Analisa Permukaan Patah Pegas Ulir Suspensi Depan Mobil
Sedan
Analysis on The Surface of Broken Screw Spring Front Car
Suspension
Husaini, Nurdin Ali, dan Agustian Bakhtiar
Laboratorium Mekanika Komputasi,Program Studi Teknik Mesin, Fak. Teknik-Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syeh Abdurrauf No. 7 Darussalam – Banda Aceh 23111
Phone/Fax:+62-651-7428069 E_mail: [email protected]; [email protected]
Abstrak - Pegas ulir adalah salah satu komponen elastisitas utama dari sistem suspensi kendaraan. Pada kondisi
pengaplikasiannya, pegas ulir dapat mengalami kegagalan akibat ketidak mampuan dalam menahan beban. Penyebab kegagalan tersebut perlu di kaji secara akademis lebih lanjut. Penelitian ini bertujuan mengetahui penyebab kegagalan pegas ulir dengan menganalisa permukaan patah. Untuk keperluan itu telah dibuat 3 (tiga) jenis spesimen, ditujukan untuk pemeriksaan komposisi kimia, pengujian kekerasan dan pengamatan permukaan patah serta di hitung tegangan geser yang terjadi pada pegas. Hasil pengujian menunjukkan kekerasan permukaan dalam pegas lebih keras dari penampang pegas. Selanjutnya, hasil analisa permukaan patah, menunjukkan kegagalan yang terjadi pada pegas ulir adalah patah fatique yang di tandai dengan adanya awal retak dan garis-garis pantai. Awal retak terjadi akibat pemusatan tegangan pada satu titik yang disebabkan karena adanya keausan fretting.
Kata kunci : pegas ulir, analisa permukaan patah, kegagalan fatik
Abstract – Coil spring is one of the main components of the elasticity of the suspension system of the vehicle. On
the conditions of application, the Coil spring can fail due to an inability in holding the load. This research aims to know the cause of the failure of the screw spring with broken surface analyses. For the purposes that have been made in three types, devoted to an examination of the chemical composition, hardness testing, and fracture surface analysis and calculate the shear stress that occurs in the spring. The test results indicated the hardness of the surface in the spring is stiffer than the surface of a spring. Furthermore, the results of the analysis of the surface broken, indicating a failure that occurred on a spring screw is fatigue failure in the mark early by the presence of cracks initiation and benchmark. Crack initiation occurred because the concentration at one point caused due to fretting on spring surface.
Keywords : screw spring,fracture surface analysis, fatigue analysis
I. PENDAHULUAN
Pegas ulir merupakan sebagai salah satu komponen elastisitas utama dari sistem suspensi suatu kendaraan [1]. Suspensi diharapkan bukan hanya mampu menahan getaran namun juga dapat menahan beban akibat beberapa manuver kendaraan seperti halnya saat percepatan, pengereman ataupun pembelokan saat berada di jalan. Artinya suatu pegas suspensi harus mampu menahan, mengurangi, dan menyerab beban impak, beban puntir dan beban siklik [2].
Pada kondisi pengaplikasiannya, pegas ulir sering kali mengalami gagal lelah yang diakibatkan atas ketidak mampuan dalam menahan beban dinamis. Sering kali hasil dari gagal lelah pegas ulir disebabkan oleh beberapa faktor yang ditengarai yaitu: cacat bahan baku, ketidak sempurnaan permukaan, proses perlakuan panas yang tidak tepat, dan korosi [2,3,4].
Kegagalan akibat fatik merupakan mekanisme patah getas yang terdiri dari 3 tahap, yaitu tahap awal
terjadinya retakan, tahap penjalaran retakan, dan tahap akhir atau patah [5].
Menurut beberapa hasil penelitian yang dilakukan Zhu et. al terkait kegagalan fatik pada pegas ulir ditemukan bahwa adanya cacat kerena kontak fisik dan gesekan menyebabkan pegas ulir patah [1]. Kemudian penelitian yang dilakukan oleh Kosec et. al ditemukan bahwa kegagalan fatik pada pegas ulir terjadi akibat korosi yang terdapat pada posisi patahan [6].
