karakteristik helical spring

d.      Mengetahui dan memahami Pemilihan spek pada helical spring

e.       Mengetahui dan memahami aplikasi helical spring

f.       Menjabarkan problem solving

C.    Metode Penulisan

Metode penulisan yang digunakan dalam penyusunan makalah ini antara lain dengan menggunakan pendekanan deskriptif yaitu dengan menjabarkan isi makalah yang diambil dari berbagai literatur yang ada.

D.    Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan dlam penulisan makalah ini terdiri atas tiga BAB, yaitu Pendahuluan, Tinjauan teori dan Penutup. BAB Pendahuluan terdiri atas latar belakang, tujuan penulisan, metode penulisan dan sistematika penulisan. BAB Tinjauan Teori terdiri atas pengertian pegas dansra helikal spring, karakteristik, pemilihan spek, aplikasi dan problem solving. Sedangkan BAB Penutup terdiri atas kesimpulan dan saran.

BAB II

TINJAUAN TEORI

A.    PEGAS

1.      Pengertian Pegas

Pegas merupakan elemen mesin yang pada umumnya berfungsi melunakkan tumbukan dengan memanfaatkan sifat elastisitas bahannya, menyerap dan menyimpan energi dalam waktu singkat dan mengeluarkan lagi dalam jangka waktu yang lebih panjang, serta mengurangi getaran.

Pegas adalah benda elastis yang digunakan untuk menyimpan energi mekanis. Pegas biasanya terbuat dari baja. Pegas juga ditemukan di sistem suspensi mobil. Pada mobil, pegas memiliki fungsi menyerap kejut dari jalan dan getaran roda agar tidak diteruskan ke bodi kendaraan secara langsung. Selain itu, pegas juga berguna untuk menambah daya cengkeram ban terhadap permukaan jalan.

Energi disimpan pada benda padat dalam bentuk twist, stretch, atau kompresi. Energi di-recover dari sifat elastis material yang telah terdistorsi. Pegas haruslah memiliki kemampuan untuk mengalami defleksi elastis yang besar. Beban yang bekerja pada pegas dapat berbentuk gaya tarik, gaya tekan,  atau torsi (twist force).

Pegas  umumnya beroperasi dengan ‘high working stresses’ dan  beban yang bervariasi secara terus menerus. Beberapa contoh spesifik aplikasi pegas adalah :

a.       Untuk  menyimpan  dan  mengembalikan  energi  potensial, seperti  misalnya pada ‘gun recoil mechanism’.

b.      Untuk memberikan gaya dengan nilai tertentu, seperti misalnya pada relief valve.

c.       Untuk meredam getaran dan beban kejut, seperti pada automobil.

d.      Untuk indikator/kontrol beban, contohnya pada timbangan.

e.       Untuk mengembalikan komponen pada posisi semula, contonya pada ‘brake pedal’

2.      Klasifikasi Pegas

Pegas dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis fungsi dan beban yang bekerja yaitu pegas tarik, pegas tekan, pegas torsi, dan pegas penyimpan energi. Tetapi klasifikasi yang lebih umum adalah diberdasarkan bentuk fisiknya.

Klasifikasi berdasarkan bentuk fisik adalah:

a.       Wire form  spring  (helical  compression,  helical  tension,  helical  torsion,  custom form).

b.      Spring washers (curved, wave, finger, belleville).

c.       Flat spring (cantilever, simply supported beam).

d.      Flat wound spring (motor spring, volute, constant force spring).

Pegas dapat digolongkan atas dasar jenis beban yang dapat diterimanya yaitu :

a.       Pegas Tekan

b.      Pegas Tarik

c.       Pegas Puntir

Sedangkan jika dipandang dari segi bentuk, maka pegas dapat dibedakan menjadi lima bagian, yaitu :

a.       Pegas Volut

b.      Pegas Daun

c.       Pegas Piring

d.      Pegas Cincin

e.       Pegas Batang PuntirPegas Spiral atau Pegas jam

Types of springs atau Pegas:

a.       Helical springs

b.      Conical and volute springs

c.       Torsion springs

d.      Laminated or leaf springs

e.       Disc or bellevile springs

Pegas helix tarik perlu memiliki pengait (hook) pada setiap ujungnya sebagai tempat untuk pemasangan beban. Bagian hook akan mengalami  tegangan yang relatif lebih besar dibandingkan bagian coil, sehingga kegagalan umumnya terjadi pada bagian ini. Kegagalan pada bagian hook ini  sangat berbahaya karena segala sesuatu yang ditahan pegas akan terlepas. Salah satu metoda untuk mengatasi kegagalan hook adalah dengan menggunakan  pegas tekan untuk menahan beban tarik seperti ditunjukkan pada gambar.  Pegas  wire  form  juga  dapat  untuk  memberikan/ menahan  beban  torsi seperti pada gambar (d). Pegas tipe ini banyak digunakan pada mekanisme ‘garage door counter balance’, alat penangkap tikus, dan lain-lain.

Spring washer dapat memiliki bentuk yang sangat bervariasi, tetapi lima tipe yang banyak digunakan ditunjukkan pada gambar 2(a). Spring washer hanya mampu menyediakan  beban tekan aksial. Pegas jenis ini memiliki defleksi yang relatif kecil, dan mampu  memberikan  beban  yang  ringan.  Volute  spring,  seperti  pada  gambar  mampu memberikan beban tekan tetapi ada gesekan dan histerisis yang cukup signifikan.

Beam  spring  dapat  memiliki   bentuk  yang  bevariasi,   dengan   menggunakan   prinsip kantilever  atau  simply  supported.  Spring  rate  dapat  dikontrol  dari  bentuk  dan  panjang beam. Pegas beam mampu memberikan  atau menahan beban yang relatif besar, tetapi dengan defleksi yang terbatas.

if"; font-size: 12.0pt; line-height: 150%;">Power spring ;Times New Roman","serif"; font-size: 12.0pt; line-height: 150%;">seperti ditunjukkan pcing: .05pt;">ada gambar sering juga disebut pegas motorr-spacing: 2.4pt;"> atau clock spring. Fungsi utamanya  adalah menyimpan  energi dan menyediakan twist. Contoh aplikasinya adalah pada windup clock, mainan anak-anak. Tipe yang kedua disebut dengan constant force spring. Kelebihan pegas ini adalah defleksinya atau stroke yang sangat besar dengan gaya tarik yang hampir konstan.

A.    HELICAL SPRING

1.      Pengertian Helical Spring

Heliks dari kata Yunani Greek έλικας/έλιξ, adalah bentuk meliuk seperti sebuah pegas, sekrup atau tangga spiral. Sedangkan pegas helical adalah kawat spiral luka dengan diameter kumparan konstan dan lapangan seragam.

1. 2 Karakteristik Helical Spring

Pada saat pemegasan, batang pegas koil menerimabeban puntir dan lengkung.

Sifat-sifat helic spring:

a.       Langkah pemegasan panjang

b.      Tidak dapat meredam getaran sendiri

c.       Tidak dapat menerima gaya horizontal (perlu lengan-lengan)

d.      Energi beban yang diabsorbsi lebih besar daripada pegas daun

e.       Dapat dibuat pegas lembut

2.      Klasifikasi Helical Spring

a.      Pegas Helik Tekan

Pegas helix tekan yang paling umum adalah pegas kawat dengan penampang bulat, diameter coil konstan, dan picth yang konstan. Geometri utama pegas helix adalah diameter kawat d, diameter rata-rata coil D, panjang pegas bebas Lf, jumlah lilitan Nt, dan pitch p. Pitch adalah jarak yang diukur dalam arah sumbu coil dari posisi center sebuah lilitan ke posisi center lilitan berikutnya. Indeks pegas C, yang menyatakan ukuran kerampingan pegas didefinisikan sebagai perbandingan antara diameter lilitan dengan diameter kawat.

C = D / d

Index pegas biasanya berkisar antara 3 ÷ 12. Jika C < 3, maka pegas sulit dibuat, sedangkan jika C> 12, maka pegas mudah mengalami buckling. Untuk memvisualisasikan bentuk pegas helix, dapat dimulai dengan sebuah kawat lurus dengan panjang l dan diameter kawat d seperti ditunjukkan pada gambar (b). Pada masing-masing ujung kawat dipasang lengan dengan panjang R = D/2, dimana gaya P bekerja. Gaya P akan menimbulkan momen torsi di sepanjang batang kawat sebesar

T = PR

Jika kawat sepanjang l tadi dibuat menjadi bentuk helix dengan N lilitan, dengan radius lilitan R, maka akan terjadi kondisi setimbang seperti ditunjukkan pada gambar (c). Pada penampang kawat sekarang bekerja momen torsi dan gaya geser seperti ditunjukkan pada gambar (d).

