BAB IV ANALISA PERHITUNGAN TEGANGAN DAN SIMULASI SOFTWARE

BAB IV

ANALISA PERHITUNGAN TEGANGAN DAN SIMULASI SOFTWARE

4.1 Momen Lentur Akibat Ledakan Dalam Ruang Bakar

Sebuah poros engkol motor bakar yang sedang melakukan kerja akan mendapatkan pembebanan berupa gaya radial akibat ledakan dalam ruang pembakaran. Ledakan tertinggi dalam ruang bakar dengan type mesin 4 langkah rata-rata sebesar P =1400 kPa, efek ledakan diterima oleh Piston berdimeter 53,5mm. Tekanan ledakan yang diterima piston akan diteruskan Connecting Rod terhadap Pen berukuran panjang 42mm dan diameter 27,39mm dalam bentuk gaya radial. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 4.1 dan 4.2 berikut ini:

Gambar 4.1 Ledakan Piston P

Gambar 4.2 Besar Ledakan Piston Terhadap Pen

Untuk mengetahui besarnya momen lentur akibat gaya radial yang diterima pen berikut perhitunganya:

P = Ledakan Pembakaran kPa = 1400kPa

= 1400Pa x 1000

= 1,4 x 10⁶ N/m² = 1,4 N/mm²

Maka gaya radial yang di terima oleh piston : 𝐹_𝑅 = Gaya radial

A = Luas penampang piston

= ^π

4 x D² = ^3,14

4 x (53,5)²

= 2246,86 mm²

Maka:

𝐹_𝑅 = P x A

Pen P = 1400kPA

= 1,4 x 2246,86 = 3145,60 N

Distribusi momen lentur terbesar pada pen : 𝑀_𝐿 = 𝐹_𝑅 x L/2

= 3145,60 N x (42/2) mm

= 66057,6 N.mm

Setelah momen letur diketahui maka tahap berikutnya untuk mendapatkan tegangan normal dan momen inersia (I) yang terjadi sepanjang pen dengan diameter 27,39mm sebagai berikut :

Momen Inersia pada penampang bulat (Pen):

𝐼 =𝜋. 𝑑⁴ 64

=3,14 . (27,39)⁴ 64

= 27613,26 mm⁴

Titik yang diamati besaran tegangan normal lihat gambar 4.3:

Gambar 4.3 Titik yang diamati pada Pen

c = Jarak Vertikal dari titik berat penampang yang diamati.

𝑐 =𝑑 2

=27,39 2

= 13,695 mm

Maka tegangan normal akibat momen lentur:

𝜎 = 𝑀_𝐿 𝑥 𝑐 𝐼

=66057,6 𝑥 13,695 27613,26 = 32,761 N/mm²

Dari hasil perhitungan, tegangan normal yang diterima oleh pen akibat tekanan ledakan bahan bakar pada piston adalah sebesar 𝜎 = 32,761 N/mm².

4.2 Analisa Gaya Geser

Besarnya tegangan geser dapat diketahui dengan mencari luas penampang pen terlebih dahulu. Diketahui pen dengan diameter 27,39mm dan gaya radial akibat ledakan pembakaran terhadap silinder sebesar 𝐹_𝑅 = 3145,60 N.

Berikut perhitungannya:

𝐴_𝑆 = Luas penampang geser

𝐴_𝑆 = ₄ ^π x D²

= ^3,14

4 x 27,39²

= 0,785 x 750

= 588,75 mm²

Maka tegangan geser yang terjadi adalah

𝜏 = 𝐹_𝑅 𝐴_𝑆

= 3145,60 N

588,75 mm²= 5,342 N/mm²

Untuk lebih jelas distribusi tegangan yang terjadi pada pen dapat di lihat pada tabel 4.4 berikut:

Tabel 4.4 Distribusi Tegangan pada Pen Panjang Pen

(mm)

Momen Letur (N/mm²)

Tegangan Normal (N/mm²)

Tegangan Geser (N/mm²)

42 66057,6 32,761 5,342

4.3 Analisa Tegangan Gabungan

Untuk mengetahui nilai distribusi tegangan normal dan geser lihat tabel 4.4.

Tegangan Utama Maksimum

=32,761 + 0

2 + 32,761 − 0

2 ² + 5,342²

= 16,380 + 17,229 = 33,60 N/mm² Tegangan Utama Minimum

=32,761 + 0

2 − 32,761 − 0

2 ² + 5,342²

= 16,380 − 17,229 = -0,849 N/mm²

Dari hasil perhitungan diatas didapat tegangan maksimum terjadi untuk panjang pen L= 42mm adalah sebesar σ₁= 33,60 N/mm². Sedangkan tegangan minimum didapat σ₂ = -0,849 N/mm².

