Pahl and Beitz

(1)

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Jamiatul Akmal, MT. _{CAD CAM}

₁

MODUL 2

CARA MERANCANG PHAL AND BEITZ

Prosedur Perancangan oleh Pahl dan Beitz

Prosedur perancangan yang diusulkan Pahl dan Beitz dalam bukunya : Engineering

Design: A Systematic Approach terdiri dari 4 fase.

Keempat fase tersebut adalah :

1. Perencanaan dan penjelasan tugas. 2. Perancangan konsep produk.

3. Perancangan bentuk produk (embodiment design) 4. Perancangan detail.

Setiap fase proses perancangan berakhir pada akhir fase, misalnya fase pertama menghasilkan daftar persyaratan dan spesifikasi perancangan. Hasil setiap fase tersebut kemudian menjadi masukan untuk fase yang mendahuluinya. Hasil fase itu sendiri setiap saat dapat berubah oleh umpan balik yang diterima dari hasil fase-fase berikutnya. Diagram alir proses perancangan dapat dilihat pada gambar 1.2

(2)

₂

Dalam fase ini disusun spesifikasi produk yang mempunyai fungsi khusus dan karakteristik tertentu yang dapat memenuhi kebutuhan masyarakat. Produk tersebut merupakan hasil olahan hasil survei bagian pemasaran atau atas permintaan segmen masyarakat

Perencanaan fase ini disusun spesifikasi produk yang mempunyai fungsi khusus dan karakteristik tertentu yang dapat memenuhi kebutuhan masyarakat. Produk tersebut merupakan hasil olahan hasil survei bagian pemasaran atau atas permintaan segmen masyarakat.

Pada fase ini dikumpulkan semua informasi tentang persyaratan atau requirements yang harus dipenuhi oleh produk dan kendala-kendala yang merupakan batasan-batasan produk. Hasil fase ini adalah spesifikasi produk yang dimuat dalam daftar persyaratan teknis (tabel 1). Pada tabel tersebut, D adalah Demands, sesuatu yang harus dipenuhi. Sedangkan W adalah Wishes, yang berupa harapan-harapan tambahan.

Fase perencanaan produk tersebut baru dapat memberikan hasil yang baik jika fase tersebut memperhatikan kondisi pasar, keadaan pasar dan ekonomi negara. Pada perencanaan proyek dibuat jadwal kegiatan dan waktu penyelesaian setiap kegiatan dalam proses perancangan.

Perancangan Konsep Produk

Berdasarkan spesifikasi yang diperoleh dari fase pertama, dicarilah beberapa konsep produk produk yang dapat memenuhi persyaratan-persyaratan dalam spesifikasi tersebut. Konsep produk tersebut merupakan solusi dari masalah perancangan yang harus dipecahkan. Konsep produk biasanya berupa gambar sketsa atau gambar skema yang sederhana saja.

Beberapa alternatif konsep produk kemudian dikembangkan lebih lanjut. Setelah itu dievaluasi. Evaluasi tersebut haruslah dilakukan berdasarkan beberapa kriteria khusus, seperti kriteria teknis, kriteria ekonomis dan kriteria lainnya. Konsep produk yang tidak memenuhi persyaratan-persyaratan dalam spesifikasi produk tidak diproses lagi dalam proses selanjutnya. Dari beberapa konsep produk yang tidak memenuhi kriteria, dapat dipilih solusi yang terbaik.

Perancangan Bentuk (Embodiment Design)

Pada fase ini konsep produk “diberi bentuk”, yaitu komponen-komponen konsep produk yang dalam gambar skema hanya berupa garis atau batang saja, kini harus diberi bentuk sedemikian rupa sehingga komponen-komponen tersebut secara bersama menyusun bentuk produk, yang dalam gerakannya tidak saling bertabrakan sehingga

(3)

₃

produk dapat menjalankan fungsinya. Konsep produk yang sudah diberi bentuk digambarkan pada layout awal (preliminary layout).