Berdasarkan beberapa penelitian yang telah disebutkan di atas dapat diperkirakan bahwa terdapat beberapa faktor penyebab terjadinya kegagalan pada pegas ulir. Oleh karena itu, penyebab kegagalan tersebut perlu di kaji secara akademis lebih lanjut dengan menganalisa permukaan patah. Penelitian ini bertujuan menganalisa penyebab kegagalan pada pegas ulir melalui analisa permukaan patah pegas ulir. Diharapkan hasil dari analisa nantinya dapat menemukan penyebab kegagalan fatik yang terjadi pada pegas dan dapat memberikan rekomendasi
II. TINJAUAN PUSTAKA
Pegas adalah elemen mesin flexibel yang digunakan untuk memberikan gaya, torsi, dan juga untuk menyimpan atau melepaskan energi. Energi disimpan pada benda padat dalam bentuk twist, stretch, atau kompresi. Energi di-recover dari sifat elastis material yang telah terdistorsi. Pegas haruslah memiliki kemampuan untuk mengalami defleksi elastis yang besar. Beban yang bekerja pada pegas dapat berbentuk gaya tarik, gaya tekan, atau torsi (twist force). Pegas umumnya beroperasi dengan ‘high working stresses’ dan beban yang bervariasi secara terus menerus [7].
Pegas ulir umumnya terbuat dari kawat bundar, dililitkan lurus, Bentuk silindris dengan jarak bagi konstan antara lilitan satu dengan lilitan berikutnya. Panjang pegas tanpa beban disebut panjang bebas. bila dikenakan gaya tekan, lilitan-lilitan pegas tertekan semakin dekat sampai semua bersinggungan, dan pada saat itu panjang pegas minimum dan disebut panjang solid [7].
Gambar 1. Pegas ulir tekan dan notasi untuk
panjang dan gaya
Lelah adalah bentuk kegagalan yang terjadi pada struktur mengalami tegangan dinamis dan berfluktuasi (misalnya, jembatan, komponen pesawat, dan mesin). Dalam keadaan ini memungkinkan kegagalan terjadi pada tingkat tegangan yang lebih rendah dari kekuatan tarik atau yield pada beban statis. Istilah "Lelah" digunakan karena jenis kegagalan ini biasanya terjadi setelah tegangan atau siklus regangan yang berulang dalam waktu yang lama [8].
Tabel 1. Bentuk permukaan perpatahan [8]
III. METODE PENELITIAN
A. Material
Dugaan awal material pegas ulir yang diuji adalah ASTM A227 sesuai dengan standat material yang umum di gunakan untuk pembuatan pegas.
Standar komposisi material ASTM A227 dapat di lihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Komposisi Material ASTM A227
C Si Mn Cr P S 0.45- 0.85 0,15- 0,35 0.30- 1.30 0,03
Standar sifat mekanik material ASTM A227 dapat di lihat pada Tabel 3.
Tabel 3. Sifat Mekanik ASTM A227
Modulus Geser, G (Gpa) Modulus Tarik, E (Gpa) Density 3 g/cm Teganggan Geser, (Mpa) 7700 700 B. Persiapan Spesimen
Pengujian komposisi kimia akan dilakukan dengan menggunakan mesin Scanning Electron Microscope, Enrgy Dispersion X-ray Spectroscopy (SEM, EDS), bentuk spesimen uji komposisi kimia dapat di lihat pada Gambar 2.
Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui nilai kekerasan pegas ulir dengan metode pengujian kekerasan Vikers, bentuk spesimen uji kekerasan dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Spesimen uji kekerasan
Spesimen uji Scanning Electron Microscope (SEM) diambil pada permukaan pegas yang mengalami kegagalan/ patah, spesimen uji SEM dapat di lihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Spesimen uji Spesimen uji Scanning
Electron Microscope (SEM)
C. Prosedur Pengujian
Sebelum melakukan pengujian, spesimen terlebih dahulu dibentuk. Tujuan dibentuk adalah untuk mendapatkan bentuk spesimen uji sehingga mempermudah dalam pengujian. Pengujian komposisi kimia di lakukan dengan mengunakan SEM / EDS.
