2.1. Sistem Suspensi
Suspensi adalah kumpulan komponen tertentu yang berfungsi meredam kejutan, getaran yang terjadi pada kendaraan akibat permukaan jalan yang tidak rata yang dapat meningkatkan kenyamanan berkendara dan pengendalian kendaraan. Sistem suspensi kendaraan terletak di antara bodi (kerangka) dengan roda. Ada dua jenis utama suspensi yaitu :
a. Sistem suspensi dependen atau sistem suspensi poros kaku (rigid)
Roda dalam satu poros dihubungkan dengan poros kaku (rigid), poros kaku tersebut dihubungkan ke bodi dengan menggunakan pegas, peredam kejut dan lengan kontrol (control arm). Awalnya semua kendaraan menggunakan sistem ini. Sampai sekarang sebagian besar kendaraan berat seperti truck, masih menggunakan sistem ini, sedangkan kendaraan niaga umumnya menggunakan sistem ini pada roda belakang. b. Sistem suspensi independen atau sistem suspensi bebas.
Antara roda dalam satu poros tidak terhubung secara langsung, masing-masing roda (roda kiri dan kanan) terhubung ke bodi atau rangka dengan lengan suspensi (suspension arm), pegas dan peredam kejut. Goncangan atau getaran pada salah satu roda tidak memengaruhi roda yang lain.
Umumnya kendaraan penumpang menggunakan sistem ini pada semua poros rodanya, sedangkan kendaraan niaga umumnya menggunakan sistem ini pada roda depan sedangkan pada poros roda belakang menggunakan sistem suspensi dependen pada poros roda belakang. Tipe MacPherson strut dan double-wishbone termasuk dalam jenis sistem ini.
2.1.1. Pegas
Pegas banyak dipakai untuk berbagai konstruksi mesin harus mampu memberikan gaya, melunakkan tumbukan, menyerap, dan menyimpan energi agar dapat mengurangi getaran.
Pegas merupakan elemen elastis. Dimana pegas tersebut dapat terdeformasi pada waktu pembebanan dengan menyimpan energi, bila beban dilepaskan pegas akan kembali seperti sebelum terbebani. Dengan sifat pegas yang elastis, pegas berfungsi untuk menerima getaran atau goncangan roda akibat dari kondisi jalan yang dilalui dengan tujuan agar getaran atau goncangan dari roda tidak menyalur ke bodi atau rangka kendaraan.
Pegas haruslah memiliki kemempuan untuk mengalami defleksi elastis yang besar. Defleksi adalah gaya tekan/tarik yang menyebabkan pegas akan memanjang atau memendek.
Adapun macam-macam pegas adalah sebagai berikut: a. Pegas tekan
b. Pegas tarik c. Pegas puntir d. Pegas volut e. Pegas daun f. Pegas piring g. Pegas cincin
h. Pegas torsi atau sambungan puntir
2.1.2. Fungsi pegas
1. Menyimpan Energi
Pegas yang berfungsi utama menyimpan energi, sebagai contoh penggerak dari jam, drum penggulung dan alat mainan, sebagai pengarah balik dari katup dan batang pengendali.
2. Melunakkan Kejutan
Pegas yang berfungsi untuk melunakkan tumbukan antara lain sebagai pegas roda, gandar, dan pegas kejut pada kendaraan bermotor.
3. Pendistribusian Gaya
Pegas yang berfungsi untuk mendistribusikan gaya, antara lain pada pembebanan roda dai kendaraan dan landasan mesin dan sebagainya. 4. Elemen Ayun
Pegas yang berfungsi untuk elemen ayun, yaitu sebagai pegas pemberat, dan penyekatan ayunan serta sebagai pembalik untuk penghentian dari ayunan.
