FENOMENA PATAH LELAH BATANG TORAK MESIN …

FFeennoommeennaa PPaattaahh LLeellaahh BBaattaanngg TToorraakk MMeessiinn KKeennddaarraaaann NNiiaaggaa ((HHaaddii SSuunnaannddrriioo))

ISSN 1410-3680 65

FENOMENA PATAH LELAH BATANG TORAKMESIN KENDARAAN NIAGA

PHENOMENON OF SHAFT FATIQUE FRACTUREOF COMMERCIAL VEHICLE ENGINES

Hadi Sunandrio

Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur (B2TKS) - BPP TeknologiKawasan PUSPIPTEK - Setu- Tangerang Selatan 15314 - Banten

Telp. : 021-7560562 ext. 1069, Fax. : 021-7560903Email : [email protected]

Abstrak

Batang torak (connecting rod) mesin kendaraan niaga mengalami patah di daerahconnecting rod shank, pada saat kendaraan tersebut sedang berjalan.Untukmengetahui penyebab terjadinya kerusakan tersebut, maka perlu dilakukanpemeriksaan dan pengujian di laboratorium terhadap patahan batang toraktersebut, meliputi : pemeriksaan fraktografi, pemeriksaan metalografi, pengujiankekerasan, analisa komposisi kimia dan pemeriksaan dengan SEM. Dari hasilpemeriksaan dan pengujian diketahui bahwa patahnya connecting rod shankdisebabkan karena mengalami patah lelah (fatigue fracture). Bila dilihat dariluasan area lelah (fatigue area) yang lebih besar dibandingkan dengan sisapatahannya (final fracture), maka dapat diketahui bahwa connecting rod shanktelah mengalami patah lelah akibat beban unidirectional bending, dengantegangan nominal yang rendah (low nominal stress) tanpa adanya konsentrasitegangan (no stress concentration). Struktur mikro connecting rod shank adalahferrite dan pearlite, Dari hasil pemeriksaan komposisi kimia dan pengujiankekerasan menunjukkan jenis materia daril connecting rod shank sesuai denganspesifikasi yang digunakan, yaitu JIS G 4051 Grade S 20 C.

Kata kunci :batang torak, patah lelah, beban tekuk searah, tegangan nominalrendah, tanpa konsentrasi tegangan

Abstract

The connecting rod engine of commercial vehicle was suffering damage onthe coneecting rod shank area, while its running. To determine the cause of thedamage, it is necessary to do inspection and test on the connecting rod fracture inthe laboratory, includes: fractography examination, metallography examination,hardness testing, chemical composition analysis and SEM examination. From theresults of inspection and testing are known that the fracture of connecting rodshank caused by fatigue fracture. By observing that extent of fatigue area is largerthan the final fracture, shows that the connecting rod shank has sufferedunidirectional bending fatigue due to load, with nominal low stress and no stressconcentration. Connecting rod shank microstructure is ferrite and pearlite, Fromthe results of the chemical composition and hardness testing indicates the type ofconnecting rod shank material is in accordance with the specification, JIS G 4051Grade S 20 C.

Key words : connecting rod, fatigue fracture, unidirectional bending, low nominalstress, no stress concentration

Diterima (received) : 16 Juni 2014, Direvisi (reviewed) : 22 Juni 2014,Disetujui (accepted) : 10 Juli 2014

MM..PP..II.. VVooll.. 88,, NNoo.. 22,, AAgguussttuuss 22001144,, 6655 -- 7722______________________________________________________________________________

66 ISSN 1410-3680

PENDAHULUAN

Untuk keperluan transpotasi mengangkutberbagai keperluan umumnya menggunakankendaraan roda empat jenis pick-up. Bilasalah satu komponen vital dari kendaraanniaga tersebut mengalami kerusakan, makaada kemungkinan bila kendaraan tersebutmelaju pada kecepatan tinggi akan berakibatfatal dan dapat menyebabkan kecelakaan.Oleh sebab itu kerusakan yang terjadi padasuatu komponen haruslah diketemukansedini mungkin penyebabnya, sehinggadapat mencegah kemungkinan terjadinyakecelakaan.

