Laporan ini menyelidiki kerusakan pegas ulir bogie luar kereta api yang terbuat dari baja 60 Si Mn 7. Pegas tersebut patah di daerah lilitan sekitar 11⁄4 diameter dari ujung pegas. Analisis dilakukan untuk mengetahui penyebab kerusakan, termasuk observasi lapangan, pengujian material, dan analisis tegangan.

1. LAPORAN INVESTIGASI KERUSAKAN
PEGAS ULIR BOGIE KERETA API
Oleh:
ABRIANTO. AKUAN
JURUSAN TEKNIK METALURGI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI
BANDUNG
1994

2. ABRIANTO
ABSTRAK
Investigasi dilakukan terhadap kerusakan pegas ulir bogie
luar kereta api yang terbuat dari bahan 60 Si Mn 7 dengan kadar
karbon 0,639% dan kadar silikon 1,45% serta kadar mangan
0,701%, dengan dimensi pegas yaitu sebagai berikut :
 Diameter kawat pegas, d = 36 mm
 Diameter lilitan pegas, D = 236 mm
 Tinggi bebas pegas, lo = 361 mm
 Jumlah lilitan aktip pegas, n = 4
 Jumlah total lilitan pegas, n’ = 6
 Konstanta pegas, C = 30 Kg/mm2
Berdasarkan analisa patahan menunjukkan bahwa
gagalnya komponen tersebut disebabkan oleh patah lelah (fatigue
fracture) dengan awal retakan pada daerah kerusakkan akibat
fretting. Dari hasil pengujian kekerasan diperoleh harga kekerasan
permukaan kawat pegas, lebih rendah dibandingkan dengan
kekerasan pada daerah bagian dalam penampangnya (41,3
HRc<47,8 HRc) sehingga ketahanan aus dan ketahanan lelahnya
menurun, serta dari hasil pengujian metalografi diperoleh pula
pada bagian permukaan kawat pegas memiliki ukuran besar butir
fasa karbida dalam matrik martensit temper yang lebih kasar
dibandingkan dengan bagian dalam penampangnya.(5,1.10-3
mm>4,6.10-3 mm) sehingga kekuatan dan kekerasannyapun lebih
rendah dibandingkan dengan daerah bagian dalam
penampangnya. Berdasarkan analisa tegangan yang dilakukan,
dapat menentukan sekaligus menjawab mengapa kegagalan
terjadi, yaitu dengan adanya kerusakan berupa fretting,
menyebabkan perubahan dimensi permukaan kawat pegas,
sehingga tegangan nominal yang bekerja melebihi daerah aman
batas lelahnya, juga daerah fretting merupakan daerah yang
sangat sensitif terhadap retak lelah.
Penyebab kegagalan pada kasus ini dapat dikatagorikan
sebagai kesalahan proses pengerjaan dan kesalahan design,
karena adanya perubahan ukuran besar butir dalam struktur
mikro dimana fasa karbida dalam matrik martensit temper pada
daerah permukaan kawat pegas, lebih kasar dari daerah bagian
dalam penampangnya. Serta kurangnya lilitan mati diantara lilitan
aktip dari pegas sehingga ujung lilitan menjadi titik konsentrasi
keausan pertama yang mempercepat kerusakan fretting.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 1

3. ABRIANTO
DAFTAR ISI
hal
ABSTRAK i
DAFTAR ISI ii
BAB I. PENDAHULUAN 1
1.1 Latar belakang masalah 1
1.2 Tujuan investigasi 1
BABII. OBSERVASI LAPANGAN 2
2.1 Data dan kerusakan pegas ulir bogie 2
2.2 Proses pembuatan pegas ulir bogie 11
BABIII. PENGUJIAN LABORATORIUM 13
3.1 Pengujian komposisi kimia 13
3.2 Pengujian tarik 13
3.3 Pengujian kekerasan 16
3.4 Pengujian metalografi 18
BAB IV. ANALISIS 22
4.1 Analisis metalurgis 22
4.2 Analisis mekanis 28
BABV. KESIMPULAN DAN REKOMENDASI 34
5.1 Kesimpulan 34
5.2 Rekomendasi 35
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 2

4. ABRIANTO
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang masalah
Pegas ulir bogie luar adalah komponen bagian dari
bogie kereta api yang berfungsi untuk mengurangi beban
impak atau meringankan kejutan dan sebagai pendukung
getaran massa dengan mekanisme lendutan lilitan-lilitan
pegasnya yang berosilasi diantara posisi keseimbangannya
pada saat gerbong kereta mengalami goyangan kiri-kanan.
Dalam operasinya pegas ulir bogie luar ini mengalami beban
puntir dengan tegangan-tegangan yang bekerja terdiri atas
tegangan normal dan tegangan geser.
Masalah yang sering dihadapi pada pegas ulir bogie
luar kereta api ini adalah mengalami patah, yang
mengakibatkan terbatasnya umur pakai dalam waktu yang
lebih singkat. Seringnya terjadi kerusakan ini akan sangat
menghambat pemakaian gerbong kereta api, karena
penggantian komponen tersebut sangat memakan waktu,
biaya, serta diiringi pula dengan kerugian-kerugian lainnya.
1.2 Tujuan observasi
Dengan melihat kondisi tersebut diatas, maka
dilakukan obsevasi yang diharapkan dapat mengetahui
sebab-sebab terjadinya kerusakan pegas ulir bogie luar
gerbong kereta api ini, serta dengan diketahuinya penyebab
kerusakan tersebut dapat diambil langkah-langkah
penanggulangannya agar kerusakan yang sama tidak
terulang kembali pada masa-masa berikutnya.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 3