Tegangan pada Pegas

Tegangan pada kawat lurus pada gambar (b) adalah tegangan geser torsi, sedangkan pada penampang kawat sudah dibentuk helix akan terjadi tegangan geser akibat beban torsi dan tegangan geser akibat gaya geser. Tegangan torsi maksimum pada penampang pegas adalah

τ_t,max = Tc  =  8PD

              J       πd³

Dimana:

T = torsi

c = radius terluar kawat

J = momen inersia polar = πd4 / 32

Tegangan geser akibat gaya geser dapat dihitung dengan persamaan:

Τ_v,max = P  = 4P

             A     πd²

Tegangan maksimum yang terjadi pada penampang kawat adalah merupakan kombinasi antara tegangan geser torsional dan tegangan geser transversal. Sehingga tegangan total maksimum adalah

           

dimana Ks = (C + 0,5)/C adalah faktor geser transversal.

Timbulnya konsentrasi tegangan pada sisi dalam coil karena bentuk kawat yang melengkung juga perlu dipertimbangkan. Berdasarkan penelitian A.M. Whal, didapatkan faktor koreksi Kw untuk menggantikan Ks yaitu :

Kw = 4C-1 + 0,615

         4C-4      C

Sehingga tegangan maksimum yang terjadi pada pegas, jika pengaruh gaya geser dan efek konsentrasi tegangan diperhitungkan adalah

τ_max = 8K_wPD

        πd³

Distribusi tegangan geser pada penampang kawat ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Defleksi Pegas

Ada dua pendekatan yang dapat digunakan untuk menentukan defleksi pegas helix yaitu dari pembebanan torsi dan dengan menggunakan teori Castigliano. Regangan geser akibat beban torsi pada kawat lurus adalah

g = rq =  defleksi

       l      panjang

Jadi defleksi pegas akibat beban torsi adalah

dt = rq = D q =   D     TL   =    D      (D/2) P (2p) (D/2) Na    = 8 PC³ Na               

              2          2      GJ        2           G (p d⁴ /32)                     Gd

Defleksi sudut karena pembebanan torsional dan transversal dapat diturunkan dengan menggunakan teori Castigliano. Total energi regangan akibat torsi dan gaya geser adalah

U= T²L + P²L = 4P²D³Na + 2P²DNa

      2GJ   2AG     Gd⁴           Gd²

Defleksi adalah merupakan turunan pertama terhadap beban, sehingga dapat dihitung sebagai berikut

d = ¶u = 8PD³Na  + 4PDNa = 8 PC³Na   1+0,5

      ¶p      Gd⁴            Gd²            Gd            C²

Spring rate

Spring rate yang didefinisikan sebagai slope dari kurva gaya-defleksi sekarang dapat dihitung. Untuk kurva gaya defleksi yang linier maka spring rate untuk pegas helix tekan adalah

K_t = P  =   Gd     =          Gd          

      d_t     8C³N_a     8C³N_a (1+ 0,5/C²)

Persamaan pertama hanya berlaku untuk geser torsional, sedangkan rumus kedua berlaku untuk beban torsi dan gaya geser melintang.