5. Pembatasan Gaya
Pegas yang berfungsi untuk pembatasan gaya pada mesin pres. 6. Pengukur
Pegas yang berfungsi sebagai pengukur seperti pada timbangan 2.1.3. Pegas Tekan
Gambar 2.2. Pegas tekan
Tegangan yang terjadi pada penampang A pada gambar pegas tekan diatas dapat ditulis sebagai berikut :
Tegangan maksimal = tegangan puntir + tegangan geser
τ mak =
τw+τs=
T .rj +FA
=
1+ d 2.D 8.F . D
π2 ¿
)
Dimana :
τ mak = tegangan geser total pada pegas, N/m2 F = gaya aksial (tarik atau tekan ), N
D = diameter rerata pegas, mm d = diameter kawat pegas, mm
suatu pendudukan yang tinggi terhadap patah lelah. Pada pegas baja maka disini digunakan baja pegas kususu, yang kekuatannya disamping kekerasaannya dapat sangat ditingkatkan melalui pengukuran khusus. Baja pegas yang umum dipakaikan tinggi (kawat tipis ) dan suhu temperature rendah (250-350°C) disamping itu dapat dipertinggi lagi melalui pembebanan lebih sebaliknya suatu kekuatan ayunan yang tinggi dapat dapat diperoleh melalui suhu temperature tinggi (350-500°C), melalui penekanan berulang setelah itu , dan dengan penggunaan baja listrik bernilai tinggi dari baja-SM; selanjutnya dengan mencegah atau menghindari pendinginan keliling atau pendinginan setelah dikeraskan; selanjutnya dengan dislip halus atau permukaannya dipoles dengan baik atau dengan mengendapkan atau memperkuat permukaannya( melalui tekanan tau penyemburan peluru sampai 100% lebih tinggi. Sebaliknya kekuatan ayunan dari pegas dikurangi oleh alur penarikan atau penggilisan, menimbulkan terak dan penyerpihan, pendinginan keliing yang kuat atau tempat yang atau tempat yang kelebihan sementasi (penggerusan kuat ) serta tempat yang digesek. Berdasarkan analisa tegangan yang dilakukan, dapat menentukan sekaligus menjawab mengapa kegagalan yang terjadi, yaitu dengan adanya kerusakan berupa fretting, menyebabkan perubahan dimensi permukaan kawat pegas,sehingga tegangan nominal yang bekerja melebihi daerah aman batas lelahnya, juga daerah fretting merupakan daerah yang sangat sensitif terhadap retak lelah. Penyebab kegagalan pada kasus ini dapat dikatagorikan sebagai kesalahan proses pengerjaan dan kesalahan design,karena adanya perubahan ukuran besar butir dalam strukturmikro dimana fasa karbida dalam matrikmartensit temper pada daerah permukaan kawat- pegas, lebih kasar dari daerah bagian dalam penampangnya. Serta kurangnya lilitan mati diantara lilitan aktip dari pegas sehingga ujung lilitan menjadi titik konsentrasi.
Bogie merupakan sistem kesatuan roda pada kereta api, baik di kereta berpenggerak maupun non penggerak. Bogie pada umumnya dipakai untuk roda yang jumlahnya lebih dari 2 gandar dalam satu kereta.
Bogie adalah suatu konstruksi yang terdiri dari dua perangkat atau lebih yang digabungkan oleh rangka yang dilengkapi dengan sistem pemegasan, pengereman, atau tanpa peralatan penggerak dan anti selip serta keseluruhan berfungsi sebagai pendukung rangka dasar dari badan kereta. Bogie dapat di lepas dan dipasangkan kembali jika sedang dilakukan tersebut. Berikut fungsi secara umum dari bogie.
1. Meningkatkan kapasitas muat
Suatu kereta/gerbong yang menggunakan bogie mempunyai kapasitas muatan dua kali lipat atau lebih dibandingkan dengan kereta/gerbong dua gandar. Dengan demikian daya angkut meningkat, yaitu jumlah penumpang untuk kereta dan tonase untuk gerbong barang. Terlebih lagi apabila digunakan sistem duo bogie (8 gandar). Pada gerbong barang maka daya muatannya akan meningkat menjadi 4 kali lipat. Walaupun demikian, bila gaya impak atau ketidakrataan rel yang dapat menimbulkan beban berlebih (overload) dari yang direncanakan, sehingga berakibat alas pembatas (stooper baja) bersentuhan.
2. Memudahkan perjalanan melalui tikungan.
Kebutuhan angkutan memerlukan kapasitas tempat duduk yang besar pada karet, KRL dan KRD ; kebutuhan angkutan barang dengan volume besar serta meningkatnya
panjang akan mudah pada waktu melalui tikungan, karena adanya sumbu tempat berputar antara bogie dan body, yang disebut pivot. Demikian juga pada waktu sarana melalui wesel untuk berpindah jalur bogie akan berputar terhadap body sesuai dengan radius lengkung jalan rel yang di lewati.