5. ABRIANTO
Untuk mencapai tujuan diatas tersebut, maka
dilakukan tahapan-tahapan kegiatan yang meliputi
observasi lapangan dan pengujian-pengujian laboratorium
yang terdiri atas pengujian komposisi kimia, pengujian
kekerasan dan pengujian metalografi, serta dilakukan pula
analisis metalurgis maupun mekanis.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 4

6. ABRIANTO
BAB II
OBSERVASI LAPANGAN
Pada gerbong kereta dengan jenis bogie tipe 7 untuk
gerbong kereta penumpang terdapat 2 bogie (chassis) yang
terdiri atas 4 roda, 8 pegas ulir roda, dan 4 pasang pegas
ulir bogie yang setiap pasangnya teridi atas satu pegas ulir
bogie luar dan satu pegas ulir bogie dalam, sehingga dalam
satu gerbong kereta terdapat 8 roda, 16 pegas ulir roda,
dan 8 pasang pegas ulir bogie yaitu 16 pegas ulir bogie
dalam dan 16 pegas ulir bogie luar.
Dalam operasinya, pegas ulir bogie yang mengalami
kerusakan di tengah perjalanan, maka kereta tersebut
masih bisa melanjutkan perjalanannya hingga stasiun
tujuan, karena patahnya salah satu pegas ulir bogie masih
dapat ditahan oleh pegas ulir bogie lain dari pasangannya.
Hal ini berlawanan jika patah terjadi pada pegas ulir roda,
maka kereta tersebut harus berhenti dalam perjalanannya
untuk perbaikan.
Gerbong-gerbong kereta secara berkala dilakukan
pengujian setiap 2 tahun sekali yang dilakukan oleh Balai
Yasa Kereta - Manggarai Jakarta. Dalam pemeriksaannya
semua komponen yang sudah tidak layak pakai, diganti
dengan komponen yang baru yang umumnya komponen
tersebut merupakan produk dari Balai Yasa Mangggarai
sendiri, termasuk pula dalam hal ini adalah pegas ulir bogie.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 5

7. ABRIANTO
2.1 Data dan kerusakan pegas ulir bogie
Kerusakan pegas ulir bogie terjadi tanggal 12 Juni 1993
pada gerbong kereta penumpang dengan nomor: SLO-K2.
78715 yaitu jenis gerbong kereta penumpang jurusan Solo,
kelas 2 dengan tipe bogie 7 dan tahun mulai dinas 1978
serta nomor seri kereta adalah 15. Serta data pemeriksaan
gerbong secara berkala yaitu sebagai berikut:
 Mulai Dinas, MD = 09 - 10 - 1978
 Pemeriksaan akhir, PA = 30 - 04 - 1991
 Pemeriksaan yang akan datang, PAD = 30 - 04 - 1993
 Mengalami patah = 12 - 06 - 1993
Dari hasil observasi lapangan ini diketahui bahwa pegas ulir
bogie yang mengalami kerusakan yaitu pegas ulir bogie
luar yaitu patah pada daerah lilitan pegasnya yang terletak
 1¼ diameter lilitan dari ujung pegas ( 295 mm), hal ini
ditunjukkan pada gambar 2.3 dibawah ini. Pada gambar 2.1
dan 2.2 ditunjukkan gerbong kereta api dan posisi pegas ulir
bogie pada bogie gerbong kereta api.
Gambar 2.1 Gerbong kereta api yang mengalami kerusakan
pegas ulir bogie. (0,1 X)
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 6

8. ABRIANTO
Gambar 2.2 Posisi pegas ulir bogie pada bogie gerbong
kereta api. (0,2 X)
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 7

9. ABRIANTO
Gambar 2.3 Lokasi patah yang terjadi pada pegas ulir
bogie luar (tanda panah)
Untuk menunjang analisis yang akan dilakukan, maka
diperlukan pula data spesifikasi dari komponen yang
mengalami kerusakan yaitu dalam hal ini adalah pegas ulir
bogie luar, yang didapatkan dari Balai Yasa Kereta –
Manggarai Jakarta, serta data geometris yang didapatkan
dari pengukuran langsung terhadap komponen pegas ulir
bogie luar yang bersangkutan.
Berdasarkan data spesifikasi komponen, maka
material yang digunakan untuk kedua jenis pegas ulir bogie
adalah sama yaitu Baja 60 Si Mn 7 standart Germany
Democratic Republic (GDR Standart) 5350 dengan
komposisi kimia seperti yang disajikan pada tabel. 1
dibawah ini.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 8

10. ABRIANTO
Tabel. 1 Komposisi kimia bahan menurut standart GDR.5350.
Komposisi kimia (%
No Unsur Simbol
berat)
1. Karbon C 0,57 – 0,65
2. Silikon Si 1,50 – 2,00
3. Mangan Mn 0,70 – 1,00
4. Khrom Cr  0,35
5. Nikel Ni  0,30
6. Tembaga Cu  0,30
7. Phosfor P  0,045
8. Belerang S  0,045
9. Besi Fe Sisa
Data-data spesifikasi geometris dan bats-batas kerja
atau operasi pegas ulir bogie dalam dan bogie luar pada
kereta api ini dapat dilihat pada tabel 2 dan tabel 3 dibawah
ini. Serta gambar 2.4 menunjukkan gambar teknik bogie
gerbong kereta api tipe K7.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 9

11. ABRIANTO
Gambar 2.4 Gambar teknik bogie tipe K7.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 10

12. ABRIANTO
Tabel.2 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie luar.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 11

13. ABRIANTO
Tabel.3 Spesifikasi komponen pegas ulir bogie dalam.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 12