Spring rate total untuk n buah pegas yang disusun secara paralel adalah

K_total   = k₁ +  k₂ +  k₃  + ........ k_n

Sedangkan untuk pegas yang disusun secara seri, total spring ratenya adalah

 1           1      1      1               1

K_total   = k₁ +  k₂ +  k₃  + ........ k_n

Kondisi Ujung dan Panjang Pegas

Ujung lilitan dapat menimbulkan beban yang eksentris, sehingga dapat meningkatkan tegangan pada satu sisi pegas. Empat tipe ujung lilitan yang umum digunakan ditunjukkan pada gambar. Ujung ‘plain’ dihasilkan dengan memotong kawat dan membiarkannya memiliki pitch yang sama dengan keseluruhan pegas. Tipe ini paling murah, tapi alignment-nya sangat sulit dan efek eksentrisitasnya tinggi. Tipe plain ground adalah ujung plain yang digerinda sampai permukaan ujung pegas tegak lurus terhadap sumbu pegas. Hal ini akan memudahkan aplikasi beban pada pegas. Ujung pegas tipe squared atau tertutup didapat dengan mengubah sudut lilitan menjadi 0⁰. Performansi aplikasi beban dan alignment akan lebih baik lagi jika ujungnya digerinda yang ditunjukkan pada gambar. Tipe ini memerlukan biaya paling mahal, tetapi ini adalah bentuk yang direkomendasikan untuk kompenen mesin kecuali diameter kawat sangat kecil (< 0,02 in atau < 0,5 mm).

ft: 1em; margin-right: 1em;">

Panjang Pegas dan Jumlah Lilitan

Jumlah total lilitan belum tentu secara akurat berkontribusi terhadap defleksi pegas. Hal ini dipengaruhi oleh bentuk ujung lilitan. Penggerindaan ujung lilitan akan mengurangi 1lilitan aktif, sedangkan bentuk squared mengurangi 2 lilitan aktif. Panjang pegas helix tekan dibedakan menjadi 4 buah seperti ditujukkan pada gambar. Panjang bebas Lf adalah panjang pegas sebelum dibebani. Panjang terpasang Li adalah panjang pegas setelah dipasang dan mendapat beban awal. Panjang operasi minimum L0 adalah panjang terkecil pada saat pegas beroperasi. Panjang padat Ls adalah panjang pegas dimana semua lilitan sudah saling berkontak. Persamaan untuk menghitung panjang pegas untuk berbagai kondisi ujung pegas dicantumkan pada tabel.

Panjang bebas pegas helix tekan adalah penjumlahan defleksi solid dengan panjang solid, lf=ls+δs.

a.      Pegas Helix Tarik

Untuk mengaplikasikan beban pada pegas tarik diperlukan konstruksi khusus pada ujung pegas berupa hook (kait) atau loop. Dimensi utama pegas tarik beserta dimensi hook, ditunjukkan pada gambar. Bentuk standar hook didapatkan dengan menekuk lilitan terakhir sebesar 90⁰ terhadap badan lilitan. Mengingat bentuk hook, adanya konsentrasi tegangan biasanya membuat hook atau loop mengalami tegangan yang lebih besar dibandingkan tegangan pada lilitan. Karena itu, dalam perancangan pegas, faktor konsentrasi tegangan perlu diminumkan dengan menghindari bentuk tekukan yang terlalu tajam, seperti misalnya dengan membuat radius r2 sebesar mungkin.

Lilitan Aktif

Semua lilitan dalam pegas adalah termasuk lilitan aktif, tetapi satu lilitan biasanya ditambahkan pada lilitan aktif untuk menentukan panjang pegas Lb.

a.      Pegas Helix Torsional

Pegas helix bisa dibebani secara torsional, baik tekan maupun tarik. Ujungnya diperpanjang pada arah tangensial untuk menahan beban momen. Ujung pegas jenis ini mempunyai berbagai macam bentuk, tergantung penggunaannya. Kebanyakan coilnya rapat seperti pegas tarik, tanpa adanya initial tension, tetapi kadang juga renggang seperti pegas tekan untuk menghindari adanya gesekan. Momen yang bekerja menyebabkan kawat menderita beban bending. Untukmenggunakan pegas jenis ini, momen yang bekerja harus disusun sedemikan hingga menyebabkan merapatnya coil, karena tegangan sisa pada coil lebih baik dalam menerima momen yang menyebabkan merapatnya coil. Beban dinamik harus fluctuating atau repeated dengan rasio tegangannya R ≥ 0.

Diperlukan tiga titik atau lebih sebagai dudukan radial. Sebagai dudukan, biasanya digunakan batang yang dimasukkan di dalam coil. Diameter batang harus lebih kecil dari diameter terdalam coil. Untuk mencegah terjadinya ‘binding’, diameter batang harus lebih kecil dari 90% diameter dalam terkecil dari coil. Sepesifikasi pembuatan pegas helix torsional adalah diameter kawat, diameter luar coil, jumlah lilitan dan spring rate, serta variabel yang terdapat pada gambar.

