BANTALAN LUNCUR (SLIDING BEARING) BAB 2 | Materi | Makalah

Admin Elemen Mesin

BAB II

BANTALAN LUNCUR (SLIDING BEARING)

A. Jenis-jenis Sliding Bearing

Sliding bearing memerlukan geseran langsung dari elemen yang membawa beban pada tumpuannya. Hal ini berbeda dengan rolling-element bearings, dimana bola atau roller dipasang diantara dua permukaan geser.Sliding bearing atau sering juga disebut plain bearing terdiri atas dua jenis yaitu:

Silahkan Download File Full DOCX dan PDF pada link Dibawah Artikel

(1) Journal atau sleeve bearing, yang bentuknya silindris dan menahan beban radial (yang tegak lurus terhadap sumbu poros).

Konstruksi Sleeve Bearing

Konstruksi Sleeve Bearing

(2) Thrust bearing, yang bentuknya biasanya datar, dimana pada kasus poros yang berputar, dapat menahan beban yang searah dengan sumbu poros.

Konstruksi Thrust Bearing

Pada kasus poros yang berputar, bagian poros yang berkontak dengan bantalan disebut journal. Bagian yang datar pada bantalan yang melawan gaya aksial disebut thrust sufaces. Bantalan ini sendiri dapat disatukan dengan rumah atau crankcase. Tetapi biasanya berupa shell tipis yang dapat diganti dengan mudah dan yang menyediakan permukaan bantalan yang terbuat dari material tertentu seperti babbit atau bronze. Ketika proses bongkar pasang tidak memerlukan pemisahan bantalan, bagian tertentu pada bantalan dapat dibuat sebagai sebuah dinding silindris yang ditekan pada lubang di rumah bantalan. Bagian bantalan ini disebut sebagai bushing.

B. Sifat Sliding Bearing Material

Ketika jurnal dan bearing memiliki pelumas yang sesuai, dimana lapisannya bersih, pelumas non korosi, memisahkan kontak antara dua permukaan.

Sifat Sliding Bearing Material

C. Material Bantalan Luncur

Beberapa sifat yang dicari pada material bantalan adalah relative softness (untuk menyerap partikel asing), kekuatan yang cukup, machinability (untuk mempertahankan toleransi), lubricity, ketahanan temperatur dan korosi, dan pada beberapa kasus, porositas (untuk menyerap pelumas). Kekerasan material bantalan tidak boleh melebihisepertiga kekerasan material yang bergesekan dengannya untuk mempertahankan embedability dari partikel abrasiv. Beberapa kelas material yang berbeda dapat digunakan sebagai bantalan, biasanya yang berbasis timbal, timah, dan tembaga. Aluminium sendiri bukan merupakan material yang baik untuk bantalan walaupun banyak digunakan sebagai bahan paduan untuk beberapa material bantalan.

Material Bantalan Luncur

Babbit
Semua famili logam berbasis timbal dan timah yang dikombinasikan dengan unsur lain sangat efektif terutama jika diproses dengan electroplatting dalam bentuk lapisan tipis pada substrat yang lebih kuat seperti baja. Babbit meupakan contoh yang sangat umu pada famili ini dan biasa digunakan pada bantalan crankshaft dan camshaft. Lapisan babbit yang tipis akan mempunyai ketahanan fatigue yang lebih baik daripada lapisan babbit yang tebal, tetapi tidak dapat melekatkan partikel asing dengan baik. Karena babbit ini mempunyai temperatur peleburan yang rendah dan akan cepat rusak dalam kondisi pelumasan batas (boundary lubrication), maka diperlukan pelumasan hidrodinamik atau hidrostatik yang baik.
Bronzes
Famili paduan tembaga, terutama bronze, merupakan pilihan yang sangat baik untuk melawan baja atau besi cor. Bronze lebih lunak dibanding material ferrous tetapi mempunyai kekuatan, machinability, dan ketahanan korosi yang baik serta bekerja dengan baik melawan paduan besi jika dilumasi. Ada lima macam paduan tembaga yang biasa digunakan sebagai bantalan yaitu, copper-lead, leaded bronze, tin bronze, aluminium bronze, dan berrylium copper. Kekerasan paduan tembaga ini bervariasi mulai dari yang nilainya hampir sama dengan babbit sampai dengan yang hampir sama dengan baja. Bushing bronze ini dapat bertahan dalam kondisi pelumasan batas (boundary lubrication) dan dapat menahan beban tinggi dan temperatur tinggi.
Besi Cor Kelabu dan Baja
Besi cor kelabu dan baja merupakan material bantalan yang cukup baik untuk digunakan melawan sesamanya dalam kecepatan rendah. Grafit bebas pada besi cor menambah sifat lubricity tetpi pelumas cair tetap dibutuhkan. Baja juga dapat digunakan melawan baja jika keduanya dikeraskan dan diberi pelumasan. Ini merupakan pilihan yang biasa digunakan pada rolling contact di bantalan rolling-element. Bahakan baja dapat melawan semua material lain jika diberi pelumasan yang sesuai.
Sintered Materials
Material seperti ini dibuat dari serbuk dan secara mikroskopik tetap berpori setelah perlakuan panas. Porositas ini memungkinkan material ini untuk menyimpan pelumasdengan aksi kapilaritas, dan kemudian melepaskannya ke bantalan jika panas. Sintered bronze digunakan secara luas untuk digunakan melawan baja atau besi cor.
Material Non-Logam
Beberapa jenis material non-logam memberikan kemungkinan untuk bekerja dalam kondisi kering jika meterial ini mempunyai sifat lubricity yang baik. Contohnya adalah grafit. Beberapa jenis material termoplastik seperti nilon, acetal, dan teflon memberikan koefisien gesek yang rendah terhadap logam manapun tetapi mempunyai kekeuatan dan temperatur leleh yang rendah, yang jika digabungkan dengan konduktivitas panasnya yang buruk akan membatasi beban dan kecepatan yang bisa ditahan. Teflon mempunyai koefisien gesek yang rendah tetapi harus diberi filler untuk meningkatkan kekuatannya. Adapun filler yang biasa digunakan pada teflon adalah inorganic fillers seperti talc atau serat kaca yang dapat meningkatkan kekuatan dan kekakuan, serbuk grafit dan MoS2 yang dapat meningkatkan lubricity, kekuatan serta ketahanan temperaturnya. Kombinasi material poros dengan bantalan yang biasa digunakan pada prakteknya sangat terbatas.Tabel berikut ini menunjukkan beberapa kombinasi material poros dengan bantalan.

