## DESAIN KOMPONEN UTAMA ALAT UJI KONSTANTA PEGAS UNTUK KAPASITAS 50 N/MM

## Moch Zizka Pratama, Muhamad Fitri
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana E-mail: zickk.was.here@gmail.com
Abstrak--- Pegas  pada  umumnya  mempunyai  nilai  konstanta  yang  tidak  diketahui  sehingga menyulitkan  dalam  pemilihan  penggunaan  pegas.  Alat  uji  konstanta  pegas  menggunakan  spesimen berupa pegas ulir tekan dengan sistem manual hidrolik dalam bentuk alat bottle jack, hal ini digunakan sebagai  penekan  bahan  uji  (pegas  ulir  tekan).  Penelitan  ini  bertujuan  untuk  mendesain  dan mensimulasikan  alat  uji  konstanta  pegas  dengan  faktor  keamanan  yang  tepat  dengan  kapasitas beban pegas  50N/mm.  Metode yang  digunakan  dengan perhitungan  manual  lalu disimulasikan  pada bagian utama komponen yang berhubungan dengan pengujian bahan pegas ulir tekan menggunakan perangkat lunak Solidwork. Dari hasil simulasi tersebut dapat dikatakan desain rangka kuat menahan beban  statis  maksimumnya  sebesar  2000N  atau  203,94  kgf  dengan  faktor  keamanan  sebesar  1,1 yang bisa dikatakan aman, jika dipakai dalam keadaan normalnya.
Kata kunci: Alat uji konstanta pegas, pegas, simulasi, faktor keamanan

## 1.  PENDAHULUAN
Pada  era  industri  seperti  sekarang,  Pegas merupakan  suatu  konstruksi  yang  sudah  lama sekali  digunakan  dalam  kehidupan  manusia. Pegas  mempunyai  peran  yang  sangat  penting untuk  meredam  getaran,  oleh  karena  itu penggunaan  pegas  sangatlah  beragam.  Namun untuk  menentukan  pegas  yang  cocok  digunakan pada suatu produk, mula-mula ditentukan dahulu besaran  gaya  yang  akan  bekerja  pada  pegas tersebut.  Lalu  karena  pegas  memiliki  batas elastis. Apabila terdapat gaya yang menyebabkan pegas tersebut tertarik melampaui batas  elastisitasnya,  maka  akan  menyebabkan fungsi pegas tidak optimal lagi.
Karena  itu  setiap  pegas  memiliki  nilai konstanta yang berbeda – beda tergantung gaya yang  diberikan  dan  pertambahan  panjang  yang terjadi  pada  pegas  tersebut.  Maka  penting  bagi kita  untuk  mengetahui  nilai  tetapan  dari  suatu pegas  yang  menggambarkan  kekakuan  dari suatu  pegas.  Sementara,  pegas  yang  ada dipasaran  umumnya  tidak  mempunyai  nilai konstanta  sehingga  menyulikan  dalam  pemilihan penggunaan  pegas.  Lalu,  dalam  penelitian sebelumnya  tentang  alat  uji  pegas  seperti  pada gambar  1,  banyak  diantaranya  menggunakan pegas  jenis  tarik  untuk  menentukan  konstanta pegasnya  yang biasanya kapasitas beban pegas tersebut kecil.
Terkait  hal  ini,  karena  umumnya  kapasitas beban  yang  dipakai  tidak  sampai  1  kg,  penulis mencoba  membuat  alat  uji  konstanta  pegas dengan  kapasitas  maksimal  2000N  atau  203.94 kg  dengan  specimen  alat  ujinya  berupa  pegas ulir  tekan.  Dan  dalam  mendesain  alat  ini diperlukan  perhitungan  pada  komponen  utama agar  alat  ini  mampu  menahan  beban  statis pegasnya,  perangkat  lunak  yang  digunakan
penulis dalam simulasi beban statis disini adalah SolidWork  2017. Cara  penggunaan  perangkat lunak  ini  membutuhkan  model  3D  berupa komponen-komponen yang  disatukan  menjadi suatu assembly yang telah ditetapkan materialnya.  Setelah  itu  disimulasikan  dengan menempatkan  beban  pada  rangka  yang  akan diteliti,  hasil  dari  simulasi  dalam  bentuk  data berupa  nilai  minimum  sampai  maksimum  dan warna yang menunjukan parameter-
parameternya yang  telah disediakan oleh
perangkat lunak SolidWork 2017. Gambar 1. Desain alat uji pegas tarik

