Analisis Distribusi Tegangan Pada Kepala Baut Dengan Variasi Filet

Menggunakan Metode Fotoelastisitas

Tono Sukarnoto dan Soeharsono

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, UnivcrsitasTrisaktiKampusA, Gedung Heri Hartanto- Lt.4,Jl. KyaiTapaNo 1,Grogol, Jakarta Barat 11440

Telp. 5663232 Ext: 431, Fax: 5605841. E-mail: tsukarnoto@yahoo.com

ABSTRACT: Stress Distribution Analysis on Bolt Head with Various Fillets Using PhotoelasticityMethod. A geometry modification can be use to reduce stress concentration. This research isinvestigating the influence offillet radius in the head ofbolt. Different than most commonbolt, thefillet ismade at the bottom surface of head around its neck. To show the stress distribution we use classicalexperimental mechanics method, photo elasticity. Loading comesfrom a lead screw and measured by aload cell connected to a computer data logger. As the result, a 5 mm fillet radius may reduce maximumshear stress up to 35% than nofillet radius, so its effective to minimize stress concentration in head bolt.

Keywords'. Photoelasticity, bolt, stress distribution

PENDAHULUAN

Baut merupakan salah satu elemen mesin yangpenggunaannya sangat luas. Fungsi utama baut adalahmenyambung dua komponen atau lebih agar menjadisatu kesatuan yang utuh. Ketika dibutuhkan sambungandapat dilepas kembali tanpa merusak.

Pada saat digunakan baut akan mengalami tegangantarik maupun tegangan geser. Karena perubahangeometri maka pada bagian-bagian tertentu terjadikonsentrasi tegangan. Beberapa cara dapat diiakukanuntuk mengurangi konsentrasi tegangan akibatperubahan geometri ini yaitu, membuat radius filet,mengubah posisi filet atau bahkan dengan melubangibagiantertentu di sekitar konsentrasi tegangan [1].

Pada baut, secara umum terdapat radius filet disudut antara kepala baut dengan badannya. Filet iniefektif mengurangi konsentrasi tegangan di daerahtersebut. Namun dalam pemakaian dapat terjadi filet initerdeformasi oleh lubang baut sehingga radiusnyamengecil. Untuk itu dicoba membuat filet di bagianbawah kepala baut sehingga tidak terpengaruh kontakantara baut dan tempat mengikatnya.

Metode fotoelastisitas dipilih karena perubahantegangan yang terjadi dapat diamati secara langsung dariperubahan fringe cahaya pada spesimen modeltransparan yang ditempatkan di antara medan cahayaterpolarisasi [2]. Hasil pengukuran dengan metode inirelatif akurat dan dapat dianalogikan dengan materialsesungguhnya dalam skala penuh atau pun diperkecil.Fotoelastisitas yang digunakan adalah dua dimensi.Analisis orde fringe diiakukan secara digital sehinggasangat menghemat waktu serta tidak terlalu memerlukankeahlian khusus sebagaimana cara manual [3].

Kontak Person: Tono SukarnotoJurusanTeknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, USAKTIKampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.2,Jl. Kyai Tapa No. IGrogol, Jakarta Barat 11440 Telp. 5663232 Ext: 431Fax: 5605841, E-mail: tsukamoto@yahoo.com

Fotoelastisitas Dua Dimensi

Analisis tegangan menggunakan metodefotoelastisitas berdasarkan atas fenomena material, yangbersifat isotropic ketika tidak dibebani. Tetapi akanberubah menjadi doubly refractive {opticallyanisotropic) ketika dibebani. Namun karakteristik iniakan hilang ketika kembali tidak dibebani. Besar bebanyang dibebankan pada model dibawah batas elastismaterial. Contoh material ini seperti: epoxy, highpolymermaterials, dan Iain-lain [4].

