PERENCANAAN PEGAS
4.2 Perencanaan Pegas Ulir Beban Berulang
Pegas yang mendapat beban berulang berfrekuensi tinggi seperti pada pegas katup, akan mengalami getaran dengan amplitudo yang besar jika frekuensi beban tersebut mendekati frekuensi pribadi pegas. Hal ini akan mengakibatkan patahnya pegas dalam waktu singkat. Untuk menghindari hal ini, frekuensi pribadi tingkat pertama dari pegas tidak boleh kurang dari 5,5 kali frekuensi pembebanan. (sebagai contoh, pada motor bakar 4-langkah, frekuensi pembebanan pegas katupnya adalah setengah bilangan putarannya.) frekuensi pribadi pegas ns (1/s) dapat dihitung dengan rumus :
Dimana
a : konstanta yang besarnya = ½ jika kedua ujung pegas tetap atu bebas, dan = ¼ jika satu ujung bebas dan ujung yang lain tetap.
d : diameter kawat (mm).
D : diameter lilitan rata-rata (mm) n : jumlah lillitan yang aktif
G : modulus geser : untuk baja = 8.000 (kg/mm²).
γ : berat jenis pegas ; untuk baja = 7,85 x 10-6 (kg/mm³).
Dalam hal pegas katup, Wl harus diambil cukup besar sehingga batang katup tidak sampai terlepas dari kamnya pada putaran tinggi .
Dibawah ini akan diuraikan hal pegas kawat musik dan kawat baja yang bebas atau tetap pada kedua ujungnya. Dalam hal dimikian dapat diambil a= ½ , G = 8.400 (kg/mm²) untuk kawat musik dan 8.000 (kg/mm²). Untuk kawat baja biasa, dan γ = 7,85 x 10-6 (kg/mm³). Maka frekuensi pribadi pegas, dalam jumlah putaran per menit adalah:
Selanjutnya :
Untuk kawat music, dan untuk kawat baja biasa :
Kerena :
Wl/k = δ (lendutan), maka δ Ns = 8190 τ/K untuk kawat music,
δ Ns = 8360 τ/K untuk kawat baja biasa.
Jika ΔW (kg) adalah pertambahan beban pegas karena katup diangkat maksimum setinggi h (mm), dan jika Δτ (kg/mm²) adalah pertambahan tegangan gesernya, maka :
dari percobaan diperoleh hubunagn antara τ dan Δτ sebagai berikut : Δτ = 30 – (τ/6)
Jadi untuk tegangan geser yang diizinkan τa, maka pertambahan yang diperbolehkan pada tegangan geser Δτa adalah:
Δτa = 30 – (τa/6)
Pada motor berputaran tinggi biasanya diperlukan 2 atau 3 pegas ulir yang dipasang secara konsentris untuk masing-masing katup, karena asatu pegas tidak cukup. Jika panjang pegas dinyatakan dengan Hf (mm), panjang terpasang dinyatakan dengan Hs (mm), beban awal terpasang dinyatakan dengan Wo (kg), dan lendutan awal terpasang dinyatakan dengan δo (mm), maka :
Hf – Hs = δo = Wo/k
Wl(kg) adalah beban pada lendutan maksimum, dan H1 (mm) adalah tinggi pegas pada lendutan maksimum, maka :
δ = Hf – Hl = h + δo = Wl /k
Wl = Wo + kδ
Hs = Hl + δ = Hl + ( Wl – Wo ) / k
Jika pegas dimampatkan hingga menjadi padat, maka panjang padat pegas Hc, untuk jumlah lilitan mati (untuk dudukan) pada ujung-ujungnya sebanyak 1 atau1,5 lilitan, adalah :
Hc = ( n + 1,5) d, atau Hc = (n + 2,3) d
Jika jumlah lilitan mati adalah 1, mak kelonggaran kawat Cs (mm) untuk keadaan awal terpasang, dan Ct pada lendutan maksimum adalah :
Cs = ( Hs – Hc ) / ( n + 1,5 )
Cl = ( Hl – Hc ) / ( n + 1,5 )
Untuk pegas katub disini dapat dapat diambil Cs = 1,0 – 2,0 (mm) dan C1 = 0,2-0,6 (mm), meskipun sebenarnya kelonggaran tersebut juga tergantung padsa besarnya diameter kawat dan diameter lilitan rata-rata.
Pegas tekan pada dasarnya merupakan kolom yang sangat lunak. Jika pegas cukup ramping, mak akan mudah terjadi tekukan. Hal ini tidak akan terjadi jika panjang bebasnya tidak lebih dari 6x diameter lilitan rata-rata, dan lendutannya tidak lebih dari
40 (%) panjang bebasnya atau jika panjang bebasnya adalah 8x diameter lilitan rata-ratanya dan lendutannya tidak lebih dari 20 (%) panjang bebasnya.