Untuk menahan beban bending, lebih efesien digunakan kawat dengan penampang segi empat (nilai I lebih besar untuk dimensi yang sama). Tetapi, karena harganya lebih murah dan variasi ukuran dan material lebih baik, kawat dengan penampang bulat lebih sering digunakan.

1.      Pemilihan Spek

Material pegas yang ideal adalah material yang memiliki kekuatan ultimate yang tinggi,  kekuatan  yield  yang  tinggi,  dan  modulus  elastisitas  atau  modulus  geser  yang rendah    untuk   menyediakan    kemampuan    penyimpanan    energi   yang   maksimum.

Parameter  loss  coefficient,  Δv  yang  menyatakan  fraksi  energi  yang  didisipasikan  pada siklus stress-strain juga merupakan faktor penting dalam pemilihan material. Material pegas yang baik haruslah memiliki sifat loss coefficient yang rendah, kekuatan fatigue tinggi, ductility tinggi, ketahanan tinggi serta harus tahan creep.

Untuk pegas yang mendapat beban dinamik, kekuatan fatigue adalah merupakan pertimbangan utama dalam pemilihan material. Kekuatan ultimate dan yield yang tinggi dapat dipenuhi oleh baja karbon rendah sampai baja karbon tinggi, baja paduan, stainless steel, sehingga material jenis ini paling banyak digunakan untuk pegas. Kelemahan baja karbon adalah modulus elastisitasnya yang tinggi. Untuk beban yang ringan, paduan copper, seperti berylium copper serta paduan nikel adalah material yang umum digunakan.

Untuk pegas yang mendapat beban dinamik, kekuatan fatigue adalah merupakan pertimbangan utama dalam pemilihan material. Kekuatan ultimate dan yield yang tinggi dapat dipenuhi oleh baja karbon rendah sampai baja karbon tinggi, baja paduan, stainless steel, sehingga material jenis ini paling banyak digunakan untuk pegas. Kelemahan baja karbon adalah modulus elastisitasnya yang tinggi.

Kekuatan ultimate material pegas bervariasi secara signifikan terhadap ukuran diameter kawat. Hal ini adalah sifat material dimana material yang memiliki penampang sangat kecil akan memiliki kekuatan ikatan antar atom yang sangat tinggi. Sehingga kekuatan kawat baja yang halus akan memiliki kekuatan ultimate yang tinggi. Fenomena ini ditunjukkan dalam kurva semi-log pada gambar untuk beberapa jenis material pegas.

Data sifat material pada gambar di atas dapat didekati dengan persamaan eksponensial:

S_ut  @ Ad^b

Dimana A dan b diberikan pada Tabel tersebut untuk range ukuran kawat yang tertentu. Fungsi empiris ini sangat membantu dalam perancangan pegas karena proses iterasi dapat dilakukan dengan bantuan komputer. Perlu dicatat bahwa untuk A dalam ksi maka d harus dalam inch, sedangkan jika A dalam satuan Mpa maka d harus dalam satuan mm.

Dalam perancangan pegas, tegangan yang diijinkan adalah dalam kekuatan geser torsional. Hasil penelitian untuk material pegas menunjukkan bahwa kekuatan geser torsional adalah sekitar 67% dari kekuatan ultimate tarik.

S_us = 0,67S_ut

1.      Aplikasi

Contoh aplikasi penggunaan Helical spring antara lain:

a.      Compression Spring  (Pegas Heliks Tekan)

1)      Persenjataan

Alat tembak Jebakan militer menembakan dari Uni Sovyet (biasanya terhubung dengan kawat sandung) menunjukan pin tembak berisi pegas.

1)      Sistem suspensi

Pegas koil ini terbuat dari batang baja khusus dan berbentuk spiral. Pegas ini banyak digunakan pada kendaraan kecil kecil terutama kendaraan yang mementingkan kenyamanan penumpang, sebagai contoh adalah mobil sedan. Pegas coil memeliki kelebihan dapat menyerap getaran atau kejutan lebih besar (baik) daripada pegas daun dan pegas batang torsi, dan lengkah pemegasan panjang. Tetapi memiliki kerugian tidak dapat meredam dirinya sendiri, tidak dapat menerima gaya horizontal. Pegas koil dapat digunakan pada suspensi independen dan axle rigid.

a.      Pegas Heliks Tarik (Tensile Spring)

1)      Timbangan

2)      Standart kendaraan bermotor

a.      Pegas Helix Torsional

Pegas tipe ini banyak digunakan pada mekanisme ‘garage door counter balance’, alat penangkap tikus, penjepit rambut, penjepit baju dan lain-lain.

