Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga

(1)

Muhammad Novaro : Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga, 2009.

ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS

TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS

ENGKOL

(CRANKSHAFT) MENGGUNAKAN

SIMULASI ELEMEN HINGGA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MUHAMMAD NAVARO NIM. 040401077

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

(2)

ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS

TERHADAP DISPLACEMENT PADA POROS ENGKOL

Oleh :

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing

Fakultas Teknik USU Ketua,

Diketahui/Disyahkan : Disetujui Oleh :

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tugiman, MT

(3)

ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS

Oleh :

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-543 tanggal 11 Juli 2009

Disetujui oleh :

Dosen Pembanding I, Dosen Pembanding II,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc

(4)

ANALISA PENGARUH KEKAKUAN PEGAS

Pembimbing/Penguji

MUHAMMAD NAVARO NIM. 04 0401 077

Telah Disetujui Oleh :

Penguji I, Penguji II,

Ir.Tugiman, MT NIP. 131 459 557

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri

Ketua,

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc

NIP. 132 018 668 NIP. 130 905 356

Diketahui oleh :

Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU

(5)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 853/TS/2009 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : / /2009

Dr-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP. 132 018 668

MEDAN PARAF :

NAMA : NIM : MATA PELAJARAN : SPESIFIKASI :

TUGAS SKRIPSI

MUHAMMAD NAVARO 04 0401 077

GETARAN MEKANIS

Lakukanlah simulasi untuk mengamati pengaruh displacement pada crankshaft akibat pengaruh nilai kekakuan pegas. Variasikan nilai kekakuan pegas dan posisikan pada ujung crankshaft.

Pembahasan meliputi:

1. Gaya-gaya pada bantalan dan pena

2. Pengaruh variasi kekakuan pegas terhadap displacement crankshaft

DIBERIKAN TANGGAL : 21/ Januari/ 2009 SELESAI TANGGAL : 01/ Juli/ 2009

MEDAN, 21 Januari 2009 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

DR-ING.IR.IKHWANSYAH ISRANURI IR.TUGIMAN, MT

NIP. 132 018 668 NIP. 131 459 557

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

ABSTRAK

Penelitian dalam bidang getaran pada mekanisme engkol peluncur untuk mengidentifikasi karakteristik sinyal getaran perlu dilakukan pada berbagai sumber eksitasi. Sumber eksitasi getaran tersebut salah satunya adalah akibat displacement yang besar yang terjadi antar komponen yang bekerja. Peristiwa terjadinya displacement yang sangat besar tidak diharapkan karena akan menyebabkan kebisingan, keausan, dan terlepasnya sambungan-sambungan akibat getaran.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besar nilai displacement yang terjadi pada crankshaft pada mekanisme engkol peluncur sepeda motor menggunakan simulasi metode elemen hingga.

Penelitian ini menggunakan software SolidWorks 2007 untuk pemodelan dan simulasi dengan metode elemen hingga menggunakan software MSc. VisualNastran4D 2004. Pengujian yang dilakukan meliputi pemasangan pegas pada ujung crankshaft yang berjumlah 4 buah masing-masing pada sudut 00, 900, 1080 dan 2700. Simulasi dilakukan berulang hingga sudut putaran crankshaft sebesar 7200 dengan nilai kekakuan pegas berbeda-beda.

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa displacement maksimum yang terkecil terjadi pada simulasi menggunakan pegas dengan nilai kekakuan sebesar 1x10E8

N/m yaitu sebesar -1.11E-04 m pada sumbu y dengan sudut 1000. Hal ini menunjukkan bahwa nilai kekakuan pegas berpengaruh terhadap displacement pada crankshaft.

Kata kunci : Displacement, Pegas, kekakuan, MSc. VisualNastran4D 2004

(11)

KATA PENGANTAR

Puji syukur hanya bagi Allah SWT. karena atas karunia dan ridho-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Rasulullah Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan orang-orang yang mengikutinya hingga akhir zaman.

Skripsi ini merupakan salah satu persyaratan untuk memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah

“Analisa Pengaruh Kekakuan Pegas Terhadap Displacement Pada Poros

Engkol (Crankshaft) Menggunakan Simulasi Elemen Hingga”.

Penyelesaian skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan serta ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Ayahanda dan Ibunda tercinta terima kasih ananda haturkan atas segala cinta dan kasih mereka yang telah memberikan dukungan moril dan materil serta do’anya demi kesuksesan ananda, juga ucapan terima kasih kepada seluruh keluarga penulis; kedua orang adik Opi dan Ahal, dan yang terakhir kepada adinda yang menjadi motivator dan penyemangat bagi penulis.

(12)

3. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin, ST.MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin

4. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi dan seluruh pegawai administrasi di Departemen Teknik Mesin.

5. Seluruh Asisten Laboratorium pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya rekan-rekan seperjuangan di Laboratorium Menggambar Teknik

6. Teman-teman mahasiswa Mesin USU khusus untuk stambuk 2004, 2005. Akhir kata semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain.

Medan, Juli 2009

Muhammad Navaro NIM.04 0401 077

(13)

DAFTAR ISI

Hal

LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING i

LEMBAR PERSETUJUAN PEMBANDING ii

LEMBAR PERSETUJUAN PENGUJI iii

SPESIFIKASI TUGAS iv

KARTU BIMBINGAN v

LEMBAR EVALUASI SEMINAR SKRIPSI vi

ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA vii

ABSTRAK viii

KATA PENGANTAR ix

DAFTAR ISI xi

DAFTAR GAMBAR xiii

DAFTAR TABEL xvi

DAFTAR NOTASI xvii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1Latar Belakang 1

1.2Perumusan Masalah 3

1.3Tujuan Penelitian 4

1.4Metodologi 4

1.5Batasan Masalah 5

1.6Sistematika Penulisan 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 7

2.1Pendahuluan 7

2.2Mekanisme Engkol Peluncur 9

2.3Persamaan Posisi, Kecepatan, dan Percepatan 11 2.4Analisa Gaya-Gaya Pada Motor Bakar Satu Silinder

Dengan Metode Massa Terkonsentrasi 13

2.5Getaran Mekanis 19

2.5.1 Gerak Harmonis 19

2.5.2 Getaran Bebas 22

(14)

3.1Pendahuluan 25

3.2Studi Kasus 26

3.2.1Spesifikasi Motor Bakar Satu Silinder 26 3.2.2Dimensi Motor Bakar Satu Silinder 26 3.2.3Geometri Komponen Motor Bakar Satu Silinder 27

3.3Vibratory System 27

3.4Analisa Pembebanan 28

3.5Diagram Alir Simulasi 29

3.6Prosedur Simulasi 33

3.6.1 Permodelan Mekanisme Motor Bakar Satu Silinder 33 3.6.2 Simulasi Motor Bakar Dengan MSC.Nastran 35

BAB IV HASIL SIMULASI DAN DISKUSI 42

4.1Pendahuluan 42

4.2Analisa Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Piston 43 4.3Analisa Konsentrasi Gaya-gaya di Bantalan dan Pena 47

4.4Analisa Displacement 52

4.4.1Menggunakan pegas dengan k = 1x10E7 N/m 52 4.4.2Menggunakan pegas dengan k = 1x10E8 N/m 57 4.4.3Menggunakan pegas dengan k = 1x10E9 N/m 62 4.4.4Menggunakan pegas dengan k = 1x10E10 N/m 67 4.4.5Menggunakan pegas dengan k = 1x10E11 N/m 72 4.4.6Menggunakan pegas dengan k = 1x10E12 N/m 77 4.5Hasil Perbandingan Displacement Maksimum 83 4.6Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Perhitungan Manual 89

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 90

5.1Kesimpulan 90

5.2Saran 91

DAFTAR PUSTAKA 92

LAMPIRAN

(15)