3. Meningkatkan kecepatan dan kenyamanan kendaraan.
Konstruksi bogie memungkinkan pemakaian/pemasangan susunan pegas yang lebih banyak antara roda dan rangka bogie serta antara bogie dengan body (badan) sarana kereta api. Dengan adanya pemasangan pegas yang lebih banyak maka kenyamanan akan meningkat, dengan demikian kecepatan kereta api juga dapat ditingkatkan. Pemegasan pada bogie. Pada umumnya sistem pemegasan sarana bergandar dua bogie yang terdiri dari sistem pemegasan primer dari sistem pemegasan sekunder lebih sempurna dibandingkan dengan kendaraan rel tanpa bogie (bergandar dua) yang hanya mempunyai satu tingkat pemegasan saja. Pemegasan yang dimaksud adalah terdiri dari pegas dan peredam. Pegas dapat berupa pegas ulir, pegas daun (leaf spring), pegas torsi (torsion spring), pegas karet (rubber spring) atau pegas udara (air spring) sedangkan peredam dapat berupa peredam hidraulis atau peredam gesek.
a. Sistem pemegasan primer
Yang dimaksud dengan sistem pemegasan primer adalah pemegasan antara perangkat roda dan rangka bogie. Fungsi dari sistem pemegasan primer adalah untuk menampung kejutan-kejutan, gaya-gaya impak langsung akibat ketidak rataan rel, sambungan rel, wesel dan gangguan lain, karena perangkat roda adalah bagian yang langsung berinteraksi dengan jalan rel (track). Pada pemegasan primer terdapat alas pembatas gerak (stooper) yang di usahakan dalam tingkat desain agar tidak saling bersentuhan. Namun bila terjadi gaya impak yang berlebihan atau ketidakrataan yang berlebihan (overload) dari yang direncanakan maka alat pembatas bisa saling bersentuhan.
Sistem pemegasan sekunder, adalah sistem pemegasan antara badan kendaraan dengan rangka bogie. Pemegasan sekunder berperan penting dalam menentukan kualitas kenyamanan sarana, disamping dilengkapi oleh pemegasan primer. Pada sistem pemegasan sekunder dilengkapi dengan peredam kejut baik pada arah vertikal maupun arah leteral. Gangguan-gangguan dari ketidakrataan rel, kejutan-kejutan, impak, gerakan, dan gaya-gaya ditikungan, serta gerakan sinusoida [snake motion] pada jalan lurus akan diredam oleh sistem pemegasan sekunder untuk kemudian baru dirasakan oleh badan kendaraan. Walaupun demikian, bila gaya impak atau ketidakrataan rel yang dapat menimbulkan beban berlebih (overload) dari yang direncanakan, sehingga berakibat alas pembatas (stooper baja) bersentuhan. Meskipun demikian menyentuhnya stooper harus diusahakan sejarang mungkin. Selain dari sistem pemegasan, maka gangguan juga dapat diatasi konstruksi ayunan, konstruksi pendulum atau konstruksi tilting. Akibat gaya tarik tekan menyebabkan pegas akan memanjang atau memendek. Pemanjangan atau pemendekan pegas ini disebut dengan defleksi pegas. Besarnya defleksi pegas ulir dapat diturunkan dengan cara analisis deformasi kawat pegas akibat puntiran.
2.3.2. Jenis – Jenis Bogie
1. Bogie Pennsylvania (K2)
Gambar 2.1. Bogie Pennsylvania (K2) Sumber : www.semboyan35.com 2. Bogie Cradle (K3)
Bogie ini juga sudah hampir punah, masih ada pada kereta ukur DINW-1 atau U-25301 buatan tahun 1925 yang telah mengalami modifikasi dari plain bearing menjadi roller bearing , dan sekarang berada di BY MRI. Selain itu, KA Inspeksi Divre I Sumatra Utara juga menggunakan bogie Cradle. Pegas primer dikombinasikan dengan pegas ulir, sedangkan pegas sekunder menggunakan pegas daun tanpa dilengkapi peredam kejut. Dengan adanya konstruksi bogie, maka kendaraan yang panjang akan mudah pada waktu melalui tikungan, karena adanya sumbu tempat berputar antara bogie dan body, yang disebut pivot atau bantalan karet sebagai pelunak dudukan pada bogie.
Gambar 2.2. Bogie Cradle (K3)
3. Bogie SIG atau NT 504 (K4)
dilengkapi peredam kejut yang berfungsi juga sebagai pengarah gandar (axleguide), sedangkan pegas sekunder menggunakan pegas torsi tanpa peredam kejut.
Gambar 2.3. Bogie SIG atau NT 504 (K4)
4. Bogie NT 11 (K5)
sepenuhnya dirancang dan dibat PT INKA yaitu TB 398 ( Triler Bogie desain K3 tahun1998).
