Sambungan Ulir

Gambar 1. Jenis-jenis join

A. Sambungan permanen dan sambungan tidak permanen

Sambungan (fastener) adalah sebuah peralatan yang digunakan untuk menghubungkan atau join dua buah komponen atau lebih. Contoh fastener adalah mur, baut, sekrup dan rivet. Tambahannya welding dan perekat (adhesives) bisa digunakan untuk sambungan permanen antara dua komponen.

Komponen sambungan (joining) sangat dibutuhkan dalam hal merancang sebuah produk. Sebagai contoh Boeing 747 memiliki lebih dari 2,5 juta fasteners. Jenis-jenis join diperlihatkan pada Gambar 1 di bawah ini:

Beberapa hal yang harus dipertimbangkan dalam memilih sambungan adalah:
• Apakah jenis sambungannya permanen atau non-permanen
• Biaya
• Beban (load) yang akan diterima sambungan
• Usia pakai sambungan
• Tool yang dibutuhkan untuk memasang sambungan
• Toleransi
• Estetika
• Ukuran
• Korosi

B. Sambungan ulir (threaded fasteners)

Salah satu jenis sambungan yang banyak digunakan adalah sambungan ulir (threaded fasteners) dan memiliki banyak jenis. Pada jenis sambungan ini, untuk menyambung komponen digunakan ulir. Bagian umum dari screw fastener adalah ulir berbentuk spriral (helical) yang mengakibatkan screw maju atau mundur (terpasang atau terlepas) dari komponen atau mur ketika diputar. Istilah umum yang digunakan untuk sambungan ulir adalah:

• Komponen laki-laki (male component), sekrup, dengan ulir pada bagian luar diameter

• Komponen perempuan (female component), mur, dengan ulir pada bagian dalam diameter

Sambungan ulir bisa dibagi menjadi dua jenis yaitu ulir kiri dan ulir kanan tergantung dari arah putaran sebagaimana terlihat pada Gambar 2. Ulir kanan lebih banyak digunakan sedangkan ulir kiri digunakan untuk keperluan khusus. Bentuk ulir dari screw sangat banyak dan yang paling banyak digunakan adalah ulir “vee”. Detail aspek dari ulir diperlihatkan pada Gambar 3 dan definisinya diperlihatkan pada Tabel 1.

Gambar 2. (a) ulir kanan; (b) ulir kiri

Gambar 3. Terminologi yang digunakan untuk menjelaskan sebuah ulir

Tabel 1. Thread terminology

Bentuk ulir, sudut helix dan lain sebagainya mengikuti standar tertentu. Standar umum berkaitan dengan ulir dikembangkan oleh Unified National Standard (UNS) dan International Standards Organization (ISO). Kedua standar tersebut menggunakan sudut 60 derajat. Bentuk dari ulir ISO metric diperlihatkan pada Gambar 4. Pada kenyataannya, root pada mur dan crest pada baut berbentuk membulat (rounded) disebabkan karena toleransi manufaktur, yang dirincikan pada BS 3643. Seri kasar (course) dan seri halus (fine) pada ulir didefinisikan pada ISO standar, tetapi seri halus (fine) lebih mahal dan lebih sedikit tersedia di pasaran. Tabel 2 memperlihatkan ukuran standar untuk ISO coarse series hexagon bolts, screw dan mur. ISO metric threads diperlihatkan oleh huruf M, diikuti dengan nominal diameter dan pitch, sebagai contoh, M6 × 1,5.

Gambar 4. ISO metric thread

Tabel 2. Dimensi ulir ISO Metric untuk baut hexagon

Sistem ulir unified pada awalnya diperkenalkan di United Kingdom, Canada dan United States  dalam hal menyediakan standar bersama untuk digunakan di ketiga negara tersebut. Jenis unified threads termasuk Unified coarse pitch thread series (UNC) dan Unified fine pitch thread series (UNF). Sistem unified ditunjukkan dalam notasi. Sebagai contoh ½ bolt, dalam notasi “1/2 in.-13UNC” atau “1/2 in.-20UNF” tergantung dari kasar (coarse) atau halus (fine) ulir yang digunakan.

Tabel 3. American Standard thread dimensions for UNC screw threads

Tabel 4. American Standard thread dimensions for UNF screw threads

Jenis sambungan ulir sangat banyak termasuk mur dan baut, machine screw, set screwdan sheer metal screw. Berbagai jenis machine screw diperlihatkan pada Gambar 6.

