KARYA AKHIR
PENGUJIAN VIBRASI PADA MOTOR BAKAR DIESEL
UNTUK CONDITION MONITORING DAN
PREDICTIVE MAINTENANCE
UNTUK MEMENUHI PERSYARATAN MEMPEROLEH GELAR SARJANA SAINS TERAPAN
Disusun Oleh:
M. SYAWAL TANJUNG
NIM : 025202011
PROGRAM STUDI TEKNOLOGI MEKANIK INDUSTRI
P R O G R A M D I P L O M A I V
F A K U L T A S T E K N I K
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan
karunia-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan karya akhir ini.
Karya akhir ini merupakan salah satu persyaratan guna menyelesaikan
pendidikan pada Departemen Teknik Mesin USU Jurusan Teknologi Mekanik
Industri Program Studi Diploma-IV. Adapun judul Karya Akhir ini adalah
“Analisis Sinyal Getaran Pada Penyangga Mesin Motor Bakar Diesel Dengan Variasi Beban”.
Dalam penyelesaian karya akhir 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 Samsul Bahri Tanjung dan Ibunda Hasmida Siregar, kakakku
tercinta Chica Maryani Tanjung, serta adikku tersayang Juliana Sari
tanjung dan M. Rizky Fahrizal Tanjung, terima kasih ananda haturkan
atas segala cinta dan kasihnya yang telah memberikan dukungan moril dan
materil serta do’anya demi kesuksesan ananda, juga ucapan terima kasih
kepada seluruh keluarga penulis.
2. Bapak Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Dosen Pembimbing Karya
Akhir yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, nasehat, sumber
inspirasi dan pelajaran berharga yang tidak hanya selama proses
4. Bapak Ir. Alfian Hamsi, MSc, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc, selaku kordinator Program Studi
Diploma-IV.
6. Seluruh Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan
kepada penulis hingga akhir studi.
7. Seluruh Pegawai dan Asisten Laboratorium Pada Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara atas bimbingan,
bantuan, kesempatan, dan dukungan selama ini.
8. Bapak Ir. Budi Priyanto, MM. Dan Bapak Ir. Endy Jusman, yang telah
menjadi tempat bertanya penulis di dunia maya.
9. Ir. Roni, Bang David, SH., Bang Benny, Amd. Mereka teman sekaligus
penasehat terbaik.
8. Seluruh teman-teman mahasiswa Jurusan Teknologi Mekanik Industri
USU, khususnya 2002, serta anggota “Research Center for Noise Control
and Knowledge-Based”, Irul, Eko dan M. Reza, Efrianda, Joy, Putra,
Daud, dan tentunya mereka merupakan rekan diskusi yang hebat sekalipun
sudah alumni, my bro M. Hamdani, dan yang terakhir salut penulis kepada
Vicka Astrianda yang manis yang selalu tersenyum merupakan ekspresi
keoptimisan yang selalu siap membantu apapun kapanpun dan dimanapun
penulis perlukan termasuk dalam penyelesaian penulisan Karya Akhir ini.
9. Semua pihak yang telah mendukung dalam menyelesaikan Karya Akhir ini
Arun” (Pak Budi, Abu Madi, Izal, Deki, dan Dedi) u are my best bro,
special thanks for bro yang tergabung dalam “Kamboja FC”.
Akhir kata semoga Karya Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua
dan dapat dilanjutkan oleh rekan-rekan mahasiswa lain.
Medan, November 2007
DAFTAR ISI
Hal:
KATA PENGANTAR i
DAFTAR ISI iii
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR LAMPIRAN xiv
DAFTAR NOTASI xv
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1. LATAR BELAKANG 1
1.2. TUJUAN DAN MANFAAT 3
1.3. BATASAN MASALAH 5
1.4. METODOLOGI 5
1.5. SISTEMATIKA PENULISAN 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 9
2.1. KLASIFIKASI POMPA 9
2.2. MOTOR BAKAR DIESEL 12
2.3. PARAMETER PENENTU PRESTASI MOTOR
BAKAR DIESEL 13
2.3.1. Torsi dan Daya 13
2.3.2. Konsumsi bahan bakar spesifik ( sfc) 14
2.3.3. Perbandingan udara bahan bakar (AFR) 15
2.3.5. Effisiensi thermal brake 16
2.3.6. Timing Penyemprotan Bahan Bakar 17
2.4.BAHAN BAKAR DIESEL 18
2.5.PEMBAKARAN PADA MOTOR BAKAR DIESEL 21
2.6.GRAFIK PRESTASI 22
2.7.GETARAN MEKANIS 23
2.7.1. Gerak Harmonik 23
2.7.2. Getaran Bebas 25
2.7.3. Persamaan Gerakan 26
2.7.4. Getaran Paksa 28
2.7.5. Getaran Torsi 34
2.8.GETARAN PADA MESIN 36
2.9. PENGOLAHAN DATA VIBRASI 39
2.9.1. Data Domain Waktu (Time Domain) 39
2.9.2. Data Domain Frekuency (Frekuency domain) 40
BAB III PENGUKURAN VIBRASI, SPESIMEN & ALAT PENDUKUNG
YANG DIGUNAKAN 42
3.1. PENENTUAN KONDISI PENGUKURAN 42
3.1.1.Motor Diesel 42
3.1.2. Dynamometer 43
3.1.3.Alat Instrumen Pendukung 43
3.1.4. Spesifikasi Vibrometer 44
3.2. PENENTUAN POSISI DAN TITIK PENGUKURAN 46
3.3.1. Persiapan Tabel Data Pengukuran Vibrasi 48
3.3.2. Setting Instrumen 49
3.3.3. Prosedur Pengukuran Sinyal Vibrasi 49
BAB IV ANALISA DATA HASIL PENGUKURAN 53
4.1. PENGUKURAN PADA POINT-01 55
4.1.1. Hasil Pengukuran Pada Putaran 1500 rpm 55
4.1.2. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2000 rpm 59
4.1.3. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2500 rpm 62
4.2. PENGUKURAN PADA POINT-02 65
4.2.1. Hasil Pengukuran Pada Putaran 1500 rpm 65
4.2.2. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2000 rpm 68
4.2.3. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2500 rpm 71
4.3. PENGUKURAN PADA POINT-03 74
4.3.1. Hasil Pengukuran Pada Putaran 1500 rpm 75
4.3.2. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2000 rpm 77
4.3.3. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2500 rpm 80
4.4. PENGUKURAN PADA POINT-04 83
4.4.1. Hasil Pengukuran Pada Putaran 1500 rpm 84
4.4.2. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2000 rpm 87
4.4.3. Hasil Pengukuran Pada Putaran 2500 rpm 90
4.5. PERUBAHAN AMPLITUDO 93
4.6. HUBUNGAN FREKUENSI TERHADAP SIMPANGAN 94
4.7. HUBUNGAN FREKUENSI TERHADAP KECEPATAN 97
4.9. PERHITUNGAN GETARAN PADA SISTEM 104
4.10.REKAPITULASI HASIL 108
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 111
5.1. KESIMPULAN 111
5.2. SARAN 113
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan teknologi sebagai pendukung kelengkapan sistem
trasportasi menjadi suatu hal tersendiri dalam penyempurnaan dan pendesainan
mesin diesel agar menjadi lebih baik serta inovatif di dalam kemajuan yang
berkenaan dengan sistem pendukung transportasi. Kemajuan ini juga akan
memperpanjang umur ekonomis mesin diesel maupun kehandalan mesin diesel
dalam operasinya dengan mempertimbangkan perancangan dari fondasi mesin
(machine foundation) diesel tersebut, yang di dukung oleh kondisi profil
machine-based sebagai faktor terintegrasi dengan kondisi vibrasi pada saat mesin
beroperasi, terkhusus disini kepada tipe fondasi mesin yang dipasangkan kepada
poros mesin diesel itu sendiri di duga mempengaruhi karakteristik vibrasi yang
ditimbulkan mesin diesel, dimana hal ini juga menjadi sebuah kontroversi yang
timbul dilapangan bahwa vibrasi yang terjadi pada mesin diesel sering dijadikan
penyebab utama dari ketidakstabilan kendaraan yang mengunakan mesin diesel.