D. Konsep Dasar Bantalan Hidrodinamik

Bantalan Luncur Hidrodinamik adalah jenis yang paling banyak digunakan saat ini karena konstruksinya yang sederhana dan performansi yang baik. Lapisan film pelumas tumbuh akibat dari gerakan relatif antara permukaan yang saling bergerak relatif. Ada beberapa parameter utama sliding bearing yang menentukan tumbuh tidaknyalapisan film hydrodinamik yaitu kecepatan relatif permukaan, viscositas pelumas, laju aliran pelumas, dan beban. Hal ini berarti untuk mencapai kondisi full-film maka kecepatan putaran harus cukup tinggi, pelumas yang tepat serta suply pelumas yang cukup. Dalam operasinya, hydrodynamic bearing juga akan mengalami kondisi boundary lubrication pada saat start dan saat akan berhenti. Gambar dibawah ini menunjukkan contoh posisi journal bearing pada saat diam, mulai diperasikan (start) dan pada saat mencapai full-film lubrication. Sedangkan gambar berikutnya menunjukkan karakteristik gesekan pada hydrodinamic bearing dari saat start sampai mencapai kondisi full film.

Karakteristik gesekan pada hydrodinamic bearing dari saat start sampai mencapai

kondisi full film

E. Teori Pelumasan Hidrodinamik

Concentric Journal Bearing

Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa hidrodynamic bearing adalah jenis bantalan sliding bearing yang paling banyak digunakan saat ini. Disini kita akan membahas teori pelumasan hidrodinamik dan aplikasinya pada journal bearing. Pertama kita akan membahas journal bearing konsentris yang belum mendapat beban seperti ditunjukkan pada gambar 11.12. Clearance antara journal dan bearing sangatlah kecil, biasanya sekitar 1/1000 kali diameter journal. Karena itu kita dapat memodelkannya sebagai dua buah permukaan datar sebab gap h sangat kecil sekali dibandingkan dengan radius lengkungan bearing. Model ini ditunjukkan pada gambar (b).

Concentric Journal Bearing

Concentric Journal Bearing

Jika permukaan bawah dijaga tetap diam dan permukaan atas digerakkan dengan kecepatan U, maka pelumas akan mengalami shear. Partikel pelumas pada permukaan atas akan bergerak dengan kecepatan yang sama dengan permukaan atas dan partikel yang menempel pada permukaan bawah akan tetap diam. Elemen geser fluida pelumas ditunjukkan pada gambar (c). Gradien kecepatan akan menyebabkan distorsi sebesar β = dx/dy. Tegangan geser yang terjadi pada elemen fluida pelumas adalah proporsional dengan laju geseran yaitu :

dimana η adalah viskositas. Jika tebal film h konstan maka gradient kecepatan du/dy = U/h = konstan. Jadi gaya yang diperlukan untuk menggerakkan pelat adalah tegangan dikalikan luas permukaan yaitu :

F= hA

Untuk journal bearing yang konsentris, gap h = /2 dan adalah diametral clearance. Kecepatan U = πDn; n = putaran journal per detik; dan luas geser A = πDL. Jadi torsi yang diperlukan untuk melawan gesekan film pelumas adalah

Persamaan ini dikenal dengan persamaan Petroff untuk torsi film pelumas tanpa beban.