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 1.1 Engkol Peluncur 1

Gambar 1.2 Kerangka Konsep 3

Gambar 2.1 Model osilasi akibat gaya kocok 7

Gambar 2.2 Geometri mekanisme engko l peluncur 9

Gambar 2.3 Tekanan Efektif Rata-Rata Pada Siklus Otto 10

Gambar 2.4 Gaya-gaya yang bekerja pada mekanisme motor bakar 14

Gambar 2.5 Gaya-gaya yang bekerja pada piston. 16

Gambar 2.6 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi

di titik B. 17

Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi

di titik A. 18

Gambar 2.8 Gaya-gaya yang bekerja pada poros engkol. 18

Gambar 2.9 Gerak Osilasi Pegas. 20

Gambar 2.10 Gerak Harmonis sebagai Proyeksi Titik Bergerak

pada Lingkaran. 21

Gambar 2.11 Hubungan Fasa Vektor antara Simpangan, kecepatan, dan

Percepatan 21

Gambar 2.12 Sistem Massa Pegas dan Diagram Benda Bebas 23

Gambar 3.1. Posisi Pegas Pada Crankshaft 27

Gambar 3.2 Diagram Alir Permodelan Dengan Software SolidWorks 2007 30

Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Dengan MSc.visualNastran 4D 2004 32

Gambar 3.4 Tampilan Layar Pembuka Software SolidWorks 2007 33

Gambar 3.5 Hasil Permodelan Komponen dengan Software SolidWorks 2007 34

(16)

Gambar 3.6 Hasil Asembling dengan Software SolidWorks 2007 34

Gambar 3.7 Tampilan Pembuka MSc.visualNastran 4D 2004 35

Gambar 3.8 Proses Import Mekanisme 36

Gambar 3.9 Pemodelan Pegas 36

Gambar 3.10 Proses Type of Joint, 37

Gambar 3.11 Memasukkan Material Properties 38

Gambar 3.12 Kotak Dialog Tipe Analisis 39

Gambar 3.13 Memasukkan Nilai Pembebanan (Load) 39

Gambar 3.14 Simulasi Mekanisme Motor Bakar Dengan Menggunakan

Software MSc.visualNastran 4D 2004 40

Gambar 4.1 Grafik Posisi Piston vs Sudut Engkol 45

Gambar 4.2 Grafik Kecepatan Piston vs Sudut Engkol 46

Gambar 4.3 Grafik Percepatan Piston vs Sudut Engkol 46

Gambar 4.4 Grafik Torsi Crankshaft vs Sudut Engkol 49

Gambar 4.5 Grafik Gaya-gaya yang beraksi Pada Pena vs Sudut Engkol 50

Gambar 4.6 Posisi piston vs sudut engkol dengan k=1x10E7 N/m 54

Gambar 4.7 Kecepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10E7 N/m 55

Gambar 4.8 Percepatan piston vs sudut engkol dengan k=1x10E7 N/m 55

Gambar 4.9 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10E7 N/m 56

Gambar 4.10 Displacement Crankshaft vs sudut engkol

dengan k=1x10E7 N/m 56

(17)

Gambar 4.14 Gaya pada main bearing vs sudut engkol

dengan k=1x10E8 N/m 61

Gambar 4.19 Gaya pada main bearing vs sudut engkol

Gambar 4.20 Displacement Crankshaft vs sudut engkol

Gambar 4.24 Gaya pada main bearing vs sudut engkol

Gambar 4.29 Gaya pada main bearing vs sudut engkol

(18)

Gambar 4.34 Gaya pada main bearing vs sudut engkol dengan k=1x10E12 N/m

81

Gambar 4.36 Displacement pada crankshaft vs Sudut Engkol (36000)

dengan pegas k=1x10E7 N/m 87

(19)

DAFTAR TABEL

HAL

Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Honda Tiger 2000 26

Tabel 3.2 Dimensi Elemen Motor Bakar Honda Tiger 2000 27

Tabel 3.3 Fungsi fitur pengukuran pada MSc.visualNastran 4D 2004 41

Tabel 4.1 Posisi, kecepatan dan percepatan piston 43

Tabel 4.2 Gaya-gaya pada bantalan dan pena akibat beban dinamis 47

Tabel 4.3 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement

Tabel. 4.4 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement

Tabel. 4.8 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement

Tabel. 4.9 Displacement maksimum yang terjadi pada crankshaft

dengan kekakuan pegas berbeda 84

Tabel 4.10 Verifikasi hasil simulasi dan perhitungan manual

pada sudut engkol 4200 89

Tabel 5.1 Besar gaya-gaya pada bantalan & pena akibat beban dinamis 90

(20)

DAFTAR NOTASI

Simbol Arti

Satuan

a = Percepatan linear m/s2

A = Amplitudo m

AA =Percepatan pada titik A m/s2

AB = Percepatan pada titik B m/s2

Ag3 = Percepatan pada titik pusat massa connecting rod m/s2

Ap = Luas Permukaan Piston m2

c = Redaman pegas Ndet/m

D = diameter piston m

f = Frekuensi Hz

Fo = Gaya rangsangan N

F = Gaya tekan piston N

F12 = Gaya titik 1 terhadap batang 2 N

F23 = Gaya batang 2 terhadap batang 3 N

F14 = Gaya titik 1 terhadap batang 4 N

F43 = Gaya batang 4 terhadap batang 3 N

FA3 = Gaya inersia massa connecting rod terkonsentrasi p pena engkol N FB3 = Gaya inersia massa connecting rod terkonsentrasi p pena piston N

FCR = Gaya inersia massa connecting rod N

FCW = Gaya massa bobot imbang N

g = Percepatan grafitasi m/s2

i = Jumlah silinder -

L = Panjang connecting rod m

k = Kekakuan pegas N/m

m = Massa kg

M4 = Massa piston kg

(21)

MA3 = Massa connecting rod terkonsentrasi di pena engkol kg MB3 = Massa connecting rod terkonsentrasi di pena piston kg

n = Putaran crankshaft rpm

Ne = Daya Efektif Hp

O2 = Pusat poros engkol

-P = Tekanan Gas Pa

Prata-rata = Tekanan Efektif rata-rata kg/cm2

R = Jari-jari crankshaft m

TMA = Titik Mati Atas -

TMB = Titik Mati Bawah -

t = Waktu det

Ts = Torsi pada poros engkol N.m

v = Kecepatan linear piston m/s

Vd = Volume Silinder m3

n = Frekuensi natural rad/det

x = Perpindahan Piston m

x = Turunan pertama perpindahan -

x

 = Turunan kedua perpindahan -

φ = Sudut antara connecting rod dan garis kerja piston deg

2 = Sudut poros engkol deg

3 = Sudut connecting rod deg

τ = Perioda det

ζ = Faktor redaman -

(22)

DAFTAR LAMPIRAN

1. Lampiran-1 Spesifikasi Honda Tiger 2000

2. Lampiran 2 Data Pengukuran Elemen Motor Bakar 3. Lampiran 3 Geometri Bentuk Pegas Pada Crankshaft 4. Lampiran 4 Validasi Perhitungan Manual

(23)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Motor Bakar adalah salah satu mesin dengan pembakaran dalam. Daya yang dibangkitkan pada motor bakar berasal dari pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan piston yang kemudian diteruskan melalui connecting rod menuju crankshaft. Gerak translasi piston akan menyebabkan gerak rotasi pada crankshaft.

Gambar 1.1 Engkol Peluncur

(24)

bahwa kendaraan harus stabil pada putaran tinggi, artinya getaran yang ditimbulkan oleh putaran mesin harus dalam batas yang ditentukan. Suatu mekanisme yang tidak seimbang atau tidak stabil akan mengakibatkan kebisingan, getaran, tegangan-tegangan akibat getaran, keausan, dan terlepasnya sambungan-sambungan akibat getaran dan keausan.