Umumnya kendaraan roda empat jenispick-up yang banyak beroperasi di Indonesiamenggunakan mesin sebagai penggerakutamanya. Dimana poros engkol berfungsimerubah gerak turun naik piston melaluibatang piston untuk selanjutnya dirubahmenjadi gerak putar, tenaga inilah yangdipakai kendaraan untuk bisa berjalan.Susunan komponen mesin penggerak utamaditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1.Susunan dari komponen mesin yangberfungsi sebagai penggerak utama.

Batang torak terletak pada mesinmenghubungkan silinder liner dan porosengkol. Piston bergerak secara translasisepanjang silinder liner akibat prosespembakaran dalam ruang silinder. Padabatang torak melalui pena torakmenggerakkan silinder dengan gerakantranslasi diubah menjadi gerakan rotasimelalui poros engkol. Bagian bawah batangtorak dengan poros engkol dihubungkandengan sambungan baut. Batang torak

memerlukan analisis kekuatan karenapembebanan dinamis terhadap komponentersebut sangat diperlukan agarmendapatkan produk yang berkualitas aman,kuat dan ekonomis. Rangkaian penghubungbatang torak ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2.Rangkaian Penghubung Torak

Kendala yang terjadi adalah padakomponen batang torak (connecting rod)kendaraan pick-up mengalami patah didaerah connecting rod shank, pada saatkendaraan tersebut sedang berjalan. Posisibatang torak yang sering menyala dan patahditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3.Bentuk connecting rod pada silinder 1

kendaraan pick-up yangmengalami patah

Kronologi kejadian patahnya batang torakadalah sebagai berikut :

1. Torak (Piston)2. Batang Torak3. Poros Engkol

I - BEAM (SHANK)

ROD BUSHING

ROD SMALL END

CONNECTING ROD

RODBEARINGINSERTS

ROD BOLT

ROD CAP

ROD NUT

ROD BIG END


ISSN 1410-3680 67

Kendaraan roda empat pick-up pada saatdigunakan dalam perjalanan memuat beban± 835 kg. Setelah lampu hijau, saatkendaraan mulai melaju terjadi kerusakanpada mesin, yakni :Silinder 1 : Connecting Rod patahSilinder 2 : Tidak terjadi kerusakanSilinder 3 : Connecting Rod sedikit

bengkok namun tidak patahSilinder 4 : Tidak terjadi kerusakan

Untuk mengetahui penyebab patahnyaconnecting rod shank tersebut, maka perludilakukan pemeriksaan dan pengujian dilaboratorium meliputi: pemeriksaanfraktografi, pemeriksaan metalografi,pengujian kekerasan, analisa komposisi kimiadan pemeriksaan dengan SEM.

BAHAN DAN METODEBahan

Connecting rod shank yang patah tersebutmenggunakan bahan dari standard JIS G4051 Grade S 20 C.Jenis Kendaraan : Pick-upNama Part : Connecting Rod

Metode Penelitian

1. Pemeriksaan FraktografiPemeriksaan fraktografi (mengacu pada

ASTM E 340 sebagai referensi) : Untukmemeriksa permukaan kerusakan danmendeteksi jenis kerusakan serta mencariawal dari kerusakan dengan menggunakanstereo mikroskop perbesaran 12Xdan 25X

2. Pemeriksaan MetalografiPemeriksaan metalografi (mengacu pada

ASTM E 407): Untuk mengamati strukturmakro dan mikro serta mengamatikemungkinan adanya cacat mikro yang tidakterdeteksi oleh alat lain. Sampel untukpemeriksaan metalografi diambil daripotongan memanjang di daerah awalterjadinya patahan.