Pegas yang cenderung akan menglami tekukan, meskipun memenuhi persyaratan diatas, harus diberi batang atau pipa penjaga. Dalam hal demikian perlu diperhatikan keausan dan perubahan konstanta pegas yang dapat terjadi
Temperatur yang tinggi atau rendah dapat memberi pengaruh yang merugikan pada pegas. Pada temperature lebih rendah dari 46ºC dibawah 0, ada bahaya kegetasan pada baja. Dalam hal demikian beban tumpukan harus dihindari kecuali untuk pegas dari logam bukan besi. Temperatur kerja maksimum untuk baja pegas adalah 150ºC, asalkan tegangan yang diizinknan diambil dari 80 (%) dari harga pada temperatur ruangan. Untuk pegas inconel, temperatur kerja maksimumnya adalah 370ºC dengan kondisi seperti diatas, sedangkan unutuk pegas perunggu fospor adalah 75 ºC, dan untuk pegas baja tahan karat 260 ºC. Temperatur tinggi akan mengurangi modulus gesernya, sedangkan temperatur rendah akan memperbesarnya. Dalam perhitungannya perbedaan tersebut tidak perlu diperhatikan.
Disamping pegas logam, ada juga alat yang dipergunakan untuk mencegah dan meredam getaran. Ada beberapa jenis gabungan antara pegas logam dengan alat ini yang dapat meredam getaran dengan asangat baik, seperti diuraikan dibawah ini.
a) Pegas karet (gambar 1.36 ) mempunyai sifat menyerap getaran dengan
amplitude kecil karena elastisitasnya yang sangat besar. Pegas ini juga tidak cenderung untuk memperbesar getaran seperti pada pegas logam pada frekuensi pribadinya. Dengan dikembangkannya karet sintetis yang tahan minyak dan tahan panas serta kemajuan dalam teknik pengelasan karet pada permukaan logam, maka kini dapat dihasilkan karet pencegah getaran untuk tumpuan mesin. Karet sangat baik untuk mencegah penerusan getaran dan bunyi dari
sumbernya. Namun, karet mempunyai kelemahan karena menjadi lapuk dalam waktu yang relative pendek dibandingkan dengan logam, and kurang tahan terhadap minyak, asam, dan panas.
Gambar 1.36 Pegas Karet
b) Pegas udara (gambar 1.37) memanfaatkan sifat kompresibilitas udara yang dikurung dalam suatu bellows. Pegas ini umumnya dipakai pada kendaraan karena dapat menyerap getaran kecil-kecil lebih baik dari pada pegas logam. Keuntungannya yang lain adalah bahwa tinggi pegas dapat dibuat tetap meskipun bebannya berubah, dengan jalan mengatur tekanan udara didalam bellows. (bellows atau ubuhan berdinding tipis dan bergelombang seperti harmonica, sehingga mudah mengembang atau mengempis menurut tekanan yang ada didalamnya). Meskipun sifatnya sangat baik. Pegas udara merupakan alat yang rumit dan hanya dibuat dalam ukuran yang relative besar.
Gambar 1.37 Alat Peredam Getaran Yang Menggunakan Sebuah Pegas Udara ( Untuk
1. Reservoir udara
2. Katup pengatur
3. Ruang udara pembantu
4. Udara buangan
5. Bagian ekspansi berbentuk Belows
6. Roda
c) Peredam fluida umumnya berbentuk silinder dengan torak dan beris cairan yang umumnya berupa minyak. Silinder tersebut tertutup seluruhnya dan pagda torak terdapat lubang tembus sempit yang menghubungkan ruangan di kedua sisi torak tersebut. Jika torak bergerak, maka minyak akan berpindah melalui lubang sempit tersebut dengan tahanan besar, hingga gerakan torak akan terhambat.
Semakin besar kecepatan torak, semakin besar pula gaya yang menghambatnya. Dalam gambar 1.38 diperlihatkan suatu alat penggetar yang ditahan dengan pegas ulir dan peredam fluida. Peredam ini banyak dipakai, terutama pada kendaraan. Perlu dikemukakan pula bahwa peredam macam ini hanya dapat meredam gerakan, tetapi tak dapat menghentikannya tanpa pembatas lain.
Gambar 1.38 Keadaan eksentrik yang ditimbulkan oleh gerakan bolak-balik /
berputar yang tak balance dan peredaman getaran.
1. Pegas dari logam