Kopling sentrifugal sebagai penerus daya kincir angin

(1)

i

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana Teknik

di Teknik Mesin

Diajukan oleh :

Yessiko Yolanda Dwipunopanen NIM : 045214070

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(2)

ii

CENTRIFUGAL CLUTCH FOR THE WIND TURBINE

POWER TRANSMISSION

A THESIS

Presented as Partial Fulfilment of the Requirements to Obtain theSarjana TeknikDegree

in Mechanical of Engineering

By:

Yessiko Yolanda Dwipunopanen NIM: 045214070

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

(3)

(4)

(5)

v

Nama : Yessiko Yolanda Dwipunopanen

Nomor Mahasiswa : 045214070

Demi mengembangkan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul:

beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 19 Maret 2008

Yang menyatakan,

(6)

vi

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak didapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 7 Januari 2008

(7)

vii

Tuhan dan pembimbing batinku, Yesus Kristus, yang senantiasa mendampingi dan meluruskan jalanku sampai dengan saat ini.

Kedua orangtuaku yang akan selalu kucintai dan kusayangi dan akan terus begitu selama hidupku.

(8)

viii INTISARI

Saat ini pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit listrik masih dalam tahap pengembangan. Berbagai cara dilakukan untuk memanfaatkan energi yang diterima oleh kincir se-efektif mungkin agar energi tersebut dapat dimanfaatkan sebesar-besarnya. Salah satu cara untuk meningkatkan kinerja kincir angin adalah dengan penerapan teknologi kopling sentrifugal untuk merekayasa putaran output kincir agar dapat dimanfaatkan oleh generator pembangkit listrik secara lebih optimal.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan merekayasa kopling sentrifugal sedemikian rupa agar dapat bekerja pada putaran yang direncanakan, yaitu 400 rpm, 500 rpm dan 600 rpm, dan kemudian kinerja model diuji pada beberapa variasi kecepatan angin dengan beban alternator.

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini berupa grafik-grafik kerja kopling sentrifugal pada variasi massa bandul kopling yang digunakan. Untuk putaran kerja kopling, masing-masing diperoleh pada; massa bandul kopling 40 gram di putaran kerja 460 rpm, masa bandul kopling 20 gram di putaran kerja 705 rpm, sedangkan untuk massa bandul kopling 10 gram putaran kerja belum diketahui karena keterbatasan alat uji.

(9)

ix

Various methods have been done to make use of the energy received by propeller as effective as may be so that energy can be used as great as possible. One way to increase the windmill working capability is by applying centrifugal clutch technology to manipulate propeller output rotation so that it can be utilized by electric power generator optimally.

The method applied in this research was conducted by manipulating centrifugal clutch as such a manner to work on planned rotations, which were 400 rpm, 500 rpm, and 600 rpm. Then, the working performance of this model was tested on some wind velocity with load alternator variations.

The result of this research was in the form of centrifugal clutch working charts on the clutch swing mass variations that were applied. Meanwhile, each of clutch working rotations were derived for the clutch swing mass 40 gram on the working rotation 460 rpm, for the clutch swing mass 20 gram on the working rotation 705 rpm, while for the clutch swing mass 10 gram on unknown working rotation because limitedness from the instrument.

(10)

x

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan dan Juru Selamat Manusia Yesus Kristus yang telah melimpahkan kasih dan karunia yang begitu besar, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi Tugas Akhir ini dengan baik. Skripsi Tugas Akhir yang berjudulKopling Sentrifugal Sebagai Penerus Daya Kincir Angin ini ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin di Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Selesainya skripsi ini tentu tidak lepas dari bantuan, dukungan, bimbingan, dan kerjasama dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dari hati yang tulus penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan dorongan baik secara langsung, maupun tidak langsung dalam proses penelitian dan penulisan skripsi ini.

1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

2. Bapak Ir. YB Lukiyanto, M.T. selaku kepala Lab. Konversi Energi FST-USD dan dosen Pembimbing I yang telah membimbing penulis dengan penuh kesabaran.

3. Bapak Budi Sugiharto, S.T.,M.T. selaku Kaprodi Teknik Mesin FST-USD dan dosen Pembimbing II yang telah membimbing penulis dengan kesabaran, ketelitian, dan selalu memberikan motivasi kepada penulis. 4. Seluruh Dosen Teknik Mesin FST-USD yang telah membagi ilmunya

(11)

xi

7. Ayahku tercinta, Laurentius Ladja, dan Ibuku tersayang, Yohana Ani. 8. Saudaraku satu-satunya, Teddy Yolanda Wawamapanta beserta istri dan

keponakan pertamaku.

9. Keluarga Uak Sugi dan Uak Rosa di Pasiran, Singkawang. 10. Elisabeth Putri Swastikasari, kekasihku tercinta.

11. Teman-teman seluruh angkatan Teknik Mesin FST-USD.

Penulis menyadari bahwa penelitian ini masih banyak kekurangan dan masih jauh dari sempurna. Kritik dan saran yang membangun bagi penulis akan penulis terima dengan senang hati. Penulis berharap semoga penelitian ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

(12)

xii DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ………...………..………. i

TITLE PAGE... ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING... iii

HALAMAN PENGESAHAN... iv

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS... v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vi

HALAMAN PERSEMBAHAN ... vii

INTISARI ... viii

ABSTRACT... ix

KATA PENGANTAR ……… x

DAFTAR ISI ………... xii

DAFTAR GAMBAR... xv

DAFTAR TABEL... xviii

DAFTAR LAMPIRAN ……….…………..………… xix

BAB I PENDAHULUAN ………...…..…………. 1

1.1 Latar Belakang Penelitian ………..…...……… 1

1.2 Perumusan Masalah ……….…………..………….. 2

1.3 Pembatasan Masalah ……….…..………. 2

1.4 Tujuan Penelitian ………..………..………. 3

(13)

xiii

2.1 Energi Angin ………...……… 6

2.2 Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin ………..…… 11

2.3 Variabel-Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal... 12

2.3.1. Gerak Lingkar... 12

2.3.2. Gaya Sentripetal... 19

2.3.3. Gaya Fiktif Akibat Gerak Lingkar... 21

2.3.4. Pegas Sekrup Silinder Dengan Penampang Melintang Konstan... 23

BAB III PERANCANGAN MASSA BANDUL KOPLING SENTRIFUGAL ………….……… 26

3.1 Daya Angin ………...……….…...……. 26

3.2 Transmisi ………...……… 27

3.3 Kopling Sentrifugal………...……. 28

3.3.1. Massa Bandul Maksimum... 32

3.3.2. Pemilihan Tipe Pegas... 33

3.3.3. Pemilihan Massa Bandul... 37

(14)

xiv

4.2 Mengetahui Putaran Kincir Tanpa Beban Alternator... 51

4.3 Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada Kecepatan Angin Konstan... 51

4.4 Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada Variasi Kecepatan Angin... 52

BAB V HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN... 53

5.1 Pembahasan Pengaruh Kecepatan Angin Pada Putaran Kincir Tanpa Beban... 53

5.2 Pembahasan Pengujian Bandul Kopling Massa 10 gr... 54

5.5 Pembahasan Perbandingan Putaran Slip Kopling Pada Masing-Masing Massa Bandul... 63

BAB VI PENUTUP ... 66

6.1 Kesimpulan ... 66

6.2 Saran... 68

(15)

xvi

Gambar 3.6. Dimensi bandul maksimum... 32

Gambar 3.7. Alat untuk mencari konstanta pegas... 33

Gambar 3.8. Grafik perbandingan beban vs defleksi pegas... 37

Gambar 3.9. Pusat massa sepatu kopling... 38

Gambar 4.1. Rangkaian kelistrikan alternator hasil modifikasi... 49

Gambar 4.2. Sistem kincir angin yang akan diuji... 50

Gambar 4.3. Beban lampu yang digunakan saat pengujian... 50

Gambar 5.1. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran kincir... 54

Gambar 5.2. Grafik perbandingan kecepatan angin vs putaran transmisi dan alternator (m = 10 gr)... 55

