## PERANCANGAN MESIN UJI LELAH BAJA POROS DENGAN PEMBEBANAN PUNTIR DINAMIS

## Udur Januari Hutabarat, Melvin Bismark H. Sitorus
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan, Medan E-mail: udur.htbarat@gmal.com
Abstrak-- Kegagalan lelah pada suatu komponen dalam struktur mekanik akibat beban dinamis menjadi dominan  ketika  dalam  pengoperasiannya  tidak  memperhatikan  daerah  pembebanan.  Dalam  sistem pengujian  lelah  dengan  beban  puntir  dinamis,  kekuatan  lelah  material  dipengaruhi  oleh  faktor konsentrasi  tegangan,  kondisi  permukaan,  dimensi  material  dan  temperatur  pengoperasian.  Kondisi kegagalan  tersebut  mendorong  penulis  melakukan  penelitian  dengan  terlebih  dahulu  melakukan perancangan alat untuk menguji karakteristik lelah spesimen poros yang dikenai beban putar dinamis. Perancangan dilakukan meliputi konstruksi mesin uji, motor penggerak 1450 Rpm dengan daya ¼ Hp, kopling  penghubung,  bantalan  duduk,  control  on-off,  counter  hour,  desain  specimen  standar  ASTM E466 dan variasi pembebanan maksimum 10 Kg. Dari hasil perancangan ini dilanjutkan dengan uji coba pengujian specimen baja poros dengan variasi beban putar dinamis dengan putaran kostan .
Kata kunci : Perancangan, Pengujian lelah, Puntir dinamis, Poros.

## 1.  PENDAHULUAN
Baja  merupakan  logam  yang  banyak  dipakai  di bidang  teknik,  karena  kekuatan  tarik  yang  tinggi dan  keuletan  yang  baik.  Paduan  ini  mempunyai sifat  mampu  bentuk  yang  baik  dan  sifat-sifat mekaniknya  dapat  diperbaiki  dengan  jalan perlakuan  panas.  Perlakuan  panas  dapat menjadikan bahan mampu bentuk, dapat meredakan  tegangan,  meningkatkan  kekerasan, ketahanan  terhadap  fatik,  tahan  aus  dan ketahanan  terhadap  korosi.  Pemakaian  baja merupakan  jenis  logam  yang  paling  banyak dijumpai  pada  berbagai  bidang  teknik,  terutama untuk  keperluan  industri,  bidang  konstruksi, pembuatan alat-alat perkakas, poros mesin-mesin dan lain-lain.
Pada beberapa jenis komponen dalam suatu struktur  mekanik yang  mengalami  bentuk pembebanan  dinamis,  seperti  pada  komponen gandar  dan  sejenisnya,  kegagalan  karena  lelah merupakan penyebab utama atas kerusakan yang terjadi.  Menurut  Dieter  (1986),  kegagalan  lelah ( fatigue  failure )  adalah  kegagalan  yang  terjadi pada  keadaan  beban  dinamik  setelah  periode pemakaian  cukup  lama.  Tahapan  kelelahan material terdiri atas crack initiation yang bermula pada daerah dengan konsentrasi tegangan  yang tinggi, crack growth dan final fracture . Kerusakan pada mesin atau struktur dimulai dari lokasi yang mempunyai  konsentrasi  tegangan.  Munculnya konsentrasi  tegangan  dapat  disebabkan  lubang, kekasaran  permukaan,  cacat material,  porositas, inklusi,  pemanasan  lebih  lokal  pada  saat pemesinan, dekarburasi dan sebagainya.
Sebagian  besar  kegagalan  tidak  terdeteksi, sehingga  menyebabkan  perpatahan  pada  suatu komponen  atau  struktur  secara  tiba-tiba.  Ini merupakan  suatu  tantangan  bagai  para  injiner untuk  dapat  mengantisipasi  kegagalan  yang disebabkan oleh fatik tersebut dengan
memperkecil  resiko  terjadinya  kegagalan  fatik mulai  dari  tahap-tahap  desain,  fabrikasi  sampai pada  inspeksi  melalui  penelitian-penelitian  yang berkelanjutan.  Penelitian  yang  diusulkan  ini merupakan  tindak  lanjut  untuk  mengetahui  atau menganalisis salah satu bahan logam. Diharapkan  luaran  dari  penelitian  ini  dapat digunakan  sebagai  acuan  dalam  perancangan komponen-komponen mesin terutama komponen- komponen yang terkena beban puntir dinamis.