Sementara itu vibrasi pada mesin diesel yang tidak tepat dapat
mengakibatkan gelombang elastis pada seluruh komponen mesin diesel, hal itu
sendiri juga bisa merambat pada struktur bodi kendaraan dan juga menimbulkan
efek merugikan yang terjadi di dalam kenyamanan pengendaranya. Jangkauan
efek lainnya juga menimbulkan gangguan serius pada kondisi kerja peralatan yang
sensitif, bahkan dapat menimbulkan kerusakan struktur disekitarnya. Oleh karena
diperlukan suatu tindakan penelitian agar dapat meminimalisir itu semua dan juga
dapat memberikan suatu kontribusi kepada industri tentang perawatan yang lebih
baik diantara beberapa jenis yang perawatan mesin yang kita ketahui sering
dipakai pada umumnya untuk dapat lebih memperpanjang umur pakai mesin
diesel itu sebanyak satu tingkat. Dalam hal ini peneliti menggunakan mesin diesel
yang ada pada laboratorium motor bakar dengan memprediksikan adanya vibrasi
disekeliling konstruksi landasan mesin, struktur, maupun kelengkapannya.
Prinsip-prinsip vibrasi sebagai prinsip dasar dalam meneliti mesin diesel
yang cocok untuk landasan pada mesin diesel standart ini merupakan prinsip
analisis yang paling sesuai namun masih langka dijadikan sebagai parameter
untuk melihat kinerja mesin secara optimum dengan umur pakai yang lebih lama,
mengingat sebuah prinsip bahwa mesin yang menghasilkan momen poros yang
besar memberikan momen reaksi yang sama besar pada landasan mesin, misalnya
pada chasis atau badan kendaraan bermotor, atau pada lantai untuk mesin
stasioner. Setiap mesin atau hal apapun yang telah melakukan gerakan dinamis
dengan frekuensi dan waktu tertentu maka bisa dipastikan pada mesin atau benda
itu akan terjadi vibrasi, besar-kecilnya vibrasi yang timbul pada sebuah sistem
sangat mempengaruhi kelayakan, kinerja optimum dan umur pakai dari sistem itu
sendiri. Hal inilah yang menjadi latar belakang mengapa penulis melakukan riset
1.2. Tujuan dan Manfaat
Penulisan karya akhir ini dilaksanakan untuk beberapa tujuan dan manfaat
yang ingin dicapai setelah terlaksana dan dilaluinya tahapan-tahapan yang ada
dengan baik.
1.2.1. Tujuan A. Tujuan Umum
1. Melakukan pengujian Vibrasi pada motor bakar diesel untuk
memonitor kondisi dan perilaku predictive maintenance.
B. Tujuan Khusus
1. Mampu menggunakan Vibrometer untuk mengukur dan
mengidentifikasi sinyal vibrasi pada landasan mesin pada mesin
diesel.
2. Mampu memahami makna grafis hasil pengukuran sinyal vibrasi
setiap dilakukan pengukuran.
3. Mampu menginterpretasikan makna grafik hasil pengolahan dari data
hasil pengukuran sinyal vibrasi yang telah dilakukan pada objek
pengukuran.
4. Dapat memberikan solusi kepada industri tentang pemilihan
perawatan (maintenance) yang lebih baik diantara beberapa
perawatan (maintenance) yang sering dipakai pada umumnya untuk
5. Diperolehnya karakteristik getaran dan kondisi kerja mesin diesel
yang optimum berdasarkan sinyal getaran yang ditimbulkan mesin
diesel yang terjadi pada landasan mesinnya..
6. Diketahuinya perbandingan pengaruh dan perilaku vibrasi dari
penggunaan landasan mesin terhadap kinerja mesin diesel.
7. Diperolehnya verifikasi data antara hasil pengukuran dan analisa
teoritis getaran mekanis.
8. Diketahuinya pengaruh dan prilaku vibrasi sehubungan dengan
alternatif solusi (berupa tindakan praktis/sederhana) dengan
melakukan pemilihan serta pemakaian yang tepat.
9. Dapat memberikan masukan bagi pihak industri yang menggunakan.
1.2.2. Manfaat
Ada beberapa manfaat yang ingin dicapai dari sistem mesin diesel ini,
antara lain:
1. Sehubungan dengan predictive maintenance, sinyal vibrasi dapat
dimanfaatkan untuk mendeteksi dan memantau kondisi mesin
(condition monitoring), terutama pada sistem mesin diesel.
2. Hasil (result) dari respon sinyal vibrasi dapat diolah sehingga
mampu memberikan informasi perkembangan mesin dan dianalisis
1.3. Batasan Masalah
Mesin diesel ini dibaut pada base plate baja, dimana base plate ini
disatukan antara mesin diesel dan torsion bar yang dihubungkan dengan sebuah
propeller, mesin ini direncanakan akan dioperasikan pada putaran 2000 rpm,
dengan pembebanan yang bervariasi, yaitu 5 kg, 10 kg dan 15 kg.
Pengukuran vibrasi pada alat pengujian ini hanya akan dilakukan pada
landasan mesin. Selanjutnya akan dilakukan penyelidikan kondisi vibrasinya
dengan mengatur putaran dan pembebanan. Pada saat percobaan dilakukan pada
variabel putaran mesin, pembebanan yang diberikan akan tetap yaitu 5 kg. Dan
untuk variabel pembebanan yang bervariasi digunakan putaran yang tetap 2000
rpm. Hal ini dilakukan agar mendapat bentuk karakteristik vibrasi pada mesin
diesel tersebut.
Sementara itu, untuk analisa secara teoritis system yang dianalisis dibatasi
hanya sampai kepada landasan mesin, yang mengalami pembebanan arah aksial
akibat putaran mesin diesel.
1.4. Metodologi
Metodologi yang digunakan dalam meneliti landasan mesin untuk instalasi
mesin diesel, secara garis besar adalah sebagai berikut :
1. Penentuan titik-titik pengukuran pada base plate Mesin diesel, dalam hal
ini diambil empat titik yang selanjutnya disebut titik P-01 dan P-02, P-03,
P-04. Penentuan arah-arah (directions) pengukuran respon sinyal vibrasi
yang akan dilakukan terhadap base plate, yakni arah aksial, vertikal dan
2. Melakukan setting Vibrometer sebagai instrumen pengukur sebelum
melakukan pengukuran terhadap respon sinyal vibrasi pada base plate.
3. Penentuan kondisi pengukuran terhadap perubahan kecepatan putaran
dengan mengatur kondisi trhotle valve dan pembebanan dengan mengatur
control pembebanan yang ada pada motor diesel.
4. Pengambilan/pencatatan data hasil pengukuran pada tabel yang sudah
ditentukan formatnya.
5. Pengolahan data hasil pengukuran dalam bentuk grafik dengan software
pengolah data untuk selanjutnya menginterpretasikan makna grafik yang
ditampilkan mengenai kondisi sinyal vibrasi hasil pengukuran vibrasi pada
base plate.
6. Melakukan analisa secara teoritis system motor diesel yang selanjutnya
akan dibandingkan dengan data hasil pengukuran.