Gambar 5.3. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 10 gr)... 57

Gambar 5.5. Grafik pembebanan alternator vs putaran poros (m = 20 gr)... 60

(16)

xvii

Gambar 5.8. Grafik perbandingan kecepatan angin vs

(17)

xviii

Tabel 1. Nilai k untuk penampang melintang lingkaran,

tergantung pada w = D/d... 24 Tabel 2. Data pembebanan pegas Tipe A

(x0 = 9 mm; ukuran jumlah lilitan*)... 34 Tabel 3. Data pembebanan pegas Tipe B (Lp2 = 26 mm)... 35 Tabel 4. Data pembebanan pegas Tipe C (Lp3 = 22 mm)... 36 Tabel 5. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan beban

alternator = 0... 53 Tabel 6. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan alternator

dibebani (m = 10 gr)... 55 Tabel 7. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 10 gr)... 56 Tabel 8. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan alternator

dibebani (m = 20 gr)... 58 Tabel 9. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 20 gr)... 59 Tabel 10. Putaran kincir dengan Vangin bervariasi dan alternator

dibebani (m = 40 gr)... 61 Tabel 11. Pembebanan bertahap pada alternator (m = 40 gr)... 62 Tabel 12. Pengaruh kecepatan angin terhadap variasi

(18)

xix

DAFTAR LAMPIRAN

(19)

1 1.1. Latar Belakang Penelitian

Pemanfaatan kincir angin sebagai pembangkit energi listrik di Indonesia belum terlalu dikenal masyarakat. Mayoritas masyarakat pada umumnya masih bergantung pada Perusahaan Listrik Negara (PLN) untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang kebanyakan bersumber pada energi berbahan bakar fosil. Padahal energi angin yang tersedia di wilayah Indonesia cukup melimpah (sebagai contoh di wilayah Timur Indonesia) untuk dikembangkan lebih lanjut sehingga masyarakat tidak terlalu tergantung lagi pada PLN. Oleh karena itu, sudah saatnya kincir angin digunakan sebagai pembangkit listrik alternatif di Indonesia.

Teknologi pembuatan kincir angin di Indonesia saat ini sedang dalam tahap pengembangan. Beberapa pihak sedang gencar melakukan penelitian untuk meningkatkan kinerja kincir angin. Permasalahan yang kerap kali timbul terjadi, akibat kecepatan angin yang selalu berubah, yang mengakibatkan putaran kincir angin kontras dengan putaran kerja generator. Pada saat kecepatan angin rendah, putaran yang dihasilkan kincir tidak dapat mencapai putaran kerja generator. Padahal generator (alternator mobil) yang tersedia di pasaran dengan harga relatif murah kebanyakan memiliki putaran kerja yang cukup tinggi, sekitar 700 rpm untuk menghasilkan listrik (http://www.galerimotor.com/home.htm).

(20)

2

daya dan putaran kincir angin agar generator dapat bekerja secara optimal. Hasil dari penelitian ini diwujudkan dalam penelitian dan pembuatan model kopling sentrifugal yang nantinya diharap dapat memberikan kontribusi data-data hasil penelitian untuk dimanfaatkan sebagai penerus putaran kincir angin pembangkit listrik.

1.2. Perumusan Masalah

Permasalahan yang terjadi dalam penggunaan kincir angin saat ini berhubungan dengan putaran kincir angin pada kecepatan angin rendah yang kontras dengan putaran kerja generator. Permasalahan ini dapat dirumuskan sebagai berikut; “Bagaimana cara merekayasa putaran kincir angin pada kecepatan angin yang selalu berubah agar dapat menghasilkan putaran yang

optimal pada generator pembangkit listrik?”

1.3. Pembatasan Masalah

(21)

1.4. Tujuan Penelitian

Adapun beberapa tujuan dari kegiatan penelitian yang dapat dikemukakan antara lain adalah sebagai berikut:

• Menentukan bandul pada kopling sentrifugal agar dapat bekerja dengan putaran tanpa slip dengan ketentuan putaran masing-masing; 400 rpm, 500 rpm dan 600 rpm.

• Mengetahui kecepatan angin pada saat terjadi slip maksimum terhadap pengaruh variasi massa bandul kopling.

• Mendapatkan grafik unjuk kerja kopling sentrifugal pada kincir angin dengan beberapa variasi kecepatan angin dan pembebanan alternator.

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini antara lain:

• Aplikasi kopling sentrifugal pada kincir angin pembangkit listrik untuk dapat memaksimalkan kerja generator.

• Mendapatkan rancangan dan model kombinasi antara transmisi puli dan sabuk, roda gigi dan kopling sentrifugal untuk meneruskan putaran kincir angin sebagai pembangkit listrik.

(22)

4

1.6. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan baik secara empiris dan teori. Sistematika rancangan pelaksanaan kegiatan dari penelitian ini dapat dilihat pada diagram alir berikut ini:

1.7. Sistematika Penyajian

Bab I Pendahuluan, bab ini berisi latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penyajian.

Survey tersedianya bahan baku di pasaran

Pembuatan gambar model Pemilihan bahan alternatif

Pembuatan dan perakitan prototipe

Tersedia Tidak

tersedia

Perhitungan bentuk dimensi, pemilihan bahan serta variasi massa bandul sepatu kopling.

Pengujian variasi massa bandul terhadap putaran kerja kopling yang

direncanakan

Kesimpulan hasil penelitian

(23)

Bab II Dasar Teori, bab ini berisi tinjauan pustaka, landasan teori yang berisi teori struktural dan analisis struktural serta unsur teknis tentang cara kerja dan gaya-gaya yang bekerja pada kopling sentrifugal.

Bab III Perancangan Massa Bandul Kopling Sentrifugal, bab ini berisi hasil perancangan dan perhitungan teoritis untuk menentukan massa bandul kopling untuk menentukan dimensi-dimensi kopling dan jenis pegas yang digunakan dalam penelitian dengan pendekatan rumus-rumus tentang Fisika Dasar, Elemen Mesin, Dinamika Teknik dan Statika Gaya.

Bab IV Cara Pengujian, bab ini berisi cara-cara pengambilan data yang dilakukan selama masa pengujian, yang meliputi metode pengukuran beban alternator dan cara memvariasikan kecepatan angin.

Bab V Hasil Pengujian Dan Pembahasan, bab ini berisi data-data, pembahasan dan perhitungan aktual yang didapatkan dari hasil pengujian unjuk kerja kopling sebagai penerus daya dan putaran kincir angin yang ditinjau dari kecepatan angin dan reaksi kopling terhadap pembebanan alternator.

(24)

6 BAB II

DASAR TEORI

2.1. Energi Angin

Semua energi terbarukan (kecuali energi gelombang laut dan panas bumi), dan bahkan energi yang berasal dari bahan bakar fosil, bersumber dari energi matahari. Matahari memancarkan energi radiasi 174.423.000.000.000 kWH yang dipancarkan ke bumi tiap jamnya, atau dengan kata lain, bumi menerima daya sebesar 1,74 x 1017 Watt (http:// id.wikipedia.org)

Diperkirakan 1% – 2% energi yang bersumber dari matahari dikonversikan menjadi energi angin. Jumlah tersebut kira-kira 50 – 100 kali lebih besar dari energi yang dikonversikan menjadi biomassa oleh semua tumbuh-tumbuhan yang ada di bumi.