Layout awal dikembangkan lagi menjadi layout yang lebih baik dengan memperbaiki berbagai kekurangan dan kelemahan. Kemudian dilakukan evaluasi terhadap beberapa layout awal yang sudah dikembangkan berdasarkan kriteria teknis, ekonomis dan kriteria lainnya sehingga diperoleh layout yang terbaik yang disebut layout akhir (definitive

layout).

Perancangan detail

Pada fase perancangan detail, ditetapkan susunan komponen, bentuk, dimensi, kehalusan permukaan dan material dari setiap komponen. Demikian juga kemungkinan cara pembuatan sudah dianalisa dan perkiraan biaya sudah dihitung. Hasil akhir fase ini adalah gambar rancangan lengkap dan spesifikasi produk untuk pembuatan. Kedua hal tersebut disebut dokumen untuk pembuatan produk..

Pada fase ini dibutuhkan pengetahuan tentang mekanika dan ilmu pengetahuan bahan. Mekanika meliputi pengetahuan tentang statika, dinamika dan mekanika kekuatan material

PENGEMBANGAN KONSEP PRODUK

Diagram alir yang lebih rinci pada fase perancangan konsep produk adalah seperti yang terlihat pada gambar berikut.

Gambar 2.1. Langkah-langkah perancangan konsep produk

Persoalannya adalah membuat sebuah peralatan pengujian yang mampu membangkitkan impuls torsi (impuls torque) untuk menguji sambungan poros dan hub yang dipasak (keyed shaft-hub connections). Sebelum menggambarkan lebih jauh tentang torsi impuls, yang perlu dikaji adalah apa itu torsi impuls dan bagaimana menerapkannya pada mesin yang berputar. Pertanyaannya pertama penting untuk menganalisa perubahan beban torsi yang terjadi di dalam berbagai penerapan keseharian.

Laju perubahan torsi untuk berbagai aplikasi, seperti mesin bubut, crane transmition, mesin-mesin pertanian dan mesin-mesin lainnya adalah sebesar 125x103 Nm/detik. Nilai ini akan dijadikan sebagai dasar untuk perancangan selanjutnya.

(4)

₄

Berdasarkan kajian tersebut, dikembangkan beberapa persyaratan yang menjadi spesifikasi alat uji seperti yang terdapat pada tabel 2.2. Spesikfikasi tersebut dibagi menjadi dua kategori, yaitu Demand dan Wishes. Demand adalah permintaan yang sedapat mungkin dipenuhi karena akan mempengaruhi parameter yang essential yang menentukan performansi peralatan. Sedangkan wishes hanyalah keinginan tambahan yang akan memberi nilai tambah kepada peralatan.

Tabel 2.2 Spesifikasi Mesin Uji Impuls Torsi

Universitas Mercu Buana DAFTAR PERSYARATAN Alat Uji Beban Impuls Torsi

Hal. 1 Revisi D W Persyaratan Resp. D D D D D W W D D D W D D D D W D D D D W W Geometri

Penempatan Spesimen harus benar Diameter poros (spesimen) < 100 mm Beban yang diterapkan bisa bervariasi

Kinematik

Beban diterapkan pada poros yang diam Arah beban hanya satu arah

Arah beban „optional‟ Input torsi „optional‟

Gaya

Beban yang diterapkan adalah torsi murni

Saat torsi maksimum, dipertahankan selama tidak kurang dari 3 dt

Frekuensi pembebanan kecil (alasan untuk pengukuran) Getaran pada spesimen sedapat mungkin diredam

Torsi maksimum bisa diatur sampai 15.000 Nm untuk memuntir poros 100 mm

Setelah torsi mencapai maksimum, harus dimungkinkan menurun lagi

Laju perubahan torsi bisa diatur, maks dT/dt = 125x103 Nm/det Kurva Torsi-Waktu haruslah berulang

Jika dibutuhkan, deformasi plastis dimungkinkan

Energi

Daya yang dibutuhkan < 5kW/380 kV

Material

Shaft & Hub : 45 C

Sinyal

Pengukuran dilakukan sebelum dan sesudah pengujian Hasil pengukuran bisa dicatat

Titik pengukuran mudah dijangkau

(5)