Dalam mendesain kekuatan komponen-komponen motor bakar, adalah penting untuk menghitung besar gaya-gaya dan momen yang bekerja pada setiap komponen. Motor bakar sebagai salah satu contoh dari mekanisme engkol peluncur, mempunyai komponen-komponen kritis seperti bantalan (Bearing) dan pena (Pin). Hal ini disebabkan terkonsentrasinya gaya-gaya pada elemen ini.

Dalam mekanisme yang beroperasi pada putaran tinggi, besar gaya-gaya yang timbul akibat adanya percepatan massa komponen akan lebih besar dibandingkan gaya-gaya statis yang bekerja pada komponen mesin itu sendiri.

Komponen torak yang bergerak bolak-balik (Reciprocating), akan menimbulkan arah gaya yang bolak-balik sesuai pergerakannya, sehingga mengakibatkan terjadinya getaran yang ditimbulkan oleh gaya di bantalan poros engkol pada mekanisme engkol peluncur. Pada kecepatan-kecepatan tertentu dimana getaran menjadi sangat besar, dapat terjadi kegagalan pada poros atau bantalan-bantalan. Getaran semacam ini menimbulkan displacement pada ujung poros engkol (main bearing) sehingga dapat menyebabkan apa yang disebut olakan poros, atau mungkin menyebabkan suatu osilasi puntir pada poros, atau kombinasi pada keduanya.

(25)

dipecahkan melalui analisis matematis. Hal ini disebabkan karena analisis matematis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Metode elemen hingga menggunakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui pada setiap titik diskrit. Dimulai dengan permodelan suatu objek, kemudian membaginya dalam bagian yang kecil. Namun secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum pembagian.

1.2 Perumusan Masalah

Kerangka Konsep

Gambar 1.2 Kerangka Konsep Dampak :

- Keandalan mesin menjadi buruk - Biaya menjadi mahal akibat kegagalan produk

Hasil Skripsi:

•Besaran displacement pada ujung crankshaft •Nilai kekakuan pegas yang paling efekif

Permasalahan :

Gaya dan Displacement pada main bearing

Menyebabkan:

Getaran pada crankshaft

Simulasi Komputer

• Membuat permodelan engkol peluncur (torak, connecting rod, dan crankshaft)

• Melakukan simulasi engkol paluncur dengan bantalan pegas pada ujung crankshaft.

Metode:

(26)

Dalam mekanisme motor bakar, connecting rod berperan merubah gerak translasi piston menjadi gerak rotasi dan mentransmisikan tenaga ke poros engkol. Komponen torak yang bergerak bolak-balik (Reciprocating), akan menimbulkan arah gaya yang bolak-balik sesuai pergerakannya, sehingga mengakibatkan terjadinya getaran pada bantalan. Untuk mengurangi getaran pada main bearing (F12) digunakan bantalan pegas yang dipasang pada ujung crankshaft. Dimana prinsip kerjanya untuk meredam perpindahan crankshaft dari pusat poros ketika berotasi.

Dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004 dilakukan simulasi mekanisme engkol peluncur dan pada simulasi tersebut akan dipasangkan bantalan pegas pada ujung crankshaft dengan variasi pada nilai kekakuan pegas. Hal ini bertujuan untuk memperoleh nilai displacement yang paling kecil.

1.3Tujuan Penelitian

Pada tugas skripsi ini ada 3 tujuan utama akan diteliti:

1. Membuat suatu permodelan dan simulasi komputer dari mekanisme kerja engkol peluncur yang diaplikasikan pada motor bakar satu silinder.

2. Menghitung besaran displacement pada ujung crankshaft menggunakan software visualNastran 4D 2004 dengan memvariasikan nilai kekakuan pegas pada ujung crankshaft.

3. Mengetahui pengaruh kekakuan pegas terhadap displacement crankshaft yang terjadi pada mekanisme engkol peluncur.

1.4Metodologi

(27)

Metode untuk menghitung besaran displacement pada ujung crankshaft adalah dengan metode analitis yang diprogramkan dengan teknik visualisasi yang kompatibel dengan komputer yang berbasiskan Windows.

Metode analitis digunakan untuk mendapatkan hasil perhitungan yang lebih teliti. Dan perhitungan berulang untuk analisa satu siklus putaran motor bakar hanya memerlukan waktu singkat dengan bantuan komputer, sehingga kita akan lebih terfokus pada analisa akibat perubahan nilai variabel input terhadap output. Dan hasil perhitungan dapat dengan mudah ditampilkan dalam bentuk angka-angka yang tertabulasi, dan grafik-grafik yang mudah untuk dianalisa. Hal ini berarti akan sangat mudah melakukan analisa perhitungan teknik yang rumit dengan bantuan komputer.

Proses perhitungan menggunakan perangkat lunak (Software) MSc. visualNastran 4D 2004. Software ini mampu membuat simulasi engkol peluncur dan menghitung besaran displacement yang terjadi pada ujung crankshaft.

1.5Batasan Masalah

Dalam skripsi ini dilakukan simulasi terhadap sistem motor bakar satu silinder tipe empat langkah menggunakan pegas tanpa redaman (undamped vibration) sebagai bantalan. Daya maksimum 16,7 PS pada putaran maksimum

8500 rpm. Menggunakan tekanan efektif rata-rata sebagai beban (load) untuk mendesak piston. Hal ini bertujuan agar dalam proses simulasi digunakan suatu harga tekanan yang konstan dan mudah dianalisa. Jenis, panjang, jumlah dan posisi pegas yang digunakan pada simulasi diasumsikan sama. Untuk mempermudah analisa. Gesekan pada bantalan, gesekan pada pena engkol, gesekan pada pena torak, dan gesekan torak terhadap dinding silinder diabaikan.

(28)

1.6Sistematika Penulisan

Tugas skripsi ini terbagi kedalam tiga bagian yaitu membuat gambar permodelan dengan Software SolidWorks 2007 kemudian disimulasikan dengan MSc.visualNastran 4D 2004 dan yang terakhir menganalisa hasil simulasi. Kemudian hasil akan disajikan kedalam tulisan yang terdiri dari 5 bab. Bab I adalah Pendahuluan. Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas skripsi yang meliputi, pembahasan tentang latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. Bab II adalah Tinjauan pustaka, berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan. Bab III adalah Metodologi penelitian yang berisikan spesifikasi sistem motor bakar piston satu silinder, langkah permodelan dari sistem kerja engkol peluncur dengan bantalan pegas pada ujung crankshaft menggunakan software Solid Works serta pembuatan simulasi menggunakan MSc.visualNastran 4D 2004. BAB IV adalah Hasil simulasi dan diskusi. Pada bab ini berisikan hasil simulasi dan juga hasil diskusi. Pada bagian akhir bab, berisikan verifikasi hasil simulasi dengan perhitungan manual. BAB V adalah Kesimpulan dan saran yang berisikan kesimpulan akhir yang didapat dari Skripsi ini

(29)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pendahuluan

Bab ini memberikan gambaran umum tentang latar belakang pengertian pada pembangkitan gaya dan getaran pada mekanisme sebuah mesin bolak-balik (Reciprocating Engine). Sebagian besar topik ini dikutip dari Mabie Reinholtz [1]

dan William T Thomson [3].

(30)

[image:30.595.161.442.284.559.2]

Gambar 2.1 Diagram benda bebas dari sebuah mekanisme engkol

peluncur (dari Mabie dan Reinholtz[1])

(31)

8 Gambar 2.1 menunjukkan diagram benda bebas dari sebuah mekanisme engkol peluncur. FO4 adalah vektor gaya inersia yang bekerja pada pusat torak (batang 4), yang besarnya adalah FO4 = M4Ag4. FB3 adalah vektor gaya inersia yang bekerja pada titik massa bergerak batang hubung, MB3, yang letaknya pada pena torak (wrist pin) B dan sepusat dengan pusat torak. Besar dari FB3 adalah FB3 = MB3.AB. Ini menunjukkan bahwa karena pusat torak sepusat dengan pena torak

B, Ag4 = AB. F41 adalah gaya reaksi torak terhadap dinding silinder. F12 adalah gaya dari poros engkol yang bekerja pada bantalan poros engkol (Main Bearing) yang terletak pada blok mesin (Engine Block). Gaya yang terjadi pada poros engkol (F12) dapat menyebabkan terjadinya displacement pada ujung poros engkol. Hal ini akan mempengaruhi tingkat kestabilan mesin serta tingkat kegagalan pada bantalan.