Gambar 2.1.Proyeksi temperatur permukaan laut menggunakan citra infra merah satelit (Sumber: satelit NASA, NOAA-7, Juli 1984)

(25)

Seperti terlihat pada Gambar 2.1, daerah-daerah yang menerima panas berlebih diindikasikan dengan warna merah, jingga dan kuning.

Udara panas lebih ringan daripada udara dingin sehingga udara panas tersebut naik menjauhi permukaan bumi sejauh kurang lebih 10 km (6 mil) dan akan menyebar ke Utara dan Selatan. Jika bumi tidak berputar, udara akan dengan mudah mencapai Kutub Utara dan Kutub Selatan, mengendap ke bawah, dan kembali ke garis Khatulistiwa.

Hukum I Termodinamika

Energi yang terdapat dari pergerakan angin dapat dianalisa menggunakan hukum pertama termodinamika dengan sistem terbuka (open system). Pergerakan arah angin diilustrasikan seperti pada Gambar 2.2, dimana diasumsikan kincir angin berada di tempat terbuka dengan udara yang mengalir. Volume kontrol digambarkan berbentuk seperti botol yang melingkupi luas imajiner arah pergerakan angin yang melewati sudu-sudu kincir.

(26)

8

Analisa energi angin yang ada di alam menggunakan hukum pertama termodinamika tentang sistem terbuka mensyaratkan ketentuan-ketentuan dasar termodinamika yang berlaku, seperti:

• Massa (membawa energi) melewatiboundary. • Terdapat fluida (angin) yang mengalir.

• Diperlukan energi untuk mengalirkan massa.

• Tidak ada perpindahan panas pada CV. Suhu udara saat masuk sama dengan suhu udara saat keluar.

Penerapan hukum I termodinamika tentang sistem terbuka pada analisis kincir angin diformulasikan sebagai berikut: [Yunus A Cengel, 2002: hal 182]

                                      waktu satuan per massa dengan CV dalam ke masuk yang energi total waktu satuan per massa dengan CV dari keluar yang energi total W work dan Q heat berupa boundary melewati yang energi total ) ( ) ( • • W

Q =



m•ee 



m•ii

=



_                    • • i i i i e e e

e gz

V h m z g V h m 2 2 2 2 = _           • ) (

2 2 1

2 2

1

2 g z z

V V h h

m e i

• •

W

Q = m



hkepe



•

(kW)...(2.1) dengan: i = saluran masuk pada CV (Control Volume)

(27)

= pv + u + ke + pe (kJ/kg)

atau: θ=flow energy +internal energy +kinetic energy +potential energy

Kerja (W) dihasilkan karena adanya perubahan energi kinetik udara yang bergerak (∆ke) pada sudu-sudu kincir dimana: [Yunus A Cengel, 2002: hal 183]

 • •  W Q 0 = _              •       0 1 2 2 2 0 1

2 ( )

2 )

(h h V V g z z

m e i

•

W

0 = _

         • 0 2 0 2 2 g V V

m e i

•

W =



2 2



2 1

e

i V

V

m 

•

... (2.2)

Gambar 2.3. Proses terbentuknya energi kinetik pada kincir angin (Sumber: Bahan Kuliah Rekayasa Tenaga Angin FT-USD, 2007)

(28)

10

sudu kincir yang ditinjau dari arah tegak lurus datangnya angin (A), kecepatan angin (V) serta waktu (t). Dari faktor-faktor tersebut maka didapatkan:

m = AD → D = kecepatan angin x waktu maka:

m = AVt atau:

•

m = AV... (2.3) Seandainya semua energi kinetik dapat diubah menjadi kerja (Ve = 0), maka energi angin yang tersedia di alam dapat diformulasikan secara teoritis sebagai berikut:

•

W

= _ _

         • 0 2 2 2 1 e i V V

m =

 

2

2 1

i V m• 

•

W

= 2

2 1

V V A  

 = 3

2 1 V A  

jika: = massa jenis udara (standar = 1,225 kg/m3 )

•

W

= ₁_,₂₂₅ 3

2 1 V A   maka: •

W

= 0,61225AV3... (2.4)

(29)

memiliki kecepatan Ve = 0. Energi maksimum tersedia yang dapat dikonversi dari energi kinetik angin tersebut sekitar 59 % (angka ini dikenal dengan Betz Limit).

2.2. Fungsi Kopling Sentrifugal Dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga

Angin

Pada prinsipnya, pengaturan putaran beban kincir ini dikendalikan secara mekanik dengan menggunakan sensor kecepatan putaran poros output gear box yang diterima oleh kopling sentrifugal untuk meneruskan atau melepaskan poros pemutar generator sesuai dengan torsi dan putaran input. Secara sederhana, cara kerja pembangkit listrik ini adalah sebagai berikut:

• Kecepatan angin yang ada di alam dikonversi oleh sudu kincir menjadi gaya tangensial.

• Gaya tangensial yang menyebabkan gerakan rotasi dari kincir tersebut kemudian diteruskan dengan perantaraan transmisi puli dan sabuk ke bagian gear box.

• Input gear box yang berputar akibat kecepatan sudut kincir kemudian akan diubah menggunakan perbandingan transmisi roda gigi untuk mempercepat putaran poros.

(30)

12

• Namun jika terjadi keadaan sebaliknya dimana torsi yang dihasilkan kincir tidak mampu memutar generator pada putaran kerjanya, maka kopling sentrifugal akan melepaskan putaran kincir secara otomatis.

2.3. Variabel-Variabel Yang Mempengaruhi Kerja Kopling Sentrifugal

2.3.1. Gerak Lingkar

Suatu partikel yang bergerak pada suatu lingkaran dengan laju tetap mempunyai kecepatan. Seperti pada Gambar 2.4, meskipun laju, yaitu besar vektor kecepatan sesaatrelatif konstan, akan tetapi vektor kecepatan berubah arah terus menerus sehingga gerak lingkar beraturan, yaitu dengan laju tetap, adalah suatu gerak dipercepat. Laju gerak partikel adalah v dan kemudian akan ditentukan berapa percepatan a untuk gerak lingkar beraturan ini.

Gambar 2.4. Gerak lingkar beraturan. (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 20)

Sebuah partikel melakukan gerak lingkar. Pada saat t partikel berada pada titik P dan vektor kecepatan dinyatakan oleh v . Beberapa saat kemudian, pada saat t +

(31)



v `. Arah vektor kecepatan pada setiap saat adalah sepanjang garis singgung

lingkaran pada arah gerak partikel. Karena laju adalah tetap (gerak lingkar beraturan), maka panjang anak panah yang menyatakan vektor kecepatan juga tidak berubah.

Perubahan vektor kecepatan dinyatakan oleh ∆v =



v ` +



v , sehingga

percepatan rata-rata dalam selang waktu ∆t diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 20]

t v a

  

 

dan arah percepatan rata-rata adalah sama dengan arah ∆v , karena pembaginya,

yaitu∆t, adalah suatu skalar.

Gambar 2.5.Jika∆θ kecil maka ∆v kecil, akan tetapi a konstan.

(Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 21)

(32)

14

P, artinya∆t diperkecil. Tampak bahwa∆v juga mejadi kecil, akan tetapi a tetap

besar, dan arahnya adalah sama dengan arah ∆v . Besar vektor ∆



v , yaitu |∆



v |,

dapat dihitung dari segitiga PAB, [Sutrisno, 1997: hal 21]:

|∆v | =

2 sin

2v  ...(2.5)

Jika ∆t dibuat kecil sekali, maka sudut ∆θ juga menjadi sangat kecil, sehingga dapat digunakan hubungan:

2 2 sin  

dan persamaan (2.5) dapat ditulis sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 21]

|∆v | =

2

2v = v .∆θ ... (2.6)

Di sini sudut ∆θ adalah dalam satuan radial. Busur PP` mempunyai panjang ∆S dengan∆s = r .∆ .θ, atau: [Sutrisno, 1997: hal 21]

∆θ = r

S 

... (2.7)

Untuk∆t yang sangat kecil selalu dapat dituliskan: [Sutrisno, 1997: hal 21] ∆S = v .∆t... (2.8) Dari persamaan (2.6), (2.7) dan (2.8), untuk∆t → 0 diperoleh: [Sutrisno, 1997: hal 21]

|∆v | =

r S v

=





r t v v 

= t

r v

 

2

... (2.9)

Akibat besar percepatan sesaat a , yang dituliskan sebagai a, diberikan oleh:

(33)

a = t v t     | | lim

0 = _t

t r v t      2 0

lim =

r v2

...(2.10)

Arah vektor percepatan sesaat diberikan oleh arah∆v . Jika∆t dibuat sangat kecil

maka arah∆v akan tegak lurus arah garis singgung lingkaran pada titik P. Jadi

arah percepatan adalah menuju pusat atau arah sentripetal, sehingga percepatan pada gerak lingkar beraturan disebut percepatan sentripetal. Dengan begitu, untuk gerak lingkar beraturan dengan laju v, vektor percepatan sesaat diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 22]



c

a = ar

r

v 



 2 ... (2.11)

dengan ar



adalah vektor satuan pada arah radial keluar atau menjauhi pusat. Tanda negatif pada persamaan (2.11) menunjukkan bahwa percepatan sentripetal



c

a mempunyai arah menuju pusat lingkaran.

Dalam gerak lingkar, jarak partikel pada suatu saat terhadap pusat lingkaran adalah tetap dan sama dengan jari-jari lingkaran. Akibatnya posisi benda terhadap titik pusat lingkaran cukup dinyatakan oleh sudut θ, seperti pada Gambar 2.6. Panjang busur dS dapat dinyatakan sebagai dS = r . d . θ sehingga: [Sutrisno, 1997: hal 22]

v = dt dS

= dt d

(34)

16

Gambar 2.6. Pada gerak lingkar posisi partikel dapat dinyatakan dengan sudutθ. (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 22)

Pada persamaan (2.12), dθ/dt adalah kecepatan sudut yang dinyatakan dengan ω. Satuan dari kecepatan sudut adalah radial/detik. Jadi persamaan (2.12) dapat dituliskan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 22]

v = r .ω ... (2.13) Waktu yang diperlukan dalam gerak lingkar untuk menempuh satu putaran disebut perioda putaran, dan dinyatakan dengan T.

Besaran lain yang sering dipergunakan dalam gerak lingkar beraturan adalah berapa kali partikel mengelilingi lingkaran dalam satuan waktu, atau berapa kali revolusi yang dilakukan partikel per satuan waktu. Besaran ini disebut dengan frekuensi, dan dinyatakan dengan f. Satuan frekuensi adalah cycle/second atau cps; satuan cps umumnya disebut sebagai Hertz (Hz). Seringkali frekuensi dinyatakan dalam rpm, yaiturevolution/minute (putaran/menit).

(35)

Hubungan lain antara ω dan T, dalam waktu satu perioda, partikel melakukan satu putaran berarti menempuh sudut 360° = 2π rad. Karena percepatan sudutω adalah tetap, maka ω = 2π/T atau ω = 2π f. Akhirnya didapatkan percepatan sentripetal sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 22]

r r

c a r a

r v a

 



    

 2 _2 _...(2.14)

Percepatan Tangensial Dalam Gerak Lingkar

Gerak ini dilukiskan pada Gambar 2.7. Misalkan partikel berada pada titik P pada saat t, dan berada di titik P` pada saat t` = t +∆t. Dalam waktu ∆t, vektor kecepatan berubah sebesar∆v = `



v

-

v .

Gambar 2.7.Sebuah partikel bergerak lingkar dipercepat. (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 23)

(36)

18

∆v =∆

 T

v +∆

 R

v ... (2.15)

Vektor ∆v_R dianggap P`A = P`B, sehingga ∆

 R

v menyatakan perubahan vektor

kecepatan pada laju tetap. Jadi ∆v_R adalah percepatan karena perubahan arah

vektor kecepatan.

Jika∆t dibuat mendekati nol, maka∆v_R juga akan mendekati nol, akan tetapi,

t v_R t      0 lim

adalah sama dengan percepatan radial, yang tidak lain adalah percepatan sentripetal ac



. Jadi: [Sutrisno, 1997: hal 23]

c a =

t v_R t      0

lim =

r v a_r 2 ˆ 

 ... (2.16)

menuju pusat atau arah sentripetal. Jika ∆t = 0, yaitu bila P` mendekati P, vektor komponen∆v_T akan mempunyai arah tangensial atau arah singgung. Akibatnya percepatan singgung diberikan oleh:

T

a =

t v_T t      0

lim =

dt v d_T

Karena vT 

mempunyai arah singgung lingkaran, maka:

dt v d_T

= dt dv aˆ_T

dengan aˆ_T adalah vektor satuan pada arah singgung atau arah tangensial. Percepatan tangensialdapat dirumuskan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 24]

dt dv

a_T  ... (2.17)

(37)

 

dt d r r dt dv

a_T     ... (2.18)

Pada persamaan (2.18), dω/dt menyatakan perubahan kecepatan sudut per satuan waktu, jadi dω/dt tidak lain adalah percepatan sudut, dan persamaan (2.18) dapat ditulis sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 24]

 

 

 r

dt d r

a_T ...(2.19)

Percepatan resultan adalah: [Sutrisno, 1997: hal 24] a = aR aT



 _

... (2.20) dan besar percepatan resultan diberikan oleh: [Sutrisno, 1997: hal 24]

a = 2 2

R T a

a  ... (2.21)

2.3.2. Gaya Sentripetal

Sebuah benda yang bergerak melingkar dengan laju konstan mempunyai percepatan ke arah pusat lingkaran, atau pada arah sentripetal. Percepatan ini menyatakan perubahan arah vektor percepatan, meskipun laju benda (yaitu besar vektor kecepatan) tidak berubah. Jika benda bergerak pada lingkaran berjari-jari r dengan laju v, dari gerak lingkarnya diperoleh persamaan: [Sutrisno, 1997: hal 55]

a = r

r v

ˆ

2

(38)

20

dimana rˆ menyatakan vektor satuan pada arah radial keluar. Tanda negatif pada persamaan (2.22) menyatakan bahwa arah percepatan sentripetal ini adalah menuju pusat lingkaran.

Jika benda tersebut di atas mempunyai massa m, maka menurut Hukum II Newton agar benda memiliki percepatan tersebut, pada benda harus bekerja gaya sebesar: [Sutrisno, 1997: hal 55]

F = ma = r

r v m

ˆ

2



 ... (2.23)

(a) (b) (c)

Gambar 2.8. Arah vektor gaya dari suatu partikel yang bergerak melingkar (Sumber: Fisika Dasar - Mekanika, 1997: hal 55)

(a) Sebuah benda benda dengan laju konstan pada lingkaran dalam bidang

horizontal. Satu-satunya gaya yang bekerja dalam bidang horizontal adalah T.