Urutan pekerjaan pemeriksaanmetalografi adalah sebagai berikut :a.Pemotongan sample dengan alat potong

yang tidak menimbulkan panas.b.Penggerindaan menggunakan amplas

dengan kekasaran 80, 220, 400, 600, 800,1000 dan 1200.

c.Pemolesan menggunakan pasta denganukuran ¼μ, 1μ, 3 μ dan 6 μ.

d.Peng-etsa-an dengan cairan Nital 2%.e.Pemotretan menggunakan mikroskop

“Metalloplan”, dengan perbesaran 50X,200X dan 500X.

3. Pemeriksaan Komposisi KimiaPemeriksaan komposisi kimia (mengacu

pada ASTM A 751) : Untuk menelitikandungan elemen yang ada pada materialdasar connecting rod apakah sesuai denganstandard. Mesin yang digunakan untukpemeriksaan komposisi kimia adalah mesin“OES Metorex Arc-Met SP 930”.

4. Pengujian KekerasanUji kekerasan (mengacu pada SNI 19-

0406): Untuk mengevaluasi perubahan nilaikekerasan yang terjadi setelah beroperasi.Mesin yang digunakan untuk pengujiankekerasan adalah mesin “frank finotest” padatemperatur ruang, dengan metode uji vickers(HV), beban 5 kg dan waktu pengujian 15detik.

5. Pemeriksaan dengan SEMPemeriksaan dengan SEM (scaning

electron microscope): Untuk pemeriksaanatau mengamati detail permukaan patahan(mikro fraktografi) dan mampu menampilkanpengamatan obyek secara tiga dimensi, yangberisi informasi tentang topografi permukaanpatahan apakah akibat pengaruh dari bebanoverload (beban lebih), dan fatigue (lelah).

HASIL DAN PEMBAHASANHasil Pemeriksaan dan Pengujian

1. Pemeriksaan Makro FraktografiPada Gambar 4 terlihat bahwa connecting

rodmengalami patah pada batang penggerak(connecting rod shank).

Gambar 4.Perbesaran dari Gambar 3 yang

memperlihatkan patahan terjadi padabatang penggerak (connecting rod shank).

Pada permukaan patahan connecting rodshank memperlihatkan adanya ciri khas patahlelah (fatigue fracture), ditandai denganadanya alur-alur yang menyerupai garis-garispantai (beach marck) yang merupakandaerah patah lelah (fatigue area),danmengarah kesatu titik (lihat tanda panahmerah) yang merupakan awal terjadinyapatahan (initial fracture). Sedangkan pada


68 ISSN 1410-3680

permukaan yang lebih kasar merupakandaerah akhir patahan (final fracture), sepertipada Gambar 5 sampai Gambar 7. Gambar 8menunjukkan lokasi pemotongan sampeldengan arah sejajar sumbu untukpemeriksaan metalografi.

Gambar 5.Photo makro permukaan patahan connecting

rod shank yang memperlihatkan adanyaciri khas patah lelah (fatigue fracture)

Gambar 6.Photo makro pada daerah patah lelah(fatigue area), sedangkan tanda panah

merupakan awal terjadinya patahan (initialfracture)

Gambar 7.Photo makro pada daerah akhir patahan

(final fracture)

Gambar 8.Lokasi pemotongan arah sejajar sumbu untuk

pemeriksan metalografi.

2. Pemeriksaan MetalografiPemeriksaan secara makro etsa terhadap

potongan sejajar sumbu connecting rodshank (lihat Gambar 9 dan 10), dimana tandapanah putih merupakan awal patahan (initialfracture) dan tanda panah kuning merupakanakhir patahan (final fracture) terlihatmembentuk sudut 45º. Photo makro etsapada potongan sejajar sumbu connecting rodshank di daerah yang merupakan terjadinyaawal patah lelah (initial fatique fracture) lihattanda panah putih. Sedangkan pada bagianatas merupakan permukaan patahan/fatiquearea.

.