Untuk lebih jelas lihat tabel 4.5 distribusi tegangan yang terjadi pada pen:

Tabel 4.5 Distribusi Tegangan Maksimum dan Minimum terhadap Pen Panjang Pen

(mm)

Tegangan Maksimum (N/mm²)

Tegangan Minimum (N/mm²)

42 33,60 -0,849

4.4 Safety Faktor

Untuk menghitung nilai kekuatan pada pada pen maka dilakukan persamaan safety factor. Untuk mengetahui besar kekuatan matrial lihat tabel 2.2.

𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑂𝑓 𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦 = 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑆𝑡𝑟𝑒𝑛𝑔𝑕𝑡 𝐷𝑒𝑠𝑎𝑖𝑛 𝐿𝑜𝑎𝑑

S𝐹 = 𝜎_𝑌 𝜎_𝑚𝑎𝑥

= 620,42 N/mm² 33,60 N/mm²

= 18,46

Semakin besar nilai safety faktor pada matrial maka akan semakin aman digunakan.

Faktor keamanan dapat dengan cepat di perkirakan dengan lima ukuran sebagai berikut:

Diketahui:

Sf _material = 1,1

Sf tegangan = 1,2

Sf geometri = 1,0 Sf analisa kegagalan = 1,3

Sf kehandalan = 1,2

Maka:

Sf = Sf material x Sf tegangan x Sf geometri x Sf analisa kegagalan x Sf kehandalan

= 1,1 x 1,2 x 1,0 x 1,3 x 1,2

= 2.0592

Berdasarkan perkirakan faktor keamanan menurut jenis matrial, tegangan, geometri, analisa kegagalan dan kehandalan sebesar 2,0592.

4.5 Analisa Simulasi Menggunakan Software Solidwork

Untuk perbandingan hasil analisa teori maka analisa selanjutnya adalah menggunakan bantuan software solidwork untuk mengetahui besar tegangan yang terjadi pada poros engkol secara keseluruhan.

4.6 Pemodelan Pen, Crankshaft & Proses Simulasi dengan Software Solidwork

Pada bagian ini menggambarkan pemodelan poros engkol yang akan dianalisa gaya reaksinya. Penggambaran menggunakan solidwork sehingga gambar menjadi tiga dimensi. Berikut tahapan analisa pemodelan dengan solidwork:

1. Pemodelan Pen.

2. Pemodelan Poros Engkol.

3. Assembly Pen dan Poros Engkol.

4. Simulasi Crankshaft dan Pemilihan Matrial.

5. Menginput Gaya pada Tumpun.

6. Menginput Gaya Luar.

7. Pengabungan Pen dan Poros Engkol (Connections).

8. Menjalankan Run.

9. Hasil Results:

 Stress

 Factory Of Safety

Berikut adalah tahap-tahap proses analisa pemodelan:

1. Pemodelan Pen

Proses pemodelan pen ini menggunakan fitur sebagai berikut:

Circle dengan diameter 27,39 mm > Ekstrude dengan panjang 42mm.

Sehingga menghasilkan seperti gambar 4.6.

Gambar 4.6 Pen Piston

2. Pemodelan Poros Engkol

Proses pemodelan poros engkol ini menggunakan fitur sebagai berikut:

Line > Revolve > Cut Extrude > Mirror > Fillet > Chamfer. Sehingga menghasilkan seperti gambar 4.7 berikut:

Gambar 4.7 Poros Engkol 1. Assembly Pen dan Poros Engkol

Setelah pen dan poros engkol terbentuk, kemudian part-part tersebut disatukan dengan menggunakan perintah “mate” untuk membentuk sebuah asembling dari mekanisme poros engkol. Hasil Assembly dapat dilihat pada gambar 4.8 berikut:

Gambar 4.8 Hasil Assembly

2. Simulasi Crankshaft dan Pemilihan Material

Setelah proses assembly selesai maka proses selanjutnya yaitu proses simulasi, yang mana pada proses simulasi ini berguna untuk mengetahui besar gaya reaksi yang terjadi pada Crankshaft. Sebelum melakukan simulasi ada beberapa fitur yang harus diaktifkan, diantaranya bahan yang akan di analisa.