## 2.  TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1 Rangka Desain
Rangka  adalah  struktur  datar  yang  terdiri  dari sejumlah batang-batang yang disambung- sambung  satu  dengan  yang  lain  pada  ujungnya, sehingga  membentuk  suatu  rangka  kokoh. Konstruksi  rangka  bertugas  mendukung  beban atau  gaya  yang  bekerja  pada  sebuah  sistem tersebut [1]. Konstruksi rangka bertugas mendukung beban atau gaya  yang  bekerja pada sebuah  sistem  tersebut.    Beban  tersebut  harus ditumpu  dan  diletakan  pada  peletakan  tertentu agar dapat memenuhi tugasnya.

## a)  Tegangan
Setiap  material  adalah  elastis  pada  keadaan alaminya.  Karena  itu  jika  gaya  luar  bekerja  pada benda,  maka  benda  tersebut  akan  mengalami deformasi.  Ketika  benda  tersebut  mengalami deformasi, molekulnya akan membentuk tahanan terhadap deformasi. Tahanan ini per satuan luas dikenal dengan istilah tegangan. Secara matematik  tegangan  bisa  dideﬁnisikan  sebagai gaya per satuan luas [2].
𝜎 = (1)
Dimana:
𝜎 = Tegangan (N/m 2 )
F = Gaya atau Beban (N) A = Luas Penampang (m 2 )
Ketika  sebuah  benda  diregangkan  dengan  gaya F, maka tegangannya adalah tegangan tarik. Jika gaya  yang  bekerja  kebalikan  dari  gaya  pada tegangan  tarik  maka  menyebabkan  kompresi pada  benda,  tegangan  ini  disebut  tegangan tekan.  Sejauh  tegangan  bertindak  dalam  arah tegak lurus terhadap permukaan yang terpotong, maka tegangan itu disebut tegangan normal.

## b)  Regangan
Regangan  adalah  deformasi  per  satuan  panjang [3].  Dalam  rumus  matematika  dapat  ditulis sebagai berikut,
ε = (2)
Dimana:
ε = Regangan
Δl = Perubahan panjang (m) l = Panjang Awal (m)
c) Tegangan dan beban yang diijinkan
Sebuah  alat  atau  mesin  harus  memenuhi kekuatan  yang  ditentukan  oleh  besaran  gaya yang bekerja. Karena kekuatan adalah kemampuan  suatu  struktur  untuk  menahan beban,  kriteria  sebelumnya  dapat  dinyatakan kembali  sebagai  berikut:  Kekuatan  aktual  suatu bangunan harus melebihi kekuatan yang diperlukan.  Rasio  kekuatan  aktual  dengan kekuatan yang dibutuhkan disebut faktor keamanan n: [4].
Faktor Safety(n) = (3)
Pastinya faktor keamanan harus melebihi 1,0 jika ingin menghindari kegagalan. Faktor keamanan  biasanya  dimulai  dari  1,0  sampai dengan  10  tergantung  pada  kondisi  dari  suatu alat. Adanya faktor keamanan tersebut juga akan memunculkan margin  of  safety yaitu  jarak  dari faktor keamanan. Dan biasanya margin of safety ini  ditulis  dengan  menggunakan  persentase sehingga dapat dituliskan sebagai berikut, [5].
Margin of safety (%) = ( Faktor Safety (n) - 1) x 100%
(4)
Tegangan  yang  dihitung  pada  sebuah  alat juga  harus  memenuhi  faktor  keamanan  untuk menghindari  kegagalan  pada  saat  gaya  bekerja pada  alat  tersebut.  Tegangan  yang  diijinkan tersebut  merupakan  perbandingan  antara yield strength dan  faktor  keamanan  atau  dapat dituliskan, [6].
𝜎 allow = (5)
Dimana: 𝜎 allow = Tegangan yang diijinkan (N/m²) 𝜎 y = Yield Strength (N/m²) n        = Factor Safety
Beban  yang  terjadi  pada  batang  adalah beban  terdistribusi  merata  dengan  beban  titik, keduanya  memiliki  kurva  defleksi  yang  berbeda- beda.  Pada  beban  terdistribusi  merata  slope yang  terjadi  pada  bagian  batang  yang  paling dekat  lebih  besar  dari  slope  titik.  Ini  karena sepanjang  batang  mengalami  beban  sedangkan pada  beban  titik  hanya  terjadi  pada  beban  titik tertentu  saja  [7].  Selain  tegangan,  beban  pada sebuah  alat  juga  harus  memenuhi  faktor keamanan.  Jika  tidak  maka  suatu  alat  akan kelebihan  beban  dan  dapatmembuat  kerusakan pada  alat  tersebut.  Beban  yang  diijinkan  adalah perkalian antara tegangan yang diijinkan dengan luas  penampang  atau  dapat  ditulis  sebagai berikut, [8].
F allow = 𝜎 allow x A (6)
Dimana:
F allow = Beban yang diijinkan (N/m²) 𝜎 allow = Tegangan yang diijinkan (N/m²) A      = Luas penampang (m²)

