Analisis Pemilihan Bahan, Proses dan bentuk Camshaft

A. Komponen. Camshaft (komponen pembuka dan penutup katup). B. Fungsi. Camshaft terdiri shaft berputar yang meneruskan gaya dari Crankshaft dimana pada shaft tersebut terdapat Cam yang berfungsi mengatur mekanisme katup pada mesin dan mengubah gerakan berputar menjadi gerak bolak balik. C. Mekanisme Kerja. Camshaft atau sering disebut poros bubungan atau poros nok adalah sebuah alat yang digunakan dalam mesin torak untuk menjalankan valvepoppet (buka tutup katup). Bentuk Camshaft berupa batangan silinder dengan panjang tertentu yang memiliki bentuk khusus dan terdapat beberapa tonjolan landai seperti telur pada badannya yang disebut Cam atau biasa juga disebut lobe atau bubungan. Bagian yang bernama Cam/lobe inilah yang akan bertugas menggerakkan katup mesin sehingga mampu membuka lubang masuk dan keluar ruang bakar mesin dan waktu buka-tutup inilah yang dapat mempengaruhi tenaga pada sebuah mesin.Tiap pabrikan mesin mobil membuat bentuk sebuah Camshaft yang berbeda-beda, meskipun itu original, terutama pada bagian lobe-nya.Oleh karena itu setiap jenis mesin pada mobil dari berbagai merk, pastinya memiliki tenaga dan torsi yang berbeda-beda pula. Hubungan antara perputaran Camshaft dengan perputaran poros engkol sangat penting. Karena katup mengontrol aliran masukan bahan bakar dan pengeluaran, mereka harus dibuka dan ditutup pada saat yangtepat selama stroke piston. Untuk alasan ini, Camshaft dihubungkan dengan Crankshaft secara langsung, atau melalui mekanisme "gear", atausecara tidak langsung melalui rantai yang disebut rantai waktu. Dalam beberapa rancangan Camshaft juga menggerakkan distributor, minyak dan pompa bahan bakar. Juga dalam sistem injeksi bahan bakar dahulu, Cam di Camshaft akan mengoperasikan penginjeksi bahan bakar tersebut. Dalam sebuah mesin dua-langkah yang menggunakan sebuah Camshaft, setiap valve membuka sekali untuk setiap rotasi Crankshaft; dalam mesin ini, Camshaft berputar pada kecepatan yang sama dengan Crankshaft. Dalam mesin empat langkah, katup-katup akan membuka setengah lebih sedikit, oleh karena itu dua putaran penuh Crankshaft terjadi di setiap putaran Camshaft. Tergantung lokasi dari Camshaft tersebut, Cam menggerakkan katupsecara langsung ataupun melalui hubungan antara pushrods dan pelatuk katup. Cara kerja yang langsung menghasilkan mekanisme sederhana dan kesalahan yang sedikit, tetapi Camshaft harus diposisikan di atas silinder. Dahulu, ketika mesin tidak secanggih sekarang, kelihatannya mekanisme tersebut sangat mengganggu, akan tetapi di era mesin modern, sistem Cam overhead, dimana Camshaft di atas cylinder head,adalah sangat umum. Beberapa mesin menggunakan satu Camshaft untuk setiap katup masukan dan katup keluaran; sama dengan yangdikenal sebagai double atau dual overhead Cam (DOHC) atau Cam ganda yang ditempatkan di atas silinder, lalu sebuah V Engines membutuhkan empat Camshaft. GearValveTiming pada sebuah mesin Ford Taunus V4. Gear yangkecil ada di Crankshaft, gear yang lebih besar ada pada Camshaft. Perbandingan gear menyebabkan Camshaft bekerja setengah RPM dari Crankshaft. Gesekan luncur antara bagian muka Cam dengan follower tergantung kepada besarnya gesekan. Untuk mengurangi aus ini, Cam dan follower mempunyai permukaan yang keras, dan minyak pelumas modern mengandung bahan yang secara khusus mengurangi gesekan luncur. Lobe (daun telinga) dari Camshaft biasanya meruncing, mengakibatkan follower atau pengangkat katup berputar sedikit dalam setiap tekanan, dan membuat aus komponen. Bagian