14. ABRIANTO
Berdasarkan data spesifikasi komponen pegas ulir
bogie luar dan pegas ulir bogie dalam tersebut terlihat
bahwa pegas ulir bogie dalam mempunyai diameter kawat
pegas dan diameter lilitan pegas yang lebih rendah
dibandingkan geometri pegas ulir bogie luar tetapi keduanya
terbuat dari bahan pegas yang sama yaitu Baja 60 Si Mn 7.
Pada pemakaiannya pegas ulir bogie dalam berada didalam
lilitan dari pegas ulir bogie luar, sehingga gabungan pegas
ini disebut pegas ulir eksentris yang dapat meningkatkan
pemakaian beban yang lebih besar atau tegangan kerja
yang lebih besar tanpa merubah diameter kawat pegas
maupun diameter lilitan pegasnya. Selain itu, pegas eksentis
yang terdiri atas dua pegas ini dapat merupakan pula
jaminan keselamatan jika terjadi kegagalan pada salah satu
pegasnya.
Dari data spesifikasi pegas ulir bogie luar yang
mengalami kerusakan, dapat ditunjukkan pula beberapa hal
yaitu :
 Ketinggian pegas tersebut dalam keadaan tanpa beban,
lo yaitu 361 mm atau sama dengan tinggi pegas diblok,
lb ditambah defleksi maksimum, fmaks ditambah jarak
antar lilitan pagas yang berdekatan (0,1 dikali jumlah
total lilitan pegas,n’ dikurangi satu).
 Ketinggian pada saat pemasangan pada bogie kereta, lp
atau disebut pula tinggi presetting adalah sebesar 285
mm dengan beban presetting 2280 Kg, Pemberian beban
presetting ini dapat meningkatkan batas elastis sehingga
akan meningkatkan pula kapasitas beban yang dapat
diterimanya.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 13

15. ABRIANTO
 Ketinggian pegas ulir bogie luar yang diizinkan pada saat
operasi kerjanya, li adalah 259 mm dengan beban
maksimum yang diizinkan 3078 Kg.
 Ketinggian jika antar lilitan pegas tersebut saling
bersentuhan atau disebut tinggi diblok, lb adalah 205,2
mm atau sama dengan diameter kawat pegas,d dikali
jumlah total lilitan pegas, n’ , dengan beban 4672 Kg.
 Konstanta pegasnya, C yaitu sebesar 30 Kg/mm2 yang
merupakan nilai dari perbandingan beban, F terhadap
defleksi, f .
 Kekuatan geser luluh,y sebesar 82,5 Kg/mm2 atau
mempunyai kekuatan luluh, y sebesar 165 Kg/mm2 .
 Tegangan geser,  yang bekerja pada pegas ulir tersebut
pada berbagai ketinggian pegas. Tegangan geser
tersebut merupakan tegangan geser total dari
penjumlahan tegangan geser yang ditimbulkan akibat
momen puntir yang bekerja pada pegas ulir tersebut, 1
ditambah tegangan geser yang ditimbulkan akibat
pembebanan, 2 yaitu:
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 14

16. ABRIANTO
1 = T . r / Ip = 8FD /  d3 dimana; T=F.R
2 = F/A = 4F /  d2
sehingga,  =  1 + 2
= 8FD /  d3 + 4F /  d2
= 8FD /  d3 ( 1 + d / 2D )
= 8FD /  d3 ( 1 + 1 / 2m )
dimana, m adalah indeks pegas atau perbandingan
diameter rata-rata lilitan pegas, D dan diameter kawat
pegas, d .
 Indeks pegas, m dari pegas ulir bogie luar tersebut
adalah sebesar 6,1 nilai indeks pegas tersebut akan
sangat berhubungan dengan nilai faktor koreksi
tegangan Wahl, yaitu:
k = 4m-1 / 4m-4 + 0,615 / m
sehingga, tegangan geser yang bekerja pada pegas ulir
dapat ditulis:
 = 8FD /  d3 . k
persamaan diatas telah memperhitungkan efek tegangan
geser langsung yang terjadi pada kedua sisi lilitan pegas.
Selain dari pada itu, indeks pegas akan berhubungan pula
dengan tahapan proses dalam pembuatan pegas tersebut.
2.2 Proses pembuatan pegas ulir bogie.
Pegas ulir bogie sebagai salah satu komponen bagian
dari bogie kereta api ini telah dapat diproduksi sendiri yang
dilakukan oleh Balai Yasa Kereta – Manggarai Jakarta. Aliran
proses produksi dalam pembuatan pegas ulir tersebut dapat
diuraikan sebagai berikut:
1. Pemotongan bahan sesuai ukuran yang diperlukan.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 15

17. ABRIANTO
2. Penempaan pada kedua ujung kawat bahan pegas
yang dilakukan pada temperatur tinggi dimana bahan
pegas tersebut dipanaskan dalam tungku pada
temperatur: 850-900o C selama 1,5 jam.
3. Pemanasan dalam tungku selama 1,5-2 jam pada
temperatur 900o C dimana sebelumnya tungku
dipanaskan dahulu pada temperatur 800o C selama 1
jam.
4. Pengerolan bahan pegas pada mesin rol.
5. Pemanasan pegas dalam tungku untuk peregangan /
perampatan pegas atau penyetelan tinggi pegas.
6. Pemanasan dalam tungku pada temperatur 830-860o
C selama 1,5 jam.
7. Celup cepat dalam oli SABANA-120.
8. Penemperan pada temperatur 460-530o C selama 15-
20 menit kemudian pendinginan dalam bak pasir
kering.
9. Pengetesan beban pada mesin test beban.
10. Pengecatan warna hitam dan pasang label hasil test
beban.
11. Ekspedisi ke gudang Balai Yasa Manggarai.
Berdasarkan tahapan proses pembuatan pegas ulir
bogie kereta tersebut, maka perlakuan-perlakuan yang
dialami pegas tersebut adalah terdiri atas proses
pembentukan pegas dilanjutkan dengan proses perlakuan
panas (hardening dan tempering). Hal ini adalah sesuai
untuk jenis-jenis pegas yang mempunyai indeks pegas yang
besar, sebaliknya untuk pegas dengan indeks pegas kecil,
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 16