Kekerasan diuji menggunakan metode pengujian kekerasan Vickers dengan standart ASTM E92. Prinsip pengujian dengan melakukan penjejakan atau indetasi pada sampel, dengan indentor intan berbentuk piramida dengan kemiringan sekitar 136. Pada pengujian ini benda uji ditekan dengan gaya yang telah ditetapkan pada alat uji vickers yaitu 10 kg serta waktu penekanan 15 detik.
Titik pengujian kekerasa permukaan pegas ulir dapat di lihat pada Gambar 5. dimana permukaan pegas ulir terdiri dari beberapa sisi. (T) adalah sisi bagian atas sumbu pegas, (I) adalah sisi bagian dalam
sumbu pegas, (B) adalah sisi bagian bawah sumbu pegas, dan (O) adalah bagian luar sumbu pegas [4].
Gambar 5. Titik pengujian kekerasan permukaan
dalam
D. Analisa Permukaan Patah
Analisa permukaan patah telah dilakukan dengan dua metode pengamatan, pengamatan pertama dilakukan analisa visual dan pegamatan kedua dilakukan pengamatan dengan alat bantu foto SEM. Pada pengujian ini mesin yang di gunakan adalah Hitachi TM 3000 Tabletop SEM.
E. Analisa Tegangan Geser
Analisa mekanik adalah salah satu cara untuk mengetahui penyeb kerusakan pada pegas ulir akibat beban berlebih. Analisa tenggangan benban puntir yang terjadi pada pagas ulir, pada perhitungan akan di cari beban puntir minimum dan beban puntir maksimum. Setelah didapatkan nilai beban puntir maksimum akan di sesuaikan dengan beban puntir ijin ASTM A227 (700 N/mm2) agar dapat mengetahui beban puntir yang berkerja pada komponen pegas ulir tersebut masih dalam kondisi daerah aman terhadap gagal lelah.
Untuk mengetahui apakah beban dinamis yang berkerja pada komponen pegas ulir masih dalam kondisi daerah aman terhadap patah lelah, maka digunakan diagram Goodman.
(1) (2)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Komposisi Kimia
Data yang didapatkan dari pengujian SEM/EDS akan di sesuaikan dengan standar komposisi material pegas. Dari hasil pengujian komposisi kimia dapat dinyatakan bakwa komposisi yang didapat mendekati standart material ASTM A227 seperti yang di
Material C Mn P S Si Cr Baja Pegas 0.36 0.6 0 0,02 0.06 0,09 ASTM A227 0.45- 0.85 0.30- 1.30 0.04 0,05 0.15- 0.35 0.03 Nilai Ke k er as an ( HVN)
Tabel 4. Perbandingan komposisi spesimen baja
pegas dengan ASTM A227
Hasil pengujian komposisi kimia dapat dinyatakan bahwa material pegas ulir seperti yang telah ditunjukkan pada Tabel 4. yakni mendekati dengan standar ASTM A227 seperti unsur C, P, S dan Mn. Unsur seperti Si dan Cr tidak memenuhi standart ASTM A227. Baja pegas sebenarnya tidak mempunyai kekerasan tinggi sebagai sifat utamanya. Sifat utama dari baja pegas yang dipakai adalah elastisitasnya [17]
Baja pegas sesuai standar ASTM A227 memiliki kandungan Carbon (C) 0,45% - 0,85%, dimana dari hasil uji komposisi 0.36% yang telah masuk sesuai standar dan dapat digolongkan sebagai baja karbon menengah. Unsur Sulfur (S) pada baja pegas berfungsi untuk membentuk inklusi dan tingginya kadar unsur tersebut bisa menurunkan keliatan (ductility) baja dan meningkatkan kemungkinan retak. Hasil uji komposisi telah sesuai dengan standar ASTM A227 yakni sebesar dimana dari hasil uji komposisi 0.02%. Baja pegas sesuai standar ASTM A227 memiliki kandungan Posfor (P) 0,04%, dimana dari hasil uji komposisi 0%, telah sesuai standart. Unsur Silikon (Si) pada baja pegas berfungsi untuk meningkatkan sifat mampu keras. Silikon (Si) yang tidak sesuai akan menyebabkan baja pegas mudah retak. Baja pegas sesuai standar ASTM A227 memiliki kandungan Silikon (Si) 0.15%-0.35%, dimana dari hasil uji komposisi kandungan Silikon (Si) 0.06%. Kandungan Silikon (Si) pada baja pegas sangat rendah dibandingkan dengan standar ASTM A227 sehingga mampu keras pada baja pegas menurun dan menimbulkan baja pegas mudah cacat. Unsur Mangan (Mn) pada baja pegas berfungsi untuk meningkatkan keuletan. Sesuai standar ASTM A227 kandungan Mangan (Mn) 0.30%-1.30%, sedangkan hasil dari uji komposisi adalah 0,60%.