(b) Sebuah massa m tergantung dengan seutas tali dengan panjang L berayun

membentuk lingkaran.

(c) Diagram gaya benda bebas.

(39)

lingkaran, sedang besar vektor kecepatan (laju) tidak terpengaruh. Secara skematik, gaya sentripetal ini dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.8.

2.3.3. Gaya Fiktif Akibat Gerak Lingkar

Gaya fiktif yang bekerja pada benda berarah radial keluar disebut sebagai gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal mengimbangi gaya sentripetal, sehingga jika dipandang secara kasat mata dari sumbu lingkaran yang sedang berputar, benda berada dalam keadaan diam; gaya resultan pada benda sama dengan nol. Gaya sentrifugal ini diformulasikan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 63]

cf

F = r

R v m

ˆ

2

 

atau

cf

F = __m__R__2_{... (2.24)}

dengan : m = massa bandul

R = jari-jari bandul dari pusat lintasan

ω = kecepatan sudut bandul terhadap pusat lintasan

Gaya sentrifugal hanya terjadi dalam suatu sistem yang sedang berputar bersama benda.

(40)

22

benda adalah tegak lurus terhadap sumbu putar, gaya coriolis dinyatakan sebagai: [Sutrisno, 1997: hal 63]

cr

F = 2mvcˆ =

R c v v

m _T ˆ

2   

 ... (2.25)

dan dengan vT adalah komponen tangensial v



, vektor cˆ adalah vektor satuan arah tegak lurus lintasan pada titik dimana benda berada, mengarah ke dalam.

Gambar 2.9. Pada saat benda berada di D, gaya sentrifugal dinyatakan oleh Fcf ke arah radial dan gaya coriolis dinyatakan oleh Fcr ke arah tegak lurus lintasan. AB adalah lengkungan involusi (Sumber: Fisika Dasar– Mekanika, 1997: hal 63)

(41)

2.3.4. Pegas Sekrup Silinder Dengan Penampang Melintang Konstan

Di dalam konstruksi mesin, pegas sekrup silinder ini merupakan jenis pegas yang paling banyak digunakan dan menempatinya dalam suatu garis sekrup pegas batang tarik yang digulung, yang dibebani dengan gaya tekan atau tarik F dalam poros pegas.

Menurut Gambar 2.10, pegas jenis ini umum digunakan untuk gaya sentris. Ujung pegas terletak berurutan 180° (jumlah gulungan total dengan ½ ujung-ujungnya). Pegas bekerja jika dikenakan suatu gaya F. Jika gaya F dan lengan tuas pegas D/2, dihasilkan suatu penampang melintang kawat yang terletak tegak lurus terhadap garis sekrup (sudut kenaikanα). Dari keadaan tersebut diperoleh:

Momen putar =

2 cos  D F

Gaya melintang = Fcos

Momen tekuk =

2 sin  D F

Gaya tarik/tekan = Fsin

a) untuk pembebanan tekan

b) untuk pembebanan tekan dan tarik

c) untuk pembebanan tarik. Gaya penegangan mula F0 = Fv.

(42)

24

Kebalikan dari tegangan putar pegas yang diakibatkan oleh momen putar, jika pada α dan D/d kecil, maka tegangan sisa kembali. Perhitungannya hanya sesuai dengan momen putar F D/2, bahwa cosα ≈ 1, dan dianggap untuk dapat dibebani dinamis suatu tegangan geser yang ditinggikan dari sisi dalam gulungan melalui kumparan kawat karena suatu nilai k yang tergantung pada perbandingan kumparan, seperti pada Tabel 1. Pemindahan pegas f tidak begitu terpengaruh oleh penegangan tambahan, sepanjang gulungan pegas tidak disentuh.

Tabel 1. Nilai k untuk penampang melintang lingkaran, tergantung pada w = D/d (Sumber: Elemen Mesin – Disain dan Kalkulasi Dari Sambungan, Bantalan dan Poros, 1992: hal 222)

D/d 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15

k 2,05 1,55 1,38 1,29 1,23 1,20 1,17 1,15 1,13 1,11 1,09

Perhitungan Umum [Nieman, 1975: hal 221] Perhitungan kemampuan pegas (statis):

F = D W_t 2

...(2.26)

Perhitungan kemampuan pegas (dinamis):

F = D k W_t   2 ...(2.27) Pemindahan pegas: f = t f J G F D i     4 3  ...(2.28) Angka pegas: c = f F  

= 4 ₃

(43)

Pegas Dengan Penampang Melintang Dari Kawat [Nieman, 1975: hal 221] F = D d 8 3    (statis)... (2.30)

maka diameter kawat d dengan perbandingan kumparanω = D/d;

d = 3 8

   D F =     F 8 ... (2.31) F = D k d     8 3   (dinamis)... (2.32)

dan kemudian diameter kawat menjadi:

d = 3 8F D_k

  

 = k

F       8 ... (2.33)

f = ₄

3 8 d G F i D _f     ... (2.34)

c = ₃

4

8 i D d G f    = ₃

8   f i d G ... (2.35)

Jumlah dari gulungan yang memegas:

if = k

D d G f _     

(44)

26 BAB III

PERANCANGAN MASSA BANDUL KOPLING SENTRIFUGAL

3.1. Daya Angin

Dengan menggunakan persamaan (2.4) dari Bab II, dapat langsung diketahui daya yang tersedia, dimana pada keadaan pengujian variabel-variabel yang diketahui adalah antara lain :

Dkincir = 1005.59 mm

Akincir =





2 4 Dkincir 

=



1005.59



2

4 mm



= 794523,1253 mm2 = 0.8 m2

Vangin = 7,5 m/s ; pada putaran kincir = 136 rpm

•

W

= 2

 

3

5 . 7 8 . 0 61225 ,

0  m 

= 27.4 N.m/s (Watt)

(45)

Gambar 3.1. Terowongan angin milik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

3.2. Transmisi

Karena kopling sentrifugal merupakan suatu kopling dengan karakteristik putaran tinggi untuk dapat bekerja, maka dibutuhkan suatu mekanisme transmisi untuk mempercepat putaran output. Dipilih penggunaan kombinasi antara puli dan sabuk serta perbandingan roda gigi, untuk mendapatkan dimensi yang kompak dari keseluruhan sistem kincir.

Gambar 3.2. Sistem transmisi pada kincir angin

Sistem transmisi sabuk-puli dan roda gigi

Kopling sentrifugal

(46)

28

Perbandingan total untuk sistem transmisi adalah sebesar 9,586 dengan perbandingan sabuk-puli dan roda gigi masing-masing adalah sebesar 3,92 dan 2,45 ratio percepatan. Gambar skematik dari sistem transmisi ini dapat dilihat seperti Gambar 3.2.

3.3. Kopling Sentrifugal

Secara skematik, kopling sentrifugal hasil perancangan dapat dilihat pada Gambar 3.3. Kopling ini bekerja berdasarkan jumlah putaran penggerak kopling dan meneruskan putaran tersebut melalui komponen tergerak kopling.