## 2.  TINJAUAN PUSTAKA
Pada  sistem  pembebanan  berulang  (bervariasi), terdapat  beberapa  faktor  yang  berpengaruh terhadap  kekuatan  lelah  suatu  material.  Faktor- faktor  tersebut  diantaranya:  faktor  konsenstrasi tegangan,  kondisi  permukaan,  dimensi  material, temperatur operasi dan jenis variasi pembebanan yang diterima. Karena efek konsentrasi tegangan, kegagalan  lelah  dapat  terjadi  dengan  tegangan kerja yang besarnya jauh dibawah dari sepertiga kekuatan tarik statiknya (Surdia, 1992).
Sedangkan  terutama  pada  material  baja,  karena efek  kondisi  permukaan,  dimensi  material  dan temperatur operasi besarnya harga-harga tersebut  harus  dimasukkan  sebagai  faktor pereduksi  yang  harus  dikalikan  dengan  harga kekuatan  lelah  dari  material  yang  digunakan (Darmawan, 1997).
Pada berbagai penelitian yang telah dilakukan untuk memperbaiki sifat lelah material membuktikan  bahwa  pada  pembebanan  statik yang  berupa  tekanan  internal  pada  struktur tabung  gas  (dengan  material  paduan  6351-T6) dapat  menyebabkan  terbentuknya  retak  pada lokasi  lipatan  dan  goresan.  Retakan  ini  dapat menyebabkan  terjadinya  kebocoran  bahkan ledakan  (lam,  dkk,  1994).  Untuk  itu  dari  hasil penelitian  tersebut  merekomendasikan  perlu
dilakukannya proses perlakukan permukaan yang dihubungkan dengan geomteri takik yang terjadi. Suhartono  (2002)  menyatakan  lelah  adalah kerusakan karena beban berulang atau perubahan  struktur,  dan  progresif  yang  terjadi pada bahan yang
dibebani dengan tegangan/regangan fluktuatif yang dapat mengakibatkan retak atau petahan setelah jumlah siklus  tertentu.  Kondisi  pembebanan  yang menyebabkan  lelah  adalah  fluktuasi  tegangan, getaran ( vibrasi ), regangan, temperatur atau salah satu unsur diatas di dalam lingkungan korosif atau pada suhu tinggi (Dieter,1986).
Kerusakan karena lelah mulai terjadi sebelum terbentuknya  suatu  retak.  Akibat  beban  siklus maka terjadi deformasi plastik (slip) secara lokal. Bila  slip  terjadi  maka  slip  tersebut  dapat  terlihat pada  permukaan  logam  sebagai  suatu  tangga (step)  yang  disebabkan  oleh  pergerakan  logam sepanjang bidang slip. Demikian seterusnya maka lama  kelamaan  akan  terjadi  suatu  retak.  Siklus untuk  menimbulkan  awal  retak  dan  penjalaran retak  tergantung  pada  tegangan  yang  bekerja. Bila  tegangan  yang  bekerja  tinggi  maka  waktu terbentuknya  awal  retak  akan  lebih  pendek.  Bila tegangan  yang  sangat  rendah  maka  hampir seluruh  umur  lelah  digunakan  untuk  membentuk retak awal. Pada tegangan yang tinggi sekali retak terbentuk sangat cepat (Dieter, 1986).
Faktor  dasar  agar  terjadi  kegagalan  lelah adalah  tegangan  tarik  maksimum  yang  cukup tinggi, variasi atau fluktuasi tegangan yang cukup besar dan siklus penerapan tegangan yang cukup besar. Faktor yang cenderung mengubah kondisi kelelahan yaitu kosentrasi tegangan, korosi, suhu, kelelahan  bahan,  struktur  metalurgis,  tegangan sisa dan tegangan kombinasi (Dieter, 1986).