Gambar 5. Berbagai jenis machine screw, 
(a) Flat countersunk head. (b) Slotted truss head. (c) Slotted pan head. (d) Slotted fillister head.(e) Slotted oval countersunk.
(f) Round head. (g) Hex. (h) Hex washer. (i) Slotted heaxagon head

Washer (ring) bisa digunakan di bawah baut atau mur atau keduanya untuk mendistribusikan beban pencekaman (clamping load) pada area yang lebih luas. Bentuk sederhana dari washer adalah simple disc dengan lubang pada bagian tengah untuk posisi baut dan mur. Berbagai bentuk washer diperlihatkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Washers

Bolted joint terdiri dari beberapa komponen seperti flanges atau plates yang butuh untuk dikencangkan supaya tidak ada gerak relatif antara satu dengan lainnya. Pengencangan akan menyebabkan tekanan antar permukaan. Walaupun beberapa atau banyak komponen bisa digabungkan dengan menggunakan metode ini, secara umum jumlah komponennya hanya dua sebagaimana terlihat pada Gambar 7.

Gambar 7. Features of a typical bolted joint

Untuk sebuah baut (bolt), kekakuan (stiffness) ditentukan dengan menggunakan persamaan:

Dimana

kb : axial spring rate untuk baut (N/m)

d   : diameter nominal baut (m)

E   : modulus Young's untuk material baut (N/m^2)

L   : panjang efektif baut yang menerima beban (m)

Gambar 8. Bolted joint modelling

Gambar 9 memperlihatkan proses penyambungan dua buah komponen dengan menggunakan baut dengan nama flanged joint. Ketika fastener (baut) dikencangkan, tegangan (tension) pada baut akan meningkat. Hal yang harus dipertimbangkan ketika menggunakan flanged joint adalah kekuatan ulir akan terbatas pada minor diameter. Hasil pengujian memperlihatkan bahwa kekuatan tarik (tensile strength) lebih baik ketika didefinisikan menggunakan rata-rata dari minor diameter dan pitch diameter.

Gambar 9. Flanged joint

Dimana

At  : luas permukaan baut yang menerima beban (N/m)

dp   : diameter pitch (m)

dr   : diameter minor (m)

Untuk ulir UNS,

Untuk ulir ISO,

Tegangan (stress) pada batang ulir yang disebabkan tegangan tarik:

Secara teoritis ketika sebuah mur dipasangkan pada sebuah ulir semua ulir akan berbagi beban. Namun demikian, keakuratan pada jarak ulir menyebabkan hampir semua beban diterima oleh pasangan pertama ulir.

Baut secara normalnya dikencangkan dengan memberikan torsi pada kepala baut atau mur, akan menyebabkan baut meregang. Peregangan baut ini akan menghasilkan tegangan pada baut yang dinamakan preload, yang memberikan gaya pada join supaya bersambung. Torsi relatif mudah untuk diukur menggunakan torsi meter ketika diasembli (dirakit) sehingga metode ini sering digunakan sebagai indikator tegangan baut. Tegangan baut yang tinggi membantu baut tetap kencang dan meningkatkan kekuatan sambungan (join). Preload yang direkomendasikan untuk sambungan tidak permanen adalah:

Untuk sambungan permanen

dimana

Properties material untuk baut baja bisa dilihat pada SAE standard J1199 dan juga bisa dilihat dari katalog produk produsen baut.

Jika informasi yang lengkap mengenai proof strength tidak tersedia, maka nilai proof strength bisa diestimasi menggunakan persamaan berikut:

Ketika preload telah ditentukan, torsi yang dibutuhkan untuk mengencangkan baut dihitung menggunakan persamaan:

dimana

Nilai K tergantung dari material baut dan ukuran baut. Nilai K untuk berbagai jenis material bisa dilihat pada Tabel 5.

Tabel 5. Nilai konstanta K untuk menentukan torsi pengencangan baut

Contoh soal

Sebuah baut M10 digunakan untuk sambungan non-permanen. Baut terbuat dari low carbon steel dengan nilai proof stress adalah 310 MPa. Tentukan preload dan torsi yang direkomendasikan pada baut.

Solusi

Dari Tabel 2, diketahui pitch untuk baut M10 jenis kasar (coarse) adalah 1,5 mm

Untuk sambungan non-permanen, preload yang direkomendasikan adalah

Dari Tabel 5, diketahui nilai K = 0,2.


Torsi yang dibutuhkan untuk mengencangkan baut adalah:

Referensi:

mhasanalbana, Childs, Peter R.N, Mechanical Design Engineering Handbook, Elsevier, 2014.

Share this post