muka dari Cam dan follower dirancang untuk aus bersamaan, jadi ketika salah satu telah aus maka keduanya harus diganti untuk mencegah aus yang berlebihan. Selain gesekan mekanik, dorongan besar juga diperlukan untuk mengatasi pegas katup yang selalu mendekati katup mesin. Hal ini akanmengakibatkan 25% dari keluaran total mesin menjadi kosong, mengurangi efisiensi keseluruhan. Ada dua pendekatan yang telah dicobauntuk mengatasi energi yang terbuang tersebut, akan tetapi nyatanya sulit untuk diterapkan. D. Batasan/ Syarat. a) Cam - Tahan aus/ beban geser - Tahan putaran tinggi (7500 rpm) - Tahan suhu tinggi (150-200 OC) - Stiff - Tought - Mampu proses - Kekasaran (0,2-0,5) b) Shaft - Tahan beban puntir (torsi) - Tahan putaran tinggi (7500 rpm) - Tahan suhu tinggi (150-200 oC) - Strength - Tahan defleksi - Mampu proses - Dimensi (diameter shaft 25 mm panjang shaft 25 cm) - Kekauan S = 50N/m Untuk menentukan material Camshaft harus mempertimbangkan hal-hal sebagi berikut : - Tahan putaran tinggi. Material Camshaft haruslah yang tahan putaran tinggi karena dalam melakukan tugasnya, Camshaft berputar dengan kecepatan tinggi. - Tahan gesekan / aus. Untuk membuka dan menutup katup, terjadi kontak langsung antara Cam/lobe dengan katup. Oleh sebab itu material yang dipilih haruslah tahan terhadap gesekan/aus. - Tahan panas. Camshaft merupakan bagian dari suatu engine dimana terjadi pembakaran dan menimbulkan panas. Oleh sebab itu materialyang dipilih merupakan material yang tahan terhadap panas. - Tahan defleksi - Ductile - Efisiensi,durability, environment, manufacturability - Harga E. Pemilihan Bahan. Sebagai pertimbangan dalam pemilihan material untuk Camshaft, maka diambil 3 jenis material biasa yang umum dipakaidan akan dipertimbangkan sebagai material untuk Camshaft yaitu : A) Alumunium Keuntungan penggunaan material alumunium : - 1/3 masa jenis (density) baja - Strength tinggi untuk rasio berat - Dapat menerima pengerasan permukaan dengan anidizing dan hard coating - Al-alloy dapat di las Kerugian penggunaan material alumunium : - Hampir semual alumunium kehilangan kekuatan (strength) pada suhu elevasi , sebagian bisa menahan kekuatan (strength) hingga 500 F. - Kekakuan rendah (sekitar 10000 psi atau 1/3 baja). Struktur harus lebih besar. B) Cast iron Cast iron mengandung 2,14%-4,3% karbon dengansejumlah kecil mangan, belerang, fosforus,dan silikon. Besi cor terdiri dari besi kelabu, besi nodular, besi putih, besi malleable. a. Besi cor kelabu Terdiri dari 2.5-4.0 %C & 1.0-3.0%Si. Graphite berbentuk serpihan-serpihan, dikelilingi oleh matriks ferrite orpearlite Besi cor kelabu standar sangat keras diakibatkan karbon yang mengembang dalam stuktur yang bertindak sebagai perambat tegangan Bisa diberikan perlakuan panas untuk memperbaiki struktur yang membuat material menjadi mampu bentuk dan mampu tempa b. Besi Cor putih Seluruh karbon merupakan simentit sehingga sangat keras dan getas. Mikrostruktur terdiri dari karbida putih sehingga tidak bisa di las c. Besi cor mampu tempa (maleable) Dibuat dari besi cor putih dengan melakukan heat treatment kembali untuk menguraikan gumpalan grafit (Fe3C) menjdi ferrite, pearlit & martensit serta mempunyai sifat mirip baja. d. Besi cor nodular Merupakan perpaduan besi cor kelabu yang berbentuk grafit bola-bola kecil dimana ujung-ujung flake berbentuk takikan Mempunyai keuletan tinggi (disebut juga ductilecast iron). Sifat mekanik dapat ditingkatkan dengan perlakuan panas C) Baja Baja merupakan Campuran antara iron dan carbon, dengankandungan baja maximum 1.5%. Carbon