Faktor  penyebab  kerusakan  atau  kegagalan ditinjau  dari  bahan  antara  lain  oleh  kesalahan spesifikasi bahan/komposisi kimia, cacat pengecoran  (porositas,  inklusi,  segregasi,  retak, sobekan  panas),  cacat  proses  pembentukan ( laminasi,  seams,  stringers,  lap  cracks )  salah manufaktur dan laku panas ( casting, metalworking, heat treatment, machining, joining/welding ), pengerjaan akhir ( coating, surface  treatmen,  mechanical  finishing )  dan terjadinya  penurunan  sifat  mekanis  (Suhartono, 2002).
Kerusakan  akibat  kelelahan  secara  makro tidak  terlihat  namun  pertumbuhannya  cepat  dan sangat  berbahaya.  Penanggulangan  kerusakan dapat dilakukan dengan
menurunkan gaya/tegangan  kerja  melalui  perbaikan  disain (bentuk, geometri, dimensi), meningkatkan ketahanan  bahan  melalui  pemilihan  bahan  yang sesuai,  perbaikan  proses  manufaktur,  perlakuan panas  dan  mengendalikan  lingkungan  seperti temperatur  kerja,  kotaminasi,  dan  lingkungan korosif
Pada  pengujian  lelah  terdapat  suatu  poros  yang berputar,  diberi  beban  lentur,  akan  mengalami tegangan tarik dan tekan pada setiap putaran dari poros  tersebut.  Kalau  poros  merupakan  suatu bagian dari sebuah motor listrik yang berputar 800 rpm, poros tersebut mendapat tegangan tarik dan tekan 800 kali setiap menit. Kalau kondisi ini poros juga  menerima beban  aksial  dari  tegangan akan saling  menambah  dengan  komponen  tegangan lentur.  Ini  menghasilkan  suatu  tegangan  pada setiap satu serat yang masih berubah-ubah, tetapi berubah  antara  harga  yang  berbeda.  Beban- beban  ini  dan  jenis  beban  lainnya  yang  terjadi dalam  anggota-anggota  mesin  menghasilkan tegangan  yang disebut  tegangan  yang berulang, bolak-balik atau tegangan berfluktuasi (Shigley,1989).
Suatu  kegagalan  lelah  bermula  dengan sebuah  retak  kecil.  Retak  permulaan  ini  begitu kecil  sehingga  tidak  bisa  dilihat  oleh  mata telanjang  dan  bahkan  agak  sulit  ditemukan melalui pemeriksaan sinar X. Retak tersebut akan timbul pada titik ketidak mulusan pada bahan. Titik yang  kurang  jelas  dimana  kegagalan  lelah mungkin timbul adalah pada tanda-tanda pemeriksaan atau  cap, retak  dalam atau bahkan ketidakberaturan  karena  pengerjaan  mesin. Sekali waktu retak muncul, pengaruh pemusatan tegangan  menjadi  bertambah  besar  dan  retak tersebut  akan  maju  lebih  cepat.  Begitu  ukuran luas  yang  menerima  tegangan  berkurang, tegangan bertambah besar sampai akhirnya luas yang  tersisa  tiba-tiba  gagal  menahan  tegangan tersebut. Karena itu kegagalan lelah ditandai dari perkembangan  retak  yang  ada  dan  kepatahan mendadak dengan daerah yang mirip perpatahan bahan rapuh (Shigley,1989)
Pada  pengujian  lelah  dengan  pembebanan lentur putar membuktikan bahwa pada spesimen dengan berbagai bentuk dan dimensi takik, retak lelah  diawali  pada  lokasi  terjadinya  efek konsentrasi  tegangan.  Adapun  besarnya  harga faktor konsentrasi tegangan (K t ) bergantung pada geometri takik. Semakin tajam sudut takik, harga faktor konsentrasi tegangan akan semakin tinggi. Semakin besar harga K t , kekuatan lelah spesimen akan semakin turun (Collins, 1980).