Gambar 9.Photo makro etsa potongan sejajar sumbu

connecting rod shank perbesaran : 12X

initialfracture

fatigue area

final fracture

fatigue area

final fracture

initial fracture


ISSN 1410-3680 69

Struktur mikro potongan sejajar sumbu padaawal patahan (initial fracture) pada lokasi 1(lihat Gambar 10) berupa ferit dan perlit(normal) dengan perbesaran : 200X dan Etsa: Nital 2%. Tanda angka 1 s.d 4 merupakanlokasi pengambilan photo metalografi denganperbesaran : 25X dan Etsa : Nital 2%. Kondisi

patah tersebut dapat dilihat pada foto-fotopada Gambar 11 sampai 14. Pada titik lokasi2 (Gambar 10) menunjukkan ferit dan perlit(normal) dengan perbesaran : 200X dan Etsa: Nital 2%.

Gambar 10.Photo makro etsa pada potongan sejajar sumbu batang

Gambar 11.Struktur mikro potongan sejajar sumbu pada

awal lokasi titik 1

Gambar 12.Struktur mikro potongan sejajar sumbu pada

daerah patah lelah lokasi 2

Gambar 13.Struktur mikropada akhir patahan di lokasi 3

Gambar 14.Struktur mikro material Connecting Rod di

lokasi 4 berupa ferit dan perlit (normal).

12

final fracture fatigue area

3

Initial Fracture

final fracture

4


70 ISSN 1410-3680

3. Pemeriksaan Dengan SEMHasil pemeriksaan dengan SEM

(scanning electron microscope) padapermukaan patahanConnecting Rod Shankdapat dilihat pada Gambar 15.

Gambar 15.Photo hasil pemeriksaan dengan SEM

(scanning electron microscope)padapermukaan patahan.

Perbesaran :200X dan 500X

Dari hasil pemeriksaan denganmenggunakan SEM di daerah yangmengalami patah lelah, terlihat adanya alur-alur arah memanjang yang merupakanperambatan retakan atau patahan.

4. Analisa Komposisi KimiaHasil analisa komposisi kimia pada

material connecting rod shank dapat dilihatpada Tabel1.

Tabel 1.Hasil Analisa Komposisi Kimia

Connecting Rod Shank

Element Hasil( % wt )

JIS G 4051Grade S 20 C

C 0,18 0.18 - 0.23Si 0,30 0.15 - 0.35Mn 0,54 0.30 - 0.60S 0,026 0.035 max.P 0,020 0.030 max.

Sumber Data :Pengujian ini menggunakan alatOESMetorex Arc-Met SP 930

5. Pengujian KekerasanHasil uji kekerasan terhadap potongan

memanjang connecting rod shank dapatdilihat pada Tabel 2. Pengujian dilakukandengan menggunakan alat frank finotest.Lokasi titik pengujian ditunjukkan padaGambar 16.

Tabel 2.Hasil Uji Kekerasan

Connecting Rod Shank

No. Nilai Kekerasan(HV)

JIS G 4051Grade S 20 C

1 262 230 HV s/d292 HV2 246

3 2574 2575 265

Gambar 16.Lokasi pengujian kekerasan

HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan karakteristik kerusakan yangterdapat pada permukaan patahanconnecting rod shank, memperlihatkanadanya ciri khas patah lelah (fatiguefracture), yang diawali atau dimulai dari salahsatu sisi pada connecting rod shank yangmerupakan awal terjadinya patahan (initialfracture). Kemudian menjalar ke dalam yangditandai dengan adanya alur-alur yang

x1

x 5

x 4

x2

x3


ISSN 1410-3680 71

menyerupai garis-garis pantai (beach marck)dan merupakan daerah patah lelah (fatiguearea), kemudian terus menjalar hinggaconnecting rod shank patah. Pada akhirpatahan (final fracture) terlihatpermukaannya cenderung lebih kasar danmembentuk sudut 45º. Hal tersebut dapatdiperkuat dengan hasil pemeriksaan padapermukaan patahan dengan SEM (scanningelectron microscope), dimana dijumpaiadanya alur-alur arah memanjang yangmerupakan relief dari perambatan retakanlelah (fatigue crack propagation).