B. Uji Kekerasan
Grafik distribusi kekerasan pada permukaan dalam pada setiap titik ditampilkan pada Gambar 4.1. Hasil analisa pengujian kekerasan pada permukaan dalam pegas ulir menunjukkan distribusi kekerasan permukaan dalam pegas ulir cenderung tidak merata. Titik 1 menunjukkan nilai kekerasan terendah (289 HVN), titik 2 menunjukkan nilai kekerasan mulai meningkat (382 HVN), titik 5 menunjukkan nilai kekerasan tertinggi (455 HVN), dan distribusi kekerasan pada titik selanjutnya cendrung merata sampai pada titik 9 (434 HVN).
Hasil analisa pengujian menunjukkan kekerasan yang lebih rendah pada daerah permukaan, dan semakin tinggi kekerasannya untuk daerah yang lebih jauh dari permukaan. Hal ini tidak sesuai dengan distribusi baja pada umumnya.
Peningkatan kekerasan yang cukup signifikan pada daerah permukaan,dan semakin rendah kekerasan untuk daerah yang lebih jauh dari permukaan [14]. Dikarenakan perlakuan panas dan pengerasan permukaan pegas.
Kekerasan Permukaan Pegas Ulir
500 400 300 200
100 kekerasan pegas ulir 0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Jarak Dari Permukaan (mm)
Gambar 5. Nilai kekerasan vikers (HVN)
Pengujian kekerasan penampang spesimen pegas ulir menghasilkan nilai kekerasan permukaan pegas rata-rata yaitu 345 HVN di bagian T pegas, 417 HVN di bagian I pegas, 328 HVN di bagian B pegas dan 429 HVN di sisi bagian O pegas. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Hasil tersebut sesuai dengan nilai kekerasan standar ASTM A227, yakni 310-543 HVN. Nilai kekerasan yang terlalu besar menyebabkan fungsi elastisitas pegas cenderung berkurang dan ketika mendapat pembebanan maksimum pegas akan mudah mengalami keretakan [14].
Tabel 5. Nilai kekerasan vikers (HVN) pada
permukaan luar pegas ulir
Kekerasan (HVN) Titik 1 Titik 2 Titik 3 Titik 4 Titik 5 Rata- Rata T 286 400 421 237 382 345 I 400 446 409 400 432 417 B 231 409 231 381 390 328 O 392 392 434 471 458 429
C. Analisa Permukaan Patah
Berdasarkan hasil investigasi visual menunjukkan bahwa, pegas ulir yang mengalami kegagalan patah getas dimana bentuk patah
membentuk sudut 45, hal ini dinyatakan bahwa patah yang terjadi pada pegas ulir adalah patah lelah. Patah ini dimulai dari permukaan, menuju kebagian tengah dan patah, diakibat beban yang terjadi diatas kemampuan material.
Analisa terhadap dimensi penampang pegas ulir ditemukan bahwa, terjadi perubahan dimensi yang sanggat jelas atau yang dikenal dengan kehausan freeting, yaitu kehausan yang terjadi akibat adanya benturan dengan kumparan lain sehingga menimbulkan gaya gesek dan gaya tekan terhadap permukaan pegas ulir
adanya gaya gesek dan gaya tekan Hasil inspeksi visual terhadap permukaan pegas ulir yang mengalami kegagalan ditunjukkan pada Gambar 6. Awal retak terjadi pada daerah aus di permukaan pegas yaitu sisi luar dari sumbu pegas dengan arah perambatan retak sama dengan tegangan kontak dua permukaan.