Secara  umum,  hubungan  tegangan  geser terhadap  siklus  pembebanan  pada  pengujian lelah dengan beban lentur putar dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
C S N P  . dengan N : siklus pembebanan S : tegangan geser yang bekerja P dan C : Konstanta empiris bahan
Pada  jenis  pembebanan  lentur-putar  ( rotary bending ),  bentuk  beban  dapat  digambarkan dalam pola sebagai berikut:
Gambar 1. Konfigurasi amplitudo tegangan konstan
Dari hasil pengujian lelah material dengan beban lentur  putar  menunjukkan,  bahwa  ketidak- kontinyuan geometri takik terhadap kekuatan lelah material memberikan pengaruh yang cukup besar.
Dari  data  hasil  penelitian  yang  sudah  dilakukan menunjukkan  bahwa  spesimen  dengan  takik  V memiliki  ketahanan  lelah  yang  lebih  rendah dibandingkan  dengan  spesimen  tanpa  takik (Sagaf, 2002). Data penelitian tersebut dinyatakan dalam bentuk grafik S – N (beban terhadap siklus pembebanan) sebagai berikut:
Gambar 2. Grafik S-N hasil pengujian lelah dengan beban lentur putar untuk spesimen tanpa takik dan spesimen bertakik-V
3.  METODE PELAKSANAAN
3.1 Tahapan-TahapanPenelitian
Gambar 3. Skema tahapan penelitian

## 3.2 Rancangan Penelitian
Peralatan  uji  lelah  didesain  seperti  diperlihatkan pada  Gambar  4.  Bahan  yang  digunakan  untuk memproduksi peralatan uji adalah baja struktur St 40  dan  St  50  masing-masing  untuk  konstruksi mesin dan beban.
Gambar 4.  Mesin Uji Lelah Poros dengan Puntir Dinamis Keterangan: 1. Motor Listrik 2. Poros 3. Pulley dan Belt 4. Bantalan Poros 5. Spesimen 6. Bantalan Beban 7. Limit Switch 8. Beban 9. Swicth On-Off 10. Magnetik Kontraktor 11. Counter Hour
Komponen-komponen  utama  mesin  uji  lelah dikerjakan  pada  workshop  mesin.  Sedangkan perlengkapan  pendukung  lainnya  dibeli.  Adapun komponen dan peralatan  yang  digunakan antara lain:
a.  Mesin bubut untuk membuat poros dan beban b.  Mesin las untuk merakit dudukan mesin
Pada mesin ini terdapat empat unit utama, yaitu:
1.  Unit penggerak (driver unit) Unit  penggerak (driver  unit) merupakan  sebuah motor listrik 1-phasa dengan daya 1/4 HP, putaran 1450Rpm  dan  tegangan  sebesar  220  V. pertimbangan spesifikasi motor penggerak adalah dengan  pertimbangan  standar  specimen  yang diuji  yaitu  maksimum  pada  diameter  10  mm dengan  pembebanan  20  kg.  Spesimen  diputar melalui  poros  penggerak  yang  dihubungkan dengan  kopling  fleksibel  untuk  mengatasi perubahan  yang  terjadi  pada  saat  spesimen membengkok.

## 2.  Komponen  pembebanan  beban  bending (bending loading component)
Momen  bending  diberikan  pada  sebuah  batang yang  digantung  pada  ujung  spesimen.  Rumah bantalan  yang  ada  pada  ujung  spesimen  sisi menyebabkan  momen  bending  yang  diberikan terhadap  spesimen  uji  lelah  seragam.  Beban dapat diberikan atau dilepaskan tanpa mengakibatkan  kejutan  tambahan  terhadap speimen.  Komponen  pembebanan  dapat  di variasikan dari 5-20 Kg.
3.  Alat  penghenti  otomatis (automatic  stop device)
Alat ini adalah tombol pembatas yang beroperasi berdasarkan gerakan rumah bantalan. Pada saat terjadi kegagalan atau perpatahan pada spesimen uji,  maka  sumber  tegangan  dapat  diputuskan secara  otomatis.  Fungsi  alat  ini  mirip  seperti tombol stop engine pada kendaraan bermotor.
