Desain parameter Tuas

Simulasi Beban Jalan Rata-rata Kendaraan

METODE PENELITIAN 3.1 Desain Parameter Penelitian

3.1.4 Desain parameter Tuas

Adapun faktor pertimbangan dalam desain tuas adalah sebagai berikut.

a. Aspek Desain Tuas

Fungsi daripada tuas di dalam perancangan ini adalah sebagai penghubung antara speed bump dengan pedal pada generator mekanik. Tuas diletakkan diantara plat speed bump dan pegas agar ketika speed bump dikenai beban maka tuas akan ikut bergerak turun dan ketika pegas memberikan gaya reaksi akibat aksi pembebanan maka tuas akan bergerak naik.

Gambar 3.9 Aspek Desain Pedal

Secara sistematis fungsi tuas telah dijelaskan di atas, namun untuk mendapatkan desain tuas maka terlebih dahulu ditinjau aspek desain pedal sebagai berikut. Skemanya dapat dilihat pada Gambar 3.9.

Gaya yang Bekerja, T = F .rsproket depan

23,17 Nm = F . 0,18 m F = 128,7 N Kecepatan linier pedal, vpedal = ωpedal . rpedal

vpedal = 15,1 rad/s . 0,18 m vpedal = 2,718 m/s

Maka frekuensi sebagai fungsi dari kecepatan linier pedal adalah sebagai berikut.

v = ^2.π.r

T

2,718 m/s = 2 . π . 0,18 m T

T = 0,415 s atau f = 2,4 Hz

Gambar 3.10 Aspek Desain Tuas

Maka untuk mencari jarak perpindahan tuas pada Gambar 3.10. dalam gerak rotasi diperoleh dengan perhitungan sebagai berikut.

s = θ .2.𝜋. r

Untuk θ = 9º, s = ⁹

360 .2. 3,14. 180 mm s =28,26 mm

Maka untuk mendapatkan jarak turun tuas digambarkan pada Gambar 3.11.

sebagai berikut. Jarak turun tuas maksimum pada sudut 9º adalah 30 mm.

Gambar 3.11 Jarak Turun Maksimum Tuas pada Sudut 9º b. Desain Dimensi Tuas

Dimensi dari tuas yang di rancang menggunakan besi as bulat berbahan baja ST37 Tensile Strength 360 – 370 N/mm². Yield Strength 235 N/mm². Massa Jenis 7.86 g/cm³ dengan panjang 2 meter. Untuk mendapatkan diameter tuas dihitung berdasarkan tegangan geser maksimum sebagai berikut.

* untuk m = 13 kg, F = 128,7 N, T = 23,17 Nm

D = 16 mm (digunakan untuk simulasi eksperimental) 3.1.5 Desain Parameter Pegas

Adapun faktor pertimbangan dalam desain pegas adalah sebagai berikut.

a. Aspek Desain Pegas

Fungsi pegas adalah untuk mengakumulasikan Energi Kinetik. Sesuai dengan uraian pada halaman 34 Bab 2 bahwa pegas mengakumulasi Energi Kinetik dari simulasi beban pada plat. Hubungannya adalah sebagai berikut.

………...(2.22) Parameter input rata – rata dari simulasi pada halaman 8 Bab 2 didapati Beban Maksimum sebesar 43000 kg dan Beban Minimum sebesar 50 kg. Parameter output yang diperlukan dari pegas adalah gaya pemulih setelah pegas memberikan gaya reaksi akibat beban yang dilepaskan dari pegas, yaitu :

………(2.23)

Gambar 3.12 Aspek Desain Pegas b. Desain Dimensi Pegas

Adapun dimensi pegas yang akan dirancang adalah untuk memenuhi parameter Gambar 3.12. Pegas yang digunakan pada rancangan speed bump ini menggunakan pegas tekan spiral atau helical spring. Pegas yang ada di pasaran jika disesuaikan dengan perancangan maka diperoleh dimensi dalam Gambar 3.13.

sebagai berikut.