## 2.2 Desain rangka produk
Seperti  dilihat  pada  gambar  2  yang  merupakan penjelaskan  tentang  nama  komponen  dalam desain  rangka  alat  uji  konstanta  pegas.  Alat  Uji
Konstanta Pegas menggunakan spesimen berupa  pegas  ulir  tekan  dengan  sistem  manual hidrolik  dalam  bentuk  alat bottle  jack ,  hal  ini digunakan sebagai penekan bahan uji (pegas ulir tekan).
Gambar 2. Desain alat uji konstanta pegas
Keterangan komponen:
1.  Pelat sambung tiang rangka utama
2.  Pelat pengunci bantalan pengatur 3.  Pelat bantalan pengatur
4.  Pelat penekan
5.  Besi behel silinder
6.  Pipa besi behel
7.  Besi behel pengikat pegas
8.  Tiang rangka utama
9.  Pelat landasan
10.  Batang pengatur

## a)  Gambar Teknik
Pada  gambar  3  memuat  tentang  gambar  teknik alat  uji  konstanta  pegas  sebelum  proses perancangan.
Gambar 3. Gambar Teknik Alat Uji

## b)  Cara Kerja Alat
Cara kerja alat ini sangat sederhana dimulai dari:
1.  Mempersiapan  specimen  alat  uji  pegas yang akan diujikan.
2.  Menempatkan  specimen  pada  behel pengikat  pegas  dalam  posisi  yang  tepat yaitu pada pusat dari pelat penekan.
3.  Lakukan  pendongkrakan  dengan  bottle jack atau hidrolik manual untuk menekan specimen pegas.
4.  Pada  tiang  pelat  pengatur  terdapat  alat ukur untuk mendapatkan hasil penekanan atau perpanjangannya.
5.  Catat  hasil  perpindahan  ditunjukan  pada kawat pelat pengatur.
6.  Hitung  hasil  percobaan  dengan  rumusan konstanta pegas.