₅

W D D W W W W W W

Pengoperasiannya tidak rumit Ramah Lingkungan

Produksi dan kontrol kualitas

Semua komponen diproduksi oleh industri perorangan Kualitas memenuhi standar DIN

Dibuat di Workshop sendiri Memakai komponen standar

Perakitan dan Transportasi

Kecil dan Ringan

Tidak membutuhkan pondasi khusus

Pengoperasian dan Perawatan

Pengoperasiannya sederhana Mudah dalam perawatan

Biaya dan Jadwal

-

Khusus dalam hal gaya (pada tebel 2.1), beberapa kategori demand yang penting yang akan menjadi penentu pola pembebanan diantaranya :

 Torsi maksimum, dipertahankan selama tidak kurang dari 3 dt.

 Torsi maksimum bisa diatur sampai 15 000.

 Setelah torsi mencapai maksimum, harus dimungkinkan menurun lagi.

 Laju perubahan torsi bisa diatur, maks dT/dt = 125x103

 Kurva Torsi-Waktu haruslah berulang

Berdasarkan kriteria diatas, dengan asumsi torsi minimum berharga nol, ditentukan pola torsi yang ingin dihasilkan oleh alat uji seperti yang terlihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 : Impuls torsi maksimum yang berulang. Menentukan Persoalan Utama

(6)

₆

Pada bagian ini dianalisa intisari langkah demi langkah untuk menyatakan aspek umum dan gambaran utama dari spesifikasi yang diberikan. Sedangkan hasil setiap langkah diberikan pada tabel 2.4.

Langkah 1 dan 2. Menghilangkan persyaratan (Demand dan Wishes) yang tidak berpengaruh langsung terhadap batasan-batasan yang diajukan dalam daftar.

Langkah 3. Mengubah data-data kuantitatif menjadi data-data kualitatif dan mengubah menjadi pernyataan pokok.

Langkah 4. Hasil dari langkah-langkah sebelumnya dinyatakan menjadi kalimat umum. Langkah 5. Menformulasikan masalah menjadi pernyataan inti.

Tabel 2.4 : Menformulasikan masalah berdasarkan spesifikasi menjadi persoalan pokok Hasil dari langkah 1 dan 2

 Diameter poros yang akan diuji < 100 mm

 Posisi beban bisa divariasikan searah alur hub

 Beban diterapkan pada poros yang diam

 Torsi bisa diatur (maksimum 15000 Nm

 Torsi dipertahankan pada posisi maksimum tidak kurang 3 dt

 Torsi harus dikurangi secara bertahap

 Laju perubahan torsi maksimum 125x103 Nm/s

 Kurva Torsi-Waktu berulang

 Besar Torsi sebelum dan sesudah penerapan serta tegangan yang terjadi diukur dan dicatat

Hasil dari langkah 3

 Mengadakan impuls torsi terhadap keyed shaft-hub, yang bisa diatur besarnya, laju perubahannya, dan durasinya.

 Pengujian torsi diterapkan pada posos uji yang diam. Hasil dari langkah 4

 Mengadakan torsi dinamik yang sesuai untuk pengujian

 Beban input dan komponen tegangan bisa diukur. Hasil dari langkah 5

Menerapkan torsi dinamik yang bisa diubah dan sekaligus mengukur beban dan tegangan yang ditimbulkan pada komponen.

Membuat struktur fungsi

Penggambaran fungsi struktur dimulai dengan formulasi fungsi secara keseluruhan, yang hasilnya diperoleh dari formulasi masalah (gambar 2.5)

(7)

₇

Gambar 2.5 : Fungsi keseluruhan

Sub fungsi yang penting untuk memenuhi fungsi secara keseluruhan, diantaranya aliran energi, pengukuran dan aliran sinyal :

 Mengubah energi input menjadi beban torsi

 Mengubah energi input menjadi energi lainnya untuk mengontrol  Penyimpanan energi

 Mengatur ukuran beban  Menvariasikan ukuran beban  Menghubungkan energi

 Mengaplikasikan beban ke spesimen  Mengukur beban

 Mengukur tegangan (regangan)