1.5. Sistematika Penulisan
Karya akhir ini ditulis dalam enam bab, dimana untuk setiap babnya dibagi
dalam beberapa sub-bab. Pendahuluan berada dalam bab I yang menjelaskan latar
belakang, tujuan yang ingin dicapai, batasan masalah, metodologi, sistematika
penulisan dan diagram alir penelitian dalam tugas karya akhir ini. Pada bab II
dijabarkan beberapa landasan teori yang praktis dan aplikatif tentang kinerja
motor diesel, transmisi daya dan penumpu mesin, dan teknik-teknik pengukuran
vibrasi dengan analisis data frequency domain dan time domain. Bab III berisikan
tentang pengukuran vibrasi, alat dan bahan pendukung motor diesel, bab ini
sinyal vibrasi pada motor diesel. Pada bab IV analisa data hasil pengukuran
dengan melakukan interpretasi grafik dari tabulasi data vibrasi yang sudah
direkapitulasikan dan dilengkapi dengan perhitungan amplitudo untuk tiap-tiap
kondisi pengukuran. Pada bab V analisa teoritis getaran mekanis dimana hasilnya
akan dibandingkan dengan data hasil pengukuran yang diperoleh. Kesimpulan dan
saran terhadap interprestasi yang dilakukan pada kondisi vibrasi yang terjadi
- Motor Diesel - Landasan mesin
DIESEL ENGINE
- Displacement - Velocity - Acceleration
Opsi Pengukuran Vibrasi
- Tabulasi Hasil Pengukuran - Pengolahan Grafis dengan
Software Pengolah Data
Data Vibrasi
- Interpretasi Kondisi Vibrasi - Kesimpulan
- Rekomendasi
Lokasi Titik Pengukuran
- Base Plate Motor Diesel
Arah Pengukuran
- Vertikal - Aksial - Horizontal
Konfigurasi Pengukuran
- Titik-titik yang Dianggap Penting
- Komponen Titik-titik yang Diamati
- Arah vertikal, Aksial, dan Horizontal
Instrumentasi
Vibrometer Analog, VM-3314A, Buatan IMC Corporation, Japan. - Point ; P-01 & P-02,P-03,
P-04
Karakteristik Vibrasi
- Setting Vibrometer - Frequency Domain
Prosedur Pengukuran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Peranan motor bakar dalam kehidupan sehari-hari semakin meningkat
dewasa ini mengakibatkan cara-cara perawatan mesin secara konvensional
menjadi tidak memadai lagi. Tuntutan akan keadaaan yang semakin tinggi
terhadap motor-motor tersebut agar selalu siap dipakai dan tidak mengalami
kerusakan pada saat digunakan memerlukan cara perawatan yang dapat
mengantaisipasi kemungkinan terjadinya kegagalan dikemudian hari. Salah satu
cara perawatan yang lebih efektif dan efesien ialah perawatan prediktif berdasar
pemantauan kesehatan mesin berbasis analisa sinyal getaran. Untuk menerapkan
cara perawatan ini perlu dikenali ciri sinyal getaran yang dibangkitkan oleh
komponen makanik mesin diesel, terutama crank train (engkol, batang hubung,
piston) dan valve train, baik dalam keadaan normal maupun yang dalam keadaan
tidak normal atau rusak. Dengan demikian, hasil analisis sinyal getaran dapat
dipakai untuk melakukan diagnosis dan prediksi.
Getaran yang terjadi pada mesin dibangkitkan oleh berbagai komponen
dan proses yang terjadi didalam nya dan berpengaruh terhadap beban yang
diterima oleh mesin itu sendiri. Getaran yang terjadi dari berbagai sumber tersebut
akan bergabung menjadi satu pada alat ukur nya.
2.1. Klasifikasi Dari Motor Bakar Torak
Pada motor bakar torak tidak terdapat proses perpindahan kalor dari gas
sedikit daripada komponen mesin uap.Motor bakar torak lebih sederhana, lebih
kompak, dan lebih ringan bila dibandingkan dengan mesin uap. Karena itu pula
penggunaan motor bakar torak di bidang transportasi sangat menguntungkan.
Disamping itu temperatur seluruh bagian mesinnya jauh lebih rendah dari pada
temperatur gas pembakaran yang maksimum sehingga motor bakar torak lebih
efisien daripada mesin uap. Namun demikian hal itu bukan berarti mesin uap tidak
memiliki kelebihannya sendiri.
Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis utama yaitu motor bakar
bensin dan motor bakar diesel. Perbedaan yang utama dari kedua mesin tersebut
terletak pada system penyalaannya, dimana bahan bakar pada motor bakar bensin
dinyalakan oleh loncatan api listrik diantara kedua elektroda busi (Spark Ignition
Engine). Didalam motor diesel, yang biasa juga disebut Compression Ignition
Engines, terjadi proses penyalaan sendiri, yaitu karena bahan bakar disemprotkan
ke dalam silinder berisi udara yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Bahan
bakar tersebut terbakar sendiri oleh udara, yang mengandung 21% volume O2,
setelah temperatur campuran melampaui temperature nyala bahan bakar.
Tabel 2.1 Beberapa ukuran pembanding antara motor bakar bensin dan solar
Parameter Motor Bensin Motor Diesel
Daya efektif, Ne (PS) 1,5 – 1500 - 40000
Kecepatan poros (rpm) 2500 – 14500 110 – 4200
Perbandingan kompresi, r 6 -12 12 – 25
Tekanan efektif rata-rata
Pe rata-rata (kg/PS)
Pemakaian bahan bakar
spesifik, Be (kg/PS.jam)
0,200 – 0,220 0,140 – 0,180
Diameter silinder, D (mm) 25 – 165 80 – 1050
Kecepatan torak rata-rata,
c (m/detik)
7 – 22 5 – 15
Berat mesin, kg/PS 0,30 – 2,50 2,75 – 33,50
Efesiensi mekanik, m 0,70 – 0,85 0,70 – 0,90
Sumber : W. Arismunandar, Motor Bakar Torak halaman 36
Motor bakar torak juga dapat digolongkan berdasarakan susunan silinder
(a) (b)
Gambar2.2 Siklus 2 langkah dan siklus 4 langkah
Motor bakar torak juga dapat diklasifikasikan berdasarkan siklus kerja dari
torak(piston) yaitu siklus 4 langkah dan siklus 2 langkah. Dimana siklus 4 langkah
bekerja dengan mengerakan torak sebnyak dua kali putaran poros engkol akan
mengahasilkan satu kali langkah usaha. Sedangkan siklus 2 langkah bekerja
dengan siklus dua kali jumlah siklus motor 4-langkah,untuk putaran yang sama.
Karena itu pada putaran poros dan ukuran serta jumlah silinder yang sama, motor
2- langkah dapat menghasilkan daya 2 kali daya motor 4-langkah dengan tekanan
efektif rata-rata yang sama.
2.2. Motor Bakar Diesel
Mesin diesel adalah jenis khusus dari mesin pembakaran dalam.
Karakteristik utama dari mesin diesel yang membedakannya dari motor bakar
yang lain terletak pada metode penyalaan bahan bakarnya. Dalam mesin diesel
bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder yang berisi udara bertekanan tinggi.
sehingga ketika bahan bakar yang berbentuk kabut halus bersinggungan dengan
udara panas ini, maka bahan bakar akan menyala dengan sendirinya tanpa bantuan
alat penyala lain. Karena alasan ini mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompresi
(Compression Ignition Engines).
Gambar 2.3 Assymbling motor diesel
2.3. Paramater Penentu Prestasi Motor Diesel 2.3.1. Torsi dan daya
Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan
dynamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat
dynamometer yang bertindak seolah–olah seperti sebuah rem dalam sebuah
mesin, maka daya yang dihasilkan poros output ini sering disebut sebagai daya
rem (Brake Power).
B
P = n T
60 . . 2
dimana : PB = Daya keluaran (Watt).
N = Putaran mesin (rpm).
T = Torsi (N.m).
2.3.2. Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption, sfc)
Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang
berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan
mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam
satuan kg/jam, maka :
Sfc =
B f
P x
m 3
.
10
... (2.2)
dimana : Sfc = konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h).
= laju aliran bahan bakar (kg/jam).
.
f m
Besarnya laju aliran massa bahan bakar ( ) dihitung dengan persamaan
berikut :
.
f m
3600 10
.
. 3
x t
V sg m
f f f f
... (2.3)
dimana : sgf = spesific gravity (dari tabel 2.1).
Vf = volume bahan bakar yang diuji (dalam hal ini 100 ml).
f
t = waktu untuk menghabiskan bahan bakar sebanyak volume uji
2.3.3. Perbandingan udara bahan bakar (AFR)
Untuk memperoleh pembakaran sempurna, bahan bakar harus dicampur
dengan udara dengan perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini
disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR), yang dirumuskan sebagai berikut :
AFR =
. .
f a
m m
... (2.4)
dengan : ma = laju aliran masa udara (kg/jam).
Besarnya laju aliran massa udara (ma) juga dapat diketahui dengan
membandingkan hasil pembacaan manometer terhadap kurva viscous flow meter
calibration. kurva kalibrasi ini dikondisikan untuk pengujian pada tekanan udara
1013 mb dan temperatur 20 0C, oleh karena itu besarnya laju aliran udara yang
diperoleh harus dikalikan dengan faktor koreksi (Cf) berikut :
f
C = 3564 x Pa x
5 , 2
) 114 (
a a
T
T
…….. (2.5)
Dimana : Pa = tekanan udara (Pa)
Ta = temperatur udara (K)
2.3.4. Effisiensi volumetris
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi
isapnya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isapnya, maka
itu merupakan sesuatu yang ideal. Namun hal itu tidak terjadi dalam keadaan
sebenarnya, dimana massa udara yang dapat dialirkan selalu lebih sedikit dari
perhitungan teoritisnya. Penyebabnya antara lain tekanan yang hilang (losses)
memasuki silinder mesin. Efisiensi volumetrik (v) dirumuskan dengan
persamaan berikut :
v =
rak langkah to olume
sebanyak v udara
Berat
terisap yang
segar udara Berat
... (2.6)
Berat udara segar yang terisap =
n ma 2 . 60
.