Gambar 2.4. Bogie tipe NT 11 (K5)
5. Bogie Ferrostahl (K6)
Gambar 2.5. Bogie Ferrostahl (K6) 6. Bogie Gorlitz (K7)
Bogie Gorlitz digunakan pada kereta eksekutif, bisnis, maupun ekonomi dengan populasinya yang tidak begitu banyak. Pegas primer maupun sekunder menggunakan pegas ulir dan dilengkapi dengan peredam kejut arah vertical dan lateral. Bogie Gorlitz merupakan bogie yang tidak mengunakan pelat gesek sebagai pengarah periuk gandar.
Bogie ini mengunakan pegas ulir sebagai primer maupun sekunder, yang dilengkapi dengan peredam kejut arah vertikal pada pemegasan sekunder Pemegasan yang dimaksud adalah terdiri dari pegas dan peredam. Pegas dapat berupa pegas ulir, pegas daun (leaf spring), pegas torsi (torsion spring), pegas karet (rubber spring) atau pegas udara (air spring).
Gambar 2.6. Bogie Gorlitz (K7)
7. Bogie NT 60 (K8)
kejut. Bogie NT 60 merupakan bogie pertama, tanpa menggunakan pelat gesek pada pengarah gandar maupun batang ayun.
Gambar 2.7. Bogie NT 60 (K8)
8. Bogie Bolsterless (K9)
Gambar 2.8. Bogie Bolsterless (K9)
Gambar 2.9. Bogie tipe NT 11 (K5) yang terpasang pada gerbong penumpang
Gambar 2.10. Kode Bogie pada kereta
Pada samping salah satu pintu akan tertera angka dan huruf misalkan D, 39, 5 ( seperti pada gambar 10 ). Angka “5” ini lah yang menunjukkan bahwa kereta tersebut menggunakan bogie tipe K-5.
Bogie gerbong barang dibuat lebih sederhana dibanding bogie penumpang, yaitu hanya menggunakan satu tingkat pemegasan saja, sebagai contoh :
a. Bogie Kuda kepang
Gambar 2.11. Bogie kuda kepang b. Bogie Ride Control
Bogie ini adalah jenis bogie jenis “ three piece bogie “ yang mempunyai rangka fleksible dari baja tuang, menggunakan pegas ulir dan peredam gesek yang bersifat konstan. Bogie Ride Control digunakan pada berbagai jenis gerbong, yaitu gerbong tertutup ( GGW ), Gerbong pasir ( YYW ), gerbong balas ( ZZOW ), gerbong semen ( TTW ) dan gerbong ketel ( KKW ). Gerbong yang menggunakan bogie Ride Control dibuat oleh pabrik ARAD Rumania, Sumitomo, dan Korea.
c. Bogie Barber
Gambar 2.12. Bogie Barber
2.3.3. Gerbong
Kendaraan untuk pengangkut barang disebut gerbong, persiaratan teknis gerbong tidak terlalu menuntut untuk kecepatan dan kenyamanan. Kontruksi yang diperlukan adalah untuk menjaga agar barang yang di angkut utuh dan tidak rusak sampai tujuan. Untuk mendapatkan hasil muatan optimal menjadi ukuran keberhasilan rancangan bangun gerbong.
Yang selalu menjadi perhatian dalam pembuatan gerbong adalah optimal dan bongkar muat dapat dilakukan dengan cepat. Untuk mendapat optimal berat kontruksi gerbong harus di buat seringan mungkin namun tetap harus menggunakan bahan yang tepat agar biaya investasi tidak terlalu besar.
Komponen kontruksi gerbong merupakan bagian gerbong yang memiliki fungsi masing-masing pada saat beroperasi, komponen utama gerbong antara lain adalah rangka dasar (underframe), penguat (rib), dan wadah(body). Rangka kereta api merupakan satu kesatuan kontruksi baja yang di las,salah satunya adalah rangka dasar yang terduri dari penyangga bagian kereta (bolster), balok ujung (end sill), blok samping (side sill),balok melintang (cros beam). dan penyangga peralatan bawah lantai.
melalui penguat dan diteruskan ke rangka dasar. sedangkan wadah merupakan plat yang di bentuk sedemikian rupa agar dapat menampung muatan. Karena berkontak langsung dengan muatan, maka rentan terjadi defleksi tegangan yang diakibatkan oleh berat muatan. Maka dari itu ketebelan plat wadah sangat mempengaruhi umur gerbong. Material yang digunakan dalam pembuatan gerbong adalah JIS SN 490 dan JIS SS 400 yang merupakan baja roll campuran carbon rendah.