Eccentric Journal Bearing

Untuk menumpu beban transversal, pelat pada gambar 11.12b harus nonparalel. Jika pelat bawah diputar berlawanan arah jarum jam dan pelat atas digerakkan dengan kecepatan U, fluida antara kedua pelat akan mengisi gap yang semakin kecil seperti ditunjukkan pada gambar 11.13a. Hal ini akan menimbulkan tekanan yang akan melawan beban transversal P. Sudut antara kedua pelat dapat dianalogikan sebagai clearance yang bervariasi akibat eksentrisitas e dari jurnal dan bantalan seperti ditunjukkan pada gambar 11.13b. Eksentrisitas e diukur dari pusat bantalan Ob sampai ke pusat jurnal Oj. Sumbu 0-π untuk variabel independen θ dibuat sepanjang garis Oj seperti pada gambar 11.13b. nilai maksimum dari e adalah cr = /2, dimana cr adalah radius clearance. Eksentrisitas ini dapat dikonversikan ke rasio eksentrisitas dimensionless ε :

Rasio eksentrisotas ini nilainya bervarisi dari 0 sampai 1 ketika journal menyentuh bantalan. Persamaan pendekatan untuk ketebalan lapisan h sebagai fungsi dari θ sebagai berikut :

Tebal lapisan h maksimum terjadi pada θ = 0 dan minimum pada θ = π.

Eccentric Journal Bearing

Pada gambar 11.14 ditunjukkan bantalan luncur dengan sistem koordinat yang pusatnya terletak pada tepi bantalan. Adapun adanya komponen V2 pada arah y diakibatkan oleh menutup atau membukanya celah h pada saat berrotasi sehingga 2 V = ∂h / ∂x .

Eccentric Journal Bearing

Dengan menggunakan asumsi di atas, dapat dituliskan persamaan Reynolds yang menghubungkan perubahan tebal celah h, kecepatan relatif antara bantalan dan journal dan - , dan tekanan fluida p sebagai fungsi dua dimensi x dan z, serta dengan mengasumsikan bahwa journal dan bantalan adalah paralel pada arah z dan viskositas η adalah konstan.

Dimana U = U1 + U2.

Solusi Long Bearing

Persamaan di atas hanya bisa dipecahkan secara numerik. Raimondi dan Boyd menemukan metode pemecahannya yang menggunakan berbagai grafik. Namun Reynolds kemudian menemukan solusi pendek untuk permsaan tersebut dengan mengasumsikan bahwa bantalan mempunyai panjang tak hingga pada arah z. Asumsi ini mengakibatkan aliran menjadi nol dan distribusi tekanan sepanjang arah z konstan atau ∂p / ∂z = 0 . Dengan penyederhanaan ini persamaan Reynolds menjadi :

Solusi Short Bearing

Dalam dunia modern, bantalan panjang (long bearing) sangat jarang digunakan karean beberapa alasan seperti batasan dimensi, pengangkutan, dan sebagainya. Rasio l/d pada bantalan modern biasanya adalah sekitar ¼ sampai 1. Solusi long bearing mengasumsikan bahwa tidak ada kobocoran pelumas samping pada bantalan, namun pada rasio l/d yang kecil ini, kebocoran samping dapat merupakan faktor yang sangat signifikan. Ocvirk dan DuBois, memecahkan persamaan Reynolds yang melibatkan factor kobocoran samping.

Persamaan ini juga dapat diintegrasikan untuk memberikan persamaan dalam bentuk tekanan pada lapisan pelumas sebagai fungsi θ dan z.

Persamaan ini disebut sebagai solusi Ovrick atau solusi short bearing. Persamaan ini biasanya dievaluasi untuk θ = 0 sampai π, dengan mengasumsikan tekanan sama dengan nol pada belahan sisi yang lain.

short bearing

Distribusi tekanan p pada arah z adalah parabolik dan puncaknya pada tengah panjang bantalan l dan nol pada z = ± l/2. Tekanan p bervariasi secara nonlinear pada seluruh θ dan memuncak pada kuadran kedua. Nilai θmax pada pmax dapat dihitung dengan persamaan:

dan nilai pmax dapat ditemukan dengan mensubstitusikan z = 0 dan θ = θmax pada solusi short bearing. Sudut antara arah gaya P dengan sumbu θ = π digambarkan sebagai φ . Besar sudut φ dapat dicari dengan menggunakan persamaan :