Gambar 3.13 Dimensi pegas 1. Panjang Rapat (Solid length of the spring):

LS= n’

d………(2.4) Dimana : n’ = jumlah koil lilitan

d = diameter kawat

LS = n’ d LS = 7 x 5 mm

LS = 35 mm 2. Panjang Bebas (Free length of the spring)

Pegas F = 128,7 N

V = 2,718 m/s

F = 128,7 N

f = 2,4 Hz x ≤ 30 mm k = ?

τ = ? D = ? d =?

Ls= ? LF = ?

LF= n’ d + δmak + (n’ – 1) x 1 mm……….(2.5) Dalam kasus ini, jarak antara dua kumparan yang berdekatan diambil 1 mm. Dan δmak sebesar 24 mm. Gambar defleksi dapat dilihat pada Gambar 3.14.

LF = n’ d + δmak + (n’ – 1) x 1 mm LF = 35 mm + 24 mm + 6 x 1 mm

LF = 65 mm

Gambar 3.14 Perubahan Tinggi Pegas 3. Indek pegas (C)

Didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara diameter pegas dengan diameter kawat, persamaan matematikanya adalah :

Indek pegas (C) = ^𝐷

𝑑………..(2.6)

Dimana : D = diameter lilitan / pegas

Indek pegas (C) = ^𝐷

𝑑

Indek pegas (C) = ^{40 𝑚𝑚}

5 𝑚𝑚 = 8 4. Pitch (p)

Didefinisikan sebagai jarak aksial antara kumparan yang berdekatan pada daerah yang tidak terkompresi, persamaan matematikanya adalah :

Pitch (p) = 𝑷𝒂𝒏𝒋𝒂𝒏𝒈 𝑩𝒆𝒃𝒂𝒔

𝒏^′− 𝟏 ……….………(2.8) Pitch (p) = 𝑷𝒂𝒏𝒋𝒂𝒏𝒈 𝑩𝒆𝒃𝒂𝒔

𝒏^′− 𝟏

Pitch (p) = ^{65 𝑚𝑚}

6 = 10.83 𝑚𝑚 Atau dapat dicari dengan cara :

24 mm

Pitch of The Coil (p) =^{𝐿𝐹−𝐿𝑆}

𝑛′ + 𝑑 Pitch of The Coil (p) = ^{30 𝑚𝑚}

7 + 5 𝑚𝑚 Pitch of The Coil (p) = 9.28 mm 5. Tegangan pada pegas

Tegangan geser maksimum yang terjadi di permukaan dalam lilitan pegas ulir c. Desain Layout dan Jumlah Pegas

Untuk mendapatkan layout dan jumlah pegas terlebih dahulu peneliti melakukan simulasi komputasi dengan menggunakan perangkat lunak ANSYS 12.0 dengan mengasumsikan 3 tempat peletakan pegas yang akan dijelaskan berikut ini.

Simulasi dilakukan berdasarkan layout dan susunan pegas. Simulasi dilakukan dengan menggambarkan gaya lendutan pada batang sepanjang 2 m yang diperoleh dengan perhitungan sebagai berikut.

Ip = ^{T . l} digunakan dalam simulasi komputasi dilakukan perhitungan sebagai berikut.

Ip = ^{b . h}

3 12

4,15.10^–7 m⁴= b . (0,065 m)³ 12

b = 0,018 m = 18 mm

Gambar 3.15 Dimensi Batang Pengganti Pegas Simulasi

Adapun dimensi dari pada batang pada Gambar 3.15. sesuai perhitungan adalah lebar 18 mm, panjang 2000 mm dan tinggi 65 mm. Terdapat 3 susunan layout pegas yang disimulasikan sebagai berikut.

1. Simulasi Pegas Ditengah Speed Bump

Pegas terletak di tengah speed bump di dalam simulasi menggunakan batang tunggal seperti Gambar 3.16. berikut ini.