Aplikasi dari fotoelastisitas dapat terbagi menjadidua bagian tergantung dari bentuk geometri model yangdianalisis. Jika model yang dianalisis berupa bidang,maka gaya-gaya dapat dianalisa sebagai tegangan danregangan pada bidang, maka metode dua dimensionaldapat diiakukan. Untuk model berbentuk selain bidangdan lebih kompleks, maka digunakan metode analisistiga dimensional.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwaterdapat suatu kelas material dimana ia bersifat isotropicketika tidak dibebani, dan menjadi doubly refractive{optically anisotropic) ketika dibebani. Material inilahyang dikenal sebagai crystals yang apabila dilewati olehcahaya, akan direfleksikan menjadi dua cahaya, inilahyang disebut sebagai double refraction. Metodefotoelastisitas ini dikembangkan berdasarkan sifat-sifatfisik dari material transparan tersebut, dengan catatanbesar beban yang diuji tidak melewati batas elastis darimaterial [4].

Dalam menganalisis tegangan denganmenggunakan metode fotoelastisitas terdapat dua jenispolariskop yang dapat digunakan. Polariskop merupakansusunan peralatan optik yang digunakan dalammendeteksi distribusi tegangan yang terjadi. Kedua jenispolariskop yang biasa digunakan adalah:• Polariskop bidang {planepolariscope) (Gambar 1)• Polariskop circular{circularpolariscope){G&mbar 2)

Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... {Tono Sukarnoto dkk) 137

Polariskop bidang

Ketika model uji dibebani maka akan bersifatdoubly refractive dan titik dimana cahaya lewat akanterpolarisasi sesuai dengan arah tegangan utama yangbekerja 0\ dan rj2. Sumbu polarisator akan membentuksudut (j) terhadap sumbu ot dan a2 (Gambar 1). Apabilabesar sudut $ yang terjadi adalah nol atau it/2, makasumbu polarisator akan berimpit dengan a, atau a2.Karena sumbu analisator adalah tegak lurus terhadaparah sumbu polarisator, maka intensitas cahaya yangkeluar dari analisator adalah nol. Akibatnya pada semuatitik pada model uji dimana arah dari tegangan utamaberimpit dengan orientasi dari polarisator-analisator,cahaya yangkeluar dari analisator akan nol [5].

Titik-titik dimana arah tegangan utama berimpitdengan orientasi dari kombinasi polarisator-analisatordisebut dengan garis isoklinis.

Polariskop circular

Pada susunan polariskop circular digunakan duabuah pelat seperempat gelombang (quarter wave plate)yang masing-masing diletakkan diantara model uji danpolarisator serta antara model uji dan analisator. Susunanpolariskop circular ini dapat dilihatpada Gambar 2.

Pada susunan polariskop circular, posisi titik-titikpada model uji dimana nilai dari a, dan a2 membuatperbedaan fase relatif 2mn. Disebabkan perbedaan faserelatif berhubungan dengan o"|-a2, maka semua titik-titikpada model uji dimana nilai dari csra2 yangmenimbulkan perbedaan fase relatif sebesar 2m7t(dimana m = 0, 1,2, ...), intensitas cahaya yang keluardari analistor akan nol. Maka dari itu pada layar akanterlihat susunan garis gelap {dark band) atau fringe yangdikenal sebagai garis isokromatis [5].

Gambar 1. Susunan polariskop bidang, S = sumber cahaya,P = polarisator, M = model uji, A = analisator [5]

METODOLOGI

Peralatan

Peralatan terdiri dari perangkat fotoelastisitas, perangkatmekanis untuk pembebanan dan perangkat pengolahgambar. Rangkaian perangkat fotoelastisitas terdiri darisumber cahaya, polarisator, analisator dan sepasang pelatseperempat gelombang (Gambar 3).

138

Gambar 2. Susunan polariskop circular, P= polarisator.Qi= Pelat 'A X pertama, M= model,Q2= Pelat V* Xkedua.

Perangkat pembebanan berupa kerangka dengan leadscrew untuk mengatur beban (Gambar 4). Sebagaipengukur beban digunakan load cell model cincin yangdilengkapi dengan rangkaian strain gage dandihubungkan dengan komputer data logger. Modeltransparan baut dipasang dengan bagian kepala dibavvah kemudian diberi beban aksial ke atas.

Pola isokromat dan isoklinis tiap spesimen direkamdengan kamera digital. Selanjutnya gambar yangdiperoleh diproses dengan komputer untuk mendapatkanordefringe yang dicari.