Bahan pegas yang paling umum digunakan adalah baja pegas yang menurut standard JIS dilambangkan dengan SUP atau baja ST-70 yang dapat disepuh dengan baik setelah pegas terbentuk. Sifat mekanis untuk bahan SUP adalah sebagai berikut :

a.       Modulus gelincir , G = 8 x 103 kg/mm²

b.      Ultimate tensile strenght = 60 sampai dengan 70 kg/mm²

Sedangkan sifat mekanis bahan ST-70 untuk pegas adalah :

a.       Tegangan bengkok ijin = 5.000  kg/mm²

b.      Tegangan puntir ijin = 4.000 kg/mm2

c.       Modulus elastisitas = 2.200.000 kg/mm2

d.      Modulus gelincir = 850.000 kg/mm²

Pegas dapat dibuat dari berbagai jenis bahan sesuai pemakaiannya. Bahan baja dengan penampang lingkaran adalah yang paling banyak dipakai. Bahan-bahan pegas terlihat pada tabel berikut :

Tabel: Jenis Material Penyusun Pegas

Pemilihan bahan semi biasanya merupakan langkah pertama dalam desain semi parametrik. Pemilihan bahan dapat didasarkan pada sejumlah faktor, termasuk kisaran suhu, kekuatan tarik, modulus elastis, umur kelelahan, ketahanan korosi, sifat listrik, biaya, dll. Helical Spring Desain modul memerlukan sifat material berikut sebagai masukan:

a.    Elastis Modulus (E)

b.    Rasio Poisson(n)

c.     Bahan Density Mass(r)

Sifat nominal untuk bahan yang biasa digunakan dalam desain semi dapat diakses menggunakan ETB database Bahan . Sebuah deskripsi singkat dari bahan semi umum diberikan dalam paragraf berikut.

Baja semi tinggi-karbon yang paling umum digunakan dari semua bahan mata air. Mereka paling mahal, tersedia, mudah bekerja, dan yang paling populer. Bahan-bahan ini tidak memuaskan untuk suhu tinggi atau rendah atau untuk shock atau dampak beban. Contoh termasuk:

a.    Musik Wire (ASTM A228)

b.    Sulit Diambil (ASTM A227)

c.     Tinggi tarik Sulit Diambil (ASTM A679)

d.    Minyak Tempered (ASTM A229)

e.     Karbon Valve (ASTM A230)

Paduan semi baja memiliki tempat yang pasti di bidang bahan semi, terutama untuk kondisi yang melibatkan stres yang tinggi dan untuk aplikasi di mana shock atau dampak beban terjadi. Paduan semi baja juga dapat menahan suhu yang lebih tinggi dan lebih rendah dari baja karbon tinggi. Contoh termasuk:

a.    Chrome Vanadium (ASTM A231)

b.    Chrome Silicon (ASTM A401)

Stainless musim semi baja telah melihat peningkatan penggunaan dalam beberapa tahun terakhir. Beberapa komposisi baru sekarang tersedia untuk menahan korosi. Semua bahan-bahan tersebut dapat digunakan untuk suhu tinggi hingga 650⁰ F. Contoh termasuk:

a.    AISI 302/304 - A313 ASTM

b.    AISI 316 - A313 ASTM

c.     17-7 PH - A313 ASTM (631)

Paduan tembaga-base adalah bahan semi penting karena sifat listrik yang baik mereka dikombinasikan dengan ketahanan yang sangat baik untuk korosi. Meskipun bahan ini lebih mahal daripada karbon tinggi dan baja paduan, mereka tetap sering digunakan dalam komponen listrik dan suhu di bawah nol. Semua paduan-dasar tembaga bukan magnetik. Contoh termasuk:

a.    Fosfor perunggu (Grade A) - ASTM B159

b.    Berilium Tembaga - B197 ASTM

c.     Monel 400 (AMS 7233)

d.    Monel K500 (QQ-N-286)