Untuk menjalankan simulasi digunakan sebagai berikut:

Simulasi > study advisior > part klik kanan > apply edit matrial >

alloy stell. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 4.9 berikut:

Gambar 4.9 Apply Material

3. Menginput Gaya pada Tumpun

Tahap selanjutnya adalah penginputan gaya tumpuan pada poros engkol. Fitur pada proses tumpuan dilakukan sebagai berikut:

Fixtures > Fixed Geometry > pilih tumpuan > ok. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 4.10 dan 4.11 berikut:

Gambar 4.10 Proses Fixture

Gambar 4.11 Proses Fixed Geometry

1. Menginput Gaya Luar

Setelah tumpuan ditentukan maka dilanjutkan pada penginputan gaya luar pada pada batang yang akan dianalisa. Pada proses ini dapat di lihat sebagai berikut:

Klik kanan pada external load > force > select direction > top plane pada part pen > normal to plane masukan besar gaya (1.4 N) > ok. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 4.12 dan 4.13 berikut:

.

Gambar 4.12 Proses External Loads

Gambar 4.13 Proses Input External Load 2. Pengabungan Pen dan Poros Engkol (Connections)

Pengabungan pen dan poros engkol yang akan menghasilkan reaksi terhadap pembebanan. Pada proses ini dapat di lihat sebagai berikut:

Klik kanan Connections > component contact > klik part pen dan poros engkol > ok. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 4.14 dan 4.15 berikut:

Gambar 4.14 Proses Connections

Gambar 4.15 Component Contact

3. Menjalankan Run

Pada bagian ini berfungsi untuk menjalankan hasil analisa, sehingga didapat data (Report Document). Untuk mejalankan proses run ini digunakan fitur sebagai berikut:

Klik run > ok. Selama proses run akan menunggu beberapa saat bertanda analisa sedang berjalan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 4.16 berikut:

Gambar 4.16 Proses Run

Ketika proses analisa sudah selesai akan ada keterangan Results di samping kiri dan akan menampilkan tegangan dan safety factor. Lihat gambar 4.17 berikut:

Gambar 4.17 Tampilan Results

4. Hasil Results

Pada bagian ini berguna untuk melihat hasil analisa tegangan yang terjadi pada crankshaft dengan menggunakan pewarnaan pada crankshaft, besar nilai tegangan dapat di bandingkan dengan nilai warna yang dikeluarkan pada sebelah kanan gambar. Untuk lebih jelasnya dapat lihat gambar 4.18 dan 4.19.

Sedangkan proses untuk melihat grafik dapat menggunkan fitur sebagai berikut:

Klik kanan di results > Stress1. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 4.18.

Gambar 4.18 Hasil Stress1

Klik kanan di results > Factory Of Safety. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 4.19.

Gambar 4.19 Factor Of Safety

Dari hasil simulasi dapat dianalisa distribusi tegangan yang terjadi pada crankshaft. Untuk tegangan maksimal atau maksimum pada crankshaft sebesar 0,00874251 N/mm² atau 8,74251 x 10⁻³ N/mm². Sedangkan untuk faktor keamanan (FOS) maksimum sebesar 8,09609e+12 dan minimum sebesar 70,966.

Untuk lebih jelasnya lihat hasil report dari software solidworks (lihat lampiran).

4.7 Hasil Analisa Secara Teori dan Software

Dari hasil analisa secara teori tegangan maksimal yang diterima oleh pen dengan panjang 42mm dan berdiameter 27,39mm akibat gaya gaya radial yang diakibatkan oleh ledakan dalam ruang bakar sebesar σ₁ = 33,60 N/mm².

Untuk lebih lengkapnya dapat dilihat pada tabel 4.20 sebagai berikut:

Tabel 4.20 Data Hasil Analisa Pen Secara Teori Hasil

Analisa Teori

Momen Lentur (N.mm)

Teg.

Normal (N/mm²)

Teg.

Geser (N/mm²)

Teg Mak (N/mm²)

Teg.

Min (N/mm²)

FOS

Pen 66057,6 32,761 5,342 33,60 -0,849 18,45

Berikut adalah grafik analisa pada pen secara teori:

Grafik 4.21 Analisa Pen secara Teori

Sedangkan dengan menggunakan software akan menghasilkan tegangan maksimal sebesar 0,00874251 N/mm² atau 8,74251 x 10⁻³ N/mm².

Analisa software difokuskan pada pen dan poros engkol (Crankshaft) yang sudah diassembly dan akan menghasilkan gaya reaksi pada poros engkol akibat gaya aksi yang diberikan pada pen sebesar 1,4 N. Untuk lebih lengkapnya dapat dilihat pada tabel 4.22 sebagai berikut:

Tabel 4.22 Data Hasil Analisa Pen dan Poros Engkol (Crankshaft) dengan Software

Hasil Analisa Software

Teg Mak (N/mm²)

Teg. Min

(N/mm²) FOS Max

Crankshaft 8,74251 x 10⁻³ 7.66323e-011 8,0969e+12

Berikut adalah grafik distribusi tegangan pada crankshaft:

Grafik 4.23 Analisa Simulasi Crankshaft menggunakan Software