18. ABRIANTO
maka proses perlakuan panas dilakukan lebih dulu dan
kemudian dilanjutkan dengan proses pembentukan pegas.
Dari observasi lapangan dalam pembuatan pegas
tersebut dapat terlihat adanya beberapa kekurangan yaitu
antara lain masalah kurangnya pengetahuan metalurgis dari
operator, sehingga hal ini dapat menyebabkan tidak
tercapainya kualitas pegas yang sesuai dengan yang
diharapkan. Selain itu juga sarana peralatan yang kurang
memadai seperti tidak dilengkapinya tungku dengan alat
kontrol temperatur dan waktu maupun kurangnya kontrol
terhadap atmosfir tungku karena jenis tungku yang
digunakan jenis yang terbuka dengan sumber energi dari
bahan bakar minyak. Hal ini dapat pula sebagai sumber
rendahnya kualitas pegas yang dihasilkan. Hal lainnya yang
dapat menjadi salah satu kekurangan adalah terlalu
tingginya temperatur temper yang dilakukan.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 17

19. ABRIANTO
BAB III
PENGUJIAN LABORATORIUM
Observasi terhadap kerusakan pegas ulir bogie kereta
ini meliputi pula pengujian-pengujian yang dilakukan pada
pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan, yang
terdiri atas pengujian komposisi kimia, pengujian tarik,
pengujian kekerasan serta pengujian metalografi.
3.1 Pengujian komposisi kimia
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui unsur-
unsur yang terkandung dalam material pegas ulir bogie luar
yang mengalami kerusakan sehingga dapat diketahui jenis
materialnya serta hasilnya dibandingkan dengan spesifikasi
dari material komponen tersebut. Pengujian komposisi kimia
ini dilakukan dengan menggunakan spektrometer. Hasil
pengujian ditunjukkan pada tabel.4 berikut ini.
Tabel.4 Hasil pengujian komposisi kimia pegas ulir bogie
luar.
Hasil
Komposisi kimia standart
spektrometer
Unsur GDR.5350 (%)
(%)
C 0,639 0,57 - 0,65
Si 1,450 1,50 - 2,00
Mn 0,701 0,70 - 1,00
P 0,0044  0,045
S 0,0197  0,045
Cr 0,418  0,35
Ni 0,164  0,30
Cu 0,178  0,30
Mo 0,0919 -
Al 0,0161 -
Fe Sisa Sisa
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 18

20. ABRIANTO
3.2 Pengujian tarik
Pengujian tarik dilakukan pada materian pegas ulir
yang mengalami kerusakan bertujuan untuk mengetahui
kekuatan tarik dari pegas ulir bogie luar tersebut yang
hasilnya akan dibandingkan dengan data spesifikasi
kekuatan bahan dan tegangan yang diizinkannya, serta
data-data hasil pengujian tarik ini akan digunakan pula
dalam analisis mekanis dalam menghitung tegangan yang
bekerja pada pegas ulir bogie luar tersebut. Pengambilan
spesimen dilakukan pada salah satu lilitan pegas dengan
menggunakan standart spesimen uji tarik ASTM A.370 dan
dimensi spesimen yang diambil adalah ukuran terkecil
dengan diameter nominal 8,75 mm, seperti yang terlihat
pada tabel.5 dibawah ini.
Tabel.5 Standart spesimen uji tarik ASTM A.370
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 19

21. ABRIANTO
Dari hasil pengujian tarik, diperoleh data-data sifat
mekanik material pegas ulir bogie luar yaitu sebagai
berikut:
 Kekuatan tarik, uts = 164,5 Kg/mm2
 Kekuatan luluh, ys = 160 Kg/mm2
 Perpanjangan, e = 8%
 Reduksi penampang, q = 19,4 %
Grafik hubungan antara beban, F dan perubahan panjang, l
serta kurva tegangan regangan teknis (-e) dapat dilihat
pada halaman berikut ini.
Gambar 3.1 Kurva F-l serta kurva -e hasil pengujian
tarik.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 20

22. ABRIANTO
3.3 Pengujian kekerasan
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui distribusi
kekerasan pada penampang melintang kawat pegas ulir bogi
luar yang mengalami kerusakan serta mengetahui pula
harga kekerasan permukaan pegas. Lokasi pengambilan
spesimen untuk pengujian kekerasan ini diambil 1 Cm dari
daerah patahan, dan titik-titik pengujian kekerasan seperti
terlihat pada gambar 3.2 dibawah ini. Pengujian ini
dilakukan dengan menggunakan mesin uji keras Rockwell
skala C dengan indentor jenis kerucut intan dan beban 150
Kg.
Gambar 3.2 Skema lokasi titik-titik pengujian kekerasan
pada daerah penampang melintang dan
daerah permukaan kawat pegas.
Data hasil pengujian ditunjukan pada tabel 6 dan 7 serta
pada gambar 3.3 berikut ini.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 21