## 2.3 Pegas Ulir Tekan
Pegas  adalah  sebuah  elemen  fleksibel  yang digunakan  untuk  menghasilkan  gaya  atau  torsi dan  pada  saat  yang  sama  menyimpan  energi  [9]. Selain itu pendapat lain mengatakan “ A spring is mechanical  devices  which  is  defined  as  elastic machine element, which will be deflect under the action of the external force and regain its original shape  when  external  forces  are  removed ”  [10]. Dapat  disimpulkan  bahwa  pegas  adalah  sebuah perangkat  fleksibel  yang  dapat  menghasilkan gaya  atau  torsi  ketika  diberi  gaya  eksternal  dan dapat  kembali  ke  bentuk  semula  jika  gaya eksternal  dilepaskan  sehingga  dapat  menyimpan energi  mekanis.  Ketika  pegas  mendapat  tekanan atau  tarikan  dari  luar,  maka  pegas  akan memberikan  gaya  yang  berlawanan  sebanding dengan perubahan panjang pegas.
Pegas  dapat  dikelompokan  sesuai  dengan arah dan sifat gaya yang dihasilkan ketika pegas mengalami defleksi (penyimpangan arah) menjadi  beberapa  jenis,  yaitu  tekan,  tarik,  radial dan  torsi.  Pegas  ulir  tekan  dengan  bahan  karbon tinggi  merupakan  bahan  yang  paling  umum digunakan  untuk  pegas  kecuali  lingkungan  suhu tinggi  atau  rendah  atau  untuk  beban  kejut  tinggi Gambar  4  merupakan  gambaran  tentang  pegas ulir  tekan,  umumnya  terbuat  dari  kawat  bundar, dililitkan  lurus,  berbentuk  silindris  dengan  jarak bagi  konstan  antara  lilitan  yang  satu  dengan lilitan  berikutnya.  Kawat  persegi  atau  segiempat juga  dapat  digunakan.  Panjang  pegas  tanpa beban  disebut  panjang  bebas.  Bila  dikenai  gaya tekan,  lilitan-lilitan  pegas  tertekan  semakin  dekat sampai semua bersinggungan, dan pada saat itu panjang  pegas  minimum  yang  disebut  panjang solid [11].
Gambar 4. Pegas Ulir Tekan

## 2.4 Pemilihan bahan material
Material yang digunakan untuk membuat alat ini  adalah  baja  karbon  rendah  tipe  ASTM  A36. Dengan  pembanding  material  lainnya  adalah Alloy  Steel. Bisa  dilihat  pada  tabel  1  tentang properti  material  jenis  ASTM  A36  dan  dan Alloy Steel . Pemilihan  material  ini  didasarkan  karena material  ini  umum  digunakan  dan  mudah  dicari dipasaran.  Cocok  digunakan  pada  proses grinding,  puncing,  tapping,  drilling dan  proses machining .  Material  ini  juga  mudah  untuk  dilas menggunakan  segala  jenis  metode  pengelasan, dan  penyambungan  yang  dibentuk  memiliki kualitas yang sangat baik.
Tabel 1. Tabel properties material baja
Properties Jenis Baja ASTM A36 Steel Alloy Steel Tensile Strength, Ultimate 400 – 550 MPa 725 MPa Tensile Strength, Yield 250 MPa 620 MPa Modulus of Elasticity 200 GPa 210 GPa Bulk Modulus 140 GPa 150 – 165 GPa Poissons Ratio 0,260 0,280 Shear Modulus 79,3 GPa 79 GPa Thermal conductivity 25 W/m-K 50 W/m-K Specific heat 460 J/kg-K 460 J/kg-K

## 3. METODOLOGI
Gambar 5. Diagram Alir 3.1 Perhitungan Teoritis
Perhitungan  teoritirs  dilakukan  dengan  cara menentukan kekuatan
masing-masing
komponen, dimana sebelumnya dimensi masing- masing komponen telah ditentukan.
a)  Pelat pengatur dan penekan
Dengan skema pembebanan pada pelat pengatur dan pelat pengatur adalah:
W = => W = Hasil dari nilai W ( ΔF) didapat: ΔF = k. Δl ΔF = 50 N/mm. 40 mm ΔF = 2000N
Momen maksimal yang didapat: ( ) ( ) (       )
Perhitungan tebal pada pelat pengatur: σ allow = σ y / S f
= 250 MPa / 1,5
= 166,67 MPa
Tebal minimum pelat pengatur adalah,

## √
√

## √
Minimum tebal pelat adalah 6 mm
b)  Diameter batang pengatur
Tegangan geser ijin pada baut (batang pengatur):
σ allow = σ y / S f = 250 MPa / 3 = 83,33 MPa
Berdasarkan  tegangan  geser  pada  baut  (batang pengatur),  dapat  dihitung  diameter  minimal  baut yaitu:
=>
=> √
√ => √ √ => √