Gambar 6. Permukaan patah pegas ulir. Titik 1
sebagai awal retak (crack initiation) titik 2 sebagai arah rambatan retak atau membentuk garis pantai
membentuk pola chevron, yaitu pola kerucut menuju awal retak, yang tunjukkan pada Gambar 7.
Pola chevron
Gambar 7. foto SEM (a) menunjukkan adanya
perambatan yang membentuk pola chevron Hasil analisa foto SEM terhadap permukaan patah pegas dengan 40x pembesaran optik diperlihatkan pada Gambar 8. memperlihatkan adanya awal retak (crack initiation) yang membentuk paritan dengan kedalaman sekitar . Hal ini diyakini bahwa retak tersebut adalah lubang korosi yang disebabkan oleh konsentrasi tegangan pada satu titik dan perubahan struktur pegas ulir, Korosi terbentuk akibat rusaknya cat pelindung dan bekas luka karena adanya tekanan dan gesekan. Pada tahap berikutnya, dilanjutkan dengan adanya garis-garis pantai dan patah akhir. Garis-garis pantai biasa ditunjukkan dengan garis-garis melingkar halus di daerah antara awal retak dan patah akhir. Garis-garis pantai lebih sering dikatakan sebagai tahapan perambatan retak. (beach mark) dan titik 3 sebagai patahan tahap akhir
(final fracture). Garis Pantai Awal Retak
Dengan adanya keausan pada pegas ulir, maka terjadi inisiasi retak. Pembebanan selanjutnya menyebabkan awal retak dan perambatan sehingga terbentuk daerah retakan. Daerah retakan ditandai dengan adanya garis-garis pantai. Selanjutnya penjalaran retak akan berhenti setelah penampang pegas yang tersisa sudah tidak mampu menahan beban yang berkerja hingga akhirnya patah.
Dapat dinyatakan bahwa pegas ulir pada kajian ini adalah digolongkan kedalam jenis patah lelah (fatigue fracture) ditandai dengan adanya garis-garis pantai (beach mark). Patah lelah ini terjadi akibat beban yang berubah-ubah atau berulang.
Daerah patah akhir yang terjadi terlihat lebih luas dari pada daerah penjalaran atau daerah retak awal, hal ini menunjukkan tegangan nominal yang berkerja pada pegas ulir melebihi batas materialnya.
Hasil analisa foto SEM terhadap permukaan patah pada pegas dengan 30 x pembesaran optik, menunjukkan adanya perambatan retak yang menjalar dari permukaan keseluruh permukaan yang
Gambar 8. menunjukkan patah lelah yang dibuktikan
dengan adanya awal retak dan garis-garis pantai Daerah awal retak (crack initiation) dan menunjukkan karakteristik dari keausan fretting yang berupa lubang-lubang tajam pada daerah fretting
[5] [6]
Wahl, AM. Mechanical springs, McGraw-Hill Book Company, 1984
Sularso, Dasar Perancangan Dan Pemeliharaan
Gambar 9 Diagram Goodman dari baja pegas ulir
ASTM A227 [7]
Elemen Mesin, 2004
Callister. W, Materials Science and Engineering An Introduction. John Wiley & Sons. Inc, Dari diagram kelelahan pada Gambar 9 pada titik Printed in the United States of America, 2007 pada sumbu mendatar diukurkan tegak lurus dan .
Variasi yang diperhitungkan dalam tegangan puntir adalah 71,3 N/mm2 dan variasi yang diizinkan menurut standar ASTM A227 adalah 700 N/mm2 . Ini berarti bahwa keamanan terhadap kelelahan . Dapat disimpulkan bahwa hal ini berada cukup jauh dari nilai kelelahan materialnya sehingga kemungkinan terjadinya kegagalan yang diakibatkan tegangan puntir cukup kecil.
[8]
[9] [10]
[11]
Society of Automotive Engineers, Inc, Fatik Design Handbook 2nd Edition, Printed in U.S.A, 2014
Robert L. Mott, P.E, Elemen-Elemen Mesin Dalam Perancangan Mekanis, Jilit 2, 2009. Harsokoesoemo, Analisis Tegangan Dalam Bejana Tekan, Institus Teknologi Bandung, 1990
John. E, Hand Book OF Comperetive World Stell Standards. Third Edition, 2004
sedemikian rupa hingga merupakan suatu takikkan (notch) yang menyebabkan pemusatan tegangan setempat sehingga daerah ini sangat sensitif terhadap pembentukan awal retak. Awal retak (crack initiation) dipercepat pula yang diakibat tegangan geser karena aksi tengangan kontak antara pegas ulir dan spesimen lain.