Untuk memperkecil nilai F12 maka digunakan counterweight yang berupa beban (Mcw) dan menimbulkan gaya Fcw, dimana gaya ini dapat menyeimbangkan poros engkol sehingga titik berat poros engkol berada tepat dipusat bantalan dan nilai

F12 menjadi kecil hingga mendekati nol

(32)

9

2.2 Mekanisme Engkol Peluncur

Motor bakar satu silinder menggunakan mekanisme engkol peluncur dalam pengoperasiannya. Untuk aplikasi mekanisme ini pada sebuah motor bakar, usaha hasil pembakaran bahan bakar dan oksigen yang berekspansi akan mendorong torak atau piston yang dilanjutkan ke batang penghubung yang akan memutar poros engkol, yang kemudian diidealisasikan akan menghasilkan putaran konstan dengan bantuan sebuah roda gila (Fly Wheel).

Gambar 2.2 memperlihatkan skema dari mekanisme engkol peluncur. Batang 1 adalah kerangka tetap, batang 2 adalah engkol, batang 3 adalah batang hubung, dan batang 4 adalah peluncur, yang mana pada kasus ini torak meluncur sepanjang silinder.

φ

O2 B 4

θ

R L

R + L

X TMA

ω

v a 3

θ ω3

β 3 g A 2 2 φ θ sin

sin ₂ L R =

Gambar 2.2 Geometri mekanisme engko l peluncur 2

1

(33)

10 Pada siklus Otto, energi yang dihasilkan berasal dari pembakaran antara campuran bahan bakar. Hasil pembakaran akan menghasilkan tekanan gas yang menekan piston, kemudian diteruskan sampai poros engkol untuk menghasilkan tenaga. Gaya tekan pada siklus Otto bergantung pada tekanan gas yang terjadi akibat ledakan dari pembakaran bahan bakar[6].

Gambar 2.3 Tekanan Efektif Rata-Rata Pada Siklus Otto[6]

(34)

11 Secara matematis hubungan antara tekanan gas dan gaya tekan dapat dituliskan sebagai berikut:

Ap P

F =− . (2.1)

dimana:

P = Tekanan Gas, Pascal F = Gaya Tekan, Newton

Ap = Luas Permukaan Piston = 2 4 D π

D = diameter piston

Untuk menghitung tekanan gas rata-rata yang terjadi pada siklus Otto dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Prata-rata =

.a.n.i V

450000 x

Ne

d

(2.2)

dimana:

Ne = Daya Efektif (PS) ;

n = Putaran crankshaft (rpm) Prata-rata = Tekanan Efektif rata-rata (kg/cm2) Vd = Volume Silinder (cm3),

i = Jumlah silinder

a = Jumlah siklus perputaran =

½

untuk motor 4 langkah

2.3 Persamaan Posisi, Kecepatan, dan Percepatan

(35)

12 (TDC)) dapat dihitung dari gambar 2.2:

) cos cos

( )

(R L R θ2 L φ

x= + − +

=R(1−cosθ₂)+L(1−cosφ) (2.3) Dapat dilihat juga bahwa,

Lsinφ =Rsinθ₂

sinφ sinθ₂ L R

= (2.4)

Dengan menggunakan rumus identitas trigonometri dari φ

φ 2

sin 1

cos = − dan mensubsitusikan persamaan (2.4) ke persamaan (2.3), perpindahan x dapat ditulis kembali dengan:

              − − + − = 2 2 2

2) 1 1 sin

cos 1 ( θ θ L R L R

x (2.5)

Persamaan (2.5) dapat disederhanakan untuk memudahkan perhitungan

dengan mengganti 2 ₂

2

sin

1  θ

     − L R

dengan deret binomial dari:

... 8 . 6 . 4 . 2 5 . 3 . 1 6 . 4 . 2 3 . 1 4 . 2 2 1 1 ) 1 ( 8 6 4 2 2 / 1 2 ± − ± − ± =

±B B B B B

Dimana sinθ₂      = L R B .

(36)

13                       − − + − = 2 2 2 2 sin 2 1 1 1 ) cos 1 ( θ θ L R L R x 2 ₂ 2 2 sin 2 ) cos 1 ( θ θ     + − = L R

R (2.6)

Dengan θ₂ =ω₂.t dimana ω₂ adalah konstan, dari hasil turunan pertama dan turunan kedua dari persamaan x terhadap waktu, maka kecepatan dan percepatan peluncur torak diperoleh: [1,hal 20]

    ₊ − =

= 2 2 sin2 2

2

sinθ θ

ω L R R dt dx

v (2.7)

    ₊ − =

= 2 2

2 2 2 2 2 cos

cosθ θ

ω L R R dt x d

a (2.8)

2.4 Analisa Gaya-Gaya Pada Motor Bakar Satu Silinder Dengan Metode

Massa Terkonsentrasi

(37)

14 B

4 ₁ y

P

x h

1

Fcw Mcw

o2 F14

F04

FB3

Ts

FA3

F12

MB3

MA3

3

rd A g3

d 2

2

ω

2

θ φ

Gambar 2.4 Gaya-gaya yang bekerja pada mekanisme motor bakar (dari Mabie

(38)

15 Sesuai gambar 2.4, sudah merupakan hal umum untuk menambahkan massa Mcw pada massa pengimbang (counterweight) engkol yang kemudian akan membangkitkan Fcw untuk menghilangkan gaya FA3 massa batang hubung. Dengan cara ini, massa-massa yang berputar bersama engkol (massa engkol ditambah MA3) diseimbangkan sehingga pusat massa terletak di O2 sehingga tidak ada gaya yang beraksi pada bantalan poros engkol.

Kemudian akan diamati bahwa semua gaya yang bekerja pada batang hubung, gaya-gaya inersia dan gaya-gaya pada bantalan, beraksi pada ujung-ujung batang hubung A dan B. Tidak ada komponen gaya-gaya melintang di antara kedua ujung batang hubung untuk menekuk atau menggunting batang, oleh karena itu gaya-gaya hanya bekerja secara tarikan aksial dan tekanan aksial. Ini adalah hasil asumsi bahwa MA3 dapat ditempatkan pada pena engkol A. Bukti bahwa gaya batang hubung adalah searah aksial memungkinkan untuk menganalisa gaya-gaya pada mekanisme tanpa menggunakan metode superposisi.

Gambar 2.4 menunjukkan gaya-gaya yang beraksi pada mekanisme. Dari gaya-gaya ini, F4,FO4,FA3,FB3, dan Fcw diketahui besar dan arah vektornya; F14

diketahui hanya arahnya. Tidak ada yang diketahui pada gaya F12 yang bekerja

pada titik O2. Persamaan untuk gaya-gaya ini, kecuali F12, dapat ditulis:

[1,hal 446]

F4 = (P + FO4) i (2.9)

FB3 = FB3 j (2.10)

FA3 =FA3

(

cos

(

90−θ2

)

i+sin

(

90−θ2

)

j

)

(2.11)

(39)

16 Pada gambar 2.5 diperlihatkan diagram benda bebas piston dan bagian atas batang hubung. Pada elemen ini beraksi gaya-gaya F4,FB3,F14, dan FCR .