berperan dalammembentuk iron carbide, karena sifat mampu untukmeningkatkan hardness/kekerasan dan strength/kekuatandari baja. Elemen lain seperti silicon, sulphur, phosforus dan mangan juga mempengaruhi baik itu menambahatau mengurangi dari properti baja. Kebanyakan padasaat ini baja dibentuk dalam bentuk plain carbon steel.Carbon steel di definisikan sebagai baja yangmempunyai kandungan karbon dan tidak mengandung0.5% silicon dan 1.5% mangan. Plain carbon steelberkisar antara 0.06% sampai dengan 1.5% carbon yangdibagi-bagi menjadi beberapa jenis carbon steel.a. Low Carbon or mild Steel up to 0.30% carbonb. Medium carbon Steel 0.30% to 0.60% carbonc. High carbon steel lebih dari 0.60% carbon Berikut ini adalah hasil dari pemilihan material berdasarkan kebutuhan Camshaft yang dinginkan : a) Kondisi suhu operasi : cast iron dan steel b) Stiffness (Modulus young tinggi) : Steel dan cast iron c) Kemampuan proses : Iron dan steel d) Berat (density rendah) : Alumunium e) Harga : Cast iron. Dari proses pemilihan material berdasarkan pertimbangan dari kebutuhan Camshaft terhadap material - material yang dipertimbangkan untuk material Camshaft, maka material yangdipilih adalah Cast iron (Malleable) F. Pemilihan Bentuk. G. Pemilihan Proses. Setelah melakukan proses pemilihan material dan bentuk, langkah selanjutnya adalah proses pemilihan manufaktur. Proses ini perlu dilakukan untuk memilih proses manufaktur yang sesuai untuk Camshaft berdasrkan material yang telah dipilih dan berdasarkan pertimbangan-pertimbangan kebutuhan Camshaft yang dinginkan. Adapun proses manufaktur dari suatu produk secara umumdibagi tiga kategori yaitu :a. Shaping (pembentukan)b. Joining (penyatuan /assembli)c. Finishing (penyelesaian akhir)Pada kasus ini, Camshaft yang didesain adalah Camshaft dimanaporos dan Camnya menyatu sehingga proses metal shaping terdiri dari a) Shaping b) Finishing c) Shaping Proses shaping adalah proses pembentukan awal suatuproduk dari suatu material. Proses ini terbagi beberapa prosesantara lain : - Casting Methods - Moulding Methods - Deformation Methods - Powder Methods - Special Methods. Untuk menentukan metode yang digunakan bergantung daribeberapa faktor antara lain : - Jenis material yang akan dibentuk - Bentuk produk - Toleransi - Massa - Kakasaran - Kekakuan Dibawah ini adalah beberapa diagram sebagai pertimbangan dalam menentukan pemilihan material : Berdasarkan dari pertimbangan diatas, maka metode yang dipilih untuk proses shaping adalah casting. Casting terdiri dari : a) Sand casting : Keuntungan dari sand casting adalah : - Hampir semua logam dapat digunakan - Hampir tidak ada batasan ukuran dan bentuk bagian - Sangat kompleks - Biaya peralatan murah Keterbatasan : - Selalu memerlukan pemesinan - Hasil permukaaan kasar - Sulit untuk mendapatkan toleransi yang kecil - Kemungkinan cacat pada beberapa material b) Die Casting Keuntungan : - Hasil permukannya halus - Akurasi dimensi yang bagus - Proses pembuatan cepat Keterbatasan : - Biaya cetakan mahal - Terbatas pada logam non ferrous - Pengerjaan terbatas pada part yang kecil c) Investment casting Keuntungan : - Hasil produk mempunyai akurasi yang tinggi - Hasil permukaan yang bagus - Pengerjaan tidak terlau rumit - Dapat mengecor semua logam - Toleransi kecil. Keterbatasan : - Terbatas pada pegerjaan parts yang kecil - Biaya pembuatan pola dan cetakan mahal - Biaya tenaga kerja yang tinggi Spesifikasi Camshaft yang dinginkan yang berhubungandengan proses manufaktur adalah : - Berat kurang dari 1 kg - Kekasaran kecil - Toleransi kecil