2.3.4. Getaran (Vibration)
Getaran adalah gerakan bolak balik melalui suatu titik tertentu. Bunyi dapat didefenisikan sebagai getaran yang terdengar, bunyi diatur oleh laju energi yang ditransmisikan sepanjang gelombang. Secara singkat analisa bunyi merupakan analisa getaran. Setiap komponen-komponen mesin yang bergerak mengandung massa dan elastisitas yang mampu bergerak secara relatif dan menimbulkan getaran. Apabila getaran sistem seperti ini berulang sendiri dalam interval waktu tertentu maka gerakan itu dikenal sebagai getaran(vibration).
Getaran merupakan bentuk energi sisa dan pada berbagai kasus tidak diinginkan. Khususnya hal ini benar pada mesin-mesin, karena getaran menimbulkan bunyi merusak bagian mesin dan memindahkan gaya yang tidak dinginkan dan menggerakkan benda didekatnya.
Dari pengertian diatas kita dapat mendefenisikan getaran sebagai gerak bolak balik yang berlangsung secara periodik melalui titik keseimbangan, sedangkan gelombang adalah gelombang yang merambat. 2.3.5. Periode Getaran dan Frekuensi Getaran
Frekuensi getaran getaran bisa di defenisikan sebagai banyaknya getaran yang dilakukan persatuan waktu. Jika suatu benda melakukan 4 (empat) getaran dalam waktu 1 sekon, maka kita katakan bahwa frekuensi getaran benda tersebut adalah 4 getaran/sekon atau 4 Hz. Jika sebuah benda bergetar sebanyak (t) kali dalam waktu (t) sekon, maka frekuensi getaran benda dapat ditentukan sebagai berikut :
f = n t(Hz)
f = frekuensi getaran (Hz) merupakan kebalikan dari periode. Sebuah benda yang periode getarannya
2 sekon memiliki frekuensi getaran 1
2.4. Kajian Penelitian yang Relevan
Telah dilakukan penelitian oleh Bayu Janoko, Triyono, Eko Prasetya Budiana pada tahun 2014 dengan judul “Analisis Kegagalan Pegas Ulir Pada Bogie Tipe NT11 (K5) Untuk Gerbong Kereta Ekonomi (K3)”. Hasil penelitian yang telah dilakukan :
Kegagalan pegas ulir pada bogie NT 11 (K5) untuk gerbong kereta api ekonomi (K3) merupakan salah satu penyebab kecelakaan kereta api. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan penyebab kegagalan dan solusi alternatif yang dapat dilakukan untuk mengurangi kecelakaan. Bahan yang digunakan adalah baja pegas JIS SUP 9. Pengujian karakteristik fisik melalui uji komposisi kimia, pengamatan struktur makro – mikro, dan pengamatan dengan menggunakan SEM, sedangkan pengujian karakteristik mekanik melalui uji tarik – geser, uji tekan , uji impak, dan uji kekerasan . Metode unsur yang terbatas digunakan untuk menentukan distribusi tegangan pada pegas ulir. Hasil analisa kegagalan pegas ulir pada bogie NT 11 (K5) untuk gerbong kereta ekonomi sebagai berikut: 1) komposisi kimia penyusun material pegas ulir seperti 2.010% Si, 1.090% Cr, 0,073% P lebih tinggi standar bahan baja JIS SUP 9 sehingga meningkatkan kekerasan, sedangkan 0,035% Cu lebih rendah dari bahan baja standar JIS SUP 9 yang menyebabkan korosi. 2) celah sebesar 10 mm membuat pegas menjadi aktif sehingga tegangan tertinggi berada dibagian yang menyebabkan area retakan berada di daerah ini. Solusinya adalah 1) Si, Cr, Cu dan elemen P itu harus disesuaikan dengan standar JIS SUP 9. 2) membuat celah antara lilitan paling ujung dengan lilitan bawahnya sebeesar 1 mm.
2.5.Kerangka Konseptual
a.Tahap Persiapan
b. Tahap Pengumpulan Data
Metode pengumpulan data diperoleh dari instansi yang berkaitan yaitu pada PT. Kereta Api (Persero) Pulo Brayan Medan. Adapun data – data yang digunakan sebagai berikut
1. Data uji kekuatan
2. Data spesifikasi peralatan
3. Data hasil penggunaan bogie dari operator
c. Pengujian Kekuatan dengan Mesin Rockwell
Untuk mesin Rockwell pengamatan dan prosedur tetap merupakan syarat untuk menentukan kekuatan. Variable yang harus diperhatikan pada saat penggunaan mesin Rockwell adalah kekuatan pegas bogie dengan luas penampangan yang bervariasi.
d. Perhitungan Tegangan geser, frekuensi getaran
Untuk menganalisis tegangan geser dari pegas bogie dan menganalisis frekuensi getaran pada gerbong.
e. Kesimpulan