B 4

F14

FCR

FB3

3 φ

F4

Gambar 2.5 Gaya-gaya yang bekerja pada piston (dari Mabie dan Reinholtz[1])

Arah garis gayanya adalah sepanjang batang hubung karena batang hubung diganti menjadi dua massa terkonsentrasi. Persamaan untuk FCR dapat

ditulis sebagai berikut:

FCR =FCR

(

−sinφi+cosφ j

)

(2.14)

Karena piston dan bagian atas batang hubung berada pada kondisi setimbang oleh empat buah gaya yang beraksi,maka:

(40)

17 Dengan melihat gambar 2.6, yang mana memperlihatkan bagian atas batang hubung dikenai gaya-gaya FB3 , FCR dan F43. Persamaan kesetimbangan

berikut dapat ditulis:

FB3 + FCR + F43 = 0 (2.16)

B

F43

FCR

FB3

3 φ

Gambar 2.6 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi di titik B

(dari Mabie dan Reinholtz[1])

Gambar 2.7 menunjukkan diagram benda bebas bagian bawah batang hubung yang dikenai gaya-gaya FCR , FA3 dan F23 . Persamaan kesetimbangan

berikut dapat dituliskan:

(41)

18 A

F23

FCR

FA3 3

Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada batang hubung terkonsentrasi

di titik A (dari Mabie dan Reinholtz[1])

Gambar 2.8 menunjukkan engkol dan pengimbang dikenai gaya-gaya F32 ,

FCW , dan F12 . Persamaan kesetimbangannya adalah:

F32 + FCW + F12 = 0 (2.18)

Fcw

cw

o

₂

F32

F12 2

Gambar 2.8 Gaya-gaya yang bekerja pada poros engkol (dari Mabie dan

(42)

19 Dan akhirnya torka poros engkol Ts, dapat dengan mudah dihitung dengan korelasi:

Ts = F14 . h (2.19)

2.5 Getaran Mekanis

Gerak adalah perpindahan titik dari koordinat satu ke koordinat yang lainnya. Sedangkan getaran adalah gerak bolak-balik yang melewati titik tetap. Pada umumnya, getaran merupakan bentuk energi sisa dan pada berbagai kasus tidak diinginkan. Khususnya hal ini pada mesin-mesin; karena getaran menimbulkan bunyi, merusak bagian mesin dan memindahkan gaya yang tidak diinginkan serta menggerakkan benda yang didekatnya (Thomson, 1981).

2.5.1 Gerak Harmonis

Gerak osilasi dapat berulang secara teratur atau dapat juga sangat tidak teratur. Jika gerak itu berulang dalam selang waktu yang sama τ , maka gerak disebut gerak periodik. Waktu pengulangan τ tersebut disebut perioda

osilasi, sedangkan kebalikannya, f 1 τ

= disebut frekuensi. Jika gerak

dinyatakan dalam fungsi waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x(t + r).

Bentuk gerak periodik yang paling sederhana adalah gerak harmonis. Kondisi ini dapat diperagakan dengan sebuah massa yang digantung pada sebuah pegas ringan, seperti terlihat pada Gambar 2.9. Jika massa tersebut dipindahkan dari posisi diamnya dan dilepaskan, maka massa tersebut akan berosilasi naik turun dengan persamaan: [3, hal 3]

t x = A sin 2π

(43)

20

Gambar 2.9 Gerak Osilasi Pegas

dengan A adalah amplitudo osilasi diukur dari posisi setimbang massa, dan τ adalah perioda. Gerak diulang pada t = τ . Gerak harmonis sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan tetap kepada suatu garis lurus seperti terlihat dalam Gambar 2.10. Dengan kecepatan sudut garis op sebesar w, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai:

x = A sin nt (2.21)

Besaran co biasanya diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran. Karena gerak berulang dalam 2 radian, maka didapat hubungan:

2

2 f π

ω= _τ = π (2.22)

(44)

21 )

2 sin(

cosω ω ω π

ω = +

= A t A t

x n n n n (2.23)

) sin(

sin 2

2

π ω ω

ω

ω = +

−

= A t A t

x n n n n

 (2.24)

Gambar 2.10 Gerak Harmonis sebagai Proyeksi Titik Bergerak pada Lingkaran

Dengan demikian, kecepatan dan percepatan juga harmonis dengan frekuensi osilasi yang sama, tetapi mendahului simpangan, berturut-turut

dengan /2 dan radian. Gambar 2.11 menunjukkan baik perubahan terhadap

waktu maupun hubungan fasa vektor antara simpangan, kecepatan dan percepatan pada gerak harmonik.

Gambar 2.11 Hubungan Fasa Vektor antara Simpangan, kecepatan, dan

(45)

22 Peninjauan Persamaan 2.21 dan 2.24 menunjukkan bahwa

x= −ω2x (2.25) Sehingga dalam gerak harmonik, percepatan adalah sebanding dengan simpangan dan arahnya menuju titik asal. Karena Hukum Newton kedua untuk gerak menyatakan bahwa percepatan sebanding dengan gaya, maka gerak harmonik dapat diharapkan pada sistem dengan pegas linier dengan gaya bervariasi sebagai kx.

2.5.2 Getaran Bebas

Dalam mengurangi efek getaran, salah satu pendekatannya yaitu melakukan studi lengkap terhadap persamaan gerakan sistem yang ditinjau. Sistem diidelisasikan dan disederhanakan dengan terminologi massa, pegas dan dashpot, yang berturut-turut menyatakan benda, elastisitas dan gesekan sistem. Kemudian persamaan gerakan (equation of motion), menyatakan perpindahan sebagai fungsi waktu atau akan memberikan jarak kedudukan massa sesaat selama gerakannya dan kedudukan kesetimbangannya. Kemudian dari persamaan gerakan diperoleh sifat penting sistem getaran yaitu frekuensi pribadi (natural frequency).

Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem. Seperti yang ditunjukan dalam Gambar 2.12, perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan statik adalah , dan gaya pegas k adalah sama dengan gaya gravitasi w yang bekerja pada massa m: [3, hal 16]

k = w = m.g (2.26)

(46)

23 arah ke bawah, semua besaran berupa gaya, kecepatan, dan percepatan juga positif dalam arah ke bawah.

Gambar 2.12 Sistem Massa Pegas dan Diagram Benda Bebas

Bilamana hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m sebagai berikut: ) ( x k w F x

m=Σ = − ∆+ (2.27)

Oleh karena k = w, maka diperoleh: kx x

m=− (2.28)

Dengan mendefinisikan frekuensi natural n lewat persamaan: 0

= +kx x m

0 ) sin ( ) sin

(− 2A t +k A t =

m ωn ωn ωn

0 ) (

sin t −m 2 +k =

A ω_n ω_n

Dengan syarat :

dimanis x= Asinωnt ≠0 statis x= Asinωnt =0

maka nilai −mω_n2 +k =0 sehingga

m k

n =

2

(47)

24 Dan dapat ditulis sebagai x+ω_n2x=0 (2.30) Perioda natural osilasi dibentuk dari n = 2 , atau:

k m π

τ =2 (2.31)

Sedangkan frekuensi naturalnya adalah:

m k f_n

π τ 2

1 1

=

(48)

25

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Pendahuluan

Bab ini berisikan metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan pada skripsi ini. Secara umum metodologi yang digunakan dalam skripsi ini dibagi kedalam beberapa 2 tahapan yaitu: (1) Permodelan mekanisme dengan software SolidWorks 2007; (2) Analisa perhitungan displacement pada crankshaft menggunakan MSc.visualNastran 4D 2004. Hasil dari analisa komputer akan ditampilkan pada bab IV.