Berdasarkan pertimbangan keuntungan dan keterbatasan daribeberapa proses casting dan juga berdasarkan spesifikasi Camshaft yang dinginkan, maka proses yang dipilh untuk metalshaping pada Camshaft adalah : Die Casting. - Heat Treatment (Perlakuan Panas) Perlakuan panas dilakukan jika ingin memperbaiki sifat mekanik atau mengubah struktur mikro material.Adapaun Proses Heat treatmen antara lain : a) Annealling Tujuan annealing adalah untuk melunakkan baja sehingga meningatkan mampu mesin atau mengubah mikro struktur terutama untuk perlakuan panas lanjutan b) Normalizing Merupakan operasi sederhana untuk meng-annealing padalogam adalah pemanasan diatas garis kritis dan karbon usteniteyang dibentuk . Selain dalam tungku, baja dibiarkan didinginkanpada udara tenang. Laju pendinginan yang cepat membuatseluruh karbon berdifusi dan ukuran butiran yang sngat lembutterbentuk disebabkan terbentuknya kristal ferrite dan pearlitepada saat yang sama. Kemudian struktur diperbaiki dan kekerasan dan ketangguhan meningkat. Banyak baja karbon medium yang c) Quenching Pendinginan secara cepat yang lakukan dengan pencelupan dalam media air atau minyak. Bentuk kistal berubah menjadi bodycenter cubik dan struktur mikro berubah menjadi martensite yang bersifat sangat keras dan getas. Struktur mempunyai tegangan dalam sangat besar dan tidak cocok untuk hampir seluruh penggunaan. d) Tempering Merupakan pemanasan kembali dari quenching, baja martensitpenuh ke temperatur dibawah titik kritis untuk memodifikasistruktur dan mengurangi tegangan dalam. e) Finishing Proses Finishing adalah proses penyelesaian akhir dari suatuproses pembuatan suatu produk. Proses ini bertujuan untuk memperhalus, memperindah serta mempercantik produk sehingga produk tersebut siap untuk dipasarkan dan dipakai. Pada proses finishing pembuatan Camshaft, proses finishingyang dipilih adalah : a. Turning Turning (Bubut) merupakan suatu proses pemakanan bendakerja yang sayatannya dilakukan dengan cara memutar benda kerja kemudian dikenakan pada pahat yang digerakkan secara translasi sejajar dengan sumbu putar dari benda kerja. Gerakan putar dari benda kerja disebut gerak potong relatif dan gerakkan translasi dari pahat disebut gerak umpan (feeding). Denganmengatur perbandingan kecepatan rotasi benda kerja dan kecepatan translasi pahat maka akan diperoleh berbagai Cam ulir dengan ukuran kisar yang berbeda. Hal ini dapat dilakukan dengna jalan menukar roda gigi translasi (changegears) yang menghubungkan poros spindel dengan poros ulir (lead screw). Roda gigi penukar disediakan secara khusus untuk memenuhi keperluan pembuatan ulir. Jumlah gigi pada masing-masing roda gigi penukar bervariasi besarnya mulai dari jumlah 15 sampai dengan jumlah gigi maksimum 127. Roda gigi penukar dengan jumlah 127 mempunyai ke khususan karena digunakan untuk monversi dari ulir metrik ke ulir inchi. b. Painting Painting atau pengecatan adalah proses pelapisan padas uatu material dengan tujuan agar terlindung dari korosi, sebagai pemanis dan juga fungsi susunan warna. Dengan melakukan pengecatan maka objek yang dicat akan terlindung dari reaksi oksidasi yang dapat menyebabkan karat. Pemilihan warna yang tepat juga dapat mempengaruhi psikis dari manusia sehingga mendorong effisiensi dan produktivitas yang tinggi. Bagian dari Camshaft yang akan dicat adalah seluruh bagian kecuali permukaan Cam. Jenis cat yang banyak digunakan adalah cat anti karat, cat anti karat adalah cat dasar pada permukaan besi yang dapat mempertinggi sifat penempelan dengan dengan besi serta mencegah timbulnya