Paduan berbasis nikel adalah bahan semi sangat berguna untuk memerangi korosi dan untuk menahan kedua tinggi dan di bawah nol aplikasi suhu. Karakteristik bukan magnetik mereka adalah penting untuk perangkat seperti giroskop, chronoscopes, dan instrumen menunjukkan. Bahan-bahan ini memiliki hambatan listrik tinggi dan tidak boleh digunakan untuk konduktor arus listrik. Contoh termasuk:

a.    A286 Alloy

b.    Inconel 600 (QQ-W-390)

c.     Inconel 718

d.    Inconel X-750 (AMS 5698, 5699)

                                                 

1.      Problem Solving

Pegas sering digunakan dengan pembebanan yang berfluktuasi sehingga perlu dilakukan perancangan yang mempertimbangkan fatigue dan konsentrasi tegangan. Perlu diingat bahwa pegas tidak pernah digunakan sebagai pegas tekan dan pegas tarik sekaligus. Pegas juga dipasang dengan preload tertentu sehingga selama pembebanan tidak pernah mengalami tegangan bernilai nol.

Data pengujian yang cukup banyak tersedia untuk kekuatan pegas tekan yang terbuat dari kawat berpenampang bulat, baik untuk beban statik maupun beban dinamik. Batas-batas kekuatan yang diperlukan dalam perancangan pegas adalah:

1)      Torsional yield strength, Ssy. Kekuatan yield torsional dari kawat pegas tergantung pada jenis bahan dan apakah pegas telah di’set’ atau belum. Tabel di bawah ini menunjukkan beberapa jenis faktor kekuatan yield torsional untuk beberapa material yang biasa digunakan untuk pegas. Faktor ini adalah prosentasi terhadap kekuatan tarik ultimate kawat.

2) Torsional Fatigue Strength, Ssf. Tabel di atas menunjukkan data kekuatan fatigue torsional beberapa jenis material pada tiga titik siklus pembebanan yaitu 105, 106, dan 107. Perlu dicatat data ini didapatkan dari eksperimen dimana pegas dibebani dengan tegangan rata-rata yang sama besar dengan amplitudo tegangan (stress ratio R = τm/τa = 0).