Dalam skripsi ini dilakukan studi kasus mekanisme motor bakar yang diaplikasikan pada sepeda motor merek Honda Tiger 2000, dimana data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel 3.1 dan tabel 3.2. Kemudian dilakukan permodelan dengan menggunakan bantuan software SolidWorks 2007 untuk memperoleh assembly dari mekanisme motor bakar. Hasil permodelan dikirim ke software MSc.visualNastran 4D 2004. Pada proses simulasi pada ujung crankshaft

(49)

26

3.2 Studi Kasus

3.2.1 Spesifikasi Motor Bakar Satu Silinder.

Sebagai studi kasus dalam skripsi ini, dipilih motor bakar jenis bensin yang biasa diaplikasikan pada sepeda motor. Adapun spesifikasi mesin yang digunakan dalam skripsi ini merupakan mesin dari sepeda motor Honda Tiger yang merupakan keluaran dari perusahaan sepeda motor terkemuka di Indonesia. Spesifikasi mesin tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Honda Tiger 2000

Tipe 4 Langkah

Diameter x Langkah 63.5 x 62,2 mm

Volume Silinder 196.9 cc

Jumlah Silinder 1 Silinder

Perbandingan Kompresi 9.0 : 1

Daya Maksimum 16.7 PS / 8,500 rpm

Torsi Maksimum 1.60 kgf.m / 7,000 rpm

Berat 137 kg

Sistem Pengapian CDI-AC, Magneto

Sumber: CV. Indako Trading Co.

3.2.2 Dimensi Motor Bakar Satu Silinder

(50)

27

Tabel 3.2 Dimensi Elemen Motor Bakar Honda Tiger 2000

Elemen Mesin Dimensi Massa

Piston Diameter: 63.5 mm 150 gr

Batang Hubung (L) 105 mm 206 gr Poros Engkol (R) 31,1 mm 2200 gr

Pena Piston

Diameter = 15 mm Panjang = 56 mm

50gr

Pena Engkol

Diameter = 38 mm Panjang = 56 mm

280 gr

Sumber: CV. Indako Trading Co.

3.2.3 Geometri Komponen Motor Bakar Satu Silinder

Untuk proses analisa mekanisme displacement pada crankshaft, diperlukan geometri dari mekanisme motor bakar satu silinder. Bagian dari mekanisme motor bakar meliputi : (1) Piston; (2) Connecting rod; (3) Twist Pin; (4) Crank Pin; dan (5) Crankshaft. Dimensi dan geometri komponen dapat dilihat pada lampiran 3.

3.3 Vibratory System

Gambar 3.1. Posisi pegas pada crankshaft

(51)

28 pegas adalah sama (k1=k2=k3=k4). Untuk mempermudah menganalisa nilai displacement maka diterapkan system super posisi yaitu dengan membagi dua posisi pegas, dengan masing-masing berada pada arah sumbu y (gambar 3.1.b) dan sumbu x (gambar 3.1.c).

Maka ada dua persamaan, yaitu:

x x

x k k x f

x

m +( ₂ + ₄) = (3.1)

y y

y k k x f

x

m +( ₁+ ₃) = (3.2)

Karena nlai k adalah sama maka persamaan 3.1 dan 3.2 menjadi mx_xy +(2k)x_xy = f_xy

Dan dapat disederhanakan

xy xy

xy k x f

x

m(−ω2 )+(2 ) =

xy

xy m k f

x (− ω2+2 )=

) 2

( m 2 k

f x_xy xy

+ − =

ω (3.3)

3.4 Analisa Pembebanan

Pembebanan diawali dari mencari nilai gaya tekan yang terkonsentrasi di piston. Dengan melihat kembali gambar 2.5, besarnya konsentrasi gaya F dapat dihitung dengan menggunakan rumus 2.2:

Tekanan gas efektif (Mep) dapat dihitung: Daya efektif (N_e) = 16.7 PS

(52)

29

Volume = d ).L

4

(π 2 = (6.35) .6.22 4 14 . 3 2      

= 1,9688 x102 cm3

Prata-rata =

.a.n.i V 450000 x Ne d

dimana: N_e = Daya Efektif (Hp) ;

n = Putaran crankshaft (rpm) Prata-rata = Tekanan Efektif rata-rata (kg/cm2) V_d = Volume Silinder (cm3), i = Jumlah silinder

a = Jumlah siklus perputaran =

½

untuk motor 4 langkah

Prata-rata = 2

2 / 1 . 8500 . 2 1 . 10 9688 . 1 450000 7 . 16 cm kg x x

= 8.981 kg/cm2 = 89.81 N/cm2 Gaya tekan pada piston (F) diperoleh:

F = Prata-rata . A

= 89.81 N/cm2 .

( )

      2 35 . 6 . 4 π

= 2800 N

3.5 Diagram Alir Simulasi

(53)

30

Gambar 3.2 Diagram Alir Permodelan Dengan Software SolidWorks 2007 Berhasil ?

Ya

Tidak

Membuat Assembly (Perintah “mate”) Permodelan Bagian-Bagian Komponen (Piston, Pena Piston, Connecting rod, Pena engkol dan

Crankshaft) sesuai dimensi.

MULAI

Menghubungkan dengan Software Nastran

Periksa Hubungan ke Menu Nastran

(54)

31 B A

Berhasil ?

Ya

Tidak

Mendefenisikan

TYPE OF JOINT

(Revolute Joint, Rigid Joint, Bushing, Spring)

Mendefenisikan

MATERIAL PROPERTIES

(E, , ,Sy,Sut)

Menetapkan

UKURAN MESH

(5mm)

Mendefinisikan

ANALYSIS TYPE

Mengimport

GEOMETRY ASSEMBLY

Proses

(55)

32

Gambar 3.3 Diagram Alir Simulasi Dengan MSc.visualNastran 4D 2004 Tidak

Ya

B A

Menetapkan

KONDISI BATAS

(Putaran = 8500 rpm)

Menetapkan

BEBAN

(LOAD = 2800 N)

Proses

PENYELESAIAN SISTEM

Berhasil ?

Proses Penampilan Hasil

• Kinematika Mekanisme (tabel dan grafik posisi, kecepatan, percepatan).

• Besaran displacement pada ujung crankshaft • Nilai kekakuan pegas yang paling efekif

(56)

33

3.6 Prosedur Simulasi

3.6.1 Permodelan Mekanisme Motor Bakar Satu Silinder

Karena keterbatasan software MSc.visualNastran 4D 2004 dalam hal permodelan, maka proses permodelan akan menggunakan bantuan software SolidWorks 2007. Program ini mampu membuat permodelan tiga dimensi dan mampu berkomunikasi dengan software MSc.visualNastran 4D 2004, sehingga hasil permodelan dengan Software SolidWorks 2007 akan mampu diterjemahkan secara baik oleh MSc.visualNastran 4D 2004, baik dimensi maupun goemetri objeknya.

Gambar 3.4 Tampilan Layar Pembuka Software SolidWorks 2007

(57)

34

Gambar 3.5 Hasil Permodelan Komponen dengan Software SolidWorks 2007

Setelah semua bagian terbentuk, kemudian elemen-elemen tersebut disatukan dengan menggunakan perintah ”mate” untuk membentuk sebuah asembling dari mekanisme kerja motor bakar. Hasil assembly dapat dilihat pada gambar 3.6.

Gambar 3.6 Hasil Asembling dengan Software SolidWorks 2007

1 2

3 4

(58)

35

3.6.2 Simulasi Motor Bakar Satu Silinder Dengan Msc Nastran

Hasil asembling pada gambar 3.6, kemudian di “export” ke Software simulasi. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software komputer MSc.visualNastran 4D 2004, dimana software program ini mampu melakukan analisis pembebanan statis dan dinamis, analisa temperatur temperatur, deformasi, defleksi, tegangan pada truss, dan sebagainya. Pada gambar 3.7 merupakan tampilan awal MSc.visualNastran 4D 2004.

Gambar 3.7 Tampilan Pembuka MSc.VisualNastran 4D 2004

1. Proses Import Mekanisme

(59)

36

Gambar 3.8 Proses Import Mekanisme

2. Pemodelan Pegas

Pada crankshaft akan dipasang pegas untuk mengetahui nilai displacement yang terjadi ketika simulasi berjalan. Pegas akan dipasangkan pada ujung crankshaft menggunakan constraint spring dengan mengatur koordinat masing-masing pegas pada sudut 90O dan panjang 50 mm.