karat. Menjaga besi dari karat adalah memutus hubungan antara besi dengan udara dan air sehinggareaksi kimia terutama reaksi oksidasi tidak akan terjadi. Untuk mengatur viskositas atau kekentalan pada catmaka cat biasanya di Campur dengan thiner. Jika viskositas dari cat kurang tepat maka akan sangat berpengaruh padahasil pengecatan. Jika Campuran terlalu encer maka lapisancat terlalu tipis dan akan menurunkan efisiensi lapisan. Dan jika terlalu kental maka akan menimbulkan cacat seperti goresan kuas atau can yang menggumpal sehingga diperoleh hasil yang kurang maksimal. Sebelum melakukan pengecatan maka hal terpenting yang harus dilakukan adalah menyiapkan bidang material yang akan dilas. Bidang material harus dibersihkan darikotoran, air, dan minyak agar tidak merusak penempelan cat dengan material. Ada dua cara dalam membersihkan bidang material yang akan di cat, yaitu : a) Cara fisik. Cara ini digunakan untuk membersihkan bagian-bagian yangtidak dapat dilakukan dengan cara kimia. Peralatan yangdigunakan yaitu dapat berupa kikir, mesin gerinda,ampelas dan juga wire brush. b) Cara kimia. Proses pembersihan dengan cairan kimia, contohnya dengan garam klorida yang dilarutkan dengan air untuk menghilangkan karat. Penggunaan alat pengecatan yang tepat sangat mempengaruhi kualitas dari hasil pengecatan. Ada beberapa macam alat pengecatan, diantaranya - Air sprayb. - Air less sprayc. - Spray elektrostatisd. - Pencelupane. - Pelapisan listrikf. - Curtain flow coaterg. - Roler coat. Alat pengecatan yang dilakukan pada Camshaft adalah dengan menggunakan air spray karena memiliki efisiensi pekerjaan yang baik serta dapat menghasilkan pengecatan yang halus. Jika pada larutan dikenakan aliran udara dengan kecepatan tinggi maka larutan akan menjadi titik-titik air lalu jatuh. Seperti pada gambar sprayer, jika ditiupkan udara dari lubang kecil dibagian ujung akan keluar udara yang kuat maka tekanan di dekat O akan menjadi rendah, air akan naik keatas dan dengan dorongan udara yang kuat maka air akan menyemprot keluar. H. Kesimpulan. Hal yang harus diperhatikan dalam proses pemilihan material adalahsebagai berikut : 1. Sifat operasi (functional requirement ) dari part. Sifat operasi berhubungan langsung dengan karakteristik dari pembebanan yang diterima part secara langsung. Apakah part itu menerima beban gesek, beban tarik, beban geser, beban kejut, dll. 2. Kondisi operasi part (resistance to service condition). Kondisi lingkungan tempat beroperasi mempunyai peran yang sangat penting dalam menentukan suatu material. Contohnya lingkungan yang memungkinkan terjadinya korosi, seperti lingkungan bertemperatur rendah, berdampak merugikan bagi kebanyakan material. 3. Kemampuan Proses (process ability requirement). Kemampuan proses suatu material bisa dinilai dari kemampuan part tersebut untuk dikerjakan dan dibentuk menjadi barang jadi. Contohnya part tersebut memiliki sifat castability, formability,machinability, weldability, dan hardenability. 4. Cost. Harga biasanya menjadi faktor penting dalam evaluasi material karena tidak sedikit aplikasi yang mempunyai batasan budget.Penentuan harga biasanya dibandingkan dengan aplikasi yang akandi gunakan. 5. Ketahanan uji (reliability requirement) Ketahanan uji bisa diartikan kemungkinan akan ketahanan suatu material terhadap fungsi tanpa adanya kerusakan atau kegagalan proses. Proses manufaktur pada Camshaft pada dasarnya terdiri dari dua proses utama yaitu metal shaping process dalam hal ini Die Casting dan finishing process meliputi Turning, Polishing dan Painting.