4.  Pencatat (Counter) Pada  sisi  yang  berlawanan  dengan  motor  listrik terdapat  sebuah  pencatat  putaran  poros  yang ditransmisikan  ke  pencatat  putaran  poros  yang ditransmisikan  kepencatat  melalui  sebuah wire ladder  chain dan  melewati  sebuah  roda  gigi cacing dengan perbandingan kecepatan 1000: 1. Angka  terkecil  pada  pencatat  dihitung  sebagai 100  kali  putaran  spesimen,  sehingga  aktualnya pencatat tersebut menghitung hingga 10 7 putaran.
3.3 Teknik Pengumpulan dan Analisis Data Setelah dilakukan perancangan, kemudian dilakukan  uji  coba  dan  kalibrasi.  Pengujian dilakukan  beberapa  kali  dengan  menggunakan specimen sesuai standar ASTM dalam pengujian lelah  poros.  Berikut  ukuran  specimen  sesuai standar ASTM E-466.
Gambar 5.  Ukuran Spesimen (sesuai ASTM E466)

## 4.  HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI
Dari  gambar  rancangan  dilakukan  fabrikasi konstruksi rangka, kemudian pemasangan komponen mesin yaitu motor penggerak, bantalan,  kopling,  poros  penghubung  dan pencekam  specimen  uji,  lalu  menyetel  dudukan semua  komponen  serta  mengunci  dengan  baik. Melakukan  uji  coba  tanpa  beban,  setelah dinyatakan  dalam  keadaan  aman,  kemudian dilakukan  pemasangan  specimen  uji  seperti gambar di bawah ini.

## Gambar 6. Hasil rancangan mesin uji puntir dinamis dan pemberat

## 5. KESIMPULAN
Mesin  ini  mempunyai  dimensi  40  x  50  x  50  cm, menggunakan  motor  listrik  1  phasa  1450  Rpm, daya  ¼  HP  dan  tegangan  220V,  dapat  menguji specimen baja poros maksimum diameter 10 mm dalam standar ASTM E 466 pada putaran konstan dan pembebanan mulai dari 5 -20 Kg.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  ASTM,  Annual  Book  of  ASTM  Standarts, 1996, Metal  Test  Methods  and  Analytical Procedures, Section 3, Volume 03.01, USA [2].  Dieter,  G,  E.,  1986, Mechanical  Metallurgy, Third Edition, McGraw-Hill, NewYork
[3].  Fuchs, H,O.,1980, Metal Fatigue in Engineering, John Wiley & Son, Singapore.
[4].  Gibson,  R.F.  1994, Principles  of  Composite Material Mechanics, McGraw-Hill, New York [5].  Shigley,  J,E  1989, Mechanical  Engineering Design, Fifth Edition, McGraw-Hill, NewYork [6].  Smith,  F,W.,  1990, Principles  of  Metal Science and Engineering, Ed.2, John Wiley & Son , Singapore
[7].  Sadagopan,  D  &  Pichumani,  R.  1998, Property Based Optimal Design of Composite  materials  and  Their  Internal Architectures, J. Composite Material, 32 (19): 1741-1752
[8].  Suhartono,  A.,  2002, Failure  Analysis  and Prevention  of  Machinery  and  Structural Componen, Yayasan Puncak Sari, Jakarta.
[9].  Surdia., SaitoS., 1992 “ Pengetahuan Bahan Teknik”, Cetakan Kedua,  PT Pradna Paramita, Jakarta
[10]. Hutabarat  Udur,  2005”  Studi  Perambatan Retak Fatik Pada Pipa Baja Karbon Rendah”, Thesis,  Perpustakaan  Universitas  Gajah Mada, Yogjakarta
[11]. Hutabarat  Udur,  2015”  Perambatan  retak fatik  tarik  dinamis  pada  pipa  baja  karbon rendah”, Jurnal Flywheel ,Volume  I  Nomor  2, November 2015.