Gambar 3.16 Simulasi Pegas Tunggal

Simulasi dilakukan dengan menambahkan gaya beban di atas speed bump sebesar 128,7 N. Berikut ini akan ditampilkan hasil simulasi pembebanan terhadap batang pengganti pegas.

a. Sesaat speed bump dikenai beban

Gambar 3.17 Pegas Tunggal Sesaat Dikenai Beban

Batang pada Gambar 3.17. menunjukkan lengkungan awal sesaat beban masuk pada speed bump dan menekan batang tunggal yang digunakan sebagai pengganti pegas didalam simulasi perancangan speed bump.

b. Pembebanan Maksimum

Gambar 3.18 Pegas Tunggal Dengan Beban Maksimum

Batang menunjukkan lengkungan maksimum dari pembebanan maksimum sehingga diperoleh titik kritis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.18. dengan warna merah. Adapun penjelasan dari tiap warna yang timbul pada simulasi adalah sebagai berikut.

Gambar 3.19 Data Hasil Simulasi Pegas Tunggal

Data Gambar 3.19 diatas menunjukkan regangan elastis dari pembebanan pada simulasi pegas tunggal yang digantikan dengan batang. Warna merah menunjukkan regangan elastis sebesar 1,8657x10^-8 m/m.

2. Simulasi Pegas Ganda Pada Speed Bump

Pegas terletak di kiri dan kanan speed bump yang dapat bergerak, di dalam simulasi menggunakan batang ganda seperti Gambar 3.20. berikut ini.

Gambar 3.20 Simulasi Pegas Ganda

Simulasi dilakukan dengan menambahkan gaya beban di atas speed bump sebesar 128,7 N. Berikut ini akan ditampilkan hasil simulasi pembebanan terhadap batang pengganti pegas.

a. Sesaat speed bump dikenai beban

Gambar 3.21 Pegas Ganda Sesaat Dikenai Beban

Batang pada Gambar 3.21. menunjukkan lengkungan awal sesaat beban masuk pada speed bump dan menekan batang ganda yang digunakan sebagai pengganti pegas didalam simulasi perancangan speed bump.

b. Pembebanan Maksimum

Gambar 3.22 Pegas Ganda Dengan Beban Maksimum

Batang menunjukkan lengkungan maksimum dari pembebanan maksimum sehingga diperoleh titik kritis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.22. dengan warna merah. Adapun penjelasan dari tiap warna yang timbul pada simulasi adalah sebagai berikut.

Gambar 3.23 Data Hasil Simulasi Pegas Ganda

Data Gambar 3.23. diatas menunjukkan regangan elastis dari pembebanan pada simulasi pegas ganda yang digantikan dengan batang. Warna merah menunjukkan regangan elastis sebesar 1,364x10^-8 m/m.

3. Simulasi Tiga Susunan Pegas Pada Speed Bump

Pegas terletak di 3 titik penempatan pada speed bump di dalam simulasi menggunakan batang tunggal yang disusun seperti Gambar 3.24. berikut ini.

Gambar 3.24 Simulasi 3 Pegas

Simulasi dilakukan dengan menambahkan gaya beban di atas speed bump sebesar 128,7 N. Berikut ini akan ditampilkan hasil simulasi pembebanan terhadap batang pengganti pegas.

a. Sesaat speed bump dikenai beban

Gambar 3.25 Pegas 3 Susunan Sesaat Dikenai Beban

Batang pada Gambar 3.25. menunjukkan lengkungan awal sesaat beban masuk pada speed bump dan menekan batang tunggal yang digunakan sebagai pengganti pegas didalam simulasi perancangan speed bump.

b. Pembebanan Maksimum

Gambar 3.26 Pegas 3 Susunan Dengan Beban Maksimum

Batang menunjukkan lengkungan maksimum dari pembebanan maksimum sehingga diperoleh titik kritis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.26. dengan warna merah. Adapun penjelasan dari tiap warna yang timbul pada simulasi adalah sebagai berikut.