F

SC

>£U U I L UP Qi M Q2 A

c

Gambar 3. Susunan peralatan optik, SC=sumber cahaya,P= polarisator, Q,= Pelat V* Xpertama, M= model.Q2= Pelat V* X kedua, A= analisator, C= kamera digital

Gambar 4. Perangkat Mekanis, a= ulir pembeban, b= rangka,c= load cell. d= model beban transparan

MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007, 137-141

Benda Uji

Pada penelitian ini dibuat empat model baut denganvariasi pada radius filetnya. Mulai dari tanpa filet,spesimen 1 (R = 0), spesimen 2 radius filet (R) =2,5 mm, spesimen 3 R = 4 mm dan spesimen 4 R = 5mm (Gambar 5). Beban konstan diberikan dalam arahaksial di badan model sehingga terjadi tegangan kontakantara kepala model dengan tumpuannya.

Bahan model transparan dari lembaran epoxyaraldit B tebal 10 mm. Pada saat pemesinan hamsdiperhatikan masalah gaya pemotongan dan panas yangtimbul. Panas akibat gaya pemotongan yang tinggi saatpemesinan harus dihindari karena akan menimbulkantegangan batas yang tertinggal pada model [2]. Untuk itudiperlukan mata potong yang tajam serta mesin yangpresisi sehingga pemesinan diiakukan dengan mesinCNC.

il

X

•-*

<2^•A

vo>

r^i o "-

X

0:<

*•*.

•:>s. >

s°>>

Gambar 5. Model dan Variasi Radius Benda UjiRadius filet R=0, R=2,5, R= 4 dan R=5 mmberturut-turut untuk gambar a, b, c, dan d.

Prosedur Pengujian

Ekperimen ini diiakukan dalam beberapa tahapyaitu:- Pengambilan pola gambar isoklinis- Pengambilan pola gambar isokromatis- Penggabungan pola garis isoklinis- Penggabungan pola garis isokromatis untuk medan

gelap dan terang- Analisis pola gambar

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis pertama untuk pola isoklinisPola garis isoklinis diambil pada sudut-sudut 0°

sampai dengan 90° dengan interval 15°. Contoh gambarhasil pengujian isoklinis dapat dilihat pada Gambar 6.Sedangkan contoh gambar dari pola garis isoklinisditunjukkan pada Gambar 10.

Analisis kedua untuk pola isokromatPola garis isokromatis pada spesimen 1 sampai 4

diiakukan dengan beban 350 N pada medan gelap danmedan terang. Contoh gabungan untuk medan gelapdengan medan terang dengan beban 350 N padaGambar 7. Pola garis medan gelap dapat dilihat padaGambar 8 sedangkan medan terangnya dapat dilihat padaGambar 9.

90

75'

60

45> -

15

0

_--r- • .ts.j r• »i _\

yf ill \ v s{Fft* \ ss

E&h

Gambar 6. Pola Garis Isoklinis Spesimen 3 (angka di sebelah kiriadalah sudut isoklinis)

Gambar 7. Polagabungan medan gelapdan terang isokromat

Garis

Pengamatan

Gambar 8. Pola garis medan gelap pada spesimen 3 beban 350 N

Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (TonoSukarnoto dkk) 139

I .) vCW- •••-:••*'ISfrr-S r;

\. \

Gambar9. Polagaris medan terang padaspesimen 3 beban 350 N

Perhitungan

Hasil dari perhitungan yang didapat akan disajikandalam bentuk grafik yang menjelaskan hasil analisisterhadap benda uji. Dari model benda uji tersebut,distribusi tegangan yang akan dibahas adalah distribusitegangan sepanjang garis pengamatan seperti terlihatpada Gambar 8. Dengan mengambil titik pengamatansebagai fungsi sudut isoklinis dan ordt fringe maka akandihasilkan grafik sebagai berikut untuk model spesimenno 3 (Gambar 10 & 11).