Setahap demi setahap dikembangkan. Dikombinasikan dan disempurnakan semua sub-fungsi ke dalam berbagai susunan sub-fungsi (gambar 2.6)

Pemilihan kombinasi

Pilihan –pilihan diatas akan diseleksi berdasarkan berbagai kriteria (gambar 2.9). Kriteria-kriteria yang dipakai adalah :

A. Memenuhi fungsi keseluruhan B. Dapat memenuhi yang disyaratkan C. Secara prinsip dapat diwujudkan D. Masih dalam biaya yang diijinkan E. Keamanan terjamin

F. Lebih disukai perancang G. Informasi memadai

(8)

₈

TEKNIK MESIN –PKK

UNIVERSITAS MERCU BUANA

V1 1 + V2 2 + V3 3 + V4 4 + V5 5 + V6 6 + V7 7 + 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Gambar 2.9 : Formulir pemilihan

Menetapkan pilihan konsep produk

Semua pilihan konsep produk yang mungkin (ditandai dengan „+‟). Seringkali diagram sket yang masih berupa garis tidak mencukupi untuk dijadikan dasar untuk menetapkan pilihan. Untuk itu diperlukan perhitungan-perhitungan awal untuk menjajaki kemungkinan apakah sebuah pilihan bisa digunakan. Sebagai contoh akan dihitung cam silinder yang ada pada pilihan V2.

Langkah-langkah penghitungan :

 Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai torsi maksimum t = ₃ 3 10 125 10 15 x x = 1,12 dt

(9)

₉

 Gaya yang terjadi pada ujung tuas adalah N x x l T F maks maks 3 3 10 6 , 17 85 , 0 10 15   

Gaya ini diakibatkan oleh reaksi tuas lentur yang (dianggap) terpasang secara kantilever jika ujungnya diberi perpindahan tuas sebesar h = 30 mm.

 Kecepatan tangensial silinder cam adalah dt mm t h v v_x _y 250 / 12 , 0 30 _    

 Kecepatan sudutnya adalah

rpm n dt rad 19 2 60 ; / 2 125 , 0 25 , 0    





 Perkiraan energi yang harus disimpan pada roda daya untuk menghasilkan impuls torsi maksimum

J h F Emaks maks. 260 2 1  

dimana energi ini dibutuhkan dalam selang waktu 0,12 dt.  Dimensi roda daya

Kec. Maks : nmaks 1200rpm;



126rad/dt Jari – jari : r 0,2m Tebal : w = 0,1 m Massa :

m

_f



100 kg

Momen inersia : . 2 2 2 2 1 kgm r m J_f  _f  Energi yang tersimpan adalah

J x J E_f _f. 2 159 102 2 1 _ 



 Kecepatan putar setelah terjadi impuls J E E Eafter  f  maks 15640 rpm n dt rad J E after f after after 125 / ; 1190 2   



Mengevaluasi pilihan konsep produk

Parameter dan faktor pengali yang dipakai dalam memilih konsep-konsep tersebut adalah seperti yang diuraikan pada gambar 3.1.

(10)

₁₀

Dari seluruh langkah yang telah dilakukan, didapat konsep seperti yang diperlihatkan pada pilihan 2 (

V

₂). Konsep ini selanjutnya menjadi masukan dalam proses perancangan bentuk.

PERANCANGAN BENTUK (EMBODIMENT DESIGN)

Jika pada proses perancangan konsep produk langkah-langkahnya difokuskan pada struktur fungsi dan struktur kerja, maka pada proses perancangan bentuk penekanannya adalah realisasi fisik dengan mengkombinasikan geometri dan material.