... (2.7)
Berat udara sebanyak langkah torak = a. Vs... (2.8)
Dengan mensubstitusikan persamaan diatas, maka besarnya effisiensi
volumetris :
v =
n ma
. 60
. 2
.
.
s a.V
1
... (2.9)
dengan : a = kerapatan udara (kg/m3)
s
V = volume langkah torak = 230 x 10-6 (m3). [spesifikasi mesin]
Diasumsikan udara sebagai gas ideal, sehingga massa jenis udara dapat
diperoleh dari persamaan berikut :
a =
a a T R
P
. ………… (2.10)
Dimana : R = konstanta gas (untuk udara = 287 J/ kg.K)
2.3.5. Effisiensi thermal brake
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang
dibangkitkan piston karena sejumlah energi hilang akibat adanya rugi–rugi
maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar.
Efisiensi ini sering disebut sebagai efisiensi termal brake (brake thermal
efficiency, b).
b =
masuk yang
panas Laju
aktual keluaran Daya
...(2.11)
Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut :
Q = . LHV ...(2.12)
.
f m
dimana, LHV = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
Jika daya keluaran ( ) dalam satuan kW, laju aliran bahan bakar dalam
satuan kg/jam, maka :
B P
.
f m
b =
LHV m
P
f B
.
. . 3600 ...(2.13)
2.3.6. Timing Penyemprotan Bahan Bakar
Timing penyemprotan sangat berpengaruh pada kualitas pembakaran.
Sudut penyemprotan yang semakin awal akan menyebabkan laju kenaikan
tekanan pembakaran semakin cepat, hal ini membuat semakin awal sudut
penyemprotan semakin tinggi tekanan pembakaran dalam silinder.Jika timing
penyemprotan terlambat, maka waktu yang dibutuhkan bahan bakar untuk
terbakar menjadi sempit, bahan bakar dapat terbakar di knalpot atau saluran
exhaust, hal ini yang sering menyebabkan pipa exhaust membara karena tinggi
prestasi motor diesel.Gambar 1 menunjukkan profil pembakaran dalam ruang
bakar pada beberapa sudut penyemprotan.
Keterangan Gambar 1
BTC : Before Top Death Centre (sebelum TMA)
ATC : After Top Death Centre (sesudah TMA)
Gambar 2.4 Profil Tekanan Pembakaran Pada Berbagai Sudut Penyemprotan
2.4. Bahan Bakar Diesel
Penggolongan bahan bakar mesin diesel berdasarkan jenis putaran
mesinnya, dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu :
ini yang biasa disebut sebagai bahan bakar diesel yang biasanya digunakan untuk
kendaraan bermotor.
2. Industrial Diesel Oil, yaitu bahan bakar yang digunakan untuk mesin-mesin yang mempunyai putaran mesin kurang atau sama dengan 1000 rpm, biasanya
digunakan untuk mesin-mesin industri. Bahan bakar jenis ini disebut minyak
diesel.
Di Indonesia, bahan bakar untuk kenderaan motor jenis diesel umumnya
menggunakan solar yang diproduksi oleh PT. PERTAMINA dengan karakteristik
seperti pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Karakteristik mutu solar
L I M I T S TEST METHODS NO P R O P E R T I E S
Min Max I P A S T M
1. Specific Grafity 60/60 0C 0.82 0.87 D-1298
2. Color astm - 3.0 D-1500
3. Centane Number or
Alternatively calculated Centane
Index
45
48
-
-
D-613
4. Viscosity Kinematic at 100 0C cST
or Viscosity SSU at 100 0C secs
1.6
35
5.8
45
D-88
5. Pour Point 0C - 65 D-97
6. Sulphur strip % wt - 0.5
D-1551/1552
8. Condradson Carbon Residue %wt - 0.1 D-189
9. Water Content % wt - 0.01 D-482
10. Sediment % wt - No.0.01 D-473
11. Ash Content % wt - 0.01 D-482
12. Neutralization Value :
- Strong Acid Number mgKOH/gr
-Total Acid Number mgKOH/gr
-
-
Nil
0.6
13. Flash Point P.M.c.c 0F 150 - D-93
14. Distillation :
- Recovery at 300 0C % vol 40 - D-86
2.5 Pembakaran Pada Motor Bakar Diesel
Pembakaran adalah reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar
setelah dinyalakan dan digabungkan dengan oksigen akan menimbulkan panas
sehingga menaikkan suhu dan tekanan gas. Elemen mampu bakar (combustable)
yang utama adalah karbon (C) dan hidrogen (H), elemen mampu bakar yang lain
namun umumnya hanya sedikit terkandung dalam bahan bakar adalah sulfur (S).
Oksigen yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan
campuran dari oksigen dan nitrogen.
Nitrogen (N) adalah gas lembam dan tidak berpartisipasi dalam
pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan
menjadi elemen komponennya yaitu hidrogen dan karbon dan masing-masing
bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah. Hidrogen bergabung dengan
oksigen untuk membentuk air dan karbon bergabung dengan oksigen menjadi
karbon dioksida. Jika oksigen yang tersedia tidak cukup, maka sebagian dari
karbon akan bergabung dengan oksigen dalam bentuk karbon monoksida.
Proses pembakaran dalam silinder juga terjadi secara berangsur–angsur,
dimana awal proses pembakaran terjadi relatif pada temperatur yang lebih rendah
dan laju pembakarannyapun akan semakin lama akan bertambah cepat. Hal itu
disebabkan pembakaran berikutnya terjadi pada temperatur yang lebih tinggi.
2.6. Getaran Mekanis
Sistem teknik mengandung massa dan elastisitas yang mampu bergerak
secara relatif. Apabila gerakan sistem berulang dalam interval waktu tertentu
getaran merupakan bentuk energi sisa dan pada berbagai kasus tidak diinginkan.
Khususnya pada mesin-mesin; karena getaran menimbulkan bunyi, merusak
bagian mesin dan memindahkan gaya yang tidak diinginkan dan menggerakkan
benda yang didekatnya.
2.6.1. Gerak harmonik
Gerak osilasi dapat berulang secara teratur dan dapat juga sangat tidak
teratur. Jika gerak tersebut berulang dengan selang waktu yang sama , maka
gerak disebut gerak periodik. Waktu pengulangan disebut perioda osilasi, dan
kebalikannya, f = 1/, disebut frekuensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi
waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x(t + ).
Bentuk gerak periodik yang paling sederhana adalah gerak harmonik. Gerak
harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar
dengan kecepatan tetap kepada suatu garis lurus, seperti terlihat pada gambar 2.6.
Dengan kecepatan sudut garis op sebesar , perpindahan simpangan x dapat
ditulis sebagai :
Gambar 2.6 Gerak harmonik sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak pada
lingkaran. A
A sin t
t x
P
A
= t O
2π
Besarnya biasanya diukur dalam radian/detik dan disebut frekuensi
lingkaran. Karena gerak berulang dalam 2 radian, maka didapatkan hubungan:
f
2 2 ... (2.5)
Dengan dan f adalah perioda dan frekuensi gerak harmonik, biasanya diukur
dalam detik dan siklus per detik. Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat
diperoleh secara mudah dengan diferensiasi persamaan 2.6, dengan menggunakan
notasi titik untuk turunannya maka didapat :
2 sin
cos
A t A t
x ...(2.6)
A t A t
x 2 sin 2 sin
... (2.7)
Kecepatan dan percepatan juga harmonik dengan frekuensi osilasi yang
sama, tetapi mendahului simpangan berturut-turut dengan /2 dan radian.
Gambar 2.8 menunujukkan baik perubahan waktu maupun hubungan fasa vektor
antara simpangan, kecepatan dan percepatan pada gerak harmonik.
x x2
sehingga dalam gerak hrmonik, 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.
x
t
.
x
t
..
x
[image:32.595.113.524.221.459.2]t
Gambar 2.7 Dalam gerak harmonik, kecepatan dan percepatan mendahului
simpangan dengan /2 dan . x
2.6.2. Getaran Bebas
Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang
ada dalam sistem itu sendiri (inherent), dan jika tidak ada gaya luar yang bekerja.