## Minimum diameter batang adalah 12 mm
3.1 Hasil Simulasi SolidWorks
a)  Skema Pembebanan Pada  gambar  6  terdapat  skema  pembebanan ditunjukan oleh arah panah berwarna ungu.
Gambar 6. Skema Pembebanan
b)  Analisis tegangan beban Statis Analisis distribusi tegangan beban statis dilakukan  terhadap  rangka  Alat  Uji  Konstanta Pegas.  Analisis  dilakukan  untuk  mengetahui kekuatan  rangka  plat  pengatur  dan  penekan terhadap beban statis, untuk mengetahui kekuatan rangka, agar aman dan kuat.
Dilihat  pada  gambar  7  besarnya  perubahan material  terjadi  akibat  beban  yang  diberikan ( displacement ).
Gambar 7. Perubahan ( displacement )
Berdasarkan  Analisis  perubahan (displacement) pada  gambar  diatas  didapatkan  data  pada  table 2 dibawah:
Tabel 2. Perubahan (Displacement)
Material Perubahan (Displacement) Min Standar Max ASTM A36 Steel 0 mm 0,08 mm 0,13 mm Alloy Steel 0 mm 0,10 mm 0,17 mm
Perubahan (displacement) maksimum  sehingga terjadi deformasi plastis ditunjukan dengan warna merah  dan  perubahan  minimum  ditunjukan dengan  warna biru. Dari analisis  yang dilakukan, perubahan  rangka  yang  di  ijinkan  ketika  diberi tekanan  adalah  dengan  jarak displacement ditunjukan dengan warna hijau.
Dilanjutkan  dengan  analisis  tegangan  pada pelat  pengatur  dan  pelat  penekan  yang  terdapat dalam  gambar  8,  beban  yang  diterima  atau dibebankan  pada  pelat  tersebut  adalah  2000 Newton  atau  setara  203,943  kgf.  Hasil  simulasi pengujian  analisis  distribusi  tegangan  beban statis  tipe Von  Misses  Stress yang  telah dilakukan terhadap pelat pengatur dan penekan.
Gambar 8. Tegangan regangan statis
Dari  analisis  yang  dilakukan  didapat  hasil tegangan pada tabel 3 dibawah:
Tabel 3. Tegangan (Stress)
Material Tegangan (Stress) Min Actual Max ASTM 0 MPa 235,7 1414 MPa
A36 Steel MPa Alloy Steel 0 MPa 620,4 MPa 2025 MPa Dari  nilai  perbandingan  antara  besar yield strength terhadap  besar  beban  yang  diberikan (safety  factor) didapatkan  perhitungan  sebagai berikut:
ASTM A36 Steel: SF = , SF = 1,1 Alloy Steel  : SF = , SF = 1
Berdasarkan  perhitungan  didapatkan  nilai faktor  keamanan  lebih  dari  angka  1  sehingga disimpulkan  bahwa  material  kuat  akan  tetapi tidak  untuk  menahan  beban  maksimum  saat digunakan.  Jika  hasil  perhitungan saftery  factor adalah  kurang  dari  1,  maka  material  sudah mengalami deformasi atau  patah. Karena tegangan  maksimal  sudah  sebanding  atau  lebih besar  dari yield  strength material.  Hasil  dari simulasi  faktor  keamanan  terdapat  pada  gambar 9 dibawah:
Gambar 9. Faktor Keamanan ( Factor of Safety )
Berdasarkan  hasil  simulasi  statis  untuk  faktor keamanan  didapatkan  nilai  berdasarkan  tabel  4 dibawah:
Tabel 4. Faktor keamanan ( Factor of Safety) Material Factor Of Safety Standar Min Max ASTM A36 Steel 1,5 1,1 2 Alloy Steel 1,5 1,8 2
Dari tabel diatas dapat dipastikan bahwa dengan menggunakan  2  material  tersebut  rangka  tetap memenuhi  faktor  keamanan  yang  mana  nilai tersebut mendekati nilai standarnya yaitu 1,5.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  dari  uraian  pembahasan  simulasi dan  nalisa  tentang  desain  statis  Alat  Uji Konstanta  Pegas  Kapasitas  50N/mm  yang  telah dijelaskan, maka dapat ditarik kesimpulan secara keseluruhan sebagai berikut:
a)  Desain ini dibuat dengan beberapa komponen  utama  diantaranya  tiang  rangka UNP  yang  sudah  di  lubangi  sebagai  sarana pelat  pengatur  untuk  menyesuaikan  dengan specimen alat uji, lalu plat penekan di desain movable agar hidrolik mampu untuk menekan  specimen  uji,  disamping  desain  ini memiliki  lubang  untuk  memasukkan  baut (batang  pengatur)  untuk  mengunci  pelat pengatur  agar  stabil  dan  tidak  bergerak dalam proses pengujian specimen (pegas).
b)  Dalam  perhitungan  manual  pada  komponen utama  didapat  ukuran  material  sebagai berikut:
1.  Pelat  penekan  dengan  dimensi  tebal x panjang x lebar adalah 6x220x100mm 2.  Pelat pengatur dengan dimensi tebal x panjang x lebar adalah 6x220x100mm
3.  Diameter  batang  pengatur  dengan dimensi  baut  diameter  x  panjang adalah 12x280mm
c)  Pengujian  beban  statis  pada  alat  dilakukan menggunakan simulasi manual dan perangkat  lunak  solidworks  2017.  Dari  hasil dari  analisis  yang  sudah  dilakukan  desain yang  dibuat  mampu  untuk  menahan  beban statis  dari  pegas  sebagai  alat  ujinya  yang berkapasitas  50N/mm.  Lalu,  hasil  analisis tegangan  aktual  yang  terjadi  pada  Alat  Uji Konstanta  Pegas  yaitu  sebesar  235,7  Mpa dan  tegangan  maksimumnya  yaitu  sebesar 1414 Mpa. Hasil analisis deformasi maksimal yang  terjadi  pada  Alat  Uji  Konstanta  Pegas yaitu  sebesar  0,1393mm.  Yang  terakhir adalah  hasil  analisis  faktor  keamanan  pada distribusi tegangan  Alat Uji Konstanta  Pegas ini  belum  sepenuhnya  memenuhi  syarat aman  dari  nilai  minimumnya  (1,5)  yaitu  1,1. Akan tetapi karena hasil perhitungannya alat tersebut sangat dekat dengan nilai minimumnya  jika  alat  tersebut  dipaksakan dengan kapasaitas maksimum yang berulang maka  material  akan  mengalami  deformasi plastis.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Khurmi  RS  Gupta,  JK.,  2005. Text  Book  of Machine  Design  Eurasia,  Publising  House, ltd Ram Nagar, New Delhi
[2].  Yunus,  A.  D.  2010. Diktat  mekanika kekuatan material.
[3].  Jadhav,  A.  R.,  Pol,  G.  J.,  &  Desai,  A.  A. 2015. Design and Manufacturing of Hydraulic  Spring  Stiffness  Testing  Machine. 4395 ( October 2014) , 184 –190.
[4].  Gere,  J.  M.  2008. Mechanics  of  Materials. 6th ed. In Book . https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2009.01.0
[5].  Shigley,  Joseph  E.,  dan  Larry  D.  Mitchell. 1983. Perencanaan  Teknik  Mesin  Edisi Keempat  (Gandhi  Harahap,  Penerjemah). Jakarta. Erlangga
[6]. Sularso,  Kiyokatsu  Suga,  2004  ” Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin” . Jakarta: Pradya Paramita
[7].  Binsar  Hariandja 1996  “ Mekanika  teknik: statika  dalam  analisis  struktur  berbentuk rangka” . Jakarta. Erlangga
[8].  Childs,  Peter  R.  N.,2004. Mechanical Design, 2nd ed, Elsevier.
[9].  Martias,  H.  D.  2018 .  Perancangan  Dan Pembuatan Alat Uji Defleksi Pegas Spiral. 1 , 1 –7.
[10]. Naik, S., & Kumbhalkar, S. B. J. S. S. 2018. Design  &  Analysis  of  Helical  Spring  Testing Machine : A Review. 6(01) , 1059 –1060.
[11]. Mott,  R.  2004. Timur  1 .  Elemen-elemen Mesin Dalam Perancangan Mekanis.