3) Torsional Endurance Limit, Sse. Bahan pegas dari baja dapat memiliki endurance limit untuk umur tak berhingga. Gambar 10.10 menunjukkan S-N diagram untuk beberapa kawat dengan diameter lebih kecil dari 10 mm. Penelitian Zimmerli menunjukkan bahwa kawat pegas baja dengan diameter < 10 mm, yang memiliki rasio tegangan R = 0 adalah Se = 45,0 Ksi (310 Mpa) untuk unpeened spring Se = 67,5 ksi (465 Mpa) untuk peened spring Data ini menunjukkan bahwa untuk kawat d < 10 mm, ternyata memiliki torsional endurance limitnya tidak tergantung pada ukuran, jenis paduan, dan kekuatan ultimate tarik material. Se hanya tergantung pada proses peening, yaitu proses pengerjaan permukaan yang menimbulkan compressive residual stress dan mempertangguh permukaan. Contoh soal: Sebuah pegas helix tekan dengan ujung “plain” memiliki spring-rate 100000 N/m, diameter kawat adalah 10mm dan spring indeks 5,0. Bahah pegas memiliki modulus elastisitas 80 Gpa dan tegangan geser yang diijinkan 480 N/mm2 Tentukanlah jumlah lilitan aktif, beban statis maksimum yang dapat ditahan pegas, besarnya pitch sedemikian rupa sehingga pada saat beban maksimum pegas dalam kondisi solid. Jawaban: Dari persamaan Kt = P = Gd = Gd t 8C3Na 8C3Na (1+ 0,5/C2) Jumlah lilitan aktif : Na = Gd = (80) (109) (10) (10-3) = 7.843  8 lilitan 8C3Kt(1+ 0,5/C2) 8 (5)3 (10)5 (1+ 0,5/ 52) Dari persamaan faktor geser transversal Ks = (C + 0,5)/C=(5+0.5)/5=1.10 Jika τmax=τijin=480 N/mm2, dari persamaan τmax = 8KsPD πd3 didapat gaya maksimum yang dapat ditahan pegas : Pmax = πd3 τmax = π(10-2)3(480) = 3.427 kN 8KsD 8 (1.10)(50)(10-3) Defleksi maksimum yang mengakibatkan kondisi panjang solid adalah : 5 = max = Pmax = 3427 = 34.27 mm Kt 105 Dari tabel, panjang solid ls=d(Nt+1)= d(Na+1)=(10)(10-3)(8+1)=90 mm Panjang bebas lf=ls+δs=90+34.27=124.27 mm Dari tabel, pitch p=(lf-d)/Na=(124.27-10)/8= 14.28 mm BAB III PENUTUP A. KESIMPULAN Pegas helical adalah kawat spiral luka dengan diameter kumparan konstan dan lapangan seragam. Sifat pegas helical antara lain langkah pemegasan panjang, tidak dapat meredam getaran sendiri, tidak dapat menerima gaya horizontal (perlu lengan-lengan), energi beban yang diabsorbsi lebih besar daripada pegas daun dan dapat dibuat pegas lembut. Klasifikasi pegas helical meliputi pegas helical tekan, tarik dan torsional. Pegas helix tekan yang paling umum adalah pegas kawat dengan penampang bulat, diameter coil konstan, dan picth yang konstan. Pegas tarik diperlukan konstruksi khusus pada ujung pegas berupa hook (kait) atau loop. Dimensi utama pegas tarik beserta dimensi hook. bentuk hook, adanya konsentrasi tegangan biasanya membuat hook atau loop mengalami tegangan yang lebih besar dibandingkan tegangan pada lilitan. Pegas helix bisa dibebani secara torsional, baik tekan maupun tarik. Ujungnya diperpanjang pada arah tangensial untuk menahan beban momen. Ujung pegas jenis ini mempunyai berbagai macam bentuk, tergantung penggunaannya. Kebanyakan coilnya rapat seperti pegas tarik, tanpa adanya initial tension, tetapi kadang juga renggang seperti pegas tekan untuk menghindari adanya gesekan. Pegas sering digunakan dengan pembebanan yang berfluktuasi sehingga perlu dilakukan perancangan yang mempertimbangkan fatigue dan konsentrasi tegangan. pengujian yang cukup banyak tersedia untuk kekuatan pegas tekan yang terbuat dari kawat berpenampang bulat, baik untuk beban statik maupun beban dinamik. Batas-batas kekuatan yang diperlukan dalam perancangan pegas antara lain torsional yield strength, torsional fatigue strength dan torsional endurance limit. B. SARAN 1. Pada Pegas helix tarik perlu memiliki pengait (hook) pada setiap ujungnya sebagai tempat untuk pemasangan beban karena bagian hook akan mengalami tegangan yang relatif lebih besar dibandingkan bagian coil, sehingga kegagalan umumnya terjadi pada bagian ini. Kegagalan pada bagian hook ini sangat berbahaya karena segala sesuatu yang ditahan pegas akan terlepas. Salah satu metoda untuk mengatasi kegagalan hook adalah dengan menggunakan pegas tekan untuk menahan beban tarik. 2. Hati-hati dalam penggunaan pegas wire form terutama pada anak-anak, pegas tersebut dapat memberikan/ menahan beban torsi seperti yang banyak digunakan pada mekanisme ‘garage door counter balance’, alat penangkap tikus, dan lain-lain.




DAFTAR PUSTAKA www.engineersedge.com/spring_comp_calc.htm http://faalamsyah.lecture.ub.ac.id/2012/09/spring-pegas-1/ http://id.wikipedia.org/wiki/Pegas http://khususteknik.blogspot.com/2014/05/perancangan-pegas-ulir-helical-spring.html http://teknik-mesin1.blogspot.com/2011/11/perancangan-pegas-ulir-helical-spring.html http://www.thespringstore.com/spring-calculator/helical-compression-spring-design-calculator.html http://translate.google.co.id/translate?hl=id&sl=en&u=http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Springs/Springs_helical.html&prev=search http://translate.google.co.id/translate?hl=id&sl=en&u=http://www.fea-optimization.com/ETBX/spring_help.html&prev=search