Sistem yang bergetar bebas akan bergetar pada satu atau lebih frekuensi
naturalnya, yang merupakan sifat sistem dinamika yang dibentuk oleh distribusi
2.6.3. Persamaan Gerakan
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 2.9, perubahan bentuk pegas pada posisi
kesetimbangan statik adalah Δ, dan gaya pegas kΔ adalah sama dengan gaya
gravitasi w yang bekerja pada massa m :
kΔ = w = mg ... (2.9)
dengan mengukur simpangan x dari posisi kesetimbangan statik, maka gaya-gaya
yang bekerja pada m adalah k(Δ + x) dan w. dengan x yang dipilih positif dalam
arah ke bawah, semua besaran (gaya, kecepatan, dan percepatan) juga positif
Posisi keseimbangan statik
Posisi tanpa
peregangan Δ
kΔ
m m
w
x
k (Δ + x)
w
.. .
x
x k
[image:34.595.123.508.87.309.2]m
Gambar 2.8 Sistem pegas massa dan diagram benda bebas
Sekarang hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m
)
( x
k w F x
m ... (2.10)
Karena kΔ = w, diperoleh
kx x
m ... (2.11)
Persamaan 2.11 dapat dibentuk menjadi
m k x x
... (2.12)
Persamaan 2.12 identik dengan persamaan 2.8, maka diperoleh frekuensi natural
n dalam bentuk kecepatan sudut, yaitu:
m k
n
2
selanjutnya
m k n
Perioda natural osilasi dibentuk dari n τ = 2π, atau
m k
2 ... (2.14)
Dan frekuensi naturalnya adalah
k m fn
2
1 1
... (2.15)
2.6.4. Getaran Paksa
Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar [F(t) = Fo sin t atau
Fo cos t] disebut getaran paksa. Jika rangsangan tersebut berosilasi, maka sistem
dipaksa untuk bergetar pada frekuensi rangsangan. Jika frekuensi rangsangan
sama dengan salah satu frekuensi natural sistem, maka akan didapat keadaan
resonansi, dan osilasi besar yang berbahaya mungkin terjadi. Kerusakan pada
struktur besar seperti jembatan, gedung atau sayap pesawat terbang, merupakan
kejadian menakutkan yang disebabkan resonansi. Jadi, perhitungan frekuensi
natural merupakan hal penting yang utama dalam permasalahan getaran.
Sebagai ilustrasi untuk menggambarkan getaran paksa ini kita dapat
meninjau sebuah sistem dengan satu derajat kebebasan yang mengalami redaman
karena kekentalan dan dirangsang olah gaya harmonik Fo sin t seperti pada
Gambar 2.9 Sistem yang teredam karena kekentalan dengan eksitasi harmonik.
k C
x
kx
.
x c
m
Fosin t m
Dari diagram benda bebas, persamaan differensial geraknya adalah :
t sin
o F kx x c x
m ... (2.16)
Solusi percamaan diferensial ini adalah
x = xa + xb ... (2.17)
dimana xa fungsi komplementer yang merupakan solusi persamaan diferensial
dengan sisi kanan dianggap nol dan xb solusi partikular yang memenuhi seluruh
persamaan diferensial dan yang tidak mengandumg konstanta sembarang apapun.
Fungsi komplementer diperoleh dengan menggunakan persamaan-persamaan
2.18, 2.19 atau 2.20, tergantung dari sistem redaman relatif terhadap harga kritis.
Untuk asumsi redaman relatif terhadap harga kritis (untuk asumsi redaman kecil),
fungsi komplementer diberikan oleh persamaan 3.19.
Untuk >1
xa = C1 e(- + 1
2
) t
+ C2 e(- - 1
2
) t
... (2.18)
untuk <1
xa = X e- t sin ( dt + Φ ... (2.19)
xa = (A + Bt) e- t ... (2.20)
kondisi awal diberikan oleh xo = A dan xo = B - A untuk t = 0. Konstanta A dan
B ditentukan dengan cara sebagai berikut. Waktu t’ dengan x = 0 diberikan oleh :
t’ = - (A/B)
waktu t“ dengan x mencapai harga maksimum diambil dari x = 0 sehingga
t“ = B A
1
Persamaan 2.39 menunjukan bagian getaran bebas yang meluruh dengan
waktu dan akhirnya berhenti. Karena sifat ini, persamaan ini disebut solusi
transien yang terdapat pada tahap awal getaran atau pada saat pertama getaran
bebas sesudah gaya eksitasi berhenti bekerja.
Solusi partikular mewakili suatu getaran ketika gaya eksitasi masih
bekerja, karena itu disebut sebagai steady state. Solusi partikular harus berkurang
mendekati bentuk sin t. Karena X termasuk bagian dari persamaan diferensial,
maka dapat diasumsikan sebagai:
xb = M sin t + N cos t ... (2.21)
Bentuk ini mempunyai pola perbedaan fasa untuk getaran relatif terhadap gaya.
Kontanta M dan N ditentukan supaya persamaan diferensialnya memenuhi syarat.
Dengan mensubtitusikan solusi partikular ke persamaan diferensial ( pers. 2.21)
didapat:
-m 2 (M sin t + N cos t) + c (M cos t - N sin t)
+ k (M sin t + N cos t) = Fo sin t ... (2.22)
Dengan menyamakan koefisien sinus pada kedua sisi dan juga untuk bagian
kosinusnya akan didapat:
Harga M dan N didapat dengan mencari determinan dan menggunakan hukum
Cramer di dapat:
2 2 o 2 2 2 ) ( ) ( F c -N dan ; ) ( ) ( ) (
c k m c
m k F m k M o
... (2.24)
Subtitusi trigonometri menjadikan persamaan 2.21 menjadi
xb = M2 N2 sin(t-) ... (2.25) Dimana
tan = -N/M
Subtitusi persamaan 2.24 ke dalam persamaan 2.25 menghasilkan
) -t ( sin ) ( )
(k m2 2 c 2
F
xb o
... (2.26)
Dimana
tan = 2
m k c
Persamaan 2.26 dapat ditulis menjadi
xb = X sin ( t- ) ... (2.27)
dan amplitudonya 2 2 2 ) ( )
(k m c
F
X o
... (2.28)
Solusi partikular (pers. 2.27) adalah bentuk getaran steady state dengan
amplitudo X. Getaran ini mempunyai frekuensi sama dengan gaya eksitasi tetapi
frasanya tertinggal sejauh atau berbeda waktu t’ yang dihitung sebagai
Baik amplitudo steady state X dan sudut fase tergantung dari faktor
redaman dan rasio frekuensi. Getaran yang lengkap dapat dituliskan sebagai :X
= X’ e- t sin ( dt + Φ) + X sin ( t – ) (untuk < 1) ... (2.30)
Persamaan-persamaan di atas selanjutnya dapat dinyatakan dalam besaran-besaran
berikut: redaman tanpa osilasi natural frekuensi m k n
... (2.31)
kritis redaman
2
n
c m
c ... (2.32)
redaman faktor c c c
... (2.33)
n c c k c c c k c
2 ... (2.34)
n
r
rasio frekuensi ... (2.35)
Persamaan 2.28 dapat dibentuk menjadi persamaan amplitudo dan fasa yang
nondimensional, yaitu: 2 2 2 2 1 1 n n Fo Xk ... (2.36) 2 1 2 tan n n
... (2.37)
Persamaan-persamaan ini menunujukan bahwa amplitudo nondimensional Xk/Fo
dan dapat digambarkan pada gambar 2.10. kurva-kurva ini menunjukan bahwa
faktor redaman mempunyai pengaruh yang besar terhadap amplitudo dan sudut
fasa pada daerah frekuensi dekat resonansi. Untuk nilai / n <<1, maka gaya
inersia dan gaya redaman adalah kecil dan mengahasilkan sudut fasa yang kecil.
Jadi besar gaya luar (Fo) adalah hampir sama dengan gaya pegas. Untuk / n
=1,0, maka sudut fasa adalah 90 0. Gaya inersia yang sekarang lebih besar
diimbangi oleh gaya pegas, sedangkan gaya luar mengatasi gaya redaman. Untuk
nilai / n >>1, sudut fasa mendekati 1800 dan gaya luar dipakai seluruhnya untuk
mengatasi gaya inersia yang besar.