(11)

(12)

₁₂

1. Mengidentifikasi persyaratan untuk menentukan bentuk yang terbaik dan mempertimbangkan keterbatasan ruang.

Poin-poin persyaratan untuk menentukan bentuk yang terbaik :

 Menentukan layout

 Posisi pemegang spesimen

 Beban diterapkan pada poros diam dan hanya satu arah  Hubside load take-off variable

 Momen puntir bisa diubah-ubah  Pondasi bebas

 Menentukan dimensi

 Diameter poros uji < 100 mm

 Torsi bisa diatur, T < 15000 Nm (dipertahankan tidak kurang dari 3 detik)

 Laju perubahan torsi bisa diatur, dT/dt = 1,25 x 103 Nm/dt  Daya < 5 kW

 Menentukan material

 Poros dan Hub : 45 C

 Persyaratan lain

 Bisa dibuat di bengkel

 Adanya ketersediaan komponen-komponen  Mudah dirakit

2. Menyusun Fungsi utama

Penyusunan ini didasarkan pada varian 4 (lihat gambar 2.2) dan solusi konsep adalah seperti yang terlihat pada gambar 3.10. Pada tabel 3.3 terdaftar solusi-solusi fungsi utama yang telah dipilih untuk memenuhi berbagai sub fungsi. Fungsi utama yang diperhitungkan untuk mewujudkan perancangan bentuk, diantaranya adalah :

 Spesimen  Tuas

 CAM Silinder

Solusi fungsi yang lain adalah :  Motor Listrik

 Roda daya  Kopling  Gearbox ; dan

(13)

₁₃

Tabel 3.3 : Fungsi-fungsi, peralatan yang sesuai dan karakteristiknya Fungsi Function

Carriers

Karakteristik Sumber Daya Motor Listrik _{Daya, P}

M

Kecepatan, n_M Run-up time, t_M Penyimpanan Energi Roda daya _{Momen Inersia, I}

f

Kecepatan, n_f Penyambung Energi Kopling _{Kapasitas Torsi, T}

CL Kecepatan maks, n_CL Response time, t_CL Komponen pengubah Energi Gearbox _{Daya, P} G

Torsi keluar maks, T_G Pada kecepatan keluar, n_G Rasio kecepatan, R_G Pengubah bentuk/arah dan

waktu

Cam Silinder Daya, P_CAM Torsi, T_CAM Kecepatan, n_CAM Diameter, D_CAM Sudut CAM,



_CAM Tinggi, h_CAM Pengubah energi jadi Torsi Tuas Panjang, l_t

Kekakuan, S_t Beban Test Connection Test

Connection

Torsi, T

Laju penurunan Torsi, dT/dt Penyangga Rangka

3. Bentuk awal solusi fungsi utama

Solusi fungsi utama dapat disusun menjadi layout awal (rough layout). Analisa yang telah dilakukan pada tahap perancangan konsep produk belumlah cukup untuk menggambarkan bentuk silinder cam. Untuk itu dianalisa lebih jauh seperti uraian berikut (arti simbol dapat dilihat pada tabel 3.3).

Torsi yang ditimbulkan : T s_L.h_CAM.l_L

Perubahan Torsi D_CAM n_CAM _CAM s_Ll_L dt

dT _

_

_. _._tan

_

_. _.

Durasi penahanan (hold time) :

CAM CAM CAM CAM L n n D U t 2 1 . 2  



(14)

₁₄

Persamaan untuk menentukan durasi penahanan (tL) benar jika lintasan ujung tuas

paralel terhadap permukaan cam (cam track). Namun kenyataannya bukanlah demikian. Hal ini mengakibatkan laju perubahan torsi yang terjadi lebih kecil daripada yang dihitung dan lagipula nilainya bervariasi, tergantung kepada geometri cam.

Kenyataann ini haruslah diatasi dengan memasukkan faktor koreksi K. Nilai K diturunkan. CAM CAM h x



tan 



















CAM CAM CAM

d

x



tan

cos

1 sin

2

x x x V V K x x    

Persamaan-persamaan diatas hanya berlaku jika



CAM



hCAM d ₁__cos

_

_ 2       _    CAM CAM CAM CAM CAM CAM CAM d h h K



tan cos 1 sin 2 tan tan

Nilai K ditentukan dari perkiraan sebagai berikut :  Sudut CAM 0 0 45 ... 10  CAM



 Diameter roller follower d=60 mm

 h_CAM masing-masing 7.5 mm dan 30 mm Tabel 3.4 : Nilai faktor K