D. Analisa Tegangan
Untuk mengetahui tegangan puntir maksimum maka akan dilakukan perhitungan secara eksak, sebagai berikut.
Dengan diameter ulir 14 mm, diameter luar 80 mm, dan jumlah lilitan aktif 5. Beban kosong kendaraan 12258 N, ditambah 5 penumpang + barang 3232 N, dan total beban maksimum keseluruhan/ beban tolal sebesar 15690 N.
Beban minimum yang diterima oleh 1 pegas ulir kendaraan sedan sebesar 3064 N, dan beban maksimum sebesar 3922,5 N.
Dari hasil perhitungan beban puntir minimum yang diterima 1 pegas ulir sebesar 257.9 N/mm2, dan beban puntir maksimum yang diterima 1 pegas ulir sebesar 329,2 N/mm2.
Baja pegas menurut ASTM A227 sebagai bahan pegas, yang dililitkan dalam keadaan panas, maka tegangan puntir yang di ijinkan = 700 N/mm2.
Untuk mengetahui apakah beban dinamis yang berkerja pada komponen pegas ulir masih dalam kondisi daerah aman terhadap patah lelah, dapat di lihat pada diagram Goodman berikut:
Dari hasil perhitungan tegangan geser yang di terima pegas ulir di bawah tegangan ijinnya, namun pegas tetap mengalami kegagalan lelah yang di sebabkan karena adanya sebuah crack yang merambat. Perambatan retak terjadi karena adanya beban dinamik yang terus-menerus dan dipercepat dengan adanya gaya gesek dan gaya tekan.
V. KESIMPULAN
Dari hasil analisa dapat di ambil beberapa kesimpulan sebagai berukut:
Awal retak terjadi pada daerah keausan.
Setelah retak awal terbentuk, ini menjadi titik maksimum tegangan yang memaksa retak menyebar.
Kegagalan yang terjadi pada pegas ulir adalah patah lelah yang di tandai dengan adanya awal retak dan garis-garis pantai.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih di ucapkan kepada bengkel Duta Sahara Motor Lampenerot, Banda Aceh atas penyedian Spesimen ( pegas ) yang telah patah. Dan terimakasih kepada saudara Jumari yang sudah menerangkan kronologi patahnya pegas.
DAFTAR PUSTAKA
Artikel jurnal
[1] Zhu,Y. Wang,Y. Huang Y. Failure analysis of a helical compression spring for a heavy vehicle’s suspension system. Case studies in Eng Fail Anal, vol. 2, 2014, pp. 169–173. [2] Prawoto,Y. Ikeda, M. Manville, SK. Nishikawa,
A. Design and failure modes of automotive suspension springs. Eng Fail Anal, vol. 15, 2013, pp. 1155–74.
[3] Todinov. MT, Maximum principal tensile stress and fatik crack for compression springs. Int J Mech Sci, vol. 41, 1999, pp. 357–70.
[4] Kosec. L, Nagode. A, Kosec. G, Kovacevic. D, Karpe. B, Zorc. B, Kosec. B, Failure analysis of a motor-car coil spring, CSEFA, vol. 41, 2014, pp 1 – 4.
Prosiding seminar :
[12] Thelning, K. E., Steel and Heat Treatment, jilid 2, Butterworths, London.
[13] Abdillah. F, Analysis Kegagalan Komponen Pegas Ulir Luar K5 Pada Bogie Kereta Api, IKIP Vetran, Semarang, 2010.
[14] Jack. A. Collins, Failure Of Materials In Mechanical Desain, jilid 2, New York,
1993. [15] Donald. J. Wuppy, Understanding How
Commponen Fail, Jilid 2, New York, 1999
[16] Surdia. T dan Chiiwa. K, “Teknik Pengecoran
Logam”, PT. Pradnya Paramita, Jakarta,
2000. [17] Hayes, M. Tech-spring report 15 end coil