(60)

37

3. Mendefenisikan Type of Joint

Setiap sambungan (joint) didefenisikan satu persatu agar makanisme dapat berjalan sebagaimana mestinya. Langkahnya adalah dengan mengklik Contraint Navigator > pilih sambungan (Move) > Contraint Properties > defenisikan jenis

sambungannya. Dalam kasus ini terdapat 2 buah sambungan berbeda yaitu: (1) Rigid Joint untuk sambungan crank dengan pena engkol dan sambungan piston

dengan pena piston, (2) Revolute Joint untuk sambungan connecting rod dengan pena engkol dan pena piston. (3) Bushing untuk sambungan crankshaft dengan pegas.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(61)

38 (a) Bushing Pada Crank dengan Pegas; (b) Rigid Joint Pada Crank-pin dengan

Crank-1;

(c) Revolute Joint Pada Crank-pin dengan Conrod;

(d) Revolute Joint Pada Conrod dengan Piston-pin; (e) Rigid Joint Pada Crank-pin dengan Crank-2; (f) Rigid Joint Pada Piston dengan Piston pin

3. Mendefenisikan Material Properties

Langkah selanjutnya adalah menentukan properties dari Pegas. Langkah mendefenisikan material properties adalah: Klik kanan objek > Properties > Spring/Damper >Natural Length > Spring Force > Apply

Gambar 3.11 Memasukkan Material Properties

4. Menentukan Jenis Analisa

(62)

39 yaitu dengan cara: Klik menu “World” > Simulation Setting > FEA > Analisis type > Vibration > Displacements

Gambar 3.12 Kotak Dialog Tipe Analisis

6. Menentukan Pembebanan (Load)

Besar nilai pembebanan telah dipoleh dari perhitungan sub-bab 3.4. Pembebanan yang terjadi adalah akibat gaya tekan pada permukaan piston. Untuk memasukkan nilai pembebanan dilakukan dengan cara : Klik Force > Letakkan titik pembebanan pada permukaan piston > Masukkan nilai F = 2800 N.

(63)

40 Pada gambar 3.14 menampilkan simulasi mekanisme motor bakar dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004.

Gambar. 3.14 Simulasi Mekanisme Motor Bakar Dengan Menggunakan

Software MSc.visualNastran 4D 2004.

7. Penampilan hasil

(64)

41

Tabel 3.3 Fungsi fitur pengukuran pada MSc.visualNastran 4D 2004

Bagian Yang Dipilih Jenis Pengukuran

Koordinat Displacement

Gaya

(65)

42

BAB IV

HASIL SIMULASI DAN DISKUSI

4.1Pendahuluan

Pada bab ini akan dibahas hasil analisa pada mekanisme pada motor bakar satu silinder dengan menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004. Analisa pada mekanisme ini dengan mengasumsikan bahwa motor dianalisa pada kondisi putaran konstan.

Analisa dinamis ini mencakup perhitungan posisi, kecepatan, percepatan pada piston serta gaya yang beraksi pada main bearing mesin. Kemudian dilanjutkan dengan perhitungan displacement yang terjadi pada ujung crankshaft dengan menvariasikan nilai kekakuan pegas (k).

(66)

43

4.2Analisa Posisi, Kecepatan, dan Percepatan Piston

Analisa kinematis menghasilkan nilai perpindahan, kecepatan dan percepatan, selanjutnya data-data hasil kinematika akan digunakan untuk menganalisis gaya dinamis yang terjadi. Pada analisa ini simulasi menggunakan software MSc.visualNastran 4D 2004 akan mendapatkan nilai posisi, kecepatan dan percepatan pada piston sebagai berikut:

Tabel 4.1 Posisi, kecepatan dan percepatan piston (simulasi)

2

θ x v a

Deg. mm m/s m/s^2

0 0.000 0.00 -31939.22

10 0.001 -6.21 -31113.95

20 0.002 -12.11 -28803.98

30 0.005 -17.43 -25119.72

40 0.009 -21.90 -20303.21

50 0.014 -25.35 -14685.20

60 0.019 -27.64 -8665.57

70 0.025 -28.75 -2677.23

80 0.030 -28.73 2866.45

90 0.036 -27.68 7631.41

100 0.041 -25.80 11412.48

110 0.046 -23.27 14155.17

120 0.050 -20.30 15941.78

130 0.054 -17.06 16949.46

140 0.057 -13.68 17397.66

150 0.059 -10.25 17502.12

160 0.061 -6.82 17444.36

170 0.062 -3.41 17356.90

180 0.062 0.00 17318.95

190 0.062 3.40 17356.73

200 0.061 6.82 17444.04

210 0.059 10.25 17501.67

220 0.057 13.68 17397.13

230 0.054 17.06 16948.88

(67)

44

250 0.046 23.27 14154.64

260 0.041 25.79 11412.03

270 0.036 27.68 7631.05

280 0.030 28.73 2866.21

290 0.025 28.76 -2677.33

300 0.019 27.65 -8665.51

310 0.014 25.35 -14684.94

320 0.009 21.91 -20302.65

330 0.005 17.43 -25118.61

340 0.002 12.12 -28801.77

350 0.001 6.21 -31109.46

360 0.000 0.00 -31895.02

370 0.001 -6.21 -31109.51

380 0.002 -12.11 -28801.85

390 0.005 -17.43 -25118.71

400 0.009 -21.90 -20302.74

410 0.014 -25.35 -14684.99

420 0.019 -27.64 -8665.49

430 0.025 -28.75 -2677.21

440 0.030 -28.73 2866.45

450 0.036 -27.68 7631.40

460 0.041 -25.80 11412.47

470 0.046 -23.27 14155.16

480 0.050 -20.30 15941.78

490 0.054 -17.06 16949.46

500 0.057 -13.68 17397.66

510 0.059 -10.25 17502.12

520 0.061 -6.82 17444.36

530 0.062 -3.41 17356.90

540 0.062 0.00 17318.95

550 0.062 3.40 17356.73

560 0.061 6.82 17444.04

570 0.059 10.25 17501.67

580 0.057 13.68 17397.13

590 0.054 17.06 16948.88

600 0.050 20.30 15941.21

610 0.046 23.27 14154.65

620 0.041 25.79 11412.04

630 0.036 27.68 7631.08

640 0.030 28.73 2866.24

650 0.025 28.76 -2677.30

(68)

45

670 0.014 25.35 -14684.91

680 0.009 21.91 -20302.62

690 0.005 17.43 -25118.58

700 0.002 12.12 -28801.75

710 0.001 6.21 -31109.45

720 0.000 0.00 -31895.02

Dari table 4.1 dapat disimpulkan:

Perpindahan piston maksimum (x) : 0.062 m Kecepatan piston maksimum (v) : 28.76 m/s Percepatan piston maksimum (a) : -31895.02 m/s^2

Hasil simulasi pada table 4.1 dapat diplot dalam grafik pada gambar 4.1, 4.2, dan 4.3. Gambar 4.1 menampilkan perpindahan piston selama 7200. Perpindahan maksimum terjadi pada sudut 180 dan 540 yaitu 0.062 m.