Keterangan Gambar : a. Komponen tergerak kopling b. Lubang pengait

c. Sepatu kopling

d. Komponen penggerak kopling e. Pegas kopling

f. Bandul/massa sepatu kopling

Gambar 3.3. Sketsa kopling hasil perancangan

Untuk perhitungan awal, perlu ditentukan dimensi kopling. Dimensi kopling perlu dibuat sedemikian rupa agar rancangan tetap kompak, namun dari segi pembuatan dengan peralatan perkakas terbatas masih dimungkinkan.

Dimensi-c

d

e

f a

(47)

dimensi utama kopling yang berhasil dibuat adalah seperti terlihat pada Gambar 3.4.

(a)

(b)

Gambar 3.4.Dimensi-dimensi utama model kopling sentrifugal yang digunakan

Selain dimensi kopling, juga perlu ditentukan putaran kopling saat mulai bekerja. Disini digunakan asumsi putaran kopling mulai bekerja pada 400 rpm, 500 rpm, dan 600 rpm.

(48)

30

Gambar 3.5.Statika gaya-gaya yang bekerja pada sepatu kopling

Analisis gaya-gaya yang bekerja pada kopling secara skematik dapat dilihat pada Gambar 3.5. Sepatu kopling dianggap sebagai suatu mekanisme batang dengan sambungan sendi. Beberapa gaya yang harus bekerja pada sepatu kopling antara lain gaya pegas (Fp), gaya sentrifugal akibat pusat massa sepatu kopling (Fc2) dan gaya sentrifugal akibat massa bandul (Fc1).

Gaya pegas merupakan gaya yang bekerja untuk melawan gaya sentrifugal massa bandul dan pusat massa sepatu kopling. Jumlah momen yang bekerja pada poros sepatu kopling (titik A) pada saat kopling mulai bekerja akibat pengaruh putaran poros inputnya harus sama dengan nol, atau dapat dituliskan sebagai berikut :



 1

 





2,  2

 

 1,  3



0 

M_A F_p L F_c _y L F_c _y L ...(3.1)

dengan : Fp = gaya pegas

(49)

Fc2,y = gaya vektor tegak lurus sepatu kopling akibat gaya sentrifugal pusat massa sepatu kopling.

Sedangkan ;

 cos

1 ,

1y c

c F

F  ... (3.2) 

cos

2 ,

2y c

c F

F  ... (3.3) Sudut α dan β ditentukan oleh sudut γ, δ dan ε, dimana masing-masing sudut penentu tersebut dipengaruhi oleh posisi sepatu kopling terhadap sumbu poros kopling penggerak. Sudut α dan β dapat diperoleh dari persamaan :







     90

 ... (3.4)







 

   90

 ...(3.5) Untuk menentukan besarnya gaya sentrifugal akibat dari massa bandul (Fc1) dan gaya sentrifugal akibat pusat massa sepatu kopling (Fc2) dapat diperoleh dengan penyesuaian dari persamaan (2.24), yaitu :

2 1  m

c m R

F ...(3.6)

2 2  sk cg

c m R

F ... (3.7) dengan : m = massa bandul

msk = massa sepatu kopling

ω = kecepatan sudut yang direncanakan Rm = jarak bandul terhadap sumbu kopling

(50)

32

3.3.1. Massa Bandul Maksimum

Karena terbatasnya ruang di bagian dalam kopling, massa bandul yang digunakan pada penelitian ini memiliki massa maksimum yang sangat tergantung dari dimensi ruang bagian dalam kopling. Dimensi maksimum dari bandul digambarkan seperti pada Gambar 3.6, dimana massa bandul pada dimensi tersebut adalah seberat 20 gram. Bandul yang digunakan untuk setiap sepatu kopling berjumlah dua buah, sehingga massa total bandul untuk masing-masing sepatu kopling adalah sebesar 40 gram.

Gambar 3.6.Dimensi bandul maksimum

(51)

3.3.2. Pemilihan Tipe Pegas

Pegas yang digunakan harus disesuaikan dengan massa bandul maksimum dan putaran terkopel yang direncanakan. Pada awal perancangan, dipilih tiga tipe pegas, yaitu :

• Tipe A (Hard) • Tipe B (Medium) • Tipe C (Soft)

Ketiga pegas tersebut masing-masing kemudian dicari harga defleksi pegas pada pembebanan tertentu. Metode yang digunakan untuk mencari harga defleksi masing-masing pegas adalah dengan pembebanan konstan bertahap dan pengukuran defleksi pegas yang dilakukan pada masing-masing beban seperti terlihat pada Gambar 3.7. Hasil pengukuran tiap-tiap pegas dapat dilihat pada Tabel 2 untuk pegas Tipe A, Tabel 3 untuk pegas Tipe B, Tabel 4 untuk pegas Tipe C, serta Gambar 3.8. sebagai grafik pembanding beban vs defleksi pegas.

Keterangan gambar : a. Mekanisme penarik b. Tuas pengatur

c. Indikator jumlah beban d. Pegas uji

e. Landasan pegas

Gambar 3.7. Alat untuk mencari konstanta pegas a

b

c

d

(52)

34

Tabel 2. Data pembebanan pegas Tipe A (Lp1 = 27 mm)

No pengujian Beban (kg) xi(mm) Δ x (mm)

5 11.00 2.00

6 11.15 2.15

7 11.45 2.45

8 11.75 2.75

9 12.00 3.00

1

10 12.25 3.25

5 11.00 2.00

6 11.15 2.15

7 11.50 2.50

8 11.80 2.80

9 12.00 3.00

2

10 12.20 3.20

5 11.00 2.00

6 11.25 2.25

7 11.50 2.50

8 11.70 2.70

9 12.00 3.00

3

10 12.20 3.20

5 11.00 2.00

6 11.25 2.25

7 11.55 2.55

8 11.70 2.70

9 12.00 3.00

4

10 12.45 3.45

Beban (kg)

Rata-rata xi(mm)

Rata-rata Δ x (mm)

5 11.00 2.00

6 11.20 2.20

7 11.50 2.50

8 11.74 2.74

9 12.00 3.00

10 12.28 3.28

11 12.44 3.44

12 12.76 3.76

13 13.00 4.00

14 13.25 4.25

15 13.48 4.48

(53)

Tabel 3. Data pembebanan pegas Tipe B (Lp2 = 26 mm)

No pengujian Beban (kg) xi(mm) Δ x (mm)

1 26.75 0.75

2 27.30 1.30

3 28.00 2.00

4 28.70 2.70

5 29.20 3.20

6 30.00 4.00

1

7 30.75 4.75

1 26.75 0.75

2 27.20 1.20

3 28.00 2.00

4 28.75 2.75

5 29.50 3.50

6 30.00 4.00

2

7 30.60 4.60

1 26.55 0.55

2 27.00 1.00

3 27.50 1.50

4 28.00 2.00

5 28.75 2.75

6 29.25 3.25

3

7 29.85 3.85

1 26.75 0.75

2 27.00 1.00

3 27.75 1.75

4 28.00 2.00

5 28.75 2.75

6 29.30 3.30

4

7 29.85 3.85

Beban (kg)

Rata-rata xi(mm)

Rata-rata Δ x (mm)

1 26.7 0.7

2 27.13 1.13

3 27.81 1.81

4 28.36 2.36

5 29.05 3.05

6 29.64 3.64

7 30.26 4.26

(54)

36

Tabel 4. Data pembebanan pegas Tipe C (Lp3 = 22 mm)

No

pengujian Beban (kg) xi(mm) Δ x (mm)

0.5 27.6 5.6

0.75 29.6 7.6

1 31.6 9.6

1.25 32.95 10.95

1

1.5 34.3 12.3

0.5 27.55 5.55

0.75 29.03 7.03

1 30.5 8.5

1.25 31.75 9.75

2

1.5 33 11

0.5 27.4 5.4

0.75 29.38 7.38

1 31.35 9.35

1.25 32.83 10.83

3

1.5 34.3 12.3

0.5 27.85 5.85

0.75 28.93 6.93

1 30 8

1.25 31.5 9.5

4

1.5 33 11

Beban

(kg) Rata-rata xi(mm) Rata-rata Δ x (mm)

0.5 27.6 5.6

0.75 29.23 7.23

1 30.86 8.86

1.25 32.26 10.26

1.5 33.65 11.65

(55)

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10 12 14

Be b a n (kg )

Tipe A Tipe B Tipe C

Gambar 3.8. Grafik perbandingan beban vs defleksi pegas.

3.3.3. Pemilihan Massa Bandul

Setelah data dari masing-masing pegas diketahui, selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan massa bandul, dilihat dari perhitungan gaya sentrifugal yang bekerja pada sepatu kopling.

Dari gambar 3.5, jika diketahui masing-masing dimensi kopling sebagai berikut :

γ = 64° δ = 25,51°

ε = 64,51° Rm = 47,3 mm

Rcg = 37 mm L1 = 16,59 mm

L2 = 17,66 mm L3 = 47,1 mm

L4 = 27 mm g = 9810 mm/s2

msk = 60 gram dsk = 15 mm

(56)

38

Dimana dsk merupakan jarak defleksi ujung sepatu kopling (titik D) pada saat kontak dengan komponen tergerak kopling. Sedangkan mskadalah massa sepatu kopling yang bekerja pada pusat massa (cg) sepatu kopling tersebut.

Dari Persamaan (3.4) dan (3.5) diperoleh :



 



 

 64 64,51 90 

 38,51 

dan



 



   25,51 64,51 90

  0,02

Mass properties of cg sepatu kopling_reff 00 ( Part Configuration -Default )

Output coordinate System: default --Density = 0.01 grams per cubic millimeter Mass = 57.50 grams

Volume = 7187.29 cubic millimeters Surface area = 3723.20 square millimeters Center of mass: ( millimeters ) X = 38.23

Y = 5.16 Z = 4.00

Gambar 3.9. Pusat massa sepatu kopling.

Pusat massa sepatu kopling diperoleh dengan metode grafis, dimana model dari sepatu kopling digambar menggunakan software SolidWork 2005 untuk mengetahui titik pusat massanya. Pusat massa sepatu kopling hasil pengolahan gambar software ini dapat dilihat pada Gambar 3.9.

(57)

1 3 0 L L d d sk

p  

mm mm

mm

d_p 16,59

1 , 47

15

0   = 5,284 mm

Perhitungan untuk pegas Tipe A

Dari Tabel 2 diketahui panjang pegas = 27 mm dan defleksi total pegas adalah :



4 p1



p0

p L L d

d   



mm mm



mm

d_p  27 27 5,284 = 5,284 mm = 0.005284 m

Dengan menggunakan interpolasi data rata-rata dari Tabel 2, untuk dp = 5,284 mm,





                        

 kg kg kg

mm mm

m_p 15 14 14

25 , 4 48 , 4 25 , 4 284 , 5 kg m_p 18,495 dan

 

₁₈₄₉₅_,₂_gr ₉₈₁₀_mm_/_s2

F_p 181438065,5 gr.mm/s2

Pegas Tipe A Pada Putaran 400 rpm

Kecepatan sudut diperoleh dari :

N   60 2  rpm 400 60 2 _  

(58)

40

Dengan menggunakan persamaan (3.7) diperoleh :

 

2

2  m  Rcg  

F_c _sk



 



2

2 60gr 37mm 41,905rad/s

F_c   

= 3899421,2 mm.gr/s2 Dari Persamaan (3.3) :



3899421,2 . / 2



cos0,02

,

2  mmgr s 

F_c _y

2 ,

2 3899421mm.gr/s

F_c _y 

Dari Persamaan (3.1) diketahui :



 ₁

 





₂_,  ₂

 

 ₁_,  ₃



0 

M_A F_p L F_c _y L F_c _y L

Maka



 



3 2 , 2 1 , 1 L L F L F

F_c _y  p  c y



 



mm mm s gr mm mm s mm gr F_c _y

1 , 47 66 , 17 / . 3899421 59 , 16 / . 5 ,

181438065 2 2

, 1    

= 62451164,9 gr.mm/s2 Dari Persamaan (3.2) diperoleh :

 cos , 1 1 y c c F F  2 2

1 79809846,8 . /

51 , 38 cos / . 9 , 62451164 s mm gr s mm gr

F_c  

Kemudian dari Persamaan (3.6) diperoleh massa bandul sebesar :

(59)





2 2 / 905 , 41 3 , 47 / . 8 , 79809846 s rad mm s mm gr m 

 =961 gram

Dari hasil perhitungan dapat ditarik kesimpulan bahwa pegas Tipe A tidak memenuhi syarat massa bandul kurang dari atau sama dengan 40 gram

Perhitungan untuk pegas Tipe B

Dari Tabel 3 diketahui panjang pegas = 26 mm dan defleksi total pegas adalah :



4 p2



p0

p L L d

d   



mm mm



mm

d_p  27 26 5,284 = 6,284 mm

Dengan menggunakan interpolasi data rata-rata dari Tabel 3, untuk dp = 6,284 mm,





                        

 kg kg kg

mm mm

m_p 7 6 6

64 , 3 26 , 4 64 , 3 284 , 6 kg m_p 10,264 dan    2 / 9810 35 ,

10264 gr mm s

F_p 100693314.6 gr.mm/s2

Pegas Tipe B Pada Putaran 400 rpm

(60)

42 rpm 400 60 2 _  

 = 41,905 rad/s

 

2

2  m  Rcg  

F_c _sk



 



2

2 60gr 37mm 41,905rad/s

F_c   



3899421,2 . / 2



cos0,02

,

2  mmgr s 

F_c _y

2 ,

2 3899421mm.gr/s

F_c _y 



 ₁

 





₂_,  ₂

 

 ₁_,  ₃



0 

M_A F_p L F_c _y L F_c _y L

Maka



 



3 2 , 2 1 , 1 L L F L F

F_c _y  p  c y



 



1 , 47 66 , 17 / . 3899421 59 , 16 / . 6 ,

100693314 2 2

, 1    

= 34008021.1 gr.mm/s2 Dari Persamaan (3.2) diperoleh :

 cos , 1 1 y c c F F  2 2

1 43460757,8 . /

51 , 38 cos / . 1 , 34008021 s mm gr s mm gr

F_c  

(61)

2 1    m c R F m





2

2 / 905 , 41 3 , 47 / . 8 , 43460757 s rad mm s mm gr m 

 =523.25 gram

Dari hasil perhitungan dapat ditarik kesimpulan bahwa pegas Tipe B tidak memenuhi syarat massa bandul kurang dari atau sama dengan 40 gram

Perhitungan untuk pegas Tipe C

Dari Tabel 4 diketahui panjang pegas = 22 mm dan defleksi total pegas adalah,



4 p3



p0

p L L d

d   



mm mm



mm

d_p  27 22 5,284 = 10,284 mm

Dengan menggunakan interpolasi data rata-rata dari Tabel 4, untuk dp = 10,284 mm :





                        

 kg kg kg

mm mm

m_p 1.5 1.25 1.25

26 . 10 65 . 11 26 . 10 284 , 10 kg m_p 1,254 dan

 

₁₂₅₄_,₃ ₉₈₁₀ _/ 2

s mm gr

(62)

44

Pegas Tipe C Pada Putaran 400 rpm

N   60 2  rpm 400 60 2 _  

 = 41,905 rad/s

 

2

2  m  Rcg  

F_c _sk



 



2

2 60gr 37mm 41,905rad/s

F_c   



3899421,2 . / 2



cos0,02

,

2  mmgr s 

F_c _y

2 ,

2 3899421mm.gr/s

F_c _y 



 ₁

 





₂_,  ₂

 

 ₁_,  ₃



0 

M_A F_p L F_c _y L F_c _y L

Maka



 



3 2 , 2 1 , 1 L L F L F

F_c _y  p  c y



 



1 , 47 66 , 17 / . 3899421 59 , 16 / . 18 ,

12304668 2 2

, 1    

(63)

2 2

1 3670595.16 . /

51 , 38 cos / . 2872238.86 s mm gr s mm gr

F_c  

2 1    m c R F m





2

2 / 905 , 41 3 , 47 / . 3670595.16 s rad mm s mm gr m 

 =44.19 gram

Pegas Tipe C Pada Putaran 500 rpm

N   60 2  rpm 500 60 2 _  

 = 52,4 rad/s

 

2

2  m  Rcg  

F_c _sk



 



2

2 60gr 37mm 52,4rad/s

F_c   

= 6092845.68 mm.gr/s2 Dari Persamaan (3.3) :



6092845.68 . / 2



cos0,02

,

2  mmgr s 

F_c _y

2 ,

2 6092845.31mm.gr/s

F_c _y 



 ₁

 





₂_,  ₂

 

 ₁_,  ₃



0 

(64)

46 Maka:



 



3 2 , 2 1 , 1 L L F L F

F_c _y  p  c y



 



1 , 47 66 , 17 / . 31 , 6092845 59 , 16 / . 18 ,

12304668 2 2

, 1    

 cos , 1 1 y c c F F  2 2

1 2619489,93 . /

51 , 38 cos / . 55 , 2049749 s mm gr s mm gr

F_c  

2 1    m c R F m





2

2 / 52,4 3 , 47 / . 2619489.93 s rad mm s mm gr m 

 =20.18 gram

Pegas Tipe C Pada Putaran 600 rpm

N   60 2  rpm 600 60 2 _  

 = 62,86 rad/s

 

2

2  m  Rcg  

(65)



 



2

2 60gr 37mm 62,86rad/s

F_c   

= 8773697.78 mm.gr/s2 Dari Persamaan (3.3) :



8773697,78 . / 2



cos0,02

,

2  mmgr s 

F_c _y

2 ,

2 8773697,25mm.gr/s

F_c _y 



 1

 





2,  2

 

 1,  3



0 

M_A F_p L F_c _y L F_c _y L

Maka



 



3 2 , 2 1 , 1 L L F L F

F_c _y  p  c y



 



1 , 47 66 , 17 / . 8773697.25 59 , 16 / . 8

12304668.1 2 2

, 1    

 cos , 1 1 y c c F F  2 2

1 1334805.75 . /

51 , 38 cos / . 1044484.83 s mm gr s mm gr

F_c  

2 1    m c R F m





2

2 / 52,4 3 , 47 / . 75 , 1334805 s rad mm s mm gr m 

(66)

48

Dari hasil perhitungan, pegas Tipe Cmemenuhi syarat massa bandul kurang dari atau sama dengan 40 gram

(67)

49 4.1. Cara Pemasangan Beban Alternator

Rangkaian kelistrikan alternator yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 4.1. Alternator yang digunakan langsung dialiri arus listrik pada bagian rotornya untuk menciptakan medan elektromagnetik. Dengan begitu, alternator seolah-olah memiliki magnet permanen pada rotornya, dan kemudian rotor akan memberikan fluks magnet pada bagian stator untuk menghasilkan listrik output alternator. Disini, alternator tidak dianggap sebagai penghasil listrik, namun lebih sebagai beban untuk mengetahui kerja dari model kopling sentrifugal yang telah dibuat.

a. Kumparan stator b. Kumparan rotor

c. Ampere meter input (baterai) d. Ampere meter output (beban) e. Beban lampu

f. Volt meter input g. Sikat arang stator h. Volt meter input

i. Baterai 12 V (sumber daya) Gambar 4.1. Rangkaian kelistrikan alternator hasil modifikasi

a b c d e f

(68)

50

(a) (b) (c)

a. Kincir angin yang telah terpasang di terowongan angin dan siap untuk diuji

b. Bagian belakang kincir angin

c. Sistem transmisi, kopling sentrifugal dan alternator yang akan diuji

Gambar 4.2.Sistem kincir angin yang akan diuji

Keterangan gambar : a. Beban LED (1); 12 V

b. Saklar Beban LED (1) c. Beban Lampu (1); 12 V d. Beban Lampu (2); 12 V e. Saklar Beban Lampu (1) f. Saklar Beban Lampu (2) g. Saklar Beban LED (2) h. Beban LED (2); 12 V

Gambar 4.3.Beban lampu yang digunakan saat pengujian b

c d e f g

a

(69)

Secara aktual, bentuk dari keseluruhan model dari sistem “Kopling Sentrifugal Sebagai Penerus Daya Kincir Angin” ini dapat dilihat pada Gambar 4.2. Sedangkan untuk beban output (keterangan e pada Gambar 4.1), peneliti menggunakan suatu rangkaian lampu 12 Watt dan beberapa buah LED yang disusun seri. Secara aktual, beban lampu ini dapat dilihat pada Gambar 4.3.

4.2. Mengetahui Putaran Kincir Tanpa Beban Alternator

Tujuan dalam pengambilan data ini adalah untuk mengetahui putaran output kincir angin yang berputar tanpa beban pada kecepatan angin tertentu. Kecepatan angin dalam terowongan angin divariasikan pada kondisi tertentu, yaitu pada 4 m/s sampai dengan 8 m/s, dengan rentang kecepatan tiap 0,5 m/s. Kemudian dilakukan pencatatan data untuk tiap-tiap kondisi kecepatan angin tersebut.

4.3. Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada

Kecepatan Angin Konstan

Pengambilan data putaran kincir yang terbebani alternator pada kecepatan angin konstan ini bertujuan untuk mengetahui turunnya putaran kincir angin jika alternator diberikan beban tertentu pada kecepatan angin konstan. Pengujian dilakukan pada tiap-tiap variasi massa bandul kopling. Penurunan putaran kincir nantinya akan berdampak pada terjadinya putaran slip pada kopling.

(70)

52

posisi terowongan angin tidak berubah, kemudian beban ditambah secara bertahap dengan cara menyalakan saklar-saklar pada rangkaian beban satu persatu sampai didapatkan keadaan dimana kopling berputar tanpa slip dan kopling berputar slip. Variabel-variabel yang dibutuhkan pada saat pengambilan data ini diilustrasikan seperti terlihat pada bagian lampiran LI, LII dan LIII.

4.4. Mengetahui Putaran Kincir Yang Terbebani Alternator Pada Variasi

Kecepatan Angin

(71)

53 4.1. Pembahasan Pengaruh Kecepatan Angin Pada Putaran Kincir Tanpa

Beban

Pada bagian ini, pengambilan data-data difokuskan pada pengaruh variasi kecepatan angin terhadap putaran kincir angin yang tidak dibebani oleh pembebanan alternator. Putaran kincir hanya dibebani untuk menggerakkan sistem transmisi dan kopling