Dilihat dari luasan area lelah (fatiguearea) yang lebih besar bila dibandingkandengan sisa patahannya (final fracture), danjika dicocokan dengan skematik permukaanpatahan lelah (lihat Gambar 17) maka dapatdiketahui bahwa connecting rod shankkemungkinan besar mengalami patah lelahakibat beban unidirectional bending, dengantegangan nominal yang rendah (low nominalstress) tanpa adanya konsentrasi tegangan(no stress concentration).

Berdasarkan hasil pemeriksaan secaramakro etsa dan struktur mikro padapotongan memanjang connecting rod shankdi daerah yang merupakan terjadinya awal

patah lelah (initial fatigue fracture), terlihatbahwa daerah patah lelah (fatigue area)terjadi pada setengah dari tebal connectingrod shank dan akhirnya patah membentuksudut 45º yang merupakan akhir patahan(final fracture) karena overload.

Dalam hal ini timbulnya fatique load padaconnecting rod shank dilihat dari konstruksidan posisi terjadinya patahan, dapatdisebabkan karena pada daerah terebutmengalami getaran atau vibrasi pada saatberoperasi, sehingga beban yang terjadiumumnya disebabkan karena adanya bebantekuk satu arah atau lazim disebut sebagaibeban "unidirectional bending". Dilihat daridaerah patah lelah (fatigue area)terjadi padasetengah dari tebal connecting rod shankmenunjukkan bahwa perambatan retak lelah(fatigue crack propagation) memerlukanwaktu yang cukup lama, sehingga tebal dariconnecting rod shank yang tersisa tidakmampu lagi menahan beban operasionalhingga connecting rod shank mengalamipatah.

Gambar 17.Skematik permukaan patahan lelah dengan berbagai jenis beban.


72 ISSN 1410-3680

Getaran atau vibrasi yang timbul padaconnecting rod dapat disebabkan karenamisalignment pada batang torak, unbalancepada poros engkol atau gangguan padasistim pelumas. Struktur mikro materialconnecting rod shank berupa ferit dan perlit(normal). Dari hasil pemeriksaan komposisikimia dan pengujian kekerasan terhadapconnecting rod shank, maka jenis materialdaril connecting rod shank telah sesuaidengan spesifikasi yang digunakan, yaitu JISG 4051 Grade S 20 C

SIMPULAN

Berdasarkan hasil pemeriksaan danpengujian terhadap patahan connecting rodshank, maka dapat disimpukan bahwaconnecting rod shank mengalami patah lelah(fatigue fracture) akibat beban "unidirectionalbending" pada tegangan nominal yang kecil(low nominal stress). Awal patah lelah diawaliatau dimulai dari salah satu sisi padaconnecting rod shank yang merupakan awalterjadinya patahan (initial fracture), kemudianmenjalar ke dalam yang ditandai denganadanya alur-alur yang menyerupai garis-garispantai (beach marck), dan akhirnya sisa tebalyang ada tidak mampu lagi menahan bebanoperasional hingga connecting rod shankmengalami patah.

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan kerendahan hati penulismengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : Bapak DR. Ing. H. AgusSuhartono, Bapak Sutarjo, ST dan BapakAswandi, ST, yang telah membantumemberikan masukan serta data pengujiankepada kami dalam penulisan makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

1. ASM Metals Handbook, Vol. 12,“Fractography”, American Society forMetals, 2009.

2. ASM Metals Handbook, Vol. 9,“Metallography and Microstructures”,American Society for Metals, 2009.

3. ASM Metals Handbook, Vol. 11, “FailureAnalysis and Prevention”, AmericanSociety for Metals, 2009

4. Charlie R. Brooks, Ashok Choudhury,"Metallurgical Failure Analysis", Mc.Graw-Hill, Inc., United States of America,1993.

5. Heinz P. Bloch, Fred K. Geitner,“Machinery Failure Analysis andTroubleshooting”, Gulf PublishingCompany, Houston, Texas, 1997.

6. George E. Dieter, "MechanicalMetallurgy", Mc.Graw-Hill BookCompany, New York, 1988.

Documents

FENOMENA PATAH LELAH BATANG TORAK MESIN …