Sudut

I | I |c | I 1 I | I I I 1 I I ' |» I—Tltlk Pengamatan123456789 LO

Gambar 10. Sudut Isoklinis padaspesimen 3

Fringe

Medanterang

Medan gelap

I | I 1 I | I | I | I | I 1 I | I | I I Nth Penganatan

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Gambar 11.Grafik ordo isokromat padaspesimen 3 beban350 N

140

Dengan menggunakan metode separasi tegangandiketahui at atau a2 serta x,2 pada permukaan bebasnilainya adalah nol. Distribusi tegangan yang terjadi darihasil eksperimental untuk setiap nomor fringe dapatdihitung sebagaiberikut:

/ \ . NTxy = V°"i ~ 0"2 jsm 2a = fr.— sin 2a

h(1)

dimana diketahui:

fr {ni\a\ fringe tegangan) = 11,2 kN/m [2]h(tebal spesimen) = 10mm =0,01mN (jumlahfringe)txy: Tegangan gesermaksimumo~|dan a2: tegangan utama

Berdasarkan rumus di atas, maka distribusitegangan xxy hasil eksperimental untuk setiap titikpengamatan untuk keempat spesimen dapat ditunjukkanpada grafik Gambar 12.

Perbandingan Tegangan Fotoelastisitas

Tegangan (MPa)2.00E+06

1.80E+06 ; r

1.60E+O8

1.40E+06

1.20E+06

1.00E+06

8.00E+05

6.00E+05

4.00E+05

2.00E+05

0.00E+00

-2.00E+05

•Spesimen 1

' Spesimen 2

-*-

Titik Pengamatan

- Spesimen 3

- Spesimen 4

Gambar 12. Grafik perbandingan tegangan-tegangan fotoelastisitasbeban 350N untukkeempat spesiemen.

Secara keseluruhan tegangan terbesar untukkeempat spesimen terjadi di titik pengamatan nol pinggirfilet dan makin mengecil dengan makin menjauhnya titikpengamatan, hal ini menunjukkan terjadinya konsentrasitegangan di daerah tersebut.

Tegangan maksimum terbesar terjadi padaspesimen no 1 (tanpa radius) dan yang terkecil padaspesimen no 4 (radius celah paling besar). Hal ini sesuaidengan teori bahwa konsentrasi tegangan akibatperbedaan geometri akan berkurang dengan pemberianradius filet.

Dalam perancangan baut pemberian radius yangselama ini diiakukan di bagian filet di leher baut, dapatdiubah dengan memindahkan letak radius di bagianbawah kepala bautdi sekeliling lehernya. Tentunya besarradius yang dapat diberikan bergantung kepada ukuranbautnya, selain itu perlu dipertimbangkan aspek mampubentuk iformability)dari materialbaut tersebut.

MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007,137-141

SIMPULAN

Berdasarkan analisis dari hasil eksperimental yangtelah dibahas, dapat diambil kesimpulan bahwapemberian filet dengan radius tertentu di sekeliling Ieherbaut efektif mengurangi konsentrasi tegangan di kepalabaut.

Radius filet 5 mm memberikan pengurangantegangan geser maksimum sampai 35 % dibandingkantanpa radius, sedangkan radius 2.5 mm mengurangitegangan maksimum sebesar 14%.

Radius filet pada kepala baut dapat menjadialternatif desain geometri untuk pengurangankonsentrasi tegangan selain dari radius filet di leher bautsebagaimana baut pada umumnya.

DAFTAR PUSTAKA

1,

4.

5.

A Ahlquist, I Ionescu, Moslehy; Stress reduction inGear Tooth using Photoelasticity and FiniteElement Analysis, Journal of ExperimentalTechniques, 2001,25 (5), pp 19-21.Durelli, A.J. ; AppliedStress Analysis ; Prentice -Hall ofIndia Private Limited; New Delhi; 1970.Zuccarello; Complete Isochromatic Fringe-orderAnalysis in Digital Photoelasticity by FourierTransform and Load Stepping, Strain InternationalJournal for Strain measurement, 2005,41 (2).Dally, James W. ; Wiliiam F. Riley ; ExperimentalStress Analysis (Third Edition) ; 1991, McGraw -Hill International Editions.

Srinath, L.S; M.R. Raghavan; K. Lingaiah; G.Gargesha; B. Pant; K. Ramachandra; Juvinall, R.C.;Experimental Stress Analysis; 1980, Tata McGraw -Hill Publishing Company Limited.

Analisis distribusi tegangan pada kepala baut dengan variasi.... (Tono Sukarnoto dkk) 141