(69)

46

Gambar 4.2 Grafik Kecepatan Piston vs Sudut Engkol

(70)

47

4.3Analisa Konsentrasi Gaya-gaya Pada Bantalan dan Pena

[image:70.595.134.493.223.748.2]

Analisa dinamis menghasilkan nilai gaya terkonsentrasi pada pena. Dari hasil simulasi, diperoleh gaya-gaya yang bekerja pada bantalan dan pena dari mekanisme akibat beban dinamis sebagai berikut :

Tabel 4.2 Gaya-gaya pada bantalan dan pena akibat beban dinamis (simulasi)

2

θ

(deg)

F43(N)

pena piston

F23(N)

pena engkol

F12(N)

Main bearing

Torsi (N.m)

0 3587.84 9098.25 3885.86 0.00

10 3435.94 8831.83 4403.77 -37.53

20 3008.52 8095.25 5571.26 -65.05

30 2315.28 6943.42 6903.42 -74.81

40 1394.00 5516.65 8113.15 -63.16

50 403.79 4110.51 9055.49 -31.36

60 1067.14 3368.16 9660.82 14.69

70 2303.07 3931.27 9906.38 66.06

80 3485.18 5321.67 9802.17 113.19

90 4509.39 6845.45 9382.23 148.45

100 5313.55 8187.91 8698.88 167.77

110 5876.48 9236.37 7818.01 170.91

120 6215.52 9976.93 6812.97 160.54

130 6375.16 10449.14 5756.94 140.61

140 6411.77 10716.76 4716.12 115.03

150 6380.29 10846.91 3748.58 86.80

160 6325.95 10897.41 2914.76 57.77

170 6280.87 10910.75 2306.56 28.79

180 6263.79 10912.37 2071.75 0.00

190 6280.83 10910.68 2306.66 -28.79

200 6325.88 10897.27 2914.91 -57.77

210 6380.20 10846.72 3748.72 -86.80

220 6411.66 10716.53 4716.23 -115.03

230 6375.04 10448.89 5757.03 -140.61

240 6215.41 9976.68 6813.04 -160.53

250 5876.37 9236.15 7818.06 -170.91

260 5313.45 8187.73 8698.92 -167.76

270 4509.32 6845.33 9382.27 -148.44

280 3485.13 5321.61 9802.21 -113.18

290 2303.05 3931.25 9906.42 -66.06

(71)

48

310 403.75 4110.41 9055.54 31.35

320 1393.88 5516.42 8113.23 63.15

330 2315.05 6943.00 6903.60 74.80

340 3008.07 8094.44 5571.75 65.04

350 3435.04 8830.22 4405.11 37.52

360 3579.00 9082.39 3901.73 0.00

370 3435.05 8830.26 4405.12 -37.52

380 3008.09 8094.50 5571.75 -65.03

390 2315.08 6943.07 6903.59 -74.80

400 1393.91 5516.50 8113.22 -63.15

410 403.76 4110.46 9055.52 -31.35

420 1067.16 3368.16 9660.83 14.70

430 2303.08 3931.27 9906.38 66.06

440 3485.18 5321.67 9802.17 113.19

450 4509.39 6845.44 9382.23 148.45

460 5313.55 8187.90 8698.89 167.77

470 5876.48 9236.37 7818.02 170.91

480 6215.52 9976.92 6812.98 160.54

490 6375.16 10449.14 5756.95 140.61

500 6411.77 10716.76 4716.12 115.03

510 6380.29 10846.91 3748.59 86.80

520 6325.95 10897.41 2914.77 57.77

530 6280.87 10910.75 2306.56 28.79

540 6263.79 10912.37 2071.75 0.00

550 6280.83 10910.68 2306.66 -28.79

560 6325.88 10897.27 2914.90 -57.77

570 6380.20 10846.72 3748.71 -86.80

580 6411.66 10716.53 4716.23 -115.03

590 6375.04 10448.89 5757.02 -140.61

600 6215.41 9976.68 6813.03 -160.53

610 5876.37 9236.16 7818.05 -170.91

620 5313.46 8187.74 8698.92 -167.76

630 4509.32 6845.33 9382.26 -148.44

640 3485.14 5321.61 9802.21 -113.18

650 2303.06 3931.26 9906.42 -66.06

660 1067.16 3368.14 9660.86 -14.70

670 403.75 4110.40 9055.54 31.35

680 1393.88 5516.41 8113.23 63.15

690 2315.05 6942.99 6903.60 74.80

700 3008.07 8094.43 5571.75 65.04

710 3435.04 8830.22 4405.12 37.52

(72)

49 Dari table 4.2 dapat disimpulkan:

F maksimum pada pena piston (F43) : 6411.77 N F maksimum pada pena engkol (F23) : 10912.37 N F maksimum pada main bearing (F12) : 9906.42 N Torsi maksimum poros engkol (T) : 170.91 N.m

Gambar 4.4 Grafik Torsi Crankshaft vs Sudut Engkol

(73)

50

[image:73.842.33.814.135.433.2]

(74)

(75)

52

4.4Analisa Displacement

Displacement terjadi akibat adanya gaya di main bearing (F12) pada crankshaft sehingga bila dipasangkan pegas pada ujungnya akan menibulkan perpindahan. Perpindahan ini akan terdefinisi dalam dua sumbu axial yaitu x dan y. Pada sub-sub ini akan ditampilkan harga-harga perpindahan, kecepatan dan percepatan pada piston serta nilai gaya pada main bearing dan perpindahan pada crankshaft dengan memvariasikan nilai kekakuan pegas (k).

[image:75.595.114.563.343.752.2]

4.4.1 Menggunakan pegas dengan k = 1x10E7 N/m

Tabel 4.3 Posisi, kecepatan, percepatan, gaya & displacement

dengan k=1x10E7 N/m (simulasi)

2

θ x v a F12

(Main Bearing)

x

(crankshaft)

Deg. m m/s m/s^2 Newton Sumbu x(m) Sumbu y(m)

0 0.000 0.00 -33601.24 0.00 0.00E+00 0.00E+00

10 0.001 -6.37 -32252.55 312.73 -7.12E-06 -2.94E-05 20 0.002 -12.28 -28890.09 591.56 -4.36E-05 -1.09E-04 30 0.005 -17.40 -24183.85 793.27 -1.22E-04 -2.18E-04 40 0.009 -21.55 -18865.34 871.16 -2.37E-04 -3.33E-04 50 0.013 -24.66 -13475.34 800.80 -3.70E-04 -4.26E-04 60 0.018 -26.75 -8310.40 600.63 -4.94E-04 -4.81E-04 70 0.024 -27.88 -3483.40 355.26 -5.84E-04 -4.88E-04 80 0.029 -28.12 984.24 305.83 -6.22E-04 -4.50E-04 90 0.034 -27.53 5086.22 490.17 -6.05E-04 -3.77E-04 100 0.040 -26.19 8787.47 637.18 -5.41E-04 -2.88E-04 110 0.045 -24.18 12015.33 666.88 -4.50E-04 -1.99E-04 120 0.049 -21.60 14682.51 581.65 -3.54E-04 -1.24E-04 130 0.053 -18.57 16728.66 422.87 -2.73E-04 -6.92E-05 140 0.056 -15.20 18156.64 253.29 -2.20E-04 -3.20E-05 150 0.059 -11.62 19040.95 145.70 -1.95E-04 -5.44E-06 160 0.060 -7.90 19503.18 137.73 -1.87E-04 1.91E-05 170 0.062 -4.13 19670.09 179.72 -1.79E-04 4.77E-05 180 0.062 -0.34 19636.48 276.80 -1.53E-04 8.07E-05 190 0.062 3.42 19446.55 424.43 -9.41E-05 1.13E-04

200 0.061 7.13 19093.94 578.31 9.05E-08 1.33E-04

(76)

53

240 0.050 20.58 14888.54 693.84 4.84E-04 -6.66E-05 250 0.046 23.25 12773.02 633.47 5.38E-04 -1.81E-04 260 0.041 25.46 10101.46 578.50 5.44E-04 -2.97E-04 270 0.036 27.10 6823.53 522.66 5.06E-04 -3.95E-04 280 0.031 28.05 2902.27 453.58 4.39E-04 -4.61E-04 290 0.025 28.18 -1671.01 383.29 3.63E-04 -4.84E-04 300 0.020 27.37 -6847.57 358.76 2.97E-04 -4.63E-04 310 0.015 25.51 -12479.13 400.87 2.55E-04 -4.05E-04 320 0.010 22.55 -18272.24 450.08 2.40E-04 -3.25E-04 330 0.006 18.50 -23761.90 436.27 2.46E-04 -2.38E-04 340 0.003 13.46 -28343