23. ABRIANTO
Tabel. 6 Hasil pengujian kekerasan pada daerah penampang
melintang kawat pegas.
Kekerasan, HRc
Jarak dari
permukaan (mm) 1 2 3 Rata-rata
4 48,3 48,8 48,1 48,4
6 48,1 48,7 48,5 48,4
8 48,1 48,0 48,9 48,3
10 48,1 48,0 48,4 48,3
12 47,4 48,2 47,7 47,7
15 45,5 46,8 45,4 45,9
Kekerasan rata-rata daerah melintang : 47,8 HRc
Tabel.7 Hasil pengujian kekerasan pada daerah permukaan
kawat pegas.
No Kekerasan, HRc Rata-rata
1 39,1
2 45,5
3 38,1
4 45,1
5 41,7 41,3
6 40,9
7 36,2
8 40,7
9 41,8
10 43,7
49
48.5
Kekerasan (HRc)
48
47.5
47
46.5
46
45.5
0 5 10 15 20
Jarak dari permukaan (mm)
Gambar 3.3 Distribusi kekerasan pada daerah penampang
melintang kawat pegas.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 22

24. ABRIANTO
3.4 Pengujian metalografi
Pengujian ini dilakukan terhadap pegas ulir yang
mengalami kerusakan adalah bertujuan untuk mengetahui
fasa-fasa yang dimiliki oleh material tersebut, sehingga
dapat diketahui pula apakah komponen tersebut pernah
mengalami perlakuan panas atau tidak. Spesimen untuk
metalografi, diambil berdekatan dengan spesimen untuk
pengujian kekerasan yaitu pada daerah dekat patahan,
dengan titik-titik pemotretan struktur mikro seperti
ditunjukkan pada gambar 3.4 dibawah ini.
Gambar 3.4 Skema lokasi titik-titik pemotretan struktur
mikro pada daerah penampang melintang dan
daerah permukaan kawat pegas.
Hasil pemotretan ditunjukkan pada gambar 3.5, 3.6, dan
3.7 berikut ini.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 23

25. ABRIANTO
Etsa: Nital 2% 700 X
Gambar 3.5 Struktur mikro pada derah permukaan kawat
pegas.
Gambar 3.6 Struktur mikro daerah penampang melintang
kawat pegas.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 24

26. ABRIANTO
Gambar 3.7 Struktur mikro pada daerah penampang
melintang dekat permukaan kawat pegas.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 25

27. ABRIANTO
BAB IV
ANALISIS
4.1 Analisis metalurgis
Hasil analisis terhadap pegas ulir bogie luar yang
mengalami kerusakan yaitu berupa patah pada jarak 1¼
diameter lilitan pegas dari ujung pegas, dari pengamatan
terhadap permukaan patahan yang ditunjukkan pada
gambar 4.1 maka dapat dinyatakan bahwa pegas ulir bogie
luar gerbong kereta api tersebut adalah mengalami patah
lelah (fatigue fracture) yang ditandai dengan adanya garis-
garis pantai (beach mark).
Gambar 4.1 Patah lelah yang terjadi pada kawat pegas
bogie luar. (1,5 X)
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 26

28. ABRIANTO
Awal retak terjadi pada daerah keausan pada
permukaan kawat pegas yaitu daerah sisi bawah dari lilitan
pegas (gambar 4.2) dengan arah perambatan retak sama
dengan arah tegangan normal kontak dua permukaan. Hal
ini menyimpang dari pengalaman-pengalaman dan teori
predicts (ramalan).
Gambar 4.2 Awal retak lelah yang terjadi pada sisi bawah
lilitan pegas. (0,5 X)
Penyimpangan ini disebabkan karena awal sisi bawah
lilitan pegas mengalami keausan sehingga terjadi
kecenderungan pembentukan awal retak lelah.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 27

29. ABRIANTO
Pembebanan selanjutnya menyebabkan awal retak
mengalami perambatan sehingga terbentuklah daerah
perambatan retakan yang ditunjukkan oleh garis-garis
pantai, selanjutnya penjalaran retakan akan berhenti
setelah penampang kawat pegas yang tersisa sudah tidak
mampu lagi menahan beban yang bekerja hingga akhirnya
patah. Daerah patah akhir atau daerah patah statik yang
terjadi terlihat lebih luas dibandingkan dengan daerah
penjalaran retakan atau daerah retak lelah, hal ini
menunjukkan bahwa tegangan nominal yang bekerja pada
pegas ulir adalah cukup besar. Dari pengamatan bidang
patahan ini pula terlihat patahan yang terjadi pada pegas
ulir bogie luar tersebut membentuk sudut  45o (helical), hal
ini menunjukkan bahwa material pegas ulir bogie luar
tersebut adalah getas.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 28

30. ABRIANTO
Analisis terhadap lokasi awal retak yang terjadi pada
daerah keausan yang disebabkan karena kontak dua
permukaan lilitan pegas pada saat operasinya terlihat pula
adanya perubahan dimensi dari diameter kawat pegas
(gambar 4.3), yang disertai pula adanya partikel atau
serbuk oksida yang berwarna coklat kemerahan pada
daerah permukaan keausannya.
Gambar 4.3 Perubahan dimensi dari diameter kawat
pegas. (1,5 X)
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 29

31. ABRIANTO
Berdasarkan prinsip kerja pegas ulir yaitu berdefleksi
dimana pada beban tertentu mengakibatkan kontak antar
lilitan pegas, terutama lilitan akhir dengan lilitan berikutnya,
serta adanya getaran dapat menyebabkan suatu kerusakan
pada permukaan kawat pegas yang dikenal dengan keausan
fretting, yaitu kerusakan yang berupa keausan adhesi pada
dua permukaan kontak yang disebabkan oleh tekanan dan
getaran. Hal ini dapat terlihat pada gambar 4.4 dan 4.5
yamg menunjukkan ciri-ciri keausan adhesi yang berupa
dimple pada topografi permukaan kawat pegas dalam
daerah fretting. Keausan terjadi mulai dari ujung lilitan
dalam daerah kontak lilitan akhir dengan lilitan berikutnya
yang relatif berkurang, hal ini disebabkan karena jarak
antara kedua lilitan yang kontak (gap) yang relatif
bertambah.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 30

32. ABRIANTO
Pada gambar 4.6 menunjukkan karakteristik dari
keausan fretting yang berupa lubang-lubang (galling),
lubang-lubang yang tajam pada daerah fretting sedemikian
rupa hingga merupakan suatu takikan (notch) yang
menyebabkan pemusatan tegangan setempat sehingga
daerah ini sangat sensitif terhadap pembentukan awal retak
lelah. Awal retak ini dipercepat pula sebagai akibat tegangan
geser pada daerah sedikit dibawah permukaan karena aksi
tegangan kontak antara kedua permukaan lilitan pegas.
Gambar4.4 Keausan fretting yang terjadi pada permukaan
kawat pegas ulir.(1,6 & 14 X)
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 31

33. ABRIANTO
Gambar 4.5 Ciri-ciri keausan adhesi pada pemukaan kawat
pegas ulir. (50 X)
Gambar4.6 Lubang-lubang (galling) pada keausan fretting
permukaan kawat pegas (20X)
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 32

34. ABRIANTO
Dari hasil pengujian komposisi kimia dapat
dinyatakan bahwa material pegas ulir bogie luar secara
keseluruhan masih sesuai dengan standart spesifikasi
materialnya, dan pengaruh unsur-unsur yang terkandung
dalam material pegas tersebut adalh sebagai berikut:
 Si (0,2-2,0%) adalah untuk meningkatkan sifat mampu
keras.
 Cu (0,1-0,5%) adalah untuk memperbaiki ketahanan
korosi.
 Mo(0,1-0,5%) adalah untuk mencegah pertumbuhan
butir serta memperbaiki kekuatan dan ketangguhan.
Dari hasil pengujian ini pula diketahui bahwa komponen
pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan tersebut
adalah masih komponen aslinya yaitu buatan Yugoslavia
sesuai dengan gerbong keretanya, sedangkan material
pegas ulir yang dibuat oleh Balai yasa – Manggarai adalah
jenis SUP 9, import dari jepang.
Hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa kekuatan
pegas ulir bogie luar yang mengalami kerusakan, masih
memenuhi persyaratan kekuatan sesuai dengan
spesifikasinya seperti yang terlihat pada tabel 2 dimana
kekuatan geser yang diizinkan adalah sebesar 82,5 Kg/mm2.
Dari hasil pengujian kekerasan pada daerah
penampang melintang menunjukkan bahwa material pegas
ulir bogie luar yang mengalami kerusakan memiliki sifat
mampu keras yang cukup baik, hal ini ditandai dengan
penurunan garis pada grafik distribusi kekerasan
penampang melintang yang tidak turun dengan curam atau
tidak landai, atau dengan kata lain perbedaan kekerasan
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 33

35. ABRIANTO
dalam distribusi kekerasannya, kecil. Kekerasan rata-rata
daerah penampang melintang lebih besar dibandingkan
dengan kekerasan rata-rata permukaan kawat pegas (47,8
HRc  41,3 HRc) atau terjadi perbedaan kekerasan pada
kedua daerah tersebut sebesar 13,6 % sehingga daerah
permukaan kawat pegas ulir tersebut memiliki ketahanan
aus yang lebih rendah dibandingkan dengan daerah bagian
dalamnya, hal ini juga menunjukkan adanya
ketidakseragaman sifat mekanik dari komponen pegas ulir
yang mengalami kerusakan tersebut.
Hasil pengujian metalografi menunjukkan bahwa
pegas ulir tersebut memiliki fasa karbida dalam matrik
martensit temper, serta adanya ketidakseragaman ukuran
butir karbida, dimana pada daerah permukaan kawat pegas
memiliki ukuran besar butir karbida yang lebih besar
dibandingkan dengan ukuran pada daerah dibawahnya.
Berdasarkan hasil perhitungan ukuran butir dengan
menggunakan metoda Hyen (lihat lampiran A) diperoleh
ukuran besar butir karbida pada daerah permukaan kawat
pegas sebesar 5,1 . 10-3 mm. Sedangkan pada daerah
penampang melintang : 4,6 . 10-3 mm. Sehingga kekerasan
dan kekuatan pada daerah permukaan kawat pegas akan
lebih rendah jika dibandingkan dengan daerah
penampangnya.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 34

36. ABRIANTO
4.2 Analisis mekanis
Salah satu cara untuk mengetahui penyebab
kerusakan pada pegas ulir bogie luar ini adalah dengan
melakukan analisis tegangan-tegangan yang bekerja pada
komponen tersebut pada saat operasinya, yaitu sebagai
berikut:
4.2.1 Beban maksimum pada pegas ulir bogie luar.
 Bobot kosong gerbong kereta = 30 ton
 Jumlah tempat duduk 64 buah (60 Kg/orang + barang)
= 4 ton
 Bobot total = 34 ton
Pada satu gerbong terdapat 8 pasang pegas ulir bogie, yang
setiap pasangnya terdiri atas satu pegas ulir bogie dalam
dan satu pegas ulir bogie luar yang keduanya terbuat dari
bahan yang sama (tabel 2 dan 3).
Maka beban maksimum yang diterima oleh sepasang pegas
ulir bogie adalah:
34/8 ton = 4,25 ton = 4250 Kg
Dari persamaan defleksi pegas ulir, maka dapat diperoleh
beban yang diterima hanya oleh pegas ulir bogie luar
adalah:
f = 8FD3n / d4 G
F1 / F 2 = d14 D23 n2 / d24 D13 n1
= 364 1493 6,75 / 244 2363 4
= 2,2
F1 = 2,2 F2 ; F1 + F2 = F = 4250 Kg
= 2,2 ( F – F1 )
= 2921,9 Kg
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 35

37. ABRIANTO
dimana, subscript 1 dan 2 adalah menyatakan pegas ulir
bogie luar dan pegas ulir bogie dalam.
4.2.2 Tegangan geser maksimum pada pegas ulir bogie luar
yang tidak mengalami fretting.
maks = ( 8FD /  d3 ) . k
= ( 8 . 2921,9 . 236 / 3,14 . 363 ) . 1,23
= 46,32 Kg/mm2
4.2.3 Tegangan geser maksimum yang bekerja pada pegas
ulir bogie luar yang mengalami fretting.
Dari hasil pengukuran, perubahan dimensi pada
permukaan dari diameter kawat pegas karena keausan
fretting adalah sebagai berikut :
Cos  = 15,6 / 18
= 0,867
 30o
Dari lampiran B (Ref.8), diperoleh:
maks = ( T / c. r3 ) . k
= ( F . R / c. r3 ) . k
= ( 2921,9 . 118 / 1,25 . 183 ) . 1,23
2
= 58,2 Kg/mm
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 36

38. ABRIANTO
4.2.3 Lingkaran Mohr.
Untuk mencari tegangan normal yang bekerja, maka
digunakan lingkaran Mohr, dimana pada beban puntir :
maks = maks = min .
1 = maks
3 = min
Sehingga :
 Pada daerah fretting
maks pada beban maksimum (F=2921,9 Kg) adalah 58,2
2
Kg/mm
min pada beban minimum (F=2280 Kg) adalah - 45,4
2
Kg/mm
 Pada daerah tak fretting
maks pada beban maksimum (F=2921,9 Kg) adalah 46,32
Kg/mm2
min pada beban minimum (F=2280 Kg) adalah - 36
Kg/mm2
Dari hasil pengujian tarik diperoleh kekuatan tarik
material sebesar:
uts = 164,5 Kg/mm2 (212,3 ksi), dengan demikian batas
lelah (endurance limit), e adalah sebesar  100 ksi atau
sama dengan 77,5 Kg/mm2 (Ref. 4), dan jika diperhitungkan
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 37

39. ABRIANTO
faktor pembebanannya maka batas lelahnya menjadi = 77,5
X 0,577 = 44,7 Kg/mm2.
4.2.4 Diagram Goodman
Untuk mengetahui apakah beban dinamis yang
bekerja pada komponen pegas ulir bogie luar tersebut masih
berada dalam kondisi daerah aman terhadap fatigue, maka
digunakan diagram Goodman, yaitu sebagai berikut :
 Pada daerah fretting :
maks = 58,2 Kg/mm2
min = -45,4 Kg/mm2
mean + min
mean =  = 6,4 Kg/ mm2
2
mean - min
amplitudo =  = 51,8 Kg/mm2
2
 Pada daerah tak fretting :
maks = 46,32 Kg/mm2
min = -36 Kg/mm2
mean = 5,16 Kg/mm2
amplituda = 41,16 Kg/mm2
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 38

40. ABRIANTO
Gambar 4.7 Diagram Goodman kondisi tegangan yang
bekerja pada pegas ulir bogie luar.
Dari analisa tegangan dapat ditunjukkan bahwa
kondisi yang bekerja pada pegas ulir bogie luar pada kondisi
normal tanpa mengalami kerusakan fretting adalah aman
terhadap kegagalan fatigue, sedangkan jika terjadi
kerusakan fretting pada permukaan kawat pegas yang juga
mengakibatkan terjadinya perubahan diameter kawat pegas,
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 39

41. ABRIANTO
maka tegangan yang bekerja pada pegas ulir bogie luar
tersebut akan sangat tidak amaan terhadap bahaya fatigue.
Dalam kasus ini, umur pakai dari pegas ulir yang
mengalami kerusakan tersebut adalah sebagai berikut:
 Mulai dinas: K2 – 85715 = 9 - 10 - 1985
 Pemeriksaan akhir, PA = 30 - 07 - 2000
 Pemeriksaan akan datang, PAD = 30 - 07 - 2000
 Mengalami patah = 12 - 09 - 2000
Berdasarkan data tersebut, maka gerbong kereta K2 –
85715 yang mengalami kerusakan pegas ulir bogie luar
tidak memenuhi panggilan pemeriksaan (PAD) di Balai Yasa
Manggarai – Jakarta, dengan keterlambatan selama 2 bulan,
hal ini terlihat dari komponen pegas ulir bogie luar yang
mengalami kerusakan masih bahan aslinya yaitu buatan
Yugoslavia, bukan pegas ulir buatan Balai yasa Manggarai
dengan bahan SUP 9. Dari data tersebut pula maka dapat
dihitung jumlah siksus pemakaian pegas ulir tersebut hingga
mengalami kerusakan yaitu sebagai berikut:
(12-6-1993) – (9-10-1978) = 93,533 – 78,855 = 14,675
tahun
maka jumlah siklus dengan jam kerja rata-rata 10 jam
perhari adalah:
= 14,675 tahun X 12 bulan/tahun X 25 hari/bulan X 10
jam/hari X 60 menit/ jam X 7,8 siklus/menit
(perhitugan terlampir) = 20947680 siklus  2,5 . 107
siklus
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 40

42. ABRIANTO
BAB V
KESIMPULAN DAN REKOMENDASI
5.1 Kesimpulan
 Keausan terbesar terjadi pada ujung lilitan pegas,
sehingga ujung lilitan akhir menjadi titik kontak keausan
pertama yang mempercepat kerusakan fretting.
 Kekerasan daerah permukaan kawat pegas, lebih rendah
dari kekerasan bagian dalam penampangnya (41,3 HRc 
47,8 HRc).
 Ukuran butir karbida pada bagian permukaan kawat
pegas lebih kasar dibanding daerah penampannya,
sehingga kekerasan dan kekuatannya lebih rendah yang
dapat mempercepat terjadinya keausan.
 Patah yang dialami pegas ulir bogie luar adalah patah
lelah (fatigue fracture) dengan kondisi tegangan
maksimum yang bekerja diluar daerah amannya ataupun
batas lelahnya.
Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa patah
yang terjadi pada pegas ulir bogie luar kereta api tersebut
adalah patah lelah sebagai akibat tegangan yang bekerja
melebihi batas lelah materialnya atau tegangan yang
bekerja diluar daerah aman terhadap kegagalan fatigue, hal
ini disebabkan karena adanya perubahan dimensi
permukaan kawat pegas yang diakibatkan oleh kerusakan
fretting yang dipercepat dengan rendahnya kekerasan
permukaan kawat pegas dan kasarnya butir-butir karbida
pada daerah permukaan, serta aktipnya ujung lilitan pegas.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 41

43. ABRIANTO
Adapun kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi adalah
sebagai berikut:
 Temperatur pada saat proses temper yang terlalu tinggi,
ataupun waktu temper yang terlalu lama.
 Design pegas ulir, dimana kurangnya lilitan mati setelah
ujung lilitan, sehingga ujung lilitan pegas menjadi aktip.
5.2 Rekomendasi
 Untuk memperkecil kerusakan fretting pada pegas ulir
adalah perlu dibuat tambahan lilitan mati setelah ujung
lilitan, sedemikian hingga ujung lilitan menjadi tidak
aktip atau mati, serta jumlah total lilitan pegas harus
berakhir dengan setengah.
 Temperatur dan waktu pemanasan dalam proses
tempering, perlu dihitung kembali agar supaya terjadi
kehomogenan struktur dan kekerasan antara permukaan
dan penampang dari kawat pegas ulir tersebut.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 42

44. ABRIANTO
LITERATUR
1 Metal Handbook vol. 10, `Failure Analysis and
Prevention`, American Society for Metals, 1975.
2 Metal Handbook vol. 9, `Fractrography and Atlas of
Fractrographs`, American Society for Metals, 1974.
3 Wahl, A.M, `Mechanical Spring`, Mc. Graw-Hill, 1976.
4 Bannantine. A. Julie, Comer. J. Jess, Handrock. L. James,
`Fundamental of Metal Fatigue Analysis`, Prentice Hall,
Inc, 1990.
5 Fuchs. O. H, Stephens. I. R, `Metal Fatigue in
Engineering`, John Wiley and Sons, 1980.
6 R. Raymond. J, Y. Warren. C, `Formulas for Stress and
Strain`, Mc. Graw-Hill.
7 Dieter, G. E, `Mechanical Metallurgy`, Mc Graw-Hill,
1976.
8 R. S. Khurmi, J. K. Gupta, `A Text Book of Machine
Design`, Ram Nagar, New Delhi, 1982.
9 Wulpi. J. Donald, `Understanding How Components Fail`,
American Society for Metals, 1985.
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 43

45. ABRIANTO
LAMPIRAN A
PERHITUNGAN BESAR BUTIR METODA HYEN
 Besar butir rata-rata pada daerah permukaan pegas:
n . l
Dk = 
V .  Fk
8 . 80
= 
700 . 178,5
= 5,1 . 10-3 mm
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 44

46. ABRIANTO
 Besar butir rata-rata pada daerah penampang
melintang kawat pegas:
n . l
Dk = 
V .  Fk
8 . 80
= 
700. 199
= 4,6 . 10-3 mm
dimana ; n = jumlah garis uji
l = panjang garis uji
V = pembesaran photo
 Fk = jumlah titik potong
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 45

47. ABRIANTO
LAMPIRAN B
FORMULA UNTUK TEGANGAN GESER AKIBAT BEBAN
TORSI
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 46

48. ABRIANTO
LAMPIRAN C
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 47

49. ABRIANTO
Lampiran D
PERHITUNGAN JUMLAH SIKLUS FREKWENSI
PEMBEBANAN PADA PEGAS ULIR BOGIE LUAR
KERETA API
W = F = m . g
m = F/g
= 2921,9 / 10
= 0,29219 Kg. dt2 / mm
2 = k / m
= 30 / 0,29219
 = 10,1 rad / dt2
 Frekwensi pegas tanpa shock absorber:
T = 2 / 
= 6,28 / 10,1
= 0,62
maka, f = 1/T
= 1,6 Cps
= 96,5 Cpm
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 48

50. ABRIANTO
 Frekwensi pegas dengan shock absorber sebagai
peredam getaran:
Cc = 2 m  (k / m)
= 2m . 
= 2 . 0,2921,9 . 10,1
= 5,9
Pada redaman kritis (Cc=C), maka:
q2 = k / m - (C / 2m)2
= 30 / 0,2921,9 - (5,9 / 2 . 0,29219)2
= 0,8
q = 0,89 rad / dt2
sehingga, T = 2 / q
= 6,28 / 0,89
= 7,85
maka, f = 1/T
= 0,13 Cps
= 7,8 Cpm
Abrianto Akuan, Laporan Investigasi Kerusakan Pegas Ulir Kereta Api 49