Gambar 3.27 Data Hasil Simulasi Pegas 3 Susunan

Data Gambar 3.27. diatas menunjukkan regangan elastis dari pembebanan pada simulasi pegas tunggal yang digantikan dengan batang. Warna merah menunjukkan regangan elastis sebesar 1,581x10^-8 m/m.

Jika dilakukan perhitungan matematis untuk mencari kekakuan pegas maka digunakan rumus sebagai berikut.

𝜎 = 𝐹 𝐴 𝜎 = 𝐸 . 𝜀 𝐹

𝐴= 𝐸 . 𝜀 128,7 𝑁

2𝑚 𝑥 0,018𝑚 = 𝐸 . 1,8657𝑥10⁻⁸ 𝐸 ≥ 191.617.087.420 𝑁/𝑚²

Maka regangan elastis yang diijinkan berdasarkan perhitungan adalah lebih dari atau sama dengan 1,8657 x 10^-8. Dari modulus elastis maka diperoleh kekakuan batang sebagai berikut.

𝑘 = 𝐸. 𝐴 𝑙

𝑘 = 191.617.087.420 𝑁/𝑚² . 0,036 𝑚² 0,065 𝑚

𝑘 ≤ 106.126.386.878 𝑁/𝑚

Berdasarkan Tabel 2.11. Jenis Material Penyusun Pegas dimana dengan modulus elastis lebih atau sama dengan 191.617.087.420 N/m², maka modulus kekakuannya adalah kurang dari atau sama dengan 65 kN/m². Maka apabila kita menggunakan modulus kekakuan tersebut untuk mendapatkan nilai kekakuan dari batang dilakukan perhitungan sebagai berikut.

𝑘 = 𝐺. 𝐴 𝑙

𝑘 = 65000 𝑁/𝑚² . 0,036 𝑚² 0,065 𝑚

𝑘 ≤ 36000 𝑁/𝑚

Dan untuk mendapatkan nilai kekakuan pegas dapat dihitung dengan rumus dibawah ini.

𝑘 = 𝐺. 𝑑⁴ 64. 𝑛. 𝑅³

𝑘 = 65000 𝑁/𝑚². (0,005 𝑚)⁴ 64.7. (0,02 𝑚)³ 𝑘 = 0,0113351004 𝑁/𝑚

Jika konfigurasi pegas yang dirancang menggunakan 8 buah pegas dengan susunan paralel maka K= k1+ k2 +k3+k4+k5+k6+k7+k8. Dimana k1; k2; k3; k4; k5; k6;

k7; k8 memiliki besar yang sama agar penurunan kedudukan alat dapat rata. Maka nilai konstanta masing-masing pegas dapat diperoleh dengan menggunakan rumus di bawah ini.

ktot = k1+ k2+...+k8 ktot = 8k ktot = 8k

ktot = 8. 0,0113351004 N/m ktot = 0,0906808032 N/m

Untuk memperoleh kekakuan pegas dari simulasi batang maka dapat dihitung dengan membagikan nilai kekakuan total batang dengan jumlah pegas yang akan digunakan seperti perhitungan berikut ini.

ktot = 8k 36000 N/m = 8k 𝑘 = 36000 N/m

8 k ≤ 4500 N/m

Dan jika ditinjau dari beban yang diberikan terhadap pegas dan besar defleksi maksimum pegas, maka diperoleh nilai kekakuan sebagai berikut. Dimana beban yang diberikan sebesar 128,7 N dan besar defleksi maksimum pegas adalah 30 mm.

𝑘 = 𝐹 𝛿 𝑘 = 128,7 𝑁

0,03 𝑚 k = 4290 N/m

Maka hasil perhitungan nilai kekakuan pegas dengan pemberian beban dan defleksi maksimum yaitu sebesar 4290 N/m dibawah nilai kekakuan total batang dibagi jumlah pegas yaitu 4500 N/m. Maka dapat disimpulkan bahwa penggunaan pegas sesuai dengan dimensi yang di rancang dapat dilakukan karena memiliki nilai kekakuan pegas dibawah batas ijin nilai kekakuan batang.