Faktor
Redaman, ζ
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 5
Rasio frekuensi
;
ω/ωnXk
/Fo
[image:40.595.128.496.336.626.2]0 0,05 0,1 0,15 0,25 0,375 0,5 1
Gambar 2.10 Pengaruh faktor redaman terhadap amplitudo pada daerah frekuensi
Pengaruh redaman yang terpenting pada sistem yang bergetar adalah
membatasi amplitudo respons pada keadaan resonansi, redaman hanya
mempunyai pengaruh yang kecil terhadap respons di daerah frekuensi di luar
resonansi. Pada redaman karena kekentalan (redaman viskos), amplitudo pada
keadaan resonansi adalah :
n o c
F A
... (2.38)
Untuk jenis redaman yang lain, persamaan yang sesederhana itu tidak ada.
Namun, amplitudo resonansi dapat dikira-kira dengan mensubtitusi redaman
ekivalen cek pada persamaan di atas. Redaman ekivalen diperoleh dengan
menyamakan energi yang didisipasi oleh redaman viskos dengan energi yang
didisipasi oleh gaya redaman nonviskos dengan gerak harmonik yang
diasumsikan, dengan persamaan :
d
ek A W
c 2
... (2.39)
Dengan Wd yang harus dihitung dari jenis gaya redaman yang lain tadi.
Pada percobaan oleh beberapa pengamat menunjukan bahwa untuk
kebanyakan logam struktural, seperti baja dan aluminium, energi yang didisipasi
per siklus, untuk selang frekuensi yang lebar, tidak tergantung pada frekuensi dan
sebanding dengan kuadrat amplitudo getaran. Redaman yang memenuhi
klasifikasi ini disebut redaman padat (solid damping) atau redaman
struktural.dengan energi yang didisipasi per siklus yang sebanding dengan kuadrat
2.6.5. Getaran Torsi
Getaran torsi banyak terjadi pada sistem-sistem pemesinan, seperti pada
poros engkol motor bakar. Dengan mempertimbangkan momen inersia massa
sebuah roda atau piringan Jo, yang dihubungkan pada sebuah batang vertikal
dengan diameter d, panjang L, dan modulus geser G. Ujung bagian atas batang
dalam keadaan terikat. Sistem ini akan mengalami getaran torsi terhadap sumbu
simetrinya (gambar 2.12). Konstanta pegas torsional batang diperoleh dari
hubungan antara momen torsi dan sudut puntir, sebagai berikut :
L G I kT p
x
L
[image:42.595.210.414.306.521.2]Jo
Gambar 2.11 Getaran torsi.
Dimana kT adalah kekakuan puntir (torsional stiffness) didapat dari penurunan
rumus sebagai berikut :
P P
P
I G
T I
G T maka I
dA ana
dA G
dA G
L T I G T I G L T T T k k T I G L T L P P T T P L I G k P
T [5] ... (2.40)
dimana Ip adalah momen inersia polar bagian melintang batang dalam m4.
Persamaan gerak untuk gerak rotasi dengan menggunakan Hukum Newton
untuk gerak rotasi terhadap pusat massa menjadi : [3]
T
o T k
J atau JokT 0 ... (2.41)
Frekuensi pribadi adalah[9]
2 / 1 4 2 / 1 2 / 1 32 L J G d L J G I J k o o p o T n
... (2.42)
Momen inersia massa piringan yang berputar Jo adalah
Jo = 2 2 2
8 1 8 1 2 1 Wd g md
mr ... (2.43)
Dengan
m : massa piringan (kg)
r : jari-jari priringan (m)
W : berat piringan (N)
2.7. Getaran Pada Mesin
Getaran pada mesin disebabkan gaya pemindahan yang dihasilkan dari
berbagai gaya yang tidak seimbang yang bekerja dalam mesin. Kalau semua gaya
dalam sebuah mesin mempunyai besar dan arah yang tetap, mesin dapat
diseimbangkan dengan mudah. Tetapi gaya didalam sebuah mesin berubah besar
dan arahnya, sehingga sulit untuk menyeimbangkannya. Masalah penyeimbangan
tertentu. Oleh karenanya, getaran mesin dapat terjadi karena gaya putar yang
tidak seimbang, gaya bolak-balik yang tidak seimbang, dan perubahan dalam
tekanan gas, gaya kelembaman dan momen puntir. Kalau gaya yang berubah-ubah
dalam mesin ini terjadinya pada kecepatan yang sama dengan getaran frekuensi
pribadi dari struktur mesin atau salah satu bagiannya, maka hasil keadaan
resonansi dapat memperbesar amplitudo getran sampai sedemikian besar sehingga
akan terjadi kerusakan yang gawat. Biasanya, frekwensi pribadi dari struktur
mesin dan bagian mesin jauh lebih tinggi daripada frekuensi dari gaya yang tidak
seimbang dalam mesin yang mungkin terjadi dalam keadaan operasi
normal.Adapun bagian-bagian mesin yang cenderung untuk menghasilkan getaran
serentak, atau “pick-up vibration”, adalah batang torak, roda gigi, crank shaft,
pegas katup, poros engkol dan penyangga mesin.
Getaran mesin sebagai suatu keseluruhan, yang hanya di perhitungkan
kalau struktur yang mendukung mesin adalah fleksibel, hal tersebut dapat oleh
jenis perpindahan yang menyebabkan nya yaitu:
1. Kocokan (shacking) – disebabkan oleh gaya vertical atau horizontal yang
berayun-ayun yang cenderung untuk menggerakan mesin naik turun atau
kearah samping.
2. Goyangan (rokcing) – disebabkan oleh gaya horizontal berayun-ayun yang
bekerja diatas titik berat mesin yang cenderungutuk mengoyang mesin di
sekitar garis yang melalui titik beratnya.
3. Jungkitan (pitching) – disebabkan oleh pasangan gaya (kopel) vertical
4. Simpangan (yawing)- disebabjan oleh kopel horizontal yang cenderung
untuk menyimpangkan mesin menyilang atau mengerakan mesin ke
kiri-kanan.
5. Getaran puntiran – disebabkan oleh reaksi momen puntir berayun-ayun
yang cenderung memilih poros engkol selama berputar.
Dari defenisi di atas akan dapat dilihat bahwah kecocokan disebabkan
olehgaya bolak-balik yang tidak seimbang dan komponen vertical atau horizontal
dari gaya sentrifugal yang tidak seimbang, sedangkan jungkitan disebabkan oleh
kopel tidak seimbang yang dihasilkan oleh semua gaya tersebut. Goyangan atau
getaran utama disebabkan oleh variasi dalam komponen horizontal dari reaksi
torak atau atau dorongan samping (S) seperti terlihat pada gambar disebabkan
oleh perubahan dalam tekanan gas, gaya kelembaban, da reaksi beban. Simpang
terjadi disebakan oleh kopel tidak seimbang yang dihasilkan oleh komponen
horizontal dari gaya sentrifugal dalam mesin vertical dan komponen horizontal
dari gaya bolak-balik dalam mesin.
Sehingga mesin yang menghasilkan momen poros yang besar memberikan
momen reaksi yang sama besar pada penyangga mesin, landasan mesin misalnya
pada sasis atau badan kendaraan bermotor,atau pada lantai untuk mesin stasioner.
Jika penyangga mesin terlalu kaku atau lunak, maka reaksi terhadap momen putar
akan terjadi langsung pada landasan. Bagaimana pun juga landasan mesin akan
Goyan gan
Kecoc okan Simpan
gan Jungkitan
K
ec
o
coka
n
[image:46.595.214.376.94.208.2]Punti ran
Gambar 2.12 Arah perpindahan yang menyebabkan getaran
2.8. Pengolahan Data Vibrasi
2.8.1. Data Domain Waktu (Time Domain)
Pengolahan data time domain melibatkan data hasil pengukuran objek
pemantauan sinyal getaran, tekanan fluida kerja, temperatur fluida kerja maupun
aliran fluida kerja. Pada praktik pengukuran tekanan dengan menggunakan sensor
tekanan, tipe piezoelectric memungkinkan mengukur sifat tekanan yang dinamik,
sehingga dapat diamati perubahan tekanan dalam ruang bakar suatu mesin Diesel
atau perubahan tekanan fluida kerja yang mengalir dalam pipa. Dalam kasus
pengukuran temperatur dengan thermometer yang konvensional karena
karakteristik alat ukurnya, maka tidak dapat dilakukan pengukuran temperatur
secara dinamik. Demikian pula halnya dengan pengukuran aliran fluida kerja,
sehingga untuk memungkinkan pengukuran objek pemantauan berupa sinyal
Gambar 2.13 Karakteristik sinyal statik dan dinamik
Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu dapat berupa sinyal:
a. Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya (misal: amplitudo,
arah kerjanya) tidak berubah terhadap waktu.
b. Sinyal dinamik, yaitu sinyal yang karakteristiknya berubah terhadap
waktu, sehingga tidak konstan.
Sinyal dinamik yang sering ditemui dalam praktik berasal dari sinyal getaran, baik
yang diukur menggunakan accelerometer, vibrometer, maupun sensor simpangan
getaran. Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalam time domain, perlu
diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing-masing
sensor acceleration, velocity, dan simpangan getaran (displacement).
2.8.2. Data Domain Frekuensi (Frequency Domain)
Pengolahan data frequency domain umumnya dilakukan dengan tujuan:
a. untuk memeriksa apakah amplitudo suatu frequency domain dalam
b. untuk memeriksa apakah amplitudo untuk rentang frekuensi
tertentu masih berada dalam batas yang diizinkan oleh standar.
c. Untuk tujuan keperluan diagnosis
Secara konseptual, pengolahan frequency domain dilakukan dengan
mengkonversikan data time domain ke dalam frequency domain. Dalam
praktiknya proses konversi ini dilakukan menggunakan proses Transformasi
Fourier Cepat (Fast fourier Transformation, FFT).
FFT FFT
Time Domain
[image:48.595.225.388.261.411.2]FrequensyDomain
Gambar 2.14 Hubungan data time domain dengan frequency domain
Data domain waktu merupakan respon total sinyal getaran, sehingga
karakteristik masing-masing sinyal getarannya tidak terlihat jelas. Dengan bantuan
konsep deret Fourier, maka sinyal getaran ini dapat dipilah-pilah menjadi
komponen dalam bentuk sinyal sinus yang frekuensinya merupakan
BAB III
PENGUKURAN VIBRASI, SPESIMEN & ALAT PENDUKUNG YANG DIGUNAKAN
3.1. Penentuan Kondisi Pengukuran
Pengukuran sinyal vibrasi dilakukan pada penyangga motor bakar diesel
dengan putaran yang bervariasi dengan asumsi penyangga mesin yang digunakan
untuk menumpu motor bakar diesel dalam kondisi ideal artinya tidak memberikan
pengaruh vibrasi yang besar terhadap mesin, dimana motor diesel ini memiliki
beberapa parameter yang harus di tinjau agar mesin tersebut dapat bekerja dengan
lebih optimal. Pengukuran dilakukan dengan opsi pengukuran frekuensi domain
untuk seluruh kondisi pengukuran vibrasi.
3.1.1. Motor Diesel
Jenis Motor bakar diesel yang digunakan adalah motor diesel standart
dengan didukung oleh alat instrumentasi. Jenis motor diesel ini merupakan jenis
yang standart dan umum digunakan dalam transportasi. Motor diesel ini memiliki
[image:49.595.215.397.581.720.2]4 silinder dan bekerja dengan sistem 4 langkah.
3.1.2. Torsi meter
Torsi meter digunakan untuk menentukan beban yang akan diberikan
terhadap mesin diesel itu sendiri melalui poros yang terhubung ke fly wheel (roda
gila),
Gambar 3.2 Torsi meter
3.1.3. Alat Instrumentasi Pendukung
Pada Motor Diesel ini terdapat alat-alat instrumentasi pendukung yang
digunakan sebagai pemantau kerja mesin diesel tersebut, yaitu:
1. Fuel Comsumtion
Alat instrumentasi ini digunakan untuk mengukur berapa jumlah bahan
bakar yang digunakan, dengan mengunakan ukuran waktu per 100 ml.
2. Air ratio
Kebutuhan udara yang diberikan untuk melakukan pembakaran dilihat dari
alat instrumentasi ini dengan satuan mm H2O
3. Temperatur Gas buang (exhaust)
Digunakan untuk melihat sekaligus mengontrol temperatur gas buang yang
Gambar 3.3. Gambar panel alat instrumentasi tambahan
3.1.4. Spesifikasi Vibrometer
Untuk melakukan pengukuran terhadap tingkat vibrasi yang terjadi pada
pompa sentrifugal, digunakan instrumen pengukur sinyal vibrasi, yaitu
Vibrometer analog VM-3314A. Setting instrumen pengukur vibrasi ini dilakukan
Gambar 3.4.ProfilVibrometer Analog VM-3314A, Buatan IMC Corporation,
Japan.
Spesifikasi Vibrometer Analog VM-3314A sebagai berikut:
Tingkat vibrasi : 10 – 1.000 Hz
Tingkat pengukuran :
Simpangan (all amplitude): 0,1 – 1.000 μm (P-P) ; 6
tingkat
Kecepatan (peak): 0,001 – 5 cm/sec ; 5 tingkat
Percepatan (peak): 0,001 – 5 g ; 5 tingkat
Output : 2V P-P (when full scale of indicator load 100 kΩ)
Sumber daya: dua buah baterai 5,6V (HM-4N buatan Matsushita atau TR-
Error of switching sensitivity: ± 3%
Error of sensitivity: ± 5% (pada 63 Hz)
Ratio S/N (signal to noise): > 40 dB
Error scale of indicator: ± 3%
Tampilan (Features):
Dilengkapi dengan kemampuan pemeriksaan voltase baterai pada tahap
persiapan pengukuran.
Besarnya vibrasi/getaran (simpangan, kecepatan, dan percepatan) dapat
diukur dalam frekuensi overall antara 10 - 1.000 Hz, tanpa mengatur
angka getaran, dan getaran dapat juga dianalisa dan diukur untuk tiap
tingkat frekuensi antara 10 - 1000 Hz dengan menggunakan frequency
analyzer.
Getaran dapat diukur dengan handy pressure (probe) atau dengan
memasang langsung sensor pada titik pengukuran dengan menggunakan
pedestal.
3.1.5. Tachometer, Stopwatch
Tachometer digunakan untuk mengukur putaran pada poros, stopwatch
digunakan untuk penunjukan waktu pada saat pengukuran dengan time domain
3.2. Penentuan Posisi Dan Titik Pengukuran
Untuk mendapatkan data yang benar-benar murni seharusnya pengukuran
vibrasi/getaran langsung dilakukan pada bagian elemen mesin yang mengalami
getaran namun dikarenakan elemen tersebut berada dalam kontruksi mesin jadi
pengukuran langsung pada elemen mesin tersebut tidak mungkin dilakukan, oleh
karena itu pengukuran hanya dilakukan pada penyangga mesin saja. Untuk arah
pengukuran dilakukan mulai dari arah aksial, vertikal sampai horizontal yang
dilakukan untuk tiap-tiap titik pengukuran. Titik-titik pengukuran pada bagian
penyangga mesin didefinisikan sebagai point P-01 dan P-02, P-03, P-04. Untuk
tiap titik pengukuran diukur sinyal vibrasinya dengan opsi pengukuran time
domain dan frequency domain. Pengukuran dilakukan untuk setiap titik yang
sudah ditentukan posisinya pada penyangga mesin saat beroperasi dengan kondisi
putran dan beban dalam kondisi bervariasi.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 3.6. Pengambilan titik pengukuran vibrasi pada penyangga mesin diesel Keterangan gambar a : P-01
b : P-02 c : P-03 d : P-04
Pengukuran dan pengambilan data vibrasi dilakukan pada Alat Pengujian
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Instrumen ini telah selesai
dirancang dan dibangun, serta siap untuk dilakukan pengujian vibrasi pada
bagian-bagian yang ingin diketahui kondisi vibrasinya
3.3. Prosedur Pengambilan Data Vibrasi
Terdapat beberapa tahapan yang harus dipersiapkan dan dilaksanakan dalam pengambilan data vibrasi pada motor diesel.
3.3.1. Persiapan Tabel Data Pengukuran Vibrasi
Menyiapkan format tabel untuk pencatatan data hasil pengukuran sinyal
vibrasi berdasarkan kondisi pengukuran yang telah ditentukan sebelumnya,
dimana data yang diambil untuk setiap pengukuran yaitu berdasarkan kondisi
putaran dan beban, opsi data untuk time domain maupun frequency domain,
unit pengukuran berupa harga displacement, velocity, dan acceleration,
sedangkan arah pengukuran yang digunakan, yaitu aksial, vertikal, dan
horizontal.
3.3.2. Setting Instrumen
Tahapan persiapan yang perlu dilakukan dalam men-setting alat pengukur sinyal
vibrasi, berupa Vibrometer Analog VM-3314A, antara lain:
1. Memasang/menghubungkan perlengkapan vibrometer, yaitu rangkaian
sensor (vibration pick up) dengan cord dan metal connector pada input
2. Melakukan pemeriksaan voltase baterai
3. Memasang sensor pada objek pengukuran, atau bila menggunakan
probe, maka sentuhkan ujung sensor pada objek pengukuran.
Tahapan pengukuran sinyal vibrasi:
1. Menentukan pengukuran yang akan dilakukan apakah dengan frequency
overall atau frequency analyzer.
2. menentukan unit pengukuran; simpangan (μm), kecepatan (cm/sec), dan
percepatan (cm/sec2)
3. Mencatat/merekam angka getaran yang ditunjukkan oleh jarum indikator
apabila telah menunjukkan range angka yang stabil.
3.3.3. Prosedur Pengukuran Sinyal Vibrasi
Prosedur pengukuran yang digunakan dalam mendapatkan sinyal vibrasi
pada motor bakar diesel adalah:
1) Mendata spesifikasi motor bakar diesel yang akan diukur sinyal
vibrasinya, berupa: Daya, putaran, beban, komsumsi baha bakar,
pendinginan, dan sebagainya.
2) Menetapkan atau menentukan lokasi titik-titik pengukuran pada motor
bakar diesel dalam tiga arah pengukuran, yaitu: aksial, vertikal, dan
3) Mempersiapkan kelengkapan alat ukur, memastikan dapat berfungsi
dengan baik dan men-setting alat ukur pada titik-titik pengukuran
untuk pengukuran langsung.
4) Mempersiapkan dan memastikan alat ukur pendukung seperti air fuel
comsumtion, pendinginan bekerja dengan baik.
5) Melakukan pengukuran vibrasi/getaran (simpangan, kecepatan, dan
percepatan) dengan time domain atau frequency domain
(menggunakan frekuensi overall atau frequency analyzer).
6) Mencatat atau merekam hasil pengukuran vibrasi, berupa angka
vibrasi (simpangan, kecepatan, percepatan) yang ditunjukkan oleh
indikator oleh instrumen pengukur.
7) Melakukan interpretasi data hasil pengukuran dengan mengolah data
untuk mendapatkan tampilan grafiknya menggunakan software
pengolah data dan menginterpretasikan hasil grafik yang ditampilkan.
8) Membuat kesimpulan dan rekomendasi yang dapat dijadikan sebagai
kondisi dasar untuk memahami kondisi operasi motor diesel agar
Aksial, x Vertical, z
Horizontal, y
BAB IV
INTERPRESTASI HASIL PENGUKURAN
Interprestasi data hasil pengukuran meliputi data pada putaran yang
digunakan yaitu 2000 rpm, dengan mengunakan beban yang bervariasi, yaitu
sebesar 5 kg, 10 kg, 15 kg dengan frekwensi 10 Hz, 20 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 40 Hz,
50 Hz, 60 Hz, 60 Hz, 70 Hz, 80 Hz, 90 Hz, 100 Hz, 110 Hz, pada masing- masing
titik pengukuran P-01, P-02, P-03, P-04 pada tiga arah pengukuran axial, vertikal
,horizontal. Arah pengukuran dapat dilihat pada gambar dibawah :
Gambar 4.1 Arah pengukuran
Pada getaran harmonik berlaku rumus-rumus umum getaran yaitu,
Simpangan y =Asinωt ... (4.1)
Kecepatan y=Aωcosωt ... (4.2)
Percepatan y=-Aω2sinωt ... (4.3)
2
y y
... (4.4)
Tanda negatif menyatakan bahwa arah percepatan berlawanan dengan arah
simpangannya.
Sehingga didapat frekuensi getaran dalam bentuk kecepatan sudut:
y
y
... (4.5)
A sebagai harga simpangan maksimum mempunyai harga yang sama pada
simpangan (displacement), kecepatan (velocity), dan percepatan (acceleration),
sehingga berlaku hubungan :
A1=A2=A3 ... (4.6)
Sehingga didapat
t sin t
cos t
sin y
2
y y
y y
y
y tan arc t t cos
t sin
... (4.7)
Hasil pengolahan data pengukuran diperoleh dari pengukuran pada
masing-masing point (titik) pada putaran yang telah ditentukan, dan hasil
pengukuran ditampilkan dalam plotting tabel dan grafik sehingga memudah untuk
4.1. Pengukuran Pada Point 01 (P-01)
Pengukuran pada point ini diambil berdasarkan penentuan awal, titik
pengukuran ini berada pada bagian belakang mesin diesel, titik pengukuran dapat
dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.2 Titik pengukuran pada Point-01
Dari hasil pengukuran pada titik tersebut didapat hasil pengolahan pada
masing-masing putaran yang telah ditentukan sebelumnya, hasil tersebut dapat
dilihat pada tabel yang telah di hitung melalui software yang digunakan yang akan
diuraikan dibawah.
4.1.1. Hasil Pengukuran Pada Beban 5 Kg
Beban 5 Kg ini merupakan beban yang terendah yang digunakan untuk
pengambilan data, hal ini dikarenakan mesin diesel akan menghasilkan tekanan
efektif diatas putaran tersebut. Adapun data hasil pengukuran dapat dilihat pada
Tabel 4.1 Hasil pengolahan data pada beban 5 kg
No. Frequency Axial Vertical Horizontal
(Hz) Dis Vel Acc Dis Vel Acc Dis Vel Acc
1 10 25 0.1 0.1 30 0.15 0.05 90 0.15 0.075
2 20 45 0.25 0.15 75 0.5 0.075 105 0.45 0.0225
3 30 30 0.275 0.175 80 0.875 0.15 65 0.7 0.15
4 40 37.5 0.375 0.2 75 0.8 0.2 55 0.625 0.225
5 50 80 1.1 0.45 40 0.5 0.2 60 1.075 0.8
6 60 47.5 0.75 0.375 35 0.65 0.25 95 1.75 0.7
7 70 110 1.75 0.7 75 1.5 0.3 300 6.6 2.475
8 80 62 1.3 0.9 30 0.6 0.275 105 2.25 1.05
9 90 70 1.4 0.95 25 0.5 0.4 75 1.5 0.75
10 100 45 0.95 0.725 25 0.725 0.5 60 1.35 0.075
11 110 62.5 1.35 1.1 35 1.175 0.8 45 1.275 0.975
Dari tabel diatas dapat di gambarkan hubungan antara simpangan dan frekuensi
[image:61.595.108.521.109.408.2]seperti gambar 4.3 :
Gambar 4.3. Grafik Frequensi vs Displacement
0 50 100 150 200 250 300 350
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Frequensy (Hz)
Di
sp
la
c
e
m
e
n
t (µ
m
)
Gambar 4.4. Grafik Frequensi vs Velocity
Gambar 4.5. Grafik Frekuensi vs Acceleration
Jika kita melihat dari hasil pengukuran sinyal getaran pada beban 5 kg,
simpangan terbesar terjadi pada arah horizontal dengan nilai 300 µm dengan
frekwensi 70 Hz, sedangkan untuk kecepatan terbesar terjadi pada arah yang sama
(horizontal) denga nilai 6.6 cm/sec untuk percepatan dan 2.475 cm/sec2.
Dari hasil perhitungan tabel diatas dapat dihitung kecepatan sudut dan amplitudo
untuk masing-masing arah: 0
1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Frequensy (Hz)
V
elo
ci
ty
(
cm
/s
ec)
axial
vertical
horizontal
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Frequensy (Hz)
A
c
cel
er
at
io
n
(
c
m
/se
c²
)
Arah Aksial
Kecepatan sudut :
y y = 5 3 10 5.59 10 5.3
= 94.812
= 9.47 rad/sec
y y arc t
tan =
3 5 10 73 . 8 74 . 9 10 59 . 5 tan arc
= arc tan 0.062
= 6.22x10-2 rad
Sehingga di peroleh Perioda : 6.39 10 sec
74 . 9 10 22 . 6 3 2 t t
Amplitudo : 4
2 5 10 98 . 8 10 22 . 6 sin 10 59 . 5 sin t y
Dengan cara yang sama untuk perhitungan kecepatan sudut, periode, dan
