Baut, mur, dan sambungan ulir: kelas kekuatan, torsi pengencangan, prapenegangan, pengunci ulir, dan kegagalan sambungan

Baut rumah bantalan sebuah washer-extractor di laundry rumah sakit ditemukan kendur saat pemeriksaan bulanan. Teknisi mengencangkannya "sekuat tangan" dengan kunci ring. Dua minggu kemudian bunyi ketukan muncul lagi saat ekstraksi, dan satu baut sudah longgar. Kali ini teknisi memasang baut baru berlapis seng, membeli kunci momen, dan mengencangkannya menurut tabel torsi untuk baut kering yang ia temukan di internet. Satu baut putus di ulirnya ketika dikencangkan, dan dua lainnya terasa "lembek" sebelum mencapai angka tabel.

Ketiga kejadian berasal dari satu salah paham: tujuan mengencangkan baut bukan mencapai angka torsi, tetapi menghasilkan gaya jepit yang tepat. Torsi hanya cara tidak langsung untuk mencapainya, dan hubungan keduanya bergantung pada gesekan. Bab ini menjelaskan hubungan itu dan cara membaca tabel torsi pabrik.

Batas pembahasan

Bab ini membahas prapenegangan, bagian ulir, kelas kekuatan, hubungan torsi dan gaya jepit, tabel torsi pabrik, pengunci ulir, urutan pengencangan, baut dari bahan lain, dan kegagalan sambungan, untuk baut dan mur pada mesin dan peralatan. Angka torsi dan aturan pengencangan di bab ini dicontohkan dari manual servis sebuah washer-extractor kaku, terutama bagian persyaratan torsi pengencang dan perawatan pencegahan.

Torsi sebagai hasil kali gaya dan lengan ada di Bab 1 tentang torsi dan transmisi daya, gesekan statik dan kinetik di Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak, gaya tak seimbang drum di Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor, korosi galvanik pada pasangan logam berbeda di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia, dan ulir pipa di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung. Torsi, kelas baut, dan jenis pengunci ulir untuk sambungan tertentu diambil dari dokumen perakitan mesin itu. Manual servis itu sendiri menyatakan bahwa bila dokumen perakitan menyebut torsi atau pengunci ulir yang berbeda, dokumen perakitan yang dipakai. Angka di bab ini adalah contoh dari manual itu, nilai yang lazim dipakai, atau angka contoh untuk berhitung.

Mengapa baut menjepit, bukan menahan

Sambungan baut yang baik bekerja seperti pegas yang diregangkan. Ketika mur diputar, baut memanjang sedikit dan menarik kedua bagian sambungan saling menekan. Prapenegangan (preload) adalah gaya tarik di baut ini, dan gaya jepit (clamp force) adalah gaya tekan yang sama besar di antara permukaan yang terjepit. Beban luar yang bekerja pada sambungan, misalnya gaya bergetar dari drum yang tak seimbang, sebagian besar ditahan oleh gesekan dan tekanan antara permukaan yang terjepit, bukan oleh batang baut yang menahan beban itu langsung.

Selama gaya jepit lebih besar daripada beban luar, permukaan tidak bergeser dan baut hanya merasakan sebagian kecil perubahan beban. Bila gaya jepit terlalu kecil, permukaan bergeser sedikit demi sedikit setiap putaran, baut menerima beban bolak-balik penuh, ulir aus, dan baut kendur atau patah karena lelah. Itulah sebab baut yang "sekuat tangan" pada kasus pembuka kendur lagi: gaya jepitnya tidak diketahui dan kemungkinan terlalu rendah.

Manual servis itu menjelaskan dari sisi lain: baut dibuat dengan suaian longgar agar mudah dirakit, dan pada torsi yang benar sebagian besar torsi pengencangan habis di ulir dan di bawah kepala, sedangkan sisanya memberi gesekan yang mencegah ulir tergelincir. Ketika gesekan itu dikalahkan oleh lenturan, pemuaian termal, tekanan dalam, beban kerja, atau benturan, ulir tergelincir dan baut kendur; begitu ulir mulai tergelincir, getaran mempercepat kendurnya.

Bagian sambungan ulir

Unsur sambungan ulir yang perlu dikenali teknisi:

1. Diameter nominal ulir, misalnya M10 atau 3/8 inci.
2. Kisar (pitch), yaitu jarak antarpuncak ulir dalam mm, atau jumlah ulir per inci. Ulir kasar, misalnya $\text{M}10 \times 1{,}5$ atau 3/8-16 (16 ulir per inci), paling umum dan lebih tahan terhadap kotoran dan kerusakan; ulir halus, misalnya $\text{M}10 \times 1{,}25$ atau 3/8-24, memberi penyetelan lebih halus. Keduanya tidak dapat dipertukarkan.
3. Luas tegangan tarik (tensile stress area), yaitu luas penampang efektif ulir yang dipakai untuk menghitung tegangan baut. Nilainya dari tabel ulir (Contoh 1).
4. Panjang kait (thread engagement length), yaitu panjang ulir yang benar-benar bersentuhan antara baut dan mur atau lubang berulir. Pada logam lunak seperti aluminium, panjang kait perlu lebih panjang agar ulir lubang tidak terkelupas.
5. Ring dan mur. Ring datar membagi tekanan di bawah kepala dan mur; ring pegas dan mur pengunci adalah cara penguncian yang dibahas di bawah. Manual servis itu meminta penggantian baut, mur, ring datar, dan ring pegas sesuai urutan yang ditunjukkan gambar suku cadang.

Baut yang dimasukkan melalui selongsong lalu murnya diputar sampai pas adalah susunan sederhana yang memperlihatkan bahwa baut menarik dan selongsong ditekan.

Kelas kekuatan dan tanda kepala

Kelas kekuatan (property class) adalah tanda kekuatan baut yang dicap di kepalanya. Pada baut metrik, kelas ditulis dengan dua angka, misalnya 8.8, 10.9, atau 12.9. Menurut cara penandaan yang lazim, angka pertama dikali 100 adalah kekuatan tarik nominal dalam MPa, dan angka kedua dikali sepuluh adalah persentase kekuatan luluh terhadap kekuatan tarik. Baut kelas 8.8 punya kekuatan tarik nominal sekitar 800 MPa dan kekuatan luluh sekitar 640 MPa. Pada baut inci, kelas SAE ditandai garis radial di kepala; manual servis itu memuat tabel untuk kelas SAE 1, 2, 4, 5, 7, dan 8 serta kelas ASTM yang setara.

Dua hal yang perlu diingat:

1. Kelas mur harus sepadan. Mur yang lebih lemah daripada baut membuat ulir mur terkelupas sebelum baut mencapai prapenegangannya.
2. Baut pengganti harus berkelas sama atau lebih tinggi, dan ukuran serta kisarnya sama. Baut tanpa tanda kelas diperlakukan sebagai kelas terendah.

Baut baja tahan karat dicap dengan golongan bahannya, misalnya A2 atau A4 pada baut metrik. Manual servis itu memuat tabel terpisah untuk baja tahan karat 18-8 dan 316, kuningan, dan aluminium, dengan torsi yang lebih rendah daripada baut baja karbon berkelas tinggi.

Torsi dan prapenegangan

Hubungan torsi dan prapenegangan yang umum dipakai adalah

$T = K \, F \, d$

dengan $T$ torsi pengencangan (N·m), $F$ prapenegangan (N), $d$ diameter nominal (m), dan $K$ faktor mur. Faktor mur (nut factor) adalah angka tanpa satuan yang memuat gesekan di ulir dan di bawah kepala. Angka yang lazim dipakai untuk baut baja kering adalah $K$ sekitar 0,20; untuk baut berlapis seng atau kadmium sekitar 0,15; dan untuk baut yang dilumasi lebih rendah lagi. Angka $K$ yang sebenarnya bergantung pada permukaan, lapisan, dan pelumas, dan dapat berbeda cukup jauh dari angka itu.

Akibatnya, torsi yang sama memberi prapenegangan yang sangat berbeda bila permukaannya berbeda. Itulah sebab manual servis itu memuat tabel torsi terpisah untuk baut kering dan baut berlapis. Untuk baut 1/2-13 kelas SAE 5, tabel dalam manual edisi yang lebih baru mencantumkan 75 ft·lb atau 102 N·m untuk baut kering dan 56 ft·lb atau 76 N·m untuk baut berlapis. Contoh 1 dan Contoh 2 menunjukkan bahwa kedua angka itu memberi prapenegangan yang hampir sama, yaitu sekitar tiga perempat kekuatan uji baut.

Manual edisi yang lebih lama menegaskan aturan yang berasal dari hubungan ini: jangan melumasi baut, dan nilai dalam tabel adalah torsi maksimum yang dianjurkan, dihitung dari data ASTM dan SAE yang diterbitkan. Baut yang dilumasi lalu dikencangkan dengan angka baut kering menerima prapenegangan jauh di atas rancangan dan dapat luluh atau putus (Contoh 4), seperti satu baut pada kasus pembuka.

Tabel torsi pabrik

Manual servis itu memberi beberapa aturan pemakaian tabel torsi:

1. Tabel dipakai hanya bila petunjuk pemasangan atau servis tidak menyebut torsi untuk sambungan itu.
2. Gunakan pengencang baru.
3. Gunakan kunci momen untuk memastikan kekencangan.
4. Jangan melumasi pengencang; nilai tabel adalah torsi maksimum yang dianjurkan dan dapat berbeda menurut jenis sambungan dan paking, sehingga dipakai sebagai pedoman.
5. Tabel berlaku untuk semua jenis kepala, walaupun gambarnya memperlihatkan baut kepala segi enam.

Tabel itu disusun menurut ukuran dan kisar ulir, kelas baut, dan keadaan permukaan: berlapis seng atau kadmium, kering, dan dengan beberapa jenis pengunci ulir. Untuk satu ukuran dan kelas, angka untuk baut berlapis paling rendah, angka untuk baut kering di tengah, dan angka untuk pengunci ulir tertentu lebih tinggi. Teknisi yang membaca kolom yang salah pada kasus pembuka mengencangkan baut berlapis dengan angka baut kering.

Dokumen perakitan tertentu memuat torsi khusus. Gambar rakitan bantalan utama dalam manual itu mencatat torsi 24 sampai 26 ft·lb (288 sampai 312 in·lb) untuk satu kelompok baut dan 18 sampai 20 ft·lb (216 sampai 240 in·lb) untuk kelompok lain. Angka itu yang dipakai untuk sambungan tersebut, bukan angka tabel umum.

Mengapa baut kendur dan cara mencegahnya

Baut kendur karena tiga sebab utama:

1. Gaya jepit awal terlalu rendah, sehingga permukaan bergeser oleh beban bolak-balik.
2. Kehilangan prapenegangan setelah pemasangan, karena permukaan kasar yang terjepit menjadi rata, paking menipis, cat di bawah kepala tertekan, atau pemuaian dan penyusutan termal, seperti di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal. Pada sambungan berpaking, kehilangannya dapat lebih besar, sehingga petunjuk pabrik kadang meminta pengencangan ulang setelah mesin bekerja.
3. Putaran balik mur oleh getaran melintang, ketika permukaan bergeser sedikit setiap siklus dan ulir ikut tergelincir.

Cara mencegahnya dimulai dari prapenegangan yang benar. Manual servis itu menyebut bahwa cara paling efektif mencegah kendurnya bagian berulir adalah pemakaian pengunci ulir (threadlocker) yang benar: cairan yang melumasi saat perakitan lalu mengeras, menyegel ulir terhadap korosi, dan menahan ulir agar tidak tergelincir. Manual itu memilih kekuatan pengunci ulir menurut ukuran baut dan memakai jenis tahan suhu tinggi untuk baut besar tertentu, dan memakai jenis kekuatan tinggi untuk baut pemasangan rumah bantalan.

Cara pemakaiannya juga ditetapkan: ulir dibersihkan dengan pelarut, diberi cairan perintis dan dibiarkan kering, lalu beberapa tetes pengunci diberikan pada bagian ulir yang akan bertaut; pada lubang buntu, tetesan dimasukkan sampai ke dasar ulir dalam. Pengunci ulir harus mengisi rongga ulir sepenuhnya agar kekuatannya maksimal.

Cara mekanis lain, seperti mur pengunci bersisipan nilon, mur ganda, pin belah, dan kawat pengaman, menahan mur agar tidak berputar balik, tetapi tidak menggantikan prapenegangan yang cukup. Ring pegas belah banyak dipakai, tetapi pada sambungan yang bergetar kuat, perannya jauh lebih kecil daripada prapenegangan yang benar.

Melepas baut berpengunci ulir kuat

Pengunci ulir kekuatan tinggi tidak dapat dilepas dengan kunci biasa tanpa merusak ulir. Manual servis itu mencatat bahwa pengunci ulir kekuatan tinggi dapat dilemahkan dengan pemanasan setempat sampai sekurang-kurangnya 260 °C (500 °F), lalu dibongkar selagi panas, dan sisa perekat yang mengeras dibersihkan dengan pelarut paking. Pemanasan dilakukan dengan memperhatikan segel, pelumas, dan bahan mudah terbakar di sekitarnya, karena rumah bantalan berisi gemuk dan segel karet yang rusak pada suhu itu.

Urutan pengencangan

Sambungan dengan banyak baut, seperti tutup rumah bantalan, flens pompa, dan dudukan motor, dikencangkan bertahap dan bersilang:

1. Semua baut dipasang dan diputar dengan tangan sampai menyentuh.
2. Baut dikencangkan bersilang sampai sekitar sepertiga torsi akhir, lalu dua pertiga, lalu torsi penuh (urutan dan tahap ini adalah praktik umum; dokumen perakitan dapat menetapkan lain).
3. Putaran terakhir diulang mengelilingi sambungan, karena baut yang dikencangkan lebih dulu kehilangan sebagian prapenegangannya ketika baut lain menarik permukaan.

Urutan bersilang membuat permukaan menutup rata sehingga paking tertekan seragam dan rumah bantalan tidak miring. Rumah bantalan yang miring karena urutan yang salah membuat bantalan bekerja tidak sejajar, seperti dibahas di Bab 4 tentang bantalan.

Kunci momen (torque wrench) dipakai dengan benar: ditarik pelan dan rata sampai berbunyi, tidak disentak, disimpan pada setelan terendah, dan diperiksa kalibrasinya berkala. Ekstensi yang memperpanjang lengan kunci mengubah torsi yang sampai ke baut (Latihan 4).

Baut baja tahan karat dan logam lunak

Baut baja tahan karat dipakai di bagian yang basah dan terkena bahan kimia. Kelemahannya adalah kecenderungan ulir menggaruk dan menyatu ketika dikencangkan, terutama bila baut dan mur sama-sama baja tahan karat dan diputar cepat. Manual servis itu memuat torsi yang lebih rendah untuk baut baja tahan karat bila dipakai senyawa antigesek pada ulirnya, sesuai hubungan torsi dan prapenegangan di atas. Baut baja tahan karat pada bagian aluminium atau baja karbon dalam air membentuk pasangan galvanik, seperti di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia.

Pada logam lunak seperti aluminium dan kuningan, batasnya sering bukan baut tetapi ulir lubang. Manual servis itu mencantumkan torsi 11,9 ft·lb atau 16 N·m untuk baut aluminium 3/8-16, jauh di bawah 31 ft·lb atau 42 N·m untuk baut baja kelas SAE 5 ukuran yang sama dalam keadaan kering. Ulir lubang di rumah aluminium yang terkelupas diperbaiki dengan sisipan ulir menurut petunjuk pabrik, bukan dengan baut yang lebih panjang atau lebih besar tanpa pertimbangan.

Kegagalan sambungan dan pemeriksaan

Tanda sambungan baut yang bermasalah:

1. Garis tanda bergeser. Garis cat yang ditarik melintang dari baut ke permukaan setelah pengencangan memperlihatkan bila mur berputar.
2. Debu karat atau serbuk logam di sekitar kepala. Tanda gerakan kecil berulang di antara permukaan yang terjepit.
3. Bunyi ketukan saat beban berubah, seperti pada ekstraksi di kasus pembuka.
4. Baut patah di ulir pertama yang bertaut, dengan permukaan patah bergaris seperti pantai: patah lelah karena prapenegangan kurang.
5. Baut memanjang atau ulirnya meregang, tanda pernah dikencangkan melampaui luluh; baut seperti itu dibuang.

Manual servis itu memasukkan pemeriksaan kekencangan dan keausan baut pondasi dan baut pelat penguat bantalan belakang ke dalam daftar perawatan bulanan. Manual itu juga menjelaskan bahwa mesin cuci kaku saat ekstraksi meneruskan gaya ke lantai sampai sekitar 30 kali gaya mesin bersuspensi lentur, sehingga baut pondasinya bekerja jauh lebih berat. Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor dan Bab 28 · Fisika tentang proyek integratif washer-extractor membahas gaya pada washer-extractor dari sisi mesin.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Torsi 102 N·m, 76 N·m, 42 N·m, dan 16 N·m berasal dari tabel manual di atas; faktor mur, luas tegangan tarik, kekuatan uji, dan kekuatan luluh adalah nilai yang lazim dipakai.

Contoh 1: prapenegangan baut kering. Baut 1/2-13 kelas SAE 5, kering, torsi 102 N·m dari tabel manual. Dengan $K = 0{,}20$ dan $d = 12{,}7$ mm: $F = 102 / (0{,}20 \times 0{,}0127) = 40{,}2$ kN. Luas tegangan tarik ulir ini 91,5 mm², sehingga tegangannya $40.200 / 91{,}5 = 439$ MPa, sekitar 75 persen kekuatan uji baut kelas SAE 5 sebesar 586 MPa.

Contoh 2: baut berlapis dengan angka berlapis. Baut yang sama, berlapis seng, torsi 76 N·m dari kolom baut berlapis, $K = 0{,}15$: $F = 76 / (0{,}15 \times 0{,}0127) = 39{,}9$ kN. Prapenegangannya hampir sama dengan Contoh 1, walaupun torsinya 25 persen lebih kecil.

Contoh 3: baut berlapis dengan angka kering. Baut berlapis dikencangkan 102 N·m: $F = 102 / (0{,}15 \times 0{,}0127) = 53{,}5$ kN dan tegangan 585 MPa, sama dengan kekuatan ujinya. Baut berada di ambang deformasi permanen, seperti baut yang terasa lembek pada kasus pembuka.

Contoh 4: baut dilumasi oli. Baut yang dilumasi oli dengan $K = 0{,}12$ dikencangkan 102 N·m: $F = 66{,}9$ kN dan tegangan 731 MPa, di atas kekuatan uji dan kekuatan luluh baut kelas SAE 5 (sekitar 634 MPa). Baut meregang permanen atau putus, alasan aturan jangan melumasi baut bila tabelnya untuk baut kering.

Contoh 5: gaya jepit dibanding gaya tak seimbang. Rumah bantalan dijepit empat baut 3/8-16 kelas SAE 5, kering, 42 N·m: setiap baut $F = 42 / (0{,}20 \times 0{,}009525) = 22{,}0$ kN, total 88 kN. Ketidakseimbangan 2 kg pada jari-jari 0,3 m di 800 rpm memberi gaya $m r \omega^2 = 2 \times 0{,}3 \times 83{,}8^2 = 4{,}2$ kN; gaya tak seimbang dibahas di Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor. Gaya jepit sekitar 20 kali gaya itu; bila prapenegangan hilang separuh karena pengencangan sekuat tangan, cadangan itu cepat habis oleh gesekan yang tidak merata dan beban kejut.

Contoh 6: baut pada rumah aluminium. Baut 3/8-16 pada ulir aluminium dikencangkan 16 N·m menurut tabel bahan aluminium, bukan 42 N·m menurut tabel baja SAE 5 kering. Dengan angka baja, ulir aluminium menerima gaya sekitar $42/16 = 2{,}6$ kali lebih besar dan dapat terkelupas.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan bila:

1. Baut pada rumah bantalan, puli, dudukan motor, atau pondasi akan dikencangkan atau dilepas sebelum mesin dimatikan, dikunci, dan diberi tanda, seperti manual servis itu mewajibkan sebelum servis sabuk dan puli; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
2. Baut pengganti tidak diketahui kelasnya, ukurannya, atau kisarnya, atau tidak ada torsi dari dokumen perakitan maupun tabel pabrik.
3. Baut terasa lembek, terus berputar tanpa torsi naik, atau ulirnya rusak saat dikencangkan. Hentikan, lepas, dan periksa baut dan ulir lubang.
4. Baut ditemukan patah, memanjang, atau bergaris lelah pada sambungan yang berputar atau bergetar. Laporkan dan periksa sambungan di sekitarnya sebelum mesin dijalankan.
5. Pengunci ulir kuat akan dilepas dengan pemanasan di dekat gemuk, segel, kabel, atau bahan mudah terbakar.
6. Kunci momen tidak diketahui kalibrasinya, atau ekstensi dipakai tanpa koreksi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 tentang torsi dan transmisi daya memberi dasar torsi, Bab 4 · Fisika tentang gesekan memberi gesekan statik dan kinetik, dan Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor memberi gaya tak seimbang. Korosi galvanik dibahas di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia, ulir pipa di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung, dan pemuaian termal di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase. Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor dan Bab 28 · Fisika tentang proyek integratif washer-extractor membahas mesin tempat banyak sambungan baut ini bekerja. Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi dasar kondisi berhenti, dan Bab 1 · Material tentang struktur material, korosi, dan kegagalan membahas kegagalan material. Di rak ini, Bab 4 tentang bantalan, Bab 5 tentang poros dan kopling, dan Bab 6 tentang sabuk, puli, dan rantai memakai